jc備課4pvd薄膜材料與薄膜技術(shù)4th(文件)
【正文】 （ Pulse Laser Deposition, PLD) 將高功率脈沖激光束聚焦作用于靶材表面，使靶材表面產(chǎn)生高溫及熔蝕，并進一步產(chǎn)生高溫、高壓等離子體，這種等離子體定向局域膨脹發(fā)射并在襯底上沉積而形成薄膜。 濺射： 荷能粒子與固體 （ 靶材 ） 表面相互作用過程中 ，發(fā)生能量和動量的轉(zhuǎn)移 ， 當(dāng)表面原子獲得足夠大的動能而脫離固體表面 ， 從而產(chǎn)生表面原子的濺射 。 實際鍍膜過程采用異常輝光放電 。 （ 2）濺射產(chǎn)額： 12221 2 043 ( 1 )4 ( )MM E E k e VM M U???? ? ? ???M M2:分別為入射離子和靶材原子的質(zhì)量； U0:靶材表面束縛能， eV。 ?靶材溫度的影響： 一定溫度范圍內(nèi)關(guān)系不大 ， 溫度達到一定值后 ， 濺射產(chǎn)額急劇上升 。 濺射原子能量與靶材 、 入射離子種類和能量有關(guān) 。 （ 3）濺射原子能量和速度： 濺射沉積方法 濺射方法根據(jù)特征可分為： 直流濺射 （二極、三極、四極）、 射頻濺射 、 磁控濺射 和 反應(yīng)濺射 。 ?通過額外的電子源 ， 發(fā)射電子從而離化氣體 ， 調(diào)節(jié)等離子體密度； ?增加離化率 、 保證放電自持； ?工作壓強 （ 102101 Pa）低于二極濺射所需氣壓； ?實現(xiàn)低氣壓 、 低電壓濺射； ?放電電流和轟擊靶的離子能量可獨立調(diào)節(jié)； ?難獲得大面積均勻的等離子體 。 （ 3）磁控濺射： ?沉積速率低； ?工作氣壓高； ?氣體分子對薄膜污染高 ② 磁控濺射原理： ③ 磁控濺射靶材： ?永磁體磁控濺射靶： NdFeB永磁體、簡單經(jīng)濟、鐵磁性材料濺射效率低 ?勵磁磁控濺射靶： 勵磁線圈、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可濺射鐵磁材料 ?磁控濺射靶材構(gòu)型： 平面磁控濺射靶 大面積、不受形狀限制、適合流水線生產(chǎn) 柱狀磁控濺射靶 360度濺射、沉積幾何簡單、薄膜均勻性好 磁控濺射槍 更換靶材容易、適合實驗室研究 磁電管設(shè)計 帕邢（ Paschen）曲線 ?降低濺射工作氣壓 ， 可到； ?電離效率高 ， 提高了靶電流密度和濺射效率 ， 降低靶電壓； ?離子電流密度高 ， 是射頻濺射的 10100倍； ?不能實現(xiàn)強磁性材料的低溫高速濺射； ?靶材濺射不均勻 、 靶材利用率低； ?同樣的電流和氣壓條件下可提高沉積速率 。 ?沉積膜的成分不同于靶材 。 ① 反應(yīng)濺射特征： ② 靶中毒現(xiàn)象： ? 取決于金屬與反應(yīng)氣體的結(jié)合特性及形成化合物表層的性質(zhì)。 ?采用中頻或脈沖濺射。 離子鍍、離子束沉積、離子束輔助沉積。 荷能離子轟擊基片和生長膜的復(fù)雜過程： 離子束沉積 Ion beam deposition 離子束輔助沉積 Ion beam assisted deposition 電弧離子鍍 Arc Ion Plating 離子鍍 Ion Plating 離子鍍 在真空條件下 ， 利用氣體放電使氣體或蒸發(fā)物部分離化 ，產(chǎn)生離子轟擊效應(yīng) ， 最終將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上 。 （ 3）離子對基片轟擊產(chǎn)生的影響： ? 濺射清洗作用； ? 基片表面產(chǎn)生缺陷； ? 基片結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞； ? 基片表面形貌發(fā)生破壞； ? 氣體在基片表面的滲入； ? 基片表面溫度升高、產(chǎn)生表面熱； ? 基片表面化學(xué)成分的變化 （ 2）離子鍍特點： （ 5）離子轟擊對基片 膜層界面產(chǎn)生的影響： ? 在界面形成偽擴散層，由膜層和基片元素物理混合所致； ? 偏析作用加強，增強基片原子和沉積原子的互擴散； ? 表面活動受限制，形核密度增加，促進連續(xù)膜形成； ? 界面更加致密，結(jié)合更加牢固； （ 4）離子轟擊對薄膜影響： ? 消除柱狀晶； ? 增加內(nèi)應(yīng)力 。 ? 設(shè)備較為簡單 ， 采用低電壓電源工作 ， 比較安全 。 離子源：實現(xiàn)了離子源與薄膜沉積室的分離；不僅粒子束的流量、能量可以控制、氣體雜質(zhì)污染較少。 薄膜外延生長技術(shù) 在超高真空條件下精確控制原材料的中性分子束強度 ，使其在加熱的基片上進行外延生長 。 同質(zhì)外延： 外延膜在同一材料上生長。 從分子束噴射出的分子達到襯底表面時 ， 由于受到表面力場的作用而被吸附在襯底表面 ， 經(jīng)過在表面的遷移 、再排列等若干動力學(xué)過程 ， 最后在適當(dāng)?shù)奈恢蒙厢尫懦銎療?， 形成晶核或嫁接到晶格結(jié)點上 ， 形成外延膜 。 薄膜純度： LPE最高、 MOCVD和 MBE次之。 通過加熱容器壁，在接近熱平衡條件下實現(xiàn)薄膜外延生長。 分子束外延沉積（ MBE） ? 超高真空系統(tǒng)，薄膜純度高； ?可在低溫下進行； ?可嚴(yán)格控制薄膜成分及摻雜濃度； ?原位檢測分析，可嚴(yán)格控制薄膜的生長及性質(zhì)。 MBE技術(shù)主要是一種可在原子尺度上精確控制外延厚度 、 摻雜和界面平整度的超薄層制備技術(shù) 。 ?直接引出式（非質(zhì)量分離方式）離子束沉積： 沉積 DLC膜裝置。 ?入射粒子能量高 ， 約幾十電子伏特 ， 薄膜的致密度高 ，強度和耐久性好 。 ? 基片和膜層界面產(chǎn)生原子擴散 ， 膜的結(jié)合強度好 。 同時蒸發(fā)原子與離化的惰性氣體及電子發(fā)生碰撞 ， 產(chǎn)生離化 ， 并在基片上形成薄膜 。 ? 對基片表面吸附的雜質(zhì)實現(xiàn)脫附和濺射，可清洗基片； ? 對基片和薄膜的濺射作用將降低生長速率。 濺射真空室組件 真空室 （ 不銹鋼材料制造 、 氬弧焊接 、 表面進行化學(xué)拋光處理 ） ， 真空室組件上焊有各種規(guī)格的法蘭接口 。 ③ 降低靶中毒措施： ?將反應(yīng)氣體輸入位置遠(yuǎn)離靶材靠近襯底。 ?調(diào)整氬氣和反應(yīng)氣體分壓 ， 可控制化合物薄膜的組成 、沉積速率和薄膜性能 。 ?拓展等離
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