功能薄膜材料第1頁/共25頁第一節薄膜材料制備方法簡介功能薄膜材料1、物理氣相沉積（PVD）采用物理方法使物質的原子或分子逸出，然后沉積在基片上形成薄膜的工藝根據使物質的逸出方法不同，可分為蒸鍍、濺射和離子鍍（1）真空蒸鍍把待鍍的基片置于真空室內，通過加熱使蒸發材料氣化（或升華）而沉積到某一溫度基片的表面上，從而形成一層薄膜，這一工藝稱為真空蒸鍍法蒸發源可分為：電阻加熱、電子束加熱和激光加熱等第2頁/共25頁第3頁/共25頁功能薄膜材料（2）濺射（Sputtering）當具有一定能量的粒子轟擊固體表面時，固體表面的原子就會得到粒子的一部分能量，當獲得能量足以克服周圍原子得束縛時，就會從表面逸出，這種現象成為“濺射”它可分為離子束濺射和磁控濺射第一節薄膜材料制備方法簡介第4頁/共25頁離子束濺射功能薄膜材料它由離子源、離子引出極和沉積室3大部分組成，在高真空或超高真空中濺射鍍膜法。利用直流或高頻電場使惰性氣體（通常為氬）發生電離，產生輝光放電等離子體，電離產生的正離子和電子高速轟擊靶材，使靶材上的原子或分子濺射出來，然后沉積到基板上形成薄膜。第一節薄膜材料制備方法簡介圖6.1離子束濺射工作原理圖第5頁/共25頁功能薄膜材料磁控濺射第一節薄膜材料制備方法簡介圖6.2磁控濺射SiO2裝置圖第6頁/共25頁在被濺射的靶極（陽極）與陰極之間加一個正交磁場和電場，電場和磁場方向相互垂直。當鍍膜室真空抽到設定值時，充入適量的氬氣，在陰極(柱狀靶或平面靶)和陽極(鍍膜室壁)之間施加幾百伏電壓，便在鍍膜室內產生磁控型異常輝光放電，氬氣被電離。在正交的電磁場的作用下，電子以擺線的方式沿著靶表面前進，電子的運動被限制在一定空間內，增加了同工作氣體分子的碰撞幾率，提高了電子的電離效率。電子經過多次碰撞后，喪失了能量成為“最終電子”進入弱電場區，最后到達陽極時已經是低能電子，不再會使基片過熱。同時高密度等離子體被束縛在靶面附近，又不與基片接觸，將靶材表面原子濺射出來沉積在工件表面上形成薄膜。而基片又可免受等離子體的轟擊，因而基片溫度又可降低。更換不同材質的靶和控制不同的濺射時間，便可以獲得不同材質和不同厚度的薄膜。

功能薄膜材料第一節薄膜材料制備方法簡介第7頁/共25頁（3）離子鍍離子鍍是在真空蒸鍍得基礎上，在熱蒸發源與基片之間加一電場（基片為負極），在真空中基片與蒸發源之間將產生輝光放電，使氣體和蒸發物質部分電離，并在電場中加速，從而將蒸發的物質或與氣體反應后生成的物質沉積到基片上。功能薄膜材料第一節薄膜材料制備方法簡介第8頁/共25頁功能薄膜材料2、化學氣相沉積（CVD）化學氣相沉積是使含有構成薄膜元素的一種或幾種化合物（或單質）氣體在一定溫度下通過化學反應生成固態物質并沉積在基片上而生成所需薄膜的方法。特點：設備可以比較簡單，沉積速率高，沉積薄膜范圍廣，覆蓋性好，適于形狀比較復雜的基片，膜較致密，無離子轟擊等優點。特別是在半導體集成電路上得到廣泛應用常用的氣態物質有各種鹵化物、氫化物及金屬有機化合物等，化學反應種類很多，如熱解、還原、與水反應、與氨反應等第一節薄膜材料制備方法簡介第9頁/共25頁功能薄膜材料金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）原料主要是金屬（非金屬）烷基化合物。優點是可以精確控制很薄的薄膜生長，適于制備多層膜，并可進行外延生長。第一節薄膜材料制備方法簡介第10頁/共25頁第二節金屬薄膜的形成及其結構功能薄膜材料一、薄膜的形成過程A生成三維的核型原子在基片上先凝聚，然后生成核，進一步再將蒸發原子凝聚起來生成三維的核。通常大部分金屬薄膜都是以這樣的一個過程形成的。B單層生長型是基片和薄膜原子之間，以及薄膜原子之間相互作用很強時容易出現的形式。它是先形成兩維的層，然后再一層一層地逐漸形成金屬薄膜。第11頁/共25頁功能薄膜材料C單層上再生長核型是基片和薄膜原子間相互作用非常強時的形成形式。這種方式只有非常有限的基片材料和金屬薄膜材料的組合才能形成。第二節金屬薄膜的形成及其結構圖6.3蒸法膜形成過程的三種模型第12頁/共25頁功能薄膜材料薄膜的形成過程大致都可分為4個階段，圖（a）在最初階段，外來原子在基底表面相遇結合在一起成為原子團，只有當原子團達到一定數量形成“核”后，才能不斷吸收新加入的原子而穩定地長大形成“島”；圖（b）隨著外來原子的增加，島不斷長大，進一步發生島的接合；圖（c）很多島接合起來形成通道網絡結構；圖（d）后續的原子將填補網絡通道間的空洞，成為連續薄膜第二節金屬薄膜的形成及其結構圖6.4薄膜形成與生長的物理過程第13頁/共25頁功能薄膜材料決定金屬薄膜材料的兩個重要因素：（1）蒸發時的基片溫度一般來說，基片溫度越高，則吸附原子的動能也越大，跨越表面勢壘的幾率增多，則需要形成核的臨界尺寸增大，越易引起薄膜內部的凝聚，每個小島的形狀就越接近球形，容易結晶化，高溫沉積的薄膜易形成粗大的島狀組織。而在低溫時，形成核的數目增加，這將有利于形成晶粒小而連續的薄膜組織，而且還增強了薄膜的附著力

（2）蒸發速率蒸發速率越快，島狀密度越大，第二節金屬薄膜的形成及其結構第14頁/共25頁功能薄膜材料二、金屬薄膜的結構特點1、二維材料的特點與一般常用的三維塊體材料相比，在性能和結構上具有很多特點。最大的特點是功能膜的某些性能可以在制備時通過特殊的薄膜制備方法實現。作為二維材料，薄膜材料最主要是特點是所謂尺寸特點,利用這個特點可以實現把各種元器件的微型化、集成化。

由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相對比例子較大，表面所表現的有關性質極為突出，存在一系列與表面界面有關的物理效應：第二節金屬薄膜的形成及其結構第15頁/共25頁功能薄膜材料光干涉效應引起的選擇性透射和反射；(2)電子與表碰撞發生非彈性散射，使電導率、霍耳系數、電流磁場效應等發生變化；(3)因薄膜厚度比電子的平均自由程小得多，且與電子的德布羅意波長相近時，在膜的兩個表面之間往返運動的電子就會發生干涉，與表面垂直運動相關的能量將取分立值，由此會對電子輸運產生影響；第二節金屬薄膜的形成及其結構第16頁/共25頁功能薄膜材料第二節金屬薄膜的形成及其結構(4)在表面，原子周期性中斷，產生的表面能級、表面態數目與表面原子數有同一量級，對于半導體等載流子少的物質將產生較大影響；(5)表面磁性原子的近鄰原子數減少，引起表面原子磁矩增大；(6)薄膜材料各向異性等等。第17頁/共25頁功能薄膜材料2、薄膜制備過程決定的特點（1）非平衡態相結構薄膜的制備方法多數為非平衡狀態的制取過程，在薄膜形成過程中，基片溫度一般不很高，擴散較慢，因而制成的薄膜常常是非平衡相的結構。（2）膜常常是非化學計量比成分在蒸鍍法中，各種元素的蒸氣壓不同，濺射過程中各元素濺射速率不同，所以一般較難精確控制薄膜的成分，制成的膜往往是非化學計量比的成分。

（3）薄膜內存在大量的缺陷第二節金屬薄膜的形成及其結構第18頁/共25頁功能薄膜材料第二節金屬薄膜的形成及其結構（4）沉積冷卻過程中常會產生較大的內應力由沉積生長過程所決定，薄膜內一般存在大量的缺陷，如位錯、空位等，其密度常與大變形冷加工的金屬中的缺陷密度相當，基片的溫度越低，沉積的薄膜中缺陷密度越大，其中用離子鍍和濺射方法制備的薄膜缺陷密度最大。另外，在薄膜沉積過程中的工作氣體也常常混入薄膜。很多薄膜材料都不宜進行高溫熱處理，所以缺陷不易消除。這些缺陷對材料的電學、磁學等很多性能都有影響，薄膜材料一般都沉積在不同材料的基片，由于熱膨脹系數不同，沉積后冷卻過程中常會產生較大的內應力，應力的存在對很多性能都有影響。第19頁/共25頁3、薄膜制備方法能夠實現的特點功能薄膜材料第二節金屬薄膜的形成及其結構由于薄膜材料性能受制備過程的影響，在制備過程中多數處于非平衡狀態，因而可以在很大范圍內改變薄膜材料的成分、結構，不受平衡狀態時限制，所以人們可以制備出秀多塊體難以實現的材料，得到新的性能。這是薄膜材料的重要特點，也是薄膜材料引人注目的重要原因。無論采用化學法還是物理法都可以得到設計的薄膜，例如：第20頁/共25頁功能薄膜材料第二節金屬薄膜的形成及其結構（1）薄膜材料在制備過程中可以在很大范圍內將幾種材料摻雜在一起得到均勻膜，而無需考慮是否會形成均勻相，這樣就能較自由地改變薄膜的性能。（2）可以根據需要得到單晶、多晶及至非晶的各種結構薄膜。沉積的薄膜常為垂直于表面的柱狀晶，基片溫度越低，晶粒越細小。如果基片溫度足夠低，很多材料都可得到非晶態結構，另一方面通過選擇適當基片并控制沉積速率、基片溫度等因素可以制備出單晶薄膜，即所謂外延生長。第21頁/共25頁功能薄膜材料（3）可以容易地將不同材料結合在一起制成多層結構的薄膜薄膜材料一般都是用幾層不同功能的膜組合在一起構成器件，如薄膜太陽能電池、多層防反射膜等，或利用層間的界面效應，如制作光導材料、薄膜激光器等。但通常所謂多層膜是特指人為制作的具有周期性結構的薄膜材料。（4）通過沉積速率的控制可以容易得到成分不均勻分布的薄膜第二節金屬薄膜的形成及其結構第22頁/共25頁第三節、主要薄膜功能金屬材料功能薄膜材料1、電學薄膜半導體集成電路和混合集成電路（1）集成電路（IC）中的布線（2）透明導電膜集成電路中的電極布線都是用導電膜做成，通常集成電路中都采用鋁作為布線材料。在集成電路工藝中主要采用濺射技術制備