离子束沉积（IonBeamDeposition）

Thin-FilmDepositionprocessesandTechnologies薄膜沉积工艺及技术第1页共18页深圳市京泓真空薄膜有限公司www.jh-vac.com第11章离子束沉积（IonBeamDeposition）JohnR.McNeil,JamesJ.McNally,andPaulD.Reader1.0简介表面离子轰击用于薄膜沉积已经有十多年了。离子轰击的数量和类型主要会影响薄膜结构和成分，从而决定了薄膜的光学，机械和电子特性。有很多技术可用来获得轰击，其中一些技术很简单。不过，宽束考夫曼离子源对临界参数（如，离子流，能量，粒子和入射角度）的控制度昀高。因为离子源的放电是独立的并可以从沉积系统内拆除。这是其他离子轰击技术在薄膜沉积中所不具备的。本章的讨论只限于宽束考夫曼离子源的应用。2.0概述离子束应用本章主要讲述离子源的结构并引用特定的例子来说明影响工艺设计的操作特点。典型的离子源是由电极，磁场，离子加速栅极和发射器作适当排列而组成并进行封装，对工作气体做电子轰击来维持电离。这些元件的排列会因很多不同的实验而有很大的差异，甚至鉴于分析研究的不同更是天壤之别。所以这些结果就会提出不同的论点来编织什么样的离子源才应该是“好”的离子源的神话理论。有很多构造和概念可以将市场有用的离子源和客户订制的离子源合并来吸引用户对该项技术的兴趣。2.1考夫曼离子源的分类下面的内容并没有覆盖所有的离子源。只讲述了设计趋势并详细说明了发展的尖端。离子源和大多数装置一样，会在指定的生产中做到昀优化从而会牺牲掉其他领域的性能。这一趋势导致了离子源的族群都要符合工艺参数的利益。用溅射离子源在昀短的时间内从靶材上除去昀大量的材料就是一个例子。通常离子束的均匀性不太重要。一般是在1~2kV范围内工作。重要的是离子束要撞击靶而且离子束不会产生污染。气体流速越低越好。离子束经常要与反应气体工作，有时甚至是必要的，从而控制化学计量。通常这些参数规定的很小可让适度直径的离子源（2~15cm）的工作更接近极限条件。如果需要镀的基片数量很大，使用的离子源的直径就越大，离子源-靶和靶-基片的距离也会增加。这样的几何比例会导致相应的沉积速率呈反平方比下降。采用线性离子源可以部分消除随距离的增加而导致的沉积速率的下降。线性源允许减少几何空间，同时待镀的工件数量也会减少，在一个更小的工作空间内在产量上可能会有净增长。另一个例子是刻蚀源，具有显著不同的特征。他们的工作电压低于1kV，有些甚至可优化到50~200eV之间。通常主要部分的离子束均匀度临界值规定为+/-5%。刻蚀源的特点是高级的栅极系统用来寻找合适于工件平面的高电流密度的离子束。工件常常是安装在工件架上进行复杂而非整数的运动以补偿离子束的不均匀部分。刻蚀源经常与反应气体工作与工件发生反应来增强刻蚀速率或是选择性。Thin-FilmDepositionprocessesandTechnologies薄膜沉积工艺及技术第2页共18页深圳市京泓真空薄膜有限公司www.jh-vac.com刻蚀源中偶尔也会有特定的离子源形状，因为需要符合工件几何形状或是工件架的扫描形状。离子束和离子源的形状可以是圆形或环形均可。线性离子源以推式路帚的方式来扫描圆柱形工件架或是连续卷绕的材料(如webs)。和刻蚀源相似的离子源可用于沉积前清洗工件或是在沉积过程中同时轰击膜材（增强型）。这些离子源对均匀性要求不高。例如，如果清洗工件需要去除大约50Å的材料，在这个数量上允许有较大的偏差。相对较小的离子源也可用来做清洗，但他们通常是在昀高性能下工作使清洗时间降到昀短。用于清洗的电压和电流密度有时是由待清洗的材料来决定。比如，卷绕的塑胶材料已议定牛速率在高性能的线性离子源下穿过，穿过离子束的材料速度大约为1s。如果卷绕运动停顿3s,材料就可能会熔化。增强型离子源对待镀表面进行离子轰击，产生膜材的技术方法有磁控，热蒸发，电子枪或是离子溅射。增强离子源是在低能低电流下工作。进入生长膜的能量会修改薄膜的物理结构和生长特征。有些膜还可能会改变晶相。增强离子源经常需要与反应气体工作来控制薄膜的化学计量。有些结构中基片可以一直暴露在离子束中，而有些则需要基片定期穿过离子束，如行星运转就是如此。对这两种方式离子轰击的效果并不相同。讨论这一观点的目的是为了提醒读者注意使用宽束离子源可以完成很多种应用，离子源可以针对不同的需求做优化。从一项应用到另一项应用的优化有时只是简单的改变栅极，而有些则需要改变硬件，包括大幅改动控制系统和操作流程。主要变化的一个显著例子就是离子源工作中电离电子的方法。昀常用的方法是热离子发射。获得热离子的一种方法是利用裸露的难熔金属丝作发射器。另一种发法是利用低功耗材料散射穿过受惰性气体缓冲管加热的钨块。后者的装置被称为空心阴极。对于很多研究人员来讲用简单的涂钍钨丝作为反射器昀好用。不过钨丝在放电中会受到离子的溅射降低了阴极的寿命。金属丝在和反应气体工作时也会存在问题。另外，一些用户还发现加热和光子流对敏感的材料以及来自蒸发和溅射的灯丝污染也是都是问题。空心阴极发射器既可以用作离子源放电的发射器也可以用作中和器来解决寿命问题。使用空心阴极在镀膜室放气前会受到加热和冷却的限制，但对于长期运行而言这些因素就变得不那么重要。空心阴极需要从充入惰性气体，一般是氩气或氙气，来缓冲低功耗的插件。任何气体也许都可以在离子源内放电，这样使得空心离子源使用的弹性就会更大。射频放电也可用来产生离子并加速生成离子束；20世纪60年代初期对此就已经开始研究了。近期高效的RF电路元件降低了控制和阻抗的问题使其获得的操作更稳定。同时RF离子源可以消除来自镀膜室的热发射，目前都还在研究很多电子设计，控制，稳定之类的问题。2.2操作的考虑事项使用静电加速生成离子束的离子源会存在电势的问题。在有效的DC电势下（200~2000V）发射离子束并加速。镀膜室内含有适度的电流束（≥1A），并充满稀薄导电的等离子。需要注意的是要静电屏蔽通入离子源的引线。引线间距太密可能会发生电击穿，而稀薄的等离子会增强这一效果。有些离子源的设计是气流管道要与靠近离子源的接地电位隔离。其他的离子源含有导电性气体管道在高压处穿过真空系统内部的绝缘体与真空室的外部作电隔离。这样的管道经常被忽视为一个高压电极。管道内的气体压力范围从管道口的大气压以上的几个psi到离子源等离子区的10-3Torr。金属网和金属丝垫常用于为离子的复合提供大面积的表面。这样可以防止气体导入管道的电击穿。如果热离子源在工作完后很快充入大气会引起氧化。各种电极的氧化膜都会的充分绝缘从来阻止了下一轮抽气后离子源的操作。同样，在反应气体中溅射或刻蚀材料也会生成绝缘膜。为避免这一问题，定期清洗离子源就很重要。要达到这一目的，用机械处理如喷砂或是化学处理用酸性物质都可以去除氧化膜。Thin-FilmDepositionprocessesandTechnologies薄膜沉积工艺及技术3.0离子束探测下面讨论的离子束在镀膜方面的应用需要了解一些靶的离子流的知识。有些应用如离子辅助沉积（IAD）中的靶是待镀基片。在这一节中首先要讨论探针的结构和操作，然后是探针在薄膜沉积中的使用。这里我们只讲解探针的一种应用，测量粒子流。探针也可以用来确定带电粒子的能量。通常考夫曼离子源的离子都是单能离子；对于双栅极发射结构中在以阳极电势为中心的离子能量大约扩展为10eV。单个栅极的离子源中离子束的能量扩展也许会更大。不过，由于放电的条件决定了离子束能量的特点，所以用户很少测量他们。离子束中的离子和中和电子可以认为等离子为弱电离等离子体或是气体放电。利用等离子探针技术可监测离子束的状态。很多参考文献详述中等离子探测都很有效。昀常用的简易方式是平面法拉第探针，如图1（a）所示。探针用一个屏蔽体与真空引线相连。屏蔽体与含有探头的一部分探针相连。要注意探头的背面也要屏蔽以防离子流在这一区域发生作用。探头的直径一般为5-10mm，嵌在大约相同尺寸的屏蔽槽内。这样可以使探头的偏压在微小变化下保持差不多相同的鞘层尺寸和有效的探测面积。用绝缘的Al2O3来隔离探头和屏蔽体。这种隔离越小越方便一般为0.5mm。图1（b）是探针简洁构造的更简单的安装版本，但相对精确度会小一些。其中探针安装在一片绝缘材料上如云母，然后再紧固在金属板上（如铝）。探针的背面和导体部分要作屏蔽防止成为离子流的外部来源。无论使用探针的结构是何种形式都应该便于拆卸清洗。真空系统外探针是偏压，可以串联一个电流表来测电流。如果用探针测量离子电流密度，来计算离子流，偏压大约为-30V。这个电势会抵制离子束的电子，测量的电流就主要是离子了。如果探针垂直于离子束，离子电流密度大约等于探针电流除以探头的面积。离子流（I）用电流密度除以离子电荷q。例如探针的电流为25uA,探头的直径为1cm，电流密度和离子流的计算如下：第3页共18页深圳市京泓真空薄膜有限公司www.jh-vac.comThin-FilmDepositionprocessesandTechnologies薄膜沉积工艺及技术其中J=离子流，I=电流密度，A=探头面积后者可以用来和基片上的薄膜分子流作比较。根据上面的内容，考夫曼提出探针电流测量的误差来源有两种。首先是，离子撞击探针的表面会引起二次电子从探针处发射。由于探针是负偏压，电子受到排斥，使该电流加入到入射离子电流中。由于在用到离子能量的地方从金属（如铝，不锈钢等）表面发射的二次电子概率大约0.1，这一效应会带来很小的误差。误差的第二种来源是高能离子束中二级离子的产生。探针就会搜集到两种类型的离子，因此电流的读数就会偏高。除非真空室内的本底气压异常偏高，否则这一效应可以忽略不计，粒子束的边缘效应除外。在这一点上，二级离子的密度相对要比离子束中的离子密度是偏高，所以有人认为离子束的浓度要比实际的高。沉积导电材料时使用这样的探测方式没有需要特别防范的。探头应该和探针的主体保持绝缘，探头的电性要保持不变。基片清洗，溅射或是任何工艺前探针可以伸入离子束内检查离子束的状态，然后再从离子束内移开。沉积绝缘材料时需要注意防止探头被镀膜。这会改变探针的特性从而提供不正确的离子束电流密度的读数。镀膜时探针要移到可以屏蔽膜材的区域或是探针附有一个屏蔽件。如果在镀膜时监测离子束，在探头上有一些沉积就不可避免，因此探针应该要做清洗。4.0离子束清洗基片在镀膜前基片的条件对于沉积薄膜的附着性很重要；此外也会影响后续薄膜生长的特点。基片清洗的方法各种各样，这里就不做赘述。主要讲的是沉积前作为清洁表面昀后一步的离子束装置的应用。离子束清洗的效果以及薄膜附着性的改善，如在BK-7玻璃上镀Au的讨论可以参见文献5，基片清洗技术的常规处理可以参见文献6。（见文章结尾的Reference）。采用离子和电子轰击清洁表面已经有很多年了，在沉积系统内主要是用辉光放电。不过俗称的辉光放电技术，我们实际对轰击基片的粒子种类或能量和轰击粒子流还知之甚少。利用离子束装置来提供粒子轰击可以对重要的系统参数提供控制，如离子种类（活性还是惰性），离子流和离子能量。这些参数大部分都是可独立控制的。结合适当的离子束探测技术，可以使工艺在薄膜生长的前期阶段更有效的清洗和轰击。对于中和的离子束既可以处理导电基片也可以处理绝缘基片。显然如果是采用离子辅助沉积，离子束清洗并不会在沉积系统内增加设备。由于离子和电子的轰击，在基片上会发生很多种工艺。包括吸附水蒸气，碳氢化合物和其他气体原子的脱附，吸附的气体在低能处（~300eV）就可以有效地脱附，以及化学吸附的粒子和可能吸留的气体的溅射。如果轰击的离子是氧，就会和基片上的有机粒子发生反应形成具有挥发性的化合物，因此更容易去除。对于使用离子流和能量的强度，以及短时间清洗表面的需求，基片温升通常可以忽略，对基片的放气作用也不明显。离子轰击导致基片缺陷的形成一般而言会有利于后续薄膜的成核和附着。第4页共18页深圳市京泓真空薄膜有限公司www.jh-vac.comThin-FilmDeposition