[材料科学]第五章 薄膜材料的制备.ppt

薄膜材料的制备 薄膜——由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。 即采用一定的方法，使处于某种状态的一种或几种的物质的基团以物理或者化学方法附着于某种物质表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新的物质即为薄膜。 薄膜的特征——具有二维延展性。 薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛，制膜技术的发展也非常迅速。 制膜方法——分为物理和化学方法两大类。 具体方式上——分为干式、湿式和喷涂三种， 而每种方式又可以分为很多种方法。 本章仅就制膜的一些常用方法及其原理、工艺、设备等进行简要介绍。 1650年，R. Boye等人观察到在液体表面上液体薄膜产生的干涉相干彩色花纹。 1850年，M Faraday发明了电镀制备薄膜的方法。 1852年，W. Grove发现了辉光放电的溅射沉积方法。 T. A. Edison在19世纪末发明了通电导线使材料蒸发的物理蒸发制备薄膜方法。 20世纪50年代，随着电子工业和信息产业的兴起，薄膜技术和薄膜材料愈发显示出其重要的、关键性的作用。 一、分类 电子显微镜下直接观察薄膜蒸镀过程，发现薄膜的生长可以分为如下三种类型： 1. 核生长类型（Volmer Veber型） 特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配（非共格）时出现，大部分薄膜的形成过程属于这一类型。 薄膜生长的四个阶段： （1）成核，在此期间形成许多小的晶粒，按统计规律分布在基片表面上； （2）晶核长大并形成较大的岛，这些岛具有小晶体的形状； （3）岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络； （4）沟道被填充。在薄膜的生长过程中，当晶核一旦形成并达到一定尺寸后，另外再撞击的粒子不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合并便形成连续薄膜。 2. 层生长型（Frank-Vanber Merwe 型） 特点：沉积原子在衬底表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层，第三层········· 一般在基片原子核蒸发原子之间的结合能接近于蒸发原子间结合能的情况下（共格）发生这种生长方式的生长。 以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜并且与衬底有确定的取向关系，例如在Au衬底上生长Pb单晶膜，在PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。 3. 层核生长型（Straski Krastanov型） 特点：是生长机制的中间状态，在衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能（准共格）的情况下多发生这种方式的生长。 在半导体表面形成金属膜时，常呈现这种方式的生长，例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面上沉积Bi、Ag等都属于这一类型。 物理汽相沉积，Physical Vapor Depositon 缩写：PVD 包括蒸发沉积（蒸镀），溅射沉积（溅射）和离子镀等。 通常用于沉积薄膜和涂层，沉积薄膜的厚度从10-1nm级到mm级变化。 是一类应用极为广泛的成膜技术，从装饰涂层到各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子及它们的相关工业工程。 一、真空蒸发镀膜（蒸镀） 蒸镀——利用真空泵将沉积室抽成“真空”，然后用高熔点材料制成的蒸发源将沉积材料加热、蒸发、沉积于基片上。 1. 优缺点 （1）操作方便，沉积参数易于控制； （2）制膜纯度高，可用于薄膜性质研究； （3）可在电镜检测下进行镀膜，可对薄膜生 长过程和生长机理进行研究； （4）膜沉积速率快，还可多块同时蒸镀； （5）沉积温度较高，膜和基片的结合强度不 高。 蒸发源类型 （1）电阻加热蒸发源 选择原则：在所需蒸发温度下不软化、饱和蒸汽压小，不发生反应。 一般采用高熔点金属，如钨、钽、钼等材质，常做成螺旋丝状或箔舟状，如下图所示。 特点：结构简单，造价低，使用广泛；存在污染，也不能蒸镀高Tm的材料。 （2）电子束加热蒸发源 电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热的方法。 优点： 1 可以直接对蒸发材料进行加热； 2 装蒸发料的容器可以是冷的或者可以用水冷却，从而避免材料与容器的反应和容器材料的蒸发； 3 可蒸发高熔点材料，例如，钨（Tm=3380℃）、钼（Tm=2610℃）和钽（Tm=3000℃）等耐热金属材料。 缺点： 1 装置复杂； 2 只适合于蒸发单元元素； 3 残余气体分子和蒸发材料的蒸汽会部分被电子束电离。 （3）激光加热蒸发源 二、溅射镀膜 1.概述 （1）溅射现象 （1842年，Grove提出） 当高能粒子（通常是由电场加速的正离子）冲击固体表面时，固体表面的原子、分子与这些高能粒子交换能量，从而由固体表面飞溅出来的现象。 溅射镀膜：1870年； 工业应用：1930年以后 （2