第三章 薄膜材料的主要制备方法.ppt

第三章 薄膜的主要制备方法 本章的主要内容 3.1 成膜方法的分类 3.2 各种成膜方法的比较 3.3 物理气相沉积 3.4 化学气相沉积 3.1 成膜方法的分类 成膜方法有很多，分类方法也各不一样，这里按干式和湿式对成膜方法的分类。 在干式中，有以真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀为代表的物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等；在湿式中有电镀、化学镀、阳极氧化、LB技术、溶胶－凝胶以及厚膜印刷法等。 3.2 各种成膜方法的比较 3.3 物理气相沉积 物理气相沉积（physical vapor deposition, PVD）是利用某种物理过程 ?? 物质的热蒸发或在粒子轰击下物质表面原子的溅射，不涉及化学反 应过程的，实现原子从源物质到薄膜的可控转移的薄膜（及其他材料） 制备方法。 3.3.1 真空蒸镀 真空蒸镀即真空蒸发镀膜，这是制作薄膜最一般的方法。这种方法 是把装有基片的真空室抽成真空，使气体压强达到10-2以下，然后加热镀 料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到基片表面， 凝结形成固态薄膜。 真空蒸发法的特点 要实现真空蒸镀，必须有“热”的蒸发源、“冷”的基片、周围的真空环 境，三者缺一不可。特别是对真空环境的要求更严格。原因如下： 防止在高温下因空气分子和蒸发源发生反应，生成化合物而使蒸发源劣化； 防止因蒸发物质的分子在镀膜室内与空气分子碰撞而阻碍蒸发分子直接到达基片表面，以及在途中生成化合物或由于蒸发分子间的相互碰撞而在到达基片之前就凝聚等； 在基片上形成薄膜的过程中，防止空气分子作为杂质混入膜内或者在薄膜中形成化合物。 物质的热蒸发 在一定的温度下，每种液体或固体物质都具有特定的平衡蒸汽压。 只有当环境中被蒸发物质的分压降低到了它的平衡蒸汽压以下时，才可 能有物质的净蒸发。单位源物质表面的物质的净蒸发速率应为： 元素的平衡蒸气压 Clausius-Clapeyron方程指出，物质的平衡蒸汽压p随温度的变化率可以定 量的表达为： 根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模式又被分为二种模式：一是物质在固态情况下，即使是温度达到其熔点时，其平衡蒸汽压也低于10-1Pa。在这种情况下，要想利用蒸发方法进行物理汽相沉积，就需要将温度提高到其熔点以上。大多数金属的蒸发属于这种情况。二是如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等，在熔点附近的温度下，固相的平衡蒸汽压已经相对较高。这时可以直接利用由固态物质的升华，实现物质的汽相沉积。石墨没有熔点，而其升华温度又很高，因而多利用石墨电极的放电过程来使碳元素发生热蒸发。 真空蒸发装置 真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别，从简单的 电阻加热蒸镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中，最重要的是蒸发源，根据其加热原理可以分为以下 几种： 电阻式加热 电子束加热装置 激光蒸发镀膜(Laser Ablation)装置 薄膜沉积的厚度均匀性 在物质蒸发过程中，蒸发原子的运动具有一定的方向性，这时考虑 膜厚均匀性的基础。物质的蒸发源可以有不同的形状，其中点蒸发源是 最容易进行数学处理的一种，而相对衬底距离较远尺寸较小的都可以被 认为相当于点蒸发源。点源时我们可以设被蒸发物质是由面积为Ae的小 球面上均匀地发射出来的，这时，蒸发出来的物质总量Me为 在上述的蒸发总量中，只有那些运动方向处在衬底所在空间角内的原子才会落到衬底上。由于已经假设蒸发源为一点源，因而衬底单位面积源dAs上沉积的物质总量取决于其对应的空间角大小，即衬底上沉积的原子质量密度为： 沉积厚度的均匀性是一个经常需要考量的问题。而且需要同时沉积的面积越大，则沉积的均匀性越难以保证。图示为对于点蒸发源和面蒸发源计算得出的沉积厚度随衬底尺寸大小的变化情况。从曲线可以看出，点蒸发源所对应的沉积均匀性稍好于面蒸发源的情况。 均匀性对策之一 在同时需要沉积的样品数较多、而每个样品的尺寸相对较小时，可采用下图所示那样的实验部置来改善样品的厚度均匀性。其原理是当蒸发源和衬底处在同一圆周上时，有cosФ=cosθ=0.5r/r0 , 其中r0为相应圆周的半径。 均匀性对策二 当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物时，物质的沉积会产生阴影效 应，即蒸发来的物质被障碍物阻挡而未能沉积到衬底上。显然，蒸发沉 积的阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性。在需要沉积的衬底不平甚至 有一些较大的起伏时，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成 有的部位没有物质沉积。同时，也可以在蒸发沉积时有目的地使