离子束溅射的原理

离子束溅射沉积（Ion Beam Sputtering Deposition，IBSD）技术的基本原理如图所示。在比较低的气压（通常低于1.0×10-2Pa）下，把离子源内经过聚焦的氩离子束以一定角度对靶材进行轰击，使靶材表面原子发生级联碰撞。在碰撞过程中，大量的原子脱离靶材表面，成为溅射颗粒并以一定的角度散射。由于真空室内背景气体分子比较少，溅射颗粒的自由程非常大，所以这些溅射颗粒大多以直线轨迹到达基板并沉积在上面形成薄膜。由于大多数溅射颗粒的能量只有10eV左右，能量比较低，只能使溅射颗粒渗入薄膜表面并使其致密，而没有足够的能量使其它颗粒移位，破坏薄膜的质量。另外由于背景气压低，气体分子较少，因此薄膜的污染很低。由于基板始终由水冷却，因而阻止了热激发导致的晶粒在薄膜内的扩散。可见通过离子束溅射沉积法可以在基板上获得致密的无定形膜层。在薄膜生长过程中，那些能量高于10eV 的溅射颗粒，能够渗入几个原子量级厚的膜层，从而提高了薄膜的附着力，并且在高低折射率层之间形成了很小梯度的过渡层。有的轰击离子从靶材获得了电子而成为中性颗粒，或多或少地被弹性反射，然后以几百电子伏的能量撞击薄膜。高能中性颗粒的微量喷射可以进一步使薄膜致密，不过也增强了薄膜的内应力。由此可见，离子束溅射沉积技术可以获得致密、附着力强并且光滑平整的高质量薄膜。

离子束溅射沉积原理示意图 

离子束溅射的特点 
溅射镀膜是利用溅射现象来达到制备各种薄膜的目的，即在真空中利用离子轰击靶表面，使被轰击的离子沉积的技术。离子束溅射沉积技术是溅射镀膜技术中比较常用的一种镀膜技术，现在得到了更加广泛的应用，这是因为与其他镀膜方法相比，它具有自己独特的特点， 
(1)离子束溅射镀膜是依靠动量交换作用使固体材料的原子、分子进入气相，溅射出的颗粒平均能量在10eV，高于真空蒸发中的100倍左右，沉积在基体表面上之后，尚有足够的动能在基体表面上迁移，因而薄膜质量较好，附着力大，与基体结合牢固。 
(2)任何材料都能溅射镀膜，材料溅射特性差别不如其蒸发特性差别大，即使是高熔点材料也能进行溅射，磁性金属，非磁性金属均可以作为靶材，对于合金靶材化合物材料易制成与靶材组分比例相同的薄膜，因而离子束溅射镀膜的应用领域非常广泛。 
(3)离子束溅射镀膜中的入射离子一般利用气体放电法得到，因而其工作气压小于10-2Pa，所以溅射离子在飞到基体之前往往已与真空室内的气体分子发生过碰撞，其运动方向随机偏离原来的方向，而且溅射一般是从较大靶表面积中射出的，因而比其他真空镀膜方法得到膜层的厚度更均匀，膜层质量比较好。 
(4)离子束溅射沉积镀膜的沉积速率都较低，设备比真空蒸镀复杂，价格较高，但是操作单纯，工艺重复性好，易实现工艺控制自动化。离子束溅射镀膜不仅能够使以科学实验及研究，而且也适宜于大规模集成电路、磁盘、光盘以及大面积高质量镀膜玻璃等高新技术产品的连续生产。 
本设备还有一个非常大的优点，它利用石英晶体振荡器来控制溅射薄膜的厚度，精度可以达到0.1nm，为本实验准确控制薄膜的厚度提供了非常大的帮助。石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。

注：内容部分摘录自http://phy.cnu.edu.cn/cgbm/yl4.html