第二章 功能薄膜材料 [兼容模式]

1金属薄膜材料

Metal Film Materials

授课人：郑晓彤

材料科学与工程学院

材料先进技术教育部重点实验室

材料学院分析测试中心

联系方式：zhengxt@, 87600896,

办公室信息楼号房间

办公室：信息楼（0号）0101

金属薄膜材料介金属薄膜材料-介绍

金属薄膜材料介金属薄膜材料-介绍

金属薄膜材料介金属薄膜材料-介绍

金属薄膜材料介金属薄膜材料-介绍

金属薄膜材料介金属薄膜材料-介绍

金属薄膜材料介金属薄膜材料-介绍

金属薄膜材料介金属薄膜材料-介绍

金属薄膜材料-介绍属薄膜材料介

金属薄膜材料-介绍属薄膜材料介

金属薄膜材料-介绍属薄膜材料介

金属薄膜材料-介绍属薄膜材料介

金属薄膜材料

薄膜材料的制备方法简介 金属薄膜材料的形成及结构

主要薄膜功能金属材料

第一节薄膜材料制备方法简介功能薄膜材料、物理气相沉积（）

1、物理气相沉积（PVD）

采用物理方法使物质的原子或分子逸出，然后沉积在基片上形成薄膜的工艺

根据使物质的逸出方法不同，可分为蒸镀、溅射和离子镀

离镀

（1）真空蒸镀

把待镀的基片置于真空室内，通过加热使蒸发材料气化（或升华）而沉积到某温度基片的表面上料气化（或升华）而沉积到某一温度基片的表面上，从而形成一层薄膜，这一工艺称为真空蒸镀法

蒸发源可分为：电阻加热、电子束加热和激光加热等

功能薄膜材料（2）溅射（Sputtering）

当具有一定能量的粒子轰击固体表面时，固

体表面的原子就会得到粒子的一部分能量，当体表面的原子就会得到粒子的部分能量，当

获得能量足以克服周围原子得束缚时，就会从

表面逸出，这种现象成为溅射

表面逸出，这种现象成为“溅射”

它可分为离子束溅射和磁控溅射

功能薄膜材料离子束溅射

它由离子源、离子引出极

和沉积室3大部分组成，

在高真空或超高真空中溅

射镀膜法。利用直流或高

频电场使惰性气体（通常

为氩）发生电离，产生辉

光放电等离子体，电离产

生的正离子和电子高速轰

击靶材，使靶材上的原子

61或分子溅射出来，然后沉

积到基板上形成薄膜。图6.1 离子束溅射工

作原理图

功能薄膜材料

离子束溅射

离子束溅射沉积法除可以精确地控制离子束的能量、密度和入射角度来调整纳米薄膜的微观形成过程，溅射过程中的基片温度较低外还有以下优点

下优点：

①可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属，而常规的热蒸发只能适用于低熔点金属；

②能制备多组元的化合物纳米微粒，如Al 52Ti48，Cu91Mn9及ZrO2等；

能制备多组元的化合物纳米微粒如及等

③通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。

Lawrence Livemore国家实验室的Bwbee等人利用真空溅射技术制成了层状交替金属复合材料。该技术是经氩离子将金属表面的原子激发出来层状交替金属复合材料该技术是经氩离子将金属表面的原子激发出来，并沉积成层状。只要控制离子束交替冲击不同金属表面，就可以制成由几百、几千层不同金属组成的复合材料，每一层只有0.2nm厚。

功能薄膜材料磁控溅射

在被溅射的靶极（阳

极）与阴极之间加一

个交磁场电场在正交的电磁场的作用下，电子以摆线的方式沿着靶表面前进个正交磁场和电场，

电场和磁场方向相互

垂直。当镀膜室真空

方式沿着靶表面前进，电子的运动被限制在一定空间内，增加了抽到设定值时，充入

适量的氩气，在阴极

同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。电子经过多次碰撞后丧失(柱状靶或平面靶)和阳

极(镀膜室壁)之间施加

几百伏电压，便在镀

过多次碰撞后，丧失了能量成为“最终电子”进入弱电场区，6.2膜室内产生磁控型异

常辉光放电，氩气被

电离。最后到达阳极时已经是低能电子，不再会

使基片过热。图6.2 磁控溅射SiO2装置图

使基片热

功能薄膜材料同时高密度等离子体被束缚在靶面附近，又不与基片接触，

同时高密度等离子体被束缚在靶面附近又不与基片接触

将靶材表面原子溅射出来沉积在工件表面上形成薄膜。而基片又可免受等离子体的轰击，因而基片温度又可降低。更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。

功能薄膜材料

射频溅射

射频溅射的质量受到预抽真空度、溅射时的氩气压强、溅射功率、溅射时间、衬底温度等因素的影响，要想得到理想的溅射膜，必须优化这

些影响因素。纳米薄膜的获得主要通过两种途径：

(1)在非晶薄膜晶的过程中控制纳米结构的形成；

(2)在薄膜的成核生长过程中控制纳米结构的形成，其中薄膜沉积条件的控制极为重要。在溅射过程中,采用高的溅射气压、低的溅射易于得到纳米结构的薄膜。

纳米结构的薄膜

功能薄膜材料两种溅射法的对比分析

美国NASA中心的报告中评论了高频溅射技术提高薄膜粘附性，同时也指出了薄膜生长环境是在等离子区的恶劣环境中，薄膜缺陷的增加成为制备高频绝缘性能薄膜和提高成品率的个主要问题。

绝缘性能薄膜和提高成品率的一个主要问题。

对于离子束溅射技术和设备而言，离子束是从离子源等离子体中，通过离子光学系统引出离子形成的，离子靶和基体置放在远离等离子体的高真空环境光学系统引出离子形成的离子靶和基体置放在远离等离子体的高真空环境内，离子束轰击靶、靶材原子溅射出来，并在衬底基片上淀积成膜，没有等离子体恶劣环境影响，彻底克服了高频溅射技术和设备制备薄膜的缺陷。值得提出的是离子束溅射被普遍认为溅射出来的是个和几个原子原子尺得提出的是，离子束溅射被普遍认为溅射出来的是一个和几个原子，原子尺寸比分子尺寸小得多，可以形成分布更密，晶核更小的生长薄膜，进一步减少薄膜内的空洞，针孔缺陷，提高附着力和增强薄膜的弹性。