《薄膜制备技术》课件.ppt

1、7.薄膜制备技术，7.1薄膜材料基础，7.1.1薄膜的概念和分类，1。薄膜材料的概念。通过采用某些方法，将处于某种状态的一组或多组物质(原料)物理地或化学地附着到基材表面，并且在基材表面上形成新的物质层。简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。薄膜的分类：(1)物理状态，(2)结晶状态，(3)化学观点，(4)组成，(5)物理性质和厚度决定薄膜的性能和质量。作为薄膜的一个重要参数，薄膜材料与器件的结合已经成为电子、信息、传感器、光学、太阳能等技术的核心基础。薄膜应用、薄膜材料和相关的薄膜器件出现于20世纪60年代。它是新理论和高科技高度结晶的产物。主要薄膜产品有光学薄膜、集成

2、电路、太阳能电池、液晶显示薄膜、光盘、磁盘、工具硬化薄膜、建筑涂料产品和塑料金属化产品。薄膜是现代信息技术的核心要素之一。7.1.2薄膜的制备方法按物理和化学角度分类，包括：物理成膜PVD化学成膜化学气相沉积法、蒸发法、溅射沉积法或复合法。定义，2 .成膜方法和工艺，7.2.1概述，真空蒸发镀膜溅射离子成膜(包括脉冲激光沉积和分子束外延)，材料和测试方法，磁控溅射设备，激光分子束外延设备，溅射样品引入真空室，薄膜制备方法包括激光沉积，溅射，金属有机化学气相沉积和溶胶-凝胶技术。薄膜的组成和晶体结构取决于材料质量、制造方法、合成条件和后退火。自然世界“原子世界”，目标/蒸发源衬底表面原子雨簇粒子

3、排放杂质，污染真空，云地球表面-地面自然雨雪冰雹雷雨灰尘，污染环境保护，云，原子层晶体生长的“世界”与自然世界的比较，7.2.2真空蒸发涂层，其中固体材料在真空室中加热蒸发或升华，然后在一定温度下冷凝并沉积在衬底材料表面。薄膜的形成经历三个过程：蒸发或升华。被蒸发的物质通过某种加热方式被加热、蒸发或升华，并从固态或液态变为气态。运输到基底。气态原子或分子在真空和一定蒸气压下由蒸发源输送到衬底。吸附、成核和生长。成核和生长过程通过颗粒在基底表面上的碰撞、颗粒在基底表面上的吸附和在表面上的迁移来完成。这是一个能量转换的过程。过程原理演示，1。过程原理，2。工艺方法(1)对于简单物质材料，常见的加热

4、方式有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。1)电阻加热，电阻作为蒸发源，电流加热后蒸发成膜。所用的材料是铝、钨、钼、铌、钽和石墨。(2)电子束加热，其中待蒸发的材料(阳极)被待加热和蒸发的电子枪(热阴极)产生的电子束轰击，并在通过电子加速器后沉积在衬底材料的表面上。3)高频感应加热，当高频电流施加到高频线圈时，产生涡流，这使得内置材料加热并熔化以形成膜。(4)电弧加热，在高真空下，蒸发的材料用作阴极，内部铜棒用作阳极，施加电压，阳极电极的尖端移动到与阴极接触，阴极局部熔化并发射热电子，然后电极分离产生电弧放电，使得阴极材料蒸发并形成膜。5)激光加热，非接触加热。使用激光作为

5、热源，将蒸发的材料蒸发成薄膜。常用的有CO2、氩、钇铝石榴石钕玻璃、红宝石等高功率激光器。(2)对于化合物和合成材料，1)快速蒸发(瞬时蒸发):细小颗粒或粉末形式的薄膜材料以很小的流量逐渐进入高温蒸发源，使每个颗粒在瞬间完全蒸发成膜，保证膜的成分比例与合金的成分比例相同。(2)多源蒸发：构成合金膜的每个元素在单独的蒸发源中被加热和蒸发，并根据膜材料的组成比例形成膜。3)反应蒸发：在真空室充满活性气体后，其原子和分子与来自衬底表面上蒸发源的原子和分子反应，生成所需的化合物。通常，金属或低价化合物反应形成高价化合物。4)三种温度下的蒸发；实际上是袁爽蒸发。对于不同的蒸气压元件，分别控制蒸发温度、蒸

6、发速率和衬底温度，并在衬底表面沉积薄膜。5)热壁法：使用加热的石英管(热壁)，从蒸发源蒸发的分子或原子被输送到基底上形成薄膜。是外延薄膜生长的发展。6)分子束外延(MBE)，是在蒸发基础上发展起来的技术。它是指在单晶衬底上生长具有相同取向的同质单晶(同质外延)或具有相干或半相干连接的异质单晶(异质外延)。外延外延是指在单晶衬底上形成具有单晶结构的薄膜，薄膜的晶体结构和取向与衬底的晶体结构和取向相关。外延方法有很多，包括气相外延、液相外延、真空蒸发外延、溅射外延等。同质外延生长，异质外延生长，压缩应力，拉伸应力，压缩应变同质外延(ae=as)拉伸应变(ae as)应变的存在可以改变外延膜的物理性

7、质。应变的原因初步认为是平行于表面的衬底和薄膜的晶格间距的差异，或“晶格失配”。释放出紧张的能量，紧张的电影说：“我们都够累了，请让我们休息一下！”哦，现在舒服多了，虽然感觉我们的同事们还在缓解压力。应变能释放出现在边缘位错，单说：“没事，我的努力是让你们所有人都高兴！”应变改变d空间，同时改变值，原理：在超高真空条件下，每个组成元素的分子束以分子的形式喷射到衬底的表面，并且在适当的温度下进行外延沉积以形成膜。目前，分子束外延薄膜厚度的控制水平达到单原子层，可用于制备3-5种化合物的超晶格、量子点和半导体器件。7)脉冲激光沉积(PLD)，其使用脉冲聚焦激光烧蚀靶，使得靶在高温下瞬间蒸发，由真空

8、室中的惰性气体羽流等离子体激活，并沉积在衬底上。2.蒸发应用，适用于镀一些对结合强度要求不高的功能膜，如电极导电膜和光学透镜减反射膜。与溅射成分相比，通过气相沉积很难保证合金膜。纯金属镀速快，90%是铝膜。铝膜有广泛的用途，在镜子制造工业中代替银，在集成电路镀铝和金属化后蚀刻导线。7.2.3溅射沉积，1。工艺原理，溅射沉积：指在真空室中用带电能量粒子轰击电镀材料表面，使被轰击的粒子沉积在衬底上的技术。1.工艺原理溅射镀膜有两种类型。离子束是由特殊离子源产生的。离子源结构复杂，价格昂贵。用于分析技术和制备特殊薄膜。在真空室中，用离子束轰击靶面，使溅射粒子在衬底表面形成薄膜。离子束溅射：气体放电溅

9、射、离子束和磁控溅射相结合的镀膜设备，利用低压气体放电现象产生等离子体和正离子，正离子被电场加速成高能粒子，撞击固体(靶)表面进行能量和动量交换后，被轰击固体表面上的原子或分子被溅射气体放电溅射，整个过程只进行动量转换，沉积的颗粒能量大，无相变，沉积过程具有清洗功能，薄膜附着力好，薄膜密度高，杂质少，薄膜厚度可控性和再现性好，制备大面积薄膜的设备复杂，沉积速率低。2。工艺特点，离子束和磁控溅射复合镀膜设备，3。辉光放电是溅射的物理基础，溅射镀膜是基于高能粒子轰击靶时的溅射效应。整个溅射过程基于辉光放电，因此气体放电产生正离子，正离子被加速然后轰击靶，离开靶并沉积成膜。不同的溅射技术采用不同的辉

10、光放电方法，包括：DC辉光放电DC溅射射频辉光放电气体放电射频溅射磁场中的电磁溅射，(1) DC辉光放电，是指当两个电极之间施加一定的DC电压时，两个电极之间产生的稀薄气体(真空度约为13.3-133Pa)引起的放电现象。DC辉光放电伏安特性曲线，AB钝放电区，BC汤森放电区，CD过渡区，DE正常辉光放电区，EF异常辉光放电区，FG电弧放电区，(2)射频辉光放电是指通过电容耦合在两个电极之间施加射频电压而在电极之间产生的放电现象。电子在变化的电场中振荡获得能量，并与原子碰撞产生离子和更多的电子。射频放电的频率范围为1-30兆赫，工业频率为13.56兆赫，其特点是：辉光放电空间产生的电子获得足够

11、的能量产生碰撞电离，减少对二次电子的依赖，降低击穿电压。射频电压可以通过任何类型的阻抗耦合进来，因此电极不需要是导体，并且可以溅射任何材料。(3)电磁场中的气体放电，当在放电电场空间中加入磁场时，放电空间中的电子将围绕半径为eB/mv的磁力线旋转。由于电场和磁场的位置不同，磁场对放电的影响也大不相同。4。溅射特征参数，(1)溅射阈值，(2)溅射速率，(3)溅射粒子状态、能量和速度，(4)溅射特征参数，(1)溅射阈值：溅射靶材料原子所需的最小入射离子能量，低于该能量就不能发生溅射。大多数金属的价值是1020ev。溅射率：每一正离子轰击靶的阴极时，能从靶中冲出的平均粒子数，也称为溅射产额或溅射系数

12、，S，S=Ns/Ni，Ni-入射到靶表面的粒子数Ns-从靶表面溅射出的粒子数，定义，影响因素，入射离子能量，靶类型，入射离子类型和溅射率与靶元素在周期表中的位置有关。一般规律：溅射速率随着靶元素原子序数的增加而增加。铜、银和金较大，碳、硅、钛、钒、钽和钨较小。溅射速率取决于入射离子的能量。溅射速率随原子序数周期性变化，电子壳层中填充的元素在每个周期中具有最大的溅射速率。惰性气体的溅射率最高。入射角，即入射离子的入射方向与溅射靶表面法线之间的角度，溅射温度，靶，(3)溅射粒子和从靶溅射的材料粒子，主要参数包括粒子状态，粒子能量和速度。溅射粒子的状态与入射离子的能量有关。溅射粒子的能量与靶、入射离

13、子的类型和能量以及溅射粒子的方向性有关，其能量比蒸发原子的能量大12个数量级。(4)溅射粒子和溅射原子的角分布符合努森余弦定律。它还与入射原子的方向性和晶体结构有关。4。几种典型的溅射镀膜方法：(1) DC溅射镀膜，靶是放电气体，阴极基片置于1-2KV的阳极间电压和1-几百帕的真空度下：氩只适用于导体溅射，它形成一个等离子弧柱(2)射频溅射涂层适用于导体、半导体和绝缘体。射频是无线电波发射范围的频率。为了避免对无线电台的干扰，溅射的特殊频率设置为13.56兆赫。大功率漏点射频电源制造成本高，存在人身保护问题，不适合工业生产。(3)磁控溅射镀膜类似于DC溅射，除了在阴极靶后面设置一个磁场，该磁场

14、在靶表面形成一个封闭的环形磁场，并且与电场正交。目标表面等离子体束缚的电子做进动运动，增加了原子电离的机会，能量耗尽后落在阳极上。衬底的温升低，损伤小。磁场的作用如下：(4)离子束溅射，使用单独的离子源产生离子轰击靶，原理如下图所示。目前，直径为10厘米的宽束离子源已用于溅射镀膜。优点：轰击离子的能量和束密度是独立可控的，衬底不与等离子体直接接触，有利于控制薄膜质量。缺点：速度太慢，不适合电镀工件，难以在工业上应用。4.溅射镀膜的使用，采用铬、铬-氮化铬合金靶材，在N2、CH4等大气中反应溅射镀膜，可在各种工件上镀覆铬(425-840HV)、铬钴铬合金(CrC)、氮化铬(CrN)(1000-3

15、500 HV)，可用碳化钛(TiC)、氮化钛(TiN)等超硬涂层代替镀覆工具、模具等表面，具有摩擦系数低、化学稳定性好、耐磨性、耐热性、抗氧化性和抗侵蚀性好等优点，可改善工件特性，大大延长使用寿命，一般可达3-10倍碳化钛、氮化钛和氧化铝具有良好的耐腐蚀性。可以制备优良的固体润滑膜二硫化钼。可以制备聚四氟乙烯薄膜。7.2.4离子膜形成，1。离子镀及其原理：真空蒸发和溅射相结合的镀膜技术，在镀膜时采用高能离子轰击基体表面和膜层，使镀膜和离子轰击改性同时进行。也就是说，等离子体是通过气体放电产生的，同时，膜材料被蒸发，一些物质被电离，在电场的作用下轰击衬底表面(清洁衬底)，并且一些变成被激发的中性粒子，其沉积在衬底表面上形成膜。真空放电气体种类和压力蒸发源材料供应速率和蒸汽流量大小衬底负偏压