薄膜材料制備方法

1、 真空及真空的常用單位 真空的分類 真空泵 真空的測量 真空是指低于一個(gè)大氣壓的氣體空間。常用“真空度”度量。真空度越高，壓強(qiáng)越小。 常用計(jì)量單位：Pa, Torr, mmHg, bar, atm.。關(guān)系如下： 1mmHg=133.322Pa, 1 Torr=atm/760=133.322Pa1mmHg 1 bar=105Pal粗真空：11051102Pa 目的獲得壓力差。電容器生產(chǎn)中的真空侵漬工藝l低真空：1102110-1Pa 真空熱處理。l高真空：110-1110-6Pa 真空蒸發(fā)。l超高真空：110-6Pa 得到純凈的氣體；獲得純凈的固體表面。真空的分類 典型的真空系統(tǒng)包括：-真空室(

2、待抽空的容器);-真空泵(獲得真空的設(shè)備);-真空計(jì)(測量真空的器具);-必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備。 獲得真空的設(shè)備。至今還沒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. 前級泵：能使壓力從1個(gè)大氣壓開始變小，進(jìn)行排氣的泵 次級泵：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)，為無油系統(tǒng)。 熱偶真空計(jì)熱偶真空計(jì)：利用低壓強(qiáng)下氣體的熱傳導(dǎo)：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。有熱阻真空計(jì)和熱偶真空計(jì)兩種。 電離

3、真空計(jì)電離真空計(jì)：目前測量高真空的主要設(shè)備：目前測量高真空的主要設(shè)備 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 物理氣相沉積PVD（Physics Vapor Deposition，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。物理方法(PVD)蒸發(fā)單源單層單源多層多源反應(yīng)濺射直流：二級、三級、四級射頻磁控離子束離子鍍 設(shè)備簡單、操作容易；設(shè)備簡單、操作容易； 薄膜純度高、質(zhì)量好，厚度可較準(zhǔn)確控制；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；成膜速率快、效率高； 生

4、長機(jī)理比較單純。生長機(jī)理比較單純。不容易獲得結(jié)晶結(jié)構(gòu)的薄膜；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??；形成的薄膜與基底之間的附著力較??；工藝重復(fù)性不夠好。工藝重復(fù)性不夠好。n為了蒸發(fā)低蒸汽壓的物質(zhì)，采用為了蒸發(fā)低蒸汽壓的物質(zhì)，采用電子束或激光電子束或激光加熱；加熱；n為了制造成分復(fù)雜或多層復(fù)合薄膜，發(fā)展了為了制造成分復(fù)雜或多層復(fù)合薄膜，發(fā)展了多多源共蒸發(fā)或順序蒸發(fā)源共蒸發(fā)或順序蒸發(fā)法；法；n為了制備化合物薄膜或抑制薄膜成分對原材料為了制備化合物薄膜或抑制薄膜成分對原材料的偏離，出現(xiàn)了的偏離，出現(xiàn)了發(fā)應(yīng)蒸發(fā)法發(fā)應(yīng)蒸發(fā)法等。等。 常用的蒸發(fā)源材料有：常用的蒸發(fā)源材料有：W W、M

5、oMo、TaTa等。由于等。由于AlAl、FeFe、NiNi、CoCo等易與等易與W W、MoMo、TaTa等形成低熔點(diǎn)合金，故改等形成低熔點(diǎn)合金，故改用氮化硼用氮化硼(50%BN+50%TiB2)(50%BN+50%TiB2)導(dǎo)電陶瓷坩堝、氧化鋯，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。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)電阻蒸發(fā)源可作成絲狀、箔狀、螺旋狀、錐形藍(lán)狀等。狀等。 電阻法電阻法不能滿足難熔金屬和氧化物不能滿足難熔金屬和氧化物材料，材料，特別是高純度薄膜的要求。特別是高純度薄膜的要求。 電子束電子束法中將

6、蒸發(fā)材料放入水冷銅坩堝中，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，可制直接利用電子束的高能量密度加熱，可制備備高熔點(diǎn)和高純高熔點(diǎn)和高純薄膜。根據(jù)電子束蒸發(fā)源薄膜。根據(jù)電子束蒸發(fā)源的型式不同，可分為環(huán)形槍、直槍、的型式不同，可分為環(huán)形槍、直槍、e e型槍型槍和空心陰級電子槍等。和空心陰級電子槍等。坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使蒸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(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大發(fā)材料在高頻電磁場的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失，導(dǎo)致蒸發(fā)材料的渦流損失和磁滯損失，導(dǎo)致蒸發(fā)材料升溫，直到氣化。升溫，直到氣化。特點(diǎn)是：特點(diǎn)是：蒸發(fā)速率大，蒸發(fā)速率大，溫度均勻

7、穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。溫度均勻穩(wěn)定，不易產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象。 是指荷能是指荷能粒子轟擊粒子轟擊固體表面固體表面（靶），（靶），使固體原使固體原子（或分子（或分子）從表子）從表面射出的面射出的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸任何物質(zhì)均可濺射，尤其是高熔點(diǎn)、低蒸氣壓元素和化合物。氣壓元素和化合物。濺射膜與基板之間的附著性好。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。濺射鍍膜密度高，針孔少，純度高。膜厚可控性和重復(fù)性好。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)氣體影響率低，基板溫升較高，易

8、受雜質(zhì)氣體影響等。等。w 整個(gè)濺射過程都是建立在整個(gè)濺射過程都是建立在輝光放電輝光放電的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上，即濺射離子都來源于氣體放電。上，即濺射離子都來源于氣體放電。w 根據(jù)產(chǎn)生根據(jù)產(chǎn)生輝光放電方式輝光放電方式的不同，可分為的不同，可分為直直流濺射、射頻濺射、磁控濺射流濺射、射頻濺射、磁控濺射等。等。 直流濺射：靶材為陰極，基片為陽極。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：無線電波13.56MHZ，交變電場。負(fù)半周時(shí)，靶材為陰極，基片為陽極，正離子轟擊靶材，濺射正常進(jìn)行。正半周，靶材為

9、陽極，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。 IP (Ion plating），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的加速，而在基片上沉積薄膜的技術(shù)。 電場作用下，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。具有蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜的特點(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)。膜層的附著力強(qiáng)。繞射性好，可鍍復(fù)雜表面。繞射性好，可鍍復(fù)雜表面。

10、沉積速率高、成膜速度快、可鍍厚膜。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?？慑儾牧蠌V泛，有利于化合物膜層的形成。 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 化學(xué)氣相沉積 CVD(Chemical Vapor Deposit）是一種化學(xué)氣相生長法，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)mm，甚至數(shù)，

11、甚至數(shù)百百mm。 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。 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 1）熱分解式高溫分解反應(yīng)）熱分解式高溫分解反應(yīng)SiH4(g)Si+4HClNi(CO)4(g)Ni(s)+4CO(g)CH3SiCl3(g)SiC(s)+3HCl(g) 2)2)還原反應(yīng)還原反應(yīng)SiCl4(g)+2H2(g)Si(s

12、)+4HCl(g)WF6(g)+3H2(g)W(s)+6HF(g) 3)3)氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)SiH4(g)+O2(g)SiO2+2H2(g) 4 4）水解反應(yīng)）水解反應(yīng)2AlCl3(g)+3CO2(g)+3H2(g)Al2O3(s)+6HCl(g)+3CO(g) 5)5)復(fù)合反應(yīng)復(fù)合反應(yīng)TiCl4(g)+CH4(g)TiC(s)+4HCl(g)AlCl3(g)+NH3(g)AlN(s)+3HCl(g) 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 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

13、法在基板表面沉積薄膜的一種技術(shù)，常稱為濕法鍍膜?；瘜W(xué)鍍?nèi)苣z凝膠法陽極氧化法LB法電鍍法 在催化條件下，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，也稱無電源電鍍。 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。 將易于水解的金屬化合物(無機(jī)鹽或醇鹽)在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過水解與縮聚過程而逐漸凝膠化，再經(jīng)過干燥、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。 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。