薄膜制備方法

1、薄膜制備方法1. 物理氣相沉積法（PVD）：真空蒸鍍 、離子鍍、濺射鍍膜2. 化學(xué)氣相沉積法（CVD)：熱CVD、等離子CVD、有機(jī)金屬CVD、金屬CVD。1、 真空蒸鍍即真空蒸發(fā)鍍膜，是制備薄膜最一般的方法。這種方法是把裝有基片的真空室抽成真空，使氣體壓強(qiáng)達(dá)到10Pa以下，然后加熱鍍料，使其原子或者分子從表面氣化逸出，形成蒸汽流，入射到溫度較低的基片表面，凝結(jié)形成固態(tài)薄膜。其設(shè)備主要由真空鍍膜室和真空抽氣系統(tǒng)兩大部分組成。保證真空環(huán)境的原因有防止在高溫下因空氣分子和蒸發(fā)源發(fā)生反應(yīng)，生成化合物而使蒸發(fā)源劣化。防止因蒸發(fā)物質(zhì)的分子在鍍膜室內(nèi)與空氣分子碰撞而阻礙蒸發(fā)分子直接到達(dá)基片表面，以及在途中

2、生成化合物或由于蒸發(fā)分子間的相互碰撞而在到達(dá)基片前就凝聚等在基片上形成薄膜的過程中，防止空氣分子作為雜質(zhì)混入膜內(nèi)或者在薄膜中形成化合物。蒸發(fā)鍍根據(jù)蒸發(fā)源的類別有幾種:、電阻加熱蒸發(fā)源。通常適用于熔點(diǎn)低于1500的鍍料。對(duì)于蒸發(fā)源的要求為a、熔點(diǎn)高b、飽和蒸氣壓低 c、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下不與蒸發(fā)材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng) d、具有良好的耐熱性，功率密度變化小。、電子束蒸發(fā)源。熱電子由燈絲發(fā)射后，被電場(chǎng)加速，獲得動(dòng)能轟擊處于陽極的蒸發(fā)材料上，使蒸發(fā)材料加熱氣化，而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)鍍膜。特別適合制作高熔點(diǎn)薄膜材料和高純薄膜材料。優(yōu)點(diǎn)有a、電子束轟擊熱源的束流密度高，能獲得遠(yuǎn)比電阻加熱源更大的能量密度，可以使高熔點(diǎn)

3、（可高達(dá)3000以上）的材料蒸發(fā)，并且有較高的蒸發(fā)速率。b、鍍料置于冷水銅坩堝內(nèi)，避免容器材料的蒸發(fā)，以及容器材料與鍍料之間的反應(yīng)，這對(duì)于提高鍍膜的純度極為重要。c、熱量可直接加到蒸發(fā)材料的表面，減少熱量損失。、高頻感應(yīng)蒸發(fā)源。將裝有蒸發(fā)材料的坩堝放在高頻螺旋線圈的中央，使蒸發(fā)材料在高頻電磁場(chǎng)的感應(yīng)下產(chǎn)生強(qiáng)大的渦流損失和磁滯損失（鐵磁體），從而將鍍料金屬加熱蒸發(fā)。常用于大量蒸發(fā)高純度金屬。分子束外延技術(shù)（molecular beam epitaxy,MBE)。外延是一種制備單晶薄膜的新技術(shù)，它是在適當(dāng)?shù)囊r底與合適條件下，沿襯底材料晶軸方向逐層生長(zhǎng)新單晶薄膜的方法。外延薄膜和襯底屬于同一物質(zhì)的稱

4、“同質(zhì)外延”，兩者不同的稱為“異質(zhì)外延”。MBE是在Pa的超真空條件下，將薄膜諸組分元素的分子束流，在嚴(yán)格監(jiān)控之下，直接噴射到襯底表面。其中未被基片捕獲的分子，及時(shí)被真空系統(tǒng)抽走，保證到達(dá)襯底表面的總是新分子束。這樣，到達(dá)襯底的各元素分子不受環(huán)境氣氛的影響，僅由蒸發(fā)系統(tǒng)的幾何形狀和蒸發(fā)源溫度決定。2、 離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子轟擊作用的同時(shí)，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物蒸鍍?cè)诨?。常用的幾種離子鍍：（1） 直流放電離子鍍。蒸發(fā)源：采用電阻加熱或電子束加熱； 充入氣體： 充入Ar或充入少量反應(yīng)氣體； 離化方式：被鍍基體為陰極，利用高電壓直流輝光

5、放電 離子加速方式：在數(shù)百伏至數(shù)千伏的電壓下加速，離化和離子加速一起進(jìn)行。（2） 空心陰極放電離子鍍（HCD，hollow cathode discharge ）。等離子束作為蒸發(fā)源，可充入Ar、其他惰性氣體或反應(yīng)氣體；利用低壓大電流的電子束碰撞離化， 0至數(shù)百伏的加速電壓。離化和離子加速獨(dú)立操作。（3） 射頻放電離子鍍。電阻加熱或電子束加熱，真空，Ar，其他惰性氣體或反應(yīng)氣體； 利用射頻等離子體放電離化 ， 0至數(shù)千伏的加速電壓，離化和離子加速獨(dú)立操作。（4） 低壓等離子體離子鍍。電子束加熱，惰性氣體，反應(yīng)氣體。 等離子體離化， DC或AC 50V離子鍍是一個(gè)十分復(fù)雜 過程，一般來說始終包括

6、鍍料金屬的蒸發(fā)，氣化，電離，離子加速，離子之間的反應(yīng)，中和以及在基體上成膜等過程，其兼具真空蒸鍍和真空濺射的特點(diǎn)。3、 濺射鍍膜是在真空室中，利用荷能粒子轟擊靶表面，使被轟擊出的粒子在基片上沉積的技術(shù)。用帶有幾十電子伏特以上動(dòng)能的粒子或粒子束照射固體表面，靠近固體表面的原子會(huì)獲得入射粒子所帶能量的一部分進(jìn)而向真空中逸出，這種現(xiàn)象稱為濺射。應(yīng)用于現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的主要濺射鍍膜方式：（1）射頻濺射是利用射頻放電等離子體中的正離子轟擊靶材、濺射出靶材原子從而沉積在接地的基板表面的技術(shù)。由于交流電源的正負(fù)性發(fā)生周期交替，當(dāng)濺射靶處于正半周時(shí)，電子流向靶面，中和其表面積累的正電荷，并且積累電子，使其表面呈現(xiàn)

7、負(fù)偏壓，導(dǎo)致在射頻電壓的負(fù)半周期時(shí)吸引正離子轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)濺射。由于離子比電子質(zhì)量大，遷移率小，不像電子那樣很快地向靶表面集中，所以靶表面的點(diǎn)位上升緩慢，由于在靶上會(huì)形成負(fù)偏壓，所以射頻濺射裝置也可以濺射導(dǎo)體靶。射頻濺射裝置的設(shè)計(jì)中，最重要的是靶和匹配回路。靶要水冷，同時(shí)要加高頻高壓。（2）磁控濺射（高速低溫濺射）。其沉積速率快、基片溫度低，對(duì)膜層的損傷小、操作壓力低。磁控濺射具備的兩個(gè)條件是：磁場(chǎng)和電場(chǎng)垂直；磁場(chǎng)方向與陰極（靶）表面平行，并組成環(huán)形磁場(chǎng)。電子在電場(chǎng)E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發(fā)生碰撞，使其電離產(chǎn)生出Ar 和新的電子；新電子飛向基片，Ar 在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶

8、，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜，而產(chǎn)生的二次電子會(huì)受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生E（電場(chǎng)）B（磁場(chǎng)）所指的方向漂移，簡(jiǎn)稱EB漂移，其運(yùn)動(dòng)軌跡近似于一條擺線。若為環(huán)形磁場(chǎng)，則電子就以近似擺線形式在靶表面做圓周運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)路徑不僅很長(zhǎng)，而且被束縛在靠近靶表面的等離子體區(qū)域內(nèi)，并且在該區(qū)域中電離出大量的Ar 來轟擊靶材，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。隨著碰撞次數(shù)的增加，二次電子的能量消耗殆盡，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，并在電場(chǎng)E的作用下最終沉積在基片上。由于該電子的能量很低，傳遞給基片的能量很小，致使基片溫升較低。（3） 反應(yīng)濺射。反應(yīng)濺射是指在存在反應(yīng)氣

9、體的情況下，濺射靶材時(shí)，靶材會(huì)與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物(如氮化物或氧化物)，在惰性氣體濺射化合物靶材時(shí)由于化學(xué)不穩(wěn)定性往往導(dǎo)致薄膜較靶材少一個(gè)或更多組分，此時(shí)如果加上反應(yīng)氣體可以補(bǔ)償所缺少的組分，這種濺射也可以視為反應(yīng)濺射?；瘜W(xué)氣相沉積chemical vapor deposition（CVD)1、 熱CVD指把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的過程。 原理：利用揮發(fā)性的金屬鹵化物和金屬的有機(jī)化合物等，在高溫下發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)，包括熱分解、氫還原（可制備高純度金屬膜）、氧化和置換反應(yīng)等，在基板上沉積所需要的氮化物、氧化物

10、、碳化物、硅化物、硼化物、高熔點(diǎn)金屬、金屬、半導(dǎo)體等薄膜。制備條件：1）在沉積溫度下，反應(yīng)物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室； 2）反應(yīng)產(chǎn)物除了形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮發(fā)性的； 3）沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓。2、 等離子體CVD（plasma chemical vapor deposition）是在高頻或直流電場(chǎng)作用下，將原料氣體電離形成等離子體，利用低溫等離子體作為能量源，通入適量的反應(yīng)氣體，利用等離子體放電，使反應(yīng)氣體激活并實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積的技術(shù)。在保持一定壓力的原料氣體中，輸入直流、高頻或微波功率，產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體。在氣體放電等離子體中，由于低速電子與氣體原子碰撞，故除產(chǎn)生正、負(fù)離子外，還會(huì)產(chǎn)生大量的活性基（激發(fā)原子、分子等），從而可大大增強(qiáng)反映氣體的活性。這樣就可以在較低的溫度下，發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生薄膜。 PCVD可以在更低的溫度下成膜?？蓽p少熱損傷，減低膜層與襯底材料間的相互擴(kuò)散及反應(yīng)多用于太陽能電池及液晶顯示器等。3、 有機(jī)金屬CVD（MOCVD）是將反應(yīng)氣體和氣化的有機(jī)物通過反應(yīng)室，經(jīng)過熱分解沉積在加熱的襯底上形成薄膜。它是