薄膜材料的制备方法

•
Ni(CO)4(g)→Ni(s)+4CO(g)
•
CH3SiCl3(g)→SiC(s)+3HCl(g)
• 2)还原反应
•
SiCl4(g)+2H2(g)→Si(s)+4HCl(g)
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WF6(g)+3H2(g)→W(s)+6HF(g)
• 3)氧化反应
•
SiH4(g)+O2(g)→SiO2+2H2(g)
• 4）水解反应
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射频溅射的原理
• 直流溅射：靶材为阴极，基片为阳极。当靶为绝 缘体时，正离子使靶带电，使靶的电位逐渐上升， 到一定程度后，离子加速电场下降，使辉光放电 停止。因此，靶材只能为导体材料，不能为绝缘 体。
• 射频溅射：无线电波13.56MHZ，交变电场。负 半周时，靶材为阴极，基片为阳极，正离子轰击 靶材，溅射正常进行。正半周，靶材为阳极，基 片为阴极，电子质量比离子小，迁移率高，很快 飞向靶面，中和正电荷，且可能迅速积累大量电 子，使靶表面空间电荷呈现负电性，即正半周也 可实现离子轰击。射频能溅射绝缘靶。
• 典型的薄膜材料的制备
---金刚石薄膜 ---ZnO薄膜
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溶液镀膜法
• 是在溶液中利用化学反应或电化学反应等 化学方法在基板表面沉积薄膜的一种技术， 常称为湿法镀膜。
➢化学镀 ➢溶胶—凝胶法 ➢阳极氧化法 ➢LB法 ➢电镀法
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化学镀
• 在催化条件下，使溶液中金属离子还原成 原子状态并沉积在基板表面上，从而获得 镀膜的一种方法，也称无电源电镀。
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真空的分类
粗真空：1×105～1×102Pa 目的获得压 力差。电容器生产中的真空侵渍工艺
低真空：1×102～1×10-1Pa 真空热处理。
高真空：1×10-1～1×10-6Pa 真空蒸发。
超高真空：<1×10-6Pa 体；获得纯净的固体表面。
得到纯净的气
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真空系统的组成
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2AlCl3(g)+3CO2wenku.baidu.comg)+3H2(g)→Al2O3(s)+6HCl(g)+3CO(g)
• 5)复合反应
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TiCl4(g)+CH4(g)→TiC(s)+4HCl(g)
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AlCl3(g)+NH3(g)→AlN(s)+3HCl(g)
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主要内容
• 薄膜的制备方法,含:
---真空技术基础; ---PVD(真空蒸发、溅射、离子镀膜) ---CVD ---溶液镀膜法
• 电阻蒸发源可作成丝状、箔状、螺旋状、锥形蓝 状等。
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电子束法
• 电阻法不能满足难熔金属和氧化物材料， 特别是高纯度薄膜的要求。
• 电子束法中将蒸发材料放入水冷铜坩埚中， 直接利用电子束的高能量密度加热，可制 备高熔点和高纯薄膜。根据电子束蒸发源 的型式不同，可分为环形枪、直枪、e型枪 和空心阴级电子枪等。
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主要内容
• 薄膜的制备方法,含: ---真空技术基础; ---PVD(真空蒸发、溅射、离子镀膜) ---CVD ---溶液镀膜法
• 典型的薄膜材料的制备 ---金刚石薄膜 ---ZnO薄膜
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CVD的含义
• 化学气相沉积 CVD(Chemical Vapor Deposit）是一种化学气相生长法，把一种 或几种化合物的单质气体供给基片，利用 加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源， 在基片表面发生气相化学反应生成薄膜。
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• 是指荷能 粒子轰击 固体表面 （靶）， 使固体原 子（或分 子）从表 面射出的 现象。
溅射镀膜
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溅射镀膜特点
➢任何物质均可溅射，尤其是高熔点、低蒸 气压元素和化合物。
➢溅射膜与基板之间的附着性好。 ➢溅射镀膜密度高，针孔少，纯度高。 ➢膜厚可控性和重复性好。 ➢缺点：设备复杂，需要高压装置，沉积速
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直枪电子束法的原理
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高频法
➢坩埚放在高频螺旋线圈的中央，使蒸 发材料在高频电磁场的感应下产生强大 的涡流损失和磁滞损失，导致蒸发材料 升温，直到气化。 ➢特点是： ➢蒸发速率大， ➢温度均匀稳定，不易产生飞溅现象。
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高频感应加热源的原理
固体薄膜材料的制备
真空技术基础
• 真空及真空的常用单位 • 真空的分类 • 真空泵 • 真空的测量
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真空及其单位
• 真空是指低于一个大气压的气体空间。常 用“真空度”度量。真空度越高，压强越 小。
• 常用计量单位：Pa, Torr, mmHg, bar, atm.。关系如下：
• 1mmHg=133.322Pa, • 1 Torr=atm/760=133.322Pa≈1mmHg • 1 bar=105Pa
• 典型的化学镀镍利用镍盐(NiSO4或NiCl2)和 钴盐(CoSO4)溶液,在强还原剂次磷酸盐(次 磷酸钠、次磷酸钾等)的作用下，使镍和钴 离子还原成镍和钴金属。
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溶胶—凝胶法(sol-gel)
• 将易于水解的金属化合物(无机盐或醇盐) 在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与 缩聚过程而逐渐凝胶化，再经过干燥、烧 结处理，获得所需薄膜。
为了制备化合物薄膜或抑制薄膜成分对原材料 的偏离，出现了发应蒸发法等。
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蒸发源
• 蒸发源是蒸发装置的关键，基本要求是熔点要高、 饱和蒸气压低、化学性质稳定、良好的耐热性、 原料丰富，经济耐用。
• 常用的蒸发源材料有：W、Mo、Ta等。由于Al、Fe、 Ni、Co等易与W、Mo、Ta等形成低熔点合金，故改 用氮化硼(50%BN+50%TiB2)导电陶瓷坩埚、氧化锆， 氧化钍、氧化铍、氧化镁、氧化铝、石墨坩埚等。
• 电离真空计：目前测量高真空的主要设备
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主要内容
• 薄膜的制备方法,含:
---真空技术基础; ---PVD(真空蒸发、溅射、离子镀膜) ---CVD ---溶液镀膜法
• 典型的薄膜材料的制备
---金刚石薄膜 ---ZnO薄膜
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PVD的含义
• 物理气相沉积PVD（Physics Vapor Deposition，主要是在真空环境下利用各种 物理手段或方法沉积薄膜。
率低，基板温升较高，易受杂质气体影响 等。
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溅射镀膜分类
整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础 上，即溅射离子都来源于气体放电。
根据产生辉光放电方式的不同，可分为直 流溅射、射频溅射、磁控溅射等。
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直流溅射的原理
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射频溅射
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• 次级泵：只能从较低压力抽到更低压力的真空泵。
• 如机械泵+扩散泵系统，为有油系统； 吸附泵+溅 射离子泵+钛升华泵系统，为无油系统。
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主要真空泵的排气原理与范围
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真空的测量
• 热偶真空计：利用低压强下气体的热传导 与压强有关的原理制成的真空计。典型的 有热阻真空计和热偶真空计两种。
• 缺点：原材料价格昂贵、干燥、烧结时收 缩大。
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阳极氧化法
• 金属或合金在适当的电解液中作阳极并加 上一定直流电压时，由于化学反应会在阳 极金属表面上形成氧化物薄膜，称为阳极 氧化。
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LB法
• 郎缪尔-布罗格特(Langmuir-Blodett)30年 代提出的。可形成定向排列的有机单分子 层或多分子层。
• 以同时具有亲水基团和疏水基团的有机分 子为原料，利用分子亲水端与亲水端相吸， 疏水端与疏水端相吸，使有机分子逐次转 移到固体基板上，形成单层或多层薄膜。
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• 水解反应生成溶胶(水解反应)； • 聚合生成凝胶(缩聚反应)。 • 目前已用于制备TiO2、Al2O3、SiO2、
BaTiO3、PbTiO3、PZT、PLZT和LiNbO3等。
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溶胶—凝胶法特点
• 组分均匀混合、成分易控制、成膜均匀、 能制备较大面积的膜，成本低，周期短、 易于工业化生产等。
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磁控溅射原理示意图
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离子镀
• IP (Ion plating），同时结合蒸发和溅射的特点， 让靶材原子蒸发电离后与气体离子一起受电场的
加速，而在基片上沉积薄膜的技术。
• 电场作用下，被电离的靶材原子与气体离子一起 轰击镀层表面，即沉积与溅射同时进行作用于膜 层，只有沉积›溅射时才成膜。
激光CVD、超声CVD等。
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几种新的CVD方法
• 金属有机化合物CVD(MOCVD):用低温下能 分解的MO作反应气。缺点：沉积速率低， 缺陷多，杂质多。
• 激光CVD • 电子回旋共振等离子体沉积
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CVD中的化学反应
• 1）热分解式高温分解反应
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SiH4(g)→Si+4HCl
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真空蒸发的缺点
➢不容易获得结晶结构的薄膜； ➢形成的薄膜与基底之间的附着力较小； ➢工艺重复性不够好。
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真空蒸发的分类
根据蒸发源(热量提供方式)的不同，分为电阻法、 电子束法、高频法等。
为了蒸发低蒸汽压的物质，采用电子束或激光 加热；
为了制造成分复杂或多层复合薄膜，发展了多 源共蒸发或顺序蒸发法；
• 优点：可以任意控制薄膜的组成，从而制 得许多新的膜材。
• 成膜速度快，每分钟可达几个µm，甚至数 百µm。
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CVD分类
• 按沉积温度： ---低温200---500℃ ---中温500----1000℃ ---高温1000---1300℃ • 按反应室内的压力：常压，低压。 • 按反应器壁:热壁，冷壁。 • 按反应激活方式:热CVD、PlasmaCVD、
• 典型的真空系统包括： ---真空室(待抽空的容器); ---真空泵(获得真空的设备); ---真空计(测量真空的器具); ---必要的管道、阀门和其他附属设备。
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真空泵
• 获得真空的设备。至今还没有一种泵能直接从大 气一直工作到超高真空。因此，通常是将几种真 空泵组合使用.
• 前级泵：能使压力从1个大气压开始变小，进行排 气的泵
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PVD的分类
蒸发
单源单层 单源多层 多源反应
物理方法(PVD)
溅射
直流：二级、三级、四级 射频 磁控 离子束
离子镀
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真空蒸镀的原理
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真空蒸发的优点
• 设备简单、操作容易； • 薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制； • 成膜速率快、效率高； • 生长机理比较单纯。
• 离子轰击的目的在于改善膜层的性能，附着性提 高。
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离子镀示意图
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离子镀的特点
➢具有蒸发镀膜和溅射镀膜的特点 ➢膜层的附着力强。 ➢绕射性好，可镀复杂表面。 ➢沉积速率高、成膜速度快、可镀厚膜。 ➢可镀材料广泛，有利于化合物膜层的形成。
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