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1、赵风周赵风周物理学院物理学院十月十月22低维材料制备技术1第一章 气相沉积技术1 1薄膜极其制备方法薄膜极其制备方法薄膜极其制备方法薄膜极其制备方法2 2真空技术基础真空技术基础真空技术基础真空技术基础3 3真空蒸镀真空蒸镀真空蒸镀真空蒸镀4 4溅射镀膜溅射镀膜溅射镀膜溅射镀膜5 5离子镀离子镀离子镀离子镀6 6化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积7 7分子束外延分子束外延分子束外延分子束外延8 8离子束合成薄膜离子束合成薄膜离子束合成薄膜离子束合成薄膜技术技术技术技术2第一节第一节 薄膜及其制备方法薄膜及其制备方法一、薄膜的定义和基本性质1.1 1.1 1.1 1.1 薄膜薄膜薄
2、膜薄膜(thin film)(thin film)(thin film)(thin film)A thin film is a layer of material ranging from A thin film is a layer of material ranging from fractions of a nanometer(monolayer)to fractions of a nanometer(monolayer)to several micrometers in thickness.several micrometers in thickness.按照一定的需要，利用特殊的制备
3、技术，在基体按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成的纳米表面形成的纳米表面形成的纳米表面形成的纳米(单原子层单原子层单原子层单原子层)到微米级厚度的膜层。到微米级厚度的膜层。到微米级厚度的膜层。到微米级厚度的膜层。31.21.2薄膜的基本性质薄膜的基本性质薄膜的基本性质薄膜的基本性质力学性质力学性质力学性质力学性质导电性导电性导电性导电性电阻温度系数电阻温度系数电阻温度系数电阻温度系数密度密度密度密度时效变化时效变化时效变化时效变化4二、薄膜的形成过程及研究方法2.12.1薄膜的形成过程薄膜的形成过
4、程薄膜的形成过程薄膜的形成过程BB气相制备薄膜的过程大致可以分为成核和生长两个阶段气相制备薄膜的过程大致可以分为成核和生长两个阶段气相制备薄膜的过程大致可以分为成核和生长两个阶段气相制备薄膜的过程大致可以分为成核和生长两个阶段BB基底表面吸附成膜原子后，吸附原子在表面进行扩散并基底表面吸附成膜原子后，吸附原子在表面进行扩散并基底表面吸附成膜原子后，吸附原子在表面进行扩散并基底表面吸附成膜原子后，吸附原子在表面进行扩散并相互作用，使吸附原子有序化，形成临界核，然后长大相互作用，使吸附原子有序化，形成临界核，然后长大相互作用，使吸附原子有序化，形成临界核，然后长大相互作用，使吸附原子有序化，形成临
5、界核，然后长大成岛和迷津结构，最后岛扩展结合成连续膜。成岛和迷津结构，最后岛扩展结合成连续膜。成岛和迷津结构，最后岛扩展结合成连续膜。成岛和迷津结构，最后岛扩展结合成连续膜。BB临界核的大小，决定于原子间、原子与衬底的键能，并临界核的大小，决定于原子间、原子与衬底的键能，并临界核的大小，决定于原子间、原子与衬底的键能，并临界核的大小，决定于原子间、原子与衬底的键能，并受到薄膜制备方法的限制。受到薄膜制备方法的限制。受到薄膜制备方法的限制。受到薄膜制备方法的限制。BB魔数（幻数，魔数（幻数，魔数（幻数，魔数（幻数，magic numbermagic numbermagic numbermagic
6、 number）的限制）的限制）的限制）的限制5Magic Number and Shell Structure在质量丰度谱上有一个引人注目的特征：在质量丰度谱上有一个引人注目的特征：在质量丰度谱上有一个引人注目的特征：在质量丰度谱上有一个引人注目的特征：具有某些特定原子数的团簇的丰度明显的高于其他原子数具有某些特定原子数的团簇的丰度明显的高于其他原子数具有某些特定原子数的团簇的丰度明显的高于其他原子数具有某些特定原子数的团簇的丰度明显的高于其他原子数的团簇。的团簇。的团簇。的团簇。这些这些这些这些“幸运幸运幸运幸运”的数字称为的数字称为的数字称为的数字称为魔数魔数魔数魔数或者或者或者或者幻数
7、幻数幻数幻数1)Particle orderInert atom clusters,such as Ar,Kr,XeMagic numbers are 1,13,55,147,309,561 6Mackay 二十面体堆积72)Mixed particle and wave ordersCovalent element clusters,such as Si,Ge,CMagic number for Si,seems like 6,10Sphere-stick modelAn more interesting example is C60Molecular orbital calculation
8、 gives its energy levelsOther larger cage structures C70,C84,C540,C9603)Wave orderSimple metal clusters,such as Na,KClusters of 2,8,20,40,58 atoms are stablevalence electrons form an ordered quantum stateThe electrons quantize and decide the variations in stability8Na团簇的丰度谱。上图为实验结果，下图为理论计算的能量二级差分9薄膜
9、的生长模式薄膜的生长模式薄膜的生长模式薄膜的生长模式在清洁的晶体衬底上，薄膜的生长模式有三种，分别是在清洁的晶体衬底上，薄膜的生长模式有三种，分别是在清洁的晶体衬底上，薄膜的生长模式有三种，分别是在清洁的晶体衬底上，薄膜的生长模式有三种，分别是 Frank-van de Merwe(FM)Frank-van de Merwe(FM)模式、模式、模式、模式、Stranski-Krastanov(SK)Stranski-Krastanov(SK)模式和模式和模式和模式和Vollmer-Weber(VW)Vollmer-Weber(VW)模式模式模式模式 10用用用用A A代表沉积原子，用代表沉积原
10、子，用代表沉积原子，用代表沉积原子，用B B代表衬底原子，代表衬底原子，代表衬底原子，代表衬底原子，u uABAB表示衬底原子与沉积原子表示衬底原子与沉积原子表示衬底原子与沉积原子表示衬底原子与沉积原子间的键能，间的键能，间的键能，间的键能，u uAAAA表示沉积原子之间的键能。表示沉积原子之间的键能。表示沉积原子之间的键能。表示沉积原子之间的键能。FMFM生长模式一般发生在生长模式一般发生在生长模式一般发生在生长模式一般发生在u uABAB u uAAAA、衬底晶格和沉积层晶格匹配良、衬底晶格和沉积层晶格匹配良、衬底晶格和沉积层晶格匹配良、衬底晶格和沉积层晶格匹配良好的场合，润湿角为零，好的
11、场合，润湿角为零，好的场合，润湿角为零，好的场合，润湿角为零，B B衬底上形成二维衬底上形成二维衬底上形成二维衬底上形成二维A A晶核，晶核长大以后晶核，晶核长大以后晶核，晶核长大以后晶核，晶核长大以后联结成单原子层，铺满一层后继续上述过程，联结成单原子层，铺满一层后继续上述过程，联结成单原子层，铺满一层后继续上述过程，联结成单原子层，铺满一层后继续上述过程，这样的生长也就是这样的生长也就是这样的生长也就是这样的生长也就是逐层外延生长；逐层外延生长；逐层外延生长；逐层外延生长；VWVW生长模式一般发生在生长模式一般发生在生长模式一般发生在生长模式一般发生在u uABAB u uAAAA、衬底晶
12、格和沉积层晶格很不匹、衬底晶格和沉积层晶格很不匹、衬底晶格和沉积层晶格很不匹、衬底晶格和沉积层晶格很不匹配的场合，润湿角不为零，沉积原子倾向于长成一个一个分立的配的场合，润湿角不为零，沉积原子倾向于长成一个一个分立的配的场合，润湿角不为零，沉积原子倾向于长成一个一个分立的配的场合，润湿角不为零，沉积原子倾向于长成一个一个分立的三维岛。三维岛。三维岛。三维岛。SKSK生长模式介于上面两者之间，一般发生在生长模式介于上面两者之间，一般发生在生长模式介于上面两者之间，一般发生在生长模式介于上面两者之间，一般发生在u uABAB、u uAAAA相近的场合，相近的场合，相近的场合，相近的场合，先形成单层
13、膜后再岛状生长。先形成单层膜后再岛状生长。先形成单层膜后再岛状生长。先形成单层膜后再岛状生长。这种生长模式一般发生在二维生长这种生长模式一般发生在二维生长这种生长模式一般发生在二维生长这种生长模式一般发生在二维生长后，膜内出现应力的情况。后，膜内出现应力的情况。后，膜内出现应力的情况。后，膜内出现应力的情况。112.22.2薄膜形成过程的研究方法薄膜形成过程的研究方法薄膜形成过程的研究方法薄膜形成过程的研究方法(1)(1)(1)(1)两种理论两种理论两种理论两种理论毛细作用理论：建立在热力学概念的基础上，利用宏观量来毛细作用理论：建立在热力学概念的基础上，利用宏观量来毛细作用理论：建立在热力学
14、概念的基础上，利用宏观量来毛细作用理论：建立在热力学概念的基础上，利用宏观量来讨论薄膜的形成过程，比较直观，所用物理量多数可直接测讨论薄膜的形成过程，比较直观，所用物理量多数可直接测讨论薄膜的形成过程，比较直观，所用物理量多数可直接测讨论薄膜的形成过程，比较直观，所用物理量多数可直接测量，适用于原子数较大的岛。量，适用于原子数较大的岛。量，适用于原子数较大的岛。量，适用于原子数较大的岛。统计物理学理论：从原子运动和相互作用角度讨论膜的形成统计物理学理论：从原子运动和相互作用角度讨论膜的形成统计物理学理论：从原子运动和相互作用角度讨论膜的形成统计物理学理论：从原子运动和相互作用角度讨论膜的形成过
15、程和结构，应用范围更广，可以讨论少数原子的成核过程，过程和结构，应用范围更广，可以讨论少数原子的成核过程，过程和结构，应用范围更广，可以讨论少数原子的成核过程，过程和结构，应用范围更广，可以讨论少数原子的成核过程，但是物理量有些很难直接测到。但是物理量有些很难直接测到。但是物理量有些很难直接测到。但是物理量有些很难直接测到。(2)(2)(2)(2)表面分析技术表面分析技术表面分析技术表面分析技术TEMTEM、SEMSEM、FIMFIM、STMSTM、AFMAFM等等等等等等等等12三、薄膜的种类和应用四、薄膜的制备方法4.14.1一般的制备方法一般的制备方法一般的制备方法一般的制备方法BB真空
16、镀膜、离子镀膜、溅射镀膜、低压化学气相沉积、真空镀膜、离子镀膜、溅射镀膜、低压化学气相沉积、真空镀膜、离子镀膜、溅射镀膜、低压化学气相沉积、真空镀膜、离子镀膜、溅射镀膜、低压化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、常压化学气相沉积、氧化法、等离子体化学气相沉积、常压化学气相沉积、氧化法、等离子体化学气相沉积、常压化学气相沉积、氧化法、等离子体化学气相沉积、常压化学气相沉积、氧化法、电镀、涂敷、沉淀法、高压氧化法电镀、涂敷、沉淀法、高压氧化法电镀、涂敷、沉淀法、高压氧化法电镀、涂敷、沉淀法、高压氧化法4.124.12气相沉积方法气相沉积方法气相沉积方法气相沉积方法I.I.物理气相沉积物理气相沉积物理
17、气相沉积物理气相沉积(PVD)(PVD)：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜、：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜、：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜、：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜、脉冲激光沉积等等脉冲激光沉积等等脉冲激光沉积等等脉冲激光沉积等等II.II.化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积(CVD)(CVD)：CVDCVD，MOCVDMOCVD、PECVDPECVD等等等等13第二节第二节 真空蒸镀真空蒸镀一、真空蒸镀原理1.1 1.1 1.1 1.1 膜料在真空状态下的蒸发特性膜料在真空状态下的蒸发特性膜料在真空状态下的蒸发特性膜料在真空状态下的蒸发特性真真真真空空空空蒸蒸蒸蒸镀镀镀镀是是
18、是是将将将将工工工工件件件件放放放放入入入入真真真真空空空空室室室室，用用用用一一一一定定定定的的的的方方方方法法法法加加加加热热热热膜膜膜膜料料料料，使之蒸发或升华，在工件表面凝聚成膜。使之蒸发或升华，在工件表面凝聚成膜。使之蒸发或升华，在工件表面凝聚成膜。使之蒸发或升华，在工件表面凝聚成膜。蒸蒸蒸蒸发发发发速速速速率率率率：单单单单位位位位时时时时间间间间内内内内膜膜膜膜料料料料单单单单位位位位面面面面积积积积上上上上蒸蒸蒸蒸发发发发出出出出来来来来的的的的材材材材料料料料质量质量质量质量理想最高蒸发速率理想最高蒸发速率理想最高蒸发速率理想最高蒸发速率141.21.2蒸气粒子的空间分布蒸气
19、粒子的空间分布蒸气粒子的空间分布蒸气粒子的空间分布蒸蒸蒸蒸气气气气粒粒粒粒子子子子的的的的空空空空间间间间分分分分布布布布显显显显著著著著的的的的影影影影响响响响了了了了蒸蒸蒸蒸发发发发粒粒粒粒子子子子在在在在基基基基体体体体上上上上的的的的沉积速率和基体上的膜厚分布。沉积速率和基体上的膜厚分布。沉积速率和基体上的膜厚分布。沉积速率和基体上的膜厚分布。蒸气粒子的空间分布与蒸发源的形状和尺寸有关。蒸气粒子的空间分布与蒸发源的形状和尺寸有关。蒸气粒子的空间分布与蒸发源的形状和尺寸有关。蒸气粒子的空间分布与蒸发源的形状和尺寸有关。两种蒸发源：点源，小平面源两种蒸发源：点源，小平面源两种蒸发源：点源，
20、小平面源两种蒸发源：点源，小平面源单单单单一一一一空空空空间间间间点点点点源源源源对对对对平平平平板板板板工工工工件件件件上上上上任任任任一一一一点点点点的的的的沉沉沉沉积厚度为：积厚度为：积厚度为：积厚度为：15二、真空蒸镀方式和设备2.12.1蒸发方式及蒸发源蒸发方式及蒸发源蒸发方式及蒸发源蒸发方式及蒸发源(1)(1)电阻加热蒸发方式及蒸发源电阻加热蒸发方式及蒸发源电阻加热蒸发方式及蒸发源电阻加热蒸发方式及蒸发源=由由由由丝丝丝丝状状状状或或或或片片片片状状状状的的的的高高高高熔熔熔熔点点点点金金金金属属属属做做做做成成成成适适适适当当当当的的的的形形形形状状状状，将将将将膜膜膜膜料料料料
21、放放放放在其中作为蒸发源，通电电阻加热膜料蒸发。在其中作为蒸发源，通电电阻加热膜料蒸发。在其中作为蒸发源，通电电阻加热膜料蒸发。在其中作为蒸发源，通电电阻加热膜料蒸发。=要要要要求求求求：高高高高熔熔熔熔点点点点，低低低低蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽压压压压，在在在在蒸蒸蒸蒸发发发发温温温温度度度度下下下下不不不不会会会会与与与与膜膜膜膜料料料料发发发发生生生生化化化化学学学学反反反反应应应应，具具具具有有有有一一一一定定定定的的的的机机机机械械械械强强强强度度度度。蒸蒸蒸蒸发发发发源源源源材材材材料料料料还还还还要要要要与与与与膜料能够润湿，以保证蒸发状态稳定。膜料能够润湿，以保证蒸发状态稳定。膜料能够
22、润湿，以保证蒸发状态稳定。膜料能够润湿，以保证蒸发状态稳定。=常用蒸发源材料：常用蒸发源材料：常用蒸发源材料：常用蒸发源材料：WW、MoMo、TaTa、石墨、石墨、石墨、石墨、BNBN等等等等=电电电电阻阻阻阻蒸蒸蒸蒸发发发发源源源源形形形形状状状状：多多多多股股股股螺螺螺螺旋旋旋旋形形形形、U U行行行行，正正正正弦弦弦弦波波波波形形形形，圆圆圆圆锥锥锥锥框框框框型、薄板行，舟形等型、薄板行，舟形等型、薄板行，舟形等型、薄板行，舟形等16(2)(2)(2)(2)电子束蒸发方式及蒸发源电子束蒸发方式及蒸发源电子束蒸发方式及蒸发源电子束蒸发方式及蒸发源电电电电阻阻阻阻加加加加热热热热方方方方式式
23、式式中中中中，膜膜膜膜料料料料与与与与蒸蒸蒸蒸发发发发源源源源材材材材料料料料直直直直接接接接接接接接触触触触，容容容容易易易易互互互互溶溶溶溶，对半导体器件来说是不允许的。对半导体器件来说是不允许的。对半导体器件来说是不允许的。对半导体器件来说是不允许的。电子束加热蒸发能解决这个问题。电子束加热蒸发能解决这个问题。电子束加热蒸发能解决这个问题。电子束加热蒸发能解决这个问题。蒸蒸蒸蒸发发发发源源源源：电电电电子子子子枪枪枪枪。由由由由电电电电子子子子发发发发射射射射源源源源、电电电电子子子子加加加加速速速速电电电电源源源源、坩坩坩坩埚埚埚埚、磁场线圈、冷却水套等组成。磁场线圈、冷却水套等组成。
24、磁场线圈、冷却水套等组成。磁场线圈、冷却水套等组成。膜膜膜膜料料料料放放放放在在在在水水水水冷冷冷冷坩坩坩坩埚埚埚埚中中中中，电电电电子子子子束束束束自自自自源源源源发发发发出出出出，用用用用磁磁磁磁场场场场线线线线圈圈圈圈使使使使电电电电子束聚焦和偏转，对膜料进行轰击和加热。子束聚焦和偏转，对膜料进行轰击和加热。子束聚焦和偏转，对膜料进行轰击和加热。子束聚焦和偏转，对膜料进行轰击和加热。常用的是常用的是常用的是常用的是e e e e型电子枪，还有直射式和环形。型电子枪，还有直射式和环形。型电子枪，还有直射式和环形。型电子枪，还有直射式和环形。1718192021(3)(3)(3)(3)高频加
25、热方式及蒸发源高频加热方式及蒸发源高频加热方式及蒸发源高频加热方式及蒸发源S S在在在在高高高高频频频频感感感感应应应应线线线线圈圈圈圈中中中中放放放放入入入入氧氧氧氧化化化化铝铝铝铝或或或或者者者者石石石石墨墨墨墨坩坩坩坩埚埚埚埚对对对对膜膜膜膜料料料料进进进进行行行行高高高高频感应加热蒸发。频感应加热蒸发。频感应加热蒸发。频感应加热蒸发。S S主要用于铝的大量蒸发。主要用于铝的大量蒸发。主要用于铝的大量蒸发。主要用于铝的大量蒸发。(4)(4)(4)(4)激光加热方式及蒸发源激光加热方式及蒸发源激光加热方式及蒸发源激光加热方式及蒸发源激光照射膜料使其加热蒸发。激光照射膜料使其加热蒸发。激光照
26、射膜料使其加热蒸发。激光照射膜料使其加热蒸发。可蒸发任何能吸收激光光能的高熔点材料。可蒸发任何能吸收激光光能的高熔点材料。可蒸发任何能吸收激光光能的高熔点材料。可蒸发任何能吸收激光光能的高熔点材料。蒸发速率极高，且可实现一致生长。蒸发速率极高，且可实现一致生长。蒸发速率极高，且可实现一致生长。蒸发速率极高，且可实现一致生长。222324252.22.2真空镀膜设备真空镀膜设备真空镀膜设备真空镀膜设备真真真真空空空空镀镀镀镀膜膜膜膜设设设设备备备备一一一一般般般般包包包包括括括括前前前前处处处处理理理理设设设设备备备备、蒸蒸蒸蒸发发发发镀镀镀镀膜膜膜膜设设设设备备备备和和和和后后后后处处处处理设
27、备理设备理设备理设备三部分。三部分。三部分。三部分。蒸蒸蒸蒸发发发发镀镀镀镀膜膜膜膜机机机机是是是是主主主主机机机机，一一一一般般般般由由由由真真真真空空空空室室室室、真真真真空空空空获获获获得得得得系系系系统统统统、真真真真空空空空测量系统、蒸发系统和电器设备构成。测量系统、蒸发系统和电器设备构成。测量系统、蒸发系统和电器设备构成。测量系统、蒸发系统和电器设备构成。真空室内有工件架、加热设备、离子轰击或离子源等。真空室内有工件架、加热设备、离子轰击或离子源等。真空室内有工件架、加热设备、离子轰击或离子源等。真空室内有工件架、加热设备、离子轰击或离子源等。为了使膜厚均匀，还有工件的转动机构。为
28、了使膜厚均匀，还有工件的转动机构。为了使膜厚均匀，还有工件的转动机构。为了使膜厚均匀，还有工件的转动机构。膜膜膜膜厚厚厚厚监监监监控控控控系系系系统统统统：在在在在镀镀镀镀膜膜膜膜过过过过程程程程中中中中，测测测测量量量量和和和和监监监监控控控控膜膜膜膜厚厚厚厚是是是是非非非非常常常常重重重重要要要要的的的的。膜膜膜膜厚厚厚厚测测测测量量量量主主主主要要要要有有有有光光光光干干干干涉涉涉涉极极极极值值值值法法法法、石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体振振振振荡荡荡荡法法法法和和和和电子衍射法。电子衍射法。电子衍射法。电子衍射法。26三、真空蒸镀工艺3.13.1一般工艺一般工艺一般工艺一般工艺一一一
29、一般般般般的的的的工工工工艺艺艺艺流流流流程程程程包包包包括括括括：镀镀镀镀前前前前准准准准备备备备抽抽抽抽真真真真空空空空离离离离子子子子轰轰轰轰击击击击烘烘烘烘烤烤烤烤预热预热预热预热蒸发蒸发蒸发蒸发取件取件取件取件镀后处理镀后处理镀后处理镀后处理检测检测检测检测成品成品成品成品。镀镀镀镀前前前前准准准准备备备备：工工工工件件件件清清清清洗洗洗洗、蒸蒸蒸蒸发发发发源源源源制制制制作作作作和和和和清清清清洗洗洗洗、真真真真空空空空室室室室和和和和工工工工件件件件架架架架清洗、安装蒸发源、膜料清洗和放置、装工件等。清洗、安装蒸发源、膜料清洗和放置、装工件等。清洗、安装蒸发源、膜料清洗和放置、装
30、工件等。清洗、安装蒸发源、膜料清洗和放置、装工件等。离离离离子子子子轰轰轰轰击击击击：主主主主要要要要是是是是利利利利用用用用离离离离子子子子清清清清洗洗洗洗表表表表面面面面，包包包包括括括括溅溅溅溅射射射射作作作作用用用用和和和和化化化化学学学学反应作用。表面可能吸附气体。反应作用。表面可能吸附气体。反应作用。表面可能吸附气体。反应作用。表面可能吸附气体。烘烤烘烤烘烤烘烤：去除吸附气体，同时对工件预热。去除吸附气体，同时对工件预热。去除吸附气体，同时对工件预热。去除吸附气体，同时对工件预热。膜膜膜膜料料料料预预预预热热热热：预预预预热热热热或或或或者者者者预预预预熔熔熔熔膜膜膜膜料料料料，去
31、去去去除除除除表表表表面面面面吸吸吸吸附附附附的的的的气气气气体体体体和和和和杂杂杂杂质质质质，为蒸发镀膜做好准备。为蒸发镀膜做好准备。为蒸发镀膜做好准备。为蒸发镀膜做好准备。27在基板背面设置一个加热器，加热基板，使基板保持在基板背面设置一个加热器，加热基板，使基板保持适当的温度，这既净化了基板，又使膜和基体之间形适当的温度，这既净化了基板，又使膜和基体之间形成一薄层的扩散层，增大了附着力；成一薄层的扩散层，增大了附着力；对于蒸镀对于蒸镀Au这样附着力弱的金属，可以先蒸镀这样附着力弱的金属，可以先蒸镀Cr，Al等结合力高的薄膜作底层。等结合力高的薄膜作底层。真空蒸镀时，蒸发粒子动能为，膜对基
32、体的附着力真空蒸镀时，蒸发粒子动能为，膜对基体的附着力较弱。较弱。解决措施解决措施283.23.2合金镀膜工艺合金镀膜工艺合金镀膜工艺合金镀膜工艺由于在同一温度下，不同的金属具有不同的饱和蒸气压，由于在同一温度下，不同的金属具有不同的饱和蒸气压，由于在同一温度下，不同的金属具有不同的饱和蒸气压，由于在同一温度下，不同的金属具有不同的饱和蒸气压，其蒸发速度也不一样，这样所得的膜层成分就会与合金其蒸发速度也不一样，这样所得的膜层成分就会与合金其蒸发速度也不一样，这样所得的膜层成分就会与合金其蒸发速度也不一样，这样所得的膜层成分就会与合金镀料的成分有明显组分偏离。镀料的成分有明显组分偏离。镀料的成分
33、有明显组分偏离。镀料的成分有明显组分偏离。瞬源同时蒸发：采用单蒸发源时，使加热器间断的供瞬源同时蒸发：采用单蒸发源时，使加热器间断的供瞬源同时蒸发：采用单蒸发源时，使加热器间断的供瞬源同时蒸发：采用单蒸发源时，使加热器间断的供给少量热量，产生瞬间蒸发；颗粒原料从加料斗一点给少量热量，产生瞬间蒸发；颗粒原料从加料斗一点给少量热量，产生瞬间蒸发；颗粒原料从加料斗一点给少量热量，产生瞬间蒸发；颗粒原料从加料斗一点一点出来，落尽蒸发源里。一点出来，落尽蒸发源里。一点出来，落尽蒸发源里。一点出来，落尽蒸发源里。多源同时蒸发：采用多蒸发源，使各种金属分别蒸发，多源同时蒸发：采用多蒸发源，使各种金属分别蒸发
34、，多源同时蒸发：采用多蒸发源，使各种金属分别蒸发，多源同时蒸发：采用多蒸发源，使各种金属分别蒸发，气相混合，同时沉积。利用该法还可以得到用冶炼方气相混合，同时沉积。利用该法还可以得到用冶炼方气相混合，同时沉积。利用该法还可以得到用冶炼方气相混合，同时沉积。利用该法还可以得到用冶炼方法所得不到的合金材料薄膜。法所得不到的合金材料薄膜。法所得不到的合金材料薄膜。法所得不到的合金材料薄膜。29303.33.3化合物蒸镀工艺化合物蒸镀工艺化合物蒸镀工艺化合物蒸镀工艺大多数的化合物在热蒸发时会全部或部分分解。所以用简单大多数的化合物在热蒸发时会全部或部分分解。所以用简单大多数的化合物在热蒸发时会全部或部
35、分分解。所以用简单大多数的化合物在热蒸发时会全部或部分分解。所以用简单的蒸镀技术无法由化合物镀料镀制出组成符合化学比的膜层。的蒸镀技术无法由化合物镀料镀制出组成符合化学比的膜层。的蒸镀技术无法由化合物镀料镀制出组成符合化学比的膜层。的蒸镀技术无法由化合物镀料镀制出组成符合化学比的膜层。难分解或分解后又能重新结合的化合物可用一般工艺蒸镀：难分解或分解后又能重新结合的化合物可用一般工艺蒸镀：难分解或分解后又能重新结合的化合物可用一般工艺蒸镀：难分解或分解后又能重新结合的化合物可用一般工艺蒸镀：如氯化物、硫化物、硒化物和碲化物，甚至少数氧化物如如氯化物、硫化物、硒化物和碲化物，甚至少数氧化物如如氯化
36、物、硫化物、硒化物和碲化物，甚至少数氧化物如如氯化物、硫化物、硒化物和碲化物，甚至少数氧化物如B B2 2OO3 3，SnOSnO可以采用蒸镀。可以采用蒸镀。可以采用蒸镀。可以采用蒸镀。极易分解或易与某些蒸发源反应的化合物，必须采用特殊极易分解或易与某些蒸发源反应的化合物，必须采用特殊极易分解或易与某些蒸发源反应的化合物，必须采用特殊极易分解或易与某些蒸发源反应的化合物，必须采用特殊的蒸镀工艺：选用恰当的蒸发源、加热方式、气氛等条件。的蒸镀工艺：选用恰当的蒸发源、加热方式、气氛等条件。的蒸镀工艺：选用恰当的蒸发源、加热方式、气氛等条件。的蒸镀工艺：选用恰当的蒸发源、加热方式、气氛等条件。主要是
37、各种氧化物，主要是各种氧化物，主要是各种氧化物，主要是各种氧化物，InIn2 2OO3 3，MoOMoO3 3，MgOMgO，AlAl2 2OO3 3等等。等等。等等。等等。313.43.4高熔点化合物薄膜高熔点化合物薄膜高熔点化合物薄膜高熔点化合物薄膜I.I.氧化物、碳化物、氮化物等材料的熔点一般很高，切制氧化物、碳化物、氮化物等材料的熔点一般很高，切制氧化物、碳化物、氮化物等材料的熔点一般很高，切制氧化物、碳化物、氮化物等材料的熔点一般很高，切制备高纯度的该类材料也很昂贵，一般采用备高纯度的该类材料也很昂贵，一般采用备高纯度的该类材料也很昂贵，一般采用备高纯度的该类材料也很昂贵，一般采用反
38、应蒸镀反应蒸镀反应蒸镀反应蒸镀。II.II.如果在基板和源之间形成等离子体，则可提高反应气体如果在基板和源之间形成等离子体，则可提高反应气体如果在基板和源之间形成等离子体，则可提高反应气体如果在基板和源之间形成等离子体，则可提高反应气体分子的能量、离化率和化学反应速度，这就是分子的能量、离化率和化学反应速度，这就是分子的能量、离化率和化学反应速度，这就是分子的能量、离化率和化学反应速度，这就是活性反应活性反应活性反应活性反应蒸镀蒸镀蒸镀蒸镀。3.53.5离子束辅助蒸镀法离子束辅助蒸镀法离子束辅助蒸镀法离子束辅助蒸镀法I.I.镀膜之前用离子束轰击基体表面，清洗并增强活性；蒸镀膜之前用离子束轰击基
39、体表面，清洗并增强活性；蒸镀膜之前用离子束轰击基体表面，清洗并增强活性；蒸镀膜之前用离子束轰击基体表面，清洗并增强活性；蒸镀过程中用低能离子束轰击，活化表面并有喷丸效果。镀过程中用低能离子束轰击，活化表面并有喷丸效果。镀过程中用低能离子束轰击，活化表面并有喷丸效果。镀过程中用低能离子束轰击，活化表面并有喷丸效果。II.II.可用离子束参与反应，进行掺杂。可用离子束参与反应，进行掺杂。可用离子束参与反应，进行掺杂。可用离子束参与反应，进行掺杂。323.63.6激光束辅助蒸镀法激光束辅助蒸镀法激光束辅助蒸镀法激光束辅助蒸镀法3.73.7单晶蒸镀法单晶蒸镀法单晶蒸镀法单晶蒸镀法3.73.7非晶蒸镀法
40、非晶蒸镀法非晶蒸镀法非晶蒸镀法I.I.非晶薄膜往往具有一些独特的性质和功能，具有重要用非晶薄膜往往具有一些独特的性质和功能，具有重要用非晶薄膜往往具有一些独特的性质和功能，具有重要用非晶薄膜往往具有一些独特的性质和功能，具有重要用途。途。途。途。II.II.快速蒸镀。快速蒸镀。快速蒸镀。快速蒸镀。III.III.采用金属或非金属元素，或者两种高浓度下互不相溶的采用金属或非金属元素，或者两种高浓度下互不相溶的采用金属或非金属元素，或者两种高浓度下互不相溶的采用金属或非金属元素，或者两种高浓度下互不相溶的金属元素，快速蒸镀，比纯金属更容易形成非晶薄膜。金属元素，快速蒸镀，比纯金属更容易形成非晶薄膜
41、。金属元素，快速蒸镀，比纯金属更容易形成非晶薄膜。金属元素，快速蒸镀，比纯金属更容易形成非晶薄膜。IV.IV.通过加入降低表面迁移率的某些气体或离子来获得非晶通过加入降低表面迁移率的某些气体或离子来获得非晶通过加入降低表面迁移率的某些气体或离子来获得非晶通过加入降低表面迁移率的某些气体或离子来获得非晶薄膜。薄膜。薄膜。薄膜。33四、蒸镀用途蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，例如蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，例如蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，例如蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，例如用作电极的导电膜，光学镜头的增透膜等。用作电极的导电膜，光
42、学镜头的增透膜等。用作电极的导电膜，光学镜头的增透膜等。用作电极的导电膜，光学镜头的增透膜等。蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速度快的优势。度快的优势。度快的优势。度快的优势。蒸镀纯金属膜中，蒸镀纯金属膜中，蒸镀纯金属膜中，蒸镀纯金属
43、膜中，9090是铝膜。铝膜在是铝膜。铝膜在是铝膜。铝膜在是铝膜。铝膜在ICIC行业、制镜工业、行业、制镜工业、行业、制镜工业、行业、制镜工业、电子器件、食品包装、着色装饰等领域具有广泛的应用。电子器件、食品包装、着色装饰等领域具有广泛的应用。电子器件、食品包装、着色装饰等领域具有广泛的应用。电子器件、食品包装、着色装饰等领域具有广泛的应用。34第三节第三节 溅射镀膜溅射镀膜溅射镀膜历史溅射现象早在溅射现象早在溅射现象早在溅射现象早在1919世纪就被发现。世纪就被发现。世纪就被发现。世纪就被发现。5050年前有人利用溅射现象在实验室中制成薄膜。年前有人利用溅射现象在实验室中制成薄膜。年前有人利用
44、溅射现象在实验室中制成薄膜。年前有人利用溅射现象在实验室中制成薄膜。6060年代制成集成电路的年代制成集成电路的年代制成集成电路的年代制成集成电路的TaTa膜，开始了它在工业上的应用。膜，开始了它在工业上的应用。膜，开始了它在工业上的应用。膜，开始了它在工业上的应用。19651965年年年年IBMIBM公公公公司司司司研研研研究究究究出出出出射射射射频频频频溅溅溅溅射射射射法法法法，使使使使绝绝绝绝缘缘缘缘体体体体的的的的溅溅溅溅射射射射镀镀镀镀膜膜膜膜成为可能。成为可能。成为可能。成为可能。近近近近年年年年来来来来发发发发明明明明的的的的新新新新的的的的溅溅溅溅射射射射方方方方法法法法：二二
45、二二极极极极溅溅溅溅射射射射、三三三三极极极极（包包包包括括括括四四四四极极极极）溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射等。溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射等。溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射等。溅射、磁控溅射、对向靶溅射、离子束溅射等。35在在在在上上上上述述述述这这这这些些些些溅溅溅溅射射射射方方方方式式式式中中中中，如如如如果果果果在在在在ArAr中中中中混混混混入入入入反反反反应应应应气气气气体体体体，如如如如 OO2 2，N N2 2，CHCH4 4，C C2 2HH2 2等等等等，可可可可制制制制得得得得靶靶靶靶材材材材料料料料的的的的氧氧氧氧化化化化物物物物、氮氮氮氮
46、化化化化物、碳化物等化合物薄膜，这就是物、碳化物等化合物薄膜，这就是物、碳化物等化合物薄膜，这就是物、碳化物等化合物薄膜，这就是反应溅射反应溅射反应溅射反应溅射；在在在在成成成成膜膜膜膜的的的的基基基基片片片片上上上上，若若若若施施施施加加加加直直直直到到到到-500V-500V的的的的电电电电压压压压，使使使使离离离离子子子子轰轰轰轰击击击击膜膜膜膜层层层层的的的的同同同同时时时时成成成成膜膜膜膜，使使使使膜膜膜膜层层层层致致致致密密密密，改改改改善善善善膜膜膜膜的的的的性性性性能能能能，这这这这就就就就是是是是偏压溅射偏压溅射偏压溅射偏压溅射；在在在在射射射射频频频频电电电电压压压压作作作
47、作用用用用下下下下，利利利利用用用用电电电电子子子子和和和和离离离离子子子子运运运运动动动动特特特特性性性性的的的的不不不不同同同同，在在在在靶靶靶靶的的的的表表表表面面面面上上上上感感感感应应应应出出出出负负负负的的的的直直直直流流流流脉脉脉脉冲冲冲冲，而而而而产产产产生生生生的的的的溅溅溅溅射射射射现现现现象象象象，对绝缘体也能进行溅射镀膜，这就是对绝缘体也能进行溅射镀膜，这就是对绝缘体也能进行溅射镀膜，这就是对绝缘体也能进行溅射镀膜，这就是射频溅射射频溅射射频溅射射频溅射。36一、溅射镀膜原理1.1 1.1 1.1 1.1 溅射现象溅射现象溅射现象溅射现象溅溅溅溅射射射射：利利利利用用用
48、用几几几几十十十十电电电电子子子子伏伏伏伏到到到到10keV10keV的的的的荷荷荷荷能能能能粒粒粒粒子子子子轰轰轰轰击击击击材材材材料料料料表表表表面面面面，使使使使其其其其原原原原子子子子获获获获得得得得足足足足够够够够的的的的能能能能量量量量而而而而溅溅溅溅出出出出进进进进入入入入气气气气相相相相，这这这这种种种种溅溅溅溅出出出出的的的的、复杂的粒子散射过程，称为溅射。复杂的粒子散射过程，称为溅射。复杂的粒子散射过程，称为溅射。复杂的粒子散射过程，称为溅射。:被轰击的材料称为被轰击的材料称为被轰击的材料称为被轰击的材料称为靶靶靶靶。:离离离离子子子子溅溅溅溅射射射射：离离离离子子子子易易
49、易易于于于于在在在在电电电电磁磁磁磁场场场场中中中中加加加加速速速速和和和和偏偏偏偏转转转转，一一一一般般般般溅溅溅溅射射射射用荷能粒子一般为离子用荷能粒子一般为离子用荷能粒子一般为离子用荷能粒子一般为离子:离子束溅射离子束溅射离子束溅射离子束溅射：用离子束轰击靶而产生的溅射：用离子束轰击靶而产生的溅射：用离子束轰击靶而产生的溅射：用离子束轰击靶而产生的溅射:溅射率溅射率溅射率溅射率(产额产额产额产额)：入射一个离子所溅射出来的原子数量：入射一个离子所溅射出来的原子数量：入射一个离子所溅射出来的原子数量：入射一个离子所溅射出来的原子数量37影响溅射率的因素影响溅射率的因素I.I.与与与与入入入
50、入射射射射离离离离子子子子有有有有关关关关，包包包包括括括括入入入入射射射射离离离离子子子子的的的的能能能能量量量量、入入入入射射射射角角角角、靶靶靶靶原原原原子子子子质量与入射离子质量之比、入射离子的种类质量与入射离子质量之比、入射离子的种类质量与入射离子质量之比、入射离子的种类质量与入射离子质量之比、入射离子的种类。2 2入入入入射射射射离离离离子子子子能能能能量量量量降降降降低低低低，溅溅溅溅射射射射率率率率迅迅迅迅速速速速下下下下降降降降，当当当当低低低低于于于于某某某某个个个个值值值值时时时时，溅溅溅溅射射射射率率率率为为为为零零零零，该该该该能能能能量量量量值值值值就就就就是是是是