薄膜制备技术

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工艺原理演示
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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。
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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
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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
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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： 定义 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。
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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。
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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
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2. 薄膜分类 （1）物态
气 态 液 态 固 态(thin solid film)
（2）结晶态：
非 晶 态 ： 原有 子、 序 排 长列 程短 。 无程 序
晶 态 多 单
晶 晶
： ：
外 、在 延单 生晶 长基 底质 上外 同延 质 和
在 一， 衬由 底许 上多 生取 长集 向合 相体 异组
（真空度约为13.3-133Pa）产生的放电现象。
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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
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（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
The cause of strain is primarily the difference between the lattice spacing
of substrate and film parallel the surface, or the “lattice mismatch”.
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应变能释放出现刃位错
Target/evaporated source Substrate surface
Atomic rain Clusters Particles Discharge Impurity, Contamination
Vacuum
7.2.2 真空蒸发镀膜
1. 工艺原 理真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉
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Strain energy released
☺ ☺ ☺ ☺ ☺ ☺ ☺
af
>
as
The single said: “It is OK,
精品课m件y effort is to make all of you happy!”
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。
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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。
外 延（epitaxial growth, epitaxy） 指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体（同质外
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
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（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
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 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。
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。
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
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（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。
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.
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精价品化课件合物。
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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，
-
+
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2. 工艺特点
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。
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离子束与磁控溅射联合镀膜设备
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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
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。
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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。
The composition and crystal structure of films depend on
material quality, fabriccation method, synthesis condition, and
post-annealing.
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原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟
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。
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（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。
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。
S = Ns / Ni
Ni-入射到靶表面的粒子数 Ns-从靶表面溅射出精来品的课件粒子数
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影响因素 ① 入射离子能量
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② 靶材种类 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
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）。
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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。
.
film
substrate
Commensurate Growth 同质外延（homoepitaxy）
在基片表面成膜。
✓ 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
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离子束与磁控溅射联合镀膜设备
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2) 气体放电溅射 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。
压应力
张应力(拉应力)
异质外延 精品课件（Heteroepitaxial Growth）
压应变（ae > as）
同质外延（ae= as） 张应变（ae
< as ）
The presence of strain can modify the physical
properties of epitaxial films.
Natural World “Atomic-World”target
Cloud
Cloud Earth surface -- ground
Natural rain Snow Hail
Thunder storm Dust, Pollution
Environmental protection
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substrate
（3）化学角度
有 机 薄 膜 无 机 薄 膜
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（来自百度文库）组成
金 属 薄 膜 非 金 属 薄 膜
（5）物性
硬质薄膜
声学薄膜
热学薄膜
金属导电薄膜
半导体薄膜
超导薄膜
介电薄膜
磁阻薄膜
光学薄膜
薄膜的一个重要参数 厚度，决定薄膜性能、质量 通常，膜厚 < 数十um，
一般在1um 以下。
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行金属化后刻蚀出导线。
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7.2.3 溅射镀膜（sputtering deposition） 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
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1. 工艺原理
溅射镀膜有两类 ▪ 离子束溅射： ▪ 气体放电溅射
1) 离子束溅射： 在真空室中，利用离子束轰击靶表面，使溅射出的粒子
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7.1.2 薄膜的制备方法
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代表性的制备方法按物理、化学角度来分，有： 1) 物理成膜 PVD 2) 化学成膜 CVD
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7.2 物理成膜 7.2.1 概述 1. 定义
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。
Strain alter d spacings, while alter
θvalues
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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。
应用
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。
2. 成膜方法与工艺 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
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材料及试验方法
磁控溅射设备
溅射进样真空室
激光分子束外延设备
Methods of film preparation include laser deposition,
sputtering, MOCVD, and sol-gel techniques.