《薄膜的制备》PPT课件

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第二章薄膜的制备ppt课件

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在信息显示技术中的应用
在信息存贮技术中的应用
• 第二是在集成电路等电子工业中的应用, 其中,从外延薄膜的生长这一结晶学角 度看也具有显著的成果。
在计算机技术中的应用
在计算机技术中的应用
• 第三是对材料科学的贡献。薄漠制 备是在非平衡状态下进行,和通常的热 力学平衡条件制备材料相比具有:所得 材料的非平衡特征非常明显;可以制取普 通相图中不存在的物质;在低温下可以制 取热力学平衡状态下必须高温才能生成 的物质等优点。
薄膜的主要特性
• 材料薄膜化后,呈现出的一部分主要特性:

几何形状效应
• 块状合成材料一般使用粉末的最小尺寸为 纳米至微米,而薄膜是由尺寸为1埃左右的原子
或分子逐渐生长形成的。采用薄膜工艺可以研
制出块材工艺不能获得的物质(如超晶格材料),
在开发新材料方面,薄膜工艺已成为重要的手
段之一。
非热力学平衡过程
无机薄膜制备工艺
• 单晶薄膜、多晶薄膜和非晶态薄膜在现代微 电子工艺、半导体光电技术、太阳能电池、光纤 通讯、超导技术和保护涂层等方面发挥越来越大 的作用。特别是在电子工业领域里占有极其重要 的地位,例如半导体集成电路、电阻器、电容器、 激光器、磁带、磁头都应用薄膜。
• 薄膜制备工艺包括:薄膜制备方法的选择; 基体材料的选择及表面处理;薄膜制备条件的选 择;结构、性能与工艺参数的关系等。
(2)双蒸发源蒸镀——三温度法
三温度-分子束外延法主要是用 于制备单晶半导体化合物薄膜。从 原理上讲,就是双蒸发源蒸镀法。 但也有区别,在制备薄膜时,必须 同时控制基片和两个蒸发源的温度, 所以也称三温度法。
三温度法 是制备化合物 半导体的一种 基本方法,它 实际上是在V族 元素气氛中蒸 镀Ⅲ族元素, 从这个意义上 讲非常类似于 反应蒸镀。图 示就是典型的 三温度法制备 GaAs单晶薄膜 原理。

最全的各种薄膜制备PPT课件

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3.离子镀的应用
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12.5 化学气相沉积( CVD)
• 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)是通过气 相物质的化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的一种工艺方法。
• CVD的基本步骤与PVD不同的是:沉积粒子来源于化合物的气 相分解反应。
• 种类:
(1)以材料种类划分:金属、合金、陶瓷、半 导体、化合物、高分子薄膜等。 (2)以晶体结构划分:单晶、多晶、纳米晶、 非晶 (3)以厚度划分:纳米薄膜,微米薄膜和厚膜。 (4)以薄膜组成结构划分:多层薄膜,梯度薄 膜,复合薄膜。
• 应用:
光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集 成电路薄膜、防护功能薄膜。
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电子束辅助化学气相沉积(EACVD) 和激光束化学气相沉积(LACVD)
• 采用电子束或激光束对基片进行轰击和照射, 也可以使基片获得能量,从而促进和改善反应 的进行。
• 尤其是经过聚焦的电子束和激光束可以实现 基片表面的局部生成薄膜,这对于微电子和微 加工领域有着重要作用。
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3SiH4 +4NH3 7500CSiN4 +12H2 W(s)+3I2 (g) ~ 134000 0 000CC WI6 (g)
SiH4 ~3500Ca-Si(H)+2H2 W(CO)6 激光 束W+6CO
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• CVD的化学反应温度一般在800-1200℃,较高 的反应温度限制了基片材料的选择,并给薄膜 和薄膜基片复合体结构和性能带来不利的影响, 如基体材料的相变及由高温冷却到室温时产生 的热应力等。

薄膜材料制备的PVD法ppt课件

薄膜材料制备的PVD法ppt课件
Vacuum sputtering
--
真空条件下,利用气体放电使气体或蒸发物质部分电离, 并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下,将蒸发物质或 在其反应物淀积在基片上。
--
离子镀膜 Ion plating
离子镀的目的:
提高膜层与基片之间的结合强度。离子轰击可消除污染、 还能形成共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。
--
多源蒸镀法
组成合金薄膜的各元素,各自在单独的蒸发源 中加热,蒸发,并按薄膜材料组分比例成膜。
--
真空蒸镀
反应蒸镀法
例如: 在空气或氧气中
蒸 发 Si 来 制 备 SiO2薄膜; 在氮气气氛中蒸 发 Zr 制 备 ZrN 薄膜;
Vacuum evaporation
--
分子束外延法
例如: GaAsP半导体薄膜的制备
薄膜材料制备的物理气相沉积法
(physical vapor deposition,PVD)
--
PVD方法
--
原理:利用物质在高温下的蒸发现象
-- 真空蒸镀 Vacuum evaporation
--
真空蒸镀
Vacuum evaporation
--
--
真空蒸镀
闪蒸蒸镀法 Vacuum evaporation
Ion plating
--
thanks
--
--
真空蒸镀
适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜,如 电极的导电膜、光学镜头用增透膜。
蒸镀合金膜时,较溅射成分难保证。 镀纯金属时速度快,多用来(90%)制备铝膜。 铝膜的用途广泛,在制镜业代替银,在集成电路
镀铝进行金属化后刻蚀出导线。
Vacuum evaporation

《薄膜材料的制备》课件

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制备方法
1
物理气相沉积法
采用真空状态下物质在表面反应沉积成
化学气相沉积法
2
薄膜的方法,包括等离子体增强化学气 相沉积法和分子束外延法等。
在气体氛围中,通过气相反应生成沉积
薄膜,包括金属有机化学气相沉积法和
低压化学气相沉积法等。
3
溶液法
通过化学反应或物理方法,使溶解在溶
液中或游离态的的材料中,厚度在1纳米至1微米之间,具有 很多独特的性质和广泛的应用领域。
薄膜材料的应用领域
光电子学
薄膜材料广泛应用于制造LED、 太阳能电池等光电学器件,同时 也可用于照明和显示领域。
微电子学
薄膜材料的狭窄厚度和多层结构 可以制造出微小的电子元件和IC 芯片,促进了微电子学的发展。
电化学法
4
化学溶胶-凝胶法和溶液旋涂法等。
通过电位差驱动溶液中的溶质向电极表 面沉积成薄膜,包括阳极氧化法和电解
沉积法等。
质量控制
表面形貌
• 表面光洁度 • 晶体缺陷 • 异质界面及其影响
厚度和成分控 制
• 控制成核速率 和生长速率
• 反应气体流量 和温度的控制
• 使用复合膜技术
结晶结构和晶 体质量
涂层和保护层
薄膜材料在航空航天、汽车制造 和建筑领域中可以制作高效的涂 层和保护层,提高了产品的耐磨 性和力学性能。
薄膜材料的制备意义和困难
独特性能
薄膜材料具有高表面积、可控性、多功能性和 结构纳米尺度效应等独特性能,与传统材料相 比具有很大的优势。
制备困难
由于薄膜材料的厚度非常小,制备过程中需要 克服小尺寸效应和表面能变化等问题,因此制 备起来比较困难。
• 控制生长速率 和生长温度

第三章 薄膜材料的主要制备方法ppt课件

第三章 薄膜材料的主要制备方法ppt课件

温成膜
化学工业,光学工业, 电子工业
与下述放电(等离子体) 聚合的应用相近,特别 是可满足要求更高的局 部处理,如精细线的光 扫描聚合等
放电(等离子 体)聚合
采用低温等离子体,激发 能量的变化范围宽,可以 制备各种不同的膜层,应 用对象范围宽
蒸发模式多样,生成机制复杂
适用对象广泛,各种类 型的聚合物,桥架反应, 保护膜,分离膜,光学 膜,电子材料膜,耐磨 抗蚀膜等
杂质混入少
类的组合、选择等受到限制
化学保护,提高电学性 能,提高光学性能,装 饰效果,提高与生物体 的适应性,赋予传感功 能等

聚合反应
同上。可促进反应的进行

既可进行局部处理,又可

光聚合反应 (CVD)
进行大面积处理,激发能
量小,能量的变化范围小, 对膜层的损伤范围小,生
需要对光源进行选择
成膜中的杂质少,可在低
材料不能成膜
箔,装饰,玩具等
.
方 法 化学的制模法
优点
缺点
主要应用
热分解法
装置简单
整个反应系统处于高温。膜厚控 制困难,难以通过掩模形成所需 要的图形
化学工业,光学工业, 电子工业
气相反应法 装置简单
同上
保护膜,表面钝化膜, 装饰,耐磨抗蚀
吸附反应
不需要溶剂,蒸发能量小, 膜层的生长速率低,反应气体种
图3.32 半导体材料的平衡蒸气压随 温度的变化曲线
.
真空蒸发装置
真空蒸发所使用的设备根据目的不同可能有很大的差别,从简单的 电阻加热蒸镀到极为复杂的分子束外延设备都属于真空蒸发沉积的范畴。 在蒸发沉积装置中,最重要的是蒸发源,根据其加热原理可以分为以下 几种:

薄膜材料及其制备-PPT课件

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22
磁控反应溅射
三、化学气相沉积-CVD
1. 基本原理特点 在一定温度条件下,利用气态先驱反应物,通过化学反应或与金属 表面发生作用,在基体表面形成金属或化合物等固态膜或镀层。 采用相应的化学反应及外界条件(温度、气体浓度、压力等),可 制备各种薄膜。 单质、氧化物、硅化物、氮化物等。 气体压力大,利于提高沉积速度 固体电子器件所需的各种薄膜 轴承和工具的耐磨涂层 发动机或核反应堆部件高温防护涂层 复杂件表面均匀涂覆 薄膜种类、范围广 薄膜成分易控制 效率高、运行成本低

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还原反应 某些元素的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等虽然也可以气态形式 存在,但它们具有相当的热稳定性,因而需要采用适当的还原剂才能 将这些元素置换、还原出来。取决于系统自由能

如: SiCl4 (g)+2H2=Si(s)+4HCl (g) WF6 (g)+3H2=W(s)+6HF(g)
(1200℃) (300℃)
在同一蒸发沉积装置中可以安置多 个坩埚,可同时或分别蒸发和沉积多 种不同物质。
10
装置中,由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加 速,并经过横向布置的磁场偏转270°后到达被轰击坩埚处。磁场偏转 法可避免灯丝材料的蒸发对于沉积过程可能造成的污染。 其缺点是电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走。因而其热 效率较低;另外,过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的 热辐射。
既可用直流,又可用交流。缺点是 放电过程中容易产生微米级电极颗粒 的飞溅,影响被沉积薄膜的均勾性。
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激光蒸发装置 使用高功率激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积。显然,也具有 加热温度高,可避免坩埚污染,蒸发速率高,蒸发过程容易控制等 特点。多用波长位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发光源。

最全的各种薄膜制备-PPT课件

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二、蒸发源和蒸发方式

1、电阻蒸发源(盛放镀料的器皿): 电阻蒸发源材料要求:


a) 高熔点,低蒸汽压 b) 不与蒸发料发生相互溶解或化学反应 c) 易被液态的蒸发材料润湿。 常用材料:钨、钼、钽 加热方式:利用大电流通过时产生的焦耳热直接加热镀 膜材料使其蒸发,可用于蒸发温度小于1500℃的许多金 属和一些化合物。 优缺点:结构简单,方便使用;蒸发源与镀料相互接触, 易对镀料造成污染或与其反应,且无法进行高熔点材料的 蒸发镀膜。
磁控溅射原理图
4、合金溅射和反应溅射


合金溅射产生的问题:由于溅射速率不同 导致溅射初期成分不均匀。但对薄膜成分 影响不大 反应溅射:化合物靶材溅射时,部分化合 物分子的化学键被击断后部分逃逸,造成 薄膜成分与靶材化合物成分有一定偏离。 采用单质靶材并在放电气体中通入一定的 活性气体来获得化合物来制取各种化合物 薄膜。
2、真空度




为什么镀膜时镀膜室内要具有一定的真空度? 一方面原因:真空环境可防止工件和薄膜本身的污 染和氧化,便于得到洁净致密的各种薄膜。 另一方面原因:真空镀膜时,为了使蒸发料形成的 气体原子不受真空罩内的残余气体分子碰撞引起散 射而直接到达基片表面。 注意:一般蒸镀真空度为(10-2~10-5)Pa。这里 强调的真空度指的是蒸发镀膜前真空罩的起始气压。
2、化合物蒸镀


分解现象:常用化合物蒸发材料蒸镀薄膜 时,一些化合物会在高温下分解,从而造 成其中的高蒸气压组分的降低。 解决方法:(1) 向反应室内加热反应气体 以补充气体组分的损失。 (2) 反应蒸镀。
四、蒸镀特点与用途

蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某 些功能膜; 例如用作电极的导电膜,光学镜 头用的增透膜等。 蒸镀用于镀制合金膜时在保证合金成分这 点上,要比溅射困难得多,但在镀制纯金 属时,蒸镀可以表现出镀膜速率快的优势。

薄膜的制备工艺ppt课件

薄膜的制备工艺ppt课件
③对薄膜制备所需温度低,从而能在较温和条件下制备出 多种功能材料,对于制备那些含有易挥发组分或在高温下 易发生相分离的多元体系来说非常有利;
④很容易大面积地在各种不同形状(平板状、圆棒状、圆 管内壁、球状及纤维状等)、不同材料(如金属、玻璃、 陶瓷、高分子等)的基底上制备薄膜,甚至可以在粉体材 料表面制备一层包覆膜,这是其它的传统工艺难以实现的;
在干燥过程中薄膜的横向(平行于基片)收缩完
全被限制,而只能发生沿基片平面法线方向的纵
向收缩。
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⑤焙烧 通过聚合反应得到的凝胶是晶态的,含有H2O、
⑤制备纳米结构薄膜材料; ⑥用料省,成本较低。
24
2.3.2溶胶-凝胶方法制备薄膜工艺
有机途径
通过有机金属醇盐的水解与缩聚而形成溶 胶。在该工艺过程中,因涉及水和有机物, 所以通过这种途径制备的薄膜在干燥过程 中容易龟裂(由大量溶剂蒸发而产生的残 余应力所引起)。客观上限制了制备薄膜 的厚度。
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2.2化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体, 在特定激活条件下(一般是利用加热、等离 子体和紫外线等各种能源激活气态物质), 通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积 到基片上制取膜层的一种方法。
16
化学气相沉积,包括低压化学气相沉积(low pressure CVD,LPCVD)、离子增强型气相沉积 (plasma-enhanced CVD,PECVD)常压化学气相 沉积(atmosphere pressure CVD,APCVD)、金属 有机物气相沉积(MOCVD)和微波电子回旋共 振化学气相沉积(Microwave Electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, MW-ECRCVD)等。

纳米薄膜制备PPT课件

纳米薄膜制备PPT课件
(b)电沉积法.一般Ⅱ-Ⅵ族半导体薄膜可用此 法制备。
(1)纳米薄膜的制备方法
(ⅱ)气相法 (a)高速超微粒子沉积法(气体沉积法). 基本原理是:用蒸发或溅射等方法获得
超微粒子,用一定气压的惰性气体作载 流气体,通过喷嘴,在基板上沉积成 膜.
(a)高速超微粒子沉积法
美国喷气制造公司采 用该工艺成功地制备 出纳米多层膜,陶瓷 -有机膜、颗粒膜 等.右图是他们采用 气体沉积法中的多喷 嘴,转动衬底制备微 粒的示意图。
(a)高速超微粒子沉积法
日本真空冶金公司的 Seichio Kashu等人用 的设备如右图所 示.他们用此方法制 备了各种金属纳米薄 膜.
(b)直接沉积法
是当前制备纳米薄膜普遍采用的方法,
基本原理:把纳米粒子直接沉淀在低温 基片上.
制备方法主要有三种:惰性气体蒸发法、 等离子溅射法和辉光放电等离子诱导化 学气相沉积法.
金属及合金超微粉涂层材料
采用电解、还原、喷雾等方法,生产出金属及 合金超微粉,然后作为单独的金属(合金)涂层、 金属复合涂层或金属基复合涂层。
金属及合金超微粉涂层材料
几种不同的金属以一定的包覆形式,形成金属复合超微粉 涂层材料,如镍包铝、铝包镍等。复合超微粉根据粉体的 结构形式分为包覆型和非包覆(即混合方式)型,包覆型又 存在完全包覆和部分包覆,如下图所示。
这种镶嵌膜(embadded film)是把金属纳米粒 子镶嵌在高聚物的基 体中.
其装置的示意图如右 图所示.
(c)气相法制备纳米薄膜的几个主要影响因素
(Ⅰ)衬底(基片)的影响(包括衬底材质的 选择和温度的影响).
(Ⅱ)制备方法的影响.
表9-3 四种不同沉积法得的Ti纳米膜的结构
方法 蒸发法 离子束法 磁控溅射法 电子回旋共振等离子溅射法
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4.1.2 基片的清洗
• 薄膜基片的清洗方法应根据薄膜生长方法和薄膜使用目的而定。这是因为 基片的表面状态严重影响基片上生长出的薄膜结构和薄膜物理性质。
• 基片清洗方法一般分为去除基片表面上物理附着的污物的清洗方法和去除 化学附着的污物的清洗方法。
• 要使基片表面仅由基片物质构成,对于半导体基片,则需要采用反复的离 子轰击和热处理方法,也可以采用真空解理法。
• 普通玻璃板和显微镜镜片玻璃是碱石灰系玻璃, 容易熔化和成型,但其膨胀系数大。
• 可以将普通玻璃板中的Na2O 置换成B2O3,以减 小其膨胀系数。
• 硅酸盐玻璃就是这种成分代换的典型产品。
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陶瓷基片(1)
• (1)氧化铝基片 氧化铝是很好的耐热材料,具有优异的机械强
微观观点
✓ Adatom diffusion
h = exp(Eb/kT)
✓ Large scale
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✓ Long time scale ✓ Temperature effects ✓ Bond energy ✓ Diffusion barrier
基本概念
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基片的清洗(1)
• 使用洗涤剂的清洗方法
去除基片表面油脂成分等的清洗方法. 首先在煮沸的洗涤剂中将基片浸泡10min 左右,随
度,而且,其介电性能随其纯度提高而改善。 基片必备的通孔、凹孔和装配各种电子器件、
接头所用的孔穴等在成型时可同时自动加工出 来。 外形尺寸在烧结后可以调整,而孔穴间距在烧 结后无法调整,所以要控制、减少烧结时收缩 偏差量。
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陶瓷基片(2)
• (2)多层陶瓷基片 为缩短大规模集成电路组装件的延迟时间,在
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金属基片
• 在金属基片上制备薄膜的目的在于获得保护性和功能性薄膜,以及装饰性 薄膜。
• 采用的金属基片的种类也日益多样化,作为基片的金属材料包括黑色金属、 有色金属、电磁材料、原子反应堆用材料、烧结材料、非晶态合金和复合 材料等。
• 了解金属的典型物理性质和力学性质。
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单晶体基片(1)
• 单晶体基片对外延生长膜的形成起着重要作用。 • 需要很好地了解单晶体基片的热性质。基片晶体由于各向异性会产生裂纹,
基片与薄膜间的热膨胀系数相差很大时,会在薄膜内残留大的应力,这样 使薄膜的耐用性显著下降。
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单晶体基片(2)
陶瓷基片上高密度集成大规模集成电路的许多 芯片,芯片间的布线配置于陶瓷基片内部和陶 瓷片上部。 若将这些布线多层化、高密度化,则布线长度 变短,延迟时间也会缩短。 基片上的多层布线常采用叠层法,包括厚膜叠 层印刷法或薄膜叠层法。
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陶瓷基片(3)
• (3)镁橄榄石基片 • 镁橄榄石(2MgO×SiO2)具有高频下介电损耗小、



固 气
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基本概念
❖ 表面成核 cos = ’- ”
cos ' ''


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基本概念
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❖宏观观点
薄膜的生长模式 取决于吸附质的 表面自由能和界 面自由能是否大 于基体的表面自 由能
基本概念
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薄膜科学的研究内容
➢ 薄膜生长理论和薄膜制备技术; ➢ 薄膜的结构、成分和微观状态; ➢ 薄膜的宏观特性及其应用。
薄膜研究是以薄膜制备为起点的, 因此, 薄膜生长理论和薄膜制备技术是薄膜材料研 究的基础。
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表面相 气固界面
薄膜生长的本质是气体-固体相变
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陶瓷基片(4)
• (4)碳化硅基片 高导热绝缘碳化硅是兼有高热导率数(25°C 下为
4.53W/(m×°C)和高电阻率(25°C 下为 013W×cm)的优异材料。另外,其抗弯强度和弹性 系数大,热膨胀系数25-400°C 条件下为3.7- 10-6/°C,因而适于装载大型元件。 缺点:碳化硅的介电常数较大约为40,由于信号 延迟时间正比于介电常数的平方根,因此碳化硅 信号延迟时间为氧化铝的二倍。 可以用Cu、Ni 使碳化硅金属化,开发出许多应用 领域,如集成电路基片和封装等。
材料合成与制备
李亚伟 赵雷 无机非金属材料系
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第四章 薄膜的制备
Preparation of Composite Materials
• 薄膜制备是一门迅速发展的材料技术,薄膜的制备 方法综合了物理、化学、材料科学以及高技术手段。
• 薄膜的应用前景十分广泛。半导体器件,电路连接, 电极,光电子器件,半导体激光器 ,光学镀膜
绝缘电阻大的特性,易获得光洁表面,可以作 为金属薄膜电阻、碳膜电阻和缠绕电阻的基片 或芯体,还可以作为晶体管基极和集成电路基 片; • 其介电常数比氧化铝小,因此信号传送的延迟 时间短。 • 其膨胀系数接近玻璃板和大多数金属,且随其 组成发生变化,因此它不同于氧化铝,很容易 选择匹配的气密封接材料。
片等。
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玻璃基片(1)
• 玻璃是一种透明的具有平滑表面的稳定性材料,可以在小于500°C 的温度下使用。玻璃的热性质和化学性质随其成分不同而有明显变 化。
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玻璃基片(2)
• 石英玻璃在化学耐久性、耐热性和耐热冲击性 方面都是最优异的。
基本概念
生长机制
Morphologies of Au/Au(001) films at various incident energy
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4.1 所用基片及其处理方法
• 薄膜涂层本身不能单独作为一种材料来使用,它必须与基片结合在一起来 发挥它的作用。
• 4.1.1 基片类型 • 玻璃基片、陶瓷基片、单晶基片、金属基
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