纳米技术课件:第八章薄膜材料.ppt
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- 纳米技术 课件 第八 薄膜 材料
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1、u薄膜材料基础薄膜材料基础u薄膜的形成机理薄膜的形成机理u物理气相沉积物理气相沉积u化学气相沉积化学气相沉积u化学溶液镀膜法化学溶液镀膜法u液相外延制膜法液相外延制膜法u膜厚的测量与监控膜厚的测量与监控1. 薄膜材料的概念薄膜材料的概念 采用一定方法,使处于某种状态的一种或几种物采用一定方法,使处于某种状态的一种或几种物质(原材料质(原材料) )的基团以物理或化学方式附着于衬底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。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简而言之,薄膜是由离
2、子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。程形成的二维材料。2. 薄膜分类薄膜分类 )(filmsolidthin固固态态液液态态气气态态(1 1)物态)物态(2 2)结晶态:)结晶态: (3 3)化学角度)化学角度 无无机机薄薄膜膜有有机机薄薄膜膜集集合合体体组组成成,由由许许多多取取向向相相异异单单晶晶多多晶晶:在在一一衬衬底底上上生生长长质质外外延延在在单单晶晶基基底底上上同同质质和和异异单单晶晶:外外延延生生长长晶晶态态长长程程无无序序有有序序非非晶晶态态:原原子子排排列列短短程程、。、(4 4)组成)组成 非非金金属属薄薄膜膜金金属属薄薄膜膜(5 5)物性)物性 光光学学薄薄膜膜磁磁阻
3、阻薄薄膜膜介介电电薄薄膜膜超超导导薄薄膜膜半半导导体体薄薄膜膜金金属属导导电电薄薄膜膜热热学学薄薄膜膜声声学学薄薄膜膜硬硬质质薄薄膜膜q 厚度,决定薄膜性能、质量厚度,决定薄膜性能、质量q 通常,膜厚通常,膜厚 The strained film said: “We are all tired enough, please give us a break!”Oh, it is more comfortable now, although a few of our colleagues are still suffering the pressure.The single said: “It i
4、s OK, my effort is to make all of you happy!”原原 理理: 在超高真空条件下,在超高真空条件下,将各组成元素的分子束将各组成元素的分子束流以一个个分子的形式流以一个个分子的形式喷射到衬底表面,在适喷射到衬底表面,在适当的温度下外延沉积成当的温度下外延沉积成膜。膜。 目前目前MBEMBE的膜厚控制水平达到单原子层,可用于制备超晶的膜厚控制水平达到单原子层,可用于制备超晶格、量子点,及格、量子点,及3-53-5族化合物的半导体器件。族化合物的半导体器件。应应 用用7 7) 脉冲激光沉积脉冲激光沉积(PLD)(PLD) 利用脉冲聚焦激光烧蚀靶材,使靶的局部
5、在瞬间受高温汽利用脉冲聚焦激光烧蚀靶材,使靶的局部在瞬间受高温汽化,在真空室内的惰性气体羽辉等离子体作用下活化,并沉化,在真空室内的惰性气体羽辉等离子体作用下活化,并沉积到衬底的一种制膜方法。积到衬底的一种制膜方法。 2. 2. 蒸镀用途蒸镀用途q 适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜,如电极的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。导电膜、光学镜头用增透膜。q 蒸镀合金膜时,较溅射成分难保证。蒸镀合金膜时,较溅射成分难保证。q 镀纯金属时速度快,镀纯金属时速度快,90%为铝膜。为铝膜。q 铝膜的用途广泛,在制镜业代替银,在集成电路镀铝进铝膜的用途广泛,在制
6、镜业代替银,在集成电路镀铝进行金属化后刻蚀出导线。行金属化后刻蚀出导线。7.2.3 7.2.3 溅射镀膜(溅射镀膜(sputtering depositionsputtering deposition) 1. 1. 工艺原理工艺原理溅射镀膜:溅射镀膜:是指在真空室中,利用荷能粒子轰击镀料表面,是指在真空室中,利用荷能粒子轰击镀料表面,使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。 蒸发速率蒸发速率 )sm/(kgPapTM75. 7mJ221 从蒸发源蒸发出来的分子在向基片沉积的过程中,还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,
7、使蒸发分子失去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。为保证定向运动的动能,而不能沉积于基片。为保证8090的蒸发元素到达基片,一般要求残留气体的平均自由程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是蒸发源至基片距离的5-10倍。倍。先进材料制备技术先进材料制备技术蒸发源的组成 应具备的条件应具备的条件 (1) 能加热到平衡蒸气压为能加热到平衡蒸气压为(1.3310-21.33Pa)的蒸发温度;的蒸发温度; (2) 要求坩锅材料具有化学稳定性;要求坩锅材料具有化学稳定性; (3) 能承载一定量的待蒸镀材料。能承载一定量的待蒸镀
8、材料。 类型类型 点源和微面源点源和微面源先进材料制备技术先进材料制备技术点源点源 点源可以是向任何方向蒸发。点源可以是向任何方向蒸发。 若某段时间内蒸发的全部质量为若某段时间内蒸发的全部质量为M0,则在某规定方向的立,则在某规定方向的立体角体角dw w内,物质蒸发的质量为内,物质蒸发的质量为 w w4dMdm00 若基片离蒸发源的距离为若基片离蒸发源的距离为r,蒸发,蒸发分子运动方向于基片表面法向的夹分子运动方向于基片表面法向的夹角为角为q q,则基片上单位面积附着量,则基片上单位面积附着量md为为20dr4cosMSm q q S为附着系数为附着系数先进材料制备技术先进材料制备技术微面源微
9、面源 微面源中的蒸发分子从盒子表面的小孔飞出。微面源中的蒸发分子从盒子表面的小孔飞出。 若在规定时间内从小孔蒸发的全部质量为若在规定时间内从小孔蒸发的全部质量为M0,则在与小孔,则在与小孔所在平面的发现构成角方向的立体角所在平面的发现构成角方向的立体角 中,物质蒸发的质量中,物质蒸发的质量为为 w w 4dcosMdm00 若基片离蒸发源的距离为若基片离蒸发源的距离为r,蒸发,蒸发分子运动方向于基片表面法向的夹分子运动方向于基片表面法向的夹角为角为q q,则基片上单位面积附着量,则基片上单位面积附着量me为为20er4coscosMSm q q S为附着系数为附着系数先进材料制备技术先进材料制
10、备技术点源:所有方向上均匀蒸发点源:所有方向上均匀蒸发微面源:垂直与小孔平面的上方蒸发量最大,在其他方向上微面源:垂直与小孔平面的上方蒸发量最大,在其他方向上蒸发量为此方向的蒸发量为此方向的cos 倍。倍。若基片与蒸发源距离为若基片与蒸发源距离为h,基片中心处膜厚为,基片中心处膜厚为t0,则距中心为,则距中心为d d距离的膜厚距离的膜厚t 点源:点源: 微面源:微面源: 2320h1tt d d220h1tt d d先进材料制备技术先进材料制备技术蒸发源的加热方式 真空中加热物质的方式主要有:电阻加热法、电子真空中加热物质的方式主要有:电阻加热法、电子束加热法、高频感应加热法、电弧加热法、激光
11、加热束加热法、高频感应加热法、电弧加热法、激光加热法等。法等。先进材料制备技术先进材料制备技术 电阻加热法电阻加热法 (1) 将薄片或线状的高熔点金属,如钨、钼、钛等做成适当形将薄片或线状的高熔点金属,如钨、钼、钛等做成适当形状的蒸发源,装上蒸镀材料,让电流通过蒸发源加热蒸镀状的蒸发源,装上蒸镀材料,让电流通过蒸发源加热蒸镀材料,使其蒸发。材料,使其蒸发。(2) 选择蒸发源材料使必需要考虑以下问题:选择蒸发源材料使必需要考虑以下问题: 蒸发源材料的熔点和蒸气压、蒸发源材料的熔点和蒸气压、 蒸发原料与薄膜材料的反应、蒸发原料与薄膜材料的反应、 蒸发源材料与薄膜材料之间的湿润性等蒸发源材料与薄膜材
12、料之间的湿润性等先进材料制备技术先进材料制备技术(3) 电阻加热蒸发源的形状电阻加热蒸发源的形状 螺旋丝状:可以从各个方向发射蒸气螺旋丝状:可以从各个方向发射蒸气 箔舟状:可蒸发不浸润蒸发源的材料,效率较高,但只能箔舟状:可蒸发不浸润蒸发源的材料,效率较高,但只能向上蒸发。向上蒸发。先进材料制备技术先进材料制备技术 电子束加热法电子束加热法 (1) 把被加热的物质放置在水冷坩锅中,利用电子束轰击其中把被加热的物质放置在水冷坩锅中,利用电子束轰击其中很小一部分,使其熔化蒸发,而其余部分在坩锅的冷却作很小一部分,使其熔化蒸发,而其余部分在坩锅的冷却作用下处于很低的温度。用下处于很低的温度。先进材料
13、制备技术先进材料制备技术(2) 电子束加热法的优点:电子束加热法的优点: 可以直接对蒸发材料加热;可以直接对蒸发材料加热; 可避免材料与容器的反应和容器材料的蒸发;可避免材料与容器的反应和容器材料的蒸发; 可蒸发高熔点材料。可蒸发高熔点材料。(3) 电子束加热法的缺点:电子束加热法的缺点: 装置复杂;装置复杂; 只适合于蒸发单质元素;只适合于蒸发单质元素; 残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。先进材料制备技术先进材料制备技术合金、化合物的蒸镀方法 当制备两种以上元素组成的化合物或合金薄膜时,仅当制备两种以上元素组成的化合物或合金薄膜时
14、,仅仅使材料蒸发未必一定能获得与原物质具有相同成分的仅使材料蒸发未必一定能获得与原物质具有相同成分的薄膜,此时需要控制原料组成制作化合物或合金薄膜薄膜,此时需要控制原料组成制作化合物或合金薄膜 例如,对于例如,对于SiO2和和B2O3等氧化物而言,大部分是保持等氧化物而言,大部分是保持原物质分子状态蒸发的原物质分子状态蒸发的 对于对于ZnS、CdS、PbS等硫化物,这些物质的一部分等硫化物,这些物质的一部分或全部发生分解而飞溅,其蒸镀膜与原来材料并不完全或全部发生分解而飞溅,其蒸镀膜与原来材料并不完全相同。相同。先进材料制备技术先进材料制备技术 合金的蒸镀闪蒸法和双蒸法合金的蒸镀闪蒸法和双蒸法
15、 (1) 合金蒸镀条件合金蒸镀条件 两组分两组分A和和B的蒸发速率比值的蒸发速率比值 对于二元合金,最初时易蒸发成分对于二元合金,最初时易蒸发成分A优先蒸发,只要优先蒸发,只要在合金溶液中个成分扩散得很快,蒸发源表面上的成分在合金溶液中个成分扩散得很快,蒸发源表面上的成分B所占比例逐渐增加,不久就会达到所占比例逐渐增加,不久就会达到RBRA的状态,也就是的状态,也就是说得到膜层从富说得到膜层从富A成分到富成分到富B成分连续变化,从而产生分成分连续变化,从而产生分馏现象。馏现象。AB0BBB0AAABAMMpxpxRR 先进材料制备技术先进材料制备技术(2) 闪蒸蒸镀法闪蒸蒸镀法 把合金做成粉末
16、或微细颗粒,在高温加热器或坩锅把合金做成粉末或微细颗粒,在高温加热器或坩锅蒸发源中,使一个一个的颗粒瞬间完全蒸发蒸发源中,使一个一个的颗粒瞬间完全蒸发先进材料制备技术先进材料制备技术(3) 双蒸发蒸镀法双蒸发蒸镀法 把两种元素分别装入各自的蒸发源中,然后独立地控把两种元素分别装入各自的蒸发源中,然后独立地控制个蒸发源的蒸发过程。制个蒸发源的蒸发过程。 该方法可以使到达基片的该方法可以使到达基片的各种原子与所需要薄膜组成各种原子与所需要薄膜组成相对应。其中,控制蒸发源相对应。其中,控制蒸发源独立工作和设置隔板是关键独立工作和设置隔板是关键技术,在各蒸发源发射的蒸技术,在各蒸发源发射的蒸发物到达基
17、片前,绝对不能发物到达基片前,绝对不能发生元素混合。发生元素混合。先进材料制备技术先进材料制备技术 化合物的蒸镀化合物的蒸镀(1) 反应蒸镀法反应蒸镀法 在充满活泼气体的气氛中蒸发固体材料,使两者在基在充满活泼气体的气氛中蒸发固体材料,使两者在基片上进行反应而形成化合物薄膜。这种方法在制作高熔点片上进行反应而形成化合物薄膜。这种方法在制作高熔点化合物薄膜时经常被采用。化合物薄膜时经常被采用。 例如:在空气或氧气中例如:在空气或氧气中 蒸发蒸发Si来制备来制备SiO2薄膜薄膜 先进材料制备技术先进材料制备技术(2) 双蒸发源蒸镀三温度法双蒸发源蒸镀三温度法 这种方法从原理上讲就是双蒸发源蒸镀法,
18、但是同这种方法从原理上讲就是双蒸发源蒸镀法,但是同时必须控制基片和两个蒸发源的温度,所以也称三温度时必须控制基片和两个蒸发源的温度,所以也称三温度法。法。这种方法是制备化合这种方法是制备化合物半导体的一种基本物半导体的一种基本方法。方法。例如例如: GaAs单晶薄膜单晶薄膜的制备的制备先进材料制备技术先进材料制备技术(3) 分子束外延法分子束外延法 实际上是改进型的三温度法。当制备三元混晶半导实际上是改进型的三温度法。当制备三元混晶半导体化合物薄膜时,在加一蒸发源,就形成了四温度法。体化合物薄膜时,在加一蒸发源,就形成了四温度法。例如例如: GaAsP半导体半导体薄膜的制备薄膜的制备先进材料制
19、备技术先进材料制备技术溅射成膜 溅射是指荷能粒子(如正离子)轰击靶材,使靶材表面原子或原子团逸出的现象。逸出的原子在工件表面形成与靶材表面成分相同的薄膜。优点和缺点 参数控制较蒸发困难 但不存在分馏,不需加热至高温等。溅射与蒸发的异同点 同:在真空中进行 异:蒸发制膜是将材料加热汽化 溅射制膜是用离子轰击靶材,将其原子打出。 先进材料制备技术先进材料制备技术离子镀 在镀膜的同时,采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。离子轰击的目的在于改善膜层的性能。离子镀的优点 入射离子能量高,与基体的结合强度高,膜层致密,耐久性好,膜层硬度高,耐磨性好,耐蚀性好; 与其他表面处理工艺结合使用效果更佳 可
20、镀基材广泛,可同时在不同金属材料的表面成膜,膜层的颜色均匀一致,成膜温度低而热稳定好; 膜层隐蔽性好 镀膜过程无环境污染先进材料制备技术先进材料制备技术离子镀装置 将基片放在阴极板上,在基片和蒸发源之间加高电压,真空室内充入1.310-2-1.3Pa放电气体。与放电气体成比例的蒸发分子,由于强电场的作用而激发电离,离子加速后打到基片上,而大部分中性蒸发分子不能加速而直接到达基片上。 先进材料制备技术先进材料制备技术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 膜厚的测量与监控先进材料制备技术先进材料制备技术Materials
21、PhysicsPrecursorReactorSolid products(Thin films, Powders)Gas phase productsEnergy Chemical Vapor Deposition (CVD) is chemical reactions which transform gaseous molecules , called precursor, into a solid material , in the form of thin film or powder, on the surface of a substrate .Materials Physics1
22、. Precursor 2. Substrates3. Heater or furnace 4. ExhaustGeneral System RequirementslGas and vapor delivery lines lReactor main chamber - hot wall, cold wall lEnergy source(s) Exhaust system - byproducts removal Reactor:水平型:生产量较高,但沿气流方向膜厚及浓度分布不均;水平型:生产量较高,但沿气流方向膜厚及浓度分布不均;垂直型:膜均匀性好,但产量不高;垂直型:膜均匀性好,但产量
23、不高;圆筒型:兼顾上面两者优点。圆筒型:兼顾上面两者优点。Materials PhysicsVaporization and transport of precursor molecules into reactor Diffusion of precursor molecules to surface Adsorption of precursor molecules to surface Decomposition of precursor molecules on surface and incorporation into solid films Recombination of mo
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