【文章內(nèi)容簡介】 態(tài)下，基片沿著水表面緩慢抽出，則在基片上形成一單層膜。 三種 LB膜 :X型 基片下沉 。Y型 基片下沉和抽出 。Z型 基片抽出 . 物理氣相沉積 : 通過物理的方法使源材料發(fā)射氣相粒子然后沉積在基片表面的一種薄膜制備技術(shù) . 三個基本過程 發(fā)射粒子的輸運過程 源材料粒子的發(fā)射過程 粒子在基片表面沉積過程 三、薄膜制備的物理方法 物理氣相沉積方法 ? 真空蒸發(fā) ? 濺射 ? 離子束和離子輔助 ? 外延生長技術(shù) 根據(jù)源材料粒子發(fā)射的方式不同 ,物理氣相沉積可以分為以下幾類 : 、真空蒸發(fā)沉積 真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡單便利、操作容易、成膜速度快、效率高等特點，是薄膜制備中最為廣泛使用的技術(shù)，缺點是形成的薄膜與基片結(jié)合較差，工藝重復(fù)性不好。 大量材料都可以在真空中蒸發(fā)，最終在基片上凝結(jié)以形成薄膜。真空蒸發(fā)沉積技過程由三個步驟組成： 蒸發(fā)源材料由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相； 在蒸發(fā)源與基片之間蒸發(fā)粒子的輸運； 蒸發(fā)粒子到達基片后凝結(jié)、成核、長大、成膜。 真空蒸發(fā)沉積的物理原理 在時間 t內(nèi)，從表面 A蒸發(fā)的最大粒子數(shù) dN為： dN/Adt=(2πmkT)1/2P 如果 d0是在距點源正上方中心 h處的沉積厚度， d為偏離中心 l處的厚度，則： d/d0=1/[1+(l/h)2]3/2 d/d0=1/[1+(l/h)2]2 如果是小平面蒸發(fā)源 真空蒸發(fā)技術(shù) ? 電阻加熱蒸發(fā) ? 閃爍蒸發(fā)法 ? 電子束蒸發(fā) ? 激光蒸發(fā) ? 電弧蒸發(fā) ? 射頻加熱 真空蒸發(fā)系統(tǒng) :真空室 ,蒸發(fā)源 ,基片 電阻加熱蒸發(fā) 電阻加熱蒸發(fā)法是將待蒸發(fā)材料放置在 電阻加熱裝置中，通過電路中的電阻加熱給 待沉積材料提供蒸發(fā)熱使其汽化。電阻加熱 蒸發(fā)法是實驗室和工亞生產(chǎn)制備單質(zhì)、氧化 物、介電質(zhì)、半導(dǎo)體化合物薄膜的最常用方 法。這類方法的主要缺點是： 支撐坩鍋及材料與蒸發(fā)物反應(yīng)； 難以獲得足夠高的溫度使介電材料如 Al2O Ta2O TiO2等蒸發(fā)； 蒸發(fā)率低； 加熱時合金或化合物會分解。 閃爍蒸發(fā)法 在制備容易部分分餾的多組員合金或 化合物薄膜時，應(yīng)用閃爍蒸發(fā)法可以克 薄膜化學(xué)組分偏離蒸發(fā)物原有組分的困 難。閃爍蒸發(fā)技術(shù)已用于制備 IIIV族化 合物、半導(dǎo)體薄膜、金屬陶瓷薄膜、超 導(dǎo)氧化物薄膜。其缺陷是待蒸發(fā)粉末的 預(yù)排氣較困難；可能會釋放大量的氣體， 膨脹的氣體可能會發(fā)生 “ 飛濺 ” 現(xiàn)象。 電子束蒸發(fā) 在電子束蒸發(fā)技術(shù)中，一束電子 通過電場后被加速，最后聚焦到待 蒸發(fā)材料的表面。當(dāng)電子束打到待 蒸發(fā)材料表面時，電子會迅速損失 掉自己的能量，將能量傳遞給待蒸 發(fā)材料使其熔化并蒸發(fā)。 在電子束蒸發(fā)系統(tǒng)中，電子束 槍是其核心部分，電子束槍可分為 熱陰極和等離子體電子兩種類型。 電子束蒸發(fā) 激光蒸發(fā) 在激光蒸發(fā)方法中，激光作為熱源使待 蒸鍍材料蒸發(fā)。其優(yōu)點是： 減少來自熱源的污染； 減少來自待蒸鍍材料支撐物的污染； 可獲得高功率密度激光束，使高熔點材料也可以 以較高的沉積速率被蒸發(fā)； 由于光束發(fā)散性較小，激光及其相關(guān)設(shè)備可以相 距較遠； 容易實現(xiàn)同時或順序多源蒸發(fā)。 應(yīng)用右圖所示裝置， Fujimor等人應(yīng)用連續(xù)波長 CO2激光器作為加熱源制備了碳膜。 Mia等人用 CO2激光器作為熱源可將 Al2OSi3N4和其他陶瓷材料沉積到鉬基片上。 Yang和 Cheung利用脈沖激光技術(shù)在 GaAs 和玻璃基片上制備了 SnO2薄膜。 Sankur和 Cheung利用以上裝置在各種基片 上制備了具有高度擇優(yōu)取向、透明的 ZnO薄膜 。 以上裝置用于制備 Cd3As2薄膜 。 Baleva等人應(yīng)用以上裝置制備了 Pb1xCdxSe 薄膜 。 Scheibe等人應(yīng)用以上裝置蒸發(fā) 沉積金和碳薄膜 。 Serbezov等人應(yīng)用以上裝置制備了 YBa2Cu3O7X薄膜 。 Russo 等人用以上裝置制備了金屬 過渡層和 YBCO薄膜 。 電弧蒸發(fā) 真空電弧蒸發(fā)屬于物理氣相沉積，在這一方法中，所沉積的粒子： 要被 產(chǎn)生出來； 要被輸運到基片； 最后凝聚在基片上以形成所需性質(zhì)的薄膜。 等離子體的輸運可由簡單模型來描述，遠離陰極的離子電流密度可寫成： Ji=FIG(θ,Φ)/2πr2 沉積率可寫為： Vd=JiCsmi/eZρ 基片的熱通量可為： S=Jiuh 電弧沉積設(shè)備 射頻加熱 通過射頻加熱的方式使源材料蒸發(fā) . 特點 :通過射頻線圈的適當(dāng)安置 ,可以使待鍍材料蒸發(fā)，從而消除由支撐坩鍋引起的污染 .蒸發(fā)物也可以放在支撐坩鍋內(nèi)，四周用濺射線圈環(huán)繞。 例如 :Thompson和 Libsch使用氮化硼坩鍋，通過感應(yīng)加熱沉積了鋁膜。 、濺射 在某一溫度下 ,如果固體或液體受到適當(dāng)?shù)母吣茈x子的轟擊 ,那么固體或液體中的原子通過碰撞有可能獲得足夠的能量從表面逃逸 ,這一將原子從表面發(fā)射的方式叫濺射 . 濺射是指具有足夠高能量的粒子轟擊固體表面使其中的原子發(fā)射出來。 濺射的基本原理 濺射是轟擊離子與靶粒子之間 動量傳遞的結(jié)果 .左圖可以證明 這一點： （ a)濺射出來的粒子角分布取 決于入射粒子的方向； （ b)從單晶靶濺射出來的粒子 顯示擇優(yōu)取向； (c)濺射率不僅取決于入射粒子 的能量，也取決于其質(zhì)量。 （ d)濺射出來的粒子的平均速率 比熱蒸發(fā)粒子的平均速率高 的多。 輝光放電系統(tǒng) (入射離子的產(chǎn)生 ) 濺 射 區(qū) 電 弧 區(qū) 輝光放電區(qū) 輝光放電時明暗光區(qū)分布示意圖 靶 基片 濺射鍍膜的特點 相對于真空蒸發(fā)鍍膜，濺射鍍膜具有如下優(yōu)點： 對于任何待鍍材料，只要能做成靶材，就可實現(xiàn)濺射； 濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好； 濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好； 濺射工藝可重復(fù)性好，膜厚可控制，同時可以在大面積 基片上獲得厚度均勻的薄膜。 濺射存在的缺點是：沉積速率低，基片會受到等離子體的輻 照等作用而產(chǎn)生溫升。 濺射參數(shù) ? 濺射閾值：將靶材原子濺射出來所需的最小能量值。 ? 濺射率：有稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù) ,表示入射正離子轟擊靶陰極 時 ,平均每個正離子能從靶陰極中打出的原子數(shù)。 ? 濺射粒子的速度和能量：濺射原子所獲得的能量值在 1～ 10eV。 ，而原子序數(shù)小的濺射 原子濺射逸出的速度較高。 ，濺射原子逸出能量隨入射離子的質(zhì)量而 線性增加。 ，擔(dān)當(dāng)入 射離子能量達到某一較高值時，平均逸出能量趨于恒定。 濺射裝置 根據(jù)濺射裝置中電極的特點 ,其種類可以分為： 1. 直流濺射 : 靶材是良導(dǎo)體 . 2. 射頻濺射 : 靶材可以是導(dǎo)體 ,半導(dǎo)體和絕緣體 . 3. 磁控濺射 : 通過磁場約束電子的運動以增強電子對 工作氣體的電離效率。 輝光放電直流濺射 盤狀的待鍍靶材連接到電源的陰極， 與靶相對的基片則連接到電源的陽極。 通過電極加上 1～ 5kV的直流電壓，充入 到真空室的中性氣體如 Ar便會開始輝光 放電。 直流二級濺射制備薄膜實例 三級濺射 射頻濺射制備薄膜實例 磁控濺射實例 磁控濺射陰極特征 Serikawa和 Okamoto設(shè) 計了左圖中所示的裝置， 并用其制備了硅膜。 磁控濺射實例 Kobayashi等人用以上裝置制備了具有高沉積 率的難熔金屬硅酸鹽膜。 Chang等人用以上系統(tǒng)可以獲得高沉積率濺射 Ni。 磁控濺射實例 Yoshimoto等人用以上裝置制備了 BiSr CaCuO膜。 Cuomo和 Rossuagel等人用以上裝置制備了 Ta/Au 膜。 對靶濺射實例 Hoshi等人研制出的這套系統(tǒng)可以獲得高沉積率