第三章纳米薄膜材料PVD.ppt

纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料Seminar的总结v1 ppt 的制作v2 对论文的理解v3 声音，表情，动作第三章 纳米薄膜材料纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料薄膜材料是相对于体材料而言的，是人们采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质于体材料完全不同的物质层薄膜材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的材料性能或材料组合返回纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料薄膜材料之所以能够成为现代材料科学各分支中发展 最为迅速的一个分支，至少有以下三个方面的原因∶1 现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下过去需要众 多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数 几个器件或一块集成电路就可以完成。

薄膜技术 正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段 2 器件的微型化不仅可以保持器件原有的功能，并使之更强化，而且随着器件的尺寸减 小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微 观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许多全 新的物理现象薄膜技术作为器件微型化的 关键技术，是制备这类具有新型功能器件的 有效手段 3 每种材料的性能都有其局限性薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同 的材料灵活地复合在一起，构成具有优异特 性的复杂材料体系，发挥每种成分的优势， 避免单一材料的局限性 纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料纳米薄膜的分类A：由纳米粒子组成(或堆砌而成)的薄膜B：在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料，即纳米复合薄膜由特征维度尺寸为纳米数量级（1－100nm）的组元镶嵌于不同的基体里所形成的复合薄膜材料纳米复合薄膜” 按用途可分为两大类：a:纳米复合功能薄膜b:纳米复合结构薄膜纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料a:纳米复合功能薄膜：利用纳米粒子所具有的光、电 、磁方面的特异性能，通过复合赋予基体所不具备的 性能，从而获得传统薄膜所没有的功能。

™电磁学性质导电薄膜：Au, Ag, Cu, Al, NiCr, NiSi2, NiSi, CoSi2, TiSi2, SnO2电介质薄：SiO2, CaF, BaF2, Si3N4, AlN, BN, BaTiO3, PZT(PbZr1-xTixO3)Ø半导体薄膜：Si, Ge, C, SiC, GaAs, GaN, InSb, CdTe, CdS, ZnSeØ超导薄膜：YBCO (YBa2Cu3O7)Ø磁性薄膜： Co-Cr, Mn-Bi, GdTbFe, La1-xCax(Srx)MnO3Ø压电薄膜：AlN, ZnO, LiNbO3, BaTiO3, PbTiO3 b) 光学性质Ø吸收，反射，增透膜： Si, CdTe, GaAs, CuInSe2, MgFØ发光膜： ZnS, ZnSe, AlxGa1-xAs, GaN, SiC Ø装饰膜：TiN/TiO2/Glass, Au, TiN纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料b:纳米复合结构薄膜：通过纳米粒子复合 提高机械方面的性能a) 硬度，磨损，摩擦TiN, CrN, ZrN, TiC, CrC, ZrC, Diamond b)腐蚀 Au, Zn, Sn, Ni-Cr, TiN, BN纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料金属／绝缘体、半导体／绝缘体、金属／半导体、金属／高分子、半导体／高分子“纳米复合薄膜”纳米粒子： 金属、半导体、绝缘体、有机高分子基体材料：不同于纳米粒子的任何材料复合薄膜系列：纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料3．2纳米薄膜材料制备技术1）、真空蒸发(单源单层蒸发；单源多层蒸发； 多源反应共蒸发)2）、磁控溅射3）、离子束溅射（单离子束(反应)溅射；双离子 束(反应)溅射；多离子束反应共溅射）4）、分子束外延(MBE)1、物理方法纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料直流溅射法交流溅射法1）化学气相沉积(CVD)：金属有机物化学气相沉积；热解化学气相沉积；等离子体增强化学气相 沉积；激光诱导化学气相沉积；微波等离子体化 学气相沉积。

2) 溶胶-凝胶法3)电镀法 2、化学方法纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料金属有机物化学沉积纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料厚度均匀度 表面平坦度粗糙度 成分晶粒尺寸 不含应力 纯度 整体性 -沉积膜必须材质连续、不含针孔 -膜层的厚度影响：电阻，薄层易含针孔，机械强度较弱 -覆盖阶梯形状特别重要，膜层厚度维持不变的能力圖4 沈積層在 (b) 階梯處變薄薄膜性质参数物理气相沉积(PVD)方法作为一类常规的薄膜制备手段被广泛地应用于纳米薄膜的制备与研究工作中，PVD包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等3．2．1物理气相沉积法Physical Vapor DepositionPhysical Vapor Deposition1．气相沉积的基本过程(1)气相物质的产生(2)气相物质的输运(3)气相物质的沉积纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料1EvaporationMaterialSubstrateHeaterVacuum chamberCloud2SputteringMaterialSubstratePlasmaü 使沉积物加热蒸发，这种方法称为蒸发镀膜Evaporation ；ü 用具有一定能量的粒子轰击靶材料，从靶材上击出沉积物原子，称为溅射镀膜Sputtering。

1)气相物质的产生目的：避免气体碰撞妨碍沉积物到达基片在高真空度的情况下(真空度≤10-2Pa)，沉积物 与残余气体分子很少碰撞，基本上是从源物质直线 到达基片，沉积速率较快；若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝 聚为微粒，使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质量 太差2)气相物质的输运在真空中进行气相物质在基片上的沉积是一个凝聚过程 根据凝聚条件的不同，可以形成非晶态膜、 多晶膜或单晶膜若在沉积过程中，沉积物原子之间发生化学 反应形成化合物膜，称为反应镀若用具有一定能量的离子轰击靶材，以求改 变膜层结构与性能的沉积过程称为离子镀3)气相物质的沉积定义：在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相 ，然后凝聚在基体表面的方法见书上p52图)2. 蒸镀(Evaporation)(Evaporation)在高真空中，将源物质加热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上散发基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气流，蒸气则在基片上形成凝固膜为了补充凝固蒸气，蒸发源要以一定的速度连续供给蒸气1)蒸镀原理纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料•①电阻加热蒸镀 •②电子束加热蒸镀•③合金膜的制备 •④化合物膜的制取 •⑤分子束外延• ⑥ 激光蒸发镀膜(2)蒸镀方法纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料n电阻法是用高熔点金属做成适当的形状的加热器，并 将膜材料放在上面加热，利用电流的热效应使加热器温 度达到材料蒸发的温度，膜材料蒸发并淀积在基板上。

一些金属的蒸发温度 ①电阻加热蒸镀由此表可见大多数金属的蒸发温度都在1000度到2000度之间，而钨、钼的熔点都高于2000度，因此加热的金属材料一般都选钨、钼纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料v将钨丝绕制成各种直径或不等直径的螺旋状即可作为加热源在融化以后、被蒸发物质或与钨丝形成较好的浸润、靠表面张力保持在螺旋钨丝中、或与钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑电阻材料的要求∶耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发 物发生化学反应、无放气现象和其它污染、合适的电阻率 所以一般是难熔金属∶W、Mo和Ta等 A:钨丝加热器v钨丝一方面起到加热器的作用，另一方面也起到支撑被加热物质的作用纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料对于钨丝不能加热的物质，如一些材料的粉末，则用难熔金属板支撑的加热器对于在固态升华的物质来说，也可以用难熔金属制成的升华用专用容器B:舟状加热器纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料v电阻加热法：依靠缠于坩埚外的电阻丝加热。

v高频加热法：用通水的铜制线圈作为加热的初级感应线圈，它靠在被加热的物质中或坩埚中感生出的感应电流来实现对蒸发物质的加热显然，后者要求被加热物或坩埚有一定的导电性C：坩埚加热器v材料：高熔点氧化物、BN、石墨、难熔金属加热有二种方式，即传统的电阻加热法和高频加热法，纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料常用的几种加热器形状丝状舟状坩埚纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料坩埚式蒸发器结构 (Ta加热器)纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料电阻法的缺点：膜材料与加热材料之间产生扩散或 反应，使加热材料本身的熔点和蒸发点降低，以致 造成镀得的膜层含有杂质大多数膜材料在熔化后将于加热材料浸润 表面扩张，附着在加热器上形成面蒸发源，蒸发效 果比较好反之，若膜材料于加热材料不浸润，膜材料将 融为一个液球，成为点蒸发源，如果加热器的形状 不合适液球将从加热器上脱落下来，使蒸镀失败。

蒸镀时要根据膜材料的性质，注意选择加热器的形状不能沉积合金(因不同元素蒸发速率不同)纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料v用电子束法加热将避免电阻法的缺点电子束法是将热 发射的电子在电场的作用下，经磁聚焦后形成电子束打在 加热器（坩埚）内的膜材料上，膜材料在电子束的轰击下 蒸镀到基板上，形成镀膜坩埚通常要水冷• ②电子束加热蒸镀•利用电子束加热可以使钨(熔点3380℃)等高熔点金属熔化此种方法适用于多种 膜材料，尤其适用于 高熔点的物质纳米材料及纳米工艺 。