第六章金屬薄膜材料薄膜材料的制備方法簡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，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介圖6.2磁控濺射SiO2裝置圖在被濺射的靶極（陽極）與陰極之間加一個正交磁場和電場，電場和磁場方向相互垂直。當鍍膜室真空抽到設(shè)定值時，充入適量的氬氣，在陰極(柱狀靶或平面靶)和陽極(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。在正交的電磁場的作用下，電子以擺線的方式沿著靶表面前進，電子的運動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)過多次碰撞后，喪失了能量成為“最終電子”進入弱電場區(qū)，最后到達陽極時已經(jīng)是低能電子，不再會使基片過熱。同時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介功能薄膜材料2、化學氣相沉積（CVD）化學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化學反應(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：設(shè)備可以比較簡單，沉積速率高，沉積薄膜范圍廣，覆蓋性好，適于形狀比較復雜的基片，膜較致密，無離子轟擊等優(yōu)點。特別是在半導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、氫化物及金屬有機化合物等，化學反應(yīng)種類很多，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介功能薄膜材料金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）原料主要是金屬（非金屬）烷基化合物。優(yōu)點是可以精確控制很薄的薄膜生長，適于制備多層膜，并可進行外延生長。第一節(jié)薄膜材料制備方法簡介第二節(jié)金屬薄膜的形成及其結(jié)構(gòu)功能薄膜材料一、薄膜的形成過程A生成三維的核型原子在基片上先凝聚，然后生成核，進一步再將蒸發(fā)原子凝聚起來生成三維的核。通常大部分金屬薄膜都是以這樣的一個過程形成的。B單層生長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時容易出現(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程大致都可分為4個階段，圖（a）在最初階段，外來原子在基底表面相遇結(jié)合在一起成為原子團，只有當原子團達到一定數(shù)量形成“核”后，才能不斷吸收新加入的原子而穩(wěn)定地長大形成“島”；圖（b）隨著外來原子的增加，島不斷長大，進一步發(fā)生島的接合；圖（c）很多島接合起來形成通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；圖（d）后續(xù)的原子將填補網(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薄膜形成與生長的物理過程功能薄膜材料決定金屬薄膜材料的兩個重要因素：（1）蒸發(fā)時的基片溫度一般來說，基片溫度越高，則吸附原子的動能也越大，跨越表面勢壘的幾率增多，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，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1、二維材料的特點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。最大的特點是功能膜的某些性能可以在制備時通過特殊的薄膜制備方法實現(xiàn)。作為二維材料，薄膜材料最主要是特點是所謂尺寸特點,利用這個特點可以實現(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、表面態(tài)數(shù)目與表面原子數(shù)有同一量級，對于半導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、薄膜制備過程決定的特點（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)的制取過程，在薄膜形成過程中，基片溫度一般不很高，擴散較慢，因而制成的薄膜常常是非平衡相的結(jié)構(gòu)。（2）膜常常是非化學計量比成分在蒸鍍法中，各種元素的蒸氣壓不同，濺射過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計量比的成分。

（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）沉積冷卻過程中常會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力由沉積生長過程所決定，薄膜內(nèi)一般存在大量的缺陷，如位錯、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，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，在薄膜沉積過程中的工作氣體也常?；烊氡∧?。很多薄膜材料都不宜進行高溫熱處理，所以缺陷不易消除。這些缺陷對材料的電學、磁學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，沉積后冷卻過程中常會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，應(yīng)力的存在對很多性能都有影響。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，而無需考慮是否會形成均勻相，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)，另一方面通過選擇適當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。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、電學薄膜半導體集成電路和混合集成電路（1）集成電路（IC）中的布線（2）透明導電膜集成電路中