薄膜的制备工艺学习教案

1、会计学1薄膜的制备工艺薄膜的制备工艺第一页，编辑于星期日：十九点 五十一分。化学气相沉积金属有机化学气相沉积溶胶凝胶法电沉积第1页/共43页第二页，编辑于星期日：十九点 五十一分。 VacuumSubstrateAtomThin Film薄膜薄膜的几种定义的几种定义第2页/共43页第三页，编辑于星期日：十九点 五十一分。上平面：空气上平面：空气固体膜、液体膜固体膜、液体膜下平面：固体表面、液体表面、空气下平面：固体表面、液体表面、空气夹在两个平行平面间的薄层。夹在两个平行平面间的薄层。第3页/共43页第四页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第4页/共43页第五页，编辑于星期日：十九点 五十一分

2、。厚膜厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、膏状物：由涂覆在基板表面的悬浮液、膏状物经干燥、煅烧而形成。经干燥、煅烧而形成。10微米微米主要方法主要方法：丝网印刷：丝网印刷(Print)、热喷涂、热喷涂(Spray)历史历史：陶瓷表面上釉：陶瓷表面上釉第5页/共43页第六页，编辑于星期日：十九点 五十一分。涂层涂层薄膜薄膜厚膜厚膜说明说明: 溶胶凝胶溶胶凝胶(Sol-Gel)、金属有机物热分解、金属有机物热分解(MOD)、喷雾热解和喷雾水解等属于薄膜方法，、喷雾热解和喷雾水解等属于薄膜方法，但从原理上更接近厚膜方法。但从原理上更接近厚膜方法。 第6页/共43页第七页，编辑于星

3、期日：十九点 五十一分。SAPPHIRE（蓝宝石）（蓝宝石） Al2O3 Silicon-On-Sapphire Wafers 第7页/共43页第八页，编辑于星期日：十九点 五十一分。Substrate for III-V Nitride Epitaxy.第8页/共43页第九页，编辑于星期日：十九点 五十一分。薄膜的分类薄膜的分类光学光学增透、反射、减反、光存储、红外增透、反射、减反、光存储、红外磁学磁学磁记录和磁头薄膜磁记录和磁头薄膜热学热学导热、隔热、耐热导热、隔热、耐热声学声学声表面波滤波器，如声表面波滤波器，如ZnO、Ta2O5机械机械硬质、润滑、耐蚀、应变硬质、润滑、耐蚀、应变有机、

4、生物有机、生物电学电学超导、导电、半导体、电阻、绝缘、电介质超导、导电、半导体、电阻、绝缘、电介质 功能薄膜，如光电、压电、铁电、热释电、功能薄膜，如光电、压电、铁电、热释电、 磁敏、热敏、化学敏磁敏、热敏、化学敏第9页/共43页第十页，编辑于星期日：十九点 五十一分。薄膜特点薄膜特点第10页/共43页第十一页，编辑于星期日：十九点 五十一分。气相气相法法液相法液相法PVDCVD常压常压CVD、低压、低压CVD、金属有机物金属有机物CVD、等离子体等离子体CVD、光光CVD、热丝、热丝CVD真空蒸发真空蒸发 Evaperation溅射溅射 Sputtering离子镀离子镀 Ion platin

5、g化学镀化学镀(CBD)、电镀、电镀(ED)、溶胶、溶胶-凝胶（凝胶（Sol-Gel）、金属有机物分解（）、金属有机物分解（MOD）、液相外延）、液相外延（LPE）、水热法（）、水热法（hydrothermal method）、喷雾热解、喷雾热解(spray pyrolysis)、喷雾水解、喷雾水解(spray hydrolysis)、LB膜及自组装膜及自组装(self-assemble)第11页/共43页第十二页，编辑于星期日：十九点 五十一分。真空蒸发真空蒸发电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发、电阻蒸发、电子束蒸发、高频感应蒸发、激光烧蚀、闪蒸、多源蒸发、反应蒸发、激光烧蚀、闪蒸、多源蒸发

6、、反应蒸发、分子束外延分子束外延溅射溅射二级溅射、三级二级溅射、三级/ /四级溅射、偏压溅射、吸气溅射、反应四级溅射、偏压溅射、吸气溅射、反应溅射、溅射、磁控溅射磁控溅射、射频溅射射频溅射、对向靶溅射、离子束溅射、中、对向靶溅射、离子束溅射、中频溅射频溅射离子镀离子镀直流二级型、三级或多阴极型、活性反应型、空心阴极型、射直流二级型、三级或多阴极型、活性反应型、空心阴极型、射频离子镀、多弧离子镀、离子束辅助沉积、离化团簇镀频离子镀、多弧离子镀、离子束辅助沉积、离化团簇镀等离子体等离子体CVD直流等离子体、射频等离子体直流等离子体、射频等离子体脉冲等离子体、微波等离子体脉冲等离子体、微波等离子体电

7、子回旋共振等离子体电子回旋共振等离子体第12页/共43页第十三页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第13页/共43页第十四页，编辑于星期日：十九点 五十一分。真空蒸发（真空蒸发（Vacuum evaporation） （蒸发法使物质在真空下气化后聚集在试样上）利用物质在高温下的蒸发现象，可以制备各种薄膜。溅射溅射 Sputtering包括直流溅射(DC sputtering)（一般只能用于靶材为良导体的溅射）、射频溅射(rf sputtering)、磁控溅射(magnetron sputtering)、反应溅射(reactive sputtering)和离子束溅射(ion beam sputt

8、ering)离子镀离子镀 Ion plating第14页/共43页第十五页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第15页/共43页第十六页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第16页/共43页第十七页，编辑于星期日：十九点 五十一分。MOCVD法原理法原理MOCVD方法是利用运载气携带金属有机物的蒸气进入反应室，受热分解后沉积到加热的衬底上形成薄膜。它是制备铁电薄膜的一种湿法工艺。气源通常为金属的烷基或芳烃基衍生物、醇盐和芳基化合物。 第17页/共43页第十八页，编辑于星期日：十九点 五十一分。有机金属化学气相沉积有机金属化学气相沉积MOCVD系统的组件可大致分为：反应腔、气体控制及混合系统、反应源

9、及废气处理系统。第18页/共43页第十九页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第19页/共43页第二十页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第20页/共43页第二十一页，编辑于星期日：十九点 五十一分。溶解前驱体溶液溶胶凝胶凝胶水解缩聚老化第21页/共43页第二十二页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第22页/共43页第二十三页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第23页/共43页第二十四页，编辑于星期日：十九点 五十一分。有机途径无机途径通过有机金属醇盐的水解与缩聚而形成溶胶。在该工艺过程中，因涉及水和有机物，所以通过这种途径制备的薄膜在干燥过程中容易龟裂（由大量溶剂蒸发而产生的残余应力所引起）。

10、客观上限制了制备薄膜的厚度。通过某种方法制得的氧化物微粒，稳定地悬浮在某种有机或无机溶剂中而形成溶胶。通过无机途径制膜，有时只需在室温下干燥即可，因此容易制得10层以上而无龟裂的多层氧化物薄膜。第24页/共43页第二十五页，编辑于星期日：十九点 五十一分。前驱物溶液水解溶液凝 胶络合物溶胶细密荷电颗粒溶胶化学添加剂络合剂水催化剂聚合调节pH值，添加电解质，溶剂蒸发低压蒸发用Sol-Gel法制备材料的具体技术和方法很多，按其溶胶、凝胶的形成方式可分为传统胶体法、水解聚合法和络合物法三种传统胶体法、水解聚合法和络合物法三种。第25页/共43页第二十六页，编辑于星期日：十九点 五十一分。方法方法特特

11、 点点前驱物前驱物凝胶的化学特征凝胶的化学特征适用适用传统传统胶体胶体法法通过调节通过调节pHpH值或加入电解值或加入电解质来中和颗粒表现电荷，质来中和颗粒表现电荷，通过溶剂蒸发促使颗粒形通过溶剂蒸发促使颗粒形成凝胶成凝胶无机化合物无机化合物1 1凝胶网络由浓稠颗凝胶网络由浓稠颗粒通过范德化力建立粒通过范德化力建立2 2凝胶中固相成分含凝胶中固相成分含量高量高3 3凝胶强度低，通常凝胶强度低，通常不透明不透明粉体粉体薄膜薄膜水解水解聚合聚合法法通常前驱物的水解和聚合通常前驱物的水解和聚合形成溶胶和凝胶形成溶胶和凝胶金属醇盐金属醇盐1 1凝胶网络由前驱物凝胶网络由前驱物产生的无机聚合物建立产生的

12、无机聚合物建立2 2凝胶与溶胶体积相凝胶与溶胶体积相当当3 3可由时间参数清楚可由时间参数清楚地反映凝胶的形成过程地反映凝胶的形成过程4 4凝胶是透明的凝胶是透明的薄膜薄膜块体块体纤维纤维粉体粉体络合络合物法物法由络合反应形成具有较大由络合反应形成具有较大或复杂配体的络合物或复杂配体的络合物金属醇盐、金属醇盐、硝酸盐或乙硝酸盐或乙酸盐酸盐1 1凝胶网络由络合物凝胶网络由络合物通过氢键建立通过氢键建立2 2凝胶在水中能液化凝胶在水中能液化3 3凝胶是透明的凝胶是透明的薄膜薄膜粉体粉体纤维纤维第26页/共43页第二十七页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第27页/共43页第二十八页，编辑于星期日：

13、十九点 五十一分。旋涂法镀膜设备旋涂法镀膜设备第28页/共43页第二十九页，编辑于星期日：十九点 五十一分。垂直提拉机垂直提拉机第29页/共43页第三十页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第30页/共43页第三十一页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第31页/共43页第三十二页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第32页/共43页第三十三页，编辑于星期日：十九点 五十一分。第33页/共43页第三十四页，编辑于星期日：十九点 五十一分。重复搅拌&共沸搅拌&共沸Pb(CH3COO)23H2OCH3COOH搅拌&共沸600750退火5min450预处理5min搅拌旋涂4000r

14、pm搅拌搅拌Ti(OC4H9)4HO(CH2)2OCH3Zr(NO3)45H2OHO(CH2)2OCH3PZT溶胶乙酰丙酮乙二醇PZT先驱体溶液Pt/Ti/SiO2/Si基片PZT湿薄膜PZT无机薄膜PZT铁电薄膜Sol-Gel方法制备方法制备PZT铁电薄膜的工艺流程图铁电薄膜的工艺流程图 第34页/共43页第三十五页，编辑于星期日：十九点 五十一分。ElectroplatingSubstrateMaterialAnodeCathode第35页/共43页第三十六页，编辑于星期日：十九点 五十一分。电镀的方法只适用于在导电基片上沉积金属和合金。薄膜材料在电解液中是以正离子的形式存在，而电解液大多

15、是离子化合物的水溶液。注意：化学镀是指不加任何电场，直接通过化学反应而实现薄膜沉积的方法。Ag镀是典型的化学镀，它是通过在硝酸银溶液中使用甲醛还原剂将Ag镀在玻璃上。第36页/共43页第三十七页，编辑于星期日：十九点 五十一分。电镀法制备薄膜的原理是离子被加速奔向与其极性相反的阴极，在阴极处，离子形成双层，它屏蔽了电场的对电镀液的大部分作用。在双层区（大约30nm厚），由于电压降导致此区具有相当强的电场（107V/m）。在水溶液中，离子被溶入到薄膜以前经历了以下一系列过程：（1）去氢；（2）放电；（3）表面扩散；（4）成核、结晶。 第37页/共43页第三十八页，编辑于星期日：十九点 五十一分。)(11为膜厚DsdtdDV电镀法制备的薄膜