薄膜制备的物理方法课件

1、第二章薄膜制造的物理方法、物理蒸镀、薄膜沉积的物理方法主要是物理蒸镀法，物理蒸镀(Physical Vapor Deposition，简称PVD )是一系列广泛的薄膜制造方法的总称，包括真空镀膜法、溅射法、分子束外延法等。 物理气相沉积工艺可以分为(1)从原料放出粒子的工序和(2)从原料放出粒子的工序这3个阶段，(2)粒子被输送到基板上，(3)粒子在基板上凝结、成核、成长、成膜。 由于粒子的释放可以采用不同的方式，因此物理气相沉积技术呈现出各种各样的形态。 第二章薄膜制造的物理方法、真空镀膜法溅射法络离子镀敷分子束外延、真空镀膜法(简称真空镀膜)是在真空环境下，加热蒸发源材料，使其原子或分子从

2、表面气化而逸出，形成蒸气流，入射到基板(基板)表面，冷凝形成固体薄膜的方法。 真空蒸发法的主要物理过程是通过加热蒸发材料而产生的，因此也称为热蒸发法。 用这种方法生产胶片已经有几十年的历史，用途非常广泛。 近年来，该方法的主要改进是蒸发源。 真空蒸发原理、真空镀膜法应用最广泛的薄膜制备技术，简单方便，操作容易，成膜速度快，效率高，但制备的薄膜与基片结合差，工艺重复性差，不易得到晶体结构的薄膜。 真空蒸发的原理是，这些个过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行。 否则，蒸发物质的原子或分子与大量空气分子碰撞，严重污染膜层，形成氧化物或蒸发源被加热氧化烧毁或空气分子的碰撞阻碍，难以形成均匀连续的薄

3、膜。 真空镀膜的原理、沉积速率和膜厚分布是在真空镀膜膜的过程中，能否得到厚度均匀分布在基板上的薄膜成为制膜的关键。 因此，薄膜在基板上的沉积速率及其膜厚分布是我们十分关注的问题。 基板上不同蒸发位置的膜厚取决于蒸发源的蒸发特性、基板和蒸发源的几何形状、相对位置及蒸发物质的蒸发量。 关于沉积速率和膜厚分布，理论上补正沉积速率和膜厚，为了发现其分布规律，首先对于蒸发过程如下假设： (1)蒸发原子或者分子和残余气分子之间不发生冲突；(2)蒸发源附近的蒸发原子或者分子间也不发生冲突；(3)在基板上蒸发堆积的蒸发原子发生再蒸发现象实质上蒸发原子或分子为一个一个，在入射到基板表面的过程中不会发生任何碰撞，

4、而且到达基板后全部凝结。沉积速率和膜厚分布、质量蒸发速度：多数蒸发材料为液相蒸发，一部分为直接固相蒸发。 单位时间dt中，从表面a蒸发最大粒子数dN为m为粒子质量； k是玻尔兹曼常数t是绝对温度。 乘以原子或分子的质量，得到每单位面积的质量蒸发速度：沉积速率和膜厚分布、沉积速率和膜厚分布，考虑到理想的点蒸发源，各蒸发粒子入射到基板时不发生任何碰撞，而且到达基板后全部凝结的话， 如果假设基板上的dS面积的沉积速率dm满足佝玄法则的蒸发源是与基板平行的法定径套蒸发源，则膜厚分布为：蒸镀速度和膜厚分布、蒸镀速度和膜厚分布，在实际的蒸发过程中，蒸发粒子受到真空室内的残余气分子的碰撞，碰撞次数取决于分子

5、的平均自由程。设置N0个蒸发分子，飞行距离l后，未受到残余气的分子碰撞的数量n，真空度高，平均自由程一盏茶大，如果满足条件，则对于碰撞的分子比率： 25的空气，为了确保镀膜的质量，要求时蒸发源和基板的距离l=25cm，真空蒸发装置的中心词为(1) 真空室：提供蒸发过程所需的真空环境(2)蒸发源：放置蒸发材料进行加热(3)基片：接收蒸发物质，在其表面形成固体蒸发薄膜。 周边还有真空系统和机械电路系统。 真空蒸发技术、蒸发源是蒸发装置的主要零配件，很多金属材料要求在1000-2000的高温下蒸发。 因此，必须将蒸发材料加热到较高的蒸发温度。 为了避免薄膜材料的污染，作为蒸发源使用的支撑材料，为了在

6、蒸发瓦斯气体中不混入支撑材料原子，必须具有在工作温度下可以忽略的蒸气压。 通常使用的支撑材料是不易熔化的金属和氧化物。 另外，在选择某种特殊的支撑材料时，需要考虑蒸发物和支撑材料之间可能发生的合金化、化学反应、相互润湿的程度等问题。 支撑材料的形状主要取决于蒸发物。 真空蒸发技术、电阻加热蒸发法闪烁蒸发法电子束蒸发法反应蒸发法射频波蒸发法电弧蒸发法热壁法，(1)电阻加热蒸发法采用钽、钼、钨等难熔金属制成适当形状的蒸发容器，通过电流直接加热蒸发蒸发材料，或将蒸发材料放入坩埚中蒸发容器的材料有： (1)熔点高； (2)饱和蒸汽压力低(3)化学性能稳定(4)与被蒸发材料润湿，Ag容易在钨合十礼上脱落

7、。 (5)原料丰富，经济持久。 根据这些个的要求，制膜工艺中常用的蒸发源材料为w、Mo、Ta等，或耐高温金属氧化物、瓷混合双打或黑金属铅坩埚。 电阻加热蒸发法的主要缺点： (1)支持坩埚及材料和蒸发物的反应；(2)氧化铝、氧化钛等高熔点材料难以蒸发；(3)蒸发率低；(4)加热时合金和化合物分解。 (2)闪烁蒸发法在制造容易部分分析的多组元合金或化合物薄膜时，经常存在得到的薄膜化学成分偏离蒸发物本来的成分的问题。 闪烁蒸发法也称为“瞬时蒸发法”，将细小的合金粒子和粉末逐次输送到标志热的蒸发器中，使材料一个一个瞬间蒸发。 由此，能够避免由各构成元素体的蒸发速度的不同引起的薄膜化学成分的偏差的问题。

8、 (2)闪光蒸发法钨合十礼的锥形男低音是最好的蒸发源结构。 如果选择蒸发舟皿和坩埚，会残留瞬间未蒸发的粉末粒子，成为通常的蒸发是不理想的。 闪烁蒸发法对任何成分都可以在云同步中蒸发，常用于合金元素体蒸发速度大不相同的场合，可以得到成分均匀、配方理想的化合物和合金薄膜。 (3)电子束蒸发法将蒸发材料放入水冷坩埚中，直接用电子束加热，使蒸发材料气化蒸发，在基板表面冷凝成膜的方法，称为电子束蒸发法。 电子束加热的原理是，电子通过电场得到的动能与位于阳极的蒸发材料碰撞，使蒸发材料加热气化，由此实现蒸发镀膜。 电子束蒸发法克服了一般电阻蒸发法的许多缺点，特别适用于高熔点薄膜和高纯度薄膜材料的制作。 电子

9、束蒸发的优点： (1)由于电子束碰撞热源的束密度高，能够得到远大于电阻加热的能量密度，能够以不过小的面积得到104-109W/cm2的功率密度，因此能够使高熔点材料蒸发(达到30000C以上)，能够得到高蒸发速度(2)由于采用水冷坩埚，可以避免容器材料的蒸发和容器材料与蒸发材料的反应，在提高镀膜纯度方面极为重要。 (3)蒸发材料表面可直接加热，热效率高。 电子束加热的缺点：电子枪发射的一次电子和蒸发材料发射的二次电子使蒸发原子和残余气分子电离，可能影响薄膜的质量。 但是，可以通过修订和选择不同结构的电子枪来解决。 多数化合物在受到电子冲击时会部分分解，影响薄膜的构造和性质。 此外，主要由于电子

10、束的蒸发结构复杂，设备昂贵。 另外，加速电压过高时产生的软x射线会对人体造成一定的损伤。 根据电子束蒸发源的形式，可以分为环形电子枪、直枪、e型枪、空心阴极电子枪等几种。 直枪是一种轴对称的直线加速电子枪，电子从阴极丝状体发射，汇集成细束，经阳极加速后，撞击蒸发材料，使之熔化、蒸发。 环形枪从环形阴极发射电子束，聚焦偏转，撞击蒸发材料，使材料蒸发。 其结构简单，电力效率低，多用于实验研究，在生产中应用少。 (4)激光蒸发法激光蒸发法以激光束为热源照射蒸发材料，使材料蒸发而在基板表面堆积形成薄膜。 激光光源采用CO2连续光源、Ar激光器、红宝石激光器、钇铝榴石激光器等，可置于真空腔外，高能激光束

11、通过窗口进入真空腔，在棱镜项目、凹面镜聚集，照射蒸发材料。 聚光后的激光束的功率密度高达106W/cm2以上。 为了使蒸发材料蒸发，需要吸收一盏茶的激光能量，所以蒸发材料对激光束的透过、反射、散射必须尽可能小。 激光蒸发技术有很多优点： (1)激光清洁，能够减少来自热源的污染；(2)激光束仅加热蒸发材料的表面，能够减少来自支撑材料的污染；(3)通过激光束的聚光能够得到高输出密度，高速堆积高熔点材料由于光束发散性小，激光及其相关设备可以相距很远(5)利用外反射镜引导激光束，从而容易实现云同步或顺序多源蒸发。 但是，激光蒸发器昂贵，并非所有材料都显示出优越性。 另外，由于蒸发材料的温度过高，蒸发粒

12、子容易分离，会影响膜结构和特性。 脉冲激光沉积法(pulsed laser ablation，PLA )采用脉冲激光产生的脉冲激光作为光源，将产品材料在非常高的温度下迅速加热和蒸发制冷，实现有营销对象的小块摇滾乐区域的瞬间蒸发。 脉冲激光沉积法在沉积化合物材料时有很大优点，即使化合物中构成要素的蒸气压有很大差异，蒸发时成分也不会偏移。 脉冲激光沉积技术广泛应用于各种不同的化合物和合金薄膜的沉积。 在云同步，脉冲激光沉积可以实现高能等络离子体沉积，在气氛中实现反应沉积。 PLA的极限： (1)小粒子的形成。 PLA薄膜通常有0.1-10um的小粒子，解决方法是利用更短波长的紫外辐射、营销对象旋转

13、和激光束扫描使营销对象面保持平滑，更有效的方法是转动快门优先阻挡速度慢的粒子。 (2)膜厚不均匀。 熔融蒸镀“羽辉”(发光部分与羽相似)具有强定位效应，在狭小的范围内只能形成均匀厚度的膜。 (5)反应蒸发法的多数化合物在高温蒸发过程中发生分解，例如直接蒸发Al2O3、TiO2等时会失去氧，因此优选采用反应蒸发。 反应蒸发法是将活性瓦斯气体导入真空室内，使活性瓦斯气体的分子、原子和从蒸发源脱离的金属原子、廉价的化合物分子在基板表面的堆积过程中反应，形成所希望的高价化合物薄膜的方法。反应蒸发经常用于制作高熔点的化合物薄膜，特别适用于制作由容易与过渡金属解吸的O2、N2等反应瓦斯气体构成的化合物薄膜

14、。 反应方程式如下所示，在：反应蒸发中，蒸发原子或廉价的化合物分子与活性瓦斯气体反应的场所有蒸发源表面、从蒸发源到基板的空间和基板表面三种可能性。 实际上，反应主要发生在基板表面，在反应过程中吸附的反应瓦斯气体分子和原子渗透到膜层表面，扩散到低电势的晶格，入射到基板，与吸附的蒸发原子扩散，通过移动发生化学反应，形成氧化物和化合物薄膜。 利用反应蒸发法制作薄膜是为了利用在基板表面析出或吸附的活性瓦斯气体分子或原子间的反应。 因此，反应可以在相对低温下完成。 为了加速反应，可以通过使金属和活性瓦斯气体的一部分蒸发放电的方法使其电离。 该方法称为活性反应蒸发法，其原理与活性反应络离子镀敷相同。 通过

15、反应蒸发所形成的薄膜的组成和结构主要取决于反应材料的化学性质、反应瓦斯气体的稳定性、形成化合物的自由能、化合物的分解温度和反应瓦斯气体在基板的入频度、分子从蒸发源蒸发的速度和基板温度等的残奥计。 (6)射频波蒸发法射频波蒸发法是将装有蒸发材料或蒸发材料的坩埚放置在射频波间谍线圈的中央，使蒸发材料在射频波电磁场的感应下产生强涡流损耗和迟滞现象损耗(至强磁性体)，使蒸发材料升温至气化蒸发。 射频波蒸发的特点是蒸发速度大，比电阻蒸发大10倍左右，蒸发源温度均匀稳定，不易发生溅射现象，温度控制比较容易，操作比较简单。 缺点是：蒸发装置必须屏蔽，需要复杂且昂贵的射频波发生器线圈附近的压力超过10-2Pa

16、时，在射频波场残余气电离，电功耗增加。 (7)电弧蒸发法电弧蒸发法使用高熔点材料构成2个棒状电极，在高真空下通电产生弧光放电，使接触部分达到高温使其蒸发。 电弧蒸发法是制备高熔点材料薄膜的一种比较简便的方法，可分为交流弧光放电法和直流弧光放电法。 能够使包括难熔金属在内的所有导电材料蒸发，能够简单且迅速地制造没有污染的薄膜。 (8)热壁法热壁法是利用加热的石英管等(热壁)，将蒸发分子和原子从蒸发源导入基板，生成薄膜。 热壁通常比基板的温度高。 整个系统置于高真空中，但由于蒸发管中存在蒸发物质，因此压力很高。 热壁法最显着的特征是，与通常的真空镀膜法相比，在热平衡下生长而成膜。 该方法在II-V

17、I、III-V族化合物半导体薄膜的制造应用中，得到良好的效果。 可以通过热壁法制作超点阵结构。 该方法比分子束外延简便廉价，但控制性和重复性差。 第二章薄膜制备的物理方法、真空镀膜法溅射法络离子镀分子束外延、溅射法的物理基础是溅射现象。 所谓“溅射”，是指高能粒子碰撞固体表面(营销对象)，使固体原子(或分子)从表面释放的现象。 溅射现象是1852年Grove研究辉光放电时首次发现的，现在广泛应用于各种薄膜的制造。 溅射的原理、溅射时射出的粒子大多呈现原子态，多被称为溅射原子。 用于碰撞营销对象的高能粒子可以是电子、络离子或中性粒子，络离子在电场下容易加速，为了得到必要的动能，大多采用络离子作为

18、碰撞粒子，称为溅射络离子。 溅射原理、溅射原理和溅射现象早已为人所知，大量实验研究表明，这一重要物理现象的溅射粒子角分布取决于入射粒子的方向。 溅射率(每一个入射粒子可以由营销对象打出的原子数)的大小取决于入射粒子的质量。溅射原子的能量比蒸发原子大数倍。 由于电子的质量小，所以即使极高能量的电子与营销对象材料碰撞，也不会发生溅射现象。 溅射原理，(1)热蒸发理论初期，溅射现象是电离瓦斯气体的带电正络离子，电场加速碰撞营销对象表面，向碰撞处的原子传递能量，结果在营销对象表面碰撞处小的区域瞬间产生强局部高温，该区域的营销对象材料熔化，热蒸发。 热蒸发理论在一定程度上解释了溅射的某些规律和溅射现象，如溅射率、营销对象材料的蒸发热和碰撞络离子的能量关系