离子束溅射和离子束辅助溅射技术简介

1.概述

溅射放电系统、磁控溅射的一个主要缺点是工作压强较高，由此导致溅射膜中有气体分子的进入。在离子束溅射淀积中，通过引出电压将离子源中产生的离子束引入到真空室，而后直接打到靶上并将靶材原子溅射出来，最终淀积在附近的基片上，就可以避免这个问题。

离子束溅射技术（IBD）是在比较低的气压下，从离子源取出的氩离子以一定角度对靶材进行轰击，由于轰击离子的能量大约为1 keV，对靶材的穿透深度可忽略不计，级联碰撞只发生在靶材几个原子厚度的表面层中，大量的原子逃离靶材表面，成为溅射粒子，其具有的能量大约为10 eV的数量级。由于真空室内具有比较少的背景气体分子，溅射粒子的自由程很大，这些粒子以直线轨迹到达基板并淀积在上面形成薄膜。由于大多数溅射粒子具有的能量只能渗入并使薄膜致密，而没有足够的能量使其他粒子移位，造成薄膜的破坏；并且由于低的背景气压，薄膜的污染也很低；而且，冷的基板也阻止了由热激发导致晶粒生长在薄膜内的扩散。因此，在基板上可以获得致密的无定形膜层。在成膜的过程中，特别是那些能量高于10 eV的溅射粒子，能够渗入几个原子量级的膜层从而提高了薄膜的附着力，并且在高低折射率层之间形成了很小梯度的过渡层。有的轰击离子从靶材获得了电子而成为中性粒子或多或少的被弹性反射。然后，它们以几百电子伏的能量撞击薄膜，高能中性粒子的微量喷射可以进一步使薄膜致密而且也增强了薄膜的内应力。离子束溅射除了具有工作压强低，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（辉光放电则不能）。辉光放电溅射中，靶、基片和所淀积薄膜在淀积过程中均处于等离子气氛当中。而且，在离子束溅射（IBAD）系统中，可以改变离子束的方向以改变离子束入射到靶的角度以及淀积在基片的角度。

相对于传统溅射过程，离子束溅射的其他优点是：

①离子束窄能量分布，使我们能够将溅射率作为离子能量的函数来研究；

②可以使离子束精确聚焦和扫描；

③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；

④可以独立控制离子束能量和电流；

⑤靶和基片与加速极不相干，因此通常在传统溅射淀积中由于离子碰撞引起的损伤会降到极小；

⑥离子源与真空室分离，因此真空室可保持在较低的压强下，残余气体的影响可以降至最低。

离子束溅射淀积技术被用于制备金属、半导体和介电膜。例如，Au、Cu、Nb、W、Mo、Ti、Zr、Cr、Ni、Ag、Co、Pt、Ni、Mo各类金属，TiO2、GaAs、Insb、AIN、Si3N4、Ni3AI各类绝缘与光材料，非晶类金刚石碳等。在外延生长半导体薄膜领域，离子束溅射淀积变得非常有用，在高真空环境下，离子束溅射出来的凝聚粒子具有超过10 eV的动能。因此，即使在低基片温度下，也会得到较高的表面扩散率，这对外延扩散非常有利，离子束溅射的主要缺点是轰击到的靶面积太小，淀积率一般较低，而且，离子束溅射淀积也不适宜于淀积厚度均匀的大面积的薄膜。

典型离子束溅射淀积如图5-51所示。典型的离子束能量为1000eV，淀积率约几个nm/min（改进后某些薄膜可达100 nm/min，如具有优越磁学特性的NiFe膜），压强要求较高在1E-4～1E-7 torr，源与靶的距离可以达几百毫米。

图5-51　典型离子束溅射淀积

1-Ar ions；2-electrode plates；3-substrate；4-target

描述溅射现象的主要参量分别为溅射阈能和溅射产额。溅射阈能指的是开始出现溅射时初级离子的能量；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。溅射阀能对低能区的溅射产额有决定性的影响。虽然可以用Ne+、Ar+、Kr+、Xe+几种离子作为入射离子进行溅射，但是阀能数据主要取决于靶材的类型，即与靶材的升华热有关。溅射产额与入射夹角有关。入射方向与法线的夹角为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概率增大，传给靶导致溅射的能量减少，因而使溅射产额急剧下降。在以前的固态离子束溅射模拟中，在计算溅射产额时认为溅射表面是非常平滑的，实际上，在溅射靶表面上不可避免地存在一些微观孔洞。所以，在实际过程中，溅射产额与靶表面的关系总是高于或低于基于光滑表面所计算出的值。例如靶表面存在有锥形孔的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菱形的孔或者三角形的沟槽，则溅射产额就随之增加。

离子束溅射技术有着很广阔的应用前景。我们知道，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、X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。尤其信息时代的到来，光纤通信发挥越来越大的作用，其中关键的器件就是波分复器，离子束溅射技术正是研制、开发波分复器的优选技术方案。可见，离子束溅射技术在将来一定有着更加广阔的应用前景，引起人们的更加重视。(www.xing528.com)

2.离子束辅助增强淀积

离子束辅助增强淀积IBAD（ion beam aided sputtering）是一种将离子注入和常规气相淀积镀膜结合起来因而兼有二者优点的交叉技术。IBAD的基本特征都是在气相淀积镀膜的同时，用具有一定能量的离子束轰击以辅助，由于离子轰击引起淀积膜与基体材料间的原子互相混合，离子注入与淀积原子的反冲共混有助于界面共混层的宽化，提高了膜基结合力，大大改善了膜与基体的结合强度，所以，离子束轰击在离子束辅助淀积镀膜中的重要作用之一是增强膜层与基体材料间的结合强度。采用多靶离子束淀积方法还可以改善薄膜的性能，主要表现在：

①强吸附原子的表面迁移；

②模拟薄膜形成的早期步骤，如成核、生长、成膜；

③促进择优取向生长；

④低基片温度的外延；

⑤非晶薄膜的晶化和晶态薄膜的非晶化；

⑥增强薄膜与基片间的附着力；

⑦薄膜应力的改善；

⑧模拟薄膜吸附效应和薄膜表面反应。

可根据需要来得到完全不同于基体材料的特殊表面层。

图5-52　双离子束淀积离子束辅助淀积物理过程

注：其中一个低能离子束离子源1用于轰击靶材以使靶材原子溅射淀积在实验样品上，另一个离子束离子源2通常能量较高，起轰击注入作用。

双离子束淀积的基本过程如图5-52所示。离子束是由离子源产生的。在双离子束淀积系统中，第一个是惰性气体放电离子源（离子源1）引出的离子束（Ar+、Xr+等）轰击靶产生溅射作用，溅射出的粒子淀积在基片上制得薄膜。第二个是反应气体放电引出的离子束（离子源2）直接对准基片，使这种离子束对生长的薄膜进行动态照射，通过轰击、反应或嵌入作用来控制和改变薄膜的结构和性能。

较为常用的IBAD工艺有以下两种基本类型：第一种采用电子束蒸发作为气相淀积方式。其优点是可获得较高的镀膜速率，缺点是只能采用纯单质或有限的合金或化合物作为蒸发源，且由于合金或化合物各组分蒸气压不同，不易获得原蒸发源合金成分的膜层。第二种采用离子束溅射作为气相淀积方式，这种方法的优点有：溅射粒子自身具有一定的能量故其与基体有较好的结合力；金属与非金属元素的任意成分组合均可溅射；淀积膜层种类较多。不足之处在于淀积速率较低，且存在择优溅射的问题。

双离子束淀积可以形成多样性的薄膜材质，虽然这种镀膜技术所涉及的现象比较复杂，但是，通过合适地选择靶材及离子束的能量、种类等，可以制取各种金属、氧化物、氮化物及其他化合物等薄膜，特别是多组元金属氧化物、镶嵌材料、功能梯度材料和超硬材料薄膜。如采用溅射石墨靶同时辅以Ar+离子束轰击可制成类金刚石甚至金刚石薄膜。又如IBAD工艺中由于Ar+离子的轰击使淀积的Cu膜比纯蒸发Cu膜晶粒细小且致密度高。反应型IBAD制作的TiN、TaN、CrN薄膜具有高硬度、高抗蚀性等特点，硬度仅次于金刚石，立方BN薄膜，以及TiC、TaC、WC、MoC薄膜具有极高的热稳定化学性。利用氧离子辅助淀积Zr、Y、Ti、Al等，可以获得优质氧化物薄膜，这已成为光学膜研究的重要方面。采用多工位靶或两个（或多个）独立的蒸发源（或溅射源）同时或交替蒸发（溅射）形成膜层，同时辅以离子束轰击，即可形成膜层性能优良的多元膜或多层膜。如Ti/TiN，Al/AlN双层膜，TiN/MoS2双层膜，Ti（CN）、（Ti，Cr）N双元膜等。可以预见这一方面的研究将是未来IBAD技术发展的重要领域。