《薄膜制备技术》PPT课件 (2)
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工艺原理演示
2. 工艺方法 （1）对于单质材料，按常见加热方式有电阻加热、电子 束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。
1）电阻加热
• 电阻作为蒸发源，通 过电流受热后蒸发成 膜。
• 使用的材料有：Al、 W、Mo、Nb、Ta及石 墨等。
2）电子束加热
利用电子枪（热阴极）产生的电子束，轰击欲蒸发的 材料（阳极）使之受热蒸发，经电子加速极后沉积到衬底 材料表面。
2. 薄膜分类
（1）物态
气 态 液 态 固 态(thin solid film)
（2）结晶态：
非晶态：原子排列短程有序、 长程无序。
晶
态多 单晶 晶： ：在 外一 延衬 生底 长、上在生单长，晶由基许底多上取同向质相和异异质单外晶集延合
体
组
成
（3）化学角度
有 机 薄 膜 无 机 薄 膜
（4）组成
外延（Epitaxy）外延是指单晶衬底上形成单晶结构的薄膜，而且薄
膜的晶体结构与取向和衬底的晶体结构和取向有关。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
1) 物理成膜 PVD 2) 化学成膜 CVD
7.2 物理成膜 7.2.1 概述 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
真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延） 溅射镀膜 离子成膜
蒸发，并按薄膜材料组分比例成膜。
3）反应蒸发： 真空室通入活性气体后，其原子、分子与来自蒸发源的
原子，分子，在衬底表面反应生成所需化合物。一般用金属 或低价化合物反应生成高价化合物。
4）三温度蒸发； 实际上是双源蒸发。对不同蒸气压元素，对蒸发温度，
蒸发速率和衬底温度分别控制，在衬底表面沉积成膜。
5）热壁法： 利用加热的石英管（热
壁），将蒸发源蒸发出的分 子或原子，输向衬底成膜。 是外延薄膜生长的发展。
6）分子束外延(MBE) 分子束外延是以蒸镀为基础发展起来的技术。
外 延（epitaxial growth, epitaxy）
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的异类单晶体 （异质外延）。
substrate
Target/evaporated source Substrate surface
Atomic rain Clusters Particles Discharge Impurity, Contamination
Vacuum
7.2.2 真空蒸发镀膜 1. 工艺原 理真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉 积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：
7. 薄膜制备技 术 7.1 薄膜材料基础 7.1.1 薄膜的概念与分类 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。
常用CO2、Ar、YAG钕玻璃，红宝石等大功率激光器。
（2）对于化合物和合成材料，常用各种蒸发法和热壁法。
1）闪蒸蒸发（瞬间蒸发）： 呈细小颗粒或粉末的薄膜材料，以极小流量逐渐进入
高温蒸发源，使每个颗粒在瞬间全蒸发，成膜，以保证膜 的组分比例与合金相同。
2）多源蒸发： 组成合金薄膜的各元素，各自在单独的蒸发源中加热，
材料及试验方法
磁控溅射设备
溅射进样真空室
激光分子束外延设备
Methods of film preparation include laser deposition, sputteri ng, MOCVD, and sol-gel techniques.
The composition and crystal structure of films depend on mate rial quality, fabriccation method, synthesis condition, and post-an nealing.
3）高频感应加热 高频线圈通以高频电流后，产生涡流电流，致内置材料升
温，熔化成膜。
4）电弧加热 高真空下，被蒸发材料作阴极、内接铜杆作阳极，通电压，
移动阳电极尖端与阴极接触，Βιβλιοθήκη Baidu极局部熔化发射热电子，再 分开电极，产生弧光放电，使阴极材料蒸发成膜。
5）激光加热 非接触加热。用激光作热源，使被蒸发材料汽化成膜。
1) 蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热 蒸发或升华，由固态或液态变成气态。
2) 输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸 气压条件下由蒸发源输运到衬底。
3) 吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞， 衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核 与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。
原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟
Natural World
“Atomi
c-World” target
Cloud
Cloud Earth surface -- ground
Natural rain Snow Hail
Thunder storm Dust, Pollution
Environmental protection
理论、高技术高度结晶的产物。
主要的薄膜产品 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
薄膜是现代信息技术的核心要素之一 薄膜材料与器件结合，成为电子、信息、传感器、光学、
太阳能等技术的核心基础。
7.1.2 薄膜的制备方法
代表性的制备方法按物理、化学角度来分，有：
金 属 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
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um，
一般在1um 以下。
6 薄膜应用 薄膜材料及相关薄膜器件兴起于20世纪60年代。是新
2. 工艺方法 （1）对于单质材料，按常见加热方式有电阻加热、电子 束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。
1）电阻加热
• 电阻作为蒸发源，通 过电流受热后蒸发成 膜。
• 使用的材料有：Al、 W、Mo、Nb、Ta及石 墨等。
2）电子束加热
利用电子枪（热阴极）产生的电子束，轰击欲蒸发的 材料（阳极）使之受热蒸发，经电子加速极后沉积到衬底 材料表面。
2. 薄膜分类
（1）物态
气 态 液 态 固 态(thin solid film)
（2）结晶态：
非晶态：原子排列短程有序、 长程无序。
晶
态多 单晶 晶： ：在 外一 延衬 生底 长、上在生单长，晶由基许底多上取同向质相和异异质单外晶集延合
体
组
成
（3）化学角度
有 机 薄 膜 无 机 薄 膜
（4）组成
外延（Epitaxy）外延是指单晶衬底上形成单晶结构的薄膜，而且薄
膜的晶体结构与取向和衬底的晶体结构和取向有关。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。
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film
substrate
1) 物理成膜 PVD 2) 化学成膜 CVD
7.2 物理成膜 7.2.1 概述 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
真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延） 溅射镀膜 离子成膜
蒸发，并按薄膜材料组分比例成膜。
3）反应蒸发： 真空室通入活性气体后，其原子、分子与来自蒸发源的
原子，分子，在衬底表面反应生成所需化合物。一般用金属 或低价化合物反应生成高价化合物。
4）三温度蒸发； 实际上是双源蒸发。对不同蒸气压元素，对蒸发温度，
蒸发速率和衬底温度分别控制，在衬底表面沉积成膜。
5）热壁法： 利用加热的石英管（热
壁），将蒸发源蒸发出的分 子或原子，输向衬底成膜。 是外延薄膜生长的发展。
6）分子束外延(MBE) 分子束外延是以蒸镀为基础发展起来的技术。
外 延（epitaxial growth, epitaxy）
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的异类单晶体 （异质外延）。
substrate
Target/evaporated source Substrate surface
Atomic rain Clusters Particles Discharge Impurity, Contamination
Vacuum
7.2.2 真空蒸发镀膜 1. 工艺原 理真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉 积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：
7. 薄膜制备技 术 7.1 薄膜材料基础 7.1.1 薄膜的概念与分类 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。
常用CO2、Ar、YAG钕玻璃，红宝石等大功率激光器。
（2）对于化合物和合成材料，常用各种蒸发法和热壁法。
1）闪蒸蒸发（瞬间蒸发）： 呈细小颗粒或粉末的薄膜材料，以极小流量逐渐进入
高温蒸发源，使每个颗粒在瞬间全蒸发，成膜，以保证膜 的组分比例与合金相同。
2）多源蒸发： 组成合金薄膜的各元素，各自在单独的蒸发源中加热，
材料及试验方法
磁控溅射设备
溅射进样真空室
激光分子束外延设备
Methods of film preparation include laser deposition, sputteri ng, MOCVD, and sol-gel techniques.
The composition and crystal structure of films depend on mate rial quality, fabriccation method, synthesis condition, and post-an nealing.
3）高频感应加热 高频线圈通以高频电流后，产生涡流电流，致内置材料升
温，熔化成膜。
4）电弧加热 高真空下，被蒸发材料作阴极、内接铜杆作阳极，通电压，
移动阳电极尖端与阴极接触，Βιβλιοθήκη Baidu极局部熔化发射热电子，再 分开电极，产生弧光放电，使阴极材料蒸发成膜。
5）激光加热 非接触加热。用激光作热源，使被蒸发材料汽化成膜。
1) 蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热 蒸发或升华，由固态或液态变成气态。
2) 输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸 气压条件下由蒸发源输运到衬底。
3) 吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞， 衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核 与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。
原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟
Natural World
“Atomi
c-World” target
Cloud
Cloud Earth surface -- ground
Natural rain Snow Hail
Thunder storm Dust, Pollution
Environmental protection
理论、高技术高度结晶的产物。
主要的薄膜产品 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
薄膜是现代信息技术的核心要素之一 薄膜材料与器件结合，成为电子、信息、传感器、光学、
太阳能等技术的核心基础。
7.1.2 薄膜的制备方法
代表性的制备方法按物理、化学角度来分，有：
金 属 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
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um，
一般在1um 以下。
6 薄膜应用 薄膜材料及相关薄膜器件兴起于20世纪60年代。是新