薄膜制备技术PVD.ppt

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1、物理制备方法第十四章.薄膜制备技术14.1薄膜材料基础14.1.1薄膜的概念与分类1.薄膜材料的概念采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。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。2.薄膜分类（1）物态（2）结晶态：（3）化学角度（4）组成（5）物性厚度：决定薄膜性能、质量通常，膜厚<数十μm,一般在1μm以下。薄膜的一个重要参数薄膜材料与器件结合，成为电子、信息、传感器、光学、太阳能等技术的核心基础。3薄膜应用薄膜材料及相关薄膜

2、器件兴起于20世纪60年代。是新理论、高技术高度结晶的产物。主要的薄膜产品光学薄膜、集成电路、太阳能电池、液晶显示膜、光盘、磁盘、刀具硬化膜、建筑镀膜制品、塑料金属化制品。薄膜是现代信息技术的核心要素之一14.1.2薄膜的制备方法代表性的制备方法按物理、化学角度来分，有：物理成膜PVD化学成膜CVD利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应,薄膜生长过程基本是一个物理过程,以PVD为代表。14.2物理成膜1.定义14.2.1概述物理气相沉积(PVD)：PhysicalVaporDeposition在真空条件下，用物理的方法，将材料气化成原子、分子或使

3、其电离成离子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜。用途：通常用于沉积薄膜和涂层，沉积膜层的厚度可从nm级到mm级变化。真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延）溅射镀膜（包括RF，DC，磁控）离子成膜2.PVD成膜方法与工艺磁控溅射设备激光分子束外延设备真空蒸镀设备14.2.2真空蒸发镀膜真空室内加热的固体材料被蒸发气化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：蒸发或升华：通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。输运到衬底：气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运

4、到衬底。吸附、成核与生长：通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。1.工艺原理1、操作方便，沉积参数易于控制；2、制膜纯度高，可用于薄膜性质研究；3、可在电镜监测下镀膜，对薄膜生长过程和生长机理进行研究；4、膜沉积速率快，可以多块同时蒸镀；5、沉积温度较高，膜与基片的结合强度不高。真空蒸镀主要特点装置：真空系统、蒸发系统、基片撑架、挡板、监控系统2.工艺方法（1）对于单质材料，按常见加热方式有电阻加热、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，通过电流受热

5、后蒸发成膜。使用的材料有：Al、W、Mo、Nb、Ta及石墨等。2）电子束加热利用电子枪（热阴极）产生的电子束，轰击待蒸发的材料（阳极）使之受热蒸发，经电子加速极后沉积到衬底材料表面。3）高频感应加热高频线圈通以高频电流后，产生涡流电流，致内置材料升温，熔化成膜。4）电弧加热高真空下，被蒸发材料作阴极、内接铜杆作阳极，通电压，移动阳电极尖端与阴极接触，阴极局部熔化发射热电子，再分开电极，产生弧光放电，使阴极材料蒸发成膜。5）激光加热非接触加热。用激光作热源，使被蒸发材料气化成膜。常用CO2、Ar、YAG钕玻璃，红宝石等大功率激光器。（2）对于化合物和合成材料

6、，常用各种蒸发法和热壁法。1）闪蒸蒸发（瞬间蒸发）：呈细小颗粒或粉末的薄膜材料，以极小流量逐渐进入高温蒸发源，使每个颗粒在瞬间全蒸发，成膜，以保证膜的组分比例与合金相同。2）多源蒸发：组成合金薄膜的各元素，各自在单独的蒸发源中加热，蒸发，并按薄膜材料组分比例成膜。3）反应蒸发：真空室通入活性气体后，其原子、分子与来自蒸发源的原子，分子，在衬底表面反应生成所需化合物。一般用金属或低价化合物反应生成高价化合物。4）热壁法：利用加热的石英管（热壁），将蒸发源蒸发出的分子或原子，输向衬底成膜。是外延薄膜生长的发展。5）分子束外延(MBE)分子束外延是以蒸镀为基础发

7、展起来的技术。指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。MolecularBeamEpitaxy外延是指单晶衬底上形成单晶结构的薄膜，而且薄膜的晶体结构与取向和衬底的晶体结构和取向有关。外延方法很多，有气相外延法、液相外延法、真空蒸发外延法、溅射外延法等。.filmsubstrate同质外延（homoepitaxy）异质外延（HeteroepitaxialGrowth）压应力张应力(拉应力)原理：在超高真空条件下，将各组成元素的分子束流以一个个分子的形式喷射到衬底表面，在适当的温度下外延沉

8、积成膜。目前MBE的膜厚控制水平达到单原子层，可用于制备超晶格、量