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1、Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-1-薄膜材料与技术Thin Film Materials & Technologies武涛 副教授2019年 秋季学期Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-2-2 薄膜沉积的化学方法概 念：薄膜制备过程中，凡是需要在一定化学反应发生的前提下完成薄膜制备的 技术方法，统称为薄
2、膜沉积的化学方法。条 件：化学反应需要能量输入和诱发优、缺点：设备简单、成本较低、甚至无需真空环境即可进行； 化学制备、工艺控制复杂、有可能涉及高温环境。分 类：Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-3-2 薄膜沉积的化学方法2.1 热生长概 念：指在充气环境下，通过加热基片的方式 直接获得氧化物、氮化物或碳化物薄膜 的方法。 特 点：非常用技术 主要用于生长金属或半导体的氧化物薄膜设 备：通常在传统的氧化炉中进行。主要应用：制备SiO2薄膜（用于Si
3、器件制备）有用的薄膜性质：生长与沉积的区别：热生长设备及原理示意图Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-4-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD，Chemical Vapor Deposition）概 念：气态反应物在一定条件下，通过化学反应，将反应形成的固相产物沉积于基片表面， 形成固态薄膜的方法。 基本特征：由反应气体通过化学反应沉积实现薄膜制备！设备的基本构成： 气体输运 气相反应 去除副产品 （薄膜沉积） Thin Film Ma
4、terials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-5-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD，Chemical Vapor Deposition）化学反应的主控参数：主要应用场合：主要优势：1）能形成多种金属、非金属和化合物薄膜； 2）组分易于控制，易获得理想化学计量比，薄膜纯度高； 3）成膜速度快、工效高（沉积速率 PVD、单炉处理批量大）； 4）沉积温度高、薄膜致密、结晶完整、表面平滑、内部残余应力低； 5）沉积绕射性好，可在复杂不规则表面（深孔、大台阶）沉积；主要缺点：
5、1）沉积温度高，热影响显著，有时甚至具有破坏性； 2）存在基片-气氛、设备-气氛间反应，影响基片及设备性能及寿命； 3）设备复杂，工艺控制难度较大。Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-6-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型一、热解反应：薄膜由气体反应物的热分解产物沉积而成。1）反应气体：氢化物、羰基化合物、有机金属化合物等。2）典型反应： 硅烷沉积多晶Si和非晶Si薄膜： SiH4 (g) Si
6、(s) + 2H2 (g) 6501100 羰基金属化合物低温沉积稀有金属薄膜： Ni(CO)4 (g) Ni (s) + 4CO (g) 140240 Pt(CO)2Cl2 (g) Pt (s) + 2CO (g) + Cl2 (g) 600 有机金属化合物沉积高熔点陶瓷薄膜： 2Al(OC3H7)3 (g) Al2O3(s)+6C3H6(g)+3H2O(g) 420 异丙醇铝 Tm2050 丙烯 单氨络合物制备氮化物薄膜： AlCl3NH3 (g) AlN (s) + 3HCl (g) 800-1000Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科
7、学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-7-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型二、还原反应：薄膜由气体反应物的还原反应产物沉积而成。1）反应气体：热稳定性较好的卤化物、羟基化合物、卤氧化物等 + 还原性气体。2）典型反应： H2还原SiCl4外延制备单晶Si薄膜： SiCl4 (g) + 2H2 (g) Si (s) + 4HCl (g) 1200 六氟化物低温制备难熔金属W、Mo薄膜： WF6 (g) + 3H2 (g) W (s) + 6HF (g) 300 Tm3380Thin F
8、ilm Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-8-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型三、氧化反应：薄膜由气体氧化反应产物沉积而成。1）反应气体：氧化性气氛（如：O2）+ 其它化合物气体。2）典型反应： 制备SiO2薄膜的两种方法： SiH4 (g) + O2 (g) SiO2 (s) + 2H2 (g) 450 SiCl4 (g) + 2H2 (g) + O2 (g) SiO2 (s) + 4HCl (g) 1500T
9、hin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-9-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型四、置换反应：薄膜由置换反应生成的碳化物、氮化物、硼化物沉积而成。1）反应气体：卤化物 + 碳、氮、硼的氢化物气体。2）典型反应： 硅烷、甲烷置换反应制备碳化硅薄膜： SiCl4(g) + CH4(g) SiC(s) + 4HCl(g) 1400 二氯硅烷与氨气反应沉积氮化硅薄膜： 3SiCl2H2(g) + 4NH3(g)
10、Si3N4(s) + 6H2(g) + 6HCl(g) 750 四氯化钛、甲烷置换反应制备碳化钛薄膜：TiCl4(g) + CH4(g) TiC(s) + 4HCl(g)Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-10-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型五、歧化反应： 对具有多种气态化合物的气体，可在一定条件下促使一种化合物转变为 另一种更稳定的化合物，同时形成薄膜。1）反应气体：可发生歧化分解反应的化合
11、物气体。2）典型反应： 二碘化锗（GeI2）歧化分解沉积纯Ge薄膜：2GeI2(g) Ge(s) + GeI4(g) 300600Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-11-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.1 CVD的主要化学反应类型六、输运反应：把需要沉积的物质当作源物质（不具挥发性）， 借助于适当的气体介质与之反应而形成一种气态化合物， 这种气态化合物再被输运到与源区温度不同的沉积区， 并在基片上发生逆向反应，从而获得高
12、纯源物质薄膜的沉积。1）反应气体：固态源物质 + 卤族气体。2）典型反应： 锗（Ge）与碘（I2）的输运反应沉积高纯Ge薄膜： （类似于Ti的碘化精炼过程）：Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-12-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.2 CVD化学反应和沉积原理一、反应过程【以TiCl4(g)+CH4(g)TiC(s)+4HCl(g)为例说明】 各种气体反应物流动进入扩散层； 第步（甲烷分解）：CH4 C + H2 第步（T
13、i的还原）：H2+TiCl4 Ti + HCl 第步（游离Ti、C原子化合形成TiC）：Ti + C TiC二、CVD形成薄膜的一般过程：1）反应气体向基片表面扩散；2）反应物气体吸附到基片；3）反应物发生反应；4）反应产物表面析出、扩散、分离；5）反应产物向固相中扩散，形成固溶体、化合物。注意：1）反应应在扩散层内进行，否则会生成气相均质核，固相产物会以粉末形态析出；2）提高温度梯度和浓度梯度，可以提高新相的形核能力；3）随析出温度提高，析出固相的形态一般按照下图所示序列变化：Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理
14、工大学Xian University of Technology-13-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.3 CVD沉积装置一、概述：1）基本系统构成：2）最关键的物理量：Why？二者决定：薄膜沉积过程中的 进而决定获得的是 薄膜！Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-14-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.3 CVD沉积装置一、概述： 3）分类：Thin Film Materials & Techn
15、ologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-15-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.3 CVD沉积装置二、高温和低温CVD装置：1）选用原则：2）高温CVD的加热装置：一般可分为电阻加热、感应加热和红外辐射加热三类。 a 电阻加热 b 感应加热 c 红外加热典型的CVD加热装置示意图（课本 P147 图4.24）Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technolo
16、gy-16-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.3 CVD沉积装置二、高温和低温CVD装置：3）高温CVD装置：又可根据加热方式不同分为 两类。 a 热壁式（课本 P108 图4.1） b 冷壁式（课本 P146 图4.23） 反应室被整体加热 只加热样品台和基片（电加热 或 感应加热 常用）典型的高温CVD装置示意图Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-17-2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.3 CV
17、D沉积装置二、高温和低温CVD装置：4）中、低温CVD装置：利用 激活反应 具体沉积装置将结合PECVD、激光辅助CVD等后续内容详细介绍。？为什么需要引入低温CVD：器件引线用的Al材料与Si衬底在 T 450后会发生化学反应！ 为避免破坏半导体器件的结构和功能，要求 T 10）！低压CVD装置示意图（课本P148 图4.25）（P 1012 e/cm3） ECR装置实际上就是一个超高电荷密度的离子源， 其产生的等离子体具有极高的电荷密度和活性！ ECR PECVD的基本特点： 需要高真空环境：P = 10-110-3 Pa； 气体电离程度接近100%，比一般 PECVD 高 3个数量级以上
18、； ECR离子束既是沉积物活性基团，又带有很高的能量。 ECR PECVD的优势： ECR是方向、能量可控的离子源 对复杂形状样品覆盖性好！ 沉积离子都带有几个eV能量 改善表面扩散 薄膜致密、性能好！ 低气压低温沉积、沉积速率高、无电极污染。 应用：广泛用于沉积硅酸盐、半导体、光学/光伏材料薄膜。七、等离子体增强CVD（PECVD，Plasma Enhanced CVD）：2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.3 CVD沉积装置电子回旋共振 (ECR) PECVD装置（课本 P159 图4.32）Thin Film Materials & Technologies薄膜材
19、料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-30-6）关于 PECVD的小结： PECVD不能替代其它CVD方法； PECVD 沉积的薄膜质量优于传统CVD； PECVD 应用广泛，但成本可能很高； PECVD的主要优点在于： 低温沉积； 薄膜的内应力小、不易破损； 薄膜的介电性能好； 化学反应没有温度依赖性。课后作业：1、化学方法制备薄膜的主要特征是什么？基本分类如何？2、画出CVD的基本工作原理框图。3、举例说明CVD的六种主要化学反应类型。4、分析对比激光辅助CVD、光化学气相沉积和 PECVD的异同点。七、等离子体增强CV
20、D（PECVD，Plasma Enhanced CVD）：2 薄膜沉积的化学方法2.2 化学气相沉积（CVD）2.2.3 CVD沉积装置Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-31-2 薄膜沉积的化学方法2.3 电化学镀膜方法概念：电流通过在电解液中的流动而产生化学反应，在阳极或阴极上沉积薄膜的方法。具体地，即利用电解反应，在电解反应：指电流通过 电解液 或 熔盐 所引发的电化学反应。基础知识：法拉第电解定律：电流通过电解质溶液时，流经电极的电量 与 发
21、生电极反应的物质的量 成正比。(Faraday，1833) 即电极上析出或溶解物质的总量法拉第常数（F）：1 mol电子的电量被定义为法拉第常数（F）： F = NAqe = 6.021023 个/mol 1.602210-19 C/个 = 96,500 C/mol例如：要从含 Mn+ 离子的溶液里电化学沉积 1 mol 金属M，需要通过 n mol个电子：Mn+ + ne M 所以：由含Ag+ 的电解液中析出 1 mol Ag，需要 96,500 库仑的电量，即26.8 Ahrs， 而将 1 mol 的二价Cu2+离子在阴极上还原成Cu，则需要193,000 C的电量（n F）因此：法拉第定
22、律反映电解过程中的电荷迁移总量与物质反应总量间的定量对应关系。电化学沉积薄膜的规律：沉积物质通量满足：j 电流密度； m 沉积物质量；t 沉积时间； A 薄膜面积；M 沉积物的分子量； t 沉积时间； 效率因子 ( 1) Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-32-2 薄膜沉积的化学方法一、概念：在含有被镀金属离子的溶液或熔盐中通直流电，使阳离子在阴极表面放电， 从而在作为阴极的基片表面还原出金属，获得金属或合金薄膜的沉积。二、沉积装置：1）整个系统由
23、电源、电解液、阳极和阴极构成；2）电流通过时，待沉积物沉积在阴极形成薄膜；3）待沉积物在电解液中以阳离子形式存在；4）电解液主要是离子化合物的水溶液。三、镀膜原理：阴极表面存在电场很强的双电层区 (厚约30 nm)，阳离子在该电场作用下相继发生下列过程： 脱H 放电 (中和) 表面扩散 成核 结晶最终在阴极表面形成金属或合金薄膜的沉积。四、特点：1、薄膜生长速度快；2、基片无形状限制；3、过程难控制；4、残液环境危害大；5、只能在导电基板上沉积金属 (合金)薄膜。五、主要应用：电镀硬Cr、电镀半导体薄膜（MoSe2等）。2.3 电化学镀膜方法2.3.1 电镀电镀（银）装置的示意图电子电子阳离子
24、阳离子电解液电解液阳极（溶解）阳极（溶解）AnodeAnode阴极（沉积）阴极（沉积）CathodeCathode直流电源直流电源Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-33-二、镀膜原理：1）阳极为目标金属，阴极一般采用石墨电极；2）薄膜生长为动态平衡过程，既有金属氧化物 的形成，也有阳极金属及其氧化物的溶解；3）总反应式为：2Al + 3H2O Al2O3 + 3H2 实际上由 4 个子反应构成： 阳极金属溶解：2Al 2Al3+ + 6e- 地点：
25、阳极-电解液界面（后期为孔道底部） Al3+ 在强电场作用下迁移并形成氧化物： 2Al3+ + 3H2O Al2O3 + 6H+ 地点：氧化物-电解液界面 氧化物中的O2- 在强电场作用下迁移至金属-氧化物界面， 并使金属氧化： 2Al + 3O2- Al2O3 + 6e- 反应生成的H+ 在电解液中迁移至电解液-阴极界面，与电子发生析氢反应： 6H+ + 6e- 3H2 2 薄膜沉积的化学方法一、概念：在适当的电解液中，采用Al、Mg、Si、Ta、Ti、Nb等金属或合金基片作为阳极， 并赋予一定的直流电压，由于电化学反应在阳极表面形成金属氧化物薄膜的方法。2.3 电化学镀膜方法2.3.2 阳
26、极氧化阳极氧化生长薄膜的电化学原理示意图（强电场是荷电粒子迁移的驱动力）Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-34-三、主要特点：1）电镀的逆过程，主要电极反应为氧化反应； 电镀：阴极还原反应，不消耗阴极，沉积出金属/合金薄膜； 阳极氧化：阳极氧化反应，消耗阳极，生长出阳极金属氧化产物薄膜。2）可沉积Al、Mg、Ta、Ti、Si、Nb等多种金属、半金属的氧化物、 硫化物、磷化物薄膜。3）生长初期主要为氧化物膜的生成 + 金属的溶解； 生长后期（氧化物膜
27、完全覆盖表面后）氧化反应靠金属离子在 电场作用下在氧化物薄膜内的迁移维持，物质扩散驱动力来自 外加电场势能。4）可生长的薄膜厚度存在极限，并取决于极间电压Vj： Dmax = kVj （k 材料常数）5）工艺设备简单、易于实现，易着色获得色泽非常美观的硬化抗蚀薄膜，在轻合金表面处理领域 应用极为广泛！四、主要应用： 各类铝合金、钛合金的表面钝化、美化、硬化处理！2 薄膜沉积的化学方法2.3 电化学镀膜方法2.3.2 阳极氧化铝阳极氧化样品示例Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University
28、of Technology-35-一、概念：在无电流通过（无外界动力）时借助还原剂在金属盐溶液中使目标金属离子还原， 并沉积在基片表面上形成金属/合金薄膜的方法。二、与电化学方法的本质区别：电 镀：反应驱动力来自外加电场赋予的能量； 化学镀：反应驱动力来自溶液体系自身的化学势！三、广义分类：注意：1）工程上化学镀一般指第一类狭义化学镀（自催化化学镀）； 2）在其镀膜过程中，Ni、Co、Fe、Cu、Cr等沉积金属本身对还原反应有催化作用，可使镀覆反应得以 持续进行，直至镀件脱离溶液后还原反应才自行停止。四、化学镀的实例：1）最简单的化学镀： 铝板助焊层的形成：铝板表面易氧化形成氧化膜而难以挂上焊
29、锡（焊接性能差），怎么解决？ 铝板酸洗后浸入CuSO4溶液，化学镀Cu形成助焊层：AlCuSO4 CuAl2(SO4)32 薄膜沉积的化学方法2.4 溶液化学镀膜方法2.4.1 化学镀Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-36- 传统镀银制镜： 4AgNO39HCHO (甲醛) 9CO2+ 4NH3 + 4Ag3H2O2）最常用的化学镀 化学镀镍（镍磷镀）： 镀膜原料：镍盐溶液（NiSO4、NiCl2） + 次磷酸盐（NaH2PO2、KH2PO2） 强
30、还原剂 沉积原理：次磷酸盐（强还原剂）使Ni2+还原成Ni金属，同时次磷酸盐分解析出P，获得NiP合金薄膜沉积 基本反应： 表面催化： H2PO2- + H2O HPO32- + H+ + 2H* Ni的还原：Ni2+ + 2H* Ni + 2H+ 析出氢气： 2H* H2 分解析P： H2PO2- + H* H2O + OH- + P ！镀层中总是含 P，所以也称镍磷镀 主要优、缺点： NiP镀层分类及特点：2 薄膜沉积的化学方法2.4 溶液化学镀膜方法2.4.1 化学镀 镀层均匀平整； 工件大小、膜厚无限制； 设备简单、成本低、易实现自动化； 易于获得不同的表面光洁度； 镀液消耗快、废液处
31、理成本高。 无需电源、加热和复杂工装； 镀层孔隙率较低； 可在盲孔等复杂表面均匀镀膜； 可直接在非导体上镀膜； 镀液寿命有限；Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-37-一、概念： 将III、V、VI族金属/半金属元素的有机化合物 和无机盐 (氯化物、硝酸盐、乙酸盐) 溶于有机溶剂 (乙酸、丙酮等) 中获得溶胶镀液，采用浸渍或离心甩胶等方法涂覆于基片表面，因溶胶水解而获得胶体膜，之后再进行干燥脱水处理获得氧化物等固体薄膜的方法。二、典型实例 (制备Ti
32、O2光催化功能薄膜)： 水解：Ti(OC2H5)(钛酸乙酯) + 4H2O H4TiO4 + 4C2H5OH(乙醇) 脱水：三、对薄膜材料的要求：1、有机极性溶体溶解度范围要宽，因此一般不用水溶液；2、有少量水参与时应容易发生水解；3、水解形成的薄膜应不溶解，生成的挥发物易于去除；4、水解形成的氧化物应易于低温充分脱水；5、薄膜与基片有良好的附着力。2 薄膜沉积的化学方法2.4 溶液化学镀膜方法2.4.2 溶胶-凝胶技术Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technolo
33、gy-38-四、优点：1、薄膜组分均匀、成分易控制； 2、成膜平整、可制备较大面积的薄膜；3、成本低、周期短、易于实现工业化生产。五、应用：广泛用于制备各种功能薄膜，如：TiO2、BTO、 LNO、 PZT等课后作业：1、图示说明阳极氧化生长薄膜的基本步骤，分析为什么阳极氧化需要高的极间电压且薄膜生长厚度存在极限。2、化学镀镍为什么又被成为NiP镀？根据含P量高低可分为哪三类，各自性能如何？总体而言NiP镀有哪些优点和不足？3、什么是溶胶-凝胶技术？有哪些技术要求？2 薄膜沉积的化学方法2.4 溶液化学镀膜方法2.4.2 溶胶-凝胶技术 光催化 BaTiO3 LiNbO3 PbZrxTi1-xO3 铁电 铁/压电 压电
