薄膜材料及其制备

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1、薄膜材料及其制备1概念采用一定方法，使处于某种状态一种或几种的物质以物理或化学方式沉积于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质。是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。状态气态液态固态结晶态非晶多晶单晶2组成金属薄膜非金属薄膜物性硬质薄膜超导薄膜金属导电薄膜介电薄膜半导体薄膜光学薄膜磁学薄膜3一、物理气相沉积-蒸发法1.物质的热蒸发利用物质高温下的蒸发现象，可制备各种薄膜材料。与溅射法相比，蒸发法显著特点之一是在较高的真空度条件下，不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程，可以直接沉积到衬底表面上，且可确保所制备的薄膜具有较高纯度。制备方法42.元素的蒸发速率环境中元素的

2、分压降至其平衡蒸气压之下时，就会发生元素的蒸发。元素的平衡蒸气压Pe随温度的变化率：纯元素多以单个原子，但有时也可能是以原子团的形式蒸发进入气相。●大多数金属，当温度达到元素熔点时，其平衡蒸气压也低于10-1Pa，这种情况下，要想利用蒸发方法进行物理气相沉积，需将物质加热到其熔点以上。●另一类物质，如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等，在低于熔点的温度下，其蒸汽压已相对较大。可直接利用升华现象，实现元素的气相沉积。Ti升华泵：轰击蒸发吸附气体石墨：无熔点，电极间高温放电蒸发53.化合物与合金的蒸发沉积后的薄膜可能偏离蒸发源化学组成（成分、物相）气相分子化合与分解薄膜成分偏离蒸发源成分对于二元合金

3、理想溶液：AB二元合金的两组元A—B原子间的作用能与A—A或B—B原子间的作用能相等的合金。合金中组元的平衡蒸气压将小于纯组元的蒸气压：PA=xAPA(0)；PB=xBPB(0)蒸汽压和蒸发速度都将不同一般为非理想溶液：组元蒸气压之比将更加偏离合金的原始成分。当组元B与其他组元的吸引作用力较小时，它将拥有较高的蒸气压；反之，其蒸气压将相对较低。PA=αAPA(0)；PB=αBPB(0)6A、B两组元蒸发速率之比利用上式可估算所需使用的合金蒸发源的成分。如：在1350K，A1的蒸气压高于Cu，为获得Al—2％Cu(质量分数)成分的薄膜，需要使用的蒸发源成分为A1—13.6％Cu(质量分数)。但

4、组元蒸发速率之比将随时间变化●采用多的蒸发源●不断加入易蒸发组元●采用多蒸发源7沉积均匀性●蒸发源的形式●蒸发源距衬底的距离●衬底位置与运动蒸发源84.真空蒸发装置●电阻式蒸发装置使用温度高；高温下蒸汽压低；不与被蒸发物质反应；无放气和污染；适当的电阻率。W、Mo、Ta等难熔金属或石墨的片、舟、丝（螺旋润湿性Al2O3涂覆）。普通电阻加热或感应加热。9●电子束蒸发装置电阻加热的缺点：可能造成污染；加热功率或加热温度有限，不适于高纯或难熔物质的蒸发。电于束蒸发装置正好克服了电阻加热法的不足被加热物质放于水冷的柑祸中，电子束只轰击其中很少一部分物质，而其余的大部分物质在坩埚冷却作用下一直处于低温

5、，即后者实际上变成了被蒸发物质的坩埚。因此．电子束蒸发沉积可避免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，可同时或分别蒸发和沉积多种不同物质。10装置中，由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加速，并经过横向布置的磁场偏转270°后到达被轰击坩埚处。磁场偏转法可避免灯丝材料的蒸发对于沉积过程可能造成的污染。其缺点是电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走。因而其热效率较低；另外，过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。11●电弧放电蒸发装置也具有避免电阻加热材料或坩埚材料的污染，加热温度较高的特点，特别适用于熔点高，同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的

6、蒸发。同时，这一方法所用的设备比电子束加热装置简单，是一种较为廉价的蒸发装置。欲蒸发的材料制成电极，依靠调节真空室内电极间距点燃电弧，瞬间的高温电弧使电极端部产生蒸发从而实现物质的沉积。控制电弧的点燃次数或时间可沉积一定厚度的薄膜。既可用直流，又可用交流。缺点是放电过程中容易产生微米级电极颗粒的飞溅，影响被沉积薄膜的均勾性。12●激光蒸发装置使用高功率激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积。显然，也具有加热温度高，可避免坩埚污染，蒸发速率高，蒸发过程容易控制等特点。多用波长位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发光源。针对不同波长的激光束，需选用具有不同光谱透过特性的窗口和透镜材料，将激光束引入真空室，并

7、聚焦至蒸发材料上。特别适于蒸发成分复杂的合金或化合物，如高温超导材料YBa2Cu3O7、铁电陶瓷、铁氧体等。因高能量激光束可短时间将物质局部加热至极高温度而蒸发。这样被蒸发物质仍能保持其原来的元素比例。也存在容易产生微小物质颗粒飞溅，影响薄膜均匀性问题。13二、物理气相沉积-溅射法利用电场中加速后的高能离子，轰击被溅射物质做成的靶电极，使靶表面原子被溅射出来。这些被溅射出来，并沿一定方向射向衬底，从而实现薄膜