离子束辅助沉积
薄膜材料第三章薄膜沉积的物理方法.
电阻加热蒸发沉积装置
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
三、闪烁蒸发：
待蒸发材料以粉末形式被送入送粉机构，通过机械式或 电磁式振动机构的触发，被周期性少量输送到温度极高的蒸 发盘上，待蒸发材料瞬间蒸发形成粒子流，随后输运到基片 完成薄膜的沉积。 1、蒸发温度： 与电阻加热蒸发基本相同 (1500~1900 ℃)。 2、主要改进： 解决了薄膜成分偏离源材料组分的问题！ 3、应用场合： 制备蒸发温度较低的半导体、金属陶瓷和氧化物薄膜。 4、主要问题： 蒸发温度依然有限； 待蒸发材料是粉末态，易于吸附气体且除气难度较大； 蒸发过程中释放大量气体，易导致“飞溅”，影响成膜质量。
2、主要优点：
与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； 加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
3、主要问题：
电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质量。
电弧加热蒸发装置示意图
4、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜 (如DLC薄膜)。
薄膜材料
3 薄膜沉积的物理方法
薄膜 沉积 的 物理 方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD （离子镀、IBAD 、IBD 等） 分子束外延 ( MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE ，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE ，Hot Wall Epitaxy )
离子束辅助沉积二氧化硅
离子束辅助沉积二氧化硅1. 简介离子束辅助沉积（Ion Beam Assisted Deposition，IBAD）是一种常用的表面工程技术，用于在材料表面形成薄膜。
其中，离子束辅助沉积二氧化硅（SiO2）是一种常见的应用。
本文将介绍离子束辅助沉积二氧化硅的原理、过程、应用以及相关的研究进展。
2. 原理离子束辅助沉积二氧化硅的原理基于离子束能量沉积和化学反应。
具体步骤如下：1.基底清洁：首先，需要对基底进行清洁处理，以去除表面的杂质和污染物。
2.离子束轰击：接下来，通过离子束轰击的方式，将高能离子束瞄准到基底表面。
离子束的能量会使基底表面发生变化，并激发出一系列的物理和化学反应。
3.化学反应：在离子束轰击的同时，需要在基底表面引入二氧化硅的前体分子，如硅烷（SiH4）或二氧化硅（SiO2）气体。
离子束轰击会激发出化学反应，使前体分子在基底表面发生聚合反应，形成二氧化硅的薄膜。
4.控制薄膜厚度：通过控制离子束轰击时间和前体分子的供应速率，可以控制薄膜的厚度。
较长的轰击时间和较高的前体分子供应速率会导致较厚的薄膜。
5.后处理：最后，需要对沉积的二氧化硅薄膜进行后处理，如热退火或等离子体处理，以改善薄膜的性能和质量。
3. 过程离子束辅助沉积二氧化硅的过程可以分为以下几个步骤：1.基底准备：首先，需要对基底进行清洁处理，以去除表面的杂质和污染物。
常用的方法包括超声清洗、溶剂清洗和等离子体清洗。
2.离子束源：离子束源是产生高能离子束的关键设备。
常用的离子束源包括离子束溅射（Ion Beam Sputtering，IBS）和离子束辅助沉积（Ion BeamAssisted Deposition，IBAD）等。
3.离子束轰击：将高能离子束瞄准到基底表面，以使基底表面发生变化。
离子束的能量和轰击角度可以通过调节离子束源的参数进行控制。
4.前体分子供应：在离子束轰击的同时，需要在基底表面引入二氧化硅的前体分子，如硅烷（SiH4）或二氧化硅（SiO2）气体。
离子束辅助沉积(IAD)真空镀膜技术研究
・
２ ６・
《 云光技术》２ ０ Ｖ １ １ Ｎ １ ０９ ｏ ４ ｏ ．
膜 层材 料松 软 、吸潮 、强度 较 差 。在 ８～
外学 者从 理论 和实践 上进 行 了研究 。希 望
１． １ １５ ｍ范 围 内，通 常 用 作 增 透 的 材 料 ｘ 有 ：硒 化 锌 、氟 化 锶 、氟 化 钡 、氟 化 钙
牢 固度 差 ，抗潮 湿能 力差 ，以致在 恶劣环境 中无法使 用。本 文利 用 离子 ｊ 辅 助沉积技 术 己
（Ａ １ Ｄ）在 红 外锗 晶体 表 面镀制 ８～１ １ 宽 带增 透膜 制备 工 艺 ，实现 了 高质 量 、 高可 靠 ２ｘ ｍ
性 的红外膜 层 。
关键词 离子束 辅助 沉积
是在热蒸发镀膜 的同时 ，用离子束轰击。
用这 种方法 比单 纯热 蒸发镀 制 的光学 薄膜
效果 好 。热 蒸发 镀膜 技术 的优 点是 ：设备
的真空镀 膜机 上安装 一 台离子 源 即可实现
为解决 上述 问题 ，在做 了理论 分析 和 大量计 算工作 后采 取如 下措施 ：为保证 膜
系 的稳 定性弃 掉 了氟化 锶 、氟化 钡等低 折
射率膜 料 ，引用 吸收较 大但 膜层 强度好 的 氟化 钇作 为低折 射率膜 料 ，也放 弃 了膜 层
稳定性 差 的硒化 锌 ，把 在长 波段 有吸 收的
硫化 锌作 为 中间折射率 膜料 ，把 锗作 为高
折射率膜料并参 与膜系设计 ，即采用锗、
硫化 锌 、氟化 钇三种膜 料 运用等 效折 射率 理论 进行设 计 ，以期 获得 满意 的光学性 能
和理 想 的膜 层稳 定性 。
图 ２ １ 离子 柬辅 助 ． 沉积技 术 的装置 示意 图
第7章 离子镀和离子束沉积
离子轰击在离子镀中的作用
对基片表面的作用（膜层沉积之前）
1）溅射清洗。高能粒子轰击基片表面，引起表面原子射出，产生溅射。 清除吸附气体、溅射掉表面物质、发生化学反应。 2）产生缺陷和位错网。轰击粒子的能量传递给表面的晶格原子。 3）破坏表面结晶结构。稳定的缺陷造成表面晶体结构的破坏变成非晶态 结构。同时，气体的掺入也会破坏表面的结晶结构。 4）气体掺入。低能离子轰击会造成气体掺入表面和淀积膜之中，掺入气 体量可高达百分之几。 5）表面成分变化。由于系统内各成分的溅射率不同，会造成表面成分与 基体成分的不同。
• 从阴极直接产生等离子体 • 入射粒子能量高、离化率60-80% • 蒸镀速度快，绕镀性好
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离子束沉积
离子束沉积法是利用离化的粒子作为蒸镀物质，在较低的 基片温度下形成薄膜。
金属离子入射固体表面的效应：
沉积；溅射；注入
E 500 eV
E 50 eV
E 500 eV
在Si (111) 基片表面 沉积Ge+
a. 电子束蒸镀离子束辅助沉积（IBAD） b. 离子束溅射辅助沉积（IBSAD），又叫双离子束溅射沉积
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习题
1. 离子镀中采用的蒸发源和离化方式各有哪几种？ 2. 简述离子轰击对基片的作用。 3. 简述离子束辅助沉积的概念及常见的两种工艺。
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6）表面形貌变化。表面经离子轰击后，无论晶体和非晶体基片的表面形 貌，将会发生很大的变化，使表面粗糙度增大，并改变溅射率。
7）温度升高。因为轰击离子的绝大部分能量都变成热能。
8
离子轰击在离子镀中的作用
对薄膜生长的影响
• 在离子镀时，一方面有镀材粒子沉积到基片上，另一方面有高能 离子轰击表面，使一些沉积粒子溅射出来。当前者的速率大于后 者，薄膜就会增厚。这一特殊的淀积与溅射的综合过程使膜基界 面和薄膜生长具有许多特点。
离子束辅助沉积原理
离子束辅助沉积原理宝子们！今天咱们来唠唠一个超酷的技术——离子束辅助沉积。
这玩意儿听起来是不是就很有科技感呢？咱先说说啥是沉积哈。
想象一下，你在一个超级微观的世界里，有一些小颗粒，它们就像一个个小小的建筑材料，慢慢地堆积在一个表面上，就像盖房子一样，一块砖一块砖地垒起来，这就是沉积啦。
那普通的沉积就有点像慢悠悠地手工堆东西，效率有时候不太高，而且堆出来的东西可能不是那么完美。
这时候，离子束辅助沉积就闪亮登场啦！离子束啊，就像是一群超级有活力的小助手。
这些小助手可是带电的哦，就像一群充满能量的小精灵。
它们是怎么来的呢？其实是通过一些特殊的设备，把原子或者分子变成离子，然后加速，让它们形成一束离子流。
这些离子束冲向要沉积的表面的时候，那可就热闹啦。
就好比一群热情的小工冲向工地一样。
它们和那些要沉积的材料小颗粒会发生各种各样好玩的互动。
比如说，离子束的能量可以把要沉积的材料原子或者分子打得更“听话”。
原本那些原子可能是懒洋洋地，在那里晃悠着准备沉积，离子束一冲过来，就像给它们打了一针兴奋剂，让它们变得更活跃，排列得也更整齐有序了。
而且哦，离子束还像一个严格的监工。
在沉积的过程中，如果有一些原子或者分子没有按照理想的方式堆积，离子束就会把它们“推”到正确的位置。
这就好比盖房子的时候，工人要是把砖头放歪了，监工就会把砖头扶正一样。
这样沉积出来的薄膜或者涂层，质量就特别好。
再说说这个离子束辅助沉积在材料表面改性方面的厉害之处吧。
你想啊，材料的表面就像人的脸一样，要是能给它做个超级棒的“美容”，那这个材料就会变得更厉害。
离子束辅助沉积就可以在材料表面形成一层特殊的涂层。
这层涂层就像是给材料穿上了一件超级防护服。
比如说，这个涂层可以让材料变得更耐磨，就像给材料的表面穿上了一层厚厚的铠甲，怎么磨都不容易坏。
又或者可以让材料变得更耐腐蚀，就像给材料表面打了一把伞，酸雨啊、化学腐蚀啊，都不怕。
还有哦，离子束辅助沉积在光学材料上的应用也超有趣。
离子束和离子助
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离子束沉积
定义 在离子束沉积过程中，所希望的膜材 料被离化，具有高能量的膜材料离子 被引入到高真空区，在达到基片之前 被减速，以实现低能直接沉积。
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离子束沉积
原理
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离子束沉积
实例 Appleton等人 在Si，Ge基片上，高质量外延 生长了Si,Ge。
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离子束和离子助
普通真空镀膜
普通真空镀膜时，工件夹固在真空罩内，当高温蒸发源通 电加热后，促使待镀材料蒸发。由于升温，蒸发料粒子获 得一定动能，则沿着视线方向徐徐上升，最后附着于工件 表面上堆积成膜。
真空镀膜
离子束和离子助
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目录
1
离子束沉积
2
离子辅助沉积
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离子辅助沉积——2、阴极电弧等离子体沉积
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离子辅助沉积——3、热空阴极枪蒸发
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离子辅助沉积——4、非平衡磁控离子轰击
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离子辅助沉积——5、共离子轰击沉积
实验条件：沉积温度为400oC 离子束能量35Kev 真空室气压10-9Torr 在真空中安装了减速透镜和样品架 实验结果： 沉积率为1-5nm/min 对样品进行测试和分析，得基片上获 得均匀、连续且各向同性的高纯薄膜。 Your company slogan
目录
1
离子束沉积
2
离子辅助沉积
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聚焦离子束——第四次组会
图二 液态金属离子源典型结构示意 图
离子光学柱
离子源发射离子束进入到离子光学柱，经过整形、质量
分析，最后聚焦到工件表面。离子光学柱中的主要部件
有：静电透镜、消像散器、束对中单元、质量分析器、
静电偏转闸和束偏转器。离子光学柱中还设置一系列限 N 束光阑，用来阻挡离轴较远的离子。
对于合金液态金属离子源系统，必须安装离子质量分析
聚焦离子束加工技术
————杨凯旋
聚焦离子束系统 （FIB）
聚焦离子束系统在本质上与电子束曝光系统没 有什么差别，都是由电子或离子发射源、电子或 离子光柱、工作台、真空与控制系统组成。利用 电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微加工仪 器。通过离子轰击材料表面，实现材料的剥离、 沉积、注入和改性。 （1）在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源， 可使液态金属形成 细小尖端，再加上负电场牵 引尖端的金属，从而导出离子束 （2）然后通过静电透镜聚焦经过一连串然后通 过静电透镜聚焦，经过连串 可变化孔径可决定 离子束的大小，而后通过八极偏转装置及物镜将 离子束 聚焦在样品上并扫描。 （3）离子束轰击样品，产生的二次电子和 离子 被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨
反弹注入
离子注入
离子束与材料的相互作用
（2）入射离子引起的反弹注入
入射离子把能量和动量传递给固体表面或表层 原子，使得后者进入表层或表层深处。
（3）入射离子背散射
入射离子通过与固体材料中的原子 发生弹性碰 撞，被反射出来，称作背散射离子。某些离子 也可能经历一定的能量损失
（4）二次离子发射 在入射离子轰击下，固体表面的原子、分子、 分子碎片、分子团以正离子或负离子的形式发 射出来，这些二次离子可直接引入质谱仪，对 被轰击表面成分进行分析。
化学气相沉积法反应的基本类型
化学气相沉积法反应的基本类型
化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）是一种常用的薄膜制备技术，通过在气相条件下，使气体中的反应物在表面发生化学反应，生成所需的沉积物。
CVD反应的基本类型包括以下几种：
1. 热分解反应，在高温下，反应物分解为活性中间体，然后在表面上重新组合形成沉积物。
例如，二氧化硅（SiO2）的制备可以通过将硅源（如SiH4）和氧源（如O2）在高温下反应，使它们分解并重新组合成SiO2。
2. 氧化还原反应，通过氧化还原反应，在气相中的反应物与表面上的基底发生电子转移，形成沉积物。
例如，金属的氧化物可以通过将金属有机配合物（如金属酮盐）和氧气反应，在基底表面上沉积金属氧化物薄膜。
3. 气相聚合反应，通过在气相中引入单体或预聚物，使其在表面上发生聚合反应，生成聚合物薄膜。
例如，聚苯乙烯（PS）薄膜可以通过将苯乙烯单体引入反应室中，在基底表面上聚合形成。
4. 气相析出反应，通过在气相中引入沉淀剂，使其与气相中的反应物发生反应，生成沉淀物。
例如，金属薄膜可以通过将金属有机配合物和氢气反应，在基底表面上沉积金属薄膜。
5. 化学气相沉积与物理沉积的结合，有时候，CVD反应可以与物理沉积技术（如物理气相沉积，PVD）结合使用，以获得更好的薄膜性能。
例如，通过在CVD过程中引入离子束辅助沉积（Ion Beam Assisted Deposition, IBAD），可以提高薄膜的致密性和附着力。
以上是化学气相沉积法反应的基本类型，不同的反应类型可以根据所需的沉积物和反应条件进行选择和优化。
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离子束辅助沉积
离子束辅助沉积（IonBeamAssistedDeposition，IBAD）是一种新型薄膜材料制备技术，它是将离子束注入到目标材料表面，通过离子束的能量和动量传递，改变材料表面物理和化学性质，从而实现薄膜沉积的一种方法。
这种技术可以用于制备多种材料的薄膜，如氧化物、金属、半导体等。
它的优点是可以控制薄膜的厚度、结构和性质，同时可以在低温下进行制备，避免了高温处理对材料的热损伤。
此外，离子束辅助沉积可以实现大面积、高质量、均匀性好的薄膜制备。
离子束辅助沉积技术在集成电路、光电器件、传感器等领域有广泛应用。
在集成电路制造中，利用这种技术可以制备高质量的氧化硅薄膜、多层金属膜等，在光电器件制造中也可以制造高质量的掺杂氧化锌薄膜、氮化硅薄膜等。
总之，离子束辅助沉积技术的出现，为新型材料的制备提供了新的思路和方法，同时为材料科学的发展做出了重要贡献。
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