第八章薄膜材料的制备ppt课件.ppt

第八章 薄膜材料的制备,主要内容：,薄膜材料基础薄膜的形成机理物理气相沉积化学气相沉积化学溶液镀膜法液相外延制膜法膜厚的测量与监控,1 薄膜材料基础,1. 薄膜材料的概念,采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。,简而言之，薄膜是由离子、原子或分子的沉积过程形成的二维材料。,2. 薄膜分类,（1）物态,（2）结晶态：,（3）化学角度,（4）组成,（5）物性,厚度，决定薄膜性能、质量通常，膜厚 数十um， 一般在1um 以下。,薄膜的一个重要参数,薄膜材料与器件结合，成为电子、信息、传感器、光学、太阳能等技术的核心基础。,3. 薄膜应用,薄膜材料及相关薄膜器件兴起于20世纪60年代。是新理论、高技术高度结晶的产物。,主要的薄膜产品,光学薄膜、集成电路、太阳能电池、液晶显示膜、光盘、磁盘、刀具硬化膜、建筑镀膜制品、塑料金属化制品,薄膜是现代信息技术的核心要素之一,4.薄膜的制备方法,代表性的制备方法按物理、化学角度来分，有：,物理成膜 PVD化学成膜 CVD,薄膜材料基础薄膜的形成机理物理气相沉积化学气相沉积化学溶液镀膜法液相外延制膜法膜厚的测量与监控,2 薄膜的形成机理,薄膜材料在现代科学技术中应用十分广泛,制膜技术的发展也十分迅速。制膜方法分为物理和化学方法两大类；具体方式上分为干式、湿式和喷涂三种，而每种方式又可分成多种方法。,薄膜的生长过程分为以下三种类型： (1) 核生长型（Volmer Veber型） (2) 层生长型（Frank-Vanber Merwe型） (3) 层核生长型（Straski Krastanov型）,(1) 核生长型（Volmer Veber型） 特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配（非共格）时出现，大部分的薄膜的形成过程属于这种类型。,核生长型薄膜生长的四个阶段： a. 成核：在此期间形成许多小的晶核，按同济规律分布在基片表面上； b. 晶核长大并形成较大的岛：这些岛常具有小晶体 的形状； c. 岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络 d. 沟道被填充：在薄膜的生长过程中，当晶核一旦形成并达到一定尺寸之后，另外再撞击的离子不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成薄膜。,(2) 层生长型（Frank-Vanber Merwe型） 特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层。 一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积原子相互之间键能的情况下（共格）发生这种生长方式的生长。 以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜，并且和衬底有确定的取向关系。例如在Au衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。,(3) 层核生长型（Straski Krastanov型） 特点：生长机制介于核生长型和层生长型的中间状态。当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下（准共格）多发生这种生长方式的生长。 在半导体表面形成金属膜时常呈现这种方式的生长。例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面上沉积Bi、Ag等都属于这种类型。,薄膜材料基础薄膜的形成机理物理气相沉积化学气相沉积化学溶液镀膜法液相外延制膜法膜厚的测量与监控,3 物理气相沉积,物理气相沉积：Physical Vapor Deposition 在真空条件下，用物理的方法，将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜。 主要方法： 蒸发沉积(蒸镀)、溅射沉积(溅射)和离子镀等。用途： 通常用于沉积薄膜和涂层，沉积膜层的厚度可从10-1nm级到mm级变化。,1.真空蒸发镀膜,原理：将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。,主要优点,操作方便，沉积参数易于控制；制膜纯度高，可用于薄膜性质研究；可在电镜监测下镀膜，对薄膜生长过程和生长机理进行研究；膜沉积速率快还可以多块同时蒸镀；沉积温度较高，膜与基片的结合强度不高。,装置 真空系统、蒸发系统、基片撑架、挡板、监控系统,1.2.1 真空蒸发镀膜,蒸发的分子动力学基础 当密闭容器内某种物质的凝聚相和气相处于动态平衡状态时，从凝聚相表面不断向气相蒸发分子，同时也会有相当数量的气相分子返回到凝聚相表面。,气相分子的流量,式中，n为气体分子的密度 为分子的最概然速率 m为气体分子的质量,先进材料制备技术,利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜生长过程的技术,以PVD为代表。,1. 定义,2. 成膜方法与工艺,真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延）溅射镀膜 离子成膜,3 物理气相沉积,材料及试验方法,磁控溅射设备,激光分子束外延设备,溅射进样真空室,Methods of film preparation include laser deposition, sputtering, MOCVD, and sol-gel techniques. The composition and crystal structure of films depend on material quality, fabriccation method, synthesis condition, and post-annealing.,Natural World “Atomic-World”,Target/evaporated sourceSubstrate surfaceAtomic rainClustersParticlesDischargeImpurity, ContaminationVacuum,CloudEarth surface - groundNatural rainSnowHailThunder stormDust, PollutionEnvironmental protection,Cloud,原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟,真空蒸发镀膜,真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：,蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运到衬底。吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。,工艺原理演示,1. 工艺原理,2. 工艺方法,（1）对于单质材料，按常见加热方式有电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热和激光加热。,1）电阻加热,电阻作为蒸发源，通过电流受热后蒸发成膜。使用的材料有：Al、W、Mo、Nb、Ta及石墨等。,2）电子束加热,利用电子枪（热阴极）产生的电子束，轰击欲蒸发的材料（阳极）使之受热蒸发，经电子加速极后沉积到衬底材料表面。,3）高频感应加热,高频线圈通以高频电流后，产生涡流电流，致内置材料升温，熔化成膜。,4）电弧加热,高真空下，被蒸发材料作阴极、内接铜杆作阳极，通电压，移动阳电极尖端与阴极接触，阴极局部熔化发射热电子，再分开电极，产生弧光放电，使阴极材料蒸发成膜。,5）激光加热,非接触加热。用激光作热源，使被蒸发材料汽化成膜。常用CO2、Ar、YAG钕玻璃，红宝石等大功率激光器。,（2）对于化合物和合成材料，常用各种蒸发法和热壁法。,1）闪蒸蒸发（瞬间蒸发）：,呈细小颗粒或粉末的薄膜材料，以极小流量逐渐进入高温蒸发源，使每个颗粒在瞬间全蒸发，成膜，以保证膜的组分比例与合金相同。,2）多源蒸发：,组成合金薄膜的各元素，各自在单独的蒸发源中加热，蒸发，并按薄膜材料组分比例成膜。,3）反应蒸发：,真空室通入活性气体后，其原子、分子与来自蒸发源的原子，分子，在衬底表面反应生成所需化合物。一般用金属或低价化合物反应生成高价化合物。,4）三温度蒸发；,实际上是双源蒸发。对不同蒸气压元素，对蒸发温度，蒸发速率和衬底温度分别控制，在衬底表面沉积成膜。,5）热壁法：,利用加热的石英管（热壁），将蒸发源蒸发出的分子或原子，输向衬底成膜。是外延薄膜生长的发展。,6）分子束外延(MBE),分子束外延是以蒸镀为基础发展起来的技术。,指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。,外 延（epitaxial growth, epitaxy）,外延（Epitaxy）外延是指单晶衬底上形成单晶结构的薄膜，而且薄膜的晶体结构与取向和衬底的晶体结构和取向有关。外延方法很多，有气相外延法、液相外延法、真空蒸发外延法、溅射外延法等。.,Commensurate Growth 同质外延（homoepitaxy）,异质外延（Heteroepitaxial Growth）,压应力,张应力(拉应力),压应变（ae as） 同质外延（ae= as） 张应变（ae as ） The presence of strain can modify the physical properties of epitaxial films.The cause of strain is primarily the difference between the lattice spacing of substrate and film parallel the surface, or the “lattice mismatch”.,Strain energy released,The strained film said: “We are all tired enough, please give us a break!”,Oh, it is more comfortable now, although a few of our colleagues are still suffering the pressure.,应变能释放出现刃位错,The single said: “It is OK, my effort is to make all of you happy!”,Strain alter d spacings, while alter values,原 理： 在超高真空条件下，将各组成元素的分子束流以一个个分子的形式喷射到衬底表面，在适当的温度下外延沉积成膜。,目前MBE的膜厚控制水平达到单原子层，可用于制备超晶格、量子点，及3-5族化合物的半导体器件。,应 用,7） 脉冲激光沉积(PLD),利用脉冲聚焦激光烧蚀靶材，使靶的局部在瞬间受高温汽化，在真空室内的惰性气体羽辉等离子体作用下活化，并沉积到衬底的一种制膜方法。,2. 蒸镀用途,适宜镀制对结合强度要求不高的某些功能膜，如电极的导电膜、光学镜头用增透膜。蒸镀合金膜时，较溅射成分难保证。镀纯金属时速度快，90%为铝膜。铝膜的用途广泛，在制镜业代替银，在集成电路镀铝进行金属化后刻蚀出导线。,7.2.3 溅射镀膜（sputtering deposition）,1. 工艺原理,溅射镀膜：是指在真空室中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。,1.2.1 真空蒸发镀膜,蒸发速率,从蒸发源蒸发出来的分子在向基片沉积的过程中，还不断与真空中的残留气体分子相碰撞，使蒸发分子失去定向运动的动能，而不能沉积于基片。为保证8090的蒸发元素到达基片，一般要求残留气体的平均自由程是蒸发源至基片距离的5-10倍。,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,蒸发源的组成,应具备的条件 (1) 能加热到平衡蒸气压为(1.3310-21.33Pa)的蒸发温度； (2) 要求坩锅材料具有化学稳定性； (3) 能承载一定量的待蒸镀材料。,类型 点源和微面源,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,点源 点源可以是向任何方向蒸发。 若某段时间内蒸发的全部质量为M0，则在某规定方向的立体角dw内，物质蒸发的质量为,若基片离蒸发源的距离为r，蒸发分子运动方向于基片表面法向的夹角为q，则基片上单位面积附着量md为,S为附着系数,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,微面源 微面源中的蒸发分子从盒子表面的小孔飞出。 若在规定时间内从小孔蒸发的全部质量为M0，则在与小孔所在平面的发现构成角方向的立体角中，物质蒸发的质量为,若基片离蒸发源的距离为r，蒸发分子运动方向于基片表面法向的夹角为q，则基片上单位面积附着量me为,S为附着系数,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,点源：所有方向上均匀蒸发微面源：垂直与小孔平面的上方蒸发量最大，在其他方向上蒸发量为此方向的cosj倍。若基片与蒸发源距离为h，基片中心处膜厚为t0，则距中心为d距离的膜厚t 点源： 微面源：,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,蒸发源的加热方式,真空中加热物质的方式主要有：电阻加热法、电子束加热法、高频感应加热法、电弧加热法、激光加热法等。,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,电阻加热法,将薄片或线状的高熔点金属，如钨、钼、钛等做成适当形状的蒸发源，装上蒸镀材料，让电流通过蒸发源加热蒸镀材料，使其蒸发。选择蒸发源材料使必需要考虑以下问题： 蒸发源材料的熔点和蒸气压、 蒸发原料与薄膜材料的反应、 蒸发源材料与薄膜材料之间的湿润性等,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,(3) 电阻加热蒸发源的形状 螺旋丝状：可以从各个方向发射蒸气 箔舟状：可蒸发不浸润蒸发源的材料，效率较高，但只能向上蒸发。,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,电子束加热法,把被加热的物质放置在水冷坩锅中，利用电子束轰击其中很小一部分，使其熔化蒸发，而其余部分在坩锅的冷却作用下处于很低的温度。,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,(2) 电子束加热法的优点： 可以直接对蒸发材料加热； 可避免材料与容器的反应和容器材料的蒸发； 可蒸发高熔点材料。,(3) 电子束加热法的缺点： 装置复杂； 只适合于蒸发单质元素； 残余气体分子和蒸发材料的蒸气会部分被电子束电离。,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,合金、化合物的蒸镀方法,当制备两种以上元素组成的化合物或合金薄膜时，仅仅使材料蒸发未必一定能获得与原物质具有相同成分的薄膜，此时需要控制原料组成制作化合物或合金薄膜 例如，对于SiO2和B2O3等氧化物而言，大部分是保持原物质分子状态蒸发的 对于ZnS、CdS、PbS等硫化物，这些物质的一部分或全部发生分解而飞溅，其蒸镀膜与原来材料并不完全相同。,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,合金的蒸镀闪蒸法和双蒸法,合金蒸镀条件 两组分A和B的蒸发速率比值 对于二元合金，最初时易蒸发成分A优先蒸发，只要在合金溶液中个成分扩散得很快，蒸发源表面上的成分B所占比例逐渐增加，不久就会达到RBRA的状态，也就是说得到膜层从富A成分到富B成分连续变化，从而产生分馏现象。,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,(2) 闪蒸蒸镀法,把合金做成粉末或微细颗粒，在高温加热器或坩锅蒸发源中，使一个一个的颗粒瞬间完全蒸发,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,(3) 双蒸发蒸镀法,把两种元素分别装入各自的蒸发源中，然后独立地控制个蒸发源的蒸发过程。,该方法可以使到达基片的各种原子与所需要薄膜组成相对应。其中，控制蒸发源独立工作和设置隔板是关键技术，在各蒸发源发射的蒸发物到达基片前，绝对不能发生元素混合。,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,化合物的蒸镀,反应蒸镀法 在充满活泼气体的气氛中蒸发固体材料，使两者在基片上进行反应而形成化合物薄膜。这种方法在制作高熔点化合物薄膜时经常被采用。 例如：在空气或氧气中 蒸发Si来制备SiO2薄膜,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,(2) 双蒸发源蒸镀三温度法,这种方法从原理上讲就是双蒸发源蒸镀法，但是同时必须控制基片和两个蒸发源的温度，所以也称三温度法。,这种方法是制备化合物半导体的一种基本方法。例如: GaAs单晶薄膜的制备,先进材料制备技术,1.2.1 真空蒸发镀膜,(3) 分子束外延法,实际上是改进型的三温度法。当制备三元混晶半导体化合物薄膜时，在加一蒸发源，就形成了四温度法。,例如: GaAsP半导体薄膜的制备,先进材料制备技术,1.2.2 溅射成膜,溅射成膜 溅射是指荷能粒子(如正离子)轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出的现象。逸出的原子在工件表面形成与靶材表面成分相同的薄膜。,优点和缺点 参数控制较蒸发困难 但不存在分馏，不需加热至高温等。,溅射与蒸发的异同点 同：在真空中进行 异：蒸发制膜是将材料加热汽化 溅射制膜是用离子轰击靶材，将其原子打出。,先进材料制备技术,1.2.3 离子镀,离子镀 在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。离子轰击的目的在于改善膜层的性能。,离子镀的优点 入射离子能量高，与基体的结合强度高，膜层致密，耐久性好，膜层硬度高，耐磨性好，耐蚀性好； 与其他表面处理工艺结合使用效果更佳 可镀基材广泛，可同时在不同金属材料的表面成膜，膜层的颜色均匀一致，成膜温度低而热稳定好； 膜层隐蔽性好 镀膜过程无环境污染,先进材料制备技术,1.2.3 离子镀,离子镀装置 将基片放在阴极板上，在基片和蒸发源之间加高电压，真空室内充入1.310-2-1.3Pa放电气体。与放电气体成比例的蒸发分子，由于强电场的作用而激发电离，离子加速后打到基片上，而大部分中性蒸发分子不能加速而直接到达基片上。,先进材料制备技术,1 薄膜材料的制备,1.1 薄膜的形成机理1.2 物理气相沉积1.3 化学气相沉积1.4 化学溶液镀膜法1.5 液相外延制膜法1.6 膜厚的测量与监控,先进材料制备技术,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,Chemical Vapor Deposition (CVD) is chemical reactions which transform gaseous molecules , called precursor, into a solid material , in the form of thin film or powder, on the surface of a substrate .,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1. Precursor 2. Substrates3. Heater or furnace 4. Exhaust,General System RequirementsGas and vapor delivery lines Reactor main chamber - hot wall, cold wall Energy source(s) Exhaust system - byproducts removal,Reactor:,水平型：生产量较高，但沿气流方向膜厚及浓度分布不均；垂直型：膜均匀性好，但产量不高；圆筒型：兼顾上面两者优点。,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,Vaporization and transport of precursor molecules into reactor Diffusion of precursor molecules to surface Adsorption of precursor molecules to surface Decomposition of precursor molecules on surface and incorporation into solid films Recombination of molecular byproducts and desorption into gas phase,Materials Physics,Different CVDs and their applications Atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD) Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) Plasma assisted (enhanced) chemical vapor deposition (PACVD, PECVD) Diamond film and other thin films Laser chemical vapor deposition (LCVD) Cd, Zn , Mo films and Fe2O3, PbO, PbS, Al2O3 Metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) Oxide ceramic thin films (TiO2, ZnO, Fe2O3),AdvantagesLow temperature synthesisEasy to control the homogeneity and stoichiometry of productsEasy to control the concentration of dopants,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,最早采用的CVD化学反应方式是用于金属精制的氢还原、化学输送反应等。化学气相沉积的反应形式可分为以下五类：,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（1）热分解反应,利用化合物加热分解，在基体（基片或衬底）表面得到固态膜层的技术。 现在热分解法制备薄膜的典型应用是半导体中的外延薄膜制备、多晶硅薄膜制备等。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（2）氢还原反应,氢还原反应的典型应用是半导体技术中的外延生长。使用氢还原反应可以从相应的卤化物制作出硅、锗、钼、钨等半导体和金属薄膜。 氢还原反应不同于热分解反应，是可逆的。因而，反应温度、氢与反应气体的浓度比、压力等都是很重要的反应参数。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（3）由金属产生的还原反应,这种反应是用其他金属还原卤化物来置换硅的反应。在半导体器件制造中还未得到应用，但已用于硅的精制上。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（4）由基片产生的还原反应,这种反应发生在基片表面上，反应气体被基片表面还原生成薄膜。典型的反应是钨的氟化物与硅。在硅表面上与硅发生如下反应，钨被硅置换，沉积在硅上，这时如有氢存在，反应也包含有氢还原：,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（5）化学输送反应,这种反应在高温区被置换的物质构成卤化物或者与卤素反应生成低价卤化物。它们被输送到低温区域，在低温区域由非平衡反应在基片上形成薄膜。 这种反应不仅用于硅膜制取，而且用于制备-族化合物半导体，此时把卤化氢作为引起输送反应的气体使用。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（6）氧化反应,氧化反应主要用于在基片上制备氧化物薄膜。氧化物薄膜有SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5等。一般使用这些膜材料的相应卤化物、氧氯化物、氢化物、有机化合物等与各种氧化剂反应制作薄膜。 制备SiO2薄膜一般采用氧化SiH4的方法。 除上述六类反应外，另外还有加水分解反应，与氨反应，等离子体激发反应，光激发反应以及激光激发反应等。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,二、 化学气相沉积的类型,CVD技术可按照沉积温度、反应器内的压力、反应器壁的温度和沉积反应的激活方式进行分类。（1）按沉积温度,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（2）按反应器内的压力（3）按反应器壁的温度可分为热壁方式和冷壁方式CVD。（4）按反应激活方式可分为热激活和等离子体激活CVD等。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,三、CVD工艺的特点和应用,（1）源物质的确定,CVD最理想的源物质是气态源物质，其流量调节方便测量准确，又无需控制其温度，可使沉积系统大为简化。所以，只要条件允许，总是优先采用气态源。 在没有合适气态源的情况下，可采用高蒸气压的液态物质。如AsCl3、PCl3、SiCl4等，用载气体（如H2、He、Ar）流过液体表面或在液体内部鼓泡，携带其饱和蒸气进入反应系统。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,在既无合适的气态源又无具有较高蒸气压的液态源的情况下，就只得采用固体或低蒸气压的液体为源物质了，通常是选择合适的气态物质与之发生气-固或气-液反应，形成适当的气态组分向沉积区输送。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（2）重要的工艺参数,CVD中影响薄膜质量的主要工艺参数有沉积温度、反应气体组成、工作气压、基板温度、气体流量等。其中温度是最重要的影响因素。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,由于不同反应体系沉积机制不同，沉积温度对不同沉积反应影响的程度是不同的。而对于同一反应体系，不同的沉积温度将决定沉积材料是单晶、多晶、无定形物，甚至不发生沉积。一般说来，沉积温度的升高对表面过程的影响更为显著。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（3）优点,CVD制备薄膜的优点突出，既可以沉积金属薄膜，又可以制取非金属薄膜，且成膜速率快，同一炉中可放置大量基板或工件； CVD的绕射性好，对于形状复杂的表面或工件的深孔、细孔等都能均匀覆膜；由于成膜温度高，反应气体、反应产物和基体的相互扩散，使膜的残余应力小，附着力好，且膜致密，结晶良好； 另外，CVD是在高饱和度下进行的，成核密度高，且沉积中分子或原子的平均自由程大，这些都有利于形成均匀平滑的薄膜。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,（4）缺点,反应温度太高，一般在1000左右，而许多基材难以承受这样的高温，因而限制了它的应用范围。,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,Materials Physics,1.3 化学气相沉积,1 薄膜材料的制备,1.1 薄膜的形成机理1.2 物理气相沉积1.3 化学气相沉积1.4 化学溶液镀膜法1.5 液相外延制膜法1.6 膜厚的测量与监控,Materials Physics,Materials Physics,化学溶液镀膜法 在溶液中利用化学反应或电化学原理在集体材料表面上沉积成膜的一种技术。 主要方法： 化学反应沉积、阳极氧化、电镀和溶胶-凝胶法等。,1.4 化学溶液镀膜法,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,化学镀,还原 所用的还原剂的电离电位必须比沉积金属的电离电位低，但两者电位不宜相差过大。 常用的还原剂：次磷酸盐(镀镍)、甲醛(镀铜),通常称为无电源电镀，是利用还原剂从所镀物质的溶液中以化学还原作用，在镀件的固液两相界面上析出和沉积得到镀层的技术。,原理 (1) 表面的自催化作用,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,化学镀,通常称为无电源电镀，是利用还原剂从所镀物质的溶液中以化学还原作用，在镀件的固液两相界面上析出和沉积得到镀层的技术。,原理 (1) 表面的自催化作用,催化 在镀覆过程中，溶液中的金属离子被生长着的镀层表面所催化，并不断地还原而沉积在基体表面上，而且一旦沉积开始，沉积出来的金属就必须能继续这种催化功能，以便沉积过程连续进行，镀层才能加厚。,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,化学镀,特点,(1)工艺简单，适应范围广，不需要电源，不需要制作阳极，只要一般操作人员均可操作。(2)镀层与基体的结合强度好。(3)成品率高，成本低，溶液可循环使用，副反应少。(4)无毒，有利于环保。(5)投资少，数百元设备即可，见效快。,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,化学镀,应用,(1)化学镀在金属材料表面上的应用 铝或钢材料等非贵金属基底可用化学镀镍技术防护，并可避免用难以加工的不锈钢来提高它们的表面性质。化学镀银主要用于电子部件的焊接点、印制线路板，以提高制品的耐蚀性和导电性能。还广泛用于各种装饰品。(2)化学镀在非金属材料表面上的应用 非导体可用化学镀镀一种或几种金属以提高其装饰性和功能性(例如电磁干扰屏蔽)。 许多工程塑料因其轻质和良好的耐腐蚀性能被考虑用作金属的代用品，可用化学镀镍来获得导电性或使其电屏蔽。,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,置换沉积镀膜,置换反应 本质上是一种在界面上固液两相间金属原子和离子相互交换的过程。其与化学镀的区别在于无需在溶液中加入化学还原剂，因为基体本身就是还原剂。,又称为浸镀。不需采用外部电流源，在待镀金属盐类的溶液中，靠化学置换的方法在基体上沉积出该金属的方法。,原理 当电位较负的基体金属A浸入到电位较正的金属离子B2+溶液中时，由于存在一定的电动势而形成微电池，在A表面上，发生金属B析出。,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,用这种方法制得的膜层疏松多孔，而且结合不良，要加入添加剂或络合剂来改善膜层的结合力。,应用,主要用于铜及其合金、钢及其某些铝合金上镀锡层，也常用作电镀前在某些基体表面沉积一层底膜，用来改善后续涂层。,Materials Physics,1.4.1 化学反应沉积镀膜法,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,胶-凝胶（Sol-Gel）技术是指金属有机或无机化合物（称前驱物），经溶液、溶胶、凝胶而固化，在溶胶或凝胶状态下成型，再经热处理转化为氧化物或其他化合物固体材料的方法，是应用胶体化学原理制备无机材料的一种湿化学方法。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,溶胶-凝胶合成的工艺方法,按溶胶、凝胶的形成方式可分为传统胶体法、水解聚合法和络合物法三种.,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,早期采用传统胶体法成功地制备出核燃料，该法制备粉体方面表现出了一定优势。水解聚合法是以可溶于醇的金属醇盐作为前驱物，其溶胶-凝胶过程易于控制，多组分体系凝胶及后续产品从理论上讲相当均匀，且易于从溶胶、凝胶出发制成各种形式的材料，所以自Sol-Gel法问世以来，其研究、应用主要集中于这种工艺方法。将金属离子转化为络合物，使之成为可溶性产物，然后经过络合物溶胶-凝胶过程形成凝胶。起初是采用柠檬酸作为络合剂，但它只适合部分金属离子.现在采用单元羧酸和有机胺作为络合剂，可形成相当稳定而又均匀透明的凝胶。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,水解聚合法的工艺原理,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,均相溶液的制备,Sol-Gel法的第一步是制取包含醇盐和水的均相溶液，以确保醇盐的水解反应在分子级水平上进行。由于金属醇盐在水中的溶解度不大，一般选用既与醇盐互溶、又与水互溶的醇作为溶剂，其加量既要保证不溶入三元不混溶区，又不宜过多，因为醇是盐水解产物，对水解有抑制作用。水的加入量对溶胶制备及后续工艺过程都有重要影响，是Sol-Gel工艺的一项关键参数。对于一些水解活性的醇盐，如钛醇盐，往往还需控制加水速度，否则极易生成沉淀。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,溶胶的制备,Sol-Gel法中，最终产品的结构在溶胶形成过程中即已初步形成，后续工艺均与溶胶的性质直接相关，因此溶胶制备的质量是十分重要的。由均相溶液转变为溶胶是由醇盐的水解反应和缩聚反应产生的。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,凝胶化过程,凝胶是由细小颗粒聚集而成的由三维结构和连续分散相介质组成的具有固体特征的胶态体系。按分散相介质不同有水凝胶（hydrogel）、醇凝胶（alcogel）和气凝胶（aerogel）等。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,溶胶向凝胶的转变过程可简述为：缩聚反应形成的聚合物或粒子聚集体长大为小粒子簇（cluster），后者逐渐相互连接成为一个横跨整体的三维粒子簇连续固体网络。在陈化过程中，胶体粒子聚集形成凝胶的过程和粒子团聚形成沉淀的过程完全不同。在形成凝胶时，由于液相被包裹于固相骨架中，整个体系失去活动性。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,凝胶的干燥,湿凝胶内包裹着大量的溶剂和水，干燥过程往往伴着很大的体积收缩，因而容易引起开裂。防止凝胶在干燥过程中开裂是Sol-Gel工艺中至关重要而较为困难的一环，特别是对尺寸较大的块体材料。导致凝胶收缩、开裂的应力主要源于由充填于凝胶骨架隙中的液体的表面张力所产生的毛细管力，凝胶尺寸越厚越开裂。此外，干燥速率也是重要因素。为了获得有一定厚度的完整凝胶，往往需要严格控制干燥条件（如温度、相对湿度等）使其缓慢干燥，有时需要数日乃至数月的时间，因此干燥是Sol-Gel工艺中耗时最长的工序。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,干凝胶的热处理,热处理的目的是消除干凝胶中的气孔，使制品的相组成和显微结构满足产品的性能要求。在加热过程中，干凝胶先在低温下脱去吸附在表面的水和醇。265300，OR基被氧化。300以上则脱去结构中的OH。由于热处理伴随着的较大的体积收缩和各种气体（如CO2、H2O、ROH）的释放，所以升温速率不宜过快。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,溶胶凝胶法制备薄膜的优点,（1）合成温度低,运用该法时的烧结温度通常比传统的方法低约400500这不但降低了对反应系统工艺条件的要求及能耗，而且可制得一些传统方法难以得到或根本得不到的材料。用该法可在玻璃的熔化、析晶或分相温度以下制备均匀玻璃，使一些含有难熔或高温易分解组分的特殊性能玻璃的制备成为可能，是开发新型玻璃的一种有效方法。因烧结温度大幅降低，用该法也可制备一些用传统方法难以制备的高温陶瓷材料。,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,（2）高集成的材料制备技术,可将玻璃、陶瓷、纤维、薄膜、超微粉体等众多独立的材料制备纳入一个统一的工艺系统中，从一种原料出发，可制备出不同的形式的产品，从而使该工艺具有很强的实用性、高度的灵活性和广泛的适用性，彰显产业化的技术风范。,（3）不需要苛刻的工艺条件和复杂的设备，可以在大面积或任意形状的基体上制得薄膜,Materials Physics,1.4.2 溶胶凝胶法,（4）Sol-Gel工艺性在制备复合材料，尤其是纳米复合材料方面有其独到的优势。 通过溶胶（如溶胶混合、溶胶改性等）和凝胶（如采用干燥凝胶浸渍高分