納米薄膜材料課件-002

第三章

納米薄膜材料

一、薄膜簡(jiǎn)介

二、

納米薄膜材料的功能特性

三、

納米薄膜材料制備技術(shù)

第三章納米薄膜材料1一、薄膜簡(jiǎn)介

1、發(fā)展歷史歷史：薄膜的制備與應(yīng)用可追溯到一千多年以前，但真正作為—門新型的薄膜科學(xué)與技術(shù)，是近30年來的事。發(fā)展概況：近20年來，薄膜科學(xué)發(fā)展迅速，在制備技術(shù)、分析方法、結(jié)構(gòu)觀察和形成機(jī)理等方面的研究都取得了很大進(jìn)展。其中無機(jī)薄膜的開發(fā)和應(yīng)用更是日新月異，十分引人注目。目前的地位：（1）薄膜材料已是材料學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。它已涉及物理、化學(xué)、電子學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科，有著十分廣泛的應(yīng)用，尤其是在國(guó)防、通訊、航空、航天、電子工業(yè)、光學(xué)工業(yè)等方面有著特殊的應(yīng)用，它已成為材料學(xué)中最為活躍的領(lǐng)域之一，并逐步形成為一門獨(dú)立的學(xué)科“薄膜學(xué)”。

一、薄膜簡(jiǎn)介1、發(fā)展歷史2（2）薄膜技術(shù)目前還是一門發(fā)展中的邊緣學(xué)科，其中不少問題還正在探討之中。

薄膜的性能多種多樣:有電性能、力學(xué)性能、光學(xué)性能、磁學(xué)性能、催化性能、超導(dǎo)性能等。因此，薄膜在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，并在現(xiàn)代電子工業(yè)領(lǐng)域中占有極其重要的地位，是世界各國(guó)在這一領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的主要內(nèi)容，也從一個(gè)側(cè)面代表了一個(gè)國(guó)家的科技水平。（2）薄膜技術(shù)目前還是一門發(fā)展中的邊緣學(xué)科，其中不少問題還正32、薄膜的定義“薄膜”(thinfilm)是一種物質(zhì)形態(tài)，是一種二維材料，其膜材十分廣泛，單質(zhì)元素、化合物或復(fù)合物，無機(jī)材料或有機(jī)材料均可制作薄膜。結(jié)構(gòu)：與塊狀物質(zhì)一樣，可以是非晶、多晶、單晶、納米晶、多層膜、超晶格等。薄膜厚度的標(biāo)準(zhǔn)：膜層無基片而能獨(dú)立成形的厚度作為薄膜厚度的一個(gè)大致的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其厚度約在1μm左右，已有厚度僅有10-3～10-1μm超薄膜制品。

2、薄膜的定義43、分類分類標(biāo)準(zhǔn)：薄膜的功能及其應(yīng)用領(lǐng)域(1)電學(xué)薄膜①半導(dǎo)體器件與集成電路中使用的導(dǎo)電材料與介質(zhì)薄膜材料。A1、Cr、Au、多晶硅、硅化物等的薄膜。②超導(dǎo)薄膜。特別是近年來國(guó)內(nèi)外普遍重視的高溫超導(dǎo)薄膜．例：YBaCuO系稀土元素氧化物超導(dǎo)薄膜以及BiSrCaCuO系超導(dǎo)薄膜。③光電子器件中使用的功能薄膜。

特別是近年來開發(fā)研究成功的GaAs/GaAlAs等薄膜。

3、分類分類標(biāo)準(zhǔn)：薄膜的功能及其應(yīng)用領(lǐng)域5④薄膜敏感元件與固態(tài)傳感器。

例：SnO2薄膜可燃性氣體傳感器⑤薄膜電阻、薄膜電容、薄膜阻容網(wǎng)絡(luò)與混合集成電路。

例：用Ni-Cr系列低電阻率和Cr—SiO系列高電阻率的金屬膜電阻；⑥薄膜太陽能電池。

特別是非晶硅等⑦平板顯示器件。

液晶顯示、等離子體顯示和電致發(fā)光顯示三大類平板顯示器件所用的透明導(dǎo)電電極(氧化銦錫薄膜)。特別是薄膜電致發(fā)光屏是一種多層功能薄膜〔包括氧化銦錫透明導(dǎo)電膜〕。

④薄膜敏感元件與固態(tài)傳感器。6⑧用ZnO、Ta2O5、AlN等薄膜制成的表面波濾波器。⑨磁記錄薄膜與薄膜磁頭。

例：用于高質(zhì)量錄音和錄像的磁性材料薄膜錄音帶與錄像帶；用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的CoCrTa、CoCrNi等的薄膜軟盤和硬盤；用于垂直磁記錄中FeSiAl薄膜磁頭等。⑩靜電復(fù)印鼓用的Se-Te、SeTeAs合金膜及非晶硅薄膜。

⑧用ZnO、Ta2O5、AlN等薄膜制成的表面波濾波器。7(2)光學(xué)薄膜①減反射膜。例如：照相機(jī)、幻燈機(jī)、投影儀、電影放映機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)鏡以及各種光學(xué)儀器透鏡和棱鏡上所鍍的單層MgF2薄膜和雙層或多層(SiO2、ZrO2、A12O3、TiO2等)薄膜組成的寬帶減反射膜；夜視儀和紅外設(shè)備的鏡頭上所用的ZnS、CeO2等紅外減反射膜。②反射膜。例如：用于民用鏡和太陽灶中拋物面太陽能接收器的鍍鋁膜；用于大型天文儀器和精密光學(xué)儀器中的鍍膜反射鏡；用于各類激光器的高反射率膜(反射率可達(dá)99％以上)等等。③分光鏡和濾光片。例如：彩色擴(kuò)印與放大設(shè)備中所用紅、綠、藍(lán)三原色濾光片上鍍的多層膜。

(2)光學(xué)薄膜①減反射膜。例如：照相機(jī)、幻燈機(jī)、投影儀、電影8④照明光源中所用的反熱鏡與冷光鏡薄膜。⑤建筑物、汽車等交通工具所用的鍍膜玻璃。

包括用于熱帶地區(qū)的太陽能控制膜(Cr、Ti、不銹鋼、Ag等)和用于寒帶地區(qū)的低輻射率薄膜(TiO2-Ag-TiO2)。⑥激光唱片與光盤中的光存儲(chǔ)薄膜。⑦集成光學(xué)元件與光波導(dǎo)中所用的介質(zhì)薄膜與半導(dǎo)體薄膜。

④照明光源中所用的反熱鏡與冷光鏡薄膜。9（3）硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜①硬質(zhì)膜

用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、以及金剛石薄膜、②耐蝕膜

用于化工容器表面耐化學(xué)腐蝕的非晶鎳膜和非晶與微晶不銹鋼膜；用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面抗熱腐蝕的NiCrAlY膜等。③潤(rùn)滑膜

用于真空、高溫、低溫、輻射等特殊場(chǎng)合的MoS2、MoS2—Au等固體潤(rùn)滑膜和Au、Ag、Pb等金屬膜。

（3）硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜10(4)有機(jī)分子薄膜

定義：有機(jī)分子薄膜也稱LB(Langmuir-Blodgett)膜，它是有機(jī)物，如羧酸及其鹽、脂肪酸烷族和染料、蛋白質(zhì)等構(gòu)成的分子薄膜。

厚度：可以是一個(gè)分子層的單分子膜也可以是多分子層疊加的多層分子膜。多層分子膜可以是同一材料組成的，也可以是多種材料的調(diào)制分子膜，或稱超分子結(jié)構(gòu)薄膜。

(4)有機(jī)分子薄膜11(5)裝飾膜廣泛用于燈具、玩具及汽車等交通運(yùn)輸工具、家用電氣用具、鐘表、藝美術(shù)品、“金”線、“銀”線、日用小商品等的鋁膜、黃銅膜、不銹鋼膜等。(6)包裝膜用于香煙包裝的鍍錫紙；用于食品、糖果、茶葉、咖啡、藥品、化妝品等包裝的鍍鋁滌綸薄膜；用于取代電鍍或熱涂Sn鋼帶的真空鍍鋁鋼帶

(5)裝飾膜124、薄膜材料科學(xué)與技術(shù)的研究?jī)?nèi)容①薄膜的制備工藝。如何使某一物質(zhì)(可以是塊狀、液態(tài)等物質(zhì))成為薄膜形狀；②性能：研究該薄膜具有哪些新的特性(包括光、熱、電、磁、力等方面)，研究這些特性的物理本質(zhì)；③應(yīng)用：如何把這些薄膜材料應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是高技術(shù)領(lǐng)域。

4、薄膜材料科學(xué)與技術(shù)的研究?jī)?nèi)容13二、納米薄膜材料的功能特性1、薄膜的光學(xué)特性

（1）藍(lán)移和寬化納米顆粒膜，特別是Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體CdSXSe1-x，以及Ⅲ～V族半導(dǎo)體GaS的顆粒膜，都觀察到光吸收帶邊的藍(lán)移和帶的寬化現(xiàn)象。原因：由于量子尺寸效應(yīng)，納米顆粒膜能隙加寬，導(dǎo)致吸收帶邊藍(lán)移。顆粒尺寸有一個(gè)分布，能隙寬度有一個(gè)分布，這是引起吸收帶和發(fā)射帶以及透射帶寬化的主要原因。

二、納米薄膜材料的功能特性1、薄膜的光學(xué)特性14（2）光的線性與非線性光學(xué)線性效應(yīng)：是指介質(zhì)在光波場(chǎng)(紅外、可見、紫外以及X射線)作用下，當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，介質(zhì)的電極化強(qiáng)度與光波電場(chǎng)的一次方成正比的現(xiàn)象。例：光的反射、折射、雙折射等都屬于線性光學(xué)范疇。納米薄膜最重要的性質(zhì)：激子躍遷引起的光學(xué)線性與非線性。一般來說，多層膜的每層膜的厚度與激子玻爾半徑αB相比擬或小于激子玻爾半徑時(shí)，在光的照射下吸收譜上會(huì)出現(xiàn)激子吸收峰。這種現(xiàn)象也屬于光學(xué)線性效應(yīng)。例：半導(dǎo)體InGaAs和InAlAs構(gòu)成多層膜，通過控制InGaAs膜的厚度，可以很容易觀察到激子吸收峰。

（2）光的線性與非線性光學(xué)線性效應(yīng)：是指介質(zhì)在光波場(chǎng)(紅外、15光學(xué)非線性：是在強(qiáng)光場(chǎng)的作用下介質(zhì)的極化強(qiáng)度中就會(huì)出現(xiàn)與外加電磁場(chǎng)的二次、三次以至高次方成比例的項(xiàng)，這就導(dǎo)致了光學(xué)非線性的出現(xiàn)。一般來說，光學(xué)非線性可以用非線性系數(shù)來表征。對(duì)于三階非線性系數(shù)可以通過計(jì)算。(3.1)式中，s表示樣品；r表示參比物質(zhì)；C(3)為四波混頻信號(hào)強(qiáng)度與泵浦光強(qiáng)I之比；n為折射指數(shù)；a為吸收系數(shù)；L為有效樣品長(zhǎng)度。光學(xué)非線性：是在強(qiáng)光場(chǎng)的作用下介質(zhì)的極化強(qiáng)度中就會(huì)出現(xiàn)與外加16對(duì)于光學(xué)晶體：對(duì)稱性的破壞，介電的各向異性都會(huì)引起光學(xué)非線性。對(duì)于納米材料：小尺寸效應(yīng)、宏觀量子尺寸效應(yīng)，量子限域和激子是引起光學(xué)非線性的主要原因。光學(xué)非線性效應(yīng)發(fā)生的條件：（1）當(dāng)激發(fā)光能量大于激子共振吸收能量時(shí)，能隙中靠近導(dǎo)帶的激子能級(jí)很可能被激子所占據(jù)，處于高激發(fā)態(tài)。這些激子十分不穩(wěn)定，在落入低能態(tài)的過程中，由于聲子與激子的交互作用，損失一部分能量。（2）納米微粒中的激子濃度一般比常規(guī)材料大，尺寸限域和量子限域顯著，因而納米材料很容易產(chǎn)生光學(xué)非線性效應(yīng)。

對(duì)于光學(xué)晶體：對(duì)稱性的破壞，介電的各向異性都會(huì)引起光學(xué)非線性172、電學(xué)特性研究目的：搞清導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變，以及絕緣體轉(zhuǎn)變的尺寸限域效應(yīng)。常規(guī)導(dǎo)體：當(dāng)尺寸減小到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，其電學(xué)行為發(fā)生很大的變化。有人在Au/Al2O3的顆粒膜上觀察到電阻反?，F(xiàn)象，隨著Au含量的增加(增加納米Au顆粒的數(shù)量)，電阻不但不減小，反而急劇增加，如圖3.2所示。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴我們，尺寸的因素在導(dǎo)體和絕緣體的轉(zhuǎn)變中起著重要的作用。2、電學(xué)特性研究目的：搞清導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變，以及絕緣體轉(zhuǎn)變18納米薄膜材料課件_00219一般規(guī)律：當(dāng)金屬顆粒的尺寸大于臨界尺寸時(shí)，將遵守常規(guī)電阻與溫度的關(guān)系；當(dāng)金屬的粒徑小于臨界尺寸時(shí)，它就可能失掉金屬的特性。例：Fauchet等人用PECVD法制備了納米晶Si膜，并對(duì)其電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果觀察到納米晶Si膜的電導(dǎo)大大增加，比常規(guī)非晶Si膜提高了9個(gè)數(shù)量級(jí)，納米晶Si膜的電導(dǎo)率為10-2S·cm-1，而常規(guī)非晶膜的電導(dǎo)率為10-11S·cm-1。

一般規(guī)律：當(dāng)金屬顆粒的尺寸大于臨界尺寸時(shí)，將遵守常規(guī)電阻與溫203、磁阻效應(yīng)（1）定義：材料的電阻值隨磁化狀態(tài)變化的現(xiàn)象稱為磁(電)阻效應(yīng)。對(duì)非磁性金屬，其值甚小，在鐵磁金屬與合金中發(fā)現(xiàn)有較大的數(shù)值。（2）表達(dá)方式：習(xí)慣上以△ρ/ρ0表示，△ρ=ρH-ρ0，ρ0和ρH分別代表磁中性狀態(tài)和磁化狀態(tài)下的電阻率。（3）巨磁阻效應(yīng)：比FeNi合金的△ρ/ρ0大得多的磁阻效應(yīng)。具有巨磁阻效應(yīng)的材料正是納米多層膜。理論解釋：通常認(rèn)為顆粒膜的巨磁阻效應(yīng)與自旋相關(guān)的散射有關(guān)，并以界面散射效應(yīng)為主。（4）應(yīng)用：利用巨磁阻效應(yīng)制成的讀出磁頭可顯著提高磁盤的存儲(chǔ)密度，利用巨磁阻效應(yīng)制作磁阻式傳感器可大大提高靈敏度。因此，巨磁阻材料有良好的應(yīng)用前景。

3、磁阻效應(yīng)（1）定義：材料的電阻值隨磁化狀態(tài)變化的現(xiàn)象稱為21三、

納米薄膜材料制備技術(shù)納米薄膜分類：

一類是由納米粒子組成(或堆砌而成)的薄膜；另一類是在納米粒子間有較多的孔隙或無序原子或另一種材料。納米薄膜制備方法分類：按原理：可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類按物質(zhì)形態(tài)：主要有氣相法和液相法兩種

三、納米薄膜材料制備技術(shù)納米薄膜分類：22納米薄膜材料課件_002231、

物理氣相沉積法物理氣相沉積(PVD)方法作為一類常規(guī)的薄膜制備手段被廣泛地應(yīng)用于納米薄膜的制備與研究工作中，PVD包括蒸鍍、電子束蒸鍍、濺射等。納米薄膜的獲得途徑：

(1)在非晶薄膜晶化的過程中控制納米結(jié)構(gòu)的形成。如采用共濺射方法制備Si/SiO2薄膜，在700～900℃的N2氣氛下快速退火獲得納米Si顆粒；(2)在薄膜的成核生長(zhǎng)過程中控制納米結(jié)構(gòu)的形成。其中薄膜沉積條件的控制顯得特別重要，在濺射工藝中，高的濺射氣壓、低的濺射功率下易于得到納米結(jié)構(gòu)的薄膜。

1、物理氣相沉積法物理氣相沉積(PVD)方法作為一類常規(guī)24（1）氣相沉積的基本過程(A)氣相物質(zhì)的產(chǎn)生(a)使沉積物加熱蒸發(fā)，稱為蒸發(fā)鍍膜；(b)用具有一定能量的粒子轟擊靶材料，從靶材上擊出沉積物原子，稱為濺射鍍膜。(B)氣相物質(zhì)的輸運(yùn)

輸運(yùn)條件：真空中。這主要是為了避免氣體碰撞妨礙沉積物到達(dá)基片。

真空度高

(真空度≤10-2Pa)：沉積物與殘余氣體分子很少碰撞，基本上是從源物質(zhì)直線到達(dá)基片，沉積速率較快；

原因：沉積物原子頻繁碰撞會(huì)相互凝聚為微粒，使薄膜沉積過程無法進(jìn)行，或薄膜質(zhì)量太差。

（1）氣相沉積的基本過程(A)氣相物質(zhì)的產(chǎn)生25(C)氣相物質(zhì)的沉積氣相物質(zhì)在基片上的沉積是一個(gè)凝聚過程。根據(jù)凝聚條件的不同，可以形成非晶態(tài)膜、多晶膜或單晶膜。蒸鍍和濺射是物理氣相沉積的兩類基本制膜技術(shù)。以此為基礎(chǔ)，又生出反應(yīng)鍍和離子鍍。其中反應(yīng)鍍?cè)诠に嚭驮O(shè)備上變化不大，可以認(rèn)為是蒸鍍和濺射的一種；而離子鍍?cè)诩夹g(shù)上變化較大，所以通常將其與蒸鍍和濺射并列為另一類制膜技術(shù)。反應(yīng)鍍：在沉積過程中，沉積物原子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成化合物膜。離子鍍：用具有一定能量的離子轟擊靶材，以求改變膜層結(jié)構(gòu)與性能的沉積過程。

(C)氣相物質(zhì)的沉積氣相物質(zhì)在基片上的沉積是一個(gè)凝聚過程。根26（2）真空蒸發(fā)制膜（A）定義：在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使源物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相，然后凝聚在基體表面的方法稱為蒸發(fā)制膜，簡(jiǎn)稱蒸鍍。真空蒸發(fā)制膜原理圖如圖3.4所示。

（2）真空蒸發(fā)制膜（A）定義：在高真空中用加熱蒸發(fā)的方法使源27(B)蒸鍍?cè)?/p>

蒸發(fā)→凝固

和液體一樣，固體在任何溫度下也或多或少地氣化(升華)，形成物質(zhì)的蒸氣。在高真空中，將源物質(zhì)加熱到高溫，相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣向上散發(fā)，蒸發(fā)原子在各個(gè)方向的通量并不相等。基片設(shè)在蒸氣源的上方阻擋蒸氣流，蒸氣則在基片上形成凝固膜。為了補(bǔ)充凝固蒸氣，蒸發(fā)源要以一定的速度連續(xù)供給蒸氣。

(B)蒸鍍?cè)?8(C)蒸鍍方法①電阻加熱蒸鍍。加熱器材料常使用鎢、鉭等高熔點(diǎn)金屬，蒸發(fā)材料可以是絲狀、帶狀或板狀。②電子束加熱蒸鍍。

③合金膜的制備。沉積合金膜，應(yīng)在整個(gè)基片表面和膜層厚度范圍內(nèi)得到均勻的組分。

兩種方式：?jiǎn)坞娮邮舭l(fā)源沉積和多電子束蒸發(fā)源沉積(圖3.6)。

多電子束蒸發(fā)源：由隔開的幾個(gè)坩堝組成，坩堝數(shù)量按合金元素的多少來確定，蒸發(fā)后幾種組元同時(shí)凝聚成膜。單電子束蒸發(fā)源：有分餾問題。

(C)蒸鍍方法①電阻加熱蒸鍍。加熱器材料常使用鎢、鉭等高熔點(diǎn)29納米薄膜材料課件_00230④化合物膜的制取。

簡(jiǎn)單的蒸鍍技術(shù)：用于少數(shù)化合物，如氯化物、硫化物、硒化物和硫化物，甚至少數(shù)氧化物如B2O3、SnO2

反應(yīng)鍍技術(shù)：

⑤分子束外延。外延：是指在單晶基體上生長(zhǎng)出位向相同的同類單晶體(同質(zhì)外延)，或者生長(zhǎng)出具有共格或半共格聯(lián)系的異類單晶體(異質(zhì)外延)。目前分子束外延的膜厚控制水平：己經(jīng)達(dá)到單原子層，甚至知道某一單原子層是否己經(jīng)排滿，而另一層是否已經(jīng)開始生長(zhǎng)。

④化合物膜的制取。31(C)蒸鍍用途

蒸鍍只用于鍍制對(duì)結(jié)合強(qiáng)度要求不高的某些功能膜，例如用作電極的導(dǎo)電膜、光學(xué)鏡頭用的增透膜等。

蒸鍍用于鍍制合金膜時(shí)，很難保證合金成分，但在鍍制純金屬時(shí)，蒸鍍鍍膜速率快。

蒸鍍純金屬膜中，90%是鋁膜。

(D)金屬鋁膜的制備

(C)蒸鍍用途32（3）濺射制膜定義：是指在真空室中利用荷能粒子轟擊靶材表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。分類：

離子束濺射：在真空室中利用離子束轟擊靶表面，使濺射出的粒子在基片表面成膜。

等離子濺射：在真空室中，利用低壓氣體放電現(xiàn)象，使處于等離子狀態(tài)下的離子轟擊靶表面，并使濺射出的粒子堆積在基片上。離子束要由特制的離子源產(chǎn)生，離子源結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格較貴，只是在用于分析技術(shù)和制取特殊的薄膜時(shí)才采用離子束濺射。

（3）濺射制膜定義：是指在真空室中利用荷能粒子轟擊靶材表面，33(A)離子濺射

離子濺射：當(dāng)入射離子的能量在l00eV-l0keV范圍時(shí)，離子會(huì)從固體表面進(jìn)入固體的內(nèi)部，與構(gòu)成固體的原子和電子發(fā)生碰撞。如果反沖原子的一部分到達(dá)固體的表面，且具有足夠的能量，那么這部分反沖原子就會(huì)克服逸出功而飛離固體表面的現(xiàn)象。

濺射產(chǎn)額：對(duì)應(yīng)一個(gè)入射離子所濺射出的中性原子數(shù)。濺射產(chǎn)額與入射離子的能量、靶的材質(zhì)、入射角等密切相關(guān)。

(A)離子濺射34圖3.8是濺射產(chǎn)額與入射離子能量Wi的關(guān)系示意圖。由圖可見，當(dāng)離子能量低于濺射閾值時(shí)，濺射現(xiàn)象不發(fā)生。對(duì)于大多數(shù)金屬來說，濺射閾值在20～40eV之間。在離子能量Wi超過濺射閾值之后，隨著離子能量的增加，在150eV之前濺射產(chǎn)額與離子能量Wi的平方成正比。在150eV-lkeV范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額與Wi成正比。在1-l0keV范圍內(nèi)，濺射產(chǎn)額變化不顯著。能量再增加濺射產(chǎn)額顯示出下降的趨勢(shì)。

圖3.8是濺射產(chǎn)額與入射離子能量Wi的關(guān)系示意圖。由圖可見，35納米薄膜材料課件_00236①直流二級(jí)濺射最簡(jiǎn)單的直流二級(jí)濺射是一對(duì)陰極和陽極組成的冷陰極輝光放電管結(jié)構(gòu)。被濺射靶(陰極)和成膜的基片及其固定架(陽極)構(gòu)成濺射裝置的兩個(gè)極。陰極上接1-3kV的直流負(fù)高壓，陽極通常接地。工作時(shí)先抽真空，再通Ar氣，使真空室內(nèi)達(dá)到濺射氣壓。接通電源，陰極靶上的負(fù)高壓柱兩極間產(chǎn)生輝光放電并建立起一個(gè)等離子區(qū)，帶正電的離子在陰極附近的陰極電位降作用下，加速轟擊陰極靶，使靶物質(zhì)表面濺射，并以分子或原子狀態(tài)沉積在基片表面，形成薄膜。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。缺點(diǎn)：在工作壓力較高時(shí)膜層有沾污；沉積速率低，不能鍍10μm以上的膜厚；由于大量二次電子直接轟擊基片，使基片升溫過高。

①直流二級(jí)濺射最簡(jiǎn)單的直流二級(jí)濺射是一對(duì)陰極和陽極組成的冷陰37②三極和四極濺射三極濺射：在二極濺射的裝置上附加一個(gè)電極，使它放出熱電子強(qiáng)化放電，它既能使濺射速率有所提高，又能使濺射工況的控制更為方便。與二極濺射不同的是，可以在主閥全開的狀態(tài)下制取高純度的膜。四極濺射：又稱為等離子弧柱濺射，其原理如圖3.10所示。在原來二極濺射靶和基板垂直的位置上，分別放置一個(gè)發(fā)射熱電子的燈絲(熱陰極)和吸引熱電子的輔助陽極，其間形成低電壓、大電流的等離子體弧柱，大量電子碰撞氣體電離，產(chǎn)生大量離子。這種濺射方法還是不能抑制由靶產(chǎn)生的高速電子對(duì)基片的轟擊，還存在因燈絲具有不純物而使膜層沾污等問題。

②三極和四極濺射三極濺射：在二極濺射的裝置上附加一個(gè)電極，使38納米薄膜材料課件_00239③射頻濺射射頻：指無線電波發(fā)射范圍的頻率，為了避免干擾電臺(tái)工作，濺射專用頻率規(guī)定為13.56MHz。在射頻電源交變電場(chǎng)作用下，氣體中的電子隨之發(fā)生振蕩，并使氣體電離為等離子體。射頻濺射的原理：兩個(gè)電極接在交變的射頻電源上，似乎沒有陰極與陽極之分。但實(shí)際上射頻濺射裝置的兩個(gè)電極并不是對(duì)稱的。放置基片的電極與機(jī)殼相連，并且接地，這個(gè)電極相對(duì)安裝靶材的電極而言，是一個(gè)大面積的電極。它的電位與等離子相近，幾乎不受離子轟擊。另一電極對(duì)于等離子體處于負(fù)電位，是陰極，受到離子轟擊，用于裝置靶材。缺點(diǎn)：大功率的射頻電源不僅價(jià)高，而且對(duì)于人身防護(hù)也成問題。因此，射頻濺射不適于工業(yè)生產(chǎn)。

③射頻濺射射頻：指無線電波發(fā)射范圍的頻率，為了避免干擾電臺(tái)工40④磁控濺射產(chǎn)生：上世紀(jì)70年代。目前已在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。原因：磁控濺射的鍍膜速率與二極濺射相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，具有高速、低溫、低損傷等優(yōu)點(diǎn)。高速是指沉積速率快，低溫和低損傷是指基片的溫升低、對(duì)膜層的損傷小。1974年，Chapin發(fā)明了適用于工業(yè)應(yīng)用的平面磁控濺射靶，對(duì)磁控濺射進(jìn)入生產(chǎn)領(lǐng)域起到了推動(dòng)作用。磁控濺射的特點(diǎn)：在陰極靶面上建立一個(gè)環(huán)狀磁靶(圖3.11)，以控制二次電子的運(yùn)動(dòng)，離子轟擊靶面所產(chǎn)生的二次電子在陰極暗區(qū)被電場(chǎng)加速之后飛向陽極。分類：柱狀靶和平面靶。柱狀靶原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其形狀限制了它的用途。

④磁控濺射產(chǎn)生：上世紀(jì)70年代。目前已在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。41納米薄膜材料課件_00242⑤合金膜的鍍制方式：濺射。最容易控制合金膜的成分。常用方式：多靶共濺射。這時(shí)控制各個(gè)磁控靶的濺射參數(shù)，可以得到一定成分的合金膜。優(yōu)點(diǎn)：直接采用合金靶進(jìn)行濺射，則不必采用任何控制措施，就可以得到與靶材成分完全一致的合金膜。如何理解靶材與膜層的成分一致性？當(dāng)靶材的A、B兩種元素的濺射產(chǎn)額不等時(shí)，濺射產(chǎn)額較高的元素，例如A，會(huì)自動(dòng)逐漸貧化，直到膜層的成分與靶材一致時(shí)，靶材表面的含A量才不再下降。此后靶面成分達(dá)到恒穩(wěn)狀態(tài)，總是保持著確定成分的貧A層。

⑤合金膜的鍍制方式：濺射。最容易控制合金膜的成分。43⑥化合物膜的鍍制化合物膜：指金屬元素與氧、氦、硅、碳、硼等非金屬的化合物所構(gòu)成的膜層。方法：可選用化合物靶濺射和反應(yīng)濺射。

導(dǎo)電化合物：采用化合物靶進(jìn)行直流濺射。

絕緣材料化合物：只能采用射頻濺射。

大規(guī)模鍍制化合物膜：最宜采用反應(yīng)濺射。優(yōu)點(diǎn)：不必用化合物靶材，而是直接用金屬靶，也不必用復(fù)雜的射頻電源，而是用直流濺射。反應(yīng)濺射：在金屬靶材進(jìn)行濺射鍍膜的同時(shí)，向真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體，金屬原子與反應(yīng)氣體在基片上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)即可得到化合物膜。

⑥化合物膜的鍍制化合物膜：指金屬元素與氧、氦、硅、碳、硼等非44⑦離子束濺射

定義：采用單獨(dú)的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子。Kaufman于1961年研究成功寬束離子源，目前已有直徑為10余厘米的寬束離子源用于離子束濺射，圖3.12中左面部分就是這種離子源的示意圖。

⑦離子束濺射定義：采用單獨(dú)的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離45寬束離子源：用熱陰極電弧放電產(chǎn)生等離子體。原理：陰極燈絲發(fā)射的電子加速到40～80eV飛向陽極，并使氣體(氫氣)電離為等離子體。陽極沿離子源的器壁布置，陽極外圍有屏蔽磁場(chǎng)，用以阻止電子不能輕易到達(dá)陽極，這樣可以增強(qiáng)等離子體密度。陽極與等離子體差不多是等電位的。陽極與靶材的電位差決定了離子到達(dá)靶材時(shí)的能量即離子轟擊靶材的能量。屏柵是離子源器壁的開口部位，是離子的出口處。加速柵距離屏柵很近，并且電位比靶材低10%-25%。屏柵與加速柵之間的強(qiáng)電場(chǎng)將離子引出離子源。屏柵和加速柵都是用石墨片或鉑板鉆孔制成。安裝時(shí)兩者的小孔對(duì)準(zhǔn)，這樣，可以保證得到準(zhǔn)直的離子束。

在離子束的行程中裝有中和燈絲，用來發(fā)射電子以中和離子所帶的正電荷。

寬束離子源：用熱陰極電弧放電產(chǎn)生等離子體。46優(yōu)點(diǎn)：能夠獨(dú)立控制轟擊離子的能量和束流密度，并且基片不接觸等離子體，這些都有利于控制膜層質(zhì)量。此外，離子束濺射是在真空度比磁控濺射更高的條件下進(jìn)行的，這有利于降低膜層中的雜質(zhì)氣體的含量。缺點(diǎn)：鍍膜速率太低，只能達(dá)到0.0lμm/min左右。這比磁控濺射低一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以離子束鍍膜不適于鍍制大面積工件。這些缺點(diǎn)限制了離子束濺射在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：能夠獨(dú)立控制轟擊