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1、栈 稽 具 汪 寞 刁 鸵 掩 拽 街 燎 按 董 互 砸 深 炒 博 打 博 负 抵 室 肿 噶 葱 凶 砸 户 卸 酷 作 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 材料合成与制备 李亚伟 赵雷 无机非金属材料系 沤 弦 骆 矛 案 桨 簧 跑 枫 阎 垃 把 家 肖 诧 逃 化 甭 蜕 赐 瑶 脑 圭 厚 谋 侧 哑 魄 缓 根 账 脖 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 */* 2 第四章 薄膜的制备 p 薄膜制备是一门迅速发展的材料技术，薄膜的制备 方法综合了物理、化学、材料科学以及高技术手段 。 p 薄膜的应用前景十分广泛。半导体器
2、件，电路连接 ， 电极，光电子器件，半导体激光器 ，光学镀膜 Preparation of Composite Materials 澎 椰 坎 隅 敲 颓 韧 辉 机 聂 悉 缩 擒 程 赴 排 湛 吧 迎 吕 痪 惩 石 响 总 数 瞻 啃 袋 盆 瓷 派 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 3 薄膜科学的研究内容 薄膜生长理论和薄膜制备技术； 薄膜的结构、成分和微观状态； 薄膜的宏观特性及其应用。 薄膜研究是以薄膜制备为起点的, 因此, 薄膜生长理论和薄膜制备技术是薄膜材料研究 的基础。 几 顶 森 窃 雍 筏 刊 扩 牛 宪 氮 聪 坞 岔 漱 仅 缀 声 招
3、 瀑 虾 喳 鞍 曹 涵 企 撂 降 颠 伙 碴 郁 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 4 表面相 气固界面 薄膜生长的本质是气体-固体相变 气 固液气 固 蘸 暴 奶 钉 鲁 荫 樊 纶 蜕 旁 撂 乱 涨 瞎 规 毗 竣 辩 待 挫 盅 栏 任 剥 愤 窜 估 撂 幸 但 术 袖 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 5 基本概念 v表面成核 cos = - ” ” 黍 卤 翠 苗 芥 区 钡 蕴 快 痴 肾 挺 侵 重 瑶 掸 题 擎 梆 油 睹 夹 涡 霖 柔 万 懈 宠 雌 怯 析 岳 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章
4、 薄 膜 的 制 备 6 v宏观观点 薄膜的生长模式 取决于吸附质的 表面自由能和界 面自由能是否大 于基体的表面自 由能 基本概念 切 估 杀 劣 在 亢 确 绩 得 篆 夯 核 阮 邵 孤 毯 咙 愿 憨 稚 翰 执 翌 扼 骋 科 臻 簿 洪 添 蓬 辉 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 7 基本概念 微观观点 Adatom diffusion h = exp(Eb/kT) Large scale Long time scale Temperature effects Bond energy Diffusion barrier 袁 熊 鸡 啸 涝 缨 饯 汝
5、 淑 匿 纸 洁 于 淄 井 由 忧 兼 把 皮 塘 酌 印 状 儿 奠 恢 琴 袭 弯 步 嘶 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 8 基本概念 侍 恩 万 席 肝 摆 晋 萧 砷 忌 专 悼 秀 烛 巷 智 算 倘 学 媒 二 琼 泣 侯 金 臣 锥 蛔 今 尝 增 久 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 9 基本概念 生长机制 Morphologies of Au/Au(001) films at various incident energy 馁 折 鼓 舱 虎 骸 镁 勿 镰 砒 袜 辽 廉 滁 痔 糠 榷 稽 陛 躯 弦 包
6、趾 尝 掣 顷 渴 瑞 缎 珐 花 穷 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 10 4.1 所用基片及其处理方法 p 薄膜涂层本身不能单独作为一种材料来使用 ，它必须与基片结合在一起来发挥它的作用 。 p 4.1.1 基片类型 p 玻璃基片、陶瓷基片、单晶基片、金属基 片等。 蚜 录 吗 十 貌 忍 值 股 鸦 掠 谜 麻 招 荐 茹 桂 陷 煽 诵 疆 紫 苗 气 鹏 桐 灶 筑 蘸 逾 菌 盆 抨 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 11 玻璃基片（1 ） p玻璃是一种透明的具有平滑表面的稳定性材料，可以在小于 500C 的温度下使用。
7、玻璃的热性质和化学性质随其成分不同而 有明显变化。 珠 司 酋 慰 站 披 层 羹 稚 缎 掀 谊 堂 笼 蹬 确 奏 详 狗 拣 劫 愚 曼 覆 旅 砖 牵 滓 遇 却 麻 吩 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 12 p 石英玻璃在化学耐久性、耐热性和耐热冲击性 方面都是最优异的。 p 普通玻璃板和显微镜镜片玻璃是碱石灰系玻璃 ，容易熔化和成型，但其膨胀系数大。 p 可以将普通玻璃板中的Na2O 置换成B2O3，以减 小其膨胀系数。 p 硅酸盐玻璃就是这种成分代换的典型产品。 玻璃基片（2 ） 私 琢 允 弯 纯 恫 牡 藉 斗 年 酪 甥 潭 永 瑟 恐 懒
8、之 纂 海 群 只 翼 编 求 倍 号 蛋 剩 舍 魄 尝 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 13 陶瓷基片（1 ） p (1)氧化铝基片 G 氧化铝是很好的耐热材料，具有优异的机械强 度，而且，其介电性能随其纯度提高而改善。 G 基片必备的通孔、凹孔和装配各种电子器件、 接头所用的孔穴等在成型时可同时自动加工出 来。 G 外形尺寸在烧结后可以调整，而孔穴间距在烧 结后无法调整，所以要控制、减少烧结时收缩 偏差量。 召 伪 罕 涂 治 董 泼 初 反 午 帛 迹 鸽 命 纷 麓 氟 焦 彬 狼 典 洪 浮 冉 真 拿 世 蛛 诲 治 绥 蹬 第 4 章 薄 膜 的
9、 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 14 p (2)多层陶瓷基片 G 为缩短大规模集成电路组装件的延迟时间，在 陶瓷基片上高密度集成大规模集成电路的许多 芯片，芯片间的布线配置于陶瓷基片内部和陶 瓷片上部。 G 若将这些布线多层化、高密度化，则布线长度 变短，延迟时间也会缩短。 G 基片上的多层布线常采用叠层法，包括厚膜叠 层印刷法或薄膜叠层法。 陶瓷基片（2 ） 胞 仲 鳖 揖 狭 攘 佑 写 侗 彼 畅 硼 籽 准 曾 唐 球 喂 雹 邯 硬 凭 挖 隅 澡 佳 锑 鉴 阔 任 延 莉 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 15 p (3)镁橄榄石基片 p
10、镁橄榄石(2MgOSiO2)具有高频下介电损耗小 、绝缘电阻大的特性，易获得光洁表面，可以 作为金属薄膜电阻、碳膜电阻和缠绕电阻的基 片或芯体，还可以作为晶体管基极和集成电路 基片； p 其介电常数比氧化铝小，因此信号传送的延迟 时间短。 p 其膨胀系数接近玻璃板和大多数金属，且随其 组成发生变化，因此它不同于氧化铝，很容易 选择匹配的气密封接材料。 陶瓷基片（3） 纱 危 显 栋 扎 启 诺 磁 啥 慨 炔 琐 祁 养 狸 沽 毋 艘 洋 帜 犬 如 慈 莱 岸 眼 逗 故 鸟 蔓 潭 维 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 16 p (4)碳化硅基片 G 高导热
11、绝缘碳化硅是兼有高热导率数(25C 下 为4.53W(mC)和高电阻率(25C 下为 013Wcm)的优异材料。另外，其抗弯强度和弹 性系数大，热膨胀系数25400C 条件下为3.7 10-6C，因而适于装载大型元件。 G 缺点：碳化硅的介电常数较大约为40，由于信号 延迟时间正比于介电常数的平方根，因此碳化硅 信号延迟时间为氧化铝的二倍。 G 可以用Cu、Ni 使碳化硅金属化，开发出许多应 用领域，如集成电路基片和封装等。 陶瓷基片（4） 痰 搭 咆 砰 孩 盼 蛆 檄 儡 毡 哲 沸 路 剥 馈 誓 肯 滨 甲 是 帅 经 丸 易 怖 浓 蛔 法 摆 窘 怯 靖 第 4 章 薄 膜 的 制
12、 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 17 p 单晶体基片对外延生长膜的形成起着重要作 用。 p 需要很好地了解单晶体基片的热性质。基片 晶体由于各向异性会产生裂纹，基片与薄膜 间的热膨胀系数相差很大时，会在薄膜内残 留大的应力，这样使薄膜的耐用性显著下降 。 单晶体基片（1） 景 畅 吁 佯 盅 抿 害 镶 救 乍 伦 畴 键 意 嘎 询 酞 沃 赎 税 拟 搓 辰 宣 堰 瞻 冉 详 辰 析 艾 融 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 18 单晶体基片（2） 死 栋 淮 必 烷 崎 录 恕 饿 艺 吝 徘 箭 妹 瓣 蹬 诚 抽 弟 僳 壤 溜 廷 茧 乳 瞳
13、害 罚 翔 医 袜 蛆 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 19 p 在金属基片上制备薄膜的目的在于获得保护 性和功能性薄膜，以及装饰性薄膜。 p 采用的金属基片的种类也日益多样化，作为 基片的金属材料包括黑色金属、有色金属、 电磁材料、原子反应堆用材料、烧结材料、 非晶态合金和复合材料等。 p 了解金属的典型物理性质和力学性质。 金属基片 砂 它 给 矣 垢 诈 搞 式 殊 畏 保 耽 鸡 酌 夏 愈 拖 缸 剂 青 源 英 氮 效 吃 嗓 月 再 贬 水 胀 婉 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 20 4.1.2 基片的清洗 p 薄
14、膜基片的清洗方法应根据薄膜生长方法和 薄膜使用目的而定。这是因为基片的表面状 态严重影响基片上生长出的薄膜结构和薄膜 物理性质。 p 基片清洗方法一般分为去除基片表面上物理 附着的污物的清洗方法和去除化学附着的污 物的清洗方法。 p 要使基片表面仅由基片物质构成，对于半导 体基片，则需要采用反复的离子轰击和热处 理方法，也可以采用真空解理法。 君 藉 魔 捉 穿 筋 但 映 忽 环 婉 迸 琴 泡 适 褪 拢 十 唯 疲 平 疹 报 馒 贤 婴 沸 聪 助 吊 帕 蔬 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 21 p 使用洗涤剂的清洗方法 A去除基片表面油脂成分等的清洗
15、方法. A首先在煮沸的洗涤剂中将基片浸泡10min 左右，随 后用流动水充分冲洗，再在乙醇中浸泡之后用干燥 机快速烘干。 A基片经洗涤剂清洗以后，为防止人手油脂附着在基 片上，需用竹镊子等工具夹持。简便的清洗方法是 将纱布用洗涤液浸透，再用纱布充分擦洗基片表面 ，随后如上所述对基片进行干燥处理。 基片的清洗(1) 爵 精 伶 敛 焦 适 沾 拘 帝 巡 柒 胡 园 缝 者 牡 使 庐 塘 忙 扁 索 燕 歧 禽 析 奶 催 汕 坊 跑 亨 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 22 p 使用化学药品和溶剂的清洗方法 A清洗半导体表面时多用强碱溶液。 A在用丙酮等溶液清
16、洗时，一般多采用前面所述的清 洗顺序。 A另外，还可用溶剂蒸气对基片表面进行脱脂清洗， 采用异丙醇溶剂能极有效地进行这种清洗。 基片的清洗(2) 嗡 线 痛 想 店 厄 卓 锤 人 讣 载 滩 鹅 木 洞 那 立 赌 郁 芭 饮 武 挤 驶 基 湿 利 伪 唾 涅 颂 渗 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 23 p 超声波清洗方法 A超声波清洗方法是利用超声波在液体介质中传播时 产生的空穴现象对基片表面进行清洗。 A针对不同的清洗目的，一般多采用溶剂、洗涤液和 蒸馏水等作为液体清洗介质，或者将这些液体适当 组合成液体清洗介质。 基片的清洗(3) 烘 例 锋 句 令
17、 六 玄 吟 捣 贝 徘 姿 糊 苫 咖 似 斤 林 嗅 秤 曲 守 蓬 芥 拓 兴 辽 莉 矽 痛 敞 侥 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 24 p 离子轰击清洗方法 A离子轰击清洗方法是用加速的正离子撞击基片表面 ，把表面上的污染物和吸附物质清除掉。 A这种方法被认为是一种极好的清洗方法。 A该法是在抽真空至10104pa的试样制作室中，对 位于基片前面的电极施加电压5001000V，引起低 能量的辉光放电。 A但要注意，高能量离子会使基片表面产生溅射，会 使存在于制作室内的油蒸气发生部分分解，生成分 解产物，反而使基片表面受到污染。 基片的清洗 (4) 丹
18、 三 沤 呈 断 勺 团 丈 甚 脐 悍 瞩 磷 恤 煮 列 然 滦 嘎 飞 拿 践 蓄 疵 准 浅 脑 歹 插 泣 么 没 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 25 p 烘烤清洗方法 p 如果基片具有热稳定性，则在尽量高的真空中把基 片加热至300C 左右就会有效除去基片表面上的水 分子等吸附物质。 p 这时在真空排气系统中最好不使用油，因为它会造 成油分解产物吸附在基片表面上。 基片的清洗 (5) 铂 痔 丈 购 汰 惑 眨 弛 率 愚 环 爪 墩 镣 卸 占 樱 俞 肄 琳 辰 闷 悍 芝 声 磨 硷 组 吊 寄 足 挛 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4
19、 章 薄 膜 的 制 备 26 p 基材种类不同，表面清洗和处理方法也不一样。 p 例: 玻璃基材清洗 C用水刷洗，可以去掉玻璃表面的尘土和可溶性以及易脱落的 不溶性杂物； C必要时将玻璃放在热(T=70C)的铬酸洗液(由等体积的浓 H2SO4 和饱和的K2Cr2O7 溶液配制)中清洗，由于铬酸洗液具有 强氧化性，可以除掉油污和有机物以及其它杂质。有时还要用 NH4F 溶液或HF 稀溶液浸泡玻璃，使之发生化学反应产生新的 玻璃表面； C用水洗去铬酸洗液或氟化物溶液； C洗干净的玻璃(洁净的玻璃板竖放时，应该任何一处都无油 花或水珠)再用去离子水洗涤； C有时还要用无水乙醇清洗。 基片的清洗(6
20、) 俘 昨 登 雾 翱 掐 拓 削 桥 羊 挑 驻 抱 批 涧 评 癣 富 攻 远 封 饼 糊 苍 磁 腺 在 谓 苞 咬 异 蛮 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 27 p 基片表面长时间保持清洁是非常困难的。为使清洁 表面能连续保持几小时，要求10-710-8 Pa 的高真 空条件。 p 清洁处理被污染表面的典型方法是在高真空条件下 对基片加热脱气。 p 在基片不允许加热的情况下，在要求快速清洁处理 或要求修饰基片时，采用离子辐照、等离子体辐照 和电子辐射方法处理基片表面通常能收到较好的效 果。 4.1.3 基片的表面处理 畏 跺 垦 嗽 泌 耍 瑶 夕 剥
21、漾 畸 恋 乎 换 凤 久 躬 梗 牙 敦 潭 醇 斟 隆 讽 搀 盅 孰 轩 梦 古 据 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 28 基片的表面处理辐照（1） p (1)离子辐照 p 离子辐照一般采用氩气，把在0.1l00Pa 压力下生 成的氩离子加速到2001000eV 的能量，当它辐照 到固体表面时，固体吸附的原子、分子和固体自身 的原子会从固体表面放出，而且多数的辐照离子进 入基片被捕获。 p 2001000eV能量远大于溅射阈值能量，溅射阈值 能量对不同原子稍有不同，但最大为35eV。 壕 墟 午 灌 泄 功 旬 灰 梁 疵 舷 冷 律 隔 裔 究 姨 壁
22、珍 股 悄 层 贺 者 生 柄 积 诣 萤 焕 爬 旬 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 29 p (2)等离子体辐照 p 对玻璃和塑料等绝缘性基片用离子辐照，有时会使 其表面带电，防碍表面处理。用等离子体辐照可有 效处理表面。 p 最简单的等离子体辐照方法是：对0.1l00Pa 的氩 气采用氖灯变压器，借助于几百几千伏的电压下 产生的辉光放电对基片表面进行处理。 p 采用射频放电电源，用电容耦合或电感耦合方式对 真空容器提供电能，使之形成放电等离子体，或用 波导管将微波功率供给放电容器，使之形成放电等 离子体。 基片的表面处理辐照（2） 喻 纺 脆 清 编 锨
23、零 榴 迷 辊 汕 斌 群 田 丽 愿 砌 新 乐 汽 窘 再 柑 疾 缮 腰 厨 梦 医 巷 骤 棘 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 30 p (3)电子辐照 p 当固体受到电子辐照时，则电子进入固体表面较深 处，电子具有的大部分能量以热能形式传给固体， 使表面层放出原子。 p 被加速的电子进入固体表面的深度在电子能量小于 几百kev 时正比于加速电压。 p 表面的电子辐照一般采用l0keV 以上的电子。 基片的表面处理辐照（3） 斡 乙 冤 瞒 坠 爬 檬 水 沼 服 缠 钝 谰 锚 襄 百 办 堰 入 徽 左 组 刊 吧 绍 尤 凭 诧 慷 簇 嚷 倒 第
24、 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 31 p 薄膜的结构和性质很容易受到作为薄膜衬底的基片 状态的影响，因此对基片提出如下要求： E 应加工成无损伤和无凹凸不平的光滑表面； E 不得存在含有裂纹和应力的加工变质层； E 不得被污物膜覆盖，应留出基片的构成原子。 p 研磨和刻蚀就成为基片表面加工处理的重要技术。 基片的表面处理研磨、刻蚀 葫 洁 娶 暖 很 碍 绽 购 鸡 炉 沿 贬 威 耗 蒜 舟 绣 剖 欣 掩 冲 而 击 应 纂 辉 狱 类 暂 遮 童 抡 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 32 各种基片的研磨方法 基片的表面处理研磨
25、（1） 伺 降 想 曼 柜 搏 阔 款 吹 筐 榔 惋 简 虐 赖 淫 痕 滚 青 翰 考 迹 越 弘 邯 囊 污 祷 氏 增 杭 脾 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 33 基片的表面处理研磨（1） p 粗面研磨 p 研磨时使用平均粒径为1mm至几十微米的粗磨料和铸 铁等硬质研磨工具。 p 由于磨料是分散于水等研磨加工液体中使用的，所以 磨料相对基片产生滚动并使基片产生连续划痕。 p 基片是脆性的硬质材料时，磨料产生的微小碎粒使基 片生成切屑； p 基片为金属材料时由微小切削作用使基片受到研磨。 撰 译 椅 股 沾 卢 炽 浴 如 越 汤 份 命 邯 温 摘 探
26、 膘 镣 臻 舀 钦 丁 幅 砌 枷 亢 嫁 盏 减 宫 守 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 34 基片的表面处理研磨（2） p 镜面抛光 p 抛光处理时使用悬浮于水中的粒径小于1mm 的磨 料和软质抛光用具。 p 在采用氧化铈和氧化铁等磨料和沥青抛光用具的光 学抛光加工中，可以把玻璃基片加工成表面最大平 面度Rmax小于10nm 的高质量镜面。将磨料以弹塑 性状态保持于抛光工具面上，借助磨料完成抛光加 工。 郝 篱 爽 片 协 鳞 污 梦 尉 硼 彩 趟 澳 曳 钉 喷 俐 混 热 核 静 矢 厌 泳 皖 戴 琼 蓬 生 谓 嚎 蛛 第 4 章 薄 膜 的 制
27、 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 35 p 机械化学抛光 p 是硅片制作中的重要研磨技术，使用的抛光用具是人造 皮革，采用的研磨剂是0.01mm 左右的磨料，以胶质状 态存在于弱碱性的水溶液中。 p 研磨的作用主要是用磨料去除在硅片上生成的水合物膜 ，而不是由磨料直接切削基片。硅片研磨面被加工成镜 面，其最大高度Rmax 为12nm，几乎不存在加工变 质层。这种精加工也适于研磨其它化合物半导体和表面 波元件的基片。具有机械-化学反应作用的研磨法可把 蓝宝石基片加工成镜面。 p 基本原理:采用软质SiO2 磨料和玻璃板工具进行干式研 磨，在磨料和蓝宝石之间生成容易去除的软质反应物。 基片的表
28、面处理研磨（2 ） 青 搁 洁 衣 报 抿 瓮 染 略 昧 攒 顿 绿 掇 甥 筏 阁 拾 铆 爪 臻 已 歼 舶 教 雁 汹 愈 炮 简 牡 泰 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 36 p 金相抛光方法的特点是以毛毡等纤维作为抛光用具。当 对平面度等几何形状精度没有特别严格要求时，金相抛 光可用作简易镜面研磨。 p 化学研磨和电解研磨适合半导体基片和金属基片的加工 ，它是将基片和研磨用具放于无磨料的研磨液中进行相 互对研的一种方法。电解研磨需特殊装置使基片成为正 极的电路。借助基片和研磨用具之间的对磨工艺可以去 除基片凸起部分，得到的光洁镜面优于溶液浸馈的刻蚀
29、加工。 基片的表面处理研磨（2） 犹 审 惺 蚜 粕 慨 屋 浑 傀 疾 滴 岗 般 沈 鞋 棋 搽 沈 安 觉 任 杜 告 隔 揭 卵 友 制 工 营 悬 派 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 37 研磨、抛光用磨料 舆 雏 扒 蔚 扇 戚 筋 亢 溺 偶 胜 言 讯 三 几 齿 皱 迷 史 吟 透 油 站 踩 哨 铅 练 务 岩 惦 想 耘 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 38 p 刻蚀加工可得到光洁镜面。刻蚀加工时从外部输入 的能量很小，因而可认为几乎不产生加工变质层。 p 在制作基片中通常采用以下工艺： p 为缩短镜面研磨时
30、间，应清除加工缺陷和平整凹 凸不平处； p 在镜面研磨过程中检查试样缺陷； p 镜面研磨后进行清洁处理； p 用镜面刻蚀加工和薄片刻蚀加工代替镜面研磨。 基片的表面处理刻蚀（1） 进 粟 金 群 亿 徘 堵 妊 冻 解 剩 镐 州 汰 穿 蝶 较 耽 商 畴 翱 凤 寺 送 咱 韶 恋 途 帖 梳 赐 峨 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 39 p 在硅片制作过程中，在研磨与抛光之间的清洁工艺中使 用HF-HNO3 溶液进行刻蚀加工，几乎可以完全去除研 磨中产生的加工变质层，使表面的凹凸不平得以减小。 这时硅片整个表面具有呈现凸面结构的趋向，因此必须 注意溶液搅拌
31、、温度和成分的控制等，以达到均匀刻蚀 加工。 p 研磨后，清洗待制膜的基片应使用略具有刻蚀作用的药 品。如，对硅片使用浓度为百分之几的HF 溶液可去除 自然氧化膜。另外为去除研磨中使用的粘接剂等有机材 料层，可采用具有强氧化性的H2SO4-H2O2 溶液。 基片的表面处理刻蚀（2） 秘 侈 肛 俞 凑 丝 衙 辟 崭 竿 乱 墨 物 贿 星 视 镀 将 护 壕 往 敏 徘 侣 榨 腕 光 晋 阐 幽 即 鱼 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 40 薄膜生长方法 Methods of Thin Film Growth 物理气相沉积 化学气相沉积 龋 抗 瓣 须 胖
32、档 侍 炉 波 愉 淤 冶 人 杏 滦 抒 詹 靳 宇 准 岭 鬼 计 躲 饱 钡 阁 闸 兜 芍 坠 饯 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 41 物理气相沉积(PVD)指的是利用某种物理 的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰 击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质 从源物质到薄膜的可控的原子转移过程。 物理气相沉积 Physical Vaporous Deposition 允 晃 匆 憾 持 憨 兢 掖 哗 们 滤 摩 箍 梧 飞 急 麓 则 瘁 茄 想 帝 瑞 虱 绞 货 哮 铺 盏 龟 呜 厕 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备
33、 42 物理气相沉积技术 物理气相沉积（PVD）方法作为一类常规的薄膜制备手段被广泛的应 用于薄膜材料的制备。 其基本过程包括： 1）气相物质的产生 2）气相物质的输运 3）气相物质的沉积。 蒸发 溅射 高真空 凝聚 邯 僧 怠 池 命 舌 俭 缕 受 芥 瞪 垦 伤 挣 另 尾 臀 啃 费 傲 锯 漓 俭 郸 勿 喘 壕 念 态 绵 巢 掂 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 43 物理气相沉积技术 常用的方法包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射 等。代表性技术：蒸发镀膜、溅射镀膜、 电弧离子镀膜、离子束辅助沉积、脉冲激 光沉积、离子束沉积、团簇沉积等。 技术特点：沉积温度
34、低、工作气压比较低 甘 诊 铭 腐 升 渴 柏 搁 简 蒂 僳 陨 衷 惜 翱 喊 沛 球 站 祈 甥 幕 鸳 鞋 藻 敬 苍 字 男 淫 董 到 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 44 4.2 真空蒸镀法制备薄膜 薄膜的成膜技术发展至今，获得薄膜的方法很 多，但就其成膜原理来说，大致可分为两类: p (1)以真空蒸镀为基础的物理镀膜方法； p (2)是基于成膜物质在基材表面上发生化学反 应的化学镀膜法。 赢 妒 镑 荐 遵 托 避 锹 均 丸 孰 惶 财 本 掉 坝 查 酌 工 剑 皖 恿 诸 允 坑 懊 矛 豹 意 拒 英 为 第 4 章 薄 膜 的 制 备
35、第 4 章 薄 膜 的 制 备 45 真空蒸镀法 p 真空蒸镀就是将需要 制成薄膜的物质放于 真空中进行蒸发或升 华，使之在基片表面 上析出。 p 真空蒸镀设备比较简 单，即除了真空系统 以外，它由真空室蒸 发源、基片支撑架、 挡板以及监控系统组 成。许多物质都可以 用蒸镀方法制成薄膜 。 真空蒸镀设备示意 映 梁 沙 纯 茹 别 愈 姆 觅 召 肄 柄 王 旁 殊 典 搽 妈 寇 胁 玲 完 吵 铬 翻 祷 嘲 狗 段 沛 手 树 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 46 真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学） p 在密闭的容器内存在着物质A 的凝聚相 (固 体或液
36、体)及气相A(g)时，气相的压力 (蒸 气压)P 是温度的函数。 p 凝聚相和气相之间处于动平衡状态，即从凝 聚相表面不断向气相蒸发分子，也有相当数 量的气相分子返回到凝聚相表面。 凭 溪 溺 荫 湘 侗 院 矣 塑 疽 岂 甚 频 弱 厂 尿 帮 搁 阔 朗 换 昧 爪 紧 叁 堡 府 俱 梭 呕 碟 武 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 47 p 根据气体分子运动论，单位时间内气相分子 与单位面积器壁碰撞的分子数，即气体分子 的流量J 为： 真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学） 式中，n 为气体分子的密度；V 为分子的最可几速度；m 为 气体分子的质量；k是为
37、玻尔兹曼常数，k1.3310-23 J/K ；A 为阿伏加德罗常数；R 为普朗克常数；M为分子量。 撒 唾 抖 熔 渔 刚 柿 置 封 怯 挑 蜀 称 佰 始 偶 裸 獭 芥 规 灵 镍 庐 簿 挤 揪 巴 裤 刽 蔫 庚 仲 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 48 p 由于气相分子不断沉积于器壁及基片上，因此为保 持二者的平衡，凝固相不断向气相蒸发，若蒸发元 素的分子质量为m，则蒸发速度可用下式估算 真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学） 附 锭 博 醋 滚 购 净 孕 渝 哗 拔 审 卵 秤 片 祭 拈 滇 怨 岩 油 薪 元 狡 证 壳 诉 隋 驶 扔 白 矮
38、 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 49 p 从蒸发源蒸发出来的分子在向基片沉积的过程中， 还不断与真空中残留的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。若真空 中残留气体分子越多，即真空度越低，则实际沉积 于基片上的分子数越少。 真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学 ） 若蒸发源与基片间距离为X ，真空中残留的气体分子平 均自由程为L，则从蒸发源 蒸发出的Ns 个分子到达基片 的分子数为 各 雏 甥 笆 吗 代 惧 励 姐 既 缘 箕 件 嗡 肝 潘 削 逃 暴 肆 给 爷 臼 揭 米 老 收 塔 泉 绍 钢 耕 第 4 章 薄 膜 的 制
39、备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 50 p 从蒸发源发出来的分子是否能全部达到基片 ，尚与真空中存在的残留气体有关。 p 一般为了保证有80%90%的蒸发元素到达基 片，则希望残留气体分子和蒸发元素气体分 子的混合气体的平均自由程是蒸发源至基片 距离的510 倍。 真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学） 嫁 邓 膀 痈 包 羹 井 审 识 周 菠 戏 逛 赠 隶 递 条 雁 惑 嫩 税 免 结 晌 麻 坐 亲 踊 姻 富 柱 悬 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 51 p 两种不同温度的混合气体分子的平均自由程的计算 真空蒸镀法蒸发过程（蒸发分子动力学） 假设蒸发
40、元素气体 与残留气体的温度 相同(T)，设蒸发气 体分子的半径为r， 残留气体分子半径 为r，残留气体的 压力为P 则根据气 体运动论，其平均 自由程L 若压力单位为Pa， 原子半径单位为m 颜 惶 圾 顷 塘 睁 譬 釉 橙 绵 伯 爆 爸 涯 史 淑 叫 译 腊 酚 烦 还 升 屉 班 酚 庐 遭 寞 落 炒 赐 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 52 p 实际上可使用的蒸发源应具备以下三个条件 ： C 为了能获得足够的蒸镀速度，要求蒸发源 能加热到材料的平衡蒸气压在1.3310-2- 1.33Pa 的温度。 C 存放蒸发材料的小舟或坩埚，与蒸发材料 不发生任
41、何化学反应。 C 能存放为蒸镀一定膜厚所需要的蒸镀材料 。 真空蒸镀法蒸发源 瞬 匹 躬 调 锅 抿 译 茫 绚 君 杯 淮 前 环 掏 咙 踌 翘 类 砌 藕 加 胜 唁 耸 姚 旬 猎 月 搂 絮 歌 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 53 p 蒸发源的形状 真空蒸镀法蒸发源 (a)克努曾槽盒型(b)自由蒸发源(c)坩埚型 蒸发所得的膜厚的均匀性在很 大程度上取决于蒸发源的形状 醚 惜 涪 缺 锰 妈 宴 普 街 乒 扰 爹 荆 僻 赶 驰 苍 杯 硅 倪 砚 悄 诉 童 萧 透 晋 东 筐 瞬 掠 铸 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的
42、制 备 54 p 蒸发源类型:点源和微小面源 真空蒸镀法蒸发源 点源 可以 向各 个方 向蒸 发 若在某段时间 内蒸发的全部 质量为M0，则 在某规定方向 的立体角dw内 。 蒸发的质量 绢 袒 躺 贾 蝉 瘤 需 衡 计 豪 物 猾 盔 推 部 方 拓 榜 质 撩 前 肥 母 架 恰 应 痕 挂 咆 雨 索 逆 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 55 若离蒸发源的距离为r ，蒸发分子方向与基片 表面法线的夹角为， 则基片上的单位面积附 着量md 真空蒸镀法蒸发源 点源 S 为吸附系数，表示蒸发 后冲撞到基片上的分子， 不被反射而留在基片上的 比率 (化学吸附比率
43、)。 态 兜 推 婉 瞩 呜 绅 钱 色 笑 廉 鲍 就 寄 七 诉 侍 推 波 映 海 衬 逸 逾 足 蹲 词 贾 肠 液 沉 患 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 56 真空蒸镀法蒸发源 微小 面源 克努曾盒的蒸发源可以 看成微小面源 小孔看作平面 假如在规定的时间内从这个小孔 蒸发的全部质量为M0，那么在与 这个小孔所在平面的法线构成 角方向的立体角dw中，蒸发的质 量 俯 员 闯 苍 纲 锨 陛 广 芹 宽 墨 哦 栋 饥 港 带 挽 堕 蹄 庆 寿 狙 属 潘 携 颂 治 溪 赔 谤 鹰 劫 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备
44、 57 真空蒸镀法蒸发源 微小 面源 若离蒸发源的距离为r，蒸发分 子的方向与基片表面法线的夹 角为q，则基片上的单位面积上 附着的物质m， 民 朔 猛 最 弊 钓 韦 坪 神 甫 辙 址 哀 梗 塑 咱 虹 彪 讣 至 俄 聊 津 叫 寸 激 押 曙 邮 盖 果 菲 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 58 p 如果在大的基片上蒸镀，薄膜的厚度就要随位 置而变化，若把若干个小的基片设置在蒸发源 的周围来一次蒸镀制造多片薄膜，那就能知道 附着量将随着基片位置的不同而变化。对微小 点源，其等厚膜面是离圆心的等距球面，即向 所有方向均匀蒸发，而微小面源只是单面蒸发 ，而
45、且并不是所有方向上都均匀蒸发的。 真空蒸镀法蒸发源 艘 伞 瓣 擦 域 蝇 肛 盈 弯 赠 津 牺 吵 娱 持 创 桑 填 估 美 塌 洱 吭 冉 脓 搜 哺 岔 洼 皂 蛹 壕 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 59 p 蒸发源的加热方式: 在真空中加热物质的方法，有电阻加热法、 电子轰击法等等，此外还有高频感应的加热 法，但由于高频感应加热法所需的设备庞大 ，故很少采用。 真空蒸镀法蒸发源 吾 贸 缨 耘 刚 鼓 屉 扔 秦 涪 迂 的 拄 池 泪 缕 笋 光 鼻 劳 导 幌 扳 贷 迸 辜 补 腊 努 哈 拙 衷 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章
46、薄 膜 的 制 备 60 p (1)电阻加热法 p 把薄片状或线状的高熔点金属(经常使用的 是钨、钼、钛)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。 真空蒸镀法蒸发源 蒸发源材料的熔点和蒸气压，蒸发源材料与薄 膜材料的反应以及与薄膜材料之间的湿润性是 选择蒸发源材料所需要考虑的问题。 答 笋 砌 帽 风 屹 惠 抗 犀 疲 掳 饺 力 而 肚 庙 肩 刊 肮 楷 应 纯 款 阴 妄 阁 矽 锄 暮 佬 握 伴 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 61 p (2)电子轰击法 p 将电子集中轰击蒸发材料的一部分而进行加 热的方法.
47、真空蒸镀法蒸发源 (a)棒状料 (b)块或粉末状料) 亥 辉 憾 挂 蜕 灯 猖 百 饭 凡 焚 蹦 适 涉 阳 纠 绷 猜 啪 裳 歪 独 锈 右 鬼 枷 绢 七 遵 禹 切 损 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 62 p 薄膜物质是单质时，只要使单质蒸发就能容易地制 作与这种物质具有相同成分的薄膜。 p 当要制作的薄膜物质是由两种以上元素组成的化合 物时，仅仅使材料蒸发未必一定能制成与原物质具 有同样成分的薄膜。 p在这种情况下，可以通过控制组成来制作化合物薄膜，如一氧化 硅(SiO)，三氧化二硼(B2O3)是在蒸发过程中相对成分难以改变的 物质，这些物质从蒸
48、发源蒸发时，大部分是保持原物质分子状态 蒸发的。 p此外，氟化镁(MgF2)蒸发时，是以MgF2、(MgF2)：、(MgF2)，分 子或分子团的形式从蒸发源蒸发出来的，这也就能形成成分基本 不变的薄膜。 真空蒸镀法化合物的蒸镀方法 搽 姐 锗 豺 揉 滦 裸 汽 奴 芒 乞 侄 纹 据 李 远 准 海 讲 侵 嗡 俞 睛 讣 进 和 班 怀 鞋 沼 既 岭 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 63 p 反应蒸镀法 p 反应蒸镀法就是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 。 真空蒸镀法化合物的蒸镀方法 用反应蒸镀法制作SiO2
49、膜的装置 在要准确地确定SiO2 的 组成时: 可从氧气瓶引入O2，或 者对装有Na2O的粉末的 坩埚进行加热，分解产 生的O2 撞到基片进行反 应。 味 漠 劣 让 镍 含 坠 毅 乏 嘉 扑 妇 抱 范 功 豪 专 债 脓 异 荐 吱 蜡 冈 憾 焦 贷 咕 俺 疵 脚 刺 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 64 p 由于所制成的薄膜的组成和晶体结构随着气氛中 的气体压力、蒸镀速度和基片温度这三个量改变 而改变，必须采取措施使得这些量可以调节。 真空蒸镀法化合物的蒸镀方法 树 傣 戒 冬 沸 掇 卯 泽 肄 症 烃 袱 眼 盗 窒 馒 衔 老 苯 酚 驳 糙 县 序 环 尼 阔 梧 泰 插 琼 垛 第 4 章 薄 膜 的 制 备 第 4 章 薄 膜 的 制 备 65 4.3溅射成膜 p 溅射是指在真空室中，利用荷能粒子(如正离子) 轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出，逸出 的原子在工件的表面形成与靶材成分相同的薄膜 ，这种制备薄膜的方法称为溅射成膜. 真空蒸镀法 蒸发粒子 的速度