离子束溅射下硅表面形貌的研究

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1、学校代码：10246学号：022021003援多大学硕士学位论文离子束溅射下硅表面形貌的研究院系：专业：姓名：指导老师：完成日期：光科学与工程系光学李维卿陆明教授2005年5月22日论文题目：离子束溅射下硅表面形貌的研究光科学与工程系光学专业硕士研究生李维卿指导教师陆明摘要本论文主要包括二部分工作：其一是研究在束流密度为20肚／cm2的离子束溅射下，si(110)表面形貌随温度和离子能量的变化；其二是研究离子束溅射下，Si(100)表面形貌随束流密度的变化。一．通过实验，我们发现Si(110)表面的纳米点出现是温度和离子能量协同作用的结果。对于Es扩散，温度和离子能量起着相同的作

2、用。我们用Es扩散解释了在高温下，纳米点形状随离子能量变化的原因，并且用动力学模型模拟计算了对应不同离子能量的纳米点的形状，其变化趋势与实验结果一致，证明在小束流密度下，Es扩散是不可忽略的。二．实验结果显示，通常认为适用于无定型态材料和半导体材料的B．H模型，并不能适用于所有束流密度。只有在大束流密度下，BH模型才能解释Si(100)表面形貌的变化，这是由于在大密度的离子束溅射下，Si(100)表面的晶体结构被破坏，变为无定型态。通过模拟计算，我们发现在大束流密度下，必须将再沉积(re．deposition)过程加入考虑。在加入抑制项后，模拟结果与实验结果符合。关键词：离子束溅

3、射，硅si，纳米点，ES扩散，BH模型，再沉积中图分类号：0485第一章序言离子束溅射(ionbeamsputtering)是一种表面处理技术，具有广泛的应用，包括离子束刻蚀、沉积、表面清洗、离子束辅助沉积等。这些处理方法常常导致在材料表面形成复杂的结构。在一些条件，例如离子束斜入射的情况下，可能形成周期性的波纹结构。随着纳米科学和技术吸引越来越多人的注意，离子束溅射渐渐地被认为一种可供选择的技术来自组装生成不同的纳米结构，如纳米线阵和纳米点阵。本章着重介绍这种技术应用于几种不同材料上形成的表面纳米结构。1．1玻璃(无定性态材料)1956年，Navez等人‘11在用离子束轰击玻璃

4、表面时，发现了一种有趣的现象：离子束溅射后，在玻璃表面出现了波纹状的形貌，而且这种形貌的形成主要受离子图1．1(a)一台Azam离子枪，离子能为4keY，束流密度范围为0．5到2且4·删。2。(b)玻璃表面在入射角0为30。的离子束6小时轰击后的形貌。(c)入射角。为0。，其它条件同(b)图。(d)入射角0为80。，其它条件同(b)图。束的入射角度0(相对于表面法线方向)影响。如图1．1，在表面形成了类似波浪的结构，条纹间隔从30(o=80。)到120hm(o=30。)。当入射角接近0。时，波纹结构的方向垂直于离子束方向；而当离子束以掠角入射时，波纹结构的方向平行r离了束方向。1

5、．2金属材料(晶体)1997年，Rusponi等人【21研究用hr+离了束(离了能=lkev，束流密度=4倒．m一：)图126张图(尺寸350×350nm。)都是hg(110)在Ar+离子柬(j=4叫·cm～，t=15min，o=0。)溅射后的表面，但温度不同。(a)160K；(b)230k；(C)270k：(d)290k；(e)320k：(f)350k：轰击妇(110)表面。离子束为正入射，样品温度的变化范围为150--400K，溅射时间为15min。在160K(图1．2(a))，表面粗糙且没有有序的结构。在230K(图1．2(b))和270K时，波纹结构的方向平行于<001>

6、。而当较高的温度(图1．2(d)，(e))情况下，波纹结构方向沿<1—10>。而当更高的温度图l-2(f))时，表面趋于平滑，波纹结构消失。作者得出以下结论：(a)正入射条件下，金属材料表面形貌不同于非金属材料。(b)波纹结构方向决定于温度(C)波纹结构的波长决定于温度相似的情况也在其他金属材料上发现，例如A1(111)[al，Cu(111)14

7、，hu(111)[51．Pt(111)[s1171等。1．3半导体材料由于半导体纳米材料在光电和量子设备的研发中占有重要地位，许多科研小组把离子束溅射技术作为制备半导体纳米材料的重要手段。人们发现当粒子束正入射或斜入射同时令样品旋转，在

8、材料表面出现有序的纳米点阵。Fascko等人“1以低能∞Oelm图1．33张SEM图都是GaSb(100)在Ar+离子束溅射后表面有序的纳米点结构。在不同的离子束流量(溅射时间)，(A)4×10”cm-2(40s)，(B)2X10”CIIll(200s)，(C)4×10”cml(400s)。从各图中得到与束流量相对应的纳米点直径归纳得到图(D)不同离子束流量下的纳米点直径分布。Ar+离子(离子能为420eV)溅射GaSb(100)材料。在扫描电子显微镜图(图(1．3))上，我们可