功能金屬材料第六章功能薄膜材料課件

第六章金屬薄膜材料薄膜材料的制備方法簡(jiǎn)介金屬薄膜材料的形成及結(jié)構(gòu)主要薄膜功能金屬材料第一節(jié)薄膜材料制備方法簡(jiǎn)介功能薄膜材料1、物理氣相沉積（PVD）采用物理方法使物質(zhì)的原子或分子逸出，然后沉積在基片上形成薄膜的工藝根據(jù)使物質(zhì)的逸出方法不同，可分為蒸鍍、濺射和離子鍍（1）真空蒸鍍把待鍍的基片置于真空室內(nèi)，通過(guò)加熱使蒸發(fā)材料氣化（或升華）而沉積到某一溫度基片的表面上，從而形成一層薄膜，這一工藝稱(chēng)為真空蒸鍍法蒸發(fā)源可分為：電阻加熱、電子束加熱和激光加熱等離子束濺射功能薄膜材料它由離子源、離子引出極和沉積室3大部分組成，在高真空或超高真空中濺射鍍膜法。利用直流或高頻電場(chǎng)使惰性氣體（通常為氬）發(fā)生電離，產(chǎn)生輝光放電等離子體，電離產(chǎn)生的正離子和電子高速轟擊靶材，使靶材上的原子或分子濺射出來(lái)，然后沉積到基板上形成薄膜。第一節(jié)薄膜材料制備方法簡(jiǎn)介圖6.1離子束濺射工作原理圖功能薄膜材料磁控濺射第一節(jié)薄膜材料制備方法簡(jiǎn)介圖6.2磁控濺射SiO2裝置圖在被濺射的靶極（陽(yáng)極）與陰極之間加一個(gè)正交磁場(chǎng)和電場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向相互垂直。當(dāng)鍍膜室真空抽到設(shè)定值時(shí)，充入適量的氬氣，在陰極(柱狀靶或平面靶)和陽(yáng)極(鍍膜室壁)之間施加幾百伏電壓，便在鍍膜室內(nèi)產(chǎn)生磁控型異常輝光放電，氬氣被電離。在正交的電磁場(chǎng)的作用下，電子以擺線(xiàn)的方式沿著靶表面前進(jìn)，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在一定空間內(nèi)，增加了同工作氣體分子的碰撞幾率，提高了電子的電離效率。電子經(jīng)過(guò)多次碰撞后，喪失了能量成為“最終電子”進(jìn)入弱電場(chǎng)區(qū)，最后到達(dá)陽(yáng)極時(shí)已經(jīng)是低能電子，不再會(huì)使基片過(guò)熱。同時(shí)高密度等離子體被束縛在靶面附近，又不與基片接觸，將靶材表面原子濺射出來(lái)沉積在工件表面上形成薄膜。而基片又可免受等離子體的轟擊，因而基片溫度又可降低。更換不同材質(zhì)的靶和控制不同的濺射時(shí)間，便可以獲得不同材質(zhì)和不同厚度的薄膜。

功能薄膜材料第一節(jié)薄膜材料制備方法簡(jiǎn)介功能薄膜材料2、化學(xué)氣相沉積（CVD）化學(xué)氣相沉積是使含有構(gòu)成薄膜元素的一種或幾種化合物（或單質(zhì)）氣體在一定溫度下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)物質(zhì)并沉積在基片上而生成所需薄膜的方法。特點(diǎn)：設(shè)備可以比較簡(jiǎn)單，沉積速率高，沉積薄膜范圍廣，覆蓋性好，適于形狀比較復(fù)雜的基片，膜較致密，無(wú)離子轟擊等優(yōu)點(diǎn)。特別是在半導(dǎo)體集成電路上得到廣泛應(yīng)用常用的氣態(tài)物質(zhì)有各種鹵化物、氫化物及金屬有機(jī)化合物等，化學(xué)反應(yīng)種類(lèi)很多，如熱解、還原、與水反應(yīng)、與氨反應(yīng)等第一節(jié)薄膜材料制備方法簡(jiǎn)介功能薄膜材料金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）原料主要是金屬（非金屬）烷基化合物。優(yōu)點(diǎn)是可以精確控制很薄的薄膜生長(zhǎng)，適于制備多層膜，并可進(jìn)行外延生長(zhǎng)。第一節(jié)薄膜材料制備方法簡(jiǎn)介第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)功能薄膜材料一、薄膜的形成過(guò)程A生成三維的核型原子在基片上先凝聚，然后生成核，進(jìn)一步再將蒸發(fā)原子凝聚起來(lái)生成三維的核。通常大部分金屬薄膜都是以這樣的一個(gè)過(guò)程形成的。B單層生長(zhǎng)型是基片和薄膜原子之間，以及薄膜原子之間相互作用很強(qiáng)時(shí)容易出現(xiàn)的形式。它是先形成兩維的層，然后再一層一層地逐漸形成金屬薄膜。功能薄膜材料薄膜的形成過(guò)程大致都可分為4個(gè)階段，圖（a）在最初階段，外來(lái)原子在基底表面相遇結(jié)合在一起成為原子團(tuán)，只有當(dāng)原子團(tuán)達(dá)到一定數(shù)量形成“核”后，才能不斷吸收新加入的原子而穩(wěn)定地長(zhǎng)大形成“島”；圖（b）隨著外來(lái)原子的增加，島不斷長(zhǎng)大，進(jìn)一步發(fā)生島的接合；圖（c）很多島接合起來(lái)形成通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；圖（d）后續(xù)的原子將填補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)通道間的空洞，成為連續(xù)薄膜第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)圖6.4薄膜形成與生長(zhǎng)的物理過(guò)程功能薄膜材料決定金屬薄膜材料的兩個(gè)重要因素：（1）蒸發(fā)時(shí)的基片溫度一般來(lái)說(shuō)，基片溫度越高，則吸附原子的動(dòng)能也越大，跨越表面勢(shì)壘的幾率增多，則需要形成核的臨界尺寸增大，越易引起薄膜內(nèi)部的凝聚，每個(gè)小島的形狀就越接近球形，容易結(jié)晶化，高溫沉積的薄膜易形成粗大的島狀組織。而在低溫時(shí)，形成核的數(shù)目增加，這將有利于形成晶粒小而連續(xù)的薄膜組織，而且還增強(qiáng)了薄膜的附著力

（2）蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率越快，島狀密度越大，第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)功能薄膜材料二、金屬薄膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、二維材料的特點(diǎn)與一般常用的三維塊體材料相比，在性能和結(jié)構(gòu)上具有很多特點(diǎn)。最大的特點(diǎn)是功能膜的某些性能可以在制備時(shí)通過(guò)特殊的薄膜制備方法實(shí)現(xiàn)。作為二維材料，薄膜材料最主要是特點(diǎn)是所謂尺寸特點(diǎn),利用這個(gè)特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)把各種元器件的微型化、集成化。

由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相對(duì)比例子較大，表面所表現(xiàn)的有關(guān)性質(zhì)極為突出，存在一系列與表面界面有關(guān)的物理效應(yīng)：第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)功能薄膜材料第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)(4)在表面，原子周期性中斷，產(chǎn)生的表面能級(jí)、表面態(tài)數(shù)目與表面原子數(shù)有同一量級(jí)，對(duì)于半導(dǎo)體等載流子少的物質(zhì)將產(chǎn)生較大影響；(5)表面磁性原子的近鄰原子數(shù)減少，引起表面原子磁矩增大；(6)薄膜材料各向異性等等。功能薄膜材料2、薄膜制備過(guò)程決定的特點(diǎn)（1）非平衡態(tài)相結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法多數(shù)為非平衡狀態(tài)的制取過(guò)程，在薄膜形成過(guò)程中，基片溫度一般不很高，擴(kuò)散較慢，因而制成的薄膜常常是非平衡相的結(jié)構(gòu)。（2）膜常常是非化學(xué)計(jì)量比成分在蒸鍍法中，各種元素的蒸氣壓不同，濺射過(guò)程中各元素濺射速率不同，所以一般較難精確控制薄膜的成分，制成的膜往往是非化學(xué)計(jì)量比的成分。

（3）薄膜內(nèi)存在大量的缺陷第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)功能薄膜材料第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)（4）沉積冷卻過(guò)程中常會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力由沉積生長(zhǎng)過(guò)程所決定，薄膜內(nèi)一般存在大量的缺陷，如位錯(cuò)、空位等，其密度常與大變形冷加工的金屬中的缺陷密度相當(dāng)，基片的溫度越低，沉積的薄膜中缺陷密度越大，其中用離子鍍和濺射方法制備的薄膜缺陷密度最大。另外，在薄膜沉積過(guò)程中的工作氣體也常常混入薄膜。很多薄膜材料都不宜進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚匀毕莶灰紫?。這些缺陷對(duì)材料的電學(xué)、磁學(xué)等很多性能都有影響，薄膜材料一般都沉積在不同材料的基片，由于熱膨脹系數(shù)不同，沉積后冷卻過(guò)程中常會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力的存在對(duì)很多性能都有影響。功能薄膜材料第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)（1）薄膜材料在制備過(guò)程中可以在很大范圍內(nèi)將幾種材料摻雜在一起得到均勻膜，而無(wú)需考慮是否會(huì)形成均勻相，這樣就能較自由地改變薄膜的性能。（2）可以根據(jù)需要得到單晶、多晶及至非晶的各種結(jié)構(gòu)薄膜。沉積的薄膜常為垂直于表面的柱狀晶，基片溫度越低，晶粒越細(xì)小。如果基片溫度足夠低，很多材料都可得到非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，另一方面通過(guò)選擇適當(dāng)基片并控制沉積速率、基片溫度等因素可以制備出單晶薄膜，即所謂外延生長(zhǎng)。功能薄膜材料（3）可以容易地將不同材料結(jié)合在一起制成多層結(jié)構(gòu)的薄膜薄膜材料一般都是用幾層不同功能的膜組合在一起構(gòu)成器件，如薄膜太陽(yáng)能電池、多層防反射膜等，或利用層間的界面效應(yīng)，如制作光導(dǎo)材料、薄膜激光器等。但通常所謂多層膜是特指人為制作的具有周期性結(jié)構(gòu)的薄膜材料。（4）通過(guò)沉積速率的控制可以容易得到成分不均勻分布的薄膜第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)第三節(jié)、主要薄膜功能金屬材料功能薄膜材料1、電學(xué)薄膜半導(dǎo)體集成電路和混合集成電路（1）集成電路（IC）中的布線(xiàn)（2）透明導(dǎo)電膜集成電路中