薄膜材料的制备方法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2,*,固体薄膜材料的制备,1,2,2,2,真空技术基础,真空及真空的常用单位,真空的分类,真空泵,真空的测量,2,3,真空及其单位,真空,是指低于一个大气压的气体空间。常用,“,真空度,”,度量。真空度越高，压强越小。,常用计量单位,：,Pa,Torr,mmHg,bar,atm.,。关系如下：,1mmHg=133.322Pa,1 Torr=atm/760=133.322Pa1mmHg,1 bar=10,5,Pa,2,4,粗真空,：,1,10,5,1,10,2,Pa,目的获得压力差。电容器生产中的真空侵渍工艺,低真空,：,1,10,2,1,10,-1,Pa,真空热处理。,高真空,：,1,10,-1,1,10,-6,Pa,真空蒸发。,超高真空,：,1,10,-6,Pa,得到纯净的气体；获得纯净的固体表面。,真空的分类,2,5,真空系统的组成,典型的,真空系统,包括：,-,真空室,(,待抽空的容器,);,-,真空泵,(,获得真空的设备,);,-,真空计,(,测量真空的器具,);,-,必要的管道、阀门和其他附属设备。,2,6,真空泵,获得真空的设备。至今还没有一种泵能直接从大气一直工作到超高真空,。因此，通常是将几种真空泵组合使用,.,前级泵,：能使压力从,1,个大气压开始变小，进行排气的泵,次级泵,：,只能从较低压力抽到更低压力的真空泵。,如机械泵,+,扩散泵系统，为有油系统；吸附泵,+,溅射离子泵,+,钛升华泵系统，为无油系统。,2,7,主要真空泵的排气原理与范围,2,8,真空的测量,热偶真空计,：利用低压强下气体的热传导与压强有关的原理制成的真空计。典型的有热阻真空计和热偶真空计两种。,电离真空计,：目前测量高真空的主要设备,2,9,主要内容,薄膜的制备方法,含,:,-,真空技术基础,;,-,PVD(,真空蒸发、溅射、离子镀膜,),-CVD,-,溶液镀膜法,典型的薄膜材料的制备,-,金刚石薄膜,-ZnO,薄膜,2,10,PVD,的含义,物理气相沉积,PVD,（,Physics Vapor Deposition,，主要是在真空环境下利用各种物理手段或方法沉积薄膜。,2,11,物理方法,(PVD),蒸发,单源单层,单源多层,多源反应,溅射,直流：二级、三级、四级,射频,磁控,离子束,离子镀,PVD,的分类,2,12,真空蒸镀的原理,2,13,真空蒸发的优点,设备简单、操作容易；,薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；,成膜速率快、效率高；,生长机理比较单纯。,2,14,真空蒸发的缺点,不容易获得结晶结构的薄膜；,形成的薄膜与基底之间的附着力较小；,工艺重复性不够好。,2,15,真空蒸发的分类,根据蒸发源,(,热量提供方式,),的不同，分为,电阻法、电子束法、高频法,等。,为了蒸发低蒸汽压的物质，采用,电子束或激光,加热；,为了制造成分复杂或多层复合薄膜，发展了,多源共蒸发或顺序蒸发,法；,为了制备化合物薄膜或抑制薄膜成分对原材料的偏离，出现了,发应蒸发法,等。,2,16,蒸发源,蒸发源是蒸发装置的关键，基本要求是熔点要高、饱和蒸气压低、化学性质稳定、良好的耐热性、原料丰富，经济耐用。,常用的蒸发源材料有：,W,、,Mo,、,Ta,等。由于,Al,、,Fe,、,Ni,、,Co,等易与,W,、,Mo,、,Ta,等形成低熔点合金，故改用氮化硼,(50%BN+50%TiB2),导电陶瓷坩埚、氧化锆，氧化钍、氧化铍、氧化镁、氧化铝、石墨坩埚等。,电阻蒸发源可作成丝状、箔状、螺旋状、锥形蓝状等。,2,17,电子束法,电阻法,不能满足难熔金属和氧化物,材料，特别是高纯度薄膜的要求。,电子束,法中将蒸发材料放入水冷铜坩埚中，直接利用电子束的高能量密度加热，可制备,高熔点和高纯,薄膜。根据电子束蒸发源的型式不同，可分为环形枪、直枪、,e,型枪和空心阴级电子枪等。,2,18,直枪电子束法的原理,2,19,高频法,坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸发材料在高频电磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失，导致蒸发材料升温，直到气化。,特点是：,蒸发速率大，,温度均匀稳定，不易产生飞溅现象。,2,20,高频感应加热源的原理,2,21,溅射镀膜,是指荷能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。,2,22,溅射镀膜特点,任何物质均可溅射，尤其是高熔点、低蒸气压元素和化合物。,溅射膜与基板之间的附着性好。,溅射镀膜密度高，针孔少，纯度高。,膜厚可控性和重复性好。,缺点：设备复杂，需要高压装置，沉积速率低，基板温升较高，易受杂质气体影响等。,2,23,溅射镀膜分类,整个溅射过程都是建立在,辉光放电,的基础上，即溅射离子都来源于气体放电。,根据产生,辉光放电方式,的不同，可分为,直流溅射、射频溅射、磁控溅射,等。,2,24,直流溅射的原理,2,25,射频溅射,2,26,射频溅射的原理,直流溅射,：靶材为阴极，基片为阳极。当靶为绝缘体时，正离子使靶带电，使靶的电位逐渐上升，到一定程度后，离子加速电场下降，使辉光放电停止。因此，靶材只能为导体材料，不能为绝缘体。,射频溅射,：无线电波,13.56MHZ,，交变电场。负半周时，靶材为阴极，基片为阳极，正离子轰击靶材，溅射正常进行。正半周，靶材为阳极，基片为阴极，电子质量比离子小，迁移率高，很快飞向靶面，中和正电荷，且可能迅速积累大量电子，使靶表面空间电荷呈现负电性，即正半周也可实现离子轰击。射频能溅射绝缘靶。,2,27,磁控溅射原理示意图,2,28,离子镀,IP(Ion plating,），同时结合蒸发和溅射的特点，让靶材原子蒸发电离后与气体离子一起受电场的加速，而在基片上沉积薄膜的技术,。,电场作用下，被电离的靶材原子与气体离子一起轰击镀层表面，即沉积与溅射同时进行作用于膜层，只有沉积,溅射时才成膜。,离子轰击的目的在于改善膜层的性能，附着性提高。,2,29,离子镀示意图,2,30,离子镀的特点,具有蒸发镀膜和溅射镀膜的特点,膜层的附着力强。,绕射性好，可镀复杂表面。,沉积速率高、成膜速度快、可镀厚膜。,可镀材料广泛，有利于化合物膜层的形成。,2,31,2,32,2,33,主要内容,薄膜的制备方法,含,:,-,真空技术基础,;,-PVD(,真空蒸发、溅射、离子镀膜,),-,CVD,-,溶液镀膜法,典型的薄膜材料的制备,-,金刚石薄膜,-ZnO,薄膜,2,34,CVD,的含义,化学气相沉积,CVD(Chemical Vapor Deposit,）是一种化学气相生长法，把一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，在基片表面发生,气相化学反应,生成薄膜。,优点：可以任意控制薄膜的组成，从而制得许多新的膜材。,成膜速度快，每分钟可达几个,m,，甚至数百,m,。,2,35,CVD,分类,按沉积温度：,-,低温,200-500,-,中温,500-1000,-,高温,1000-1300,按,反应室内的压力：常压，低压。,按,反应器壁,:,热壁，冷壁。,按,反应激活方式,:,热,CVD,、,P,lasmaCVD,、激光,CVD,、超声,CVD,等,。,2,36,几种新的,CVD,方法,金属有机化合物,CVD(MOCVD):,用低温下能分解的,MO,作反应气。缺点：沉积速率低，缺陷多，杂质多。,激光,CVD,电子回旋共振等离子体沉积,2,37,CVD,中的化学反应,1,）热分解式高温分解反应,SiH,4,(g),Si+4HC,l,Ni(CO),4(g),Ni(s)+4CO(g),CH,3,SiCl,3,(g),SiC(s)+3HCl(g),2),还原反应,SiCl,4,(g)+2H,2,(g),Si(s)+4HCl(g),WF,6,(g)+3H,2,(g),W(s)+6HF(g),3),氧化反应,SiH,4,(g)+O,2,(g),SiO,2,+2H,2,(g),4,）水解反应,2AlCl,3,(g)+3CO,2,(g)+3H,2,(g),Al,2,O,3,(s)+6HCl(g)+3CO(g),5),复合反应,TiCl,4,(g)+CH,4,(g),TiC(s)+4HCl(g),AlCl,3,(g)+NH,3,(g),AlN(s)+3HCl(g),2,38,主要内容,薄膜的制备方法,含,:,-,真空技术基础,;,-PVD(,真空蒸发、溅射、离子镀膜,),-CVD,-,溶液镀膜法,典型的薄膜材料的制备,-,金刚石薄膜,-ZnO,薄膜,2,39,溶液镀膜法,是在,溶液,中利用,化学反应或电化学反应,等化学方法在基板表面沉积薄膜的一种技术，常称为,湿法镀膜。,化学镀,溶胶,凝胶法,阳极氧化法,LB,法,电镀法,2,40,化学镀,在催化条件下，使溶液中金属离子还原成原子状态并沉积在基板表面上，从而获得镀膜的一种方法，也称,无电源,电镀。,典型的化学镀镍利用镍盐,(NiSO,4,或,NiCl,2,),和钴盐,(CoSO,4,),溶液,在强还原剂次磷酸盐,(,次磷酸钠、次磷酸钾等,),的作用下，使镍和钴离子还原成镍和钴金属。,2,41,溶胶,凝胶法,(sol-gel),将易于水解的金属化合物,(,无机盐或醇盐,),在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化，再经过干燥、烧结处理，获得所需薄膜。,水解反应生成,溶胶,(,水解反应,),；,聚合生成,凝胶,(,缩聚反应,),。,目前已用于制备,TiO,2,、,Al2O,3,、,SiO,2,、,BaTiO,3,、,PbTiO,3,、,PZT,、,PLZT,和,LiNbO,3,等。,2,42,溶胶,凝胶法特点,组分均匀混合、成分易控制、成膜均匀、能制备较大面积的膜，成本低，周期短、易于工业化生产等。,缺点：原材料价格昂贵、干燥、烧结时收缩大。,2,43,阳极氧化法,金属或合金在适当的电解液中作阳极并加上一定直流电压时，由于化学反应会在阳极金属表面上形成氧化物薄膜，称为阳极氧化。,2,44,LB,法,郎缪尔,-,布罗格特,(Langmuir-Blodett)30,年代提出的。可形成定向排列的有机单分子层或多分子层。,以同时具有亲水基团和疏水基团的有机分子为原料，利用分子亲水端与亲水端相吸，疏水端与疏水端相吸，使有机分子逐次转移到固体基板上，形成单层或多层薄膜。,