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（3）激光加热蒸发源
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二、溅射镀膜
• 1.概述 • （1）溅射现象 （1842年，Grove提出） • 当高能粒子（通常是由电场加速的正离子）冲击
固体表面时，固体表面的原子、分子与这些高能粒子 交换能量，从而由固体表面飞溅出来的现象。 • 溅射镀膜：1870年； 工业应用：1930年以后 • （2）蒸镀与溅射的区别 • 蒸镀：让材料加热气化（发射出粒子），再沉积 到基片上成膜。 溅射：用离子轰击，将靶材原子打出来，再沉积 到基片上成膜。
①蒸发源材料由凝聚相转变为气相； ②在蒸发源和基片之间蒸发离子的 运输； ③蒸发粒子到达基片后凝结、成核、 长大及成膜。
1. 衬底加热器；2.衬底； 3. 原料；4. 料舟。
蒸镀装置示意图
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1. 优缺点
• （1）操作方便，沉积参数易于控制； • （2）制膜纯度高，可用于薄膜性质研究； • （3）可在电镜检测下进行镀膜，可对薄膜生
螺旋丝状加热器要求熔融的蒸发料能 够浸润螺丝或者有足够的表面张力以 防止掉落，它的优点是可以从各个方 向发射蒸汽。 箔舟状加热器的优点是可蒸发不浸润 加热器的材料，效率较高（相当于小 型平面蒸发源），缺点是只能向上蒸 发。
各种电阻加热蒸发源
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• （2）电子束加热蒸发源
• 电子束集中轰击膜料的一部分而进行加热的方法。
从单晶靶溅 射出来的粒 子显示择优 取向
溅射率不仅 取决于入射 粒子的能量 ，也取决于 入射粒子的 质量
溅射出来的 粒子平均速 率比热蒸发 的粒子平均 速率高得多
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4. 常见的溅射镀膜方法
• （1）辉光放电直流溅射
• • • • • • •
• • • • •
——最早采用的一种溅射方法。 装置图见右图。 影响因素：气体压强和阴-阳极 间距。 最严重的缺陷是用于辉光放电的 惰性气体对沉积薄膜构成污染。 优点：
• 一般在基片原子核蒸发原子之间的结合能接近于蒸发
原子间结合能的情况下（共格）发生这种生长方式的 生长。
• 以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜并且与衬底有
确定的取向关系，例如在Au衬底上生长Pb单晶膜，在 PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。
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• 3. 层核生长型（Straski Krastanov型） • 特点：是生长机制的中间状态，在衬底原子与沉积原
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• （3）特点 • 优点： • （a）使用范围广，原则上任何物质均可溅射，尤其是 • • • • • •
高Tm低分解压的材料； （b）膜质好，膜密度高，无气孔，附着性好； （c）可制备掺杂膜、氧化物膜和高纯膜等。 缺点： （a）设备复杂，沉积参数控制较难； （b）沉积速率低，约0.01~0.5μm/min 蒸镀：0.1~5μm/min
• •
•
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四、分子束外延（缩写为MBE）
• 1. 外延技术 • 外延是指在单晶衬底上生长出位向相同的同类单晶体
（同质外延），或者生长出具有共格或半共格联系的 异类单晶体（异质外延）的技术。 液相外延 外延技术分为 气相外延 同质 分子束外延 异质 外延 2.分子束外延装置 特点：可精确控制膜厚，实现外延生长，获得高洁净 度的膜层。
• • • • •
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T h a n k
y o u
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• 3.离子镀特点：
• • • • • • •
（1）可在较低温度下镀膜，不需后处理； （2）膜层附着性好； （3）沉积速率快； 基材：陶瓷、玻璃、塑料等 （4）基片、膜材选择范围广；膜材：合金、碳化物、氧化物等 （5）不足： （a）存在择优溅射，会改变膜成分； （b）膜层中氩含量较高。
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• 4. 离子束注入成膜法
（a）应用更广，对熔点高、蒸汽压低的 元素也同样适用； （b）制备的薄膜层与基片的附着力比真 空蒸镀更强。 适用于：靶材为良导体的溅射。
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为什么直流溅射不能 用来溅射沉积绝缘介 质薄膜？？？
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• （2）射频溅射 • 适用于绝缘体、半导体及导体等任何一类靶材
的溅射。 • 射频溅射采用交流电源进行溅射。 • 射频溅射系统的外貌几乎与直流溅射系统相同。 • 二者最重要的差别在于射频溅射系统要在电源 与放电室间配备阻抗匹配网。
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3. 溅射机理——两种假设
• （1）Hippel理论（1926年提出） • 离子轰击靶产生的局部高温使靶材料（阴极材料）的局部蒸
发，在阳极上沉积制膜。
• （2）动能转移机理（Stark，1909年） • (a)溅射出的原子能量比蒸发原子能量高一个数量级；
• (b)轰击离子存在一个临界能量，低于这个能量，不能产生溅射； • (c)溅射系数=溅射原子数/轰击离子数，既与轰击离子的能量有
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一、分类
• 电子显微镜下直接观察薄膜蒸镀过程，发现薄膜的生
长可以分为如下三种类型：
• 1. 核生长类型（Volmer Veber型） • 特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞
来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上 不断长大而最终形成薄膜。
• 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹
第 五 章
薄膜材料的制备
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• 薄膜——由离子、原子或分子的沉积过程形成
的二维材料。
• 即采用一定的方法，使处于某种状态的一种或
几种的物质的基团以物理或者化学方法附着于 某种物质表面，在衬底材料表面形成一层新的 物质，这层新的物质即为薄膜。
• 薄膜的特征——具有二维延展性。
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薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛，制
配（非共格）时出现，大部分薄膜的形成过程属于这 一类型。
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• 薄膜生长的四个阶段： • （1）成核，在此期间形成许多小的晶粒，按统计规律
分布在基片表面上；
• （2）晶核长大并形成较大的岛，这些岛具有小晶体的
形状；
• （3）岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络； • （4）沟道被填充。在薄膜的生长过程中，当晶核一旦
子之间的键能大于沉积原子相互之间键能（准共格） 的情况下多发生这种方式的生长。
• 在半导体表面形成金属膜时，常呈现这种方式的生长，
例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面上沉积Bi、Ag等都 属于这一类型。
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• 物理汽相沉积，Physical Vapor Depositon • 缩写：PVD • 包括蒸发沉积（蒸镀），溅射沉积（溅射）和
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• （3）磁控溅射
• 70年代，在阴极溅射的基础上发展起来的，能有效克
服溅射速率低，电子碰撞使基片温度升高的弱点。 • 基本原理：二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁 场洛伦磁力的影响，围绕靶材做圆周运动，延长了电 子运动路径，增加了与工作气体的碰撞几率，溅射速 率呈数量级的提高；低能电子，使得基片温度↓↓。 • 应用：汽车膜
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三、离子镀
• 1.离子镀——在真空条件下，利用气体放电使气体
或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将 蒸发物或反应物沉积在基片上，其目的在于改善膜 层的性能。
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• 2. 离子镀原理
• • • • • • • • • • • •
坩埚或灯丝作为阳极，基片做阴极。 当基片加上负高压时，在坩埚和基片 之间便产生辉光放电。 离化的惰性气体离子被电场加速并轰 击基片表面，从而实现基片表面的清 洗，完成基片表面清洗后，开始离子 镀膜。 首先使待镀材料在坩埚中加热并蒸发， 蒸发原子进入等离子体区与离化的惰 性气体及电子发生碰撞，产生离化， 离化的蒸汽离子受到电场的加速，打 到基片上最终成膜。
离子镀等。 • 通常用于沉积薄膜和涂层，沉积薄膜的厚度从 10-1nm级到mm级变化。 • 是一类应用极为广泛的成膜技术，从装饰涂层 到各种功能薄膜，涉及化工、核工程、微电子 及它们的相关工业工程。
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一、真空蒸发镀膜（蒸镀）
• 蒸镀——利用真空泵将沉积室抽成“真空”，
然后用高熔点材料制成的蒸发源将沉积材料加 热、蒸发、沉积于基片上。
关，也与轰击离子的质量有关； • (d)离子能量过高，溅射系数反而下降，可能是因为离子深入到 靶材内部，能量没有交给表面附近原子的缘故； • (e)溅射原子出射的角分布，对于单晶靶材，粒子主要沿几个方 向出射。最强的出射方向对应于晶格中原子最密集排列的方向， 这种现象可用“聚焦碰撞”解释。
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溅射出来的粒子角分布取决 于入射粒子的方向
• ——将大量离子注入基片，与基片元素发生化学反应， •
形成化合物薄膜。 例如，对硅片注入大量的阳离子或氮离子后，就能在 硅片表面形成SiO2薄膜或Si3N4薄膜。 可以在低温下进行，所成的膜质量很好； 可以精确控制入射离子的能量大小，束流强度和时间 等，故这种成膜技术即将成为研究薄膜的良好工艺手 段。 束流强度大，注入效率高，成膜也就快。
膜技术的发展也非常迅速。
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，
而每种方式又可以分为很多种方法。
本章仅就制膜的一些常用方法及其原理、工艺、
设备等进行简要介绍。
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• 1650年，R. Boye等人观察到在液体表面上液体薄膜产
生的干涉相干彩色花纹。
溅射镀膜不如蒸镀应用广泛！！！
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2.辉光放电 溅射离子主要来源于气体放电，主要是辉光放电。 机制：设备——真空二极管 阴极——被溅射的材料 阳极——基片 放电产生的等离子体中的正离子 经阴极暗区的电场加速而飞向阴 极靶，不仅能打出靶面原子（溅 射材料），而且还会轰击出二次 电子，二次电子在飞向阴极的过 程中，又与其他气体碰撞使之电 离，使辉光放电持续不断地进行 辉光放电 下去。
• 1850年，M Faraday发明了电镀制备薄膜的方法。 • 1852年，W. Grove发现了辉光放电的溅射沉积方法。