《薄膜材料及其制備》PPT課件

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1、薄膜材料及其制備1概念采用一定方法，使處于某種狀態(tài)一種或幾種的物質(zhì)以物理或化學(xué)方式沉積于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì)。是由離子、原子或分子的沉積過(guò)程形成的二維材料。狀態(tài)氣態(tài)液態(tài)固態(tài)結(jié)晶態(tài)非晶多晶單晶2組成金屬薄膜非金屬薄膜物性硬質(zhì)薄膜超導(dǎo)薄膜金屬導(dǎo)電薄膜介電薄膜半導(dǎo)體薄膜光學(xué)薄膜磁學(xué)薄膜3一、物理氣相沉積-蒸發(fā)法1.物質(zhì)的熱蒸發(fā)利用物質(zhì)高溫下的蒸發(fā)現(xiàn)象，可制備各種薄膜材料。與濺射法相比，蒸發(fā)法顯著特點(diǎn)之一是在較高的真空度條件下，不僅蒸發(fā)出來(lái)的物質(zhì)原子或分子具有較長(zhǎng)的平均自由程，可

2、以直接沉積到襯底表面上，且可確保所制備的薄膜具有較高純度。制備方法42.元素的蒸發(fā)速率環(huán)境中元素的分壓降至其平衡蒸氣壓之下時(shí)，就會(huì)發(fā)生元素的蒸發(fā)。元素的平衡蒸氣壓Pe隨溫度的變化率：純?cè)囟嘁詥蝹€(gè)原子，但有時(shí)也可能是以原子團(tuán)的形式蒸發(fā)進(jìn)入氣相?！翊蠖鄶?shù)金屬，當(dāng)溫度達(dá)到元素熔點(diǎn)時(shí)，其平衡蒸氣壓也低于10-1Pa，這種情況下，要想利用蒸發(fā)方法進(jìn)行物理氣相沉積，需將物質(zhì)加熱到其熔點(diǎn)以上?！窳硪活愇镔|(zhì)，如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等，在低于熔點(diǎn)的溫度下，其蒸汽壓已相對(duì)較大?？芍苯永蒙A現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)元素

3、的氣相沉積。Ti升華泵：轟擊蒸發(fā)吸附氣體石墨：無(wú)熔點(diǎn)，電極間高溫放電蒸發(fā)53.化合物與合金的蒸發(fā)沉積后的薄膜可能偏離蒸發(fā)源化學(xué)組成（成分、物相）氣相分子化合與分解薄膜成分偏離蒸發(fā)源成分對(duì)于二元合金理想溶液：AB二元合金的兩組元A—B原子間的作用能與A—A或B—B原子間的作用能相等的合金。合金中組元的平衡蒸氣壓將小于純組元的蒸氣壓：PA=xAPA(0)；PB=xBPB(0)蒸汽壓和蒸發(fā)速度都將不同一般為非理想溶液：組元蒸氣壓之比將更加偏離合金的原始成分。當(dāng)組元B與其他組元的吸引作用力較小時(shí)，它將擁

4、有較高的蒸氣壓；反之，其蒸氣壓將相對(duì)較低。PA=αAPA(0)；PB=αBPB(0)6A、B兩組元蒸發(fā)速率之比利用上式可估算所需使用的合金蒸發(fā)源的成分。如：在1350K，A1的蒸氣壓高于Cu，為獲得Al—2％Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))成分的薄膜，需要使用的蒸發(fā)源成分為A1—13.6％Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。但組元蒸發(fā)速率之比將隨時(shí)間變化●采用多的蒸發(fā)源●不斷加入易蒸發(fā)組元●采用多蒸發(fā)源7沉積均勻性●蒸發(fā)源的形式●蒸發(fā)源距襯底的距離●襯底位置與運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)源84.真空蒸發(fā)裝置●電阻式蒸發(fā)裝置使用溫度高；高溫下蒸汽壓低

5、；不與被蒸發(fā)物質(zhì)反應(yīng)；無(wú)放氣和污染；適當(dāng)?shù)碾娮杪?。W、Mo、Ta等難熔金屬或石墨的片、舟、絲（螺旋潤(rùn)濕性Al2O3涂覆）。普通電阻加熱或感應(yīng)加熱。9●電子束蒸發(fā)裝置電阻加熱的缺點(diǎn)：可能造成污染；加熱功率或加熱溫度有限，不適于高純或難熔物質(zhì)的蒸發(fā)。電于束蒸發(fā)裝置正好克服了電阻加熱法的不足被加熱物質(zhì)放于水冷的柑禍中，電子束只轟擊其中很少一部分物質(zhì)，而其余的大部分物質(zhì)在坩堝冷卻作用下一直處于低溫，即后者實(shí)際上變成了被蒸發(fā)物質(zhì)的坩堝。因此．電子束蒸發(fā)沉積可避免坩堝材料的污染。在同一蒸發(fā)沉積裝置中可以安置

6、多個(gè)坩堝，可同時(shí)或分別蒸發(fā)和沉積多種不同物質(zhì)。10裝置中，由加熱的燈絲發(fā)射出的電子束受到數(shù)千伏的偏置電壓的加速，并經(jīng)過(guò)橫向布置的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)270°后到達(dá)被轟擊坩堝處。磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)法可避免燈絲材料的蒸發(fā)對(duì)于沉積過(guò)程可能造成的污染。其缺點(diǎn)是電子束的絕大部分能量要被坩堝的水冷系統(tǒng)帶走。因而其熱效率較低；另外，過(guò)高的加熱功率也會(huì)對(duì)整個(gè)薄膜沉積系統(tǒng)形成較強(qiáng)的熱輻射。11●電弧放電蒸發(fā)裝置也具有避免電阻加熱材料或坩堝材料的污染，加熱溫度較高的特點(diǎn)，特別適用于熔點(diǎn)高，同時(shí)具有一定導(dǎo)電性的難熔金屬、石墨等的蒸發(fā)。同時(shí)

7、，這一方法所用的設(shè)備比電子束加熱裝置簡(jiǎn)單，是一種較為廉價(jià)的蒸發(fā)裝置。欲蒸發(fā)的材料制成電極，依靠調(diào)節(jié)真空室內(nèi)電極間距點(diǎn)燃電弧，瞬間的高溫電弧使電極端部產(chǎn)生蒸發(fā)從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的沉積。控制電弧的點(diǎn)燃次數(shù)或時(shí)間可沉積一定厚度的薄膜。既可用直流，又可用交流。缺點(diǎn)是放電過(guò)程中容易產(chǎn)生微米級(jí)電極顆粒的飛濺，影響被沉積薄膜的均勾性。12●激光蒸發(fā)裝置使用高功率激光束作為能源進(jìn)行薄膜的蒸發(fā)沉積。顯然，也具有加熱溫度高，可避免坩堝污染，蒸發(fā)速率高，蒸發(fā)過(guò)程容易控制等特點(diǎn)。多用波長(zhǎng)位于紫外波段的脈沖激光器作為蒸發(fā)光源。

8、針對(duì)不同波長(zhǎng)的激光束，需選用具有不同光譜透過(guò)特性的窗口和透鏡材料，將激光束引入真空室，并聚焦至蒸發(fā)材料上。特別適于蒸發(fā)成分復(fù)雜的合金或化合物，如高溫超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7、鐵電陶瓷、鐵氧體等。因高能量激光束可短時(shí)間將物質(zhì)局部加熱至極高溫度而蒸發(fā)。這樣被蒸發(fā)物質(zhì)仍能保持其原來(lái)的元素比例。也存在容易產(chǎn)生微小物質(zhì)顆粒飛濺，影響薄膜均勻性問(wèn)題。13二、物理氣相沉積-濺射法利用電場(chǎng)中加速后的高能離子，轟擊被濺射物質(zhì)做成的靶電極，使靶表面原子被濺射出來(lái)。這些被濺射出來(lái)，并沿一定方向射向襯底，從而實(shí)現(xiàn)薄膜