离子束沉积薄膜技术及应用..doc

中国科学院上海光学精密机械研究所 博士研究生读书笔记 (基础理论课) 课程名称： 离子束沉积薄膜技术及应用 学科专业： 光学工程 学生姓名： 王聪娟 导师姓名： 邵建达、范正修 入学时间： 2005年9月 2007年12月10日 目 录 1. 引言 2 2. 离子束沉积（IBD）薄膜原理 3 2.1 离子束的输运及非热平衡沉积过程 3 2.2 惰性气体离子的气种效应 4 2.3 离子束轰击固体表面引起的重要效应 5 3. IBSD薄膜技术及应用 8 3.1 控制生长薄膜结构及性质的方法 8 3.2 薄膜结构与薄膜内应力 9 3.3 IBSD薄膜技术的典型应用 9 4. 双离子束溅射沉积(DIBSD)薄膜技术 10 5. IBRSD薄膜方法及应用 10 6. IBAD 薄膜方法及应用 12 6.1 离子轰击对生长薄膜的基本作用 12 6.2 IBAD方法概述 14 6.3 IBAD光学薄膜的应用 16 引言 本读书笔记主要参照《离子束沉积薄膜技术及应用本书系统地介绍了薄膜技术的原理、方法及应用，重点放在技术基础论述、制备方法研究和应用方面展现出了薄膜技术的科技研究与应用硕果。为提供了可直接引用的方法、数据及结果。在离子源发射的离子到达靶面所经历的输运过程中，离子与气体原子或与其他粒子可能发生多种形式的碰撞。其中，最重要的碰撞形式是离子与原子之间的谐振电荷交换碰撞，表现出较大的碰撞截面或较小的平均自由程。当输运中的离子与气体原子发生碰撞时，离子将损失其部分能量。离子每运行谐振电荷交换碰撞平均自由程的，约损失其携带能量的，当离子运行距离为平均自由程的~85%时，已接近损失其携带的全部能量。 发生谐振电荷交换碰撞后，离子的能量损失截面σ和动量损失截面σ的近似数学表达式分别为 式中：为离子的原子序数；为离子能量。非热平衡条件下的IBSD薄膜原理 与其他沉积薄膜方法相比，IBSD薄膜过程处于典型的非热平衡状态。 控制IBSD 薄膜结构及性质的基本因素之一是离子能量，若按玻耳兹曼常数×10-23J/K所表示的物理量纲含义，可将离子能量折算为等效温度，则能量的等效温度为，表明用离子能量标定的等效温度极高。用宏观等效温度来标定离子能量的物理依据是微观的离子“热峰”现象。在离子轰击材料表面的微小作用点上，部分离子能量瞬间转变的热产生脉冲式高温，该温度比沉积薄膜过程的宏观温度（5℃~800℃）高个数量级以上。因此，在IBSD薄膜系统中，离子溅射材料靶与沉积粒子生长薄膜过程处于极端非热平衡状态，维持这种状态稳定存在的条件就是离子与溅射原子的稳定能量差。正因为IBSD方法可以有效地控制离子和溅射原子的能量及通量，以及系统构件的温度，因而使低温生长薄膜的非热平衡过程成为这种方法的基本原理之一。 惰性气体离子的气种效应 在IBSD薄膜过程中，使用种类不同的惰性气体离子束会使溅射沉积薄膜的微结构及性质出现差异，这种现象称为惰性气体离子的气种效应。本节专门提出和分析气种效应是为了研究以下重要内容。不同种类离子轰击靶面形成快速气体原子的差异。了解气种效应改变溅射粒子通量的构成。气种效应特别能引起薄膜哪些微结构及性质的变化。因轰击靶的惰性气体离子种类不同而引起溅射原子通量角分布有何变化，进而如何改变沉积薄膜厚度的分布。不同种类的快速气体原子形成薄膜含气量的差别。轰击靶的不同种气体离子在靶面产生的快速气体原子的数量及性质会出现哪些变化。 综合上述需要研究的内容，可将惰性气体离子束产生的气种效应归纳如下薄膜中掺气的气种效应 迄今为止，依据相关的理论和不同的实验，许多学者对IBSD薄膜过程的掺气机理提出了各种看法，其要点可归纳如下。 轰击金属靶的离子引起靶表面原子发生级联碰撞动量交换过程，在产生溅射原子的同时，入射离子在金属靶面激发二次电子，其中一定数量的离子与二次电子在靶面发生三体复合过程，形成快速气体原子，以背散射方式射离靶面和参与轰击生长薄膜过程，其中的一部分将会掺入生长薄膜。 入射金属靶面的部分离子可浅层注入靶表面晶粒间的空隙中。随着离子束溅射靶面，这些浅层注入的离子又被溅射出来，形成溅射快速气体原子参与轰击生长薄膜过程，其中的一部分掺入生长薄膜。 如果入射金属靶面的离子能量高于形成金属离子所需的电离能，那么在离子碰撞金属原子瞬间，脱离金属原子的电子可转给入射离子，使电离态的离子返回基态形成俄歇中和原子。俄歇中和过程将入射靶面部分离子转变为快速气体原子，并参与轰击生长薄膜过程，其中的一部分掺入生长薄膜。 金属靶面反射的轰击离子参与轰击生长薄膜过程，其中的一部分掺入生长薄膜。 快速气体原子与沉积原子发生非弹性碰撞，被撞击的沉积原子反弹注入薄膜时，快速气体原子随着掺入薄膜。 上述的几种过程所产生的薄膜掺气量并不相同。通常，靶