光电功能材料课程-13-18.

《光电功能材料课程-13-18.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电功能材料课程-13-18.（102页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、光电功能材料14 刘 磊 电话：84315437 Email: liulei442 薄膜功能材料 作为材料一中特殊形式的薄膜材料，尤其是薄膜功 能材料，由于可以实现很多块体材料所没有的独特 性质，所以在高科技领域发展中具有重要的作用， 例如计算机、自动化等领域对各种元器件提出越来 越高的微型化，集成化的要求，都要靠薄膜材料的 发展来实现。 制备方法简介 总的来说，薄膜的制备方法主要有两大类， 即物理气相沉积和化学气相沉积 物理气相沉积，即采用物理方法使物质的原 子或分子逸出，然后沉积在较冷的基片上形 成薄膜的工艺。为了避免氧化，沉积过程一 般在真空中进行。根据物质的院子或分子逸 出的方法不同，

2、又可以分为蒸镀，溅射和离 子镀等 制备方法简介 1 真空蒸镀 是在真空室中将材料加热，利用热激活使其 原子或分子从表面逸出，然后沉积在较冷的 基片上形成薄膜的工艺。 一般是将待镀的基片置于高真空室内，通过 加热使蒸发材料气化（或升华）而淀积到某 一温度基片的表面上，从而形成一层薄膜， 这一工艺过程称为真空蒸镀法。 真空成膜技术 直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射 真空 蒸发 溅射 沉积 离子镀 物理气相沉积 （PVD） 化学气相沉积 （CVD） 分子束外延 （MBE） 气相沉积 电阻加热 感应加热 电子束加热 激光加热 直流二极型离子镀 射频放电离子镀 等离子体离子镀 HFCVD PEC

3、VD LECVD DC RF MW ECR 热壁 冷壁 hot-filament, plasma enhanced, laser enhanced ECR:电子回旋共振 真空区域的划分 目前尚无统一规定，常见的划分为： 粗真空 低真空 高真空 超高真空 极高真空 )10760(1010 35 Torrpa- )1010(1010 313 Torrpa - - )1010(1010 8361 Torrpa - - )1010(1010 128106 Torrpa - - )10(10 1210 Torrpa - 真空镀膜总的原理图真空镀膜总的原理图 能量能量 衬底 制备方法简介 采用蒸发形成的薄

4、膜的过程包括以下物理阶 段 （1）采用蒸发或升华把被淀积的材料转 化为气态（2）原子或分子从蒸发源上转移到 基片上（3）这些粒子淀积在基片上（4）在 基片表面上粒子重新排列或它们的键发生变 化 真空蒸镀设备主要由真空镀膜室和真空抽气 系统组成。 蒸镀的方法很多，按照加热的方法主要有电 阻加热，电子束轰击加热，激光加热等。 制备方法简介 A 电阻加热法 有些材料可以做成丝状或片状作为电阻元件直接通 电进行加热，使其原子或分子在高温下挥发出来， 如铁，铬，钛等，但是对于大多数材料，特别是化 合物等不导电或不易制成电阻元件的材料，一般采 用间接加热方法,即将材料放在电热元件上进行加热 ，电热元件通常

5、用钨。钼，铂，碳等制成。 优点：设备比较简单，缺点是对于多组分材料，由 于各组元的蒸汽压不同，引起的薄膜成分与原材料 不同。而且在加热过程中电热元件的原子也会挥发 出来，造成污染，被加热材料还可能与电热元件发 生反应，在电热温度较高时这些缺点尤其显著。 电阻热蒸发：电阻热蒸发： 常用蒸发源 加热丝加热舟 坩埚盒状源 制备方法简介 电子束轰击法 将电子枪经过高压加速产生的高能电子聚焦在被蒸 发材料上，电子的动能转变成热能可以得到很高温 度。电子束加热可以得到很高的能量密度，而且易 于控制，因而可蒸镀高熔点材料，尤其适合熔点达 到2000摄氏度的氧化物，由于不需要坩埚，避免了 坩埚对膜料的污染，可

6、以以大功率密度进行快速蒸 镀，可以避免薄膜成分与原材料不同。 电子束热蒸发电子束热蒸发 制备方法简介 激光束加热 将大功率的激光束经过窗口引入真空室内，通过透 镜或凹面镜等聚焦在靶材上，将其加热蒸发，这种 方法可得到很高的能量密度，因而可以蒸镀能吸收 激光的高熔点物质。由于激光器不在镀膜室内，以 无接触加热方式使膜料迅速气化，然后沉积在基片 上形成薄膜，镀膜室的环境气氛易于控制，特别是 适于在超高真空下制备纯净薄膜。 激光成膜激光成膜 制备方法简介 反应蒸镀 在一定反应气氛中蒸镀金属或低价化合物，使在进 行蒸镀过程中发生反应而得到所需的高价化合物薄 膜的方法称为反应蒸镀。 为了增加反应度，在沉

7、积过程中可以采用紫外线照 射或电子离子轰击等活化手段。 制备方法简介 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy) 在单晶基片上按照一定晶体学方向生长单晶膜称为外 延。如基片与薄膜为同种物质称为同质外延，若为不 同物质则为异质外延。分子束外延是在超高真空中， 通过质谱仪等设备精确控制不同强度不同成分的分子 束流，并使之沉积在加热到一定温度的基片上而实现 的。 MBE是近年来在真空蒸镀基础上发展起来的一种新技 术，由于其沉积速度慢，可以非常精确控制外延层厚 度，精确控制各组元成分，因而可以制备出原子量级 厚度的极薄单晶膜，特别是可用来制备具有超晶格结 构的薄膜，为高速光电子器件和集

8、成光学器件提供了 条件。 制备方法简介 在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热 而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束 ，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子 束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层 地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的 衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控 制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。 用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶薄膜， 以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成的超 薄层量子阱微结构材料。 制备方法简介特点： （1）生长速率极慢，大约1um/小时，相当于每秒生 长一个单原子层，因此有利于实现

9、精确控制厚度、结 构与成分和形成陡峭的异质结构等。实际上是一种原 子级的加工技术，因此MBE特别适于生长超晶格材料 。 （2）外延生长的温度低，因此降低了界面上热膨胀引 入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散 影响。 （3）由于生长是在超高真空中进行的，衬底表面经过 处理可成为完全清洁的，在外延过程中可避免沾污， 因而能生长出质量极好的外延层。在分子束外延装置 中，一般还附有用以检测表面结构、成分和真空残余 气体的仪器，可以随时监控外延层的成分和结构的完 整性，有利于科学研究. 制备方法简介 （4）MBE是一个动力学过程，即将入射的中性粒子 （原子或分子）一个一个地堆积在衬底上进行生长

10、， 而不是一个热力学过程，所以它可以生长按照普通热 平衡生长方法难以生长的薄膜。 （5）MBE是一个超高真空的物理沉积过程，既不需 要考虑中间化学反应，又不受质量传输的影响，并且 利用快门可以对生长和中断进行瞬时控制。因此，膜 的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。 制备方法简介 制备方法简介 2 溅射 用带电粒子轰击靶材，加速的离子轰击固体表面时 ，发生表面原子碰撞并发生能量和动量的转移，使 靶材原子从表面逸出并淀积在衬底材料上的过程。 以荷能粒子(常用气体正离子)轰击某种材料的靶面 ，而使靶材表面的原子或分子从中逸出的现象。溅 射广泛应用于各种薄膜制备及制备及样品表面刻蚀 等。 溅射薄膜

11、通常是在惰性气体(如氩)的等离子体中制 取。 制备方法简介 溅射过程是建立在气体辉光放电基础上的。在一定的 真空中在两极板间加一电压，随着电压升高，由于 宇宙射线产生的游离离子和电子获得足够能量，与 中性分子碰撞就会使之电离，当产生足够多的离子 和电子后，气体就开始起辉。离子在电场作用下轰 击作为阴极的靶时，就会将靶的原子轰击出来。根 据这一原理设计出了多种不同结构的溅射装置。 溅射过程中真空室内需要少量工作气体，一般用氩气 。如果向真空度通入反应气体，在溅射过程中与靶 原子发生反应，可得到化合物薄膜。 磁控溅射磁控溅射 DC ( 导电材料 ) RF ( 绝缘介质材料和导电材料) 反应 (氧化

12、物、氮化物) 或不反应 ( 金属 ) 溅射靶材 制备方法简介 3 离子镀 离子镀是真空镀膜工艺的一项新发展。普通真空镀膜（亦 称真空蒸镀）时，工件夹固在真空罩内，当高温蒸发源通电 加热后，促使待镀材料蒸发料熔化蒸发。由于温升，蒸 发料粒子获得一定动能，则沿着视线方向徐徐上升，最后附 着于工件表面上堆积成膜。用这种工艺形成的镀层，与零件 表面既无牢固的化学结合，有无扩散连接，附着性能很差， 有时就像桌面上落的灰尘一样，用手一摸也会擦掉。然而， 离子镀工艺则有所不同，虽然也是在真空罩内进行的，但这 时镀膜过程是以电荷传递的形式来实现的。也就是说，蒸发 料的粒子作为带正电荷的高能离子在高压阴极（即工

13、件）的 吸引下，以很高的速度注入到工件表面。相当于一个从枪管 中射出的高速弹头，可以穿入靶体很深，在工件上形成一种 附着牢固的扩散镀层。 制备方法简介 3 离子镀 离子镀的作用过程如下:蒸发源接阳极，工件接阴极， 当通以三至五千伏高压直流电以后，蒸发源与工件之 间产生辉光放电。由于真空罩内充有惰性氩气，在放 电电场作用下部分氩气被电离，从而在阴极工件周围 形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子受阴极负高压 的吸引，猛烈地轰击工件表面，致使工件表层粒子和 脏物被轰溅抛出，从而使工件待镀表面得到了充分的 离子轰击清洗。随后，接通蒸发源交流电源，蒸发料 粒子熔化蒸发，进入辉光放电区并被电离。带正电荷 的

14、蒸发料离子，在阴极吸引下，随同氩离子一同冲向 工件，当抛镀于工件表面上的蒸发料离子超过溅失离 子的数量时，则逐渐堆积形成一层牢固粘附于工件表 面的镀层。这就是离子镀的简单作用过程。 制备方法简介 4 化学气相沉积 化学气相沉积是使含有薄膜元素的一种或几种化合物 （或单质）气体在一定温度下通过化学反应生成固 态物质并沉积在基片上而生成所需薄膜的方法。 这种方法的设备可以比较简单，沉积效率高，沉积薄 膜范围广，覆盖性好，适于形状比较复杂的基片， 膜较致密，附着力强，无粒子轰击等优点，因而很 多领域特别是半导体集成电路上得到广泛应用。 制备方法简介 化学气相沉积通常需要在较高的温度下进行，对于 一些

15、薄膜的制备就要受到限制，因而人们常在反应 室内采用一些物理手段来激活化学反应，例如采用 微波、等离子体、紫外线、激光灯，使反应能在较 低温度快速进行。 近年来利用金属有机化合物热分解制备薄膜的方法 受到很大重视，而且专门称为金属有机物化学气相 沉积（MOCVD）。其原料主要是金属烷基氧化物 ，用这种方法可以精确控制很薄的薄膜生长，适于 制备多层膜，并可进行外延生长。 制备方法简介 MOCVD法适用范围广，几乎可以制备所有的化合物及 合金半导体，其最大优势在于可以制备精确的异质 多层膜。其缺点是薄膜质量往往受到原材料纯度的 限制，另外，一些原料可自燃，有些还有毒，应该 注意 薄膜制备除了以上方法

16、，还有电镀，化学镀，氧化法 等等，较重要的还有溶胶凝胶法和LB法。 主要功能薄膜材料 1 半导体薄膜 薄膜材料中大部分是半导体薄膜，半导体薄膜具有很 广泛的作用，如集成电路，光导摄像管的光导电膜 ，场效应晶体管，高效太阳能电池，薄膜传感器乃 至通过掺杂得到半导体导电薄膜等 主要功能薄膜材料 1.1 半导体晶体薄膜 在蓝宝石等单晶绝缘基片上外延生长硅单晶薄膜构成 的半导体材料一般称为SOS，用这种结构的半导体 材料制作MOS集成电路与块状材料相比，其P-N结 面积小，因而减少了寄生电容和布线间的电容，利 于高速化，器件之间的间隔区域减少，利于高密度 化；器件之间没有相互作用，便于设计和布置。 SOS通常采用热分解SiH4气体的气相沉积法，在