jc備課4pvd薄膜材料與薄膜技術(shù)-4th(已修改)
2025-05-13 18:31 本頁面
【正文】 薄膜材料與技術(shù) 鄒友生 15996294651 鄭偉濤等編著， 《 薄膜材料與薄膜技術(shù) 》 ，化學(xué)工業(yè)出版社， 2022 材料科學(xué)與工程系 第四章 薄膜制備的物理 氣相沉積方法 ?物理氣相沉積基本過程 ?真空蒸發(fā)鍍膜 ?脈沖激光沉積 ?濺射鍍膜 ?離子鍍和離子束沉積 ?外延生長(zhǎng) PVD技術(shù)是指在真空條件下，用物理的方法將材料汽化成原子、分子或電離成離子，并通過氣相過程在襯底上沉積一層具有特殊性能的薄膜技術(shù)。 （ 1） PVD沉積基本過程： ? 從原材料中發(fā)射粒子 （通過蒸發(fā)、升華、濺射和分解等過程）； ? 粒子輸運(yùn)到基片 （粒子間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離化、復(fù)合、反應(yīng)，能量的交換和運(yùn)動(dòng)方向的變化）； ? 粒子在基片上凝結(jié)、成核、長(zhǎng)大和成膜 0 引言： 用于機(jī)械 、 航空航天 、 電子 、 光學(xué) 、 醫(yī)學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域制備耐磨 、 耐熱 、 抗蝕 、 絕緣 、 導(dǎo)電 、 光學(xué) 、 磁性 、 壓電 、 鐵電和超導(dǎo)薄膜 。 （ 2） PVD方法： （ 3） PVD應(yīng)用： ?真空蒸發(fā) ?脈沖激光沉積 ?濺射 ?離子鍍 ?外延膜生長(zhǎng)技術(shù) （ 4） PVD具有特點(diǎn)（與 CVD相比）： ? 使用固態(tài)的或者熔融態(tài)的物質(zhì)作為沉積過程的源物質(zhì)； ? 源物質(zhì)經(jīng)過物理過程而進(jìn)入氣相； ? 需要相對(duì)較低的氣體壓力（較高的真空）環(huán)境； ? 氣相分子的運(yùn)動(dòng)路徑近似一條直線。 真空蒸發(fā)鍍膜 在真空條件下，通過提供熱量使成膜材料獲得所必需的蒸汽壓并蒸發(fā)汽化成原子或分子，沉積到基片上形成薄膜。 “熱”蒸發(fā)源 + “冷”基片 +真空環(huán)境 ?防止高溫下空氣分子與蒸發(fā)源反應(yīng) ?防止蒸發(fā)物分子的相互碰撞，降低到達(dá)基片幾率 ?防止空氣分子作為雜質(zhì)混入薄膜中 （ 1）沉積過程步驟： ? 蒸發(fā)材料由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵? ? 在蒸發(fā)源與基片之間蒸發(fā)粒子的遷移和輸運(yùn) 。 ? 蒸發(fā)粒子到達(dá)基片后凝結(jié)、成核、長(zhǎng)大和成膜。 ? 蒸發(fā)過程 加熱使被蒸發(fā)材料的原子從固體或液體表面逸出 。 加熱的能量分為 2部分 ， 一部分是逸出原子帶走的能量 ， 另一部分是克服液體或固體原子間引力的能量 。 1） 飽和蒸汽壓與蒸發(fā)溫度： 物質(zhì)的蒸汽在與其固態(tài)或液態(tài)達(dá)到平衡時(shí)的壓力 ， 只與溫度有關(guān) 。 ln BpAT??T p 不同蒸汽壓下，蒸發(fā)溫度不同；若蒸發(fā)溫度高于熔點(diǎn)，蒸發(fā)狀態(tài)是熔融的，否則為升華的。 2 .3vHBR??2） 蒸發(fā)速率： 當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí) ， 物質(zhì)液態(tài)或固態(tài)與蒸汽間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 。 物質(zhì)的分子和原子不斷地蒸發(fā)離開液體或固體表面 ， 同時(shí)蒸汽分子或原子又不斷地返回固體或液體表面 。 在真空中 ， 單位面積清潔表面上粒子的自由蒸發(fā)速率 ： 例題：計(jì)算 Ag 在 900℃ 、 104 torr時(shí)的蒸發(fā)速率。 2 1 / 2 25 . 8 3 1 0 ( ) , /( )t o r rMG P g c m sT???蒸發(fā)速度與溫度關(guān)系： ln BpA T??2 1 / 25 . 8 3 1 0 ( )t o r rMGPT???微分后得： 1()2dG B dTG T T??對(duì)金屬， ，即： ( 2 0 3 0 )d G d TGT??高于熔點(diǎn)以上蒸發(fā)時(shí)，蒸發(fā)源溫度的微小變化即導(dǎo)致蒸發(fā)速率很大變化。 蒸發(fā)速率影響薄膜的沉積速率。 3） 蒸發(fā)粒子的速度和能量： 蒸發(fā)材料蒸氣粒子的速率按麥克斯韋速率分布： 23 / 2 2( ) 4 ( ) e xp( )22m m vf v vk T k T? ???最可幾速率為： 22pk T R Tvm ???最可幾速率決定的蒸氣分子動(dòng)能為： 212ppE m v k T??均方根速率為： 2 33k T R Tvm ???蒸氣分子平均動(dòng)能為： 21322pE mv k T??大多數(shù)蒸發(fā)的薄膜材料蒸發(fā)溫度在 10002500℃ ，則 ： ?粒子平均速度約 103 m/s； ?平均動(dòng)能為 （ 1020~ 1020J），占汽化熱的很小一部分，大部分汽化熱用來克服固體或液體中原子間的吸引力。 ? 蒸發(fā)原子的遷移過程 蒸發(fā)粒子在蒸發(fā)源到基片的輸運(yùn)過程中可能與氣體分子發(fā)生碰撞 ， 碰撞次數(shù)取決于分子的平均自由程 。 沒有發(fā)生碰撞的分子數(shù) N： 通常選擇氣體 分子平均自由程比蒸發(fā)源到基片間距離（ 1050厘米 ） 大 10倍以上 的真空度 （ 102104Pa） 條件下鍍膜 ， 降低粒子的能量和方向改變的程度 。 0 e xp ( / )N N l ???? 蒸發(fā)原子與基片表面原子的相互作用 反射： 發(fā)生彈性碰撞在極短的時(shí)間停留后被反彈回去。 吸附： 物理吸附和化學(xué)吸附。 再蒸發(fā)： 吸附原子在基片表面擴(kuò)散，停留一段時(shí)間發(fā)生再蒸發(fā)。 （ 2）影響薄膜生長(zhǎng)和性能的因素： 基片溫度： 基片溫度高則再蒸發(fā)；低則影響薄膜組織結(jié)構(gòu) 和晶粒大小 。 鍍膜真空度： 真空度低導(dǎo)致殘余氣體分子對(duì)薄膜的污染 ，以及碰撞導(dǎo)致蒸發(fā)原子能量的降低 。 蒸發(fā)速率： 較高的沉積速率提高薄膜純度 。 基片材料與薄膜材料的物性差別： 結(jié)合強(qiáng)度和應(yīng)力 。 （ 3）薄膜沉積的厚度均勻性和純度： 被蒸發(fā)的原子運(yùn)動(dòng)具有明顯的方向性，在各方向的蒸發(fā)速率通常不同。厚度分布取決于蒸發(fā)源的發(fā)射特性、蒸發(fā)源與基片的距離及幾何形狀。 點(diǎn)蒸發(fā)源： 能夠從各個(gè)方向蒸發(fā)等量的微小球狀蒸發(fā)源。 基片 2 3 / 201[ 1 ( / ) ]tth ???基板平面內(nèi)薄膜厚度分布： h：蒸發(fā)源與基片垂直距離 δ ： 蒸發(fā)源與基 片 水平距離 t0：電蒸發(fā)源正上方基板處薄膜的厚度
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