《薄膜制备技术》PPT课件 (2)
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第二章薄膜的制备ppt课件
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。
薄膜制备方法概述.ppt
RF
MW
LECVD
……
ECR
❖ 物理气相沉积(PVD)
➢ 物理气相沉积:薄膜材料通过物理方法输运到基 体表面的镀膜方法；
➢ 通常是固体或熔融源；
➢ 在气相或衬底表面没有化学反应；
➢ 代表性技术：蒸发镀膜、溅射镀膜；
➢ 技术特点：真空度高、沉积温度低、设备相对 比较简单。薄膜质量差，可控度小、表面容易 不均匀。
第二节 薄膜制备技术
真空 蒸发
物理气相沉积 （PVD）
溅射
沉积
气
相
分子束外延
沉 积
（MBE）
离子镀
化学气相沉积 （CVD）Байду номын сангаас
电 镀 法 溶胶-凝胶法
热壁 冷壁
电阻加热 感应加热 电子束加热 激光加热
直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射
直流二极型离子镀
射频放电离子镀
等离子体离子镀
HFCVD
DC
PECVD
❖ 化学气相沉积(CVD) ➢ 化学气相沉积: 沉积过程中发生化学反应，薄膜
与原料的化合状态不一样。 ➢ 代表性技术：低压CVD(LPCVD), 常压CVD
APCVD, 等离子体增强CVD (PECVD);金属有机 源CVD(MOCVD) ➢ 技术特点：薄膜质量高，致密，可控性好，
❖ 其它成膜技术：液相外延(LPE)，电沉积，溶胶 凝胶(sol-gel)，自组装，spin-coating，化学浴沉 积(CBD)等。
❖ 新的薄膜制备技术： ➢ 以蒸发沉积为基础发展出了电子束蒸发沉积、分子束
外延薄膜生长(MBE) ； ➢ 以载能束与固体相互作用为基础, 先后出现了离子束
溅射沉积、脉冲激光溅射沉积(PLD)、强流离子束蒸 发沉积、离子束辅助沉积(IBAD)、低能离子束沉积； ➢ 以等离子体技术为基础出现了等离子体增强化学气相 沉积(PECVD)、磁控溅射镀膜；
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。
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。
《薄膜材料的制备》PPT课件
m为气体分子的质量
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1.2.1 真空蒸发镀膜
• 蒸发速率 1 m J7.75M 2pPa k/g(m 2s) T 从蒸发源蒸发出来的分子在向基片沉积的过程中，还 不断与真空中的残留气体分子相碰撞，使蒸发分子失去 定向运动的动能，而不能沉积于基片。为保证80－90％ 的蒸发元素到达基片，一般要求残留气体的平均自由程 是蒸发源至基片距离的5-10倍。
《薄膜材料的制备》PPT 课件
1 薄膜材料的制备
1.1 薄膜的形成机理 1.2 物理气相沉积 1.3 化学气相沉积 1.4 化学溶液镀膜法 1.5 液相外延制膜法 1.6 膜厚的测量与监控
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1.1 薄膜的形成机理
薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛,制 膜技术的发展也十分迅速。 制膜方法—分为物理和化学方法两大类； 具体方式上—分为干式、湿式和喷涂三种， 而每种方式又可分成多种方法。
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1 薄膜材料的制备
1.1 薄膜的形成机理 1.2 物理气相沉积 1.3 化学气相沉积 1.4 化学溶液镀膜法 1.5 液相外延制膜法 1.6 膜厚的测量与监控
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1.2 物理气相沉积
如果势垒很低，形核率高，形成很多的小聚集体，这时薄 膜的厚度虽然很薄，但它会成为连续的。
• 高的脱附能Ed和低的扩散激活能ES都有利于气相原 子在衬底表面的停留和运动，因而会提高形核率。
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薄膜制备技术基础.pptx
表征气体沿管道流动的动力或阻力 Q=C(P2-P1), P1、P2为管道两端的压强
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稳定流动状态下流量守恒 串连：
并连：
串连时总流导小于任何连接的流导
第28页/共65页
(4)泵抽速S
泵入口处单位时间抽入的气体体积
S
d(V) dt
PP1
(5)泵抽除量R
表征泵的抽气能力
R=P1S
(6)泵的有效抽速（实际抽速）
3. 真空管路—连接真空系统
4. 阀门—控制真空系统的连接情况
5. 真空的测量
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3.表征真空系统的几个参数
(1)体积流速S（体积流率）
单位时间流过管道某一特定截面的体积 S dV dt
(2)流量Q（体积流率）
单位时间流过管道某一特定截面的的气体 分子的量 Q d(PV)
dt
(3)流导C、流阻Z
d
(PV dt
)
VdP dt
S
p
P(1
P P0
)
分离变量，积分得：
P(t)
P0
(Pi
P0
)
exp(
S pt V
)
其中： Pi为真空室初始真空度（t=0） P0为真空室极限真空度（t→∞） Pt为真空室某一时刻真空度
第33页/共65页
第四节.抽真空和抽真空设备 一、 抽真空 是利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压的过程。 可有多种方法实现抽真空 真空泵：抽真空的装置
对于技术和物理研究的影响：表面物理，薄膜沉积
第14页/共65页
7、克努曾定律或余弦定律：
碰撞于固体表面的分子，飞离表面的方向与原 入射方向无关，处于与表面法线成θ角的空间区 域（立体角为的dω）的分子的几率为：
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稳定流动状态下流量守恒 串连：
并连：
串连时总流导小于任何连接的流导
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(4)泵抽速S
泵入口处单位时间抽入的气体体积
S
d(V) dt
PP1
(5)泵抽除量R
表征泵的抽气能力
R=P1S
(6)泵的有效抽速（实际抽速）
3. 真空管路—连接真空系统
4. 阀门—控制真空系统的连接情况
5. 真空的测量
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3.表征真空系统的几个参数
(1)体积流速S（体积流率）
单位时间流过管道某一特定截面的体积 S dV dt
(2)流量Q（体积流率）
单位时间流过管道某一特定截面的的气体 分子的量 Q d(PV)
dt
(3)流导C、流阻Z
d
(PV dt
)
VdP dt
S
p
P(1
P P0
)
分离变量，积分得：
P(t)
P0
(Pi
P0
)
exp(
S pt V
)
其中： Pi为真空室初始真空度（t=0） P0为真空室极限真空度（t→∞） Pt为真空室某一时刻真空度
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第四节.抽真空和抽真空设备 一、 抽真空 是利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压的过程。 可有多种方法实现抽真空 真空泵：抽真空的装置
对于技术和物理研究的影响：表面物理，薄膜沉积
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7、克努曾定律或余弦定律：
碰撞于固体表面的分子，飞离表面的方向与原 入射方向无关，处于与表面法线成θ角的空间区 域（立体角为的dω）的分子的几率为：
第三章薄膜制备技术ppt课件
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 (assisted) CVD,PECVD,PACVD）、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-ECR-CVD）等。
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 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。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 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。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
第二章薄膜制备技术修改优秀课件
2.1 真空的基本知识
2.1.1 真空的基本概念及特点
真空的含义
在真空科学里所定义的真空是压强“低于一个标准大 气压（101.325kPa）的气体状态”。 真空是一种气体状态（并非一无所有）。所以有人把 真空认为是什么物质也不存在的，即所谓的“绝对真 空”那是错误的。 如在标准状态，即0℃，1标准大气压下每立方厘米有 2.687×1019个气体分子，而在超高真空极限10-11～ 10-12Pa压强下，每立方厘米中仍有33～330个气体分 子，可见“真空”并不真空。
为了研究真空和实际使用方便，常常根据各压 强范围内不同的物理特点，把真空划分为以下 几个区域。
粗真空区域：1×105～1×102Pa （760～1 Torr） 低真空区域：1×102～1×10-1Pa （1～10-3 Torr） 高真空区域：1×10-1～1×10-5Pa （10-3~10-7 Torr） 超高真空区域：<1×10-5Pa （<10-7 Torr）
超高真空 <10-5 Pa <10-7 Torr
气体性质 气体状态与常压相比较，只有分子数目由多变少的变
化，而无气体分子空间特性的变化，分子间相互碰 撞频繁。 气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气 体分子密度较小。
分子间相互碰撞极少，分子与器壁间碰撞频繁。气体 分子密度小。
气体分子密度极低与器壁碰撞的次数极少，致使表面 形成单分子层的时间增长。气态空间中只有固体本 身的原子，几乎没有其它原子或分子存在。
2.1.2 真空度测量单位
真空容器中气体分子时刻对器壁进行弹性碰撞，即 产生气体压强。气压的大小在标准状态下与气体分 子密度有关，因此，用测量气体压强的方法来衡量 容器达到真空的程度，称为真空度。
第5章 无机薄膜材料与制备技术 ppt课件
②反射膜 例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳 能接收器的镀铝膜；用于大型天文仪器和精密光 学仪器中的镀膜反射镜；用于各类激光器的高反
射率膜（反射率可达99%以上）等等。
ppt课件
26
（3）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜
①硬质膜 用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、 TiC、TiB2、(Ti, Al)N、Ti(C, N)等硬质膜，以及 金刚石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。
ppt课件
8
设薄膜、基片都是导体，而且二者的费米能级不同， 由于薄膜的形成，从一方到另一方会发生电荷转移， 在界面上会形成带电的双层。此时，薄膜和基片之 间相互作用的静电力F为：
2
F
2 0
式中， 为界面上出现的电荷密度；
0 为真空中的介电常数。
要充分考虑这种力对附着的贡献。
费米能级是绝对零度时电子ppt课的件 最高能级.
• 金属是高表面能材料，而氧化物是低表面 能材料。
• 表面能的相对大小决定一种材料是否和另 一种材料相湿润并形成均匀黏附层。
• 具有非常低表面能的材料容易和具有较高 表面能的材料相湿润。反之，如果淀积材 料具有较高表面能，则它容易在具有较低 表面能衬底上形成原子团（俗称起球）。
ppt课件
11
• 氧化物具有特殊的作用。即使对一般的金属 来说不能牢固附着的塑料等基片上也能牢固 附着。
由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解， 所以按照薄膜的生长 条件，其计量往往变化相当大。 如辉光放电法得到的a- Si1xOx : H 等，其 x (0 x 1) 可在很大范围内变化。 因此，把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比。
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17
（5）量子尺寸效应和界面隧道 穿透效应
射率膜（反射率可达99%以上）等等。
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（3）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜
①硬质膜 用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、 TiC、TiB2、(Ti, Al)N、Ti(C, N)等硬质膜，以及 金刚石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。
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设薄膜、基片都是导体，而且二者的费米能级不同， 由于薄膜的形成，从一方到另一方会发生电荷转移， 在界面上会形成带电的双层。此时，薄膜和基片之 间相互作用的静电力F为：
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F
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式中， 为界面上出现的电荷密度；
0 为真空中的介电常数。
要充分考虑这种力对附着的贡献。
费米能级是绝对零度时电子ppt课的件 最高能级.
• 金属是高表面能材料，而氧化物是低表面 能材料。
• 表面能的相对大小决定一种材料是否和另 一种材料相湿润并形成均匀黏附层。
• 具有非常低表面能的材料容易和具有较高 表面能的材料相湿润。反之，如果淀积材 料具有较高表面能，则它容易在具有较低 表面能衬底上形成原子团（俗称起球）。
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• 氧化物具有特殊的作用。即使对一般的金属 来说不能牢固附着的塑料等基片上也能牢固 附着。
由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解， 所以按照薄膜的生长 条件，其计量往往变化相当大。 如辉光放电法得到的a- Si1xOx : H 等，其 x (0 x 1) 可在很大范围内变化。 因此，把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比。
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（5）量子尺寸效应和界面隧道 穿透效应
2薄膜制备技术(蒸镀)解析
*实际上在真空蒸发制薄膜时，因为真空室内其它 部位的温度都比蒸发源低得多，蒸发原子或分子 被凝结．因而不存在这种平衡过程。
饱和蒸汽压可以从克劳修斯-克拉珀龙方程导出： dP HV V dT T (Vg Vl ) 式中△H为摩尔汽化热， Vg和Vl分别为气相和液相摩尔体 积，T 为热力学温度。
pi Ni piT
实际混合物或多或少偏离以上理想状态，所以拉乌尔定律 通常还要加一个矫正系数。
在利用蒸发法制备化合物或合金薄膜时，为何常需要考虑薄 膜成分偏离蒸发源成分？ 化合物薄膜成分偏离源物质的原因： （1）蒸发出来的物质蒸气与源物质可能不同； （2）气相分子还可能发生一系列的化合与分解反应。 合金中原子间的结合力小于化合物中原子间的结合力， 因此，合金中各元素的蒸发过程可近似视为各元素相互独立 的蒸发过程，就像纯元素蒸发过程一样。但即使如此，合金 在蒸发和沉积过程中也会产生成分的偏差.
物理气相沉积法制备薄膜的特点：
1、需要使用固态的或者熔融态的物质作为沉积过 程的源物质； 2、源物质经过物理过程而进入环境； 3、需要相对较低的气体压力环境； 4、在低压环境中，其他气体分子对气相分子的散 射作用较小，气体分子运动路径近似为一条直线， 气相分子在衬底上的沉积几率接近100%
§1-1-1真空热蒸镀
A C A p A ( 0) M B B C B p B ( 0) M A
CA、CB是元素的分子量。对于初始成分确定的蒸发源来说， 由上式确定的组元蒸发速率之比将随着时间而发生变化。因 为易于蒸发的组元优先蒸发造成该组元不断贫化，进而造成 该组元蒸发速率的不断下降。
解决办法：
使用足量的物质作为蒸发源，即尽量减小组元成分的相 对变化率； 向蒸发容器内不断地、每次加入少量被蒸发物质，实现 同步蒸发； 加热双蒸发源或多蒸发源，分别控制和调节每个组元的 蒸发速率。如在利用蒸发法沉积Ш-V化合物薄膜的情况 下，可以使用所谓的三温度法，即分别设臵低蒸气压的 Ш族元素和蒸气压较高的V族元素的各自的蒸发温度， 同时调节薄膜沉积时的衬底温度，以获得所需的薄膜成 分与薄膜组织。
最全的各种薄膜制备-PPT课件
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。
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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：
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
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
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。
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.
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
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。
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，阴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。
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，
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。
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
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：
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）。
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