离子束溅射

离子束溅射引言为何要使用离子束溅射溅射系统的一个主要缺点就是工作压强较高，由此导致溅射膜中有气体分子的进入。而离子束溅射，除具有工作压强低，减小气体进入薄膜，溅射粒子输送过程中较少受到散射等优点外，还可以让基片远离离子发生过程。离子束溅射的靶和基片与加速极不相干，因此，通常在传统溅射沉积中由于离子碰撞引起的损伤会降到极小。并且在外延生长薄膜领域，离子束溅射沉积变得非常有用。因为在高真空环境下，离子束溅射出来的凝聚粒子具有超过10eV的动能。即使在低基片温度下，也会得到较高的表面扩散率，对外延生长十分有利。离子束溅射薄膜沉积装置示意图1.离子束溅射的基本原理产生离子束的独立装置被称为离子枪，它提供一定的束流强度、一定能量的Ar离子流。离子束以一定的入射角度轰击靶材并溅射出其表层的原子，后者沉积到衬底表面即形成薄膜。在靶材不导电的情况下，需要在离子枪外或是在靶材的表面附近，用直接对离子束提供电子的方法，中和离子束所携带的电荷。2.离子束溅射的基本规律描述离子束溅射的主要参量分别是溅射阈能、溅射产额和淀积速率。那什么是溅射阈能、溅射产额和淀积速率呢？溅射阈能溅射阈能是指开始出现溅射时初级离子的能量。也就是说是将靶材原子溅射出来所需的入射离子的最小能量值。当入射离子的能量低于溅射阈能时，不会发生溅射现象。溅射阈能与入射离子的质量无明显的依赖关系，但与靶材却有很大的关系。阈能随靶材原子序数的增加而减少。对于大多数金属来说，溅射阈能为20-40eV。溅射产额溅射产额指的是一个初级离子平均从表面上溅射的粒子数。也就是指平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即每入射一个粒子溅射出来的原子数Y影响溅射产额的因素靶材料的表面结构、原子序数入射离子的角度、能量衬底温度2.1溅射产额与靶表面的关系在实际的离子束溅射中，溅射靶表面上不可避免地存在一些微观孔洞。而在离子束溅射模拟中，通常认为靶表面是平滑的。所以，在实际过程中，溅射产额总是低于或高于基于光滑表面计算的值。例如，如果靶表面存在锥形孔，溅射产额比相应光滑表面的溅射产额低；相反，若在靶表面上创造一些棱形的孔或者三角形的沟槽，则溅射产额就随之增加。2.2溅射产额与靶原子序数的关系这个图给出了Ar离子作为入射离子在1KeV时对一些元素的溅射产额。由图可见溅射与原子序数有周期性的关系，这是因为靶材的升华热与原子序数成周期性的结果，靶材的升华热愈低，结合能愈弱，在同样的条件下溅射产额愈大，反之亦然。再者，当金属表面形成金属氧化物时，致密的氧化层使结合能增大，溅射产额减少。这个图是在45kV加速电压条件下各种入射离子轰击Ag表面时得到的溅射产额随离子的原子序数的变化。易知，重离子惰性气体作为入射离子时的溅射产额明显高于轻离子。但是出于经济方面的考虑，多数情况下均采用Ar离子作为薄膜溅射沉积时的入射离子。2.3溅射产额与入射离子角度的关系这个图给出的是入射离子能量为200eV时溅射产额与入射离子角度的关系。其中Θ角为入射方向与法线的夹角，由图见，Θ=80°-85°时溅射产额最大，但对不同的材料，增大情况不一样。这是因为当入射角Θ增大时，入射离子的能量更多地耗散在靶近表面区，使溅射产额增大。但当Θ过大时，入射离子弹性散射的几率增大，传给靶导致溅射的能量减少，因而使溅射产额急剧下降。2.4溅射产额与入射离子能量的关系这个图给出的是Ni的溅射产额与入射离子能量之间的关系。由图可以清楚地看出的规律是：从一定阈值开始有溅射，随着入射离子能量的增加，溅射产额增加。然后又逐渐下降。这是因为：随着入射离子能量的增加，位移原子的数目及能量都跟着增加，但另一方面，当入射离子能量增加时，它射入晶格更深处，而深处的位移原子并不能从表面上逸出，因而溅射产额降低，这两个因数决定了溅射与入射离子能量的关系。2.5溅射产额与衬底温度的关系这个图给出了35KeV的Co+轰击Si靶，在Si基底上的相对溅射产额与衬底温度的关系图，从图可知，随着衬底温度的升高，相对溅射产额逐渐降低。导致溅射产额下降的主要原因是，当温度升高时，有一部分离子穿入到膜的内部，从而把能量消耗在材料内部。另一方面，由于温度的升高，晶格原子的布郎运动加剧，阻止了离子进一步遂穿到膜内部，从而有助于产额的提高。但由于设备不能够提供足够高的温度，所以图中没有最低点和逐渐上升的部分。3.离子束溅射的淀积速率淀积速率Zc：通常用淀积速率来表示溅射材料在基片上成膜的快慢。而把溅射材料在单位时间内淀积在基片上的厚度定义为淀积速率。式中Kc为一常数，是由溅射镀膜装置决定的，它与真空室气压P、靶与基片距离有关；Y(E,θ)为溅射率，它是离子能量E和入射角度θ的函数，Jb是离子束流密度。实验条件E=800eV，P=2.66x102pa，同曲钱上可看出，在E一定时，淀积速率与束流密度成正比，与公式有很好的一致性。还可以看出，在同等条件下，SiO2的淀积速率略高于Ti的淀积速率。实验条件为Jb=0.57mA/cm2，P=2.66x102pa，θ=45°在固定Jb时入射离子能量在400~900eV之间，Zc与E近似成平方根关系，与分析较为一致。Y与E的关系E=25~150eV时Y∝(E-E0)，E=150~400eV时Y∝(E-E0)E=400~500eV时Y∝E1/2E5000eV时Y∝lgEE0为临界能量在LKJ一2A机上通过实脸，验证了淀积速率与离子束流密度有较好的线性关系，离子能在400~900eV之间，Zc与E呈现平方根关系，不同材料淀积速率不同。在各种实际问题中，由于对膜层的质量要求不同，不一定追求较高的淀积速率，此时往往选择适当的离子，从而以适中的速率成膜，保证膜的质量。3.离子束溅射的优点溅射镀膜是依靠动量交换作用使固体材料的原子、分子进入气相，溅射出的平均能量10eV，高于真空蒸发粒子的100倍左右，沉积在基体表面上之后，尚有足够的动能在基体表面上迁移，因而薄膜质量较好，与基体结合牢固。任何材料都能溅射镀膜，材料溅射特性差别较其蒸发特性差别小，即使是高熔点材料也能进行溅射，对于合金、靶材化合物材料易制成与靶材组分比例相同的薄膜，因而溅射镀膜的应用非常广泛。溅射镀膜中的入射离子一般利用气体放电法得到，因而其工作压力在10-2Pa~10Pa范围，所以溅射离子在飞到基体之前往往已与真空室内的气体分子发生过碰撞，其运动方向随机偏离原来的方向，而且溅射一般是从较大靶表面积中射出的，因而比真空镀膜得到均匀厚度的膜层，对于具有勾槽、台阶等镀件，能将阴极效应造成膜厚差别减小到可以忽略的程度。但是，较高压力下溅射会使膜中含有较多的气体分子。可以使离子束精确聚焦和扫描，在保持离子束特性不变的情况下，可以变换靶材和基片材料，并且可以独立控制离子束能量和电流。由于可以精确地控制离子束的能量、束流大小与束流方向，而且溅射出的原子可以不经过碰撞过程而直接沉积薄膜，因而离子束溅射方法很适合于作为一种薄膜沉积的研究手段。4.离子束溅射的缺点离子束溅射的主要缺点就是轰击到的靶面积太小，沉积速率一般较低。而且，离子束溅射沉积也不适宜沉积厚度均匀的大面积的薄膜。并且溅射装置过于复杂，设备运行成本较高。5.离子束溅射的应用离子束溅射沉积最常使用的两种离子源是Kaufman源和双等离子体源，沉积技术被用于制备金属、半导体和介电膜离子束溅射用于制备高温超导薄膜离子束溅射用于溅射非理想化学配比的氧化物理想的薄膜应该具有光学性质稳定、无散射和吸收、机械性能强和化学性质稳定等特征，而离子束溅射技术正好提供了能够达到这些要求的技术平台，目前离子束溅射技术的应用领域不断地被拓宽，并且应用的光谱波段也早已从可见光拓宽到红外、紫外、χ射线等范围。离子束溅射技术在光纤、计算机、通信、纳米技术、新材料、集成光学等领域即将发挥其强大的作用。应用