薄膜材料及其制备精选文档.ppt
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1、薄膜材料及其制备本讲稿第一页,共三十二页概概 念念采采用用一一定定方方法法,使使处处于于某某种种状状态态一一种种或或几几种种的的物物质质以以物物理理或或化化学学方方式沉积于衬底材料表面,在衬底材料表面形成一层新的物质。式沉积于衬底材料表面,在衬底材料表面形成一层新的物质。是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。状态状态 气态气态 液态液态 固态固态 结晶态结晶态 非晶非晶 多晶多晶 单晶单晶 2本讲稿第二页,共三十二页组成组成 金属薄膜金属薄膜 非金属薄膜非金属薄膜 物性物性 硬质薄膜硬质薄膜 超导薄膜超导薄膜 金属导电薄膜金属导电薄膜 介电
2、薄膜介电薄膜 半导体薄膜半导体薄膜 光学薄膜光学薄膜 磁学薄膜磁学薄膜 3本讲稿第三页,共三十二页一、物理气相沉积一、物理气相沉积-蒸发法蒸发法1.物质的热蒸发物质的热蒸发 利用物质高温下的蒸发现利用物质高温下的蒸发现象,可制备各种薄膜材料。象,可制备各种薄膜材料。与溅射法相比,蒸发法显与溅射法相比,蒸发法显著特点之一是在著特点之一是在较高的真空较高的真空度条件下度条件下,不仅蒸发出来的,不仅蒸发出来的物质原子或分子具有物质原子或分子具有较长的较长的平均自由程平均自由程,可以直接沉积,可以直接沉积到衬底表面上,且可确保所到衬底表面上,且可确保所制备的薄膜具有制备的薄膜具有较高纯度较高纯度。制备
3、方法制备方法4本讲稿第四页,共三十二页2.元素的蒸发速率元素的蒸发速率 环境中元素的分压降至其平衡蒸气压之下时,就会发生元素的蒸发。环境中元素的分压降至其平衡蒸气压之下时,就会发生元素的蒸发。元素的平衡蒸气压元素的平衡蒸气压Pe随温度的变化率:随温度的变化率:纯元素多以单个原子,但有时也可能是以原子团的形式蒸发进入气相。纯元素多以单个原子,但有时也可能是以原子团的形式蒸发进入气相。大多数大多数金属,当温度达到元素熔点时,其平衡蒸气压也低于金属,当温度达到元素熔点时,其平衡蒸气压也低于10-1Pa,这种情况下,要想利用蒸发方法进行物理气相沉积,需将物质加热到其这种情况下,要想利用蒸发方法进行物理
4、气相沉积,需将物质加热到其熔点以上。熔点以上。另一类物质,如另一类物质,如Cr、Ti、Mo、Fe、Si等,在低于熔点的温度下,等,在低于熔点的温度下,其蒸汽压已相对较大。可直接利用升华现象,实现元素的气相沉积。其蒸汽压已相对较大。可直接利用升华现象,实现元素的气相沉积。Ti升华泵:轰击蒸发吸附气体升华泵:轰击蒸发吸附气体 石墨:无熔点,电极间高温放电蒸发石墨:无熔点,电极间高温放电蒸发5本讲稿第五页,共三十二页3.化合物与合金的蒸发化合物与合金的蒸发沉积后的薄膜可能偏沉积后的薄膜可能偏离蒸发源化学组成离蒸发源化学组成(成分、物相)(成分、物相)气相分子化合与分解气相分子化合与分解薄膜成分偏离蒸
5、发源成分薄膜成分偏离蒸发源成分 对于二元合金对于二元合金理想溶液理想溶液:AB二元合金的两组元二元合金的两组元AB原子间的作用能与原子间的作用能与AA或或BB原子间的作用能相等的合金。原子间的作用能相等的合金。合金中组元的平衡蒸气压将小于纯组元的蒸气压:合金中组元的平衡蒸气压将小于纯组元的蒸气压:PA=xA PA(0);PB=xB PB(0)蒸汽压和蒸发速度都将不同蒸汽压和蒸发速度都将不同一般为一般为非理想溶液非理想溶液:组元蒸气压之比将更加偏离合金的原始成分。当组元:组元蒸气压之比将更加偏离合金的原始成分。当组元B与其他与其他组元的吸引作用力较小时,它将拥有较高的蒸气压;反之,其蒸气压将相对
6、较低。组元的吸引作用力较小时,它将拥有较高的蒸气压;反之,其蒸气压将相对较低。PA=A PA(0);PB=B PB(0)6本讲稿第六页,共三十二页A、B两组元蒸发速率之比两组元蒸发速率之比 利用上式可估算所需使用的合金蒸发源的成分。如:在利用上式可估算所需使用的合金蒸发源的成分。如:在1350K,A1的蒸气压高于的蒸气压高于Cu,为获得,为获得Al2Cu(质量分数质量分数)成分的薄膜,需要使用的蒸发源成分为成分的薄膜,需要使用的蒸发源成分为A113.6Cu(质量分数质量分数)。但组元蒸发速率之比将随时间变化但组元蒸发速率之比将随时间变化 采用多的蒸发源采用多的蒸发源 不断加入易蒸发组元不断加入
7、易蒸发组元 采用多蒸发源采用多蒸发源7本讲稿第七页,共三十二页沉积均匀性沉积均匀性 蒸发源的形式蒸发源的形式 蒸发源距衬底的距离蒸发源距衬底的距离 衬底位置与运动蒸发源衬底位置与运动蒸发源8本讲稿第八页,共三十二页4.真空蒸发装置真空蒸发装置 电阻式蒸发装置电阻式蒸发装置 使用温度高;使用温度高;高温下蒸汽压低;高温下蒸汽压低;不与被蒸发物质反应;不与被蒸发物质反应;无放气和污染;无放气和污染;适当的电阻率。适当的电阻率。W、Mo、Ta等难熔金属或石墨的片、舟、丝(等难熔金属或石墨的片、舟、丝(螺旋螺旋 润湿性润湿性 Al2O3涂覆涂覆)。)。普通电阻加热或感应加热。普通电阻加热或感应加热。9
8、本讲稿第九页,共三十二页 电子束蒸发装置电子束蒸发装置电阻加热的缺点电阻加热的缺点:可能造成:可能造成 污染;加热功率或加热温度有限,不适于高纯或难熔污染;加热功率或加热温度有限,不适于高纯或难熔物质的蒸发。物质的蒸发。电于束蒸发装置正好克服了电阻加热法的不足电于束蒸发装置正好克服了电阻加热法的不足 被加热物质放于水冷的柑祸中,电子被加热物质放于水冷的柑祸中,电子束只轰击其中很少一部分物质,而其余束只轰击其中很少一部分物质,而其余的大部分物质在坩埚冷却作用下一直处的大部分物质在坩埚冷却作用下一直处于低温,即后者实际上变成了被蒸发物于低温,即后者实际上变成了被蒸发物质的坩埚。因此电子束蒸发沉积可
9、避质的坩埚。因此电子束蒸发沉积可避免坩埚材料的污染。免坩埚材料的污染。在同一蒸发沉积装置中可以安置多个在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚,可同时或分别蒸发和沉积多种不坩埚,可同时或分别蒸发和沉积多种不同物质。同物质。10本讲稿第十页,共三十二页 装置中,由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加速,装置中,由加热的灯丝发射出的电子束受到数千伏的偏置电压的加速,并经过横向布置的磁场偏转并经过横向布置的磁场偏转270后到达被轰击坩埚处。磁场偏转法可避免灯后到达被轰击坩埚处。磁场偏转法可避免灯丝材料的蒸发对于沉积过程可能造成的污染。丝材料的蒸发对于沉积过程可能造成的污染。其缺点是电子束的绝
10、大部分能量要被坩埚的水冷系统带走。因而其热效率较低;其缺点是电子束的绝大部分能量要被坩埚的水冷系统带走。因而其热效率较低;另外,过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。另外,过高的加热功率也会对整个薄膜沉积系统形成较强的热辐射。11本讲稿第十一页,共三十二页 电弧放电蒸发装置电弧放电蒸发装置 也具有避免电阻加热材料或坩埚材料的污染,加热温度较高的特点,特别适也具有避免电阻加热材料或坩埚材料的污染,加热温度较高的特点,特别适用于熔点高,同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发。同时,这一方用于熔点高,同时具有一定导电性的难熔金属、石墨等的蒸发。同时,这一方法所用的设备比电子束加热
11、装置简单,是一种较为廉价的蒸发装置。法所用的设备比电子束加热装置简单,是一种较为廉价的蒸发装置。欲蒸发的材料制成电极,依靠调节真空室内电欲蒸发的材料制成电极,依靠调节真空室内电极间距点燃电弧,瞬间的高温电弧使电极端部产极间距点燃电弧,瞬间的高温电弧使电极端部产生蒸发从而实现物质的沉积。控制电弧的点燃次生蒸发从而实现物质的沉积。控制电弧的点燃次数或时间可沉积一定厚度的薄膜。数或时间可沉积一定厚度的薄膜。既可用直流,又可用交流。缺点是放电过程既可用直流,又可用交流。缺点是放电过程中容易产生微米级电极颗粒的飞溅,影响被沉积中容易产生微米级电极颗粒的飞溅,影响被沉积薄膜的均勾性。薄膜的均勾性。12本讲
12、稿第十二页,共三十二页 激光蒸发装置激光蒸发装置 使用高功率激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积。显然,也具有加热温度高,使用高功率激光束作为能源进行薄膜的蒸发沉积。显然,也具有加热温度高,可避免坩埚污染,蒸发速率高,蒸发过程容易控制等特点。多用波长位于紫外可避免坩埚污染,蒸发速率高,蒸发过程容易控制等特点。多用波长位于紫外波段的脉冲激光器作为蒸发光源。波段的脉冲激光器作为蒸发光源。针对不同波长的激光束,需选用具有不同光谱透过特性的窗口和透镜材料,针对不同波长的激光束,需选用具有不同光谱透过特性的窗口和透镜材料,将激光束引入真空室,并聚焦至蒸发材料上。将激光束引入真空室,并聚焦至蒸发材料上。特别适
13、于蒸发成分复杂的合金或化特别适于蒸发成分复杂的合金或化合物,如高温超导材料合物,如高温超导材料YBa2Cu3O7、铁电陶瓷、铁氧体等。因高能量铁电陶瓷、铁氧体等。因高能量激光束可短时间将物质局部加热激光束可短时间将物质局部加热至极高温度而蒸发。这样被蒸发至极高温度而蒸发。这样被蒸发物质仍能保持其原来的元素比例。物质仍能保持其原来的元素比例。也存在容易产生微小物质颗粒飞溅,也存在容易产生微小物质颗粒飞溅,影响薄膜均匀性问题。影响薄膜均匀性问题。13本讲稿第十三页,共三十二页二、物理气相沉积二、物理气相沉积-溅射法溅射法 利用电场中加速后的高能离子,轰击被利用电场中加速后的高能离子,轰击被溅射物质
14、做成的靶电极,使靶表面原子被溅射物质做成的靶电极,使靶表面原子被溅射出来。这些被溅射出来,并沿一定方溅射出来。这些被溅射出来,并沿一定方向射向衬底,从而实现薄膜的沉积。向射向衬底,从而实现薄膜的沉积。1.基本原理基本原理 14本讲稿第十四页,共三十二页气体放电与等离子体气体放电与等离子体气体放电是离子溅射过程的基础气体放电是离子溅射过程的基础 使真空容器中使真空容器中A r气压力保持气压力保持1Pa,逐渐提高两极间电压。逐渐提高两极间电压。开始,电极间几乎无电流,只有极开始,电极间几乎无电流,只有极少量的电离粒子在电场作用下定向运少量的电离粒子在电场作用下定向运动,形成极为微弱的电流;动,形成
15、极为微弱的电流;随电压升高,离子能量提高,碰撞随电压升高,离子能量提高,碰撞阴极激发出二级电子,二级电子能量达阴极激发出二级电子,二级电子能量达到一定值,与气体碰撞导致气体分子电到一定值,与气体碰撞导致气体分子电离,产生大量新的电子和离子,气体被离,产生大量新的电子和离子,气体被击穿,电流突增。击穿,电流突增。有相当导电能力的气体叫有相当导电能力的气体叫等离子体等离子体。放电气体发出辉光,叫放电气体发出辉光,叫辉光放电辉光放电。溅射产额溅射产额:被溅射出来的物质的总原子:被溅射出来的物质的总原子数与入射离子数之比。数与入射离子数之比。溅射阀值溅射阀值:等够使靶材表面溅射出原:等够使靶材表面溅射
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