纳米薄膜材料制备技术

1、纳米薄膜材料制备技术转载纳米薄膜分为两类：一类是由纳米粒子组成（或堆砌而成）的薄膜，另一类是 在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料。纳米粒子镶嵌在另一基体 材料中的颗粒膜就属于第二类纳米薄膜。纳米薄膜的制备方法按原理可分为物理 方法和化学方法两大类，按物质形态主要有气相法和液相法两种。1、物理方法：1）、真空蒸发（单源单层蒸发；单源多层蒸发；多源反应共蒸发）2）、磁控溅射3）、离子束溅射（单离子束（反应）溅射；双离子束（反应）溅射；多离子束反应 共溅射）4）、分子束外延（MBE）2、化学方法：1） 化学气相沉积（CYD）：金属有机物化学气相沉积；热解化学气相沉积；等离 子体增强化学气

2、相沉积；激光诱导化学气相沉积；微波等离子体化学气相沉积。2）溶胶-凝胶法3）电镀法3、2. 1物理气相沉积法物理气相沉积（PVD）方法作为一类常规的薄膜制备手段被广泛地应用于纳米薄膜 的制备与研究工作中，PVD包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。2分子束外延。以蒸镀为基础发展起来的分子束外延技术和设备， 经过十余年的开发，近年来已制备出各种IIIV族化合物的半导体器件。外延是指在单晶基体上生长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具 有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。目前分子束外延的膜厚控制水平已经达到单原子层，甚至知道某一单原子 层是否已经排满，而另一层是否已经开始生长。3.溅射

3、制膜溅射制膜是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒 子在基片上沉积的技术。溅射镀膜有两种。一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射击的粒子在基片 表面成膜，这称为离子束溅射。离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格 较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。另一种是在真空室中， 利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在 基片上溅射制膜溅射制膜是指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积 的技术。溅射镀膜有两种。一种是在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射击的粒子在基片 表面

4、成膜，这称为离子束溅射。离子束要由特制的离子源产生，离子源结构较为复杂，价格 较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。另一种是在真空室中， 利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶表面，并使溅射出的粒子堆积在 基片上。离子溅射当入射离子的能量在lOOeV-lOkeV范围时，离子会从固体表面进入固体的内部，与构成 固体的原子和电子发生碰撞。如果反冲原子的一部分到达固体的表面，且具有足够的能量， 那么这部分反冲原子就会克服逸出功而飞离固体表面，这种现象即离子溅射。磁控溅射。磁控溅射是70年代迅速发展起来的新型溅射技术，目前已在工业生产中 应用。这是由于磁控溅射的镀膜

5、速率与二极溅射相比提高了一个数量级，具有高速、低温、 低损伤等优点。高速是指沉积速率快，低温和低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。 1974年，Chapin发明了适用于工业应用的平面磁控溅射靶，对磁控溅射进入生产领域起到 了推动作用。磁控溅射的特点是在阴极靶面上建立一个环状磁靶，以控制二次电子的运动，离子轰击靶 面所产生的二次电子在阴极暗区被电场加速之后飞向阳极。实际上，任何溅射装置都有附加 磁场以延长电子飞向阳极的行程，其目的是让电子尽可能多产生几次碰撞电离，从而增加等 离子体密度，提高溅射效率。只是磁控溅射所采用的环形磁场对二次电子的控制更加严密。 磁控溅射所利用的环状磁场迫使二次电子

6、跳跃式地沿着环状磁场转圈。相应地，环状磁场控 制的区域是等离子体密度最高的部位，在磁控溅射时，可以看见，溅射气体氩气在这部位发 出强烈的淡蓝色辉光，形成一个光环，处于光环下的靶材是被离子轰击最严重的部位，会溅 射出一条环状的沟槽。环状磁场是电子运动的轨道，环状的辉光和沟槽将其形象地表现了出 来。能量较低的二次电子在靠近靶的封闭等离子体中做循环运动，路程足够长，每个电子使原 子电离的机会增加，而且只有在电子的能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极基片)上，这 是基片升温低、损伤小的主要原因。高密度等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不与基片接 触。这样电离产生的正离子能十分有效地轰击靶面，基片又免受等离

7、子体的轰击。电子与气 体原子的碰撞几率高，因此气体离子化率大大增加。磁控溅射靶大致可分为柱状靶和平面靶两大类。柱状靶原理结构简单，但其形状限制了它 的用途。在工业生产中应用的多是矩形平面靶，目前已有长度达4m的矩形靶用于镀制窗玻 璃的融热膜。让基片连续不断地由矩形靶下方通过，不但能镀制大面积的窗玻璃，还适于在 成卷的聚酯带上镀制各种膜层。还有一种是溅射枪，它的结构较复杂，一般要配合行星式夹 具使用，应用较少。磁控溅射靶的溅射沟槽一旦穿透靶材，就会导致整块靶材报废，所以靶材的利用率不高， 一般低于40%，这是磁控溅射的主要缺点。合金膜的镀制。在物理气相沉积的各类技术中，溅射最容易控制合金膜的成分

8、。镀制合金膜可以采用多靶共溅射，这时控制各个磁控靶的溅射参数，可以得到一定成分的 合金膜。如果直接采用合金靶进行溅射，则不必采用任何控制措施，就可以得到与靶材成分完全一 致的合金膜。考虑到各种元素的溅射产额(每个离子所击出的靶材原子数目)是不同的，这种 靶材与膜层的成分一致性似乎难以理解。实际情况是当靶材的A、B两种元素的溅射产额不 等时，溅射产额较高的元素，例如A，会自动逐渐贫化，直到膜层的成分与靶材一致时，靶 材表面的含A量才不再下降。此后靶面成分达到恒稳状态，总是保持着确定成分的贫A层。化合物膜的镀制。化合物膜是指金属元素与氧、氮、硅、碳、硼等非金属的化合物所构 成的膜层。化合物膜的镀制

9、可选用化合物靶溅射和反应溅射。离子镀膜转载 离子镀膜离子镀就是在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。离子轰击的目的 在于改善膜层的性能。离子镀是镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜过程。无论是蒸镀还是溅射都可以发展成为离子镀。在磁控溅射时，将基片与真空室绝缘，再加 上数百伏的负偏压，即有能量为100eV量级的离子向基片轰击，从而实现离子镀。离子镀 也可以在蒸镀的基础上实现，例如在真空室内通入1Pa量级的Ar气后，在基片上加上1 000V 以上的负偏压，即可产生辉光放电，并有能量为数百电子伏的离子轰击基片，这就是二级离 子镀离子镀的原理对于真空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，

10、人射到基片上的每个沉积粒子所带的 能量是不同的。热蒸镀原子大约0. 2eV，溅射原子大约150eV，而离子镀中轰击离子大 概有几百到几千电子伏特。离子镀一般来说是离子轰击膜层，实际上有些离子在行程中与其 他原子发生碰撞时可能发生电荷转移而变成中性原子，但其动能并没有变化，仍然继续前进 轰击膜层。由此可见，所谓离子轰击，确切说应该是既有离子又有原子的粒子轰击。粒子中 不但有氩粒子，还有靶材粒子，在镀膜初期还会有由基片表面溅射出来的基材粒子。离子轰击可以提高靶材原子在膜层表面的迁移率，这有利于获得致密的膜层。离子镀的缺 点是Ar离子的轰击会使膜层中的Ar含量升高，另外由于择优溅射会改变膜层的成分。

11、离子镀的类型和特点离子镀设备要在真空、气体放电的条件下完成镀膜和离子轰击过程。因此，离子镀设备要 由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。国内外常用的离子 镀类型分述如下：空心阴极离子镀(HCD)。HCD法是利用空心热阴极放电产生等离子体。空心钽管作为 阴极，辅助阳极距阴极较近，二者作为引燃弧光放电的两极。阳极是靶材。弧光放电时，电 子轰击靶材，使其熔化而实现蒸镀。蒸镀时基片加上负偏压即可从等离子体中吸引Ar离子 向基片轰击，实现离子镀。Ar气经过钽管流进真空室，钽管收成小口以维持管内和真空室之间的压差。弧光放电主 要在管口部位产生。该部位在离子轰击下温度高达2 500K左右，于是放射电子使弧光放电 得以维持。弧光放电是靠辉光放电（要数百伏）点燃，待钽管温度升高后，用数十伏电源维持 弧光放电。多弧离子镀。多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属。 这种装置不需要熔池，阴极靶可根据工件形状任意方向布置，使夹具大为简化。由于入射粒 子能量高，所以膜的致密度高，强度好。多弧离子镀的突出优点是蒸镀速率快，TiN膜可达 101 000nm/s。目前存在的问题是，弧斑喷射的液滴飞溅到膜层上会使膜层粗糙，导致膜 层结构疏松，孔隙很多，对耐蚀性极