离子束辅助薄膜沉积_张宇峰.pdf

40材料导报20 03年11月第17卷 第11期离子束辅助薄膜沉积`张宇峰`张溪文`l(浙江大学硅材料国家重点实验室,杭州310027任兆杏2韩 高荣`中国科学院等离子体物理研究所,合肥2331 )摘要离子束辅助沉 积(B IA D)是在气相沉积的 同时 辅以离子束轰击 的薄膜制备方 法,可在低温下合 成致密、均匀的薄膜介绍了B IA D技术的概况,列举了具体应用领域,描 述了射频C IP离子源辅助电子束蒸发,最后对B IAD的前景加以评论关锐词离子束辅助沉积薄膜感应藕合等离子体Io nBe amAssistedT hinF ilmDePo sitionZ HAN GYufenglZH AN GXiwenRENZha oxingHA NGa o r ongl(1SilieonstateKeyLab,Zheil angUniversity.Hangzhou,310 027;InstituteofPla smaPhysie s,C hineseAe ademyofSeiene e,Hefei,230 031)A bstr a etIonbe amassisted depositio n(IBAD)15amethodofth infilmdepositionwhiehe anprodueee om-paeta nduniformthinfilmsatlowtempe r atur es.Thispaperreviewsthee ur r entstatusofIBAD,deseribessomeofitsaPplie atio nfields,introdu e esRF一IC Pbe ama s sistedele etr onbeamevaporationandpointso uttheprospeetofIBADte ehn ology.Keywordsionbe ama s sisteddeposition,thinfilm,induetiveeouplingplasma1离子束辅助沉积( IB AD)离子束辅助沉积(Ionbeamassistedthinfilmdeposition,简称IB AD)是在气相沉积镀膜的同时,利用高能离子轰 击薄膜 沉积表面,对薄膜表面环境产生影响,从而改 变沉积薄膜 成分、结构的过程。

这一薄膜制备手段的优点是:合成的薄膜致 密,附着力强,能够在低温下合成,可 以合成一些用常规手段难以获得的特殊薄膜材料,等等这一技术开始于7 0 年代,到8 0 年代中期 受到普遍重视,目前已经成为国际上广泛关注的新型薄膜制备 手段〔`〕1.1离子束技术离子束技术材料合成 与表面改性 是一门由核物理、固体物理、材料科学、电子等学科交叉发展起 来的边缘学科离子束材料合成主要是指用离子注人、粒子束辅助沉积、离子团簇沉积等方法合成新型薄膜、薄层微结构材料等功能材料它与其他沉积及表面处理技术互相结合 发展起来的一系列新 技术,显 示了其独特的优势年代以来,离子束技术发展十分迅速,新技术与手段不断涌现,应用范围也日益扩大大体上说,粒子束材料表面优化技术主要分为两个方面:一是离子束材料合成,包括 离子束、等离子与物力或者化 学气相沉积相结合而发展起 来的一 系列新技术,如离子束辅助沉积、离子团簇沉积等在8 0年代得到了很快发展;二是离子注人,使用不同能量离子(高能或者低能离子)注人材料表面从而改变材料表面性质川离子束技术的应用包括离子束注入、离子束混合、离子束沉积和离子束辅助沉积根据所产生荷能离子能量 的不同,可以划分为高能离子和低能离子。

B IAD技术采用 的辅助离子源轰 击能量通常在15keV以下,属于低能离子 源1.2离 子束 辅助薄膜 沉积原理在薄膜沉积过程 中,用载能离子轰击能够改变沉积膜的成分和结构,用普通 方法很难得到这样的性质,这正是离子束辅助薄膜沉积的优点离子轰击产生的成分和结构变化,往往是结合在一起的这一过程包括物理和化学变化在物理过程中,具有很高动能的荷 能离子与基体或者膜层原子碰撞,一部 分能量传递 给基体原子,影响成 膜离子 的迁移率另一部分能量转化为热效应,引起局部 高温这一过程可以看作在基板表面形成了局部高温高压环境,而此 时整个工作环境处于低温低压状态这一 过程中,使用 的注人离子为惰性气体离子,如Ne +、Ar +等,其作用是影响薄膜的形成,成分调制与组织 结构等如制备类金刚石薄膜时,采用溅射石墨靶同时用Ar +离子束轰击在化学过程 中,荷 能离子不仅提供能量,而且直接参与形成化合物膜层在膜层表面,轰击离子与沉积原子或者基体原子直 接 反应形成化合物高能离子轰 击也造成一些结合较弱 的化学键 断开并重新 结合成 为更牢固的新键如制备 I TN、CrN、BN、Si3N、等氮化 物薄膜和A12O3、CuO、ZnO等氧化 物薄膜 的时候,就 使用了参 与化学反应的气体(N。

02)作为产生离子的气 体源1.3I B AD系统在离子束辅助薄膜沉积过程中,材料要经过气化、辅 助沉 积阶段,这一过程是在真空 下完成的完成 这个过程 的B IAD系统由相应的真空 系统、气相激发源、离子源组成真空系统保证沉 积过程所需的真空环境封 闭的真空 室 由机械泵抽取真空,串联 扩散泵以提 高真空度为进一步提供真空度,还可使用分子 泵、溅射离子泵等`国家自然科学基金资助(No.60 0 060 03)联系:057 1一87951 64 9E一mail:loststar@1 63.c om离子束辅助薄膜沉 积/张宇峰等BIAD是一 种辅助 制备方法,在任何 真空镀膜 的基础上增加辅助轰击离子源,均可构成B IAD系统所以无论蒸发、溅射、化学气相 沉积、离子镀,都可作为气相沉积手段常用的气相沉积方法主要有:电 阻热蒸发、电子束蒸发、激光蒸发、溅射电阻热蒸发是将电阻 通电升温,热量传递给相邻的蒸发材料它装置 简单,成本低廉但蒸发温度不可能太高,也存在渗透污染的问题电子束蒸发通过聚焦的高能电子(聚焦面积可达毫米级)轰击蒸发材料,使之局部产生千度高温而蒸发电子束蒸发温 度高,适用 范 围广泛,是一种很重要的蒸发方式。

激光蒸发利用激光脉冲产生的瞬 间高 温,使 材料蒸发激光通过聚焦,功率可达1护Wc /mZ,在局部可产生很 高功率,可蒸发高熔点材料,蒸发速率高热源在真空室外,激光透过窗口对材料进行 非接触加热,无污染,适宜于超高真空下制取纯洁薄膜激 光蒸发成本较高,受窗口和材料吸收特定波长的影响,蒸发材料 受到一定限制溅射采用离子束溅射作为气相沉积方式在真空室内放置两个离子源,高能离子源作为溅射离子源,低 能离子源作为辅助离子源溅射时,荷 能离子轰击靶材表面,使局部加热蒸发,或把动量传递给靶原子,使固体原子或者 分子射出溅射方式可以有:阴极溅射、三极溅射、高频溅 射、磁控溅射、反 应溅射等目前最常用的是磁控溅射用于辅助 沉 积 的离子 源,属于低能 离子束,能量为5一1k 0eV它起的作用就是在沉 积膜表面造成局部 高温高压,与蒸发气相发生物理和化学变化,在基板上形成薄膜离子源 的种类很多,大体上可分为有机放 电和无机放电两类川考夫曼离子源是一种热灯丝有极放电离子源阴极 发射电子在阳极和外加磁场作用下螺旋运动,与送入放电 室中的工作气体碰撞,使气体分子 电离形成等离子体在屏栅电位作用下形成离子束川它能产生大面积、均匀、强流 的离子束川。

端 部H a ll离子源是一 种低能离子源,没有栅极阴极置 于 阳极之前,轴向磁场捕获 电子离子能量低(5 0~loo eV ),但电流可达 到IA困微波电子回旋共 振离子源使用微波发生器来 产生等离子体微波腔内的强轴向场导致电子回旋共振(ECR),从而提高电离效率放电室端部的栅极 引出离子川感应祸 合等离子体是一种低压高密度的等离子体ICP源以其结构简单、能产生高密度的纯净等离子体、使用寿命长、以及性 能价格比好 等优点,被广泛应用于材料改 性、刻蚀和薄膜沉积领域C IP有圆筒形和平面闭两种结构,它们形式不同,但产生等离子体的机理是类似的2IB AD的应用领域IB A D技术的应用 领域非常广泛,包括高硬度致密、耐磨耐腐蚀材料和电、磁、光等功能性 薄膜它以低能离子源进行辅助轰击,用离 子束精确控制膜层结构、致 密度等2.1耐磨耐腐蚀 薄膜IB A D技术在 材料表面沉 积致密保护薄 膜,可明显 改善材料表面强度,提高耐磨和耐腐蚀性这些保护薄膜和材料结合紧密,具 有良好的均匀性已经用到的领域,包括钢铁、铝、铜、光学玻璃 等可以用于沉积的薄膜,有碳化物、氮化物、氧化物、金属等i As enbeg r和cha bo t在197 1年第一次利用碳 离子沉积制备出高硬度薄膜。

他们使用氨和碳的混合离子源产生碳原子和碳离 子,并在基板表面沉积得到 薄膜图采用 两个宽 束Kaufma n离子源,分别用 于溅射和辅助轰击,靶材为高纯石 墨(9 9.9 9%)选择i S (100 )作为 成膜基体,工作气体为氢气,系统的本底真空为sxl o一`Pa,工作气压为6xl o一3Pa即〕可以在低 温低压下制备类金刚石膜,这种薄膜有优异的机械和摩擦性能,可以用于镜面镀膜,提高光学镜的机械强度,延长使用 寿命,在光学、探 测、军事方面均有应用立方氮化硼薄膜( c:BN)的硬度仅次于金刚石,并且具有耐高温、高压和宽禁带的性质,它可以用于制造宽禁 带半导体Weis smantel的研究小组很早就开始研究e一B N制备 方法仁“1他们利用离子束沉积成功制备出了B3N3HAndoh使用硼蒸气在氮离子束 轰击下,在未加热的硅片上沉积,分析所得 到的薄膜,发现所有的氮都和翻结合在一起,并且薄膜的硬度是硅基板 的3一5倍少〕用电子束蒸发块状镀料翻,辅助Kau fma n离子源,氮离子轰击下可在(100)单晶i S片上沉积得 到一B N和h一B N混合膜1 3 [〕目前 采用B IA D方法所制得的BN薄膜,混合有c一BN和h一B N,和理想的纯c一BN相比,硬度、耐磨性尚有一段距离。

Ka nt最早采用B IAD技术制备I TN薄膜,它具有温 度低,薄膜结合 力强的优点I TN涂层具有优良的抗磨特性,广泛应用于 机械零件、工具表面增强改性用电子束将iT 从增涡蒸发 沉积于衬底上,同时用氮离子束轰击 iT 涂层,石英衬底温度保持在2 00度,可以得到 I TN硬质涂层)〕低能氮离子束对真空电弧辅助沉积 过程中,随低能离子束能量的增大,沉 积膜层中iTZN相增加,并在( 002 )晶面出现择优取向l s [〕.IB AD方法制备TN I薄膜已是成熟技术经过离子束增强沉积I TN薄膜的模具,表面机械强度大大提高,减少粘连现象,有效寿命延长数倍I TN薄膜也应用于刀具表面处理、易磨损部件(如活塞)表面镀膜,收效明显对cr、M和Cr,`MoV注人Ta,能提高两种材料 的耐腐蚀性能,因其处理后形成了高度化学稳定的Ta:05哪」应用于航空发动机主轴轴承,能显著降低润滑油所含叙离子对轴承的腐蚀Mo SZ是一种优良的固体润滑剂,广泛应用于航海、航空、航天 和机械行业B IAD技术制备的MoS:膜,其致密度、均匀性 较高,与传统沉积方法相比,耐磨寿命可提高1倍.如果进一步形成MOSZ一Ag、MoSZ一Ta复合膜,可形成阻止氧深 人的致 密 膜结构,其抗 氧化能力远远超过纯MOSZ膜l[ ,〕.用IBAD方法在低 碳钢上 沉积Al、iA一Mg、A l一iS、Al一Zn薄膜,可大大改善钢材的表面耐腐蚀性、提高使用寿命。

其中,铝的化合物比镀纯铝效果更 好其他金属,如Cr一M合金、N b一Cr合金,也能达到一定效果2.2光、电功 能薄膜常见光学薄膜为氧化物薄膜,而 电、磁学薄膜则多为金属或金属复合薄膜B IAD方法能制备出致密、均匀 的薄膜,可有效提高膜层。