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。
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。
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。
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。
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。
溅射产额
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
Y
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溅射出来的原子数 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。