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：
学科专业：
学生姓名：
导师姓名：
入学时间： 离子束沉积薄膜技术及应用 光学工程 王聪娟 邵建达、范正修 2005年9月
2007年12月10日
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
目 录
1.
2. 引言 . ....................................................................................................................................... 3 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 . ................................................................................. 6
3. IBSD 薄膜技术及应用.......................................................................................................... 9
3.1 控制生长薄膜结构及性质的方法 . ......................................................................................... 9
3.2 薄膜结构与薄膜内应力 . ....................................................................................................... 10
3.3 IBSD 薄膜技术的典型应用.................................................................................................. 10 4.
5.
6. 双离子束溅射沉积(DIBSD)薄膜技术 ............................................................................... 10 IBRSD 薄膜方法及应用 . .................................................................................................... 11 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 . .................................................................................................................... 15
6.3 IBAD 光学薄膜的应用 . ........................................................................................................ 17
2
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
1. 引言
本读书笔记主要参照《离子束沉积薄膜技术及应用》撰写的。
本书系统地介绍了IBD 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IBD 薄膜技术丰富的科技研究与应用硕果。为读者提供了可直接引用的方法、数据及结果。
由于该书内容详实，涉及面广。根据本人研究方向的需要，就感兴趣的离子束沉积薄膜原理及IBAD 薄膜方法及应用两个章节做了细致深入的阅读，并写了该读书笔记。
2. 离子束沉积（IBD ）薄膜原理
2.1 离子束的输运及非热平衡沉积过程
2.1.1 运行离子的碰撞现象
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Ar +离子与Ar 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10%，约损失其携带能量的10%，当离子运行距离为平均自由程的80%~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，Ar +离子的能量损失截面σE 和动量损失截面σP 的近似数学表达式分别为 σE =01. 0057z E i 4
σP =01. 0036z E i (nm 2) (nm ) 2
式中：z 为离子的原子序数；Ei 为离子能量。
2.1.2 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
k=1.38×10-23J/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1eV 能量的等效温度为11600K ，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 3
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
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4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。
2.2 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。
(1) 不同种类离子轰击靶面形成快速气体原子的差异。
(2) 了解气种效应改变溅射粒子通量的构成。
(3) 气种效应特别能引起薄膜哪些微结构及性质的变化。
(4) 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。
(5) 不同种类的快速气体原子形成薄膜含气量的差别。
(6) 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：
2.2.1 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。
(1) 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 4
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
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。
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
(5) 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，靶面反射离子和溅射快速气体原子都具有掺入生长薄膜的能量，但快速俄歇气体原子最具重要性和研究兴趣，因为当离子在靶面发生俄歇中和时，往往从金属表面发射出俄歇二次电子，其发射系数与靶面散射气体原子数量存在稳定的比例关系，可用于定性描述散射气体原子在薄膜中的掺气量。
不同的IBD 薄膜方式的掺气机理有所不同。例如，对于IBSD 薄膜方式，掺入薄膜中的气体主要来自靶面的背散射气体原子和反射离子；双离子束溅射沉积（DIBSD ）薄膜方式（包括溅射及辅助离子轰击）的主要掺气来自靶面的背散射气体原子、反射离子及辅助轰击的离子；离子束辅助蒸发沉积，即离子束辅助沉积（IBAD ）薄膜方式不存在靶面背散射原子和反射离子，主要掺气来源是辅助轰击离子的浅层注入。
通过对快速Ar 原子束辅助轰击电子束蒸发Cu 薄膜的掺气特性的研究结果发现：
(1) Ar 离子与Cu 原子的到达通量比越大，衬底温度越高，薄膜的含气率也越大。 +
5
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
(2) 轰击薄膜的粒子（原子或离子）能量是控制薄膜含气率的主要因素，而轰击薄膜气
体粒子的通量和衬底（或衬底上薄膜）温度属于次要因素。
2.3 离子束轰击固体表面引起的重要效应
2.3.1 离子束清洗和增强薄膜附着力的作用
一、 离子束轰击表面的清洗作用
在所有干性和湿性清洗材料表面的方法中，离子束溅射清洗表面的作用最为彻底，而且清洗工艺灵活性最强。采用倾斜入射离子束溅射衬底表面时，不仅可彻底清除表面的杂质异物层，而且可以同时抛光表面，改善表面的微粗糙度和提高在其上生长的晶粒的均匀性。
如果清洗只是为了去除衬底表面异物层，则离子轰击造成的表面损伤、形成掺气原子和表面结构再造等并不重要。而且，离子束轰击产生的这类表面特征往往有利于增强薄膜的附着力。如果清洗的材料不允许离子束轰击造成表面晶态的严重损伤，过分改变表面材料成分的配比和表面的物理及化学性质，那么，如何正确选用离子束能量就成为这种清洗方法的关键。有人用材料的溅射阈值来标定离子束清洗的安全能量，但在有效和安全方面很难有明显的界定。若以清洗产生的损伤强度为条件，则选择的离子能量应使受损伤的材料表面性质处于可接受的程度之内。
二、 离子束清洗增强衬底表面对薄膜的附着力作用
在沉积薄膜之前进行离子束溅射预清洗的首要作用是去掉衬底表面的杂质物粒子，彻底裸露真实的衬底表面原子。离子轰击可使衬底表面的原子活化，提高衬底表面原子的极化率，从而缩短沉积原子与衬底表面原子之间的距离，改善2种原子的结合能，增强薄膜对衬底的附着强度。
在通常使用的离子轰击能量和轰击时间内，大量离子的直接冲击和在表面层产生的原子级联碰撞过程引起晶格振动，衬底表面原子结构将会由有序变为无序，伴随该过程产生出大量的结构缺陷和晶格损伤。衬底表面出现正或负离子空位点所引起的主要效应包括以下几个。
6
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
(1) 离子束轰击在衬底表面产生结构变化层，与初始沉积于其上的薄膜层构成薄膜与衬底之
间的过渡层，只要过渡层原子间的结合能高于衬底表面原子结合能就会提高薄膜的附着力。
(2) 离子束轰击可在衬底表面产生离子空位点，其相对面密度可达0.1%。空位点的电荷效应
可促进沉积原子与空位点形成离子键结合。
2.3.2 离子束轰击引起材料表面损伤及缺陷增强扩散现象
一、 溅射清洗引起的表面损伤及消除方法
离子束清洗可去除衬底表面的杂物层或变质层，而且还可对清洗的表面进行离子束抛光。然而，离子束轰击也不可避免地引起各类表面损伤，包括结构缺陷、掺气、成分失配和晶格紊乱等。
高能量的离子轰击会造成了深层晶格结构缺陷.
当离子束以某一角度刻蚀晶体材料时，可能会产生表面沟道效应。
离子损伤引起的缺陷易于移动和形成簇团，也会合并形成位错环网络。
损伤强度还取决于受离子束轰击表面的温度。离子束轰击可能使某些材料，如半导体或无机物丧失表面结晶性，也可使某些材料产生相变。
在相当宽的能量范围内，轰击离子都可形成浅层注入的气体原子，高能量注入的气体原子还可能在表面层形成气泡。
针对不同材料及应用条件，离子束溅射清洗使用的能量范围较宽，实用化的能量一般限制在1000eV 以下。
二、 损伤深度与离子能量的关系
阿斯普尼斯通过分析用不同气体离子轰击不同材料所出现的损伤深度的差异，建立了计算能量范围200eV~1000eV的离子损伤深度为
L i =0. 1W t E i 23ρt Z i 4+Z t 2()]2(nm )
7
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
式中：Wt 为受轰击材料的原子量；ρt 为材料密度；E i 为离子能量；Z i 、Zt 为离子、材料的原子序数。如果材料为化合物，上式中的参量Zt 、Wt 及ρt 可用化合物成分的加权平均值代替。
许多离子损伤是可以消除的。热退火是消除晶体表面构造损伤的基本方法。当清洗用的离子能量低于1000eV 时，选用的退火温度一般为材料熔点温度的2/3。对于化合物情况，选用的退火温度必须低于化合物的分解温度。
三、 离子损伤及产生缺陷的分布
在一定温度的条件下，注入杂质原子的纵向分布范围可超过离子射程，证实了离子束轰击产生了杂质原子的增强扩散。如果将离子束轰击表面所形成的空格点、晶面无序、位错、掺气和成分失衡点等结构缺陷及化学缺陷也看成杂质，那么这些杂质也将伴随离子束清洗过程增强扩散。
如果离子束清洗样片的温度足够低，可认为产生的点缺陷和掺入的Ar 原子不再向深处扩散，那么离子束轰击表面形成无序化损伤层的深度只取决于离子射程，通常情况下都比较浅。如果离子束清洗的样片温度高，则产生的缺陷密度及其扩散范围都会明显增大。大量的点缺陷和掺入的Ar 原子发生迁移，并有可能聚集，在表面层下鼓起Ar 气泡，引起晶格膨胀，产生比较均匀的晶格畸变性的弹性应力。
为了制备出平整光滑、表面晶粒取向高度一致和无掺杂的表面，在离子束清洗时，必须维持足够低的样片温度。为此，应尽量采用低能离子束清洗。低能离子束轰击也可产生大量的溅射原子，离子与溅射原子的能量转移虽然减小了对材料的损伤深度，但产生的结构性缺陷的浓度梯度较大，从而引起缺陷的横向增强扩散。此外，离子轰击也大大提高了点缺陷的跳动频率，从而加快了缺陷的扩散速度。
8
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
3. IBSD 薄膜技术及应用
IBSD 薄膜方法可以用于制取单层或多层薄膜、进行薄膜材料改性、常温或低温外延生长薄膜和研究薄膜性质及其微结构相关性，特别适合于开发新功能的薄膜材料和薄膜膜系，用于制造金属、合金、介质、半导体、超导、高温超导及各种声、光、电和磁等器件。
IBSD 薄膜系统中的靶和衬底易于维持低温状态，与发射离子束及离子轰击的热过程构成非热平衡体系。所以，IBSD 薄膜方法适合在低温条件下溅射和沉积对温度敏感材料的薄膜。
3.1 控制生长薄膜结构及性质的方法
在IBSD 薄膜的过程中，离子通量、离子能量、通入离子源的气体种类、溅射角、沉积角、靶材料原子溅射额和沉积温度都是影响播磨生长速率的因素。
调整溅射原子沉积角会引起生长薄膜结构与性质的变化，如改变生长薄膜的晶粒取向及晶面优选度，杂质含量和表征金属薄膜质量的光学反射率、电阻率及内应力等。
一般情况下，薄膜厚度增加可能导致膜层附着力变差，而IBSD 薄膜对衬底有很好的附着强度，并且具有优良的厚度适应性，在一定厚度范围内基本不变。
薄膜厚度的增长可能导致应力性质的转变。当薄膜较薄时，薄膜与衬底之间的界面特性基本决定着薄膜应力状态；而当薄膜较厚时，决定应力状态的主要因素转移到薄膜结构内部本身。1968年，克劳霍姆(R.Kloholm)等人，提出２个与产生应力相关的参数，即薄膜无序结构材料的自退火速率R f 和沉积速率R D 。当薄膜表面材料自退火速率足够快和薄膜表面膜层被新膜层覆盖前来得及演变为有序化时，自退火才能消除薄膜的内应力。在通常的沉积温度条件下，往往出现R f
9
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
3.2 薄膜结构与薄膜内应力
溅射沉积金属薄膜内应力性质的转变不仅涉及到临界工作气体压强p c ，而且也涉及到离子束临界溅射角θc ，即薄膜内应力在溅射角θs =θc 时发生应力性质转变。从多种金属薄膜内应力的实验结果看，选用的工作气体压强或离子束溅射角稍有偏离p c 或θc 时，不管增大或减少工作气体压强或离子束溅射角，都会使薄膜内应力大幅度增加。
3.3 IBSD 薄膜技术的典型应用
在1970年至1971年期间，Aissenberg 及Chabot 等人先后报道了沉积出具有类似金刚石性质的C 薄膜，标志着IBD 非天然材料薄膜技术发展到了高级阶段。
从20世纪80年代中期以来，IBD 薄膜应用发展很快。美国贝尔电话实验室报道，用离子束沉积出有光生伏打效应的薄膜，并制造出了ITO 薄膜异质结构的太阳能电池。IBSD 的类金刚石碳（DLC ）或立方氮化硼（c-BN ）薄膜具有极高的硬度和抗磨能力。此外，在集成光学方面已经采用IBSD 薄膜技术制造窄带反射滤波器、薄膜光波导、宽带滤波器、射束分裂器、氟化钍和氟化镁激光反射层等。
4. 双离子束溅射沉积(DIBSD)薄膜技术
DIBSD 薄膜技术有以下2个要点：
• 主源发射离子束轰击材料靶，向衬底发送具有一定能量的溅射原子通量，溅射原子
沉积在衬底表面形成和生长薄膜；
• 辅源发射不同种类的气体离子束可预先轰击清洗衬底，或轰击衬底表面处于形成及
生长阶段的薄膜，用于增强薄膜生长。
DIBSD 薄膜过程有以下几种工作方式
10
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
由于构成合金薄膜成分的金属原子的再溅射额，往往不同于该种金属原子的溅射额以及辅助轰击离子可以形成掺入薄膜的气体原子，会导致合金薄膜成分发生变化。
辅助离子轰击不仅改变生长薄膜结构与性质，包括改变晶粒尺寸、晶向优选 、晶格常数、薄膜表面形态、增强表面或体扩散、薄膜应力大小及性质转变和相应的机械、电、光、磁、超导和其他薄膜性质等，而且可合成非天然存在的薄膜材料。
5. IBRSD 薄膜方法及应用
用IBRSD 方法制取化合物薄膜时，必须控制反应气体离子通量和选择合适的反应气体工作压强或分压强，才能同时产生2个合适的靶面过程：一个是形成化合物的稳定覆盖过程；另一个是维持合适的溅射过程。这2个并存过程维持靶面化合物的生成速率与溅射速率的动态平衡，决定了化合物薄膜的沉积速率。
IBRSD 过程的基本方式：
1) 直接反应型
离子源发射反应气体离子轰击靶面使靶面金属原子或合金分子活化的同时，部分离
子在靶面经俄歇中和过程转变为活化的反应气体原子或分子，进而与活化的靶面金属原子或合金分子产生化学反应，生成化合物分子的覆盖层；与此同时，离子束溅射靶面化合物覆盖层产生溅射化合物分子通量，沉积在衬底表面生长化合物薄膜。
2) 间接反应型
11
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
真空室冲入反应气体，如果它在温度合适的靶面有足够的吸附速率，离子源发射的
惰性气体离子使吸附的反应气体粒子与靶材料粒子产生足够的化合反应速率，则在靶面维持化合物覆盖层的生成速率和溅射速率的动态平衡，产生稳定的溅射化合物分子通量和生长化合物薄膜。
3) 混合型
将反应气体与惰性气体按一定比例充入离子源，通过发射混合气体离子束溅射金属
或合金靶沉积化合物薄膜，则离子源不仅发射离子束，同时也向靶表面发射反应气体分子束。
4) 双离子束型
采用双离子束同时工作，一个惰性气体离子束用于溅射金属或合金靶产生溅射粒子
通量，另一个反应气体离子束辅助轰击沉积于衬底表面的金属原子或合金成分原子，在衬底表面反应合成化合物和生长薄膜，构成反应增强型双离子束反应合成薄膜过程。由于化学反应过程只发生在衬底及薄膜表面，所以物理溅射与反应合成基本为相互独立的过程。
6. IBAD 薄膜方法及应用
6.1 离子轰击对生长薄膜的基本作用
6.1.1 离子轰击对初始生长薄膜形态的影响
弱剂量的离子束轰击增强衬底表面沉积原子的迁移和结晶，驱动沉积原子随机移向某些晶核，使生长的晶核尺寸及分布看上去很不均匀，而且沉积原子结晶从开始就表现出优选晶向的特征。然而，当辅助轰击离子能量和通量增大时，不仅使沉积原子的迁移距离增大，而且也驱动晶核发生表面迁移，加速初始阶段生长晶粒的聚合，在较高能量及低通量离子轰击的条件下，还会在环绕较大“岛”的周围形成低沉积原子密度区，表明离子轰击驱动衬底表面的沉积原子移向簇团或“岛”使其长得更大。
12
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
6.1.2 离子轰击引起不同衬底生长薄膜的选择性
沉积原子在衬底表面的粘附几率取决于沉积原子与衬底表面原子之间的结合能，表现为不同衬底对沉积原子具有不同的粘附系数，于是完成第一原子层完全覆盖衬底的速率也不同。在不同衬底表面生成薄膜的初始阶段施加离子束辅助轰击，离子对沉积原子的再溅射降低了初始的薄膜生成和后续的薄膜生长速率，等同于减小了衬底对沉积原子的粘附系数，使得不同衬底表面的薄膜生长速率的差异变得更为明显。
6.1.3 离子轰击引起纳米薄膜结构及性质的变化
一、 晶格应变量与应力
薄膜内应力σp 和垂直分量〈εh 〉随归一化平均离子能量的增加具有对称性变化。蒸发沉积Ag 薄膜的张应力为+60MPa，离子束辅助轰击使生长Ag 薄膜的内应力转变为压缩应力，当归一化平均离子能量En ≥42eV 时，薄膜压缩应力将稳定在-450MPa ，只要En ≥10eV ，Ag 薄膜(111)晶面的晶格应变性质及对应的内应力性质将发生转变.
二、 晶粒尺寸与层积缺陷几率
与蒸发沉积Ag 薄膜相比较，IBAD Ag薄 膜(111)晶面的XRD 特征峰不仅发生了衍射角位置偏移，而且增宽了谱峰轮廓。谱峰轮廓的增宽表征Ag 薄膜的晶粒尺寸变小和(111)晶面上存在的层积缺陷改变了晶格的应变量。
施加Ar +离子束辅助轰击提高了开始生长薄膜时的成核密度，不仅减小了生长晶粒的尺寸，而且增加了双晶缺陷的数量。在En=20eV的条件 下，受离子轰击生长薄膜的双晶生成几率比蒸发沉积的薄膜高5倍(β=0.015)之多。但当En 高于42eV 时可大幅度减少β值。
三、 薄膜应变量与位错密度
随着轰击离子能量En 的提高，位错密度呈现类似的增加，蒸发沉积薄膜的位错最少，离子轰击可产生大量位错。在En=20eV的条件下，Ar +离子轰击可使Ag 薄膜的位错密度增加约1个数量级；提高En 到42eV 时可再增加50%；当En 超过42eV 后，位错密度趋于饱和，相应的晶格应变量及薄膜内应力也趋于饱和。
13
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
四、 粒子轰击生长薄膜的表面形态及成分
H +离子束溅射产生平滑表面的作用，不同于因表面凹凸不平点位溅射速率不同而产生的离子束抛光过程。重离子溅射SiO 2表面的粗糙度与其溅射速率相关；H +离子质量很轻，对材料表面的溅射速率很低，其能量的主要作用是引起原子或晶界迁移，导致轰击表面的平滑过程。
Ar +离子束溅射Ni 0.82-Fe 0.18合金靶，施加离子轰击使生长合金薄膜的Ni 成分不足，提高衬底温度使Ni 成分过剩；即使在较低通量的离子束轰击下，薄膜掺气量可达到1％~2％；在无离子束轰击时，薄膜含气量下降1个数量级，而且提高衬底温度可减少薄膜含气量。
6.1.4 晶格形变与应力
影响合金薄膜晶格尺寸的因素包括衬底温度及相对成分含量，提高Ni-Fe 薄膜中的Ni 成分含量会减小晶格常数，并发现两者也为线性变化关系。使用不同条件的离子束辅助轰击生长薄膜时，可能会加大晶格形变系数，也可能因离子轰击引起薄膜材料自退火效应减小内应力和晶格形变量。
6.1.5 离子的电荷效应
当费米能级不同的2种材料达到接触面时，通过接触面会产生电荷移动而形成新的费米能级，移动的电荷在材料界面之间形成静电引力，构成了薄膜附着在衬底上的电学因素之一。当离子束轰击生长薄膜时，离子携带的电荷必然增加薄膜与衬底界面间的电荷移动量。即使其中有限部分的电荷参与电荷移动也会改变两者之间的附着力。
在低剂量离子轰击的条件下，轰击离子的能量十分微小，不会给ZnO 薄膜附着力带来可观的变化。因此，增强薄膜附着力的原因之一应归于离子电荷效应。然而，大剂量的离子电荷对介质薄膜生长可能带来危害。在离子束沉积参数、衬底材料、衬底温度和沉积速率相同的条件下，如果采用电荷中和的离子束直接沉积c-BN 薄膜，则薄膜表面变得平滑和光洁。如果在沉积期间突然取消中和，则生长中的c-BN 薄膜表面立即开始出现含杂质C 的瘤状物，其他杂质含量也会增加。
14
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
6.1.6 离子束辅助轰击生长薄膜的致密化效应
在离子束轰击薄膜表面产生的溅射过程中，会因表面沉积原子的增强迁移而减少空隙的生成密度，因而引起薄膜表面致密化过程。表面致密化在低能离子束轰击条件即可产生，并在离子能量接近100eV 时趋于饱和。因此，离子束轰击使薄膜变得致密来自体致密和表面致密2种过程。
6.2 IBAD 方法概述
6.2.1 IBAD 化合物薄膜
IBAD 的 SiN 薄膜的粒子现象模型
以 N 2+离子束轰击蒸发沉积Si 原子生长 SiN 薄膜为例，假设IBAD 薄膜过程仅由蒸发沉积的Si 原子与浅层注入 N +和 N 2+离子形成的N 原子生成SiN 薄膜，那些未能与Si 原子反应生成氮化物的多余部分的注入N 原子构成薄膜掺气成分。
到达薄膜表面的Si 原子沉积速率与N 原子浅层注入速率比R f ，以及薄膜中所含N 与Si 成分原子数比x 分别为 F [1-R ]R a [1-R F N f Rf =f =N =F Si F Si -F N S 1-R a S
x =R a
R a +1-R a S ] 1-R =R f
1-R f
6.2.2 IBAD 金属、化合物和氧化物薄膜
对于金属薄膜而言，提高轰击生长薄膜的离子通量会显著减小生长薄膜的晶粒尺寸，这是符合晶粒边界的电子散射率决定金属电阻率的理论的，因为晶粒越大，电子散射率越低。
在离子能量一定的条件下，提高离子与原子到达速率比可减小ＩＢＡＤ Ａｌ薄膜的晶粒尺寸，特别是当采用低能离子束辅助轰击时，可显著减小生长薄膜的结晶尺寸。
离子轰击还可以改变生长薄膜晶粒取向度，使各个晶面的XRD 谱峰值强度比发生变化。 15
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
6.2.3 IBAD 多晶AlN 薄膜
如果生长晶面的晶轴方向与离子束入射方向顺向，则离子轰击会增强该晶面的优选度，随着两者之间角度的增加，离子轰击将抑制和消除该晶面的生长，表明离子束轰击角是控制生长薄膜优选晶面的重要因素。
在激光束与离子束入射薄膜角度一致的方向测定的AlN 薄膜介电常数为极大值（即峰值），说明薄膜介电常数存在着晶面取向度的各向异性。
低能低束流条件下更易获得高折射系数的薄膜。
选取离子能量低于300eV 和高离子与原子到达速率比可制取低应力的AlN 薄膜。
6.2.4 控制钛酸铅（PbTiO3）薄膜内应力的研究
几点结论:
(1) 沉积 PbO-TiO 2层状薄膜的拉伸应力，随提高归一化平均离子能量出现非单调函数线型
变化，初始时的薄膜内应力变化不大；将离子能量提高到某一值时，薄膜内应力为零；随后将会出现薄膜内应力的大幅度波动。
(2) 在由PbO-TiO 2层状薄膜转变为一体化PbTiO 3薄膜期间，低能离子束轰击生长层状薄
膜的内应力不能完全决定形成一体化薄膜的内应力。
(3) 离子束辅助轰击加快了由PbO-TiO 2层状薄膜向一体化PbTiO 3薄膜随温度变化的演变
速率。
(4) 离子束辅助轰击虽不会改变释放薄膜内应力的机理，但因IBAD 薄膜的释放应力活化
能较高，因而PbTiO 3薄膜的应力不同于蒸发沉积的薄膜。
(5) 离子束辅助轰击改变了PbTiO 3薄膜的热膨胀系数，随着提高离子能量和通量，薄膜的
热膨胀系数单调增加至接近体材值。
(6) 决定PbTiO 3薄膜内应力的因素之一是生长的平均晶粒尺寸，其压缩应力分量随晶粒变
小而线性减小。
16
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
6.3 IBAD 光学薄膜的应用
IBAD 光学薄膜通常采用低能量、高通量的离子束辅助轰击方式，形成了反应或非反应增强型IBAD 薄膜技术。
离子源发射低能量的O 2+或O +离子具有很高的氧化效率，可极大地减少Ta 2O 5、ZrO 2、TiO 2和SiO 2等氧化物薄膜中的亚氧化物分子或金属原子的含量，使其光吸收率达到最小。
用于IBAD 和RIBAD 光学薄膜系统的离子源应具备2个最重要的性能，即离子束有较大的和均匀的轰击面积，具有低能高束流能力，无栅的End-Hall 型离子源是IBAD 薄膜系统的一种选择用源。
17
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：
学科专业：
学生姓名：
导师姓名：
入学时间： 离子束沉积薄膜技术及应用 光学工程 王聪娟 邵建达、范正修 2005年9月
2007年12月10日
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
目 录
1.
2. 引言 . ....................................................................................................................................... 3 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 . ................................................................................. 6
3. IBSD 薄膜技术及应用.......................................................................................................... 9
3.1 控制生长薄膜结构及性质的方法 . ......................................................................................... 9
3.2 薄膜结构与薄膜内应力 . ....................................................................................................... 10
3.3 IBSD 薄膜技术的典型应用.................................................................................................. 10 4.
5.
6. 双离子束溅射沉积(DIBSD)薄膜技术 ............................................................................... 10 IBRSD 薄膜方法及应用 . .................................................................................................... 11 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 . .................................................................................................................... 15
6.3 IBAD 光学薄膜的应用 . ........................................................................................................ 17
2
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
1. 引言
本读书笔记主要参照《离子束沉积薄膜技术及应用》撰写的。
本书系统地介绍了IBD 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IBD 薄膜技术丰富的科技研究与应用硕果。为读者提供了可直接引用的方法、数据及结果。
由于该书内容详实，涉及面广。根据本人研究方向的需要，就感兴趣的离子束沉积薄膜原理及IBAD 薄膜方法及应用两个章节做了细致深入的阅读，并写了该读书笔记。
2. 离子束沉积（IBD ）薄膜原理
2.1 离子束的输运及非热平衡沉积过程
2.1.1 运行离子的碰撞现象
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Ar +离子与Ar 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10%，约损失其携带能量的10%，当离子运行距离为平均自由程的80%~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，Ar +离子的能量损失截面σE 和动量损失截面σP 的近似数学表达式分别为 σE =01. 0057z E i 4
σP =01. 0036z E i (nm 2) (nm ) 2
式中：z 为离子的原子序数；Ei 为离子能量。
2.1.2 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
k=1.38×10-23J/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1eV 能量的等效温度为11600K ，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 3
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
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4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。
2.2 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。
(1) 不同种类离子轰击靶面形成快速气体原子的差异。
(2) 了解气种效应改变溅射粒子通量的构成。
(3) 气种效应特别能引起薄膜哪些微结构及性质的变化。
(4) 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。
(5) 不同种类的快速气体原子形成薄膜含气量的差别。
(6) 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：
2.2.1 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。
(1) 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 4
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
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。
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
(5) 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，靶面反射离子和溅射快速气体原子都具有掺入生长薄膜的能量，但快速俄歇气体原子最具重要性和研究兴趣，因为当离子在靶面发生俄歇中和时，往往从金属表面发射出俄歇二次电子，其发射系数与靶面散射气体原子数量存在稳定的比例关系，可用于定性描述散射气体原子在薄膜中的掺气量。
不同的IBD 薄膜方式的掺气机理有所不同。例如，对于IBSD 薄膜方式，掺入薄膜中的气体主要来自靶面的背散射气体原子和反射离子；双离子束溅射沉积（DIBSD ）薄膜方式（包括溅射及辅助离子轰击）的主要掺气来自靶面的背散射气体原子、反射离子及辅助轰击的离子；离子束辅助蒸发沉积，即离子束辅助沉积（IBAD ）薄膜方式不存在靶面背散射原子和反射离子，主要掺气来源是辅助轰击离子的浅层注入。
通过对快速Ar 原子束辅助轰击电子束蒸发Cu 薄膜的掺气特性的研究结果发现：
(1) Ar 离子与Cu 原子的到达通量比越大，衬底温度越高，薄膜的含气率也越大。 +
5
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
(2) 轰击薄膜的粒子（原子或离子）能量是控制薄膜含气率的主要因素，而轰击薄膜气
体粒子的通量和衬底（或衬底上薄膜）温度属于次要因素。
2.3 离子束轰击固体表面引起的重要效应
2.3.1 离子束清洗和增强薄膜附着力的作用
一、 离子束轰击表面的清洗作用
在所有干性和湿性清洗材料表面的方法中，离子束溅射清洗表面的作用最为彻底，而且清洗工艺灵活性最强。采用倾斜入射离子束溅射衬底表面时，不仅可彻底清除表面的杂质异物层，而且可以同时抛光表面，改善表面的微粗糙度和提高在其上生长的晶粒的均匀性。
如果清洗只是为了去除衬底表面异物层，则离子轰击造成的表面损伤、形成掺气原子和表面结构再造等并不重要。而且，离子束轰击产生的这类表面特征往往有利于增强薄膜的附着力。如果清洗的材料不允许离子束轰击造成表面晶态的严重损伤，过分改变表面材料成分的配比和表面的物理及化学性质，那么，如何正确选用离子束能量就成为这种清洗方法的关键。有人用材料的溅射阈值来标定离子束清洗的安全能量，但在有效和安全方面很难有明显的界定。若以清洗产生的损伤强度为条件，则选择的离子能量应使受损伤的材料表面性质处于可接受的程度之内。
二、 离子束清洗增强衬底表面对薄膜的附着力作用
在沉积薄膜之前进行离子束溅射预清洗的首要作用是去掉衬底表面的杂质物粒子，彻底裸露真实的衬底表面原子。离子轰击可使衬底表面的原子活化，提高衬底表面原子的极化率，从而缩短沉积原子与衬底表面原子之间的距离，改善2种原子的结合能，增强薄膜对衬底的附着强度。
在通常使用的离子轰击能量和轰击时间内，大量离子的直接冲击和在表面层产生的原子级联碰撞过程引起晶格振动，衬底表面原子结构将会由有序变为无序，伴随该过程产生出大量的结构缺陷和晶格损伤。衬底表面出现正或负离子空位点所引起的主要效应包括以下几个。
6
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
(1) 离子束轰击在衬底表面产生结构变化层，与初始沉积于其上的薄膜层构成薄膜与衬底之
间的过渡层，只要过渡层原子间的结合能高于衬底表面原子结合能就会提高薄膜的附着力。
(2) 离子束轰击可在衬底表面产生离子空位点，其相对面密度可达0.1%。空位点的电荷效应
可促进沉积原子与空位点形成离子键结合。
2.3.2 离子束轰击引起材料表面损伤及缺陷增强扩散现象
一、 溅射清洗引起的表面损伤及消除方法
离子束清洗可去除衬底表面的杂物层或变质层，而且还可对清洗的表面进行离子束抛光。然而，离子束轰击也不可避免地引起各类表面损伤，包括结构缺陷、掺气、成分失配和晶格紊乱等。
高能量的离子轰击会造成了深层晶格结构缺陷.
当离子束以某一角度刻蚀晶体材料时，可能会产生表面沟道效应。
离子损伤引起的缺陷易于移动和形成簇团，也会合并形成位错环网络。
损伤强度还取决于受离子束轰击表面的温度。离子束轰击可能使某些材料，如半导体或无机物丧失表面结晶性，也可使某些材料产生相变。
在相当宽的能量范围内，轰击离子都可形成浅层注入的气体原子，高能量注入的气体原子还可能在表面层形成气泡。
针对不同材料及应用条件，离子束溅射清洗使用的能量范围较宽，实用化的能量一般限制在1000eV 以下。
二、 损伤深度与离子能量的关系
阿斯普尼斯通过分析用不同气体离子轰击不同材料所出现的损伤深度的差异，建立了计算能量范围200eV~1000eV的离子损伤深度为
L i =0. 1W t E i 23ρt Z i 4+Z t 2()]2(nm )
7
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
式中：Wt 为受轰击材料的原子量；ρt 为材料密度；E i 为离子能量；Z i 、Zt 为离子、材料的原子序数。如果材料为化合物，上式中的参量Zt 、Wt 及ρt 可用化合物成分的加权平均值代替。
许多离子损伤是可以消除的。热退火是消除晶体表面构造损伤的基本方法。当清洗用的离子能量低于1000eV 时，选用的退火温度一般为材料熔点温度的2/3。对于化合物情况，选用的退火温度必须低于化合物的分解温度。
三、 离子损伤及产生缺陷的分布
在一定温度的条件下，注入杂质原子的纵向分布范围可超过离子射程，证实了离子束轰击产生了杂质原子的增强扩散。如果将离子束轰击表面所形成的空格点、晶面无序、位错、掺气和成分失衡点等结构缺陷及化学缺陷也看成杂质，那么这些杂质也将伴随离子束清洗过程增强扩散。
如果离子束清洗样片的温度足够低，可认为产生的点缺陷和掺入的Ar 原子不再向深处扩散，那么离子束轰击表面形成无序化损伤层的深度只取决于离子射程，通常情况下都比较浅。如果离子束清洗的样片温度高，则产生的缺陷密度及其扩散范围都会明显增大。大量的点缺陷和掺入的Ar 原子发生迁移，并有可能聚集，在表面层下鼓起Ar 气泡，引起晶格膨胀，产生比较均匀的晶格畸变性的弹性应力。
为了制备出平整光滑、表面晶粒取向高度一致和无掺杂的表面，在离子束清洗时，必须维持足够低的样片温度。为此，应尽量采用低能离子束清洗。低能离子束轰击也可产生大量的溅射原子，离子与溅射原子的能量转移虽然减小了对材料的损伤深度，但产生的结构性缺陷的浓度梯度较大，从而引起缺陷的横向增强扩散。此外，离子轰击也大大提高了点缺陷的跳动频率，从而加快了缺陷的扩散速度。
8
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
3. IBSD 薄膜技术及应用
IBSD 薄膜方法可以用于制取单层或多层薄膜、进行薄膜材料改性、常温或低温外延生长薄膜和研究薄膜性质及其微结构相关性，特别适合于开发新功能的薄膜材料和薄膜膜系，用于制造金属、合金、介质、半导体、超导、高温超导及各种声、光、电和磁等器件。
IBSD 薄膜系统中的靶和衬底易于维持低温状态，与发射离子束及离子轰击的热过程构成非热平衡体系。所以，IBSD 薄膜方法适合在低温条件下溅射和沉积对温度敏感材料的薄膜。
3.1 控制生长薄膜结构及性质的方法
在IBSD 薄膜的过程中，离子通量、离子能量、通入离子源的气体种类、溅射角、沉积角、靶材料原子溅射额和沉积温度都是影响播磨生长速率的因素。
调整溅射原子沉积角会引起生长薄膜结构与性质的变化，如改变生长薄膜的晶粒取向及晶面优选度，杂质含量和表征金属薄膜质量的光学反射率、电阻率及内应力等。
一般情况下，薄膜厚度增加可能导致膜层附着力变差，而IBSD 薄膜对衬底有很好的附着强度，并且具有优良的厚度适应性，在一定厚度范围内基本不变。
薄膜厚度的增长可能导致应力性质的转变。当薄膜较薄时，薄膜与衬底之间的界面特性基本决定着薄膜应力状态；而当薄膜较厚时，决定应力状态的主要因素转移到薄膜结构内部本身。1968年，克劳霍姆(R.Kloholm)等人，提出２个与产生应力相关的参数，即薄膜无序结构材料的自退火速率R f 和沉积速率R D 。当薄膜表面材料自退火速率足够快和薄膜表面膜层被新膜层覆盖前来得及演变为有序化时，自退火才能消除薄膜的内应力。在通常的沉积温度条件下，往往出现R f
9
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
3.2 薄膜结构与薄膜内应力
溅射沉积金属薄膜内应力性质的转变不仅涉及到临界工作气体压强p c ，而且也涉及到离子束临界溅射角θc ，即薄膜内应力在溅射角θs =θc 时发生应力性质转变。从多种金属薄膜内应力的实验结果看，选用的工作气体压强或离子束溅射角稍有偏离p c 或θc 时，不管增大或减少工作气体压强或离子束溅射角，都会使薄膜内应力大幅度增加。
3.3 IBSD 薄膜技术的典型应用
在1970年至1971年期间，Aissenberg 及Chabot 等人先后报道了沉积出具有类似金刚石性质的C 薄膜，标志着IBD 非天然材料薄膜技术发展到了高级阶段。
从20世纪80年代中期以来，IBD 薄膜应用发展很快。美国贝尔电话实验室报道，用离子束沉积出有光生伏打效应的薄膜，并制造出了ITO 薄膜异质结构的太阳能电池。IBSD 的类金刚石碳（DLC ）或立方氮化硼（c-BN ）薄膜具有极高的硬度和抗磨能力。此外，在集成光学方面已经采用IBSD 薄膜技术制造窄带反射滤波器、薄膜光波导、宽带滤波器、射束分裂器、氟化钍和氟化镁激光反射层等。
4. 双离子束溅射沉积(DIBSD)薄膜技术
DIBSD 薄膜技术有以下2个要点：
• 主源发射离子束轰击材料靶，向衬底发送具有一定能量的溅射原子通量，溅射原子
沉积在衬底表面形成和生长薄膜；
• 辅源发射不同种类的气体离子束可预先轰击清洗衬底，或轰击衬底表面处于形成及
生长阶段的薄膜，用于增强薄膜生长。
DIBSD 薄膜过程有以下几种工作方式
10
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
由于构成合金薄膜成分的金属原子的再溅射额，往往不同于该种金属原子的溅射额以及辅助轰击离子可以形成掺入薄膜的气体原子，会导致合金薄膜成分发生变化。
辅助离子轰击不仅改变生长薄膜结构与性质，包括改变晶粒尺寸、晶向优选 、晶格常数、薄膜表面形态、增强表面或体扩散、薄膜应力大小及性质转变和相应的机械、电、光、磁、超导和其他薄膜性质等，而且可合成非天然存在的薄膜材料。
5. IBRSD 薄膜方法及应用
用IBRSD 方法制取化合物薄膜时，必须控制反应气体离子通量和选择合适的反应气体工作压强或分压强，才能同时产生2个合适的靶面过程：一个是形成化合物的稳定覆盖过程；另一个是维持合适的溅射过程。这2个并存过程维持靶面化合物的生成速率与溅射速率的动态平衡，决定了化合物薄膜的沉积速率。
IBRSD 过程的基本方式：
1) 直接反应型
离子源发射反应气体离子轰击靶面使靶面金属原子或合金分子活化的同时，部分离
子在靶面经俄歇中和过程转变为活化的反应气体原子或分子，进而与活化的靶面金属原子或合金分子产生化学反应，生成化合物分子的覆盖层；与此同时，离子束溅射靶面化合物覆盖层产生溅射化合物分子通量，沉积在衬底表面生长化合物薄膜。
2) 间接反应型
11
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
真空室冲入反应气体，如果它在温度合适的靶面有足够的吸附速率，离子源发射的
惰性气体离子使吸附的反应气体粒子与靶材料粒子产生足够的化合反应速率，则在靶面维持化合物覆盖层的生成速率和溅射速率的动态平衡，产生稳定的溅射化合物分子通量和生长化合物薄膜。
3) 混合型
将反应气体与惰性气体按一定比例充入离子源，通过发射混合气体离子束溅射金属
或合金靶沉积化合物薄膜，则离子源不仅发射离子束，同时也向靶表面发射反应气体分子束。
4) 双离子束型
采用双离子束同时工作，一个惰性气体离子束用于溅射金属或合金靶产生溅射粒子
通量，另一个反应气体离子束辅助轰击沉积于衬底表面的金属原子或合金成分原子，在衬底表面反应合成化合物和生长薄膜，构成反应增强型双离子束反应合成薄膜过程。由于化学反应过程只发生在衬底及薄膜表面，所以物理溅射与反应合成基本为相互独立的过程。
6. IBAD 薄膜方法及应用
6.1 离子轰击对生长薄膜的基本作用
6.1.1 离子轰击对初始生长薄膜形态的影响
弱剂量的离子束轰击增强衬底表面沉积原子的迁移和结晶，驱动沉积原子随机移向某些晶核，使生长的晶核尺寸及分布看上去很不均匀，而且沉积原子结晶从开始就表现出优选晶向的特征。然而，当辅助轰击离子能量和通量增大时，不仅使沉积原子的迁移距离增大，而且也驱动晶核发生表面迁移，加速初始阶段生长晶粒的聚合，在较高能量及低通量离子轰击的条件下，还会在环绕较大“岛”的周围形成低沉积原子密度区，表明离子轰击驱动衬底表面的沉积原子移向簇团或“岛”使其长得更大。
12
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
6.1.2 离子轰击引起不同衬底生长薄膜的选择性
沉积原子在衬底表面的粘附几率取决于沉积原子与衬底表面原子之间的结合能，表现为不同衬底对沉积原子具有不同的粘附系数，于是完成第一原子层完全覆盖衬底的速率也不同。在不同衬底表面生成薄膜的初始阶段施加离子束辅助轰击，离子对沉积原子的再溅射降低了初始的薄膜生成和后续的薄膜生长速率，等同于减小了衬底对沉积原子的粘附系数，使得不同衬底表面的薄膜生长速率的差异变得更为明显。
6.1.3 离子轰击引起纳米薄膜结构及性质的变化
一、 晶格应变量与应力
薄膜内应力σp 和垂直分量〈εh 〉随归一化平均离子能量的增加具有对称性变化。蒸发沉积Ag 薄膜的张应力为+60MPa，离子束辅助轰击使生长Ag 薄膜的内应力转变为压缩应力，当归一化平均离子能量En ≥42eV 时，薄膜压缩应力将稳定在-450MPa ，只要En ≥10eV ，Ag 薄膜(111)晶面的晶格应变性质及对应的内应力性质将发生转变.
二、 晶粒尺寸与层积缺陷几率
与蒸发沉积Ag 薄膜相比较，IBAD Ag薄 膜(111)晶面的XRD 特征峰不仅发生了衍射角位置偏移，而且增宽了谱峰轮廓。谱峰轮廓的增宽表征Ag 薄膜的晶粒尺寸变小和(111)晶面上存在的层积缺陷改变了晶格的应变量。
施加Ar +离子束辅助轰击提高了开始生长薄膜时的成核密度，不仅减小了生长晶粒的尺寸，而且增加了双晶缺陷的数量。在En=20eV的条件 下，受离子轰击生长薄膜的双晶生成几率比蒸发沉积的薄膜高5倍(β=0.015)之多。但当En 高于42eV 时可大幅度减少β值。
三、 薄膜应变量与位错密度
随着轰击离子能量En 的提高，位错密度呈现类似的增加，蒸发沉积薄膜的位错最少，离子轰击可产生大量位错。在En=20eV的条件下，Ar +离子轰击可使Ag 薄膜的位错密度增加约1个数量级；提高En 到42eV 时可再增加50%；当En 超过42eV 后，位错密度趋于饱和，相应的晶格应变量及薄膜内应力也趋于饱和。
13
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
四、 粒子轰击生长薄膜的表面形态及成分
H +离子束溅射产生平滑表面的作用，不同于因表面凹凸不平点位溅射速率不同而产生的离子束抛光过程。重离子溅射SiO 2表面的粗糙度与其溅射速率相关；H +离子质量很轻，对材料表面的溅射速率很低，其能量的主要作用是引起原子或晶界迁移，导致轰击表面的平滑过程。
Ar +离子束溅射Ni 0.82-Fe 0.18合金靶，施加离子轰击使生长合金薄膜的Ni 成分不足，提高衬底温度使Ni 成分过剩；即使在较低通量的离子束轰击下，薄膜掺气量可达到1％~2％；在无离子束轰击时，薄膜含气量下降1个数量级，而且提高衬底温度可减少薄膜含气量。
6.1.4 晶格形变与应力
影响合金薄膜晶格尺寸的因素包括衬底温度及相对成分含量，提高Ni-Fe 薄膜中的Ni 成分含量会减小晶格常数，并发现两者也为线性变化关系。使用不同条件的离子束辅助轰击生长薄膜时，可能会加大晶格形变系数，也可能因离子轰击引起薄膜材料自退火效应减小内应力和晶格形变量。
6.1.5 离子的电荷效应
当费米能级不同的2种材料达到接触面时，通过接触面会产生电荷移动而形成新的费米能级，移动的电荷在材料界面之间形成静电引力，构成了薄膜附着在衬底上的电学因素之一。当离子束轰击生长薄膜时，离子携带的电荷必然增加薄膜与衬底界面间的电荷移动量。即使其中有限部分的电荷参与电荷移动也会改变两者之间的附着力。
在低剂量离子轰击的条件下，轰击离子的能量十分微小，不会给ZnO 薄膜附着力带来可观的变化。因此，增强薄膜附着力的原因之一应归于离子电荷效应。然而，大剂量的离子电荷对介质薄膜生长可能带来危害。在离子束沉积参数、衬底材料、衬底温度和沉积速率相同的条件下，如果采用电荷中和的离子束直接沉积c-BN 薄膜，则薄膜表面变得平滑和光洁。如果在沉积期间突然取消中和，则生长中的c-BN 薄膜表面立即开始出现含杂质C 的瘤状物，其他杂质含量也会增加。
14
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
6.1.6 离子束辅助轰击生长薄膜的致密化效应
在离子束轰击薄膜表面产生的溅射过程中，会因表面沉积原子的增强迁移而减少空隙的生成密度，因而引起薄膜表面致密化过程。表面致密化在低能离子束轰击条件即可产生，并在离子能量接近100eV 时趋于饱和。因此，离子束轰击使薄膜变得致密来自体致密和表面致密2种过程。
6.2 IBAD 方法概述
6.2.1 IBAD 化合物薄膜
IBAD 的 SiN 薄膜的粒子现象模型
以 N 2+离子束轰击蒸发沉积Si 原子生长 SiN 薄膜为例，假设IBAD 薄膜过程仅由蒸发沉积的Si 原子与浅层注入 N +和 N 2+离子形成的N 原子生成SiN 薄膜，那些未能与Si 原子反应生成氮化物的多余部分的注入N 原子构成薄膜掺气成分。
到达薄膜表面的Si 原子沉积速率与N 原子浅层注入速率比R f ，以及薄膜中所含N 与Si 成分原子数比x 分别为 F [1-R ]R a [1-R F N f Rf =f =N =F Si F Si -F N S 1-R a S
x =R a
R a +1-R a S ] 1-R =R f
1-R f
6.2.2 IBAD 金属、化合物和氧化物薄膜
对于金属薄膜而言，提高轰击生长薄膜的离子通量会显著减小生长薄膜的晶粒尺寸，这是符合晶粒边界的电子散射率决定金属电阻率的理论的，因为晶粒越大，电子散射率越低。
在离子能量一定的条件下，提高离子与原子到达速率比可减小ＩＢＡＤ Ａｌ薄膜的晶粒尺寸，特别是当采用低能离子束辅助轰击时，可显著减小生长薄膜的结晶尺寸。
离子轰击还可以改变生长薄膜晶粒取向度，使各个晶面的XRD 谱峰值强度比发生变化。 15
《离子束沉积薄膜技术及应用》—读书笔记/王聪娟
6.2.3 IBAD 多晶AlN 薄膜
如果生长晶面的晶轴方向与离子束入射方向顺向，则离子轰击会增强该晶面的优选度，随着两者之间角度的增加，离子轰击将抑制和消除该晶面的生长，表明离子束轰击角是控制生长薄膜优选晶面的重要因素。
在激光束与离子束入射薄膜角度一致的方向测定的AlN 薄膜介电常数为极大值（即峰值），说明薄膜介电常数存在着晶面取向度的各向异性。
低能低束流条件下更易获得高折射系数的薄膜。
选取离子能量低于300eV 和高离子与原子到达速率比可制取低应力的AlN 薄膜。
6.2.4 控制钛酸铅（PbTiO3）薄膜内应力的研究
几点结论:
(1) 沉积 PbO-TiO 2层状薄膜的拉伸应力，随提高归一化平均离子能量出现非单调函数线型
变化，初始时的薄膜内应力变化不大；将离子能量提高到某一值时，薄膜内应力为零；随后将会出现薄膜内应力的大幅度波动。
(2) 在由PbO-TiO 2层状薄膜转变为一体化PbTiO 3薄膜期间，低能离子束轰击生长层状薄
膜的内应力不能完全决定形成一体化薄膜的内应力。
(3) 离子束辅助轰击加快了由PbO-TiO 2层状薄膜向一体化PbTiO 3薄膜随温度变化的演变
速率。
(4) 离子束辅助轰击虽不会改变释放薄膜内应力的机理，但因IBAD 薄膜的释放应力活化
能较高，因而PbTiO 3薄膜的应力不同于蒸发沉积的薄膜。
(5) 离子束辅助轰击改变了PbTiO 3薄膜的热膨胀系数，随着提高离子能量和通量，薄膜的
热膨胀系数单调增加至接近体材值。
(6) 决定PbTiO 3薄膜内应力的因素之一是生长的平均晶粒尺寸，其压缩应力分量随晶粒变
小而线性减小。
16
中科院上海光学精密机械研究所/2007年12月
6.3 IBAD 光学薄膜的应用
IBAD 光学薄膜通常采用低能量、高通量的离子束辅助轰击方式，形成了反应或非反应增强型IBAD 薄膜技术。
离子源发射低能量的O 2+或O +离子具有很高的氧化效率，可极大地减少Ta 2O 5、ZrO 2、TiO 2和SiO 2等氧化物薄膜中的亚氧化物分子或金属原子的含量，使其光吸收率达到最小。
用于IBAD 和RIBAD 光学薄膜系统的离子源应具备2个最重要的性能，即离子束有较大的和均匀的轰击面积，具有低能高束流能力，无栅的End-Hall 型离子源是IBAD 薄膜系统的一种选择用源。
17