《各类薄膜制备技术》课件

各类薄膜制备技术概论课将术积积本件全面概述各类薄膜制备技，涵盖物理气相沉、化学气相沉、积辅积术们将应化学液相沉、等离子体助沉等多种技我从薄膜的定义和用领绍术结数应域出发，逐步介不同技原理、设备构、工艺参控制、用实例等内终讨产应容，最探薄膜制备工艺的优化与业化用薄膜的定义及应用领域薄膜的定义应用领域纳级层过应领导显传薄膜是指厚度在微米或米量的材料，通常通物理或化学薄膜用域广泛，包括电子器件（如半体器件、示器、积独方法在基底表面上沉而成它具有特的物理、化学和光学性感器）、光学器件（如光学薄膜、光纤）、能源材料（如太阳能质领应传，使其在各个域得到广泛用电池、燃料电池）、生物医药材料（如人工器官、生物感器）等薄膜制备技术的发展历史早期1纪们开术这标19世，人始利用蒸发技制备金属薄膜，志着薄膜制备术术进溅镀技的萌芽此后，随着真空技的步，射、离子等物理气积术渐来相沉技逐发展起20世纪中期2积术问为径化学气相沉技的世，制备各种功能性薄膜提供了新的途励术现进等离子体增强CVD、光激CVD等技的出，一步提高了薄质膜的量和性能现代3层积术级原子沉（ALD）技的兴起，以其精确的原子控制能力，成为关键术时积制备高性能薄膜的技同，低能团簇束沉、脉冲激光积术断应沉等新型技也在不发展和用薄膜制备技术分类概述1物理气相沉积（PVD）术将溅积PVD技是指在真空条件下，利用物理方法源材料蒸发或射，然后沉到基底术溅镀表面形成薄膜常见的PVD技包括真空蒸发、射、离子等2化学气相沉积（CVD）术应将态驱应CVD技是在真空条件下，利用化学反气前体分解或反，然后在基底表积术热面沉形成薄膜常见的CVD技包括CVD、等离子体增强CVD、金属有机化学积气相沉（MOCVD）等3化学液相沉积（CSD）术将驱过应积CSD技是指溶解在溶液中的前体通化学反在基底表面沉形成薄膜常术积镀见的CSD技包括溶胶凝胶法、电化学沉、化学等其他技术4术还术积除了上述主要技，有其他一些薄膜制备技，例如低能团簇束沉、脉冲激光积沉、离子注入、表面氧化、表面氮化等物理气相沉积技术概览真空蒸发溅射术将热压溅术轰击真空蒸发技是在真空条件下，源材料加至其蒸气足够高射技是在真空条件下，利用离子靶材，使靶材表面原子积溅来积，使其蒸发，然后沉在基底表面形成薄膜射出，并沉在基底表面形成薄膜离子镀分子束外延镀术轰击术热溅离子技是在真空条件下，利用离子基底表面，使基底表分子束外延技是在超高真空条件下，利用蒸发或射方法，积级单面活化，然后沉原子或分子形成薄膜以原子控制的方式在晶基底上生长薄膜化学气相沉积技术概览热CVD等离子体增强CVD光激励CVD热术术励术CVD技是指利用高温加等离子体增强CVD技是在光激CVD技是指利用光热态驱态驱态驱气前体，使其发生化气前体中引入等离子体照射气前体，使其发生应积应学反，并在基底表面沉，利用等离子体的能量和活光化学反，并在基底表面进应积形成薄膜性物种，促化学反，提沉形成薄膜积质高沉速率和薄膜量金属有机化学气相沉积（MOCVD）术MOCVD技是以金属有机为驱化合物作前体，利用化应积学反在基底表面沉形成薄膜真空蒸发技术原理术将热压态真空蒸发技是源材料加到其蒸气足够高，使其蒸发成气，然后在环积该术简单真空境中沉到基底表面形成薄膜技易行，适用于制备金属、金属合金、氧化物、硫化物等材料的薄膜真空蒸发设备结构真空室蒸发源基底台真空泵进积来热来镀来内真空室是行薄膜沉的主蒸发源是用加源材料的基底台用放置待的基底真空泵用抽取真空室的内热转倾证要空间，部需要保持高真装置，通常采用电阻加、，可以旋或斜，以保空气，使真空室达到所需的热热积匀空度，以防止蒸发材料与空电子束加、激光加等方薄膜沉的均性真空度气中的氧气、氮气等气体发式应生反真空蒸发工艺参数控制蒸发温度压进选择蒸发温度决定了蒸发速率，需要根据源材料的蒸气行真空度质过导过真空度影响薄膜的量，高的真空度会致薄膜的生长速率降低，导质低的真空度会致薄膜的量下降沉积时间积时进沉间决定了薄膜的厚度，需要根据所需薄膜的厚度行设定基底温度结进基底温度影响薄膜的晶体构和表面形貌，需要根据薄膜的性能要求选择行真空蒸发的应用实例光学薄膜术应滤真空蒸发技广泛用于制备光学薄膜，如增透膜、反射膜、干涉光片等，提高光学器件的性能和效率金属薄膜术铝应真空蒸发技可用于制备各种金属薄膜，如膜、金膜、银膜等，饰热领用于电子器件、装材料、反射材料等域有机薄膜术真空蒸发技也可用于制备有机薄膜，如聚合物薄膜、有机发光应显传二极管（OLED）等，用于示器、感器、生物医药材料等领域溅射沉积技术原理溅积术轰击溅射沉技是在真空条件下，利用离子靶材，使靶材表面原子射出来积该术，并沉在基底表面形成薄膜技适用于制备各种材料的薄膜，包括导金属、合金、陶瓷、半体等直流溅射技术特点简单1溅术结简单直流射技设备构，操作方便高效率2溅术积较较直流射技沉速率高，适用于制备厚度大的薄膜低成本3溅术较规产直流射技设备成本低，适用于大模生射频溅射技术特点适用于绝缘材料1频溅术绝缘溅术则射射技可以用于制备材料的薄膜，而直流射技不适用控制精度高2频溅术匀射射技可以更好地控制薄膜的厚度和均性薄膜质量高3频溅术射射技制备的薄膜具有更高的密度、更低的缺陷密度磁控溅射技术原理溅术溅过场场对约磁控射技是在射程中引入磁，利用磁等离子体的束作用，溅质溅术纯提高射效率和薄膜量磁控射技可以制备高度、高密度的薄膜，应导领广泛用于半体、光学、磁性材料等域反应性溅射技术应溅术溅过应溅来应应积反性射技是在射程中引入反气体，利用射出的靶材原子与反气体发生反，并在基底表面沉形成化合物薄膜该术技可以制备各种化合物薄膜，如氧化物、氮化物、碳化物等溅射设备结构组成靶材真空室来溅2进积内靶材是用射的材料，可以是金属、导真空室是行薄膜沉的主要空间，证溅过合金、陶瓷、半体等1部需要保持高真空度，以保射程稳进气体供应系统的定行3应来溅过气体供系统用提供射程中所需应的惰性气体或反气体真空泵5电源来内真空泵用抽取真空室的空气，使真4来频压空室达到所需的真空度电源用提供直流或射电，激发靶溅材表面原子射溅射工艺参数优化1靶材选择进选择靶材的需要根据薄膜的材料和性能要求行2气体压力压溅质进选择气体力影响射速率和薄膜的量，需要行优化3功率溅溅积时进调射功率决定了射速率，需要根据薄膜的厚度和沉间行整4基底温度结进选择基底温度影响薄膜的晶体构和表面形貌，需要根据薄膜的性能要求行溅射薄膜应用案例离子镀技术原理镀术轰击离子技是在真空条件下，利用离子基底表面，使基底表面活化，然积该术蚀后沉原子或分子形成薄膜技可以制备高附着力、高硬度、高耐腐应层饰领性的薄膜，广泛用于工具涂、光学薄膜、装材料等域离子镀设备结构真空室离子源蒸发源基底台进积来产来积来镀真空室是行薄膜沉的主离子源用生离子，通常蒸发源用提供待沉的原基底台用放置待的基底内频转倾证要空间，部需要保持高真采用直流或射放电方式子或分子，可以旋或斜，以保积匀空度，以防止离子与空气中薄膜沉的均性应的气体发生反离子束辅助沉积辅积术轰击离子束助沉技是利用离子束基底表面，使基底表面活化，然后沉积该术原子或分子形成薄膜技可以提高薄膜的附着力和密度，并可以控制薄膜的生长方向离子镀工艺控制要点真空度1围内证应真空度需要保持在一定的范，以保离子与空气中的气体发生反，影质响薄膜量离子能量2轰击进离子能量决定了离子基底表面的强度，需要根据基底材料和薄膜要求选择行沉积速率3积积时进调沉速率决定了薄膜的生长速率，需要根据薄膜的厚度和沉间行整气体流量4进调气体流量影响离子源的放电功率和离子能量，需要根据实际情况行整离子镀应用领域工具涂层光学薄膜镀术质镀术离子技可以制备硬薄膜，离子技可以制备光学薄膜，滤如TiN、CrN、DLC等，提高工如增透膜、反射膜、干涉光片具的耐磨性和使用寿命等，提高光学器件的性能和效率装饰材料镀术饰应离子技可以制备各种装材料，如金黄色薄膜、银白色薄膜等，饰领用于装、珠宝等域分子束外延技术术热溅级单该术质分子束外延技是在超高真空条件下，利用蒸发或射方法，以原子控制的方式在晶基底上生长薄膜技可以制备高量单应导纳领、高性能的晶薄膜，广泛用于半体器件、光电子器件、米材料等域分子束外延设备特点超高真空原子级控制高精度123术环术术结组分子束外延技需要在超高真空分子束外延技可以精确控制薄膜分子束外延技可以制备构和进证过现级境下行，以保薄膜的生长程的生长速率和厚度，实原子控成均一的薄膜，具有很高的精度杂质不受的影响制化学气相沉积原理积术应将态驱应积该术化学气相沉技是在真空条件下，利用化学反气前体分解或反，然后在基底表面沉形成薄膜技可以制备各种材导料的薄膜，包括金属、合金、陶瓷、半体、有机材料等热技术特点CVD工艺简单热术结简单CVD技设备构，操作方便沉积速率高热术积较较CVD技沉速率高，适用于制备厚度大的薄膜成本较低热术较规产CVD技设备成本低，适用于大模生等离子体增强CVD术态驱等离子体增强CVD技是在气前体中引入等离子体，利用等离子体的能量进应积质该术和活性物种，促化学反，提高沉速率和薄膜量技可以制备高性能的薄膜，如氮化硅、氧化硅等光激励技术CVD励术态驱应光激CVD技是指利用光照射气前体，使其发生光化学反，并在基底积该术质表面沉形成薄膜技可以制备具有特殊光学性的薄膜，如光学薄膜、太阳能电池等金属有机化学气相沉积积术为驱金属有机化学气相沉（MOCVD）技是以金属有机化合物作前体，利应积该术纯结用化学反在基底表面沉形成薄膜技可以制备高度、高晶度的应导领薄膜，广泛用于半体器件、光电子器件等域工艺参数控制CVD温度压力1驱压驱浓温度影响前体的分解速率和薄膜的生力影响前体的度和薄膜的生长速进调2进调长速率，需要根据实际情况行整率，需要根据实际情况行整气体流量沉积时间4驱应积时气体流量影响前体的供量和薄膜的3沉间决定了薄膜的厚度，需要根据进调进生长速率，需要根据实际情况行整薄膜的厚度要求行设定设备系统构成CVD进积内真空室行薄膜沉的主要空间，部需要保持一定的真空度应过气体供系统提供CVD程中所需的各种气体驱应载，包括前体、反气体、气等热对应进热进加系统基底和反室行加，促应积化学反，提高沉速率和薄膜质量将应过产废排气系统反程中生的气排出，证稳保真空度的定数压控制系统控制CVD工艺参，如温度、积时力、气体流量、沉间等薄膜应用实例CVD半导体器件光学薄膜涂层材料术导术术层CVD技可用于制备各种半体薄膜，如CVD技可用于制备各种光学薄膜，如增CVD技可用于制备各种涂材料，如氮锗应滤硅薄膜、薄膜等，用于集成电路、光透膜、反射膜、干涉光片等，提高光学化硅、氧化硅等，提高材料的耐磨性、耐领蚀伏电池等域器件的性能和效率腐性和耐高温性原子层沉积技术原理层积术术过态驱原子沉（ALD）技是一种薄膜制备技，其核心原理是通气前体应现级该术与基底表面发生自限制反，实原子控制的薄膜生长技具有高度匀的薄膜厚度控制精度和均性，可以制备各种材料的薄膜，包括氧化物、氮化物、硫化物、金属等工艺周期控制ALD过骤骤ALD工艺周期是指完成一次薄膜生长程所需的步，通常包括以下步1驱驱应驱驱）前体脉冲引入，2）前体反，3）前体排气，4）第二种前体脉冲驱应驱骤时引入，5）第二种前体反，6）第二种前体排气每个步的间都需进调证质要根据实际情况行整，以保薄膜生长的量前驱体选择ALD驱术选择质ALD前体是ALD技中不可或缺的材料，其会直接影响薄膜的量和性驱选择虑驱压驱能前体的需要考以下因素1）前体的蒸气，2）前体与基应驱热稳驱纯底表面的反性，3）前体的定性，4）前体的度反应机理分析ALD应驱应过应ALD反机理是指前体与基底表面发生化学反的具体程ALD反机理们数的分析可以帮助我更好地理解ALD工艺参的影响，优化工艺条件，提高薄质膜量设备系统特点ALD真空系统环证质杂质ALD设备通常需要在高真空境下工作，以保薄膜生长的量不受的影响气体供应系统应时现级ALD设备需要精确控制气体供量和脉冲间，以实原子控制的薄膜生长加热系统对应进热应质ALD设备需要基底和反室行加，以提高反速率和薄膜量控制系统数压时ALD设备需要精确控制工艺参，如温度、力、气体流量、脉冲间等，现级以实原子控制的薄膜生长薄膜应用领域ALD化学液相沉积概述积术将驱过应积该术化学液相沉（CSD）技是指溶解在溶液中的前体通化学反在基底表面沉形成薄膜技可以制备各种材料的薄膜，简单资积包括氧化物、硫化物、金属等，其特点是成本低、工艺、设备投少，适用于大面薄膜的制备溶胶凝胶法原理将盐盐剂溶胶凝胶法是指无机金属或金属醇溶解在溶中，形成溶胶，然后通过应将转为过烧结骤终获化学反，溶胶化凝胶，再通干燥、等步，最得所需该术钛锌的薄膜技可以制备各种氧化物薄膜，如二氧化硅、氧化、氧化等溶胶凝胶工艺步骤溶胶制备1将盐盐剂金属或金属醇溶解在溶中，形成溶胶凝胶化2过缩应将转为通控制水解、聚等反，溶胶化凝胶干燥3将进剂凝胶行干燥，去除其中的水分和有机溶烧结4将进烧结残杂质干燥后的凝胶行高温，去除留的，形成致密的薄膜溶胶凝胶应用案例光学薄膜传感器催化剂传剂溶胶凝胶法可用于制备各种光学薄膜，如溶胶凝胶法可用于制备各种感器材料，溶胶凝胶法可用于制备各种催化材料，滤传传剂增透膜、反射膜、干涉光片等如气体感器、生物感器等如金属氧化物催化等电化学沉积技术积术积术电化学沉技是指利用电解原理，在基底表面沉金属或合金薄膜的技该术镍技可以制备各种金属薄膜，如铜膜、膜、银膜等，其特点是成本低资简单积、设备投少、操作，适用于大面薄膜的制备电沉积工艺参数12电流密度电解液浓度积质进调浓积质进调电流密度决定了沉速率和薄膜的量，需要根据实际情况行整电解液度影响沉速率和薄膜的量，需要根据实际情况行整34电解液温度沉积时间积质进调积时进电解液温度影响沉速率和薄膜的量，需要根据实际情况行整沉间决定了薄膜的厚度，需要根据薄膜的厚度要求行设定电沉积设备系统电解槽电源电解液基底台进积来压驱进积来镀电解槽是行电沉的主要电源用提供直流电，电解液是行电沉的主要基底台用放置待的基底蚀过质盐转倾证容器，通常由耐腐材料制动电解程介，通常由金属、酸、，可以旋或斜，以保组积匀成碱等成薄膜沉的均性电沉积应用领域电子器件表面处理积术积术镀电沉技可用于制备各种电子电沉技可用于金属表面的导连层层镀镀镀镍器件材料，如电薄膜、接处理，如金、银、等层、金属化等功能材料积术电沉技可用于制备各种功能材料，如磁性材料、光学材料等化学镀技术原理镀术应积化学技是指在溶液中利用化学反，在基底表面沉金属或合金薄膜的术该术简单技技不需要外加电流，不需要特殊的设备，操作，成本低，可镍以制备各种金属薄膜，如膜、铜膜、银膜等化学镀工艺控制溶液温度溶液浓度值沉积时间pH积浓积积积时溶液温度影响沉速率和薄溶液度影响沉速率和薄pH值影响沉速率和薄膜的沉间决定了薄膜的厚度质质质进膜的量，需要根据实际情膜的量，需要根据实际情量，需要根据实际情况，需要根据薄膜的厚度要求进调进调调进况行整况行整行整行设定化学镀应用实例低能团簇束沉积积术低能团簇束沉技是指利用气体或蒸汽在等离子体中形成团簇，然后利用将积该术低能离子束团簇沉到基底表面形成薄膜技可以制备高密度、高均匀应导性的薄膜，并且可以控制薄膜的生长方向，用于半体器件、光学薄膜纳领、米材料等域脉冲激光沉积技术积术脉冲激光沉技是指利用高能量脉冲激光照射靶材，使靶材表面材料蒸发将积该术并形成等离子体，然后等离子体沉到基底表面形成薄膜技可以制积备各种材料的薄膜，包括金属、陶瓷、复合材料等，具有沉速率快、薄膜质应围量高、用范广等优点离子注入技术术轰击将内离子注入技是利用离子束基底表面，离子注入到基底材料部，改质获术该术变基底材料的物理、化学性，从而得所需功能的技技可以改变导质应导材料的电性、光学性、机械性能等，用于半体器件、金属材料表面领改性、生物医药材料等域表面氧化技术术剂应表面氧化技是指利用氧气或其他氧化与材料表面发生化学反，形成氧术该术蚀应化膜的技技可以提高材料的耐腐性、耐磨性、硬度等，用于金领属材料表面处理、光学薄膜、电子器件等域表面氮化技术术剂应术该术表面氮化技是指利用氮气或其他氮化与材料表面发生化学反，形成氮化膜的技技可以提高材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀应层领性、耐高温性等，用于金属材料表面处理、工具涂、电子器件等域薄膜厚度控制方法晶体振荡器法椭偏仪法原子力显微镜法123荡测积过测显镜扫利用晶体振器量薄膜沉程利用光束照射薄膜表面，量反射利用原子力微描薄膜表面，质质状态状态扫结计中基底量的变化，根据量变化光的偏振，根据偏振的变根据描果算薄膜厚度计计算薄膜厚度化算薄膜厚度薄膜质量表征技术X射线衍射透射电子显微镜线图谱结观观结利用X射照射薄膜，分析衍射，确定薄膜的晶体构、晶粒利用电子束穿透薄膜，察薄膜的微构，分析薄膜的晶体缺数结尺寸、晶格常等信息陷、相构等信息扫描电子显微镜原子力显微镜扫观显镜扫获纳利用电子束描薄膜表面，察薄膜的表面形貌，分析薄膜的表利用原子力微描薄膜表面，得薄膜的表面形貌和米尺颗结面粗糙度、粒尺寸等信息度的构信息薄膜性能测试方法硬度测试电阻测试透光率测试计测计测计测利用硬度量薄膜的利用电阻量薄膜的利用光度量薄膜的评评导评硬度，估薄膜的耐磨电阻率，估薄膜的透光率，估薄膜的光质性、耐刮擦性电性学性耐腐蚀性测试蚀环利用腐液模拟实际测试蚀境，薄膜的耐腐性能薄膜制备工艺优化杂过薄膜制备工艺的优化是一个复的程，需要根据薄膜的材料、性能要求、应环进综虑质产用境等因素行合考工艺优化可以提高薄膜的量、性能、量产，降低成本，提高生效率薄膜产业化应用产应术应领薄膜业化用是薄膜技发展的重要方向，其用域广泛，包括电子器为件、光学器件、能源材料、生物医药材料等，各行各业的发展提供了新的战机遇和挑。