薄膜材料的制備課件

固體薄膜材料的制備方亮2004年4月20日2023/1/172主要內(nèi)容薄膜的制備方法,含:---真空技術(shù)基礎(chǔ)

---PVD(真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍膜)---CVD---溶液鍍膜法典型的薄膜材料的制備

---金剛石薄膜

---ZnO薄膜2023/1/173真空技術(shù)基礎(chǔ)真空及真空的常用單位真空的分類(lèi)真空泵真空的測(cè)量2023/1/175粗真空：1×105～1×102Pa目的獲得壓力差。電容器生產(chǎn)中的真空侵漬工藝低真空：1×102～1×10-1Pa真空熱處理。高真空：1×10-1～1×10-6Pa真空蒸發(fā)。超高真空：<1×10-6Pa得到純凈的氣體；獲得純凈的固體表面。真空的分類(lèi)

2023/1/176真空系統(tǒng)的組成典型的真空系統(tǒng)包括：---真空室(待抽空的容器);---真空泵(獲得真空的設(shè)備);---真空計(jì)(測(cè)量真空的器具);---必要的管道、閥門(mén)和其他附屬設(shè)備。2023/1/177真空泵獲得真空的設(shè)備。至今還沒(méi)有一種泵能直接從大氣一直工作到超高真空。因此，通常是將幾種真空泵組合使用.前級(jí)泵：能使壓力從1個(gè)大氣壓開(kāi)始變小，進(jìn)行排氣的泵次級(jí)泵：只能從較低壓力抽到更低壓力的真空泵。如機(jī)械泵+擴(kuò)散泵系統(tǒng)，為有油系統(tǒng)；吸附泵+濺射離子泵+鈦升華泵系統(tǒng)，為無(wú)油系統(tǒng)。2023/1/179真空的測(cè)量熱偶真空計(jì)：利用低壓強(qiáng)下氣體的熱傳導(dǎo)與壓強(qiáng)有關(guān)的原理制成的真空計(jì)。典型的有熱阻真空計(jì)和熱偶真空計(jì)兩種。電離真空計(jì)：目前測(cè)量高真空的主要設(shè)備2023/1/1710主要內(nèi)容薄膜的制備方法,含:---真空技術(shù)基礎(chǔ);---PVD(真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍膜)---CVD---溶液鍍膜法典型的薄膜材料的制備

---金剛石薄膜

---ZnO薄膜2023/1/1711PVD的含義物理氣相沉積PVD（PhysicsVaporDeposition，主要是在真空環(huán)境下利用各種物理手段或方法沉積薄膜。2023/1/1713真空蒸鍍的原理2023/1/1714真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易；薄膜純度高、質(zhì)量好，厚度可較準(zhǔn)確控制；成膜速率快、效率高；生長(zhǎng)機(jī)理比較單純。2023/1/1715真空蒸發(fā)的缺點(diǎn)不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜；形成的薄膜與基底之間的附著力較小；工藝重復(fù)性不夠好。2023/1/1717蒸發(fā)源

蒸發(fā)源是蒸發(fā)裝置的關(guān)鍵，基本要求是熔點(diǎn)要高、飽和蒸氣壓低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、良好的耐熱性、原料豐富，經(jīng)濟(jì)耐用。

常用的蒸發(fā)源材料有：W、Mo、Ta等。由于Al、Fe、Ni、Co等易與W、Mo、Ta等形成低熔點(diǎn)合金，故改用氮化硼(50%BN+50%TiB2)導(dǎo)電陶瓷坩堝、氧化鋯，氧化釷、氧化鈹、氧化鎂、氧化鋁、石墨坩堝等。電阻蒸發(fā)源可作成絲狀、箔狀、螺旋狀、錐形藍(lán)狀等。2023/1/1718電子束法電阻法不能滿足難熔金屬和氧化物材料，特別是高純度薄膜的要求。電子束法中將蒸發(fā)材料放入水冷銅坩堝中，直接利用電子束的高能量密度加熱，可制備高熔點(diǎn)和高純薄膜。根據(jù)電子束蒸發(fā)源的型式不同，可分為環(huán)形槍、直槍、e型槍和空心陰級(jí)電子槍等。2023/1/1719直槍電子束法的原理2023/1/1721高頻感應(yīng)加熱源的原理2023/1/1722濺射鍍膜是指荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現(xiàn)象。2023/1/1723濺射鍍膜特點(diǎn)任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物。濺射膜與基板之間的附著性好。濺射鍍膜密度高，針孔少，純度高。膜厚可控性和重復(fù)性好。缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，需要高壓裝置，沉積速率低，基板溫升較高，易受雜質(zhì)氣體影響等。2023/1/1725直流濺射的原理2023/1/1726射頻濺射2023/1/1727射頻濺射的原理直流濺射：靶材為陰極，基片為陽(yáng)極。當(dāng)靶為絕緣體時(shí)，正離子使靶帶電，使靶的電位逐漸上升，到一定程度后，離子加速電場(chǎng)下降，使輝光放電停止。因此，靶材只能為導(dǎo)體材料，不能為絕緣體。射頻濺射：無(wú)線電波13.56MHZ，交變電場(chǎng)。負(fù)半周時(shí)，靶材為陰極，基片為陽(yáng)極，正離子轟擊靶材，濺射正常進(jìn)行。正半周，靶材為陽(yáng)極，基片為陰極，電子質(zhì)量比離子小，遷移率高，很快飛向靶面，中和正電荷，且可能迅速積累大量電子，使靶表面空間電荷呈現(xiàn)負(fù)電性，即正半周也可實(shí)現(xiàn)離子轟擊。射頻能濺射絕緣靶。2023/1/1729離子鍍IP(Ionplating），同時(shí)結(jié)合蒸發(fā)和濺射的特點(diǎn)，讓靶材原子蒸發(fā)電離后與氣體離子一起受電場(chǎng)的加速，而在基片上沉積薄膜的技術(shù)。電場(chǎng)作用下，被電離的靶材原子與氣體離子一起轟擊鍍層表面，即沉積與濺射同時(shí)進(jìn)行作用于膜層，只有沉積?濺射時(shí)才成膜。離子轟擊的目的在于改善膜層的性能，附著性提高。2023/1/1730離子鍍示意圖2023/1/1731離子鍍的特點(diǎn)具有蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜的特點(diǎn)膜層的附著力強(qiáng)。繞射性好，可鍍復(fù)雜表面。沉積速率高、成膜速度快、可鍍厚膜?？慑儾牧蠌V泛，有利于化合物膜層的形成。2023/1/17322023/1/17332023/1/1734主要內(nèi)容薄膜的制備方法,含:---真空技術(shù)基礎(chǔ);---PVD(真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍膜)---CVD---溶液鍍膜法典型的薄膜材料的制備

---金剛石薄膜

---ZnO薄膜2023/1/1735CVD的含義化學(xué)氣相沉積CVD(ChemicalVaporDeposit）是一種化學(xué)氣相生長(zhǎng)法，把一種或幾種化合物的單質(zhì)氣體供給基片，利用加熱、等離子體、紫外光乃至激光等能源，在基片表面發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)生成薄膜。優(yōu)點(diǎn)：可以任意控制薄膜的組成，從而制得許多新的膜材。成膜速度快，每分鐘可達(dá)幾個(gè)μm，甚至數(shù)百μm。2023/1/1736CVD分類(lèi)按沉積溫度：---低溫200---500℃---中溫500----1000℃---高溫1000---1300℃按反應(yīng)室內(nèi)的壓力：常壓，低壓。按反應(yīng)器壁:熱壁，冷壁。

按反應(yīng)激活方式:熱CVD、PlasmaCVD、激光CVD、超聲CVD等。2023/1/1737幾種新的CVD方法金屬有機(jī)化合物CVD(MOCVD):用低溫下能分解的MO作反應(yīng)氣。缺點(diǎn)：沉積速率低，缺陷多，雜質(zhì)多。激光CVD電子回旋共振等離子體沉積2023/1/1738CVD中的化學(xué)反應(yīng)1）熱分解式高溫分解反應(yīng)

SiH4(g)→Si+4HCl Ni(CO)4(g)→Ni(s)+4CO(g) CH3SiCl3(g)→SiC(s)+3HCl(g)2)還原反應(yīng)

SiCl4(g)+2H2(g)→Si(s)+4HCl(g) WF6(g)+3H2(g)→W(s)+6HF(g)3)氧化反應(yīng)

SiH4(g)+O2(g)→SiO2+2H2(g)4）水解反應(yīng)

2AlCl3(g)+3CO2(g)+3H2(g)→Al2O3(s)+6HCl(g)+3CO(g)5)復(fù)合反應(yīng)

TiCl4(g)+CH4(g)→TiC(s)+4HCl(g) AlCl3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3HCl(g)2023/1/1739主要內(nèi)容薄膜的制備方法,含:---真空技術(shù)基礎(chǔ);---PVD(真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍膜)---CVD---溶液鍍膜法典型的薄膜材料的制備

---金剛石薄膜

---ZnO薄膜2023/1/1740溶液鍍膜法是在溶液中利用化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)等化學(xué)方法在基板表面沉積薄膜的一種技術(shù)，常稱(chēng)為濕法鍍膜?；瘜W(xué)鍍?nèi)苣z—凝膠法陽(yáng)極氧化法LB法電鍍法2023/1/1741化學(xué)鍍?cè)诖呋瘲l件下，使溶液中金屬離子還原成原子狀態(tài)并沉積在基板表面上，從而獲得鍍膜的一種方法，也稱(chēng)無(wú)電源電鍍。典型的化學(xué)鍍鎳?yán)面圎}(NiSO4或NiCl2)和鈷鹽(CoSO4)溶液,在強(qiáng)還原劑次磷酸鹽(次磷酸鈉、次磷酸鉀等)的作用下，使鎳和鈷離子還原成鎳和鈷金屬。2023/1/1742溶膠—凝膠法(sol-gel)將易于水解的金屬化合物(無(wú)機(jī)鹽或醇鹽)在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過(guò)水解與縮聚過(guò)程而逐漸凝膠化，再經(jīng)過(guò)干燥、燒結(jié)處理，獲得所需薄膜。水解反應(yīng)生成溶膠(水解反應(yīng))；聚合生成凝膠(縮聚反應(yīng))。目前已用于制備TiO2、Al2O3、SiO2、BaTiO3、PbTiO3、PZT、PLZT和LiNbO3等。2023/1/1743溶膠—凝膠法特點(diǎn)組分均勻混合、成分易控制、成膜均勻、能制備較大面積的膜，成本低，周期短、易于工業(yè)化生產(chǎn)等。缺點(diǎn)：原材料價(jià)格昂貴、干燥、燒結(jié)時(shí)收縮大。2023/1/1744