薄膜制備方法

1、薄膜制備方法1. 物理氣相沉積法（PVD）：真空蒸鍍 、離子鍍、濺射鍍膜2. 化學氣相沉積法（CVD)：熱CVD、等離子CVD、有機金屬CVD、金屬CVD。1、 真空蒸鍍即真空蒸發(fā)鍍膜，是制備薄膜最一般的方法。這種方法是把裝有基片的真空室抽成真空，使氣體壓強達到10Pa以下，然后加熱鍍料，使其原子或者分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流，入射到溫度較低的基片表面，凝結形成固態(tài)薄膜。其設備主要由真空鍍膜室和真空抽氣系統(tǒng)兩大部分組成。保證真空環(huán)境的原因有防止在高溫下因空氣分子和蒸發(fā)源發(fā)生反應，生成化合物而使蒸發(fā)源劣化。防止因蒸發(fā)物質的分子在鍍膜室內與空氣分子碰撞而阻礙蒸發(fā)分子直接到達基片表面，以及在途中

2、生成化合物或由于蒸發(fā)分子間的相互碰撞而在到達基片前就凝聚等在基片上形成薄膜的過程中，防止空氣分子作為雜質混入膜內或者在薄膜中形成化合物。蒸發(fā)鍍根據(jù)蒸發(fā)源的類別有幾種:、電阻加熱蒸發(fā)源。通常適用于熔點低于1500的鍍料。對于蒸發(fā)源的要求為a、熔點高b、飽和蒸氣壓低 c、化學性質穩(wěn)定，在高溫下不與蒸發(fā)材料發(fā)生化學反應 d、具有良好的耐熱性，功率密度變化小。、電子束蒸發(fā)源。熱電子由燈絲發(fā)射后，被電場加速，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化，而實現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。特別適合制作高熔點薄膜材料和高純薄膜材料。優(yōu)點有a、電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠比電阻加熱源更大的能量密度，可以使高熔點

3、（可高達3000以上）的材料蒸發(fā)，并且有較高的蒸發(fā)速率。b、鍍料置于冷水銅坩堝內，避免容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與鍍料之間的反應，這對于提高鍍膜的純度極為重要。c、熱量可直接加到蒸發(fā)材料的表面，減少熱量損失。、高頻感應蒸發(fā)源。將裝有蒸發(fā)材料的坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場的感應下產生強大的渦流損失和磁滯損失（鐵磁體），從而將鍍料金屬加熱蒸發(fā)。常用于大量蒸發(fā)高純度金屬。分子束外延技術（molecular beam epitaxy,MBE)。外延是一種制備單晶薄膜的新技術，它是在適當?shù)囊r底與合適條件下，沿襯底材料晶軸方向逐層生長新單晶薄膜的方法。外延薄膜和襯底屬于同一物質的稱

4、“同質外延”，兩者不同的稱為“異質外延”。MBE是在Pa的超真空條件下，將薄膜諸組分元素的分子束流，在嚴格監(jiān)控之下，直接噴射到襯底表面。其中未被基片捕獲的分子，及時被真空系統(tǒng)抽走，保證到達襯底表面的總是新分子束。這樣，到達襯底的各元素分子不受環(huán)境氣氛的影響，僅由蒸發(fā)系統(tǒng)的幾何形狀和蒸發(fā)源溫度決定。2、 離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質離子轟擊作用的同時，把蒸發(fā)物或其反應物蒸鍍在基片上。常用的幾種離子鍍：（1） 直流放電離子鍍。蒸發(fā)源：采用電阻加熱或電子束加熱； 充入氣體： 充入Ar或充入少量反應氣體； 離化方式：被鍍基體為陰極，利用高電壓直流輝光

5、放電 離子加速方式：在數(shù)百伏至數(shù)千伏的電壓下加速，離化和離子加速一起進行。（2） 空心陰極放電離子鍍（HCD，hollow cathode discharge ）。等離子束作為蒸發(fā)源，可充入Ar、其他惰性氣體或反應氣體；利用低壓大電流的電子束碰撞離化， 0至數(shù)百伏的加速電壓。離化和離子加速獨立操作。（3） 射頻放電離子鍍。電阻加熱或電子束加熱，真空，Ar，其他惰性氣體或反應氣體； 利用射頻等離子體放電離化 ， 0至數(shù)千伏的加速電壓，離化和離子加速獨立操作。（4） 低壓等離子體離子鍍。電子束加熱，惰性氣體，反應氣體。 等離子體離化， DC或AC 50V離子鍍是一個十分復雜 過程，一般來說始終包括

6、鍍料金屬的蒸發(fā)，氣化，電離，離子加速，離子之間的反應，中和以及在基體上成膜等過程，其兼具真空蒸鍍和真空濺射的特點。3、 濺射鍍膜是在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術。用帶有幾十電子伏特以上動能的粒子或粒子束照射固體表面，靠近固體表面的原子會獲得入射粒子所帶能量的一部分進而向真空中逸出，這種現(xiàn)象稱為濺射。應用于現(xiàn)在工業(yè)生產的主要濺射鍍膜方式：（1）射頻濺射是利用射頻放電等離子體中的正離子轟擊靶材、濺射出靶材原子從而沉積在接地的基板表面的技術。由于交流電源的正負性發(fā)生周期交替，當濺射靶處于正半周時，電子流向靶面，中和其表面積累的正電荷，并且積累電子，使其表面呈現(xiàn)

7、負偏壓，導致在射頻電壓的負半周期時吸引正離子轟擊靶材，從而實現(xiàn)濺射。由于離子比電子質量大，遷移率小，不像電子那樣很快地向靶表面集中，所以靶表面的點位上升緩慢，由于在靶上會形成負偏壓，所以射頻濺射裝置也可以濺射導體靶。射頻濺射裝置的設計中，最重要的是靶和匹配回路。靶要水冷，同時要加高頻高壓。（2）磁控濺射（高速低溫濺射）。其沉積速率快、基片溫度低，對膜層的損傷小、操作壓力低。磁控濺射具備的兩個條件是：磁場和電場垂直；磁場方向與陰極（靶）表面平行，并組成環(huán)形磁場。電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產生出Ar 和新的電子；新電子飛向基片，Ar 在電場作用下加速飛向陰極靶

8、，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產生的二次電子會受到電場和磁場作用，產生E（電場）B（磁場）所指的方向漂移，簡稱EB漂移，其運動軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運動，它們的運動路徑不僅很長，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar 來轟擊靶材，從而實現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠離靶表面，并在電場E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。（3） 反應濺射。反應濺射是指在存在反應氣

9、體的情況下，濺射靶材時，靶材會與反應氣體反應形成化合物(如氮化物或氧化物)，在惰性氣體濺射化合物靶材時由于化學不穩(wěn)定性往往導致薄膜較靶材少一個或更多組分，此時如果加上反應氣體可以補償所缺少的組分，這種濺射也可以視為反應濺射。化學氣相沉積chemical vapor deposition（CVD)1、 熱CVD指把含有構成薄膜元素的氣態(tài)反應劑或液態(tài)反應劑的蒸氣及反應所需其它氣體引入反應室，在襯底表面發(fā)生化學反應生成薄膜的過程。 原理：利用揮發(fā)性的金屬鹵化物和金屬的有機化合物等，在高溫下發(fā)生氣相化學反應，包括熱分解、氫還原（可制備高純度金屬膜）、氧化和置換反應等，在基板上沉積所需要的氮化物、氧化物

10、、碳化物、硅化物、硼化物、高熔點金屬、金屬、半導體等薄膜。制備條件：1）在沉積溫度下，反應物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當?shù)乃俣缺灰敕磻遥?2）反應產物除了形成固態(tài)薄膜物質外，都必須是揮發(fā)性的； 3）沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓。2、 等離子體CVD（plasma chemical vapor deposition）是在高頻或直流電場作用下，將原料氣體電離形成等離子體，利用低溫等離子體作為能量源，通入適量的反應氣體，利用等離子體放電，使反應氣體激活并實現(xiàn)化學氣相沉積的技術。在保持一定壓力的原料氣體中，輸入直流、高頻或微波功率，產生氣體放電，形成等離子體。在氣體放電等離子體中，由于低速電子與氣體原子碰撞，故除產生正、負離子外，還會產生大量的活性基（激發(fā)原子、分子等），從而可大大增強反映氣體的活性。這樣就可以在較低的溫度下，發(fā)生反應，產生薄膜。 PCVD可以在更低的溫度下成膜。可減少熱損傷，減低膜層與襯底材料間的相互擴散及反應多用于太陽能電池及液晶顯示器等。3、 有機金屬CVD（MOCVD）是將反應氣體和氣化的有機物通過反應室，經(jīng)過熱分解沉積在加熱的襯底上形成薄膜。它是