薄膜材料工程学-最终版PPT课件

第三章 薄膜的物理气相沉积 ——溅射法
溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速 后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的 靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子 将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出 来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能， 并且会着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底 上薄膜的沉积。
这两者的综合效果是气体分子对薄膜产生污染的可 能性提高。磁控溅射技术就是在克服以上沉积速度低， 工作气压高而发展起来的一种沉积技术。
第四章 真空蒸发
4.1 真空蒸发沉积的物理原理
真空蒸发沉积过程由三个步骤组成：
①蒸发源材料由凝聚相转变成气相； ②在激发源与基片之间蒸发粒子的输运； ③蒸发粒子到达基片后凝结。 ，成核，长大及成膜。
②沉积率： 蒸发粒子在基片上的沉积率则取决于蒸发源的几何 尺寸，蒸发源相对基片的距离以及凝聚系数等因素。
考虑蒸发源是一清 洁、均匀发射的点 源，基片为一个平 面，由Knudsen余 弦定律所确定的沉 积率则随cosθ/r2而 变化。（图4-1）
4.2 真空蒸发技术
真空蒸发系统一般由三个部分组成： ①真空室 ②蒸发源或蒸发加热装置 ③放置基片及给基片加热装置
②由于M2/M1 + M2近似等于1，而1/2 M1V12正是碰撞到电 子的动能，因此非弹性碰撞可以使电子将大部分能量转移 给其它质量较大的粒子，如离子或原子，引起其激发或电 离。因此电子与其它粒子的非弹性碰撞过程是维持再次放 电过程的主要机制。
3.2：溅射沉积装置
3.2.1直流溅射
直流溅射又称阴极溅射或二极溅射
2.2.2：旋片式机械真空泵
凡是利用机械运动(转动或滑动) 以获得真空的泵，就称为机械 泵。它是一种可以从大气压开 始工作的典型真空泵，它即可 单独使用，又可作为高真空泵 或超高真空泵的前极泵(图2-1)
泵体主要由锭子、转子、 旋片、进气管和排气管等组成
图2-1 旋片泵结构示意图
2.2：真空的获得
第二章 真空技术基础
2.1：真空的基本知识
2.1.1真空的定义：
真空
宇宙空间所存在的真空。称为“自然 真空”。
用真空泵抽调容器中的气体所获得得真空， 称为“人为真空”。
在给定空间内，气体压强低于一个大气压的气 体状态，均称为真空。
2.1：真空的基本知识
2.1.2真空度的单位
毫米汞柱(mm)
1958年，为了纪念托里拆利，用托（Torr） 代替了毫米汞柱。
3.1：辉光放电与等离子体
3.1.2等离子体
放电击穿之后具有一定导电能力的气体称为等离子体，
定义： 它是一种由离子、电子以及中性原子和原子团组成，
而宏观上对外呈现出电中性的物质存在形态。
在辉光放电等离子体中，电子的速度，能量远高于离子。 因此，电子不仅是等离子体导电过程中的主要载流子， 而且在粒子的相互碰撞、电离过程中起着重要的作用。
②汤生放电 时离子对阴极的碰撞也将产生二次电子发射，这些均导致产生出
新的离子和电子，即碰撞过程导致离子和电子数目呈雪崩式的增 加。这时，随着电流的迅速增加，电压的变化却不大。这种放电 过程称为汤生放电（Townsend discharge）
在汤生放电的后期，放电开始进入电晕放电阶段。这时，在电场
③电晕放电 强度较高的电极尖端部位开始出现一些跳跃的光斑，因此，这一
Q＝Q1＋Q2
式中Q1是灯丝辐射的热量，与灯丝的温度有关； Q2是气体分子碰撞灯丝而带走的热量，大小与气体的压强有关。
※当热丝温度恒定时，Q1是恒量，即热丝辐射的热量不变。 ※当真空系统的压强降低，即空间中气体分子数减小时，Q2将随之降低
此时灯丝所产生的热量将相对增加，则灯丝的温度上升，灯丝的电阻 将增大，真空室的压强和灯丝电阻之间存在这样的关系P减小 R增大。 所以可以利用测量灯丝的电阻值来间接的确定压强。
2.3真空的测量：电阻真空计
电子真空计是热传导真空计的一种，它是利用测量真空中热 丝的温度从而间接获得真空度的大小。其原理是低压强下气 体的热传导与压强有关。
图2-4电阻真空计
2.3真空的测量：电阻真空计
电阻真空计的结构如图2－4所示，热丝电阻连接惠斯顿电桥， 并作为电桥的一个臂。低压强下加热时，灯丝所产生的热量Q 可以表示为：
真空蒸发 优点：操作容易，成膜速度快，效率高等特点； 缺点：结合力差，工艺重复性不好
4.1 真空蒸发沉积的物理原理
主要参数：
①蒸发量：根据knudsen理论，在时间dt内，从表面A 蒸发的最大粒子数dN为
dN
(
2mRT
)
1 2
P
Adt
其中P是平衡压强，m为粒子质量， R为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。
2.1：真空的基本知识
2.1.4固体对气体的吸附及气体的脱附
气体吸附：固体表面捕获气体分子的现象。 吸附分为物理吸附和化学吸附
吸附
物理吸附：特点：没有选择性，主要靠分子间的相互吸引力 引起的，物理吸附的气体容易发生脱附。
化学吸附：特点：发生在较高的温度，气体不易脱附。
2.2：真空的获得
2.2.1真空设备的分类
3.1：辉光放电与等离子体
3.1.1辉光放电
设有如图3.1那样的一个直流 气体放电系统，电极之间由 电动势为E的直流电源提供电 压V和电流I，并以电阻R作为 限流电阻。系统中各电参数 之间满足关系：
V = E – IR 使真空容器中氩气的压力保 持为1 Pa，并逐步提高两个 电极之间的电压。
电极之间几乎没有电流通过，因为这时气体原子大多处于中性
高频电场可以经由其它阻抗形式耦合进入沉积式， 而不要求电极一定要是导体
3.2：溅射沉积装置
3.2.2射频溅射
射频溅射的优点：
1 沉积速度比二极直流溅射要高 2 可以制备非金属材料膜
3.2：溅射沉积装置
3.2.3 磁控溅射
总的来说：上面讲到的两种溅射方法具有两个缺点 （1）薄膜的沉积速度较低 （2）溅射所需的工作气压较高。
3：薄膜材料及技术的发展过程：
A:1850年M.Faraday发明了电镀制备薄膜的方法。 B:1852年W.Grove发现了辉光放电的溅射沉积薄膜方法。 C：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的方法。
存在的问题:制备薄膜的真空系统和检测 技术差,所制备的薄膜重复性差。
①开始阶段：状态，只有极少量的原子受到了高能宇宙射线的激发产生了电
离，它们在电场作用下作定向运动，在宏观上表现出很微弱的 电流，如图曲线的开始阶段所示。
当电压继续升高时，离子与阴极之间以及电子与气体分子之间的 碰撞变得重要起来。在碰撞趋于频的同时，外电路转移给电子和 离子的能量也在逐渐增加。电子碰撞开始导致气体分子电离，同
2.2.3复合分子泵(图2－2)
图2-2分子泵结构示意图
2.2：真空的获得
2.2.4低温泵(图2－3)
图2-3低温泵结构示意图
第二节：真空的获得
极限真空度：
机械泵：10-1Pa 扩散泵：10-5Pa 分子泵：10-6Pa(10-8Pa) 低温泵：10-7Pa(10-8Pa) 溅射离子泵：10-9Pa
A:按材料原子的化学结合性质来分：金属材料，陶瓷 材料，有机聚合物材料等。 B:按其应用形态来分：体材，板状，线状和膜状等类 型的材料。
膜状材料分为：薄膜及厚膜材料
2：薄膜材料的定义
薄膜材料是相对于体材料而言，是人们采用特殊的 方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性能与体 材料性质完全不同的物质层。
1971年，正式确定“帕斯卡”作为气体压 强 的国际单位，表示为1Pa＝ 1N/m2≈7.5×103Torr。
2.1：真空的基本知识
2.1.3真空区域的划分
根据各压强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下几个区域: ※粗真空：1×105～1×102Pa. 分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十 分频繁； ※低真空： 1×102～1×10－1Pa.气体分子之间的流动逐渐从黏滞状态向 分子状态过渡； ※高真空：1×10－1～1×10－6Pa.气体分子流动已为分子流，气体分子 与容器器壁之间的碰撞为主； ※超高真空：< 1×10－6Pa.气体分子数目更少，几乎不存在分子间的碰 撞。
随着气体压力的升高，电子的平均自由程减小，原 子电离的几率增加，溅射速度提高 沉积速度的影响
气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向衬底的过 程中将会受到过多的散射，沉积速度反而下降
结合力的影响
气体压力较低是，入射到衬底表面的原子没有经过 多次碰撞，能量较高，导致薄膜致密，与基体结合 力好。
溅射气体压力过高时，溅射出来的靶材原子在飞向 衬底的过程中将会受到过多的散射，不利于薄膜组 织的致密化。
3.1：辉光放电与等离子体
3.1.3 辉光放电中的碰撞过程
等离子体中高速运动的电子与其它粒子的碰撞是维持气体 放电的主要微观机制。
（1）电离过程：e- + Ar == Ar+ +2e（2）激发过程：e- + O2 == O2*+e（3）分解过程：e- + CF4 == CF3*+ F* + e-
①对于运动着的粒子与静止的粒子之间的碰撞是弹性碰撞
※真空泵属于气体传输泵，即通过将气体不断吸入并派出真空 泵从而达到排气的目的；如：旋转式机械真空泵、油扩散泵、 复合分子泵。 ※后四种真空泵属于气体捕获泵，是一种利用各种吸气材料所 特有的吸气作用将被抽空间的气体吸除，以达到所需真空度。 如：分子筛吸附泵、钛升华泵、溅射离子泵和低温泵。
2.2：真空的获得
饱和蒸气压的概念：在一定温度下，蒸发气体与凝聚相平衡 过程中所呈现的压力称为该物质的饱和蒸气压。
4.2.1电阻加热蒸发
原理： 将待蒸发材料放置在电阻加热装置中，通过
电路中的电阻加热给待沉积材料提供蒸发热使其 汽化。
支持加热材料：钨，钼，铊等。 具有高熔点低蒸气压的特点。如图(4-2)
图4-2(a)和(b)中蒸发物直接置于丝状加热装置上，加热时蒸发物润湿电阻丝，通 过表面张力得到支撑。 图4-2(c)凹箔由钨,铊或钼的薄片制成，当只有少量的蒸发材料时最适合于使用这 一蒸发源装置。钨，铊或钼变脆与蒸发材料发生反应等缺点。
3.2：溅射沉积装置
3.2.2射频溅射
射频溅射的工作原理:
①交流电源的频率低于50kHz时，气体放电情况与直流溅射唯一的差 别是在交流的每半个周期后阴极和阳极的电位互相调换，导致溅射交 替在两个电极上发生，得不到薄膜。 ②当频率超过50kHz以后，放电过程开始出现两个变化：
放电过程 的变化
电极之间不断振荡的电子将可从高频电场中获得足 够的能量并使得气体分子电离，二次电子对于维持 放电的重要性下降。
阶段称为电晕放电。
在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象，电路的电 流大幅度增加，同时放电电压显著下降。原因是这时的气 体已被击穿，因而气体内阻将随着电离度的增加而显著下
④异常辉光放电 降，放电区由原来只集中于阴极的边缘和不规则处变成向
整个电极上扩展。在这一阶段，导电离子的数目大大增加， 在碰撞过程中的能量也足够高，因此会产生明显的辉光。 电流的继续增加将使得辉光区扩展到整个放电长度上，辉 光亮度提高，电流增加的同时电压也开始上升。
4：薄膜材料科学迅速发展的原因：
A:薄膜技术是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。 B:构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自 的优势，避免单一材料的局限性。 C：薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具 有新型功能器件的有效手段。
5：薄膜材料的应用:
材料性质 光学性质
电学性质
电阻加热蒸发法的缺点：
①支撑坩埚及材料与蒸发物反应； ②难以获得足够高 ③蒸发率低； ④加热时合金或化合物会分解。
薄膜材料工程学
课程主要章节
第一章：序论 第二章：真空技术基础 第三章：薄膜的物理气相沉积 —溅射法 第四章：真空蒸发 第五章：薄膜的化学气相沉积 第六章：薄膜的力学性能 第七章：金属薄膜的电导 第八章：薄膜的形成和生长
主要参考书
1薄膜材料制备原理、技术及应用 2薄膜物理
第一章：序论
1材料的分类：
磁学性质 化学性质 力学性质 热学性质
薄膜应用
反射涂层和减反涂层 干涉色境，光波导 装饰性涂层，光记录介质
绝缘薄膜，半导体器件 导电薄膜，压电器件
磁记录介质
扩散阻挡层，防氧化或防腐蚀涂层 气体或液体传感器
耐磨涂层 显微机
防热涂层 光电器件热沉
6薄膜材料科学的研究内容：
（1） 薄膜材料的制备手段 （2） 薄膜材料的形核与生长理论 （3） 薄膜材料的表征技术 （4） 薄膜材料的体系、性能及应用