功能薄膜材料课件.ppt

　　　如电子、计算机、磁记录、信息、传感器、能源、机械、光学、航空航天、核工业、化工、生物、医学等，现已成为当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，所制备的各种类型的新材料、新结构、新功能的薄膜,对材料的研究和使用起到巨大推动作用。 一、成膜技术 基于气相—固相转变的薄膜制备方法分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类，其中分子束外延(MBE)、激光脉冲沉积(PLB)、溅射(sputtering)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等技术在实际应用中有重要意义。 1、真空蒸镀法 　　　采用蒸发形成薄膜的过程包括以下几个物理阶段： (1)采用蒸发或升华把被淀积的材料转变为气态； (2)原子(分子)从蒸发源转移到基片上； (3)这些粒子淀积在基片上； (4)在基片表而上粒子重新排列或它们的键发生变化。 　真空蒸镀设备主要由真空镀膜室和真空抽气系统两大部分组成，见图17－1所示。 　　 真空镀膜室是用不锈钢或玻璃制成的钟罩。镀膜室内装有蒸发电极、基片架；轰击电极、测温和烘烤电极、挡板转动装置、膜厚监控测量仪以及一些辅助装置。 　真空抽气系统主要由扩散泵、机械泵、高真空阀、低真空阀、充气阀及挡油器等组成。 蒸发源分为电阻加热、电子束加热、激光等类型。 电阻加热蒸发源是用高熔点金属(钨、钼、钽)做成。用蒸发源存放膜料，利用大电流通过加热器时产生的焦耳热来直接加热膜料使其蒸发，通常用于蒸发温度小于1500℃的铝、金、银等金属，以及硫化物、氟化物、某些氧化物。这种蒸发源结构简单、使用方便、造价低，因此使用普遍。 电子束加热蒸发源利用电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热，它由热阴极、电子加速极和阳极(膜料)等组成。 电子束蒸发源的特点是:能量高度集中，使膜料的局部表面获得高温，可控制蒸发温度。因此对高、低熔点的膜料都适用，尤其适合熔点达2000℃的氧化物。由于不需坩埚，避免了坩埚材料对膜料的污染。 　　激光蒸发源将激光束作为热源来加热膜料，通过聚焦可使激光束功率达到106W/cm2以上，它以无接触加热方式使膜料迅速气化,然后淀积在基片上形成薄膜。 　　　激光蒸发的主要优点是：能实现化合物的蒸发沉积，而且不会产生分馏现象，能蒸发任何高熔点材料。采用激光蒸发源是淀积介质膜、半导体膜、金属膜和天机化合物膜的好方法。 2、溅射镀膜 与蒸发镀膜相比，由于溅射镀膜中靶材无相变，化合物的成分不易发生变化，合金也不易发生分馏，因此使用的靶材广泛。 由于溅射淀积到基片上的粒子能量比蒸发高达50倍，同时又有对基片清洗和升温作用，形成的薄膜附着力大。 辉光放电与溅射现象 此时，两极空间就会出现明暗相间的光层，气体的这种放电为辉光放电，图17－2为辉光放电示意图。 　　　　　　辉光放电可分为正常辉光放电和异常辉光放电两类。 正常辉光放电时，由于放电电流还未大到足以使阴极表面全部布满辉光，因此随电流的增大，阴极的辉光面积成比例地增大，而电流密度jK和阴极位降VK则不随电流的变化而改变。在放电的其他条件保持不变时，阴极位降区的长度dK随气体压强成反比变化。 　　　异常辉光放电时，由于阴极表面全部布满了辉光，电流进一步增大，导致jK增加，dK减小，VK进一步增加，撞击阴极的正离子数目及动能比正常辉光放电时大为增加，在阴极表面发生强烈溅射。所以利用异常辉光放电进行溅射镀膜。基片作阳极，要溅射的材料作阴极(靶子)。 　　　根据引起气体放电的机理不同，可形成不同的溅射镀膜方法，主要有直流溅射、高频溅射、反应溅射、磁控溅射等方法。 高频溅射 磁控溅射 3、离子镀膜 蒸发源蒸发出来的粒子通过辉光放电的等离子区时，其中的一部分校被电离成为正离子，通过扩散和电场作用，高速打到基片表面，另外大部分为处于激发态的中性蒸发粒子，在惯性作用下到达基片表面，堆积成薄膜，这一过程称为离子镀膜，为了有利于膜的形成，必须满足沉积速率大于溅射速率的条件，这可通过控制蒸发速率和充氩压强来实现。 离子镀膜的主要优点是基片表面和膜面洁净，不受沾污。由于基片受到高能粒子的轰击，温度较高，因此对基片不用辐射加热就能提高表面区域的扩散和化学反应速度，并具有互溶性。 4、化学气相沉积 化学气相沉积(CVD)是一种在实际应用中有重要作用的薄膜制备方法。它提供了一种在相对低的温度下，在较广的范围内准确控制薄膜的化学成分和结构的方法。 本质上CVD是一种材料的合成过程，气相原子或分子被输运到衬底表面附近，在衬底表面发生化学反应，生成与原料化学成分截然不同的薄膜。 为了制备化合物半导体薄膜．发展起了利用金属有机化合物作为气相源酌金属有机化合物气相沉积(MOCVD)技术