您好,欢迎访问三七文档
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。2.薄膜分类)(filmsolidthin固态液态气态(1)物态(2)结晶态:集合体组成,由许多取向相异单晶多晶:在一衬底上生长质外延在单晶基底上同质和异单晶:外延生长晶态长程无序有序非晶态:原子排列短程、。、(3)化学角度无机薄膜有机薄膜(4)组成非金属薄膜金属薄膜(5)物性光学薄膜磁阻薄膜介电薄膜超导薄膜半导体薄膜金属导电薄膜热学薄膜声学薄膜硬质薄膜厚度,决定薄膜性能、质量通常,膜厚数十um,一般在1um以下。薄膜的一个重要参数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。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:1)物理成膜PVD2)化学成膜CVD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。7.2物理成膜1.定义2.成膜方法与工艺7.2.1概述真空蒸发镀膜(包括脉冲激光沉积、分子束外延)溅射镀膜离子成膜材料及试验方法磁控溅射设备激光分子束外延设备溅射进样真空室Methodsoffilmpreparationincludelaserdeposition,sputtering,MOCVD,andsol-geltechniques.Thecompositionandcrystalstructureoffilmsdependonmaterialquality,fabriccationmethod,synthesiscondition,andpost-annealing.NaturalWorld“Atomic-World”Target/evaporatedsourceSubstratesurfaceAtomicrainClustersParticlesDischargeImpurity,ContaminationVacuumCloudEarthsurface--groundNaturalrainSnowHailThunderstormDust,PollutionEnvironmentalprotectionCloudtargetsubstrate原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟7.2.2真空蒸发镀膜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)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。工艺原理演示1.工艺原理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。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。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。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。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)。外延(epitaxialgrowth,epitaxy)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。.filmsubstrateCommensurateGrowth同质外延(homoepitaxy)异质外延(HeteroepitaxialGrowth)压应力张应力(拉应力)压应变(aeas)同质外延(ae=as)张应变(aeas)Thepresenceofstraincanmodifythephysicalpropertiesofepitaxialfilms.Thecauseofstrainisprimarilythedifferencebetweenthelatticespacingofsubstrateandfilmparallelthesurface,orthe“latticemismatch”.StrainenergyreleasedafasThestrainedfilmsaid:“Wearealltiredenough,pleasegiveusabreak!”Oh,itismorecomfortablenow,althoughafewofourcolleaguesarestillsufferingthepressure.应变能释放出现刃位错Thesinglesaid:“ItisOK,myeffortistomakeallofyouhappy!”Strainalterdspacings,whilealterθvalues原理:在超高真空条件下,将各组成元素的分子束流以一个个分子的形式喷射到衬底表面,在适当的温度下外延沉积成膜。目前MBE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3-5族化合物的半导体器件。应用7)脉冲激光沉积(PLD)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,并沉积到衬底的一种制膜方法。2.蒸镀用途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。蒸镀合金膜时,较溅射成分难保证。镀纯金属时速度快,90%为铝膜。铝膜的用途广泛,在制镜业代替银,在集成电路镀铝进行金属化后刻蚀出导线。7.2.3溅射镀膜(sputteringdeposition)1.工艺原理溅射镀膜: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。1.工艺原理溅射镀膜有两类离子束由特制的离子源产生离子源结构复杂,价格昂贵用于分析技术和制取特殊薄膜在真空室中,利用离子束轰击靶表面,使溅射出的粒子在基片表面成膜。1)离子束溅射:离子束溅射:气体放电溅射离子束与磁控溅射联合镀膜设备利用低压气体放电现象,产生等离子体,产生的正离子,被电场加速为高能粒子,撞击固体(靶)表面进行能量和动量交换后,将被轰击固体表面的原子或分子溅射出来,沉积在衬底材料上成膜的过程。2)气体放电溅射+-1)整个过程仅进行动量转换,无相变2)沉积粒子能量大,沉积过程带有清洗作用,薄膜附着性好3)薄膜密度高,杂质少4)膜厚可控性、重现性好5)可制备大面积薄膜6)设备复杂,沉积速率低。2.工艺特点离子束与磁控溅射联合镀膜设备3.溅射的物理基础——辉光放电溅射镀膜基于高能粒子轰击靶材时的溅射效应。整个溅射过程是建立在辉光放电的基础上,使气体放电产生正离子,并被加速后轰击靶材的离子离开靶,沉积成膜的过程。不同的溅射技术采用不同的辉光放电方式,包括:1)直流辉光放电—直流溅射2)射频辉光放电—射频溅射3)磁场中的气体放电—磁控溅射(1)直流辉光放电指在两电极间加一定直流电压时,两电极间的稀薄气体(真空度约为13.3-133Pa)产生的放电现象。直流辉光放电的伏安特性曲线AB—无光放电区BC—汤森放电区CD—过渡区DE—正常辉光放电区EF—异常辉光放电区FG—弧光放电区(2)射频辉光放电指通过电容耦合在两电极之间加上射频电压,而在电极之间产生的放电现象。电子在变化的电场中振荡从而获得能量,并且与原子碰撞产生离子和更多的电子。射频放电的频率范围:1-30MHz,工业用频率为13.56MHz其特点是:1)辉光放电空间产生的电子,获得足够的能量,足以产生碰撞电离,减少对二次电子的依赖,降低击穿电压2)射频电压能够通过任何类型的阻抗耦合进去,所以,电极无需是导体,可以溅射任何材料(3)电磁场中的气体放电在放电电场空间加上磁场,放电空间中的电子就要围绕磁力线作回旋运动,其回旋半径为eB/mv,磁场对放电的影响效果,因电场与磁场的相互位置不同而有很大的差别。4.溅射特性参数(1)溅射阈值(2)溅射率(3)溅射粒子的状态、能量、速度(4)溅射粒子的角分布4.溅射特性参数(1)溅射阈值:使靶材料原子发生溅射所需的最小入射离子能量,低于该值不能发生溅射。大多数金属该值为10~20ev。(2)溅射率:正离子轰击靶阴极时平均每个正离子能从靶材中打击出的粒子数,又称溅射产额或溅射系数,S。S=Ns/NiNi-入射到靶表面的粒子数Ns-从靶表面溅射出来的粒子数定义影响因素①入射离子能量②靶材种类③入射离子种类溅射率与靶材元素在周期表中的位置有关。一般规律:溅射率随靶材元素的原子序数增大而增大Cu、Ag、Au较大C、Si、Ti、V、Ta、W等较小溅射率依赖于入射离子的能量,相对原子质量越大,溅射率越高。溅射率随原子序数发生周期性变化,每一周期电子壳层填满的元素具有最大的溅射率。惰性气体的溅射率最高。④入射角入射角是入射离子入射方向与被溅射靶材表面法线之间的夹角⑤溅射温度靶材(3)溅射出的粒子从靶材上被溅射下来的物质微粒,主要参数有:粒子状态、粒子能量和速度。①溅射粒子的状态与入射离子的能量有关②溅射粒子的能量与靶材、入射离子的种类和能量以及溅射粒子的方向性有关,其能量可比蒸发原子的能量大1~2个数量级。(4)溅射粒子的角分布溅射原子的角度分布符合Knudsen的余弦定律。也与入射原子的方向性、晶体结构等有关。4.几种典型的溅射镀膜方法(1)直流溅射镀膜靶材为阴极基片置于阳极极间电压1-2KV真空度1-几百Pa放电气体:Ar只适用于导体+-也称等离子弧柱溅射,在热阴极和辅助阳极之间形成低电压、大电流的等离子体弧柱,大量电子碰撞气体电离,产生大量离子。(2)射频溅射镀膜适用于导体、半导体、绝缘
本文标题:7-薄膜制备技术-
链接地址:https://www.777doc.com/doc-4267062 .html