第3章 薄膜的制备
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薄膜材料第三章薄膜沉积的物理方法.
支撑加热材料 (蒸发舟)
电阻加热蒸发沉积装置
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
三、闪烁蒸发：
待蒸发材料以粉末形式被送入送粉机构，通过机械式或 电磁式振动机构的触发，被周期性少量输送到温度极高的蒸 发盘上，待蒸发材料瞬间蒸发形成粒子流，随后输运到基片 完成薄膜的沉积。 1、蒸发温度： 与电阻加热蒸发基本相同 (1500~1900 ℃)。 2、主要改进： 解决了薄膜成分偏离源材料组分的问题！ 3、应用场合： 制备蒸发温度较低的半导体、金属陶瓷和氧化物薄膜。 4、主要问题： 蒸发温度依然有限； 待蒸发材料是粉末态，易于吸附气体且除气难度较大； 蒸发过程中释放大量气体，易导致“飞溅”，影响成膜质量。
2、主要优点：
与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； 加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
3、主要问题：
电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质量。
电弧加热蒸发装置示意图
4、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜 (如DLC薄膜)。
薄膜材料
3 薄膜沉积的物理方法
薄膜 沉积 的 物理 方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD （离子镀、IBAD 、IBD 等） 分子束外延 ( MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE ，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE ，Hot Wall Epitaxy )
电阻加热蒸发沉积装置
3 薄膜沉积的物理方法
3.1 真空蒸发沉积（蒸镀）
3.1.2 蒸发沉积装置
三、闪烁蒸发：
待蒸发材料以粉末形式被送入送粉机构，通过机械式或 电磁式振动机构的触发，被周期性少量输送到温度极高的蒸 发盘上，待蒸发材料瞬间蒸发形成粒子流，随后输运到基片 完成薄膜的沉积。 1、蒸发温度： 与电阻加热蒸发基本相同 (1500~1900 ℃)。 2、主要改进： 解决了薄膜成分偏离源材料组分的问题！ 3、应用场合： 制备蒸发温度较低的半导体、金属陶瓷和氧化物薄膜。 4、主要问题： 蒸发温度依然有限； 待蒸发材料是粉末态，易于吸附气体且除气难度较大； 蒸发过程中释放大量气体，易导致“飞溅”，影响成膜质量。
2、主要优点：
与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； 加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。
3、主要问题：
电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质量。
电弧加热蒸发装置示意图
4、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜 (如DLC薄膜)。
薄膜材料
3 薄膜沉积的物理方法
薄膜 沉积 的 物理 方法
蒸发（Evaporatio n） 物理气相沉积技术 (PVD) Physical Vapor Deposition 溅射（Sputtering ） 离化PVD （离子镀、IBAD 、IBD 等） 分子束外延 ( MBE ，Molecular Beam Epitaxy ) 外延技术 液相外延 (LPE ，Liquid Phase Epitaxy ) Epitaxy 热壁外延 (HWE ，Hot Wall Epitaxy )
光学薄膜技术第三章
第三章薄膜制造技术光学薄膜可以采用物理汽相沉积（ PVD ）和化学液相沉积（CLD ）两种工艺来获得。
CLD 工艺简单，制造成 本低，但膜层厚度不能精确控制， 膜层强度差，较难获得多层膜，废水废气对环境造成污染， 已很少使用。
PVD 需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。
PVD 分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。
制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几 个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚。
在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题： ① 蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜； ② 空气分子进入薄膜而形成杂质； ③ 空气中的活性分子与薄膜形成化合物；④ 蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成 化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。
因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个过程称为抽气。
空气压力低于一个大气压的状态称为真空， 而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。
制作薄膜最重要的装备是真空设备.真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。
二 者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同 的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气系统的材料也不同， 下图是典型的高真空设备的原理图，制作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。
下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备 没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性， 超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直 接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵） 来辅助超高真空泵。
3.1高真空镀膜机 1•真空系统现代的光学薄膜制备都是在真空下获得的。
第3章 厚薄膜技术
常用薄膜导体
过渡金属
Mo、Ir、Ni、Pd、Fe、Pt、W、Ta、Cr、Ti、Zr 导电性差；仅用作复合金属膜
2、电阻薄膜材料
常用的电阻薄膜材料电阻率多发布在 100~2000μΩ·cm 电阻薄膜材料主要有三大类：金属类、合金 类、陶瓷类。
薄膜电阻材料的基本要求 与其他薄膜元件如电容、导线的制造工艺 兼容 良好的工艺性 稳定的电性能 化学稳定性好，材料和工艺成本低
厚膜导体的附着机理
附着机理 金属粒子由热扩散和粘性流动而连接，形 成网状结构 但金属与陶瓷基片的结合很弱 熔化的玻璃可以润湿陶瓷基片表面，产生 连接 玻璃渗入金属网状结构中，形成机械连接
厚膜导体表面形态
厚膜集成电路
采用丝网漏印、等离子喷涂和高温烧结等 技术在绝缘基片上制作的集成电路；
厚薄膜电路的材料-基片材料
分为两大类： 高介电常数介电体：介电常数在数百以 上，主要用于制造厚膜电容器； 低介电常数介电体：ห้องสมุดไป่ตู้电常数在10以下， 用于表面钝化、交叉绝缘层、多层布线绝 缘层及低容量电容器。
高介电常数介电体
高介电常数厚膜电容器主要为：BaTiO3、 Pb（Fe2/3W1/3）x（Fe1/2N1/2）和 TizO3 等。近年继续以BaTiO3钛酸钡为主进行开 发，只是将Ba和Ti由Pb、Ca、Fe等替 代，其介电常数可高达3000~5000。 除介电体材料特性外，烧成温度、时间、 电极材料和尺寸对电容器的特性都用较大 影响。
直流溅射—制备各类金属膜 射频溅射—各类金属与非金属膜 磁控溅射–-是一种淀积速度高、工作气压低的溅射 技术，提高了淀积速度及膜质量， 反应溅射—采用纯金属作为靶材，在气体中混入适 量的活性气体，获得不同的化合物薄膜。
第三章薄膜材料的表征方法
❖ 椭偏光谱学是一种利用线偏振光经样品反射后转变为 椭圆偏振光这一性质以获得样品的光学常数的光谱测 量方法，它区别于一般的反射透射光谱的最主要特点 在于不直接测算光强，而是从相位空间寻找材料的光 学信息，这一特点使这种测量具有极高的灵敏度。
❖ 椭偏光谱仪有多种结构，如消光式、光度式等，消光 式椭偏仪通过旋转起偏器和检偏器，对某一样品，在 一定的起偏和检偏角条件下，系统输出光强可为零。 由消光位置的起偏和检偏器的方位角，就可以求得椭 偏参数。然而，这种方法在具有较大背景噪声的红外 波段难于实现。光度式椭偏仪引入了对光强随起偏或 检偏角变化作傅立叶分析的方法，并可通过计算机对 测量过程进行控制。
❖ 表面粗糙度仪法又叫触针法，它是利用直径很小 的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针在 垂直方向的移动情况，并画出薄膜表面的轮廓。 这种方法长期以来就用作测定表面粗糙度的方法 之一，采用这种方法可以测量从基片到表面的高 度，即测定膜厚。
❖ 粗糙度仪的触针的头部是用金刚石磨成约2～ 10mm半径的圆弧后做成的。在触针上加有1～ 30mg的可以调节的压力。垂直位移可以通过机 械、电子或光学的方法被放大几千倍甚至一百万 倍，因而垂直位移的分辨率可以达到1nm左右。
❖ 3.1 薄膜厚度的测量
❖ 薄膜厚度的测量方法主要有光学测量法和机械测 量法两种。
❖ 光学测量法不仅可以测量透明薄膜, 还可以测量 不透明的薄膜; 不仅使用方便, 而且测量精度较高 , 因此得到广泛的应用。
❖ 机械测量法中应用最广的是表面台阶测试仪, 它 是通过在复合薄膜的各个层之间制备台阶, 探针 通过在台阶的滑动来测量薄膜的厚度。应用较多 的是日本的DEKTA K 系列。
❖ 通过测量膜厚可以确定各种薄膜的沉积速率，即 以所测膜厚除以溅射时间得到平均沉积速率，因 此精确测量膜厚变显得尤为重要。
第3章 薄膜的化学制备方法
第三章 薄膜制备的化学方法
概 念：薄膜制备过程中，凡是需要在一定化学反应发生的前提下完成薄膜制备的
技术方法，统称为薄膜沉积的化学方法。
条 件：化学反应需要能量输入和诱发 优、缺点：设备简单、成本较低、甚至无需真空环电热境化激即学活可作作进用用行：：；电CV镀D、、阳热极生氧长化处理
化学制备、工艺控制复杂、有可能涉及高温环境。
热壁 冷壁
CVD ：整炉高温、等温环境 CVD ：局部加热（仅基片和基片架）
按反应激活方式不同，可分为 光热致激活活化（普CV通DC（V紫D ）外光、激光、可见光）
等离子体激活（PECVD）
电化学镀膜方法
概念：电流通过在电解液中的流动而产生化学反应，在阳极或阴极上沉积薄膜的方法。
具体地，即利用电解反应，在
气相反应方法
化学气相沉积（CVD ） 热生长
分
类：
液相反应方法
电化以CVD为主
溶液化学反应
化学镀 溶胶凝胶法
L - B 技术
化学气相沉积（CVD）
在热CVD法中，把含有要生成膜材料的挥发性化合物（称为源）汽化，尽可能均 匀地送到加热至高温的基片上，在基片上进行分解、还原、氧化、置换等化学反 应，并在基片上生成薄膜。作为挥发性化合物使用的有卤化物、有机化合物、碳 氢化合物、碳酰等。
输运 反应
一、概述：
按工作压力不同，可分为
常压 低压
CVD ：无需真空、靠载气输运、污染较大 CVD ：易于气化反应物、无载气、污染小
低温 CVD（200 ~ 500℃）
按沉积温度不同，可分为
3）分类：
中温 高温
CVD（500 ~ 1000℃） CVD（1000 ~ 1300℃）
按加热方式不同，可分为
概 念：薄膜制备过程中，凡是需要在一定化学反应发生的前提下完成薄膜制备的
技术方法，统称为薄膜沉积的化学方法。
条 件：化学反应需要能量输入和诱发 优、缺点：设备简单、成本较低、甚至无需真空环电热境化激即学活可作作进用用行：：；电CV镀D、、阳热极生氧长化处理
化学制备、工艺控制复杂、有可能涉及高温环境。
热壁 冷壁
CVD ：整炉高温、等温环境 CVD ：局部加热（仅基片和基片架）
按反应激活方式不同，可分为 光热致激活活化（普CV通DC（V紫D ）外光、激光、可见光）
等离子体激活（PECVD）
电化学镀膜方法
概念：电流通过在电解液中的流动而产生化学反应，在阳极或阴极上沉积薄膜的方法。
具体地，即利用电解反应，在
气相反应方法
化学气相沉积（CVD ） 热生长
分
类：
液相反应方法
电化以CVD为主
溶液化学反应
化学镀 溶胶凝胶法
L - B 技术
化学气相沉积（CVD）
在热CVD法中，把含有要生成膜材料的挥发性化合物（称为源）汽化，尽可能均 匀地送到加热至高温的基片上，在基片上进行分解、还原、氧化、置换等化学反 应，并在基片上生成薄膜。作为挥发性化合物使用的有卤化物、有机化合物、碳 氢化合物、碳酰等。
输运 反应
一、概述：
按工作压力不同，可分为
常压 低压
CVD ：无需真空、靠载气输运、污染较大 CVD ：易于气化反应物、无载气、污染小
低温 CVD（200 ~ 500℃）
按沉积温度不同，可分为
3）分类：
中温 高温
CVD（500 ~ 1000℃） CVD（1000 ~ 1300℃）
按加热方式不同，可分为
第3章 厚薄膜电路
溅射蚀刻优点
（1）膜下的材料不存在任何钻蚀问题，气体离 子以基板的法线方向撞击基板。这就意味着没有 任何离子从切线方向撞击膜，因而侧面平直，与 其相反，化学蚀刻的速率在切线方向与法线方向 是相同的。因此，造成与薄膜厚度相等的钻蚀。
（2）由于不再需要用来蚀刻薄膜的烈性化学物 质，所以对人员的危害较小，而且没有污水处理 的问题。
电阻丝蒸发与电子束蒸发（2）
电子束蒸发法具有很多的优点。通过电场 加速的电子流在进入磁场后倾向与呈弧线运动， 利用这种现象，把高能电子流直接作用在蒸发 物质上。当它们轰击到蒸发剂时，电子的动能 转变成热。因为舟的电阻并不是一个影响因素， 而控制电子能量的参数是容易测量和控制的， 所以电子束蒸发是更容易控制的。此外，热将 更集中和强烈，使得在高于10-2torr温度下蒸发 成为可能，也减轻了蒸发剂与舟之间的反应。
图 电子束蒸发装置示意图
2、溅射法—可制备各类金属、合金、化合物薄 膜。
直流溅射—制备各类金属膜
磁控溅射–-是一种淀积速度高、工作气压低的溅射 技术，提高了淀积速度及膜质量，
反应溅射—采用纯金属作为靶材，在气体中混入适 量的活性气体，获得不同的化合物薄膜。
溅射淀积薄膜
如图所示，在一个大约10Pa压力的局部真空里形 成一个导电的等离子体，用于建立等离子体所用的气 体通常是与靶材不发生反应的某种惰性气体，例如氩 气。基板和靶材置于等离子体中，基板接地，而靶材 具有很高的AC或DC负电位，高电位把等离子体中的 气体离子吸引到靶材上，具有足够动能的这些离子与 靶材碰撞，撞击出具有足够残余动能的微粒，使其运 动到达基板并黏附其上。
第3章
厚/薄膜技术
概述
厚膜技术使用丝网印、干燥与烧结三种工艺方法。 薄膜技术是一种减法技术，使用镀膜、光刻与刻蚀方法。 均用于制作电阻、电容、基板上的布线导体等。
第三章 膜材料和膜制备-2
27
1 膜的性能表征-膜的物理化学稳定性
耐热性
与膜材料的选择是对应的
耐酸碱性
抗氧化性
抗微生物分解性
表面性质（荷电性或表面吸附性）
亲水/疏水性
机械强度
毒性
28
1 膜的性能表征-膜的经济性
价格由膜材料和制造工艺两个方面决定。
适度的分离率、较高的通量、较好的物理 化学稳定性、无缺陷和便宜的价格。
34
2 膜的改性--膜表面改性
膜材料表面化学改性：
高能辐照接枝法：高能辐射线引发单体聚合，称为辐照聚合。Γ-射线、 X-射线、β-射线、α-射线及中子射线。利用辐射能量，将膜材料表面产 生自由基，引发单体接枝聚合，把某些性能的基团或聚合物支链接到膜 材料的高分子链上。例如：对聚偏氟乙烯（PVDF）辐照，然后接枝乙烯 基单体，在进行磺化，使PVDF膜成为具有磺酸基团的超滤膜，结果其截 留率提高、亲水性增强、膜污染减轻。
➢ 结晶的变化和结晶形态的变化，是能否形成 微孔及微孔大小的决定因素。 ➢牵伸倍数和牵伸温度，对于形成微孔尺寸和 孔隙率是很重要的。
7
微孔膜的制备⑵ 烧结法
将粉状聚合物或金属粉均匀加热，控制温度和压 力，使粉粒间存在一定空隙，只使粉粒的表面熔融但 并不全熔，从而相互粘结形成多孔的薄层或管状结构。 膜孔径的大小，由原料粉的粒度及浇结温度来控制。 此法多用于聚乙烯、聚四氟乙烯、金属粉末等膜材料。
微（多）孔膜：拉伸法，烧结法、核径迹 法、溶出法 相转化法：热凝胶法（TIP法）、沉淀凝胶法 （L-S法）
复合膜的制备
离子交换膜
6
微孔膜的制备⑴ 拉伸法
形成半晶态聚合物是关键。当聚舍物处于半结晶状态，内部存在晶区和非晶区 时，两个区的力学性质是不同的，当聚合物受到拉伸力量，非晶区受到过度拉伸 致使局部断裂形成微孔，晶区则作为微孔区的骨架得以保存形成拉伸半晶体膜
1 膜的性能表征-膜的物理化学稳定性
耐热性
与膜材料的选择是对应的
耐酸碱性
抗氧化性
抗微生物分解性
表面性质（荷电性或表面吸附性）
亲水/疏水性
机械强度
毒性
28
1 膜的性能表征-膜的经济性
价格由膜材料和制造工艺两个方面决定。
适度的分离率、较高的通量、较好的物理 化学稳定性、无缺陷和便宜的价格。
34
2 膜的改性--膜表面改性
膜材料表面化学改性：
高能辐照接枝法：高能辐射线引发单体聚合，称为辐照聚合。Γ-射线、 X-射线、β-射线、α-射线及中子射线。利用辐射能量，将膜材料表面产 生自由基，引发单体接枝聚合，把某些性能的基团或聚合物支链接到膜 材料的高分子链上。例如：对聚偏氟乙烯（PVDF）辐照，然后接枝乙烯 基单体，在进行磺化，使PVDF膜成为具有磺酸基团的超滤膜，结果其截 留率提高、亲水性增强、膜污染减轻。
➢ 结晶的变化和结晶形态的变化，是能否形成 微孔及微孔大小的决定因素。 ➢牵伸倍数和牵伸温度，对于形成微孔尺寸和 孔隙率是很重要的。
7
微孔膜的制备⑵ 烧结法
将粉状聚合物或金属粉均匀加热，控制温度和压 力，使粉粒间存在一定空隙，只使粉粒的表面熔融但 并不全熔，从而相互粘结形成多孔的薄层或管状结构。 膜孔径的大小，由原料粉的粒度及浇结温度来控制。 此法多用于聚乙烯、聚四氟乙烯、金属粉末等膜材料。
微（多）孔膜：拉伸法，烧结法、核径迹 法、溶出法 相转化法：热凝胶法（TIP法）、沉淀凝胶法 （L-S法）
复合膜的制备
离子交换膜
6
微孔膜的制备⑴ 拉伸法
形成半晶态聚合物是关键。当聚舍物处于半结晶状态，内部存在晶区和非晶区 时，两个区的力学性质是不同的，当聚合物受到拉伸力量，非晶区受到过度拉伸 致使局部断裂形成微孔，晶区则作为微孔区的骨架得以保存形成拉伸半晶体膜
第3章厚膜与薄膜技术资料
半导体集成电路封装技术
2019/6/25
天津工业大学
主讲人：张建新 主楼 A415
1
课程概况
第1章 集成电路芯片封装概述
第2章 封装工艺流程
第3章 厚膜与薄膜技术
第4章 焊接材料
第5章 印制电路板
第6章 元器件与电路板的接合
第7章 封胶材料与技术
第8章 陶瓷封装
第9章 塑料封装
在基板上制成导线互连结构以组合各种电路元器件， 而成为所谓的混合集成电路封装。
基板材料： 氧化铝、玻璃陶瓷、氮化铝、氧化铍、碳化硅、石英 等均可以作为这两种技术的陶瓷类基板材料 薄膜技术也可以使用硅与砷化镓晶圆片作基板材料
2019/6/25
3
3.1 厚膜技术
厚膜混合电路的工艺简述： 用丝网印刷方法把导体浆料、电阻浆料和绝缘材料(介 质或介电材料)浆料等转移到基板上来制造的。印刷的 膜经过烘干以去除挥发性的成分，然后暴露在较高的 温度下烧结以活化粘接机构，完成膜与基板的粘接。
（1）烧结玻璃材料：使用玻璃或釉料(非晶玻璃)的膜
粘接机理：化学键合和物理键合。总的粘接结果是这两 种因素的叠加，物理键合比化学键合在承受热循环或热 储存时更易退化，通常在应力作用下首先发生断裂。
基体作用：使有效物质悬浮，并保持彼此接触，有利于 烧结并为膜的一端到另一端提供了一连串的三维连续通 路。主要的厚膜玻璃是基于B2O3-SiO2网络形成体。
特点：与玻璃料相比，这一类浆料改善了粘接性。 但烧结温度较高，一般在950～1000℃下烧结， 加速了厚膜烧结炉的损耗，炉体维护频率高。
（3）混合粘接系统：利用反应的氧化物和玻璃材料。
粘接机理：氧化物一般为ZnO或CaO，在低温下发 生反应，但是不如铜那样强烈。再加入比在玻璃料 中浓度要低些的玻璃以增加附着力。
2019/6/25
天津工业大学
主讲人：张建新 主楼 A415
1
课程概况
第1章 集成电路芯片封装概述
第2章 封装工艺流程
第3章 厚膜与薄膜技术
第4章 焊接材料
第5章 印制电路板
第6章 元器件与电路板的接合
第7章 封胶材料与技术
第8章 陶瓷封装
第9章 塑料封装
在基板上制成导线互连结构以组合各种电路元器件， 而成为所谓的混合集成电路封装。
基板材料： 氧化铝、玻璃陶瓷、氮化铝、氧化铍、碳化硅、石英 等均可以作为这两种技术的陶瓷类基板材料 薄膜技术也可以使用硅与砷化镓晶圆片作基板材料
2019/6/25
3
3.1 厚膜技术
厚膜混合电路的工艺简述： 用丝网印刷方法把导体浆料、电阻浆料和绝缘材料(介 质或介电材料)浆料等转移到基板上来制造的。印刷的 膜经过烘干以去除挥发性的成分，然后暴露在较高的 温度下烧结以活化粘接机构，完成膜与基板的粘接。
（1）烧结玻璃材料：使用玻璃或釉料(非晶玻璃)的膜
粘接机理：化学键合和物理键合。总的粘接结果是这两 种因素的叠加，物理键合比化学键合在承受热循环或热 储存时更易退化，通常在应力作用下首先发生断裂。
基体作用：使有效物质悬浮，并保持彼此接触，有利于 烧结并为膜的一端到另一端提供了一连串的三维连续通 路。主要的厚膜玻璃是基于B2O3-SiO2网络形成体。
特点：与玻璃料相比，这一类浆料改善了粘接性。 但烧结温度较高，一般在950～1000℃下烧结， 加速了厚膜烧结炉的损耗，炉体维护频率高。
（3）混合粘接系统：利用反应的氧化物和玻璃材料。
粘接机理：氧化物一般为ZnO或CaO，在低温下发 生反应，但是不如铜那样强烈。再加入比在玻璃料 中浓度要低些的玻璃以增加附着力。
第三章溅射薄膜制备技术
电子优先到达固体表面！
结果：任何与等离子体接触的表面自动处于一 个负电位，并在其表面处伴随有正电荷的积累。 形成等离子体鞘层。
鞘层电压：
V p
kTe e
ln(
m
1
)2
2.3me
典型值：-10V，并变化不大。
在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，
电子受到减速，需大的能量方能到达基片。
鞘层厚度b：与电子密度及温度有关，典型值100微米。
第一节、基本概念
1、溅射镀膜的定义：
高能离子在电场作
用下高速轰击阴极 （靶），经过能量
溅
交换与转移，靶材
粒子飞离出来，
淀积在基板上形成 薄膜。
射
离子轰击固体表曲所引起的各种效应
等离子体
占靶产物的85-90％ 镀膜
SIMS分析
刻蚀，清洗
2、什么是等离子体
当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与 电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系 统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量 的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离 子体状态。
原子作用势为Thomas-Fermi势 平均表面势垒；垂直入射
碰撞阻止能
1969年，Sigmund给出，当离子能量>1keV：
S 0.042 (m2 / m1)Sn (E)
U0
表面势垒， 一般取升华能
(m2
/
m1 )
0.15
0.13
m2 m1
若考虑原子的相互作用：
S
3.56 (m2
/
m1)
Z1Z 2
工作气压： ；
2. 真空度低，1-10Pa，方能维持放电。 3. 残留气体对膜层的污染较严重。 4. 淀积速率低，小于10nm/min； 5. 基板的温升高，辐照损伤大； 6. 靶材必须是良导体（直流）。
结果：任何与等离子体接触的表面自动处于一 个负电位，并在其表面处伴随有正电荷的积累。 形成等离子体鞘层。
鞘层电压：
V p
kTe e
ln(
m
1
)2
2.3me
典型值：-10V，并变化不大。
在薄膜制备中的意义：离子受到加速，轰击基片，
电子受到减速，需大的能量方能到达基片。
鞘层厚度b：与电子密度及温度有关，典型值100微米。
第一节、基本概念
1、溅射镀膜的定义：
高能离子在电场作
用下高速轰击阴极 （靶），经过能量
溅
交换与转移，靶材
粒子飞离出来，
淀积在基板上形成 薄膜。
射
离子轰击固体表曲所引起的各种效应
等离子体
占靶产物的85-90％ 镀膜
SIMS分析
刻蚀，清洗
2、什么是等离子体
当温度增高到使原子（分子）间的热运动动能与 电离能相当的时候，变成（部分）电离气体，系 统的基本组元变成了离子和电子（可以包含大量 的原子和分子）。电磁力开始作用，这就是等离 子体状态。
原子作用势为Thomas-Fermi势 平均表面势垒；垂直入射
碰撞阻止能
1969年，Sigmund给出，当离子能量>1keV：
S 0.042 (m2 / m1)Sn (E)
U0
表面势垒， 一般取升华能
(m2
/
m1 )
0.15
0.13
m2 m1
若考虑原子的相互作用：
S
3.56 (m2
/
m1)
Z1Z 2
工作气压： ；
2. 真空度低，1-10Pa，方能维持放电。 3. 残留气体对膜层的污染较严重。 4. 淀积速率低，小于10nm/min； 5. 基板的温升高，辐照损伤大； 6. 靶材必须是良导体（直流）。
03第三章 薄膜的表征与分析
这种方法能够迅速、直观地测定薄膜的厚度和表面形
貌，并且有相当的精度，但对于小于探针直径的表面缺陷 则无法测量。 另外，探针的针尖会对膜表面产生很大的压强，导致 膜面损伤。
薄膜厚度的测量
将基片的一部分用掩膜
遮盖后镀膜，去掉掩膜后形成 台阶，即所谓的常用掩膜镀膜
法。由于掩膜与基片之间存在
着间隙，因此这种方法形成的 台阶不是十分清晰，相对误差
薄膜厚度的测量
5、 称重法
如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确
测定的话，由公式
m d A
就可以计算出薄膜的厚度d。 缺点：它的精度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A的测量 精度。
薄膜的表征与分析
二、薄膜结构的表征方法
薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。其中薄膜结 构的研究可以依所研究的尺度范围被划分为以下三个层
薄膜厚度的测量
2、不透明薄膜厚度的测量 如果被研究的薄膜是不透明的，而且在沉积薄膜时 或在沉积之后能够制备出待测薄膜的一个台阶，那么即可 用等厚干涉条纹的方法方便地测出台阶的高度。
S / 2
d 0 2
2S N 2
薄膜厚度的测量
2、不透明薄膜厚度的测量
台阶上下沉积一层高反射率的金属层
薄膜结构的表征方法
1、扫描电子显微镜
(1)、二次电子像
二次电子是入射电子从样品表层激发出来的能量最低的一部分电 子。二次电子低能量的特点表明，这部分电子来自样品表面最外层的 几层原子。用被光电倍增管接收下来的二次电子信号来调制荧光屏的 扫描亮度。由于样品表面的起伏变化将造成二次电子发射的数量及角 度分布的变化，因此，通过保持屏幕扫描与样品表面电子束扫描的同 步，即可使屏幕图像重现样品的表面形貌，而屏幕上图像的大小与实 际样品上的扫描面积大小之比即是扫描电子显微镜的放大倍数。 特点：有较高的分辨率。
4 第三章 薄膜的生长解析
4.稳定核再捕获气体吸附原子,或者与入射气相原子结合使它 进一步长大成为小岛.
薄膜的形成——3.2核形成与生长
核形成理论 解决问题：核的形成条件和生长速率
成核理论不断发展，出现了若干种成核理论。归纳起来，基 本上是两种理论：
a. 热力学界面能理论（毛细管现象理论、微滴理论）； b. 原子聚集理论（统计理论） 热力学界面能理论 认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变 过程，其中从吸附相到固相的转变是在基片表面上进行的。
薄膜的形成——3.1凝结过程
★ 凝结过程
薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合
生长过程。凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子 入射到基体表面后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程。
一、吸附过程
基本概念
表面悬挂键：不饱和的化学键。
吸附：入射到基片表面的气相原子被悬挂键吸引，束缚在 表面的现象。
薄膜的形成——3.1凝结过程
金银铜等与脱附表面的活化能接近的液化热值大，平均吸 附时间接近于无穷大，从吸附角度看，可以将它们称为表 面物质。 Ar-玻璃脱附活化能值小，平均吸附时间极小，从吸附角度 看，可以将它们称为气体。
薄膜的形成——3.1凝结过程
二、表面扩散过程
吸附原子的表面扩散是凝结的必要条件 原子扩散——形成原子对——凝结 表面扩散势垒 脱附活化能
薄膜的形成——3.2核形成与生长
二、熔接过程：在极短的时间内，两个相邻的核心之间形成了直接接 触，并很快完成了相互吞并过程。表面自由能的降低趋势仍是整个
过程的驱动力。原子的表面扩散较体内扩散机制对熔结过程的贡献
大； 三、原子团迁移或者岛的迁移：在衬底上的原子团还具有相当的活动
第3章-光学薄膜的设计理论
青岛大学物理科学学院
第３章 光学薄膜的设计理论
有效界面法－物理模型
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第３章 光学薄膜的设计理论
有效界面法－分析方法
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第３章 光学薄膜的设计理论
有效界面法－分析方法
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第３章 光学薄膜的设计理论
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第３章 光学薄膜的设计理论
单一界面光斜入射
S偏振光(TE波)：电场强度E垂直于入射面 P偏振光(TM波)：电场强度E垂直于入射面
N ０
N1
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第３章 光学薄膜的设计理论
2.1.３单一界面反射率与透射率
青岛大学物理科学学院
第３章 光学薄膜的设计理论
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多层膜的反射
n i sin r C co s r 1 r B co s r ir sin r r 1 n 1 2 N r d r co s r 其中： r
当膜层的光学厚度为λ/4时
cos i1 sin
i sin
0 i / 1 1 i 0 cos 1
12 Y 2
1Y 2 r 1 Y 1 12
2 1 1
2
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第３章 光学薄膜的设计理论
青岛大学物理科学学院
第３章 光学薄膜的设计理论
矢量作图法的约定
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第３章 光学薄膜的设计理论
矢量作图法举例
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第３章 光学薄膜的设计理论
矢量作图法举例－计算振幅反射系数
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第三章薄膜的物理气相沉积-溅射法
能的特点，将离子引向欲被溅射的物质做成的靶电极。在离 子能量合适的情况下，入射离子在与靶表面原子碰撞过程中
将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能，
并且会沿着一定的方向射向衬底，实现薄膜的沉积。 由溅射现象的发现到离子溅射在镀膜技术中的应用，期间 经历了一个漫长的发展过程。
1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管
12
为维持放电进行，下述两个过程必不可少 1）、电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个
电子（初始电子），该电子在电极间电压的作用
下，向阳极运动。当电子能量超过一定值后，使 气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子 和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子， 重复这一过程，即实现电子的所谓繁衍。
2）、二次电子发射过程：离子在阴极电位降的
气体分子以游离状态存在着。当两电极上加直流电压时，
这些少量的正离子和电子将在电场下运动，形成电流。曲 线的开始阶段。 由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的， 所以，当正离子和电子一产生，便被电极拉过去。即使再
升高电压，到达电极的电子与离子数目不变。此时的电流
密度很小，一股情况下仅有10-16—10-11安培左右。此区是 导电而不发光，所以称为无光放电区。
气体辉光放电形成等离子体之后，放电过程就进入了可以自持
（自我维持）的阶段，气体中的荷电粒子，也就是带电荷的粒子， 在吸收了一定的电场能量之后，已经可以不断地复制出新的电子和 离子。
26
27
3.1 气体放电现象与等离子体
放电的自持阶段：原先由于辉光放电形成的等离子体当 中的荷电粒子，开始不断地轰击气体分子，产生新的电子 和离子；这些新的电子和离子产生之后，又去不断地轰击
玻璃内壁上有金属沉积现象； 1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅 射出的产物；
将后者溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能，
并且会沿着一定的方向射向衬底，实现薄膜的沉积。 由溅射现象的发现到离子溅射在镀膜技术中的应用，期间 经历了一个漫长的发展过程。
1853年，法拉第在进行气体放电实验时，总是发现放电管
12
为维持放电进行，下述两个过程必不可少 1）、电子的繁衍，开始由阴极表面发射出一个
电子（初始电子），该电子在电极间电压的作用
下，向阳极运动。当电子能量超过一定值后，使 气体原子发生碰撞电离，后者被电离为一个离子 和一个电子。这样，一个电子就变为两个电子， 重复这一过程，即实现电子的所谓繁衍。
2）、二次电子发射过程：离子在阴极电位降的
气体分子以游离状态存在着。当两电极上加直流电压时，
这些少量的正离子和电子将在电场下运动，形成电流。曲 线的开始阶段。 由于气体分子在这种情况下的自然游离数是恒定的， 所以，当正离子和电子一产生，便被电极拉过去。即使再
升高电压，到达电极的电子与离子数目不变。此时的电流
密度很小，一股情况下仅有10-16—10-11安培左右。此区是 导电而不发光，所以称为无光放电区。
气体辉光放电形成等离子体之后，放电过程就进入了可以自持
（自我维持）的阶段，气体中的荷电粒子，也就是带电荷的粒子， 在吸收了一定的电场能量之后，已经可以不断地复制出新的电子和 离子。
26
27
3.1 气体放电现象与等离子体
放电的自持阶段：原先由于辉光放电形成的等离子体当 中的荷电粒子，开始不断地轰击气体分子，产生新的电子 和离子；这些新的电子和离子产生之后，又去不断地轰击
玻璃内壁上有金属沉积现象； 1902年，Goldstein证明上述金属沉积是正离子轰击阴极溅 射出的产物；
薄膜物理 第3章 溅射法
(thermalized spike) 效应。
返 回
3.2 气体放电现象
在讨论气体放电现象之前，我们 先考思一下直流电场作用下物质的溅射现 象。如图3.1所示真空系统，在对系统抽 真空后，充入一定压力的惰性气体，如氩 气。在正负电极间外加电压的作用下，电 极间的气体原子将被大量电离，产生氩离 子和可以独立运动的电子，电子在电场作 用下飞向阳极，氩离子则在电场作用下加 速飞向阴极—靶材料，高速撞击靶材料， 使大量的靶材料表面原子获得相当高的能 量而脱离靶材料的束缚飞向衬底。
（5）工作气压对薄膜质量的影响
溅射气压较低时，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量 较高，这有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密度。 溅射气压的提高使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化。
（6）直流溅射装置的缺点
不能独立控制各个工艺参数，如阴极电压、电流以及溅射气压； 使用的气压较高（10Pa左右），溅射速率低，薄膜质量（致密度、纯度）差。 （7）直流溅射装置的改进
表3.2是从沉积原理方面对溅射和蒸发这两种薄膜制备方法 进行的总结与比较
返 回
3.4 溅射沉积装置
靶材：纯金属、合金——通过冶炼或粉末冶金法制备，纯度及致密性较好。
化 合 物———粉末热压法制备，纯度及致密性较差。
主要溅射法： 直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射 其他溅射法
1 直流溅射
直流溅射又称阴极溅射或二极溅射，适用
于导电性较好各类合金薄膜。
（1）直流溅射设备(如右图） （2）直流溅射的基本原理：
在对系统抽真空后，充入一定 压力的惰性气体，如氩气。在正 负电极间外加电压的作用下，电 极间的气体原子将被大量电离， 产生氩离子和可以独立运动的电 子，电子在电场作用下飞向阳极， 氩离子则在电场作用下加速飞向 阴极—靶材料，高速撞击靶材料， 使大量的靶材料表面原子获得相 当高的能量而脱离靶材料的束缚 飞向衬底。
固体表面界面和薄膜第五版课程设计
固体表面界面和薄膜第五版课程设计前言本课程是固体表面界面和薄膜的研究领域中的基础课程。
本课程主要涵盖了表面和界面的基本概念，以及薄膜材料的制备和应用。
通过本课程的学习，学生将掌握基础的表面和界面物理学知识，以及薄膜材料的制备原理和应用方法。
教学目标本课程旨在培养学生以下能力：1.掌握表面和界面物理学的基本概念；2.掌握薄膜材料的制备原理和应用方法；3.发展学生的独立思考、实验技能和科研能力；4.培养学生的创新精神和科研合作意识。
教材•《固体表面界面与薄膜物理学》（第五版），作者：某某，出版社：某某出版社，2018年5月第5版。
教学方式本课程采用讲授和实验相结合的教学方式。
讲授主要讲解理论知识，实验则是通过实践来巩固理论知识，同时培养学生的实验技能和科研能力。
课程安排第一章：表面和界面物理学基础•（1）表面能和表面自由能•（2）表面张力和表面弹性•（3）表面和界面的压力•（4）温度和表面自由能•（5）界面面积和表面电势•（6）界面稳定和表面扭曲第二章：表面和界面现象•（1）毛细现象•（2）接触角和表面张力•（3）润湿和润湿性理论•（4）界面活性剂和胶束第三章：薄膜的制备方法•（1）物理气相沉积（PVD）•（2）化学气相沉积（CVD）•（3）溅射法和离子束沉积（IBS）•（4）电化学沉积和自组装法第四章：薄膜的应用•（1）微电子学和集成电路•（2）显示技术和LCD•（3）光学和光学薄膜•（4）纳米材料和纳米电子学实验本课程设置3个实验，主要包括表面张力测量、润湿性测量和薄膜制备。
•实验1：表面张力测量•实验2：润湿性测量•实验3：薄膜制备实验考核方式本课程采用考试和实验报告相结合的考核方式。
•平时表现：占总成绩20%•期末考试：占总成绩50%•实验报告：占总成绩30%总结本课程涵盖了固体表面和界面物理学的基础知识和薄膜材料的制备和应用方法。
通过理论讲解和实验操作，学生将掌握相关的知识和技能，培养独立思考和创新精神，为今后的科研工作奠定良好的基础。
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af > as
(2) 要求坩锅材料具有化学稳定性；
(3) 能承载一定量的待蒸镀材料。
点蒸发源
点源可以是向任何方向蒸发。
立体角dω内，物
基片表面
md S
θ
M 0 cos 4 r 2
质蒸发的质量为：
dm0 M 0 d 4
r
dω
基片上单位面积 附着物质量为：
点蒸发源
微面蒸发源
立体角dω内，物
质蒸发的质量为：
3.2 薄膜的形成机理
薄膜的生长过程分为以下三种类型： (1) 核生长型
(2) 层生长型
(3) 层核生长型
(1) 核生长型
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，大部分的薄膜的
（1）物态 气态
液态 固态(thin solid film)
（2）结晶态：
非 晶 态 ： 晶 态
（3）化学角度
有机薄膜 无机薄膜
（4）组成
金பைடு நூலகம்薄膜 非金属薄膜
（5）物性
硬质薄膜 声学薄膜 热学薄膜 金属导电薄膜 半导体薄膜 超导薄膜 介电薄膜 磁阻薄膜 光学薄膜
3.5 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)
定义：当形成的薄膜除了从原材料获得组成元素 外，还在基片表面与其他组分发生化学 反应，获得与原成分不同的薄膜材料，这
种存在化学反应的气相沉积称为CVD。
3.5.1
CVD反应原理
SiH4 Si + 2H2
1）. 热分解反应
PH3
4
三温度法制备GaAs单晶膜原理
改进三温度法
（分子束外延法，四温度法）
加热器
基片
原理： 使蒸发源发出的所有组 成元素分子呈束状，而
不构成整个腔体气氛。
液氮
液氮
分子束外延原理
GaAsxP1-x
分子束外延
分子束外延是以蒸镀为基础发展起来的技术。
外 延
指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体
（同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系
小岛成核
核长大
结合
连续膜
孔洞
沟道
(2) 层生长型
特点：沉积原子在衬底的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„„。 一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积 原子相互之间键能的情况下（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。例如在 Au 衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜
沉积温度越高，沉积速度越快，沉积物愈致密，结 构完善； 沉积温度根据沉积物的结晶温度，并兼顾基体的耐 热性决定。
例如：
＜1100C ,反应不完全 ＞1150℃ AlCl3 CO2 H 2 -Al2O3 1500～1550℃ -Al2O （多晶） -Al2O （单晶膜） 3 3
Atomic rain Clusters Particles Discharge Impurity, Contamination Vacuum
3.4.1
蒸发的分子动力学基础
气相分子的流量
蒸发速率
m mJ 7.75 p T
1
2
2 kg m s
到达基片的分子数与 蒸发分子数的比率：
材料合成与制备方法
第三章 薄膜的制备
3.1 薄膜材料基础
（1）. 薄膜材料的概念 采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物
质（原材料)的基团以物理或化学方式附着于衬底
材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这
层新物质就是薄膜。
简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过 程形成的二维材料。
（2）. 薄膜分类
5）. 物理激励反应过程
① 利用气体辉光放电
将反应气体等离子化，从而使反应气体活化，降低反 应温度。
② 利用光激励反应
光的辐射可以选择反应气体吸收波段，或者利用其他 感光性物质激励反应气体。
③ 激光激励
3.5.2
影响CVD薄膜的主要参数
1）. 反应体系成分
CVD原料通常要求室温下为气体，或选用
具有较高蒸气压的液体或固体等材料。
(3) 层核生长型
特点：生长机制介于核生长型和层生长型的中间 状态。 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等都属于这种类型。
3.3基片的类型：
薄膜涂层本身不能单独作为一种材料 来使用，必须和基片结合起来才能发挥其 作用。
玻璃基片
蒸发源材料与薄膜材料的反应性
蒸发源材料与薄膜材料间的润湿性
电阻加热蒸发源的形状 螺旋丝状：可以从各个方向发射蒸气
箔舟状：可蒸发不浸润蒸发源的材料，效率较高，但只能 向上蒸发。
电子束加热法
钽板 钨丝
棒状薄膜材料 钽板 薄 膜 材 料
钨丝
基座（铜制） 冷却水
棒状料
块或粉末状料
与电阻加热蒸发法相比的优点：防止蒸发源 材料以杂质的形式混入薄膜中
基片表面
δ r
θ
基片表面
δ
r
θ d ω
h
φ
d ω
h
微面蒸发源
点源： 点蒸发源
蒸发源的加热方式
电阻加热法 电子束加热法 高频感应加热，电弧加热，激光加热法
电阻加热法 • 电阻作为蒸发源，通过电流受热后蒸发成膜。
• 使用的材料有：W、Mo、Nb、Ta及石墨等。 要考虑的因素：
蒸发源材料的熔点和蒸气压
陶瓷基片
单晶基片 金属基片
基片的清洗 基片的清洗方法应根据薄膜生长方法和薄膜使用 目的来确定
使用洗涤剂清洗
化学药品和溶剂清洗
超声波清洗
离子轰击清洗 烘烤清洗：
3.4 物理气相沉积
1). 定义 利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化
学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜
生长过程的技术,以PVD为代表。 2). 成膜方法与工艺
双蒸发源蒸镀法
（三温度法）
导入O2/空气 空气导 入口
断 流 阀
SiO-O2-空气反应 蒸镀制SiO2膜原理
可 调 泄 漏 阀 导入O2/空气
三温度法
工作原理：双蒸发源蒸镀＋反应蒸镀
基片(GaAs,Ge等；425~450℃ ) 加热炉
高真 空泵
加热器
As蒸发源 (~295℃)
加热器
Ga蒸发源(~910℃)
的异类单晶体（异质外延）。
外延方法很多，有气相外延法、液相外延法、真空 蒸发外延法、溅射外延法等。
film
substrate
同质外延
压应力
张应力(拉应力) 异质外延
压应变（ae > as）
同质外延（ae= as）
张应变（ae < as ）
应变能释放出现刃位错
The strained film said: “We are all tired enough, please give us a break!”
x N N0 exp L 气体分子平均自由程：
一个分子在连续两次碰撞之间所经过的直线路程 (即自由程)长度不尽相同，将各段自由程取平均
值，即为平均自由程。
L
2 r r
4kT
' 2
p
3.4.2
蒸发源
l
L
D
（a）克努曾盒型（b）自由挥发型 （c）坩埚型
• 应具备的条件 (1) 能加热到平衡蒸气压时的蒸发温度；
真空蒸发镀膜
溅射镀膜 离子成膜
3). 物理气相沉积－－真空蒸镀
真空室 （钟罩）
真空蒸镀是将 待成膜的物质置于 真空中进行蒸发或
基片 挡板
膜厚计
薄膜材料
蒸发源
中间室
升华，使之在工件 或基片表面析出的
电流引入线 高真空泵
过程。
真空蒸发镀膜
形成薄膜经历三个过程：
1) 蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材
薄膜的一个重要参数 厚度，决定薄膜性能、质量 通常，膜厚 < 数十μm，
一般在1μm 以下。
3. 薄膜应用
光学薄膜、集成电路、太阳能电池、液晶显示膜、
光盘、磁盘、刀具硬化膜、建筑镀膜制品、塑料金
属化制品
4.代表性的制备方法按物理、化学角度 来分，有： 1) 物理成膜 2) 化学成膜 PVD CVD
Cloud
“Atomic-World”
target
substrate
Cloud Earth surface -- ground Target/evaporated source Substrate surface
Natural rain Snow Hail Thunder storm Dust, Pollution Environmental protection
电子束聚焦（静电聚焦、磁场聚焦）
3.4.3
合金、化合物的蒸镀方法
薄膜材料 加料斗 基片
1). 合金的蒸镀
闪蒸蒸镀法 双蒸发源蒸镀法
af > as
(2) 要求坩锅材料具有化学稳定性；
(3) 能承载一定量的待蒸镀材料。
点蒸发源
点源可以是向任何方向蒸发。
立体角dω内，物
基片表面
md S
θ
M 0 cos 4 r 2
质蒸发的质量为：
dm0 M 0 d 4
r
dω
基片上单位面积 附着物质量为：
点蒸发源
微面蒸发源
立体角dω内，物
质蒸发的质量为：
3.2 薄膜的形成机理
薄膜的生长过程分为以下三种类型： (1) 核生长型
(2) 层生长型
(3) 层核生长型
(1) 核生长型
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，大部分的薄膜的
（1）物态 气态
液态 固态(thin solid film)
（2）结晶态：
非 晶 态 ： 晶 态
（3）化学角度
有机薄膜 无机薄膜
（4）组成
金பைடு நூலகம்薄膜 非金属薄膜
（5）物性
硬质薄膜 声学薄膜 热学薄膜 金属导电薄膜 半导体薄膜 超导薄膜 介电薄膜 磁阻薄膜 光学薄膜
3.5 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)
定义：当形成的薄膜除了从原材料获得组成元素 外，还在基片表面与其他组分发生化学 反应，获得与原成分不同的薄膜材料，这
种存在化学反应的气相沉积称为CVD。
3.5.1
CVD反应原理
SiH4 Si + 2H2
1）. 热分解反应
PH3
4
三温度法制备GaAs单晶膜原理
改进三温度法
（分子束外延法，四温度法）
加热器
基片
原理： 使蒸发源发出的所有组 成元素分子呈束状，而
不构成整个腔体气氛。
液氮
液氮
分子束外延原理
GaAsxP1-x
分子束外延
分子束外延是以蒸镀为基础发展起来的技术。
外 延
指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体
（同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系
小岛成核
核长大
结合
连续膜
孔洞
沟道
(2) 层生长型
特点：沉积原子在衬底的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„„。 一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积 原子相互之间键能的情况下（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。例如在 Au 衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜
沉积温度越高，沉积速度越快，沉积物愈致密，结 构完善； 沉积温度根据沉积物的结晶温度，并兼顾基体的耐 热性决定。
例如：
＜1100C ,反应不完全 ＞1150℃ AlCl3 CO2 H 2 -Al2O3 1500～1550℃ -Al2O （多晶） -Al2O （单晶膜） 3 3
Atomic rain Clusters Particles Discharge Impurity, Contamination Vacuum
3.4.1
蒸发的分子动力学基础
气相分子的流量
蒸发速率
m mJ 7.75 p T
1
2
2 kg m s
到达基片的分子数与 蒸发分子数的比率：
材料合成与制备方法
第三章 薄膜的制备
3.1 薄膜材料基础
（1）. 薄膜材料的概念 采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物
质（原材料)的基团以物理或化学方式附着于衬底
材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这
层新物质就是薄膜。
简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过 程形成的二维材料。
（2）. 薄膜分类
5）. 物理激励反应过程
① 利用气体辉光放电
将反应气体等离子化，从而使反应气体活化，降低反 应温度。
② 利用光激励反应
光的辐射可以选择反应气体吸收波段，或者利用其他 感光性物质激励反应气体。
③ 激光激励
3.5.2
影响CVD薄膜的主要参数
1）. 反应体系成分
CVD原料通常要求室温下为气体，或选用
具有较高蒸气压的液体或固体等材料。
(3) 层核生长型
特点：生长机制介于核生长型和层生长型的中间 状态。 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等都属于这种类型。
3.3基片的类型：
薄膜涂层本身不能单独作为一种材料 来使用，必须和基片结合起来才能发挥其 作用。
玻璃基片
蒸发源材料与薄膜材料的反应性
蒸发源材料与薄膜材料间的润湿性
电阻加热蒸发源的形状 螺旋丝状：可以从各个方向发射蒸气
箔舟状：可蒸发不浸润蒸发源的材料，效率较高，但只能 向上蒸发。
电子束加热法
钽板 钨丝
棒状薄膜材料 钽板 薄 膜 材 料
钨丝
基座（铜制） 冷却水
棒状料
块或粉末状料
与电阻加热蒸发法相比的优点：防止蒸发源 材料以杂质的形式混入薄膜中
基片表面
δ r
θ
基片表面
δ
r
θ d ω
h
φ
d ω
h
微面蒸发源
点源： 点蒸发源
蒸发源的加热方式
电阻加热法 电子束加热法 高频感应加热，电弧加热，激光加热法
电阻加热法 • 电阻作为蒸发源，通过电流受热后蒸发成膜。
• 使用的材料有：W、Mo、Nb、Ta及石墨等。 要考虑的因素：
蒸发源材料的熔点和蒸气压
陶瓷基片
单晶基片 金属基片
基片的清洗 基片的清洗方法应根据薄膜生长方法和薄膜使用 目的来确定
使用洗涤剂清洗
化学药品和溶剂清洗
超声波清洗
离子轰击清洗 烘烤清洗：
3.4 物理气相沉积
1). 定义 利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化
学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜
生长过程的技术,以PVD为代表。 2). 成膜方法与工艺
双蒸发源蒸镀法
（三温度法）
导入O2/空气 空气导 入口
断 流 阀
SiO-O2-空气反应 蒸镀制SiO2膜原理
可 调 泄 漏 阀 导入O2/空气
三温度法
工作原理：双蒸发源蒸镀＋反应蒸镀
基片(GaAs,Ge等；425~450℃ ) 加热炉
高真 空泵
加热器
As蒸发源 (~295℃)
加热器
Ga蒸发源(~910℃)
的异类单晶体（异质外延）。
外延方法很多，有气相外延法、液相外延法、真空 蒸发外延法、溅射外延法等。
film
substrate
同质外延
压应力
张应力(拉应力) 异质外延
压应变（ae > as）
同质外延（ae= as）
张应变（ae < as ）
应变能释放出现刃位错
The strained film said: “We are all tired enough, please give us a break!”
x N N0 exp L 气体分子平均自由程：
一个分子在连续两次碰撞之间所经过的直线路程 (即自由程)长度不尽相同，将各段自由程取平均
值，即为平均自由程。
L
2 r r
4kT
' 2
p
3.4.2
蒸发源
l
L
D
（a）克努曾盒型（b）自由挥发型 （c）坩埚型
• 应具备的条件 (1) 能加热到平衡蒸气压时的蒸发温度；
真空蒸发镀膜
溅射镀膜 离子成膜
3). 物理气相沉积－－真空蒸镀
真空室 （钟罩）
真空蒸镀是将 待成膜的物质置于 真空中进行蒸发或
基片 挡板
膜厚计
薄膜材料
蒸发源
中间室
升华，使之在工件 或基片表面析出的
电流引入线 高真空泵
过程。
真空蒸发镀膜
形成薄膜经历三个过程：
1) 蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材
薄膜的一个重要参数 厚度，决定薄膜性能、质量 通常，膜厚 < 数十μm，
一般在1μm 以下。
3. 薄膜应用
光学薄膜、集成电路、太阳能电池、液晶显示膜、
光盘、磁盘、刀具硬化膜、建筑镀膜制品、塑料金
属化制品
4.代表性的制备方法按物理、化学角度 来分，有： 1) 物理成膜 2) 化学成膜 PVD CVD
Cloud
“Atomic-World”
target
substrate
Cloud Earth surface -- ground Target/evaporated source Substrate surface
Natural rain Snow Hail Thunder storm Dust, Pollution Environmental protection
电子束聚焦（静电聚焦、磁场聚焦）
3.4.3
合金、化合物的蒸镀方法
薄膜材料 加料斗 基片
1). 合金的蒸镀
闪蒸蒸镀法 双蒸发源蒸镀法