薄膜物理第二章

引言-薄膜沉积的物理方法简介PVD的概念：在真空度较高的环境下，通过加热或高能粒子轰击的方法使源材料逸出沉积物质粒子（可以是原子、分子或离子），这些粒子在基片上沉积形成薄膜的技术。其技术关键在于：如何将源材料转变为气相粒子（而非CVD的化学反应）！PVD的三个关键过程：PVD的工程分类： 基于气相粒子发射方式不同而分！（凝结、形核、长大）气相粒子在基片上成膜沉积激发粒子输运到基片输运相原子、分子、离子）从源材料发射粒子（气产生气相物质的、气相外延沉积和离子束辅助沉积、离子镀、离子束沉积、溅射沉积技术、真空蒸发沉积技术4321一、概念：在真空环境下，以各种加热方式赋予待蒸发源材料以热量，使源材料物质获得所需的蒸汽压而实现蒸发，所发射的气相蒸发物质在具有适当温度的基片上不断沉积而形成薄膜的沉积技术。二、两个关键：u真空度：P 10-3 Pa （保证蒸发，粒子具分子流特征，以直线运动）如果真空室压力过高，会出现什么情况？a)气化原子或分子在飞行过程中被空气分子频繁碰撞，难以形成均 匀的薄膜b)污染薄膜（轰击基片并吸附）c)蒸发源被氧化；蒸发原子或分子被氧化v基片距离 (相对于蒸发源)：1050 cm（兼顾沉积均匀性和气相粒子平 均自由程） 使得蒸发分子几乎不发生碰撞就到达衬底表面。2 真空蒸发沉积2.1 真空蒸发沉积的概念及物理学基础2、怎样实现蒸发条件？u 升温 ： T Pev 真空： 系统总压 P 目标物质分压Ph 也随之 充入其它气体： P = Ph 总压不变、目标物质分压 Ph 三、蒸发条件：RTHeeeaPT /Pe /Torr2 真空蒸发沉积2 真空蒸发沉积 根据物质的蒸发特性，根据物质的蒸发特性，物质的蒸发模式可被划分物质的蒸发模式可被划分为两种类型：为两种类型： 1 1、将物质加热到其熔点以上（、将物质加热到其熔点以上（固固- -液液- -气气） 例如：多数金属例如：多数金属 2 2、利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。、利用由固态物质的升华，实现物质的气相沉积。 （固固- -气气） 例如：例如：CrCr，TiTi，MoMo，FeFe，SiSi等等 T 0.1 Pa) 升华四.元素的蒸发2 真空蒸发沉积六.化合物及合金的蒸发化合物的蒸发化合物的蒸发1.1.化合物蒸发中存在的问题：化合物蒸发中存在的问题：蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分；蒸发出来的蒸气可能具有完全不同于其固态或液态的成分；（蒸气组分变化蒸气组分变化）在气相状态下，还可能发生化合物各组元间的化合与分解在气相状态下，还可能发生化合物各组元间的化合与分解过程。过程。后果是后果是沉积后的薄膜成分可能偏离化合物正确的化沉积后的薄膜成分可能偏离化合物正确的化学组成学组成。2.2.化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学变化化合物蒸发过程中可能发生的各种物理化学变化 2 真空蒸发沉积六.化合物及合金的蒸发合金的蒸发合金的蒸发1.1.合金蒸发与化合物蒸发的区别与联系合金蒸发与化合物蒸发的区别与联系 联系：联系：也会发生成分偏差。也会发生成分偏差。 区别：区别：合金中原子间的结合力小于在化合物中合金中原子间的结合力小于在化合物中不同原子间的结合力，因而不同原子间的结合力，因而合金中各元素原子的蒸合金中各元素原子的蒸发过程实际上可以被看做是各自相互独立的过程发过程实际上可以被看做是各自相互独立的过程，就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。就像它们在纯元素蒸发时的情况一样。2 真空蒸发沉积七.阴影效应阴影效应定义：定义：当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物的时候，物当蒸发源与衬底之间存在某种障碍物的时候，物质的沉积将会产生质的沉积将会产生阴影效应阴影效应，即蒸发出来的物质将被障，即蒸发出来的物质将被障碍物阻挡而不能沉积在衬底上。碍物阻挡而不能沉积在衬底上。缺点：缺点：阴影效应可能阴影效应可能破坏薄膜沉积的均匀性破坏薄膜沉积的均匀性；1.薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，薄膜的沉积将会受到蒸发源方向性的限制，造成造成有些部位没有物质沉积有些部位没有物质沉积。优点：优点：可以在蒸发沉积的时候，有目的地使用一些特定可以在蒸发沉积的时候，有目的地使用一些特定形状的形状的掩膜掩膜(Mask)(Mask)，从而实现薄膜的选择性沉，从而实现薄膜的选择性沉积积。2 真空蒸发沉积2.2 蒸发沉积薄膜的纯度蒸发沉积薄膜的纯度 1 1、影响薄膜纯度的因素：、影响薄膜纯度的因素： 1 1）蒸发源的纯度；）蒸发源的纯度； （使用高纯物质作为蒸发源）（使用高纯物质作为蒸发源） 2 2）加热装置、坩埚可能造成的污染；）加热装置、坩埚可能造成的污染； （改善实验装置）（改善实验装置） 3 3）真空系统中的残留气体。）真空系统中的残留气体。 （改善真空条件（改善真空条件 ） 2AgAMcNsRpMT结论：结论： 同一沉积速率，真空度越高，杂质含量越低；同一沉积速率，真空度越高，杂质含量越低；1. 同一真空度，沉积速率越大，杂质含量越低。同一真空度，沉积速率越大，杂质含量越低。残余气体对蒸发薄膜的污染残余气体对蒸发薄膜的污染 3.3.制备高纯的薄膜材料要求：制备高纯的薄膜材料要求： 1 1）改善沉积的真空条件）改善沉积的真空条件 2 2）提高物质的蒸发以及薄膜的沉积速度）提高物质的蒸发以及薄膜的沉积速度一、概述：1、基本系统构成： 2、蒸发源(蒸发加热装置)的作用：2 薄膜沉积的物理方法2.3 蒸发沉积装置基片架及基片加热装置蒸发源或蒸发加热装置真空室 极小（尽量不蒸发）支承待蒸发材料容器）提供热量（热源要求eceiPPT3、蒸发设备及方法的主要分类：2 薄膜沉积的物理方法2.3 蒸发沉积装置蒸发装置蒸发装置 蒸发材料的加热方法蒸发材料的加热方法一、电阻式蒸发装置: 电阻热二、电子束蒸发装置： 电子束轰击三、电弧蒸发装置： 电弧四、激光蒸发装置： 激光二、电阻加热蒸发： 将待蒸发材料放置在电阻加热装置中，利用电阻热加热待沉积材料提供蒸发热使待蒸发材料气化的蒸发沉积技术。1、支撑加热材料、支撑加热材料 ：对电阻材料的要求对电阻材料的要求u高熔点且在高温下具有较低的蒸气压v不与被蒸发物质发生化学反应无放气现象和其他污染具有合适的电阻率可做成丝、箔片、筐、碗等形状，常采用金属W、Mo等高Tm、低Pe 材料。2.3 蒸发沉积装置支撑加热材料 (蒸发舟)电阻加热蒸发沉积装置二、电阻加热蒸发：2、应用：、应用：是制备单质金属、氧化物、介电材料和半导体化合物薄膜最常用的蒸发方法。3、存在的主要问题：、存在的主要问题：u支撑材料与蒸发物之间可能会发生反应；造成污染v 一般工作温度在15001900 ，难以实现更高蒸发温 度，所以可蒸发材料受到限制；蒸发率低； 加热速度不高，蒸发时待蒸发材料如为合金或化合 物，则有可能分解或蒸发速率不同，造成薄膜成分偏 离蒸发物材料成分。2.3 蒸发沉积装置三、电子束蒸发：采用电场 (510 kV) 加速获得高能电子束，在磁场作用下聚焦到蒸发源材料表面，实现对源材料的轰击，电子的动能转换为源材料的热能，从而使材料气化蒸发。1、初衷： 为克服电阻加热蒸发的缺点而引入：2、应用场合：适用于高纯度、高熔点、易污染薄膜材 料的沉积。料受限蒸发温度低：可蒸发材低能量不集中：蒸发速率坩锅反应整体式加热：蒸发物2.3 蒸发沉积装置三、电子束蒸发：4、优、缺点：优点：u 加热温度高，可蒸发任何材料；v 可避免来自坩锅、加热体和支撑部件的污染；缺点：u 电子束的绝大部分能量会被坩锅的水冷系统带走，热 效率较低；v 过高的加热功率会对薄膜沉积系统造成强烈的热辐射； 电子枪系统复杂，设备昂贵。2.3 蒸发沉积装置四、电弧放电加热蒸发：四、电弧放电加热蒸发：1.原理： 将欲蒸发的材料制成放电电将欲蒸发的材料制成放电电极，在薄膜沉积时，依靠调极，在薄膜沉积时，依靠调节真空室内电极间距的方法节真空室内电极间距的方法来点燃电弧，而瞬间的高温来点燃电弧，而瞬间的高温电弧将使电极端部产生蒸发电弧将使电极端部产生蒸发从而实现薄膜的沉积。从而实现薄膜的沉积。2.方法： u 直流加热法直流加热法 v 交流加热法交流加热法电弧加热蒸发装置示意图2.3 蒸发沉积装置3、主要优点： u与电子束蒸发类似，可避免加热体/坩锅材料蒸发污染薄膜； v加热温度高，可沉积难熔金属和石墨 (蒸发源即电极，须导 电)； 设备远比电子束蒸发简单，成本较低。4、主要问题： 电弧放电会产生 m大小的颗粒飞溅，影响薄膜的均匀性和质 量。5、主要应用：沉积高熔点难熔金属及其化合物薄膜、碳材料薄膜. 四、电弧放电加热蒸发2.3 蒸发沉积装置五、激光蒸发五、激光蒸发(Laser Evaporation)装置装置脉冲激光沉积: Pulsed Laser Deposition，PLD.也被称为脉冲激光烧蚀:pulsed laser ablation，PLA. 激光沉积法激光沉积法: : 将脉冲激光器产生的高功率脉冲激光聚焦于靶表面，使其表面产生高温及烧蚀，并进一步产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀，在衬底上沉积成膜2.3 蒸发沉积装置五、激光沉积法2.定义：五、激光沉积法3.装置示意图：u工作室组成： 2个工作室，可在两个工作室间进行靶材、样品、基片的交换。 小工作室： little chamber 主工作室： main chamberv沉积室真空度：10-6 Pa真空组成： 真空泵：机械泵+涡轮分子泵+涡轮分子泵 真空计：复合真空计（2个）靶材操纵器（Target Manipulator: TM） 作用：a)控制靶材的位置，使激光束聚焦在靶材的中央 b)控制靶材的转动，使靶材表面被均匀的照射到，使激 光照射后的靶材表面保持相对的平整 c)可同时放入多个靶材（3个），实现multilayer的沉积五、激光沉积法3.装置示意图：基片操纵器（substrate manipulator, SM） 作用：a)控制基片的位置，使基片正对着靶材；同时 可调节target-substrate distance b)控制基片的转动，改善薄膜的均匀性 c)基片加热 d)可同时放入多个基片（2个）实验中可调控的参数： 激光参数：wavelength (248 nm), pulse duration (20 ns), repetition rate (often used: 1-100 Hz), Laser fluence (mJ/cm2) target-substrate distance 基片温度 通入气体：Ar， N2，O2，等 u 激光是清洁的，使来自热源的污染减少到最低； v 激光光束只对待蒸镀材料的表面施加热量，可减少来自坩埚等支撑物的污染； 材料的蒸发速率高，蒸发过程容易控制，使得高熔点的材料也可以以较高的沉积速率被蒸发； 聚焦可获得高功率，可沉积陶瓷等高熔点材料以及复杂成分材料（瞬间蒸发）； 脉冲激光刻产生高功率的脉冲，实现靶材的某一小区域的瞬间蒸发，因此对化合物组元蒸发具有很大优势，在蒸发时不会发生组分的偏离现象，能够保持源材料的纯度。五、激光沉积法5. PLD的优点：要求：要求： 昂贵的准分子激光器，需要采用特殊的窗口材料将激光束引入真空室中，并要使用透凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发的材料上。针对不同波长的激光束，需要选用具有不同光谱透过特性的窗口和透镜材料。典型应用：典型应用： 氧化物超导薄膜（氧化物超导薄膜（YBCO）、氧化物铁电）、氧化物铁电介电薄膜、铁氧体薄膜等。介电薄膜、铁氧体薄膜等。缺点：缺点： u薄膜存在表面颗粒问题 v很难进行大面积薄膜的均匀沉积五、激光沉积法5. PLD的缺点：6. 颗粒物的抑制方法颗粒物的抑制方法颗粒物是限制PLD技术获得广泛应用的主要因素之一解决途径：争取从源头上减少液滴的产生或在传输过程中减少液滴到衬底的沉积抑制或减少液滴产生的机械方法与技术机械方法与技术： 1）采用高致密度的靶材采用高致密度的靶材 2）采取机械屏蔽技术采取机械屏蔽技术：靶材衬底之间加速率筛 加偏转电场或磁场 3）其他技术其他技术：双光束激光沉积技术 交叉束沉积技术 4) 使用超快脉冲使用超快脉冲(ps或或fs)激光器：低能量、高脉冲，抑激光器：低能量、高脉冲，抑 制大颗粒制大颗粒五、激光沉积法1.1.何谓分子束外延何谓分子束外延超高真空条件下各组分材料及掺杂物分别加热按一定比例分子束喷射在基片上外延生长单晶薄膜六、分子束外延（MBE）六、分子束外延（MBE）六、分子束外延（MBE）2. 分子束外延设备主要组成部分分子束外延设备主要组成部分（1）超高真空样品室（2）多个分子束喷设炉，计算机精确控温（3）快门（可实现束流的快速切换从而达到外延 层厚度、组分、掺杂的精确控制）（4）各种先进的监控器 质谱仪（残余气体及分子束成分，密度，膜厚） 电子衍射仪（晶体结构） 俄歇电子谱仪（表面污染情况，生长层组分分析）六、分子束外延（MBE）3. 特点（1）超高真空环境淀积，大大减少残余气体污染（2）多个分子束源炉：可得多元混晶、合金、 化合物及进行掺杂（3）喷射炉附近液氮冷却： 避免蒸发原子散射、反射相互污染， 避免对基片的热辐射 冻住残余气体（4）蒸发速率低：可进行单原子层生长，生长超薄 而平整膜（5）衬底温度较低：降低界面处热膨胀引起的晶格 失配（6）膜厚、成分、晶体质量实时监控六、分子束外延（MBE）4.4.缺点：缺点： 外延生长时间长 运行费较高5.5.应用：应用： 微波器件 光电器件 多层周期结构器件 单分子层薄膜 超晶格结构六、分子束外延（MBE）