2009JC备课_4PVD_薄膜材料和薄膜技术-4th.pptVIP

薄膜材料与技术;第四章 薄膜制备的物理 气相沉积方法;PVD技术是指在真空条件下，用物理的方法将材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程在衬底上沉积一层具有特殊性能的薄膜技术。;;（4）PVD具有特点（与CVD相比）：;4.1 真空蒸发镀膜;（1）沉积过程步骤：; 蒸发过程;2）蒸发速率：当系统处于平衡状态时，物质液态或固态与蒸汽间达到动态平衡。物质的分子和原子不断地蒸发离开液体或固体表面，同时蒸汽分子或原子又不断地返回固体或液体表面。 在真空中，单位面积清洁表面上粒子的自由蒸发速率：;蒸发速度与温度关系：;3）蒸发粒子的速度和能量：;大多数蒸发的薄膜材料蒸发温度在1000-2500℃，则 ： 粒子平均速度约103 m/s； 平均动能为0.1-0.2eV（1.6×10-20~3.2×10-20J），占汽化热的很小一部分，大部分汽化热用来克服固体或液体中原子间的吸引力。; 蒸发原子的迁移过程; 蒸发原子与基片表面原子的相互作用;（2）影响薄膜生长和性能的因素：;（3）薄膜沉积的厚度均匀性和纯度：;小平面蒸发源：蒸发范围局限在半球形空间，蒸发特性具有方向性。;（4）真空蒸发镀膜特点：;4.1.2 真空蒸发镀膜系统与工艺; 镀前准备：;（3）真空蒸发镀膜技术：;熔点要高：通常蒸发温度为1000-2000℃，要高于待蒸发温度，不与被蒸发材料反应。 饱和蒸汽压低：防止和减少在高温蒸发下蒸发源材料的自身蒸发而作为杂质进入薄膜中。 化学性能稳定，高温下不与蒸发材料反应。 具有良好的耐热性，功率密度变化较小。 原材料丰富，经济耐用。 可采用丝状、箔装、舟状和其他特殊形状。; 结构简单、成本低廉、操作方便； 支撑坩埚及材料与蒸发物反应； 难以获得足够高温蒸发介电材料（Al2O3、TiO2）； 蒸发率低； 加热导致合金或化合物分解。 可制备单质、氧化物、介电和半导体化合物薄膜。;线状;② 电子束蒸发;电子束聚焦方式：静电聚焦和磁偏转聚焦 电子束产生后，需要对他进行聚焦而使其能够直接打到被蒸发材料的表面。 ;电子束加热蒸发;电子束蒸发工艺参数：;③ 激光蒸发;④ 电弧蒸发;⑤ 射频加热;4.1.3 合金膜的蒸镀;（2）双源或多源蒸发法：;4.2 脉冲激光沉积（Pulse Laser Deposition, PLD); 等离子体的定向局域等温绝热膨胀发射;（3）PLD沉积特点：;（4）实例介绍：PLD制备YBCO 薄膜;4.3 溅射镀膜（Sputtering）;4.3.1 溅射的基本原理;溅射的碰撞机制：;气体放电：汤生放电、辉光放电（正常辉光放电和异常辉光放电）和电弧放电。实际镀膜过程采用异常辉光放电。;入射离子轰击靶材时，平均每个正离子能从靶材打出的原子数为溅射产额（ ）。;入射离子的种类影响： 溅射产额随入射原子序数增加而周期性增加。;材料（靶材）特性的影响： 与元素的升华热有关，呈明显周期性；随外层ｄ电子数的增加，溅射产额提高。;表面氧化的影响： 表面轻微氧化时导致产额增加，表面严重氧化时形成比较厚的氧化层将大大降低溅射产额。;能量呈麦克斯韦分布，最可几能量为几个eV左右。溅射原子能量与靶材、入射离子种类和能量有关。;4.3.3 溅射沉积方法;（1）直流溅射：;;通过额外的电子源，发射电子从而离化气体，调节等离子体密度； 增加离化率、保证放电自持； 工作压强（10-2-10-1 Pa）低于二极溅射所需气压； 实现低气压、低电压溅射； 放电电流和轰击靶的离子能量可独立调节； 难获得大面积均匀的等离子体。;交变电场中振荡的电子具有足够高的能量产生离化碰撞，达到放电自持； 溅射系统需要在电源与放电室之间配备阻抗匹配网。 常用频率13.56 MHz； 靶材上形成自偏压效应； 沉积绝缘材料非常有效； 溅射电源电压有效降低； 适用金属、绝缘体、半导体。;① 传统溅射方法缺点：;③ 磁控溅射靶材：;磁电管设计;帕邢（Paschen）曲线;通过减小或增大靶中心的磁体体积，使部分磁力线发散到距靶较远的衬底附近，使等离子体扩展到衬底附近且部分等离子体起轰击衬底作用。 拓展等离子体区域； 增加离子比例； 增加沉积能量;（4）反应溅射：;② 靶中毒现象：;④ 反应溅射应用：;4.3.4 溅射镀膜特点：;溅射真空室组件 ;抽气机组及阀门、管道 ;Base pressure;实例介绍3：MSPVD沉积Al-C-N薄膜;AlN, Al49C13N38, Al50C15N35, Al47C20N33, Al48C25N27, Al4C3 ;4.4 离子束和离子辅助镀膜;离子束沉积 Ion beam deposition ;4.4.1 离子镀; 集气体放电、等离子体技术、真空技术于一体； 具有真空蒸镀和溅射镀膜的优点； 薄膜与基片结合好、粒子