离子束溅射

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。
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
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
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。
2.2 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。
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。
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
溅射出来的原子数 Y= 每入射一个粒子
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。
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
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。
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 ∝E1/2 E>5000eV时Y ∝lgE E0为临界能量 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。
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。
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。
应用
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。
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。
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。