薄膜材料制備演示文稿目前一頁\總數七十四頁\編于十七點（優選）薄膜材料制備目前二頁\總數七十四頁\編于十七點這些技術包括：以蒸發沉積為基礎發展了電子束蒸發沉積、分子束外延薄膜生長(MBE)、加速分子束外延生長；以載能束與固體相互作用為基礎,先后出現了離子束濺射沉積、脈沖激光濺射沉積(PLD)、強流離子束蒸發沉積、離子束輔助沉積(IBAD)、低能離子束沉積；以等離子體技術為基礎發展了等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、磁控濺射沉積等。目前三頁\總數七十四頁\編于十七點薄膜的制備方法很多，主要有：物理方法：

真空蒸發沉積

磁控濺射法

離子束濺射沉積

脈沖激光沉積（PLD）

分子束外延（MBE）直流磁控濺射射頻磁控濺射帶能束流輔助原位檢測分析目前四頁\總數七十四頁\編于十七點化學方法：化學氣相沉積（CVD）溶膠－凝膠法（Sol－Gel法）電沉積液相外延（LPE）化學束外延金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）熱解化學氣相沉積激光誘導化學氣相沉積（LCVD）等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）微電子回旋共振化學氣相沉積（MW－ECR－CVD）直流電弧等離子體噴射化學氣相沉積觸媒化學氣相沉積(Cat－CVD)??????目前五頁\總數七十四頁\編于十七點

一、真空蒸發沉積真空蒸發沉積設備主要組成：

（1）真空鍍膜室（2）真空抽氣系統（3）真空測量系統原理：真空條件下蒸發源材料加熱脫離材料表面束縛原子分子作直線運動遇到待沉積基片沉積成膜。目前六頁\總數七十四頁\編于十七點蒸發鍍膜設備目前七頁\總數七十四頁\編于十七點真空蒸發鍍膜工藝實例－Al膜制備：（1）懸掛鋁絲；（2）基片清洗及放置；（3）系統抽真空；（4）襯底預熱；（5）預蒸；（6）蒸發；（7）停機。目前八頁\總數七十四頁\編于十七點二、磁控濺射沉積所謂“濺射”就是荷能粒子轟擊固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出的現象。應用這一現象將濺射出來的物質沉積到基片或工作表面形成薄膜的方法稱為濺射（鍍膜）法。濺射法被廣泛地應用于制備金屬、合金、半導體、氧化物、碳化物、氮化物等。濺射過程是建立在輝光放電的基礎上，即濺射離子都來源于氣體的放電。輝光放電產生于真空度為10～1Pa的稀薄氣體中的外加電壓的兩電極間。目前九頁\總數七十四頁\編于十七點

濺射原理向高真空系統內加入少量所需氣體（如氬、氧、氮等），氣體分子在強電場的作用下電離而產生輝光放電。氣體電離后產生的帶正電荷的離子受電場加速而形成等離子流，它們撞擊到設置在陰極的靶材表面上，使靶表面的原子飛濺出來，以自由原子的形式，或與反應氣體分子形成化合物的形式，沉積到襯底表面形成薄膜層。（也稱陰極濺射法）目前十頁\總數七十四頁\編于十七點射頻磁控濺射系統基本結構目前十一頁\總數七十四頁\編于十七點

磁控射頻濺射工作原理

洛侖茲力：F=q(E+vB)目前十二頁\總數七十四頁\編于十七點radiofrequencysputteringsystem目前十三頁\總數七十四頁\編于十七點LeskerRadioFrequencySputteringSystem目前十四頁\總數七十四頁\編于十七點Dual-RF-plasmaPulsed-LaserDeposition(PLD)System目前十五頁\總數七十四頁\編于十七點三、離子束輔助沉積離子束輔助沉積裝置的原理簡圖目前十六頁\總數七十四頁\編于十七點離子束結合微波電子回旋共振輔助沉積CN膜的典型的RAMAN譜目前十七頁\總數七十四頁\編于十七點（平衡）磁控濺射與非平衡磁控濺射E×B（平衡）磁控濺射非平衡磁控濺射目前十八頁\總數七十四頁\編于十七點磁控濺射靶的設計目前十九頁\總數七十四頁\編于十七點微波雙電子回旋共振諧振腔非平衡磁控濺射主要優點：等離子體密度高均勻區體積大伏安特性具有兩種模式：電壓模式與電流模式可實現超低工作氣壓下磁控靶自持交叉場放電真空室600×800，均勻區300，區內均勻度5％，靶基距100-200，工作氣壓10-2Pa，本底真空10-5Pa，離化率10％目前二十頁\總數七十四頁\編于十七點磁場位形對放電特性的影響在兩種磁場位形下，放電特性均有兩種放電模式。位形不同，特性差異明顯，有利于成膜參數的調整。特別是，電壓模式下，濺射率低，有利于制備納米膜過程的控制與提高膜的質量。電壓模式電流模式目前二十一頁\總數七十四頁\編于十七點微波ECR等離子體增強非平衡磁控濺射照片目前二十二頁\總數七十四頁\編于十七點等離子體增強磁控濺射特點（1）工作氣體的電離率高，可以產生高密度的等離子體。（2）濺射氣壓低，一般在0.1～0.005Pa范圍內，低于磁控濺射的工作氣壓；通常在這個氣壓范圍內，濺射粒子的平均自由程大于靶基距，濺射粒子不會因發生碰撞而損失能量，這意味著薄膜生長所需能量不但可以由離子提供，而且也可以由中性濺射原子提供。（3）微波-ECR等離子體離子能量低，對基片的損傷很小。（4）有可能在低溫下合成亞穩態薄膜，為新材料的合成和制備提供了又一有力手段。目前二十三頁\總數七十四頁\編于十七點四、脈沖激光濺射沉積(PLD)激光器靶基片目前二十四頁\總數七十四頁\編于十七點

PLD目前二十五頁\總數七十四頁\編于十七點EquipmentTheprincipalcomponents:Targetholder(red)Substrateheater(yellow)Vacuumpumps(E)Pressuregauges(P)Gasvalves(N2andO2)Windows(OWandLW)Theparametersoflaser:wavelengthl=248nmmaximumpulseenergyEmax=600mJpulsedurationt=25ns目前二十六頁\總數七十四頁\編于十七點ApplicationsPulsedlaserdeposition(PLD)isapplicabletoalmostanymaterial,inparticulartocompoundsthataredifficultorimpossibletoproduceinthin-filmformbyothertechniques.Typicalexamplesarecomplexceramicmaterialssuchashigh-temperaturesuperconductors,andcertainmagneticmaterials(e.g.,yttriumirongarnet(YIG)andmagneticshape-memory(MSM)alloyNi-Mn-Ga).目前二十七頁\總數七十四頁\編于十七點五、分子束外延分子束外延(MBE)是在超高真空環境的一種薄膜沉淀技術。所謂“外延”是指在一定的單晶材料襯底上，沿著襯底的某個晶面方向生長單晶薄膜。MBE是目前被廣泛使用的重要外延技術之一（外延技術主要包括氣相外延、液相外延、分子束外延）。目前二十八頁\總數七十四頁\編于十七點與其它的薄膜材料生長技術相比，MBE的突出優點有：（1）由于是在超高真空環境下，因此可以利用許多測試技術對薄膜的生長作原位的監測，如反射高能電子衍射（RHEED），俄歇電子能譜（AES）和X射線光電子能譜（XPS）等。（2）超高真空環境使得所生長的薄膜具有很好的單晶質量。（3）可通過控制束流來調節生長速率，從而生長出超薄薄膜。（4）在較低的生長溫度下，可以避免異質結界面的相互擴散，從而在界面處能夠形成突變的結構。目前二十九頁\總數七十四頁\編于十七點

MBE生長原理從分子束噴射爐中噴射出來的分子或原子達到襯底表面時，因表面力場的吸附作用而被襯底表面吸附，并經遷移、再排列等若干動力學過程，最后在適當的位置上釋放出汽化熱，形成晶核或嫁接到晶格結點上，形成外延膜。部分能量較大的分子可能會從襯底表面重新脫附，重返氣相中。在一定條件下，吸附與解吸處于動態平衡。如果分子達到襯底表面的速率小于襯底表面分子的再蒸發速率，襯底上將得不到外延沉積。只有分子達到速率大于再蒸發速率時，襯底上才會有外延沉積。目前三十頁\總數七十四頁\編于十七點MBE設備目前三十一頁\總數七十四頁\編于十七點MBE生長室結構示意圖目前三十二頁\總數七十四頁\編于十七點雙室MBE系統示意圖目前三十三頁\總數七十四頁\編于十七點MBE設備目前三十四頁\總數七十四頁\編于十七點外延膜的晶格失配晶格失配度對外延博膜界面狀態的影響Si上外延GexSix-1時無位錯外延層厚度隨Ge含量x的變化目前三十五頁\總數七十四頁\編于十七點六、化學氣相沉積（CVD）目前三十六頁\總數七十四頁\編于十七點目前三十七頁\總數七十四頁\編于十七點化學氣相沉積過程目前三十八頁\總數七十四頁\編于十七點CVD系統目前三十九頁\總數七十四頁\編于十七點ThermalCVD目前四十頁\總數七十四頁\編于十七點

MOCVD目前四十一頁\總數七十四頁\編于十七點七、化學束外延（CBE）或金屬有機物-分子束外延（MOMBE）

化學束沉積（CBE）

采用與MOCVD相似的載流氣體和有機源以及MBE相似的高真空生長室。目前四十二頁\總數七十四頁\編于十七點CBE生長室示意圖目前四十三頁\總數七十四頁\編于十七點金屬有機物-分子束外延（MOMBE）Ga(CH3)3+AsH3

→GaAs+3CH4目前四十四頁\總數七十四頁\編于十七點光MOMBE系統目前四十五頁\總數七十四頁\編于十七點八、液相外延（LPE）液相外延是利用高溫下把被生長元素飽和的母液與單晶襯底接觸，再以一定的速率降溫，形成母液生長元素的過飽和，在襯底上沉積出一層與襯底晶格常數基本相同的單晶層。LPE已被廣泛應用于各種半導體異質結器件的制備。LPE生長方法有四種：步冷法、平衡冷卻法、過冷法、二相法。目前四十六頁\總數七十四頁\編于十七點設備LPE設備簡單，包括氫凈化系統，真空系統，精密控溫外延爐，石英管，多母液槽石墨舟等。目前四十七頁\總數七十四頁\編于十七點LPE的“舟”目前四十八頁\總數七十四頁\編于十七點工藝條件生長速率取決于母液的過冷度、生長元素在母液中向襯底擴散的速率、生長時間和冷卻速率。步冷法步冷法適合于單一外延層的生長。把在溫度T1下飽和的母液，冷卻到T2后，與襯底接觸，經時間t后推出，外延層厚度d與步冷溫度T=T1-T2及生長時間的關系為：d=k

Tt1/2

式中k為與生長元素在母液中擴散有關的常數。目前四十九頁\總數七十四頁\編于十七點平衡法平衡法是在溫度T下將飽和母液與襯底接觸后，以一定的溫降速率冷卻，經過時間t后，把母液推出。生長層厚度與各參數的關系為：d=kRt3/2過冷法過冷法生長的厚度是前兩種之和：d=k

Tt1/2＋

kRt3/22323目前五十頁\總數七十四頁\編于十七點九、溶膠－凝膠（sol-gel）法包括提拉法和甩膠法兩種工藝。適合于氧化物薄膜的制備。將成膜物質溶解于有機溶劑中，制成有機溶膠。提拉法是將基片直接浸入溶膠中，然后按一定速率提起，溶膠均勻涂在基片表面。在一定溫度條件下，基片表面的溶膠將轉化成凝膠，并分解成氧化物。甩膠法是在勻膠機上進行。將基片放在勻膠機上，并在基片表面上滴上溶膠，經勻膠機的高速旋轉，在基片上均勻涂覆溶膠。目前五十一頁\總數七十四頁\編于十七點溶膠形成過程M-O-R+H2OM-OH+R-OH

(hydrolysis)

M-OH+HO-MM-O-M+H2O(watercondensation)

M-O-R+HO-MM-O-M+R-OH(alcoholcondensation)

(M=Si,Zr,Ti)目前五十二頁\總數七十四頁\編于十七點目前五十三頁\總數七十四頁\編于十七點目前五十四頁\總數七十四頁\編于十七點提拉法提拉法涂膜原理目前五十五頁\總數七十四頁\編于十七點提拉設備工作原理目前五十六頁\總數七十四頁\編于十七點提拉設備目前五十七頁\總數七十四頁\編于十七點勻膠法目前五十八頁\總數七十四頁\編于十七點勻膠設備勻膠機滴膠機左為勻膠機，右為滴膠機目前五十九頁\總數七十四頁\編于十七點小結薄膜的制備方法多，發展快；物理方法與化學方法各具特點。應針對不同的材料特點，慎重選擇制備方法；軟化學方法制膜技術制備條件要求較低，適合制備復雜組分的薄膜材料，且成本低廉，具有很好的發展前景。目前六十頁\總數七十四頁\編于十七點第二節薄膜材料檢測技術薄膜的檢測包括成分檢測、結構檢測和性能檢測等內容。薄膜的厚度很小，一般在1微米以下，因此，薄膜的成分和結構檢測可采用表面分析技術進行。薄膜的性能檢測與薄膜的種類及其應用領域有關。由于薄膜的應用領域繁多，其檢測方法也多種多樣，因此，這里將不作重點介紹。目前六十一頁\總數七十四頁\編于十七點表面分析技術

表面分析技術是人們為了獲取表面的物理、化學等方面的信息而采用的一些實驗方法和手段。一般地說，它是利用一種探測束——如電子束、離子束、光子束、中性粒子束等，有時還加上電場、磁場、熱等的作用，來探測材料的形貌、化學組成、原子結構、原子狀態、電子狀態等方面的信息。目前六十二頁\總數七十四頁\編于十七點表面分析原理SampleExcitationsourceEnergySelectorSignalDetectorEvent目前六十三頁\總數七十四頁\編于十七點分析技術及其適用范圍探測粒子發射粒子分析方法名稱簡稱主要用途ee低能電子衍射LEED結構ee反射式高能電子衍射RHEED結構ee俄歇電子能譜AES成分ee掃描俄歇探針SAM微區成分ee電離損失譜ILS成分e能量彌散x射線譜EDXS成分ee俄歇電子出現電勢譜AEAPS成分e軟x射線出現電勢譜SXAPS成分ee消隱電勢譜DAPS成分ee電子能量損失譜EELS原子及電子態eI電子誘導脫附ESD吸附原子態及成分ee透射電子顯微鏡TEM形貌ee掃描電子顯微鏡SEM形貌ee掃描透射電子顯微鏡STEM形貌目前六十四頁\總數七十四頁\編于十七點各分析方法的工作方式探測粒子發射粒子分析方法名稱簡稱主要用途II離子探針質量分析IMMA微區成分II靜態次級離子質譜SSIMS成分In次級中性離子質譜SNMS成分II離子散射譜ISS成分、結構II盧瑟福背散射譜RBS成分、結構Ie離子中和譜INS最表層電子態I離子激發x射線譜IEXS原子及電子態目前六十五頁\總數七十四頁\編于十七點各分析方法的工作方式探測粒子發射粒子分析方法名稱簡稱主要用途

ex射線光電子譜XPS成分、化合態

e紫外線光電子譜UPS分子及固體電子態

e同步輻射光電子譜SRPES成分、原子及電子態紅外吸收譜IR原子態拉曼散射譜RAMAN原子態

擴展x射線吸收譜精細結構SEXAFS結構

角分辨光電子譜ARPES原子及電子態結構

I光子誘導脫附譜PSD原子態目前六十六頁\總數七十四頁\編于十七點各分析方法的工作方式探測粒子發射粒子分析方法名稱簡稱主要用途Ee場電子顯微鏡FEM結構EI場離子顯微鏡FIM結構EI場離子顯微鏡-原子探針AP-FIM結構及成分Ee場電子發射能量分布FEED電子態Ee掃描隧道顯微鏡STM形貌Tn熱脫附譜TDS原子態n中性粒子碰撞誘導輻射SCANIIR成分n

n分子束散射MBS結構、原子態AWAW聲顯微鏡AM形貌原子力顯微鏡AFM形貌目前六十七頁\總數七十四頁\編于十七點部分表面分析設備的分析范圍目前六十八頁\總數七十四頁\編于十七點各分析技術的應用領域及其效果XPSAESILSISSRBSSIMS測氫NoNoNoNoNoYes元素靈敏度均勻性GoodGoodBadGoodGoodBad最小可檢測靈敏度10-2-10-310-2-10-310-910-2-10-310-2-10-310-4-10-5定量分析GoodYesBadBadGoodBad化學態判斷GoodYesYesBadBadBad譜峰分辨率GoodGoodGoodBadBadGood識譜難易GoodGoodGood---表面探測深度MLsMLsMLsMLML-mML-MLs空間分辨率BadGoodGoodBadBadGood無損檢測YesYesYesNoYesYes理論數據完整性GoodYesBadYesGoodBadXPS:x射線光電子譜;AES:俄歇電子能譜;ILS:電離損失譜;ISS:離子散射譜;RBS:盧瑟福背散射譜