物理气相沉积和化学气相沉积
薄膜沉积的化学方法
高纯度薄膜对于某些应用至关重要，但化学方法沉积过程中杂质和 缺陷的控制难度较大。
反应条件控制
化学反应的条件，如温度、压力和反应物浓度，对薄膜的特性和质量 有显著影响，需要精确控制。
未来发展方向
1 2
新材料探索
随着科技的发展，对具有特殊性能的新型薄膜材 料的需求不断增加，探索新型化学沉积薄膜材料 是未来的重要方向。
原理
在电化学沉积过程中，电解液中的金属离子在电极上失去电子并还原成金属原子，这些原子在电极表 面逐渐积累形成连续的金属薄膜。
常见反应类型
阴极还原
在阴极上，金属离子获得电子并 还原成金属原子，这是电化学沉 积中最常见的反应类型。
共沉积
共沉积是指同时沉积出两种或多 种金属或非金属元素的过程，可 以通过改变电解液成分和电压来 实现。
离子束沉积
03
通过离子束轰击固体材料表面，将原子或分子溅射出来并在基
底上沉积成膜。
应用领域
微电子和半导体制造
用于制造集成电路、微电子器件和光电器件等。
光学薄膜
用于制造光学元件和反射镜等。
装饰和艺术品保护
用于制造装饰涂层和保护涂层等。
03
电化学沉积 (ECD)
定义与原理
定义
电化学沉积是一种通过在电解液中施加电压来使金属或化合物从溶液中析出并沉积在电极表面形成薄 膜的方法。
复合沉积
复合沉积是指沉积出的薄膜由两 种或多种材料组成，这些材料可 以在空间上相互分离，也可以混 合在一起。
应用领域
01
02
03
微电子器件制造
电化学沉积在微电子器件 制造中广泛应用，如薄膜 导电层、金属连线、电极 等。
表面工程
气相沉积法制备纳米材料
气相沉积法制备纳米材料气相沉积法主要包括化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）和物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition，PVD）两种类型。
其中，CVD主要利用化学反应来产生纳米材料，而PVD主要利用物理方式，如蒸发和溅射等，将材料直接沉积在基底上。
气相沉积法具有以下特点：1.高纯度制备。
气相沉积法在高真空条件下进行，可以避免杂质的污染，从而得到高纯度的纳米材料。
2.可控性好。
通过控制反应温度、气体流量、反应时间等参数，可以精确控制纳米材料的成分、尺寸、形貌等，实现所需功能。
3.薄膜均匀性好。
气相沉积法通过在基底上均匀沉积材料，可以得到均一的纳米材料薄膜，其性能也相对一致。
4.生长速度快。
气相沉积法可以在较短的时间内生长大量纳米材料，提高制备效率。
气相沉积法在制备纳米材料方面有广泛的应用。
例如，在纳米纤维制备中，可以利用电纺丝技术制备纳米纤维薄膜。
电纺丝技术中，通过电场作用将高分子溶液快速拉伸成纳米级细纤维，然后经过气相沉积法，将纳米颗粒或纳米结构材料沉积到纳米纤维上，从而得到具有特殊功能的纳米复合材料。
此外，气相沉积法还可以制备纳米粉体。
利用热化学反应，在气相中将金属盐溶液或金属有机化合物热解分解，生成纳米金属颗粒。
这些纳米金属颗粒可以用于催化剂、传感器、磁性材料等领域。
总的来说，气相沉积法是一种重要的纳米材料制备方法，具有制备纳米材料纯度高、生长速度快、可控性好等优点。
随着科技的发展，气相沉积法在纳米材料领域的应用将会更加广泛。
PVD应用技术介绍
磁记录薄膜
复合磁头：对于磁头材料，要求具有典型的软 磁性能，即饱和磁化强度高、矫顽力低、磁导 率高，磁致伸缩系数低。传统的烧结铁氧体磁 体具有很好的软磁性能和耐磨能，但其磁化强 度远低于合金软磁材料，因而采用PVD工艺在 铁氧体磁头表面沉积一层厚度几个微米的软磁 性能较好的合金薄膜。 薄膜磁头：将磁性材料和磁场线圈都沉积在特 定的衬底上，构成薄膜磁头，与铁氧体磁头相 比，薄膜磁头具有更高的灵敏度，可以有效缩 小磁头尺寸，提高磁记录密度。
电学薄膜
（1）半导体器件与集成电路中的导电材料与 介质薄膜材料Al, Cr, Pt, Au, Cu, 硅化物，SiO2,Si3N4，Al2O3 （2）超导薄膜 YBaCuO，BiSrCaCuO， TlBaCuO等高温超导材料 （3）光电子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H a-SiGe:H, a-SiC:H等晶态和非晶态薄膜 （4）透明导电薄膜(太阳能电池、液晶显 示器 的透明电极和低压电加热器的电加热薄膜 ）
装饰性薄膜
钟表工业镀TiN呈金黄色，Cr2N呈银色。 手机部件（外壳、按键、镜片等） 化状品瓶盖、儿童玩具、节日礼物、家电 汽车的按钮、穿戴饰件
光学薄膜
（1）减反射膜：相机、摄像机、投影仪、 望远镜等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3 红外设备镜头上的ZnS，CeO2，SiO （2）增反射膜：太阳能接收器、镀膜反射 镜、激光器用的高反射率膜 （3）分光镜和滤波片：如彩色扩印设备上
In
Plasma Sputtering Buffer Unloading Out treatment chamber chamber chamber robot
离子镀( 离子镀(Ion Plating) Plating)
半导体技术-薄膜沉积
薄膜沉积薄膜的沉积，是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的扩散及在适当的位置下聚结，以渐渐形成薄膜并成长的过程。
分类及详述：化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）——CVD反应气体发生化学反应，并且生成物沉积在晶片表面。
物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）——PVD蒸镀（Evaporation）利用被蒸镀物在高温（近熔点）时，具备饱和蒸汽压，来沉积薄膜的过程。
溅镀（Sputtering）利用离子对溅镀物体电极（Electrode）的轰击（Bombardment）使气相中具有被镀物的粒子（如原子），沉积薄膜。
化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition；CVD)用高温炉管来进行二氧化硅层的成长，至于其它如多晶硅 (poly-silicon)、氮化硅 (silicon-nitride)、钨或铜金属等薄膜材料，要如何成长堆栈至硅晶圆上？基本上仍是采用高温炉管，只是因着不同的化学沉积过程，有着不同的工作温度、压力与反应气体，统称为「化学气相沉积」。
既是化学反应，故免不了「质量传输」与「化学反应」两部分机制。
由于化学反应随温度呈指数函数变化，故当高温时，迅速完成化学反应，对于化学气相沉积来说，提高制程温度，容易掌握沉积的速率或制程的重复性。
高温制程有几项缺点：1．高温制程环境所需电力成本较高。
2．安排顺序较后面的制程温度若高于前者，可能破坏已沉积材料。
3．高温成长的薄膜，冷却至常温后，会产生因各基板与薄膜间热胀缩程度不同的残留应力 (residual stress)。
所以，低制程温度仍是化学气相沉积追求的目标之一，如此一来，在制程技术上面临的问题及难度也跟着提高。
按着化学气相沉积的研发历程，分别简介「常压化学气相沉积」、「低压化学气相沉积」及「电浆辅助化学气相沉积」：1．常压化学气相沉积(Atmospheric Pressure CVD；APCVD)最早研发的CVD系统，是在一大气压环境下操作，设备外貌也与氧化炉管相类似。
物理气相沉积
工料件；不带后电者，真包空括条件电下、金属磁加、热蒸声发、沉积光到等工件功表能面薄 无物膜气理材孔 气，相料但沉等膜积层。(PV缺D陷) 较多。
而物理气相沉积，并不需要发生化学反应，其只是通过各种方法（如加热蒸发，溅射等等），将源材料气化，然后沉积于基片表面成
膜，沉积前会后的被物溅质都射是出一样来的而。 沉积到工件表面。
低温时密度较小但表面平滑
物等理能气 量相形沉式溅积产生(P射h气ys镀相ica原l膜V子ap纯、or分度De子p高、osi离t、io子n，均(气P态V匀D，)是，等指离而把子固且态态)基进(液行板态输)温镀运料，度通在低过固高态。温表因蒸面发上此、沉适溅积射凝用、聚性电(包子广括束与,、其可等他离沉反子应积体气、纯相离物金子质束进、行激化光学束反、应电生弧
气孔少，但混入溅射气体较多
工4、件离为基子阳镀片极膜，温（靶镀升材膜为较材阴料高极蒸，，发利、易用离氩受化离、杂子加溅质速射、气，沉靶体积材）影原子响击。出而沉积。
物④理无气环溅相境沉射污积染的(P；V用D) 途
因此适溅用性射广薄, 可膜沉积按纯其金属不、同合金的或功化合能物和。 应用可 原会大理被致是 溅充射分氩出为(来Ar而机)气沉械的积真到功空工能条件件表膜下面和，。使物氩理气进功行能辉光膜放两电，大(Ar)
★ 缺点：设备复杂，一次 较大。
（1）真空蒸镀
真空蒸镀基本原理是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后 沉积在基体表面上，蒸发的方法常用电阻加热，高频感应加热，电子束、激 光束、离子束高能轰击镀料，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面。
真空蒸镀的设备相对简单, 工艺操作容易, 可镀材料广, 镀膜纯洁, 广泛用于光 学、电子器件和塑料制品的表面处理。缺点是膜一基结合力弱，镀膜不耐磨, 并有方向性。
化学气相沉积的应用
化学气相沉积的应用化学气相沉积是现代材料制备中应用较为广泛的一种方法。
它通过在高温和高压下使化合物气体或者原子气体在固体表面重新排列组合形成新的材料结构，从而实现制备高质量、纯度高的材料。
本文将探讨化学气相沉积技术的应用及其在不同领域的发展情况。
一、化学气相沉积的基本原理化学气相沉积一般分为低压化学气相沉积和物理气相沉积两种形式。
低压化学气相沉积是通过化学反应使气态前体物质在高温的条件下沉积形成薄膜，而物理气相沉积则是利用射频等能量激发原子，将其沉积在基底上。
从材料制备的角度来看，化学气相沉积技术具有许多显著的优势。
一方面，该技术可以控制材料的成分、结构和形貌，从而实现对材料性能的控制。
另一方面，化学气相沉积技术的工艺复杂度较低，操作简单，对环境的影响较小，因此已经被广泛地应用于各种领域。
二、化学气相沉积在材料领域的应用1、化合物半导体材料制备化学气相沉积技术在材料制备中的主要应用之一就是在化合物半导体材料的制备中。
通过化学气相沉积，可以制备出具有优良光电性能的化合物半导体材料，例如氮化镓、磷化铟等。
此外，化学气相沉积技术还可以实现在Si基底上生长GaAs、InP等材料，通过复合直接键的连成形成异质结，从而进一步拓宽了半导体材料的应用范围。
2、金属基薄膜制备化学气相沉积技术还可以用于金属基薄膜的制备。
例如，通过化学气相沉积，可以将具有不同性质的金属和半导体材料沉积到基底表面，形成复合材料薄膜，从而实现对材料结构的控制。
通过控制化学气相沉积的条件，可以控制材料的成分和组织结构，例如实现超薄薄膜的制备、高温力学性能的控制等。
3、光电子器件的应用化学气相沉积技术已经广泛地应用于光电子器件的制备。
例如，将InGaN沉积在同一片基底上，利用不同压强和温度控制它们的成分和粒度，制作出LED、光电转换器件等。
此外，化学气相沉积技术还可以制备高性能的太阳能电池，以提高太阳能电池的转换效率。
三、化学气相沉积在其他领域的应用1、生物医药领域除了材料制备领域，化学气相沉积技术还可以用于生物医药领域的应用。
第三讲_薄膜的物理气相沉积-蒸发沉积
提高薄膜的沉积速率和真空度，均有助于提高薄膜纯度
蒸发沉积技术的种类
电阻热蒸发 电子束热蒸发 电弧热蒸发 激光束热蒸发 空心阴极热蒸发
电阻式热蒸发装置
特点： 装置简单，应用广泛 需要针对不同的被蒸发材料选择加热材料和方法 加热温度不能过高，易产生电阻丝等加热材料的污染
A A xA pA (0) M B B B x B pB (0) M A
都将不同于合金中的组元之比
合金中各元素的热蒸发
合金组元的蒸气压之比一般都要偏离合金的原 始成分。当组元A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 较低。 当需要制备的薄膜成分已知时，由上式可以确 定所需要使用的合金蒸发源的成分。比如，已知在 1350K的温度下，Al的蒸气压高于Cu，因而为了获 得Al-2%Cu成分的薄膜，需要使用的蒸发源的大致 成分应该是Al-13.6%Cu。但当组元差别很大时，这 一方法就失去了可行性。
合金中各元素的热蒸发
对于初始成分确定的蒸发源来说，由上式确定的 组元蒸发速率之比将随着时间而发生变化: 易于蒸发 的组元的优先蒸发将造成该组元的不断贫化，进而造 成该组元蒸发速率的不断下降。
解决这一问题的办法
使用较多的物质作为蒸发源，即尽量减小组元成分的相 对变化 采用向蒸发容器中不断地、但每次仅加入少量被蒸发物质 的方法，即使得少量蒸发物质的不同组元能够实现瞬间的 同步蒸发 利用加热至不同温度的双蒸发源或多蒸发源的方法，分别 控制和调节每个组元的蒸发速率(所谓三温度法)
第三讲
薄膜材料的蒸发沉积
Preparation of thin films by vacuum evaporation
《物理气相沉积》课件
电源设备
高压电源
01
提供高电压以产生电离气体。
直流电源
02
提供直流电流以加热沉积材料。
射频电源
03
提供射频能量以实现射频物理气相沉积。
控制设备
控制系统
用于控制物理气相沉积过程的各项参数，如温度、压力、电流等 。
监控系统
用于实时监测物理气相沉积过程的状态和参数。
数据采集系统
用于采集和记录物理气相沉积过程中的数据。
缺陷。
涂层制备工艺
真空系统建立
通过真空泵将沉积室内的气体抽至一定的真空度 ，为涂层制备创造必要的环境条件。
气相沉积
在真空条件下，通过物理方法将气态物质转化为 固态涂层，附着在工件表面。
涂层厚度控制
通过控制沉积时间和工艺参数，精确控制涂层的 厚度和均匀性。
后处理工艺
退火处理
通过加热使涂层内部原子重新排列，提高涂层的硬度 和稳定性。
详细描述
在溅射沉积中，高能粒子（如离子）轰击靶材表面，使靶材 原子或分子从表面溅射出来，并在基体上沉积形成薄膜。该 方法可用于制备金属、合金、陶瓷和其它无机材料。
离子镀
总结词
离子镀是一种物理气相沉积技术，通过将材料离子化并在电场作用下加速到基体 上，实现高能离子束沉积成膜。
详细描述
在离子镀中，将材料离子化后形成离子束，通过电场加速作用将离子束导向基体 表面，在基体上沉积形成薄膜。该方法可用于制备金属、合金、陶瓷和其它无机 材料，具有高沉积速率和良好的附着力。
由金属和非金属材料组成，具有优异 的力学性能和耐磨性，常用于制造机 械零件和刀具等。
04
物理气相沉积工艺
前处理工艺
表面清洗
去除工件表面的污垢、油脂和杂 质，确保表面干净，以提高涂层
5.2 气相沉积法
气相沉积技术是一种在基体上形成一层功能膜 的技术，它是利用气相中发生的物理、化学反应在 材料表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料获得所 需的各种优异性能。 例：用TiN、TiC等超硬镀层涂敷刀具、模具等表 面，由于化学稳定性好，摩擦系数小，具有优良的 耐热、耐磨、抗氧化、耐冲击等性能，既可以提高 刀具、模具等的工作特性，又可以提高寿命，一般 可使刀具寿命提高3-10倍。
岛 薄膜
成膜机理
真空蒸发所得到的薄膜，一般都是多晶膜或无定形膜，经历 成核和成膜两个过程。
• 蒸发的原子（或分子）碰撞到基片时，或是永久附着在 基片上，或是吸附后再蒸发而离开基片，其中有一部分 直接从基片表面反射回去。
• 粘附在基片表面的原子（或分子）由于热运动可沿表面 移动，如碰上其它原子便积聚成团。这种团最易于发生 在基片表面应力高的地方，或在晶体衬底的解理阶梯上， 因为这使吸附原子的自由能最小。这就是成核过程。
Heat decomposition
金属有机化合物与氢化物体系的热分解
Ga(CH3)3 AsH3 630-675℃ GaAs 3CH4 Zn(C2H5)2 H2Se 725750℃ ZnSe 2C2H6
广泛用于制备化合物半导体薄膜。
33
氢还原反应 ---利用氢气将一些元素从其卤化物中还原出来
例如二氧化硅可采用下面几个反应： SiCl4 (g) O2 (g) SiO2 (s) 2Cl2 (g) SiH4 (g) O2 (g) SiO2 (s) 2H2 (g)
SiCl4 (g) 2CO2 (g) 2H2 (g) SiO2 (s) 4HCl(g) 2CO(g)
Chapter5 Preparation of Materials
沉积工艺技术
沉积工艺技术沉积工艺技术是一种通过沉积材料来制造物品的工艺技术。
它广泛应用于电子、光学、材料科学等领域，能够生产出各种复杂形状的产品，具有较高的成品率和良好的表面质量。
沉积工艺技术的核心原理是按照预定的设计要求，在基板上逐层沉积材料，最终形成所需的产品。
常用的沉积工艺技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溅射、真空电镀等。
这些技术的差异主要在于沉积材料的形态和沉积条件的控制方式。
物理气相沉积（PVD）是一种通过在真空条件下蒸发固态材料，然后将其沉积在基板上的技术。
在PVD过程中，蒸发的材料会经过热状石或电弧的激发，变成离子态，然后被加速并沉积在基板上。
这种方法适用于金属、半导体、陶瓷等材料的沉积，可以得到高纯度和高结晶度的薄膜。
化学气相沉积（CVD）是一种通过化学反应在基板上沉积材料的技术。
在CVD过程中，待沉积的材料通常以气态存在，在高温下与气体反应生成固态产物。
CVD可以实现对沉积速率、沉积质量以及材料成分的精确控制，因此被广泛应用于化学气相沉积的领域。
溅射是一种通过高能粒子轰击靶材，使其表面原子离开而沉积在基板上的技术。
溅射技术可以沉积各种材料，如金属、半导体、绝缘体等，形成非常均匀的膜层。
真空电镀是一种通过在真空环境下，通过电解浴使金属沉积在基板上的技术。
真空电镀工艺技术主要应用于艺术品、饰品、钟表以及汽车等行业。
沉积工艺技术在生产中具有许多优点。
首先，沉积工艺可以生产出各种复杂的形状和结构的产品，满足不同领域的需求。
其次，沉积工艺可以实现对沉积速率、沉积质量和材料成分的精确控制，使产品具有更好的性能。
再次，沉积工艺可以在基板上沉积多种材料，使产品具有多功能性。
总的来说，沉积工艺技术是一种非常重要的制造工艺技术，具有广泛的应用前景。
通过不断推动技术创新和工艺改进，沉积工艺技术将进一步提高产品的质量和性能，推动各个领域的发展。
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物理气相沉积和化学气相沉积
物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD) 是一种通过物理方式将源材料转化为薄膜的技术。
在PVD 过程中，源材料通常是固体或液体，通过热或电子束等方式将其转化为气态，再沉积在被涂层表面上。
常用的PVD 技术有阴极溅射、磁控溅射和真空电镀。
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD) 是一种通过化学反应将源材料转化为薄膜的技术。
在CVD 过程中，源材料通常是气体，在高温和特定气氛下通过化学反应形成薄膜。
常用的CVD 技术有热化学气相沉积、等离子体化学气相沉积和电化学气相沉积。
物理气相沉积和化学气相沉积都是广泛应用于半导体、电子和化学工业中的技术。
两者都可以用来制造薄膜材料，但它们在原理和应用上有一些差异。
PVD 技术通常用于制造高纯度、高强度的金属和合金薄膜，如钛、钨、铬等，常用于制造高级工具、航空航天、医疗器械等领域。
PVD 还可以用于制造磁性薄膜、光学薄膜、耐热薄膜等。
CVD 技术通常用于制造高纯度、高热稳定性的非金属薄膜，如碳、硅、氧化物等，常用于制造半导体、液晶显示器、燃料电池等领域。
CVD 还可以用于制造生物医学材料、生物传感器等。
所以，PVD 技术适用于制造金属薄膜，而CVD 技术适用于制造非金属薄膜。
除了制备薄膜材料，物理气相沉积和化学气相沉积还有其他应用，如：
•PVD 技术可以用于硬质合金和工具的涂层，提高其耐磨性和耐腐蚀性。
•PVD 技术可以用于涂覆晶体管、太阳能电池和LED 等半导体器件上的金属膜，提高其电学性能。
•CVD 技术可以用于制造纳米材料，如碳纳米管和金纳米颗粒等。
•CVD 技术可以用于涂覆硬盘驱动器、汽车零部件和智能手机等电子设备上的防静电膜。
PVD和CVD技术都具有一些共同点和不同点。
共同点：
•都是用于制备薄膜材料的技术
•都需要使用真空设备
•都可以在实验室和工业生产环境中使用
不同点：
•PVD技术是通过物理方式将源材料转化为薄膜，而CVD技术是通过化学反应将源材料转化为薄膜。
•PVD技术通常用于制造金属薄膜，而CVD技术通常用于制造非金属薄膜•PVD技术的材料源通常是固体或液体，而CVD技术的材料源通常是气体。
•PVD技术通常需要高温和高真空条件，而CVD技术通常需要更低的温度和较低的真空条件。
然而，PVD和CVD技术都具有广泛的应用，如电子、半导体、医疗、航空航天等领域。
总之,物理气相沉积和化学气相沉积技术都是非常重要的材料制备技术，在许多工业领域都有广泛的应用，并且还在不断发展和改进。