纳米材料导论 第三章 纳米薄膜材料PVDppt课件

1、纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料Seminar的总结v1 ppt 的制造的制造v2 对论文的了解对论文的了解v3 声音，表情，动作声音，表情，动作第三章第三章 纳米薄膜资料纳米薄膜资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 薄膜资料是相对于体资料而言的，是人薄膜资料是相对于体资料而言的，是人们采用特殊的方法，在体资料的外表堆积或们采用特殊的方法，在体资料的外表堆积或制备的一层性质于体资料完全不同的物质层。制备的一层性质于体资料完全不同的物质层。薄膜资料遭到注重的缘由在于它往往具有特薄膜资料遭到注重的缘由在于它往往具有特殊的资料性能或资料组合。殊

2、的资料性能或资料组合。前往前往纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料 薄膜资料之所以可以成为现代资料科学各分支中开展薄膜资料之所以可以成为现代资料科学各分支中开展最为迅速的一个分支，至少有以下三个方面的缘由最为迅速的一个分支，至少有以下三个方面的缘由 1 现代科学技术的开展，特别是微电子技术的开现代科学技术的开展，特别是微电子技术的开展，突破了过去体资料的一统天下。过去需求众展，突破了过去体资料的一统天下。过去需求众多资料组合才干实现的功能，如今仅仅需求少数多资料组合才干实现的功能，如今仅仅需求少数几个器件或一块集成电路就可以完成。薄膜技术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

3、件和系统微型化的最有效的技术手段。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坚持器件原有的功器件的微型化不仅可以坚持器件原有的功能，并使之更强化，而且随着器件的尺寸减能，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小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜资料或其器件将显示出许多全观尺度，薄膜资料或其器件将显示出许多全新的物理景象。薄膜技术作为器件微型化的新的物理景象。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关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。有效手段。 3 每种资料的性能都有其局限性。薄膜技术每

4、种资料的性能都有其局限性。薄膜技术作为资料制备的有效手段，可以将各种不同作为资料制备的有效手段，可以将各种不同的资料灵敏地复合在一同，构成具有优良特的资料灵敏地复合在一同，构成具有优良特性的复杂资料体系，发扬每种成分的优势，性的复杂资料体系，发扬每种成分的优势，防止单一资料的局限性防止单一资料的局限性 纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料 纳米薄膜的分类纳米薄膜的分类 A：由纳米粒子组成：由纳米粒子组成(或堆砌而成或堆砌而成)的薄膜。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资料，即纳：在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种资料，即纳米复合薄膜米复合薄膜 由特征维度尺寸为

5、纳米数量级由特征维度尺寸为纳米数量级1100nm的组元镶嵌于不的组元镶嵌于不同的基体里所构成的复合薄膜资料。同的基体里所构成的复合薄膜资料。 “纳米复合薄膜纳米复合薄膜 按用途可分为两大类：按用途可分为两大类： a:纳米复合功能薄膜纳米复合功能薄膜 b:纳米复合构造薄膜纳米复合构造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、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，经过复合赋予基体所不具备的性磁方面的特异性能，经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。能，从而获得传统薄膜所没有的功能。电磁学性质电磁学性

6、质导电薄膜：导电薄膜：Au, Ag, Cu, Al, NiCr, NiSi2, NiSi, CoSi2, TiSi2, SnO2Au, Ag, Cu, Al, NiCr, NiSi2, NiSi, CoSi2, TiSi2, SnO2电介质薄：电介质薄：SiO2, CaF, BaF2, Si3N4, AlN, BN, BaTiO3, PZT(PbZr1-SiO2, CaF, BaF2, Si3N4, AlN, BN, BaTiO3, PZT(PbZr1-xTixO3)xTixO3)半导体薄膜：半导体薄膜：Si, Ge, C, SiC, GaAs, GaN, InSb, CdTe, CdS, Z

7、nSeSi, Ge, C, SiC, GaAs, GaN, InSb, CdTe, CdS, ZnSe超导薄膜：超导薄膜：YBCO (YBa2Cu3O7)YBCO (YBa2Cu3O7)磁性薄膜：磁性薄膜： Co-Cr, Mn-Bi, GdTbFe, La1-xCax(Srx)MnO3 Co-Cr, Mn-Bi, GdTbFe, La1-xCax(Srx)MnO3压电薄膜：压电薄膜：AlN, ZnO, LiNbO3, BaTiO3, PbTiO3AlN, ZnO, LiNbO3, BaTiO3, PbTiO3 b) b) 光学性质光学性质吸收，反射，增透膜：吸收，反射，增透膜： Si, CdT

8、e, GaAs, CuInSe2, MgF Si, CdTe, GaAs, CuInSe2, MgF发光膜：发光膜： ZnS, ZnSe, AlxGa1-xAs, GaN, SiC ZnS, ZnSe, AlxGa1-xAs, GaN, SiC 装饰膜：装饰膜：TiN/TiO2/Glass, Au, TiNTiN/TiO2/Glass, Au, TiN纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料b:纳米复合构造薄膜：经过纳米粒子复合纳米复合构造薄膜：经过纳米粒子复合提高机械方面的性能提高机械方面的性能a) a) 硬度，磨损，摩擦硬度，磨损，摩擦 TiN, CrN, ZrN, TiC, CrC, Z

9、rC, TiN, CrN, ZrN, TiC, CrC, ZrC, Diamond Diamondb)b)腐蚀腐蚀 Au, Zn, Sn, Ni-Cr, TiN, BN 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、半导体高分子金属高分子、半导体高分子“纳米复合薄膜纳米复合薄膜纳米粒子：纳米粒子： 金属、半导体、绝缘体、有机高分子金属、半导体、绝缘体、有机高分子基体资料：基体资料：不同于纳米粒子的任何资料不同于纳米粒子的任何资料 复合薄膜系列：纳米材料及纳米工

10、艺 第三章 纳米薄膜材料32纳米薄膜资料制备技术纳米薄膜资料制备技术 1 1、真空蒸发、真空蒸发( (单源单层蒸发；单源多层蒸发；单源单层蒸发；单源多层蒸发；多源反响共蒸发多源反响共蒸发) ) 2 2、磁控溅射、磁控溅射 3 3、离子束溅射单离子束、离子束溅射单离子束( (反响反响) )溅射；双离溅射；双离子束子束( (反响反响) )溅射；多离子束反响共溅射溅射；多离子束反响共溅射 4 4、分子束外延、分子束外延(MBE)(MBE)1 1、物理方法、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直流溅射法交流溅射法交流溅射法1 1化学气相堆积化学气相堆积(CVD)(CVD)：金属有

11、机物化学气相堆：金属有机物化学气相堆积；热解化学气相堆积；等离子体加强化学气相积；热解化学气相堆积；等离子体加强化学气相堆积；激光诱导化学气相堆积；微波等离子体化堆积；激光诱导化学气相堆积；微波等离子体化学气相堆积。学气相堆积。2) 2) 溶胶溶胶- -凝胶法凝胶法3)3)电镀法电镀法 2 2、化学方法、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堆积纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料 厚度均匀度厚度均匀度 外表平坦度粗糙度外表平坦度粗糙度 成分晶粒尺寸成分晶粒尺寸 不含应力不含应力 纯度纯度 整体性整体性-堆积膜必需材质延续、不含针孔堆积膜必需材质延续、不含针孔-膜层

12、的厚度影响：电阻，薄层易含针孔，机械强度较弱膜层的厚度影响：电阻，薄层易含针孔，机械强度较弱-覆盖阶梯外形特别重要，膜层厚度维持不变的才干覆盖阶梯外形特别重要，膜层厚度维持不变的才干/ 圖圖4 沈積層在沈積層在 (b) 階梯處變薄階梯處變薄薄膜性质参数薄膜性质参数物理气相堆积物理气相堆积(PVD)(PVD)方法作为一类常规的薄膜制方法作为一类常规的薄膜制备手段被广泛地运用于纳米薄膜的制备与研讨任备手段被广泛地运用于纳米薄膜的制备与研讨任务中，务中，PVDPVD包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。3 32 21 1物理气相堆积法物理气相堆积法Physical Vapor

13、DepositionPhysical Vapor Deposition1 1气相堆积的根本过程气相堆积的根本过程 (1) (1)气相物质的产生气相物质的产生(2)(2)气相物质的输运气相物质的输运 (3) (3)气相物质的堆积气相物质的堆积纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料NoImage1EvaporationMaterialSubstrateHeaterVacuum chamberCloudNoImage2SputteringMaterialSubstratePlasma使 堆 积 物 加 热 蒸 发 ， 这 种 方 法 称 为 蒸 发 镀 膜使 堆 积 物 加 热 蒸 发 ， 这 种

14、 方 法 称 为 蒸 发 镀 膜Evaporation Evaporation ；器具有一定能量的粒子轰击靶资料，从靶材上击出堆积器具有一定能量的粒子轰击靶资料，从靶材上击出堆积物原子，称为溅射镀膜物原子，称为溅射镀膜SputteringSputtering。 (1) (1)气相物质的产生气相物质的产生目的：防止气体碰撞妨碍堆积物到达基片。目的：防止气体碰撞妨碍堆积物到达基片。 在高真空度的情况下在高真空度的情况下(真空度真空度10-2Pa)，堆积物，堆积物与剩余气体分子很少碰撞，根本上是从源物质直线与剩余气体分子很少碰撞，根本上是从源物质直线到达基片，堆积速率较快；到达基片，堆积速率较快；

15、假设真空度过低，堆积物原子频繁碰撞会相互假设真空度过低，堆积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，使薄膜堆积过程无法进展，或薄膜质凝聚为微粒，使薄膜堆积过程无法进展，或薄膜质量太差。量太差。 (2)(2)气相物质的输运气相物质的输运在真空中进展在真空中进展气相物质在基片上的堆积是一个凝聚过程。气相物质在基片上的堆积是一个凝聚过程。根据凝聚条件的不同，可以构成非晶态膜、根据凝聚条件的不同，可以构成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。多晶膜或单晶膜。假设在堆积过程中，堆积物原子之间发生化假设在堆积过程中，堆积物原子之间发生化学反响构成化合物膜，称为反响镀。学反响构成化合物膜，称为反响镀。假设器具有一定能量的离子轰

16、击靶材，以求假设器具有一定能量的离子轰击靶材，以求改动膜层构造与性能的堆积过程称为离子镀。改动膜层构造与性能的堆积过程称为离子镀。 (3) (3)气相物质的堆积气相物质的堆积定义：在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相，定义：在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相，然后凝聚在基体外表的方法。然后凝聚在基体外表的方法。(见书上见书上p52图图)2. 蒸镀蒸镀(Evaporation)在高真空中，将源物质加在高真空中，将源物质加热到高温，相应温度下的热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上分发。饱和蒸气向上分发。基片设在蒸气源的上方阻基片设在蒸气源的上方阻挠蒸气流，蒸气那么在基挠蒸气流，蒸气

17、那么在基片上构成凝固膜。片上构成凝固膜。为了补充凝固蒸气，蒸发为了补充凝固蒸气，蒸发源要以一定的速度延续供源要以一定的速度延续供应蒸气。应蒸气。(1)(1)蒸镀原理蒸镀原理纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料电阻加热蒸镀电阻加热蒸镀 电子束加热蒸镀电子束加热蒸镀合金膜的制备合金膜的制备 化合物膜的制取化合物膜的制取 分子束外延分子束外延 激光蒸发镀膜激光蒸发镀膜(2)(2)蒸镀方法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外形的加热器，并电阻法是用高熔点金属做成适当的外形的加热器，并将膜资料放在上面加热，利用电流的热效应使加热器温将膜资料放在上面加热，

18、利用电流的热效应使加热器温度到达资料蒸发的温度，膜资料蒸发并淀积在基板上。度到达资料蒸发的温度，膜资料蒸发并淀积在基板上。 一些金属的蒸发温度一些金属的蒸发温度 电阻加热蒸镀电阻加热蒸镀由此表可见大多数金由此表可见大多数金属的蒸发温度都在属的蒸发温度都在1000度到度到2000度之度之间，而钨、钼的熔点间，而钨、钼的熔点都高于都高于2000度，因度，因此加热的金属资料普此加热的金属资料普通都选钨、钼。通都选钨、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、螺旋状即可作为加热源。在融化以后、被蒸发物

19、质或与钨丝构成较好的浸润、被蒸发物质或与钨丝构成较好的浸润、靠外表张力坚持在螺旋钨丝中、或与靠外表张力坚持在螺旋钨丝中、或与钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。钨丝完全不浸润，被钨丝螺旋所支撑。电阻资料的要求电阻资料的要求 耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发耐高温、高温下蒸汽压低、不与被蒸发物发生化学反响、无放气景象和其它污染、适宜的电阻率。物发生化学反响、无放气景象和其它污染、适宜的电阻率。所以普通是难熔金属所以普通是难熔金属 W、Mo和和Ta等等A:钨丝加热器钨丝加热器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。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

20、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，如一对于钨丝不能加热的物质，如一些资料的粉末，那么用难熔金属些资料的粉末，那么用难熔金属板支撑的加热器。板支撑的加热器。对于在固态升华的物质来说，也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公可以用难熔金属制成的升华用公用容器。用容器。 B:舟状加热器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：依托缠于坩埚外的电阻丝加热。电阻加热法：依托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，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

21、感生出的感应电流来实现对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。导电性。C：坩埚加热器：坩埚加热器v资料：高熔点氧化物、资料：高熔点氧化物、BN、石墨、难熔金属、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，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外形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构造坩埚式蒸发器构造(Ta加热器加热器)纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料

22、电阻法的缺陷：膜资料与加热资料之间产生分散或电阻法的缺陷：膜资料与加热资料之间产生分散或反响，使加热资料本身的熔点和蒸发点降低，以致反响，使加热资料本身的熔点和蒸发点降低，以致呵斥镀得的膜层含有杂质。呵斥镀得的膜层含有杂质。 大多数膜资料在熔化后将于加热资料浸润。大多数膜资料在熔化后将于加热资料浸润。外表扩张，附着在加热器上构成面蒸发源，蒸发效外表扩张，附着在加热器上构成面蒸发源，蒸发效果比较好。果比较好。 反之，假设膜资料于加热资料不浸润，膜资料反之，假设膜资料于加热资料不浸润，膜资料将融为一个液球，成为点蒸发源，假设加热器的外将融为一个液球，成为点蒸发源，假设加热器的外形不适宜液球将从加热

23、器上零落下来，使蒸镀失败。形不适宜液球将从加热器上零落下来，使蒸镀失败。蒸镀时要根据膜资料的性质，留意选择加热器的外形。蒸镀时要根据膜资料的性质，留意选择加热器的外形。-不能堆积合金不能堆积合金(因不同元素蒸发速率不同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用电子束法加热将防止电阻法的缺陷。电子束法是将用电子束法加热将防止电阻法的缺陷。电子束法是将热发射的电子在电场的作用下，经磁聚焦后构成电子热发射的电子在电场的作用下，经磁聚焦后构成电子束打在加热器坩埚内的膜资料上，膜资料在电子束打在加热器坩埚内的膜资料上，膜资料在电子束的轰击下蒸镀到基板上，构成镀膜。坩埚通常要水束

24、的轰击下蒸镀到基板上，构成镀膜。坩埚通常要水冷。冷。 电子束加热蒸镀电子束加热蒸镀利用电子束加热可以使钨利用电子束加热可以使钨(熔点熔点3380)等高熔点金属熔化。等高熔点金属熔化。此种方法适用于多种此种方法适用于多种膜资料，尤其适用于膜资料，尤其适用于高熔点的物质。高熔点的物质。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料电子束加热安装构造电子束加热安装构造(热灯丝释出电子热灯丝释出电子)纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料电子束加工时本卷须知电子束加工时本卷须知n当电子束撞击到金属、气体或金属蒸汽时，当电子束撞击到金属、气体或金属蒸汽时，会产生会产生X X射线，损伤人体细胞。在电子束加工射

25、线，损伤人体细胞。在电子束加工中，必需留意中，必需留意X X射线辐射对人体的危害。射线辐射对人体的危害。 n因此需求配置足够厚的钢壁或外壁包铅以防止射因此需求配置足够厚的钢壁或外壁包铅以防止射线外溢。线外溢。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料图图1 :薄膜由均匀的微小晶粒薄膜由均匀的微小晶粒组成组成. 图中膜层外表的裂纹是图中膜层外表的裂纹是由于基底由于基底Ta 外表具有一定的外表具有一定的粗糙度呵斥的粗糙度呵斥的.纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料蒸镀实验步骤蒸镀实验步骤: :1)1)基片清洗以及安装：对薄膜基片，先用水基片清洗以及安装：对薄膜基片，先用水洗掉灰尘，再用超声波清洗

26、干净，取出后洗掉灰尘，再用超声波清洗干净，取出后用高纯度氮气吹干，把干净的基片放在样用高纯度氮气吹干，把干净的基片放在样品架指定位置。品架指定位置。2)2)镀膜资料的预备，安放在蒸发用坩埚内。镀膜资料的预备，安放在蒸发用坩埚内。3)3)盖好钟罩，抽真空，到达蒸发镀膜的真空盖好钟罩，抽真空，到达蒸发镀膜的真空要求要求10-4Pa10-4Pa左右。左右。4)4)开启坩埚的加热电源，烘烤样片。开启坩埚的加热电源，烘烤样片。5)5)预熔镀膜资料。预熔镀膜资料。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料6)6)移开基片的挡板，设定样片基片的加热程度，移开基片的挡板，设定样片基片的加热程度，把蒸镀资料加热到

27、一定温度熔点以上，把蒸镀资料加热到一定温度熔点以上，开场蒸镀。开场蒸镀。7)7)蒸膜厚度到达要求以后，把挡板拨回原位，蒸膜厚度到达要求以后，把挡板拨回原位，依次封锁镀膜资料、基片的加热电源，等基依次封锁镀膜资料、基片的加热电源，等基片冷却到室温左右，封锁真空泵，开启钟罩，片冷却到室温左右，封锁真空泵，开启钟罩，取出样片进展测试。取出样片进展测试。本卷须知本卷须知1)预熔镀膜资料时要保证挡板挡在样片上。预熔镀膜资料时要保证挡板挡在样片上。2)样片取出前要冷却样片到室温左右。样片取出前要冷却样片到室温左右。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料堆积合金膜，应在整个基片外表和膜层厚度范围内堆积合金

28、膜，应在整个基片外表和膜层厚度范围内得到均匀的组分。得到均匀的组分。合金膜的制备合金膜的制备 可采用两种方式可采用两种方式p53图图3.6单电子束蒸发源堆积单电子束蒸发源堆积多电子束蒸发源堆积多电子束蒸发源堆积 蒸镀法制取化合物膜的限制要素蒸镀法制取化合物膜的限制要素: :1)1)大多数的化合物在加热蒸发时会全部或部分分解。大多数的化合物在加热蒸发时会全部或部分分解。所以用简单的蒸镀技术无法由化合物直接制成符合化所以用简单的蒸镀技术无法由化合物直接制成符合化学计量比的膜层。学计量比的膜层。( (但有一些化合物，如氯化物、硫但有一些化合物，如氯化物、硫化物、硒化物和碲化物，甚至少数氧化物如化物、

29、硒化物和碲化物，甚至少数氧化物如B203B203、Sn02Sn02，可以采用蒸镀。由于它们很少分解或者当其凝，可以采用蒸镀。由于它们很少分解或者当其凝聚时各种组元又重新化合。聚时各种组元又重新化合。) )2) 2) 与坩埚资料反响从而改动膜层成分。与坩埚资料反响从而改动膜层成分。 化合物膜的制取化合物膜的制取纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料制取化合物膜的途径是采用反响镀。例如制取化合物膜的途径是采用反响镀。例如镀制镀制TiCTiC是在蒸镀是在蒸镀TiTi的同时，向真空室通的同时，向真空室通人乙炔气，在基片上发生以下反响，而得人乙炔气，在基片上发生以下反响，而得到到TiCTiC膜层：膜层

30、： 2Ti+C2H22Ti+C2H2一一2TiC+H2 2TiC+H2 以蒸镀为根底开展起来的分子束外延技术和设备，以蒸镀为根底开展起来的分子束外延技术和设备，经过十余年的开发，近年来已制备出各种经过十余年的开发，近年来已制备出各种V族化合物的半导体器件。外延：堆积膜与基片之族化合物的半导体器件。外延：堆积膜与基片之间存在一定的结晶学关系。间存在一定的结晶学关系。分子束外延分子束外延(Molecular Beam Epitaxy) MBEMBE生长原理生长原理在一定的单晶基体上资料衬底上，沿着衬底的某个在一定的单晶基体上资料衬底上，沿着衬底的某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜，如外延膜在指数

31、晶面向外延伸生长一层单晶薄膜，如外延膜在同一资料上生长，称为同质外延，假设外延是在不同一资料上生长，称为同质外延，假设外延是在不同资料上生长那么为异质外延。同资料上生长那么为异质外延。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料在在Si100外表上异质外延生长了外表上异质外延生长了Si1-XGe层层在在MgO100基片上原位制备了基片上原位制备了YBa2CuO薄膜薄膜 在超高真空条件下，准确控制原资料的分子束强度，在超高真空条件下，准确控制原资料的分子束强度，把分子束射入被加热的底片上而进展外延生长的。可在原把分子束射入被加热的底片上而进展外延生长的。可在原子尺度上准确控制外延厚度，掺杂和界面平整

32、度的超薄层子尺度上准确控制外延厚度，掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制备技术。薄膜制备技术。MBE方法方法纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料该技术的特点是：该技术的特点是：A：系统是超高真空，因此杂质气体不易进入薄膜，薄膜的纯：系统是超高真空，因此杂质气体不易进入薄膜，薄膜的纯度高。度高。B：外延生长普通可在低温下进展。：外延生长普通可在低温下进展。C：可严厉控制薄膜成分以及掺杂浓度。：可严厉控制薄膜成分以及掺杂浓度。D：对薄膜进展原位检测分析，严厉控制薄膜的生长及性质。：对薄膜进展原位检测分析，严厉控制薄膜的生长及性质。设备昂贵，维护费用高，生长时间过长，不易大规模消费等。设备昂贵，维护费

33、用高，生长时间过长，不易大规模消费等。缺陷：缺陷：纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料安装：安装：任务室任务室分子束放射源分子束放射源超高真空系统超高真空系统各种监控仪器各种监控仪器将制备薄膜所需将制备薄膜所需求的物质和掺杂求的物质和掺杂剂分别放入系统剂分别放入系统中假设干放射源中假设干放射源的坩埚内，加热的坩埚内，加热使物质熔化产生使物质熔化产生相应的分子束。相应的分子束。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料MBE/SPM/MOKE/Mssbauer SpectrometerVT-SPMLED/AESMssbauer SpectrometerMOKEMBE/EBERHEED分子束外延

34、设备分子束外延设备纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料王晓东，王晓东，2001年毕业，理学博士学位，读研期间曾获得中科院年毕业，理学博士学位，读研期间曾获得中科院刘永龄奖学金。先后在日本神户大学，瑞典刘永龄奖学金。先后在日本神户大学，瑞典Chalmer大学做博大学做博士后。如今中国科学院半导体研讨所集成技术中心副研讨员，士后。如今中国科学院半导体研讨所集成技术中心副研讨员，周大勇，周大勇，2002年毕业，理学硕士学位，年毕业，理学硕士学位，2007年毕业于荷兰埃因年毕业于荷兰埃因霍温理工大学物理系，获得博士学位，如今法国博士后。霍温理工大学物理系，获得博士学位，如今法国博士后。澜清，澜清，

35、2002年毕业，理学硕士学位，后获得北京大学博士学位，年毕业，理学硕士学位，后获得北京大学博士学位，如今法国博士后。如今法国博士后。孔云川，孔云川，2002年毕业，理学硕士学位，读研期间曾获得中科院年毕业，理学硕士学位，读研期间曾获得中科院刘永龄奖学金。如今美国普林斯顿大学物理系攻读博士学位。刘永龄奖学金。如今美国普林斯顿大学物理系攻读博士学位。徐晓华，徐晓华，2004年秋季毕业，工学硕士学位，如今美国年秋季毕业，工学硕士学位，如今美国Advanced Materials公司北京分公司工程师。公司北京分公司工程师。倪海桥，倪海桥，2004年博士后出站。留在本课题组任务，现已评为副年博士后出站。

36、留在本课题组任务，现已评为副研讨员。研讨员。龚政，龚政，2005年春季毕业，理学博士学位，读研期间曾获得中科年春季毕业，理学博士学位，读研期间曾获得中科院刘永龄奖。如今英国院刘永龄奖。如今英国University of Strathclyde博士后。博士后。中国科学院半导体研讨所分子束外延课题组中国科学院半导体研讨所分子束外延课题组 纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料 激光蒸发镀膜(laser ablation)安装 运用高功率的激光束作为能量进展薄膜运用高功率的激光束作为能量进展薄膜的蒸发堆积的方法叫激光堆积法。的蒸发堆积的方法叫激光堆积法。特点：特点：加热温度高、可防止坩埚污染、资料

37、的蒸发速率高、蒸加热温度高、可防止坩埚污染、资料的蒸发速率高、蒸发过程容易控制等特点。发过程容易控制等特点。同时由于在蒸发过程中，高能激光光子将能量直接传给同时由于在蒸发过程中，高能激光光子将能量直接传给被蒸发的原子，因此激光蒸发法的粒子能量普通显著高被蒸发的原子，因此激光蒸发法的粒子能量普通显著高于其它的蒸发方法。于其它的蒸发方法。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料v在激光加热方法中，需求采用特殊的窗口资在激光加热方法中，需求采用特殊的窗口资料将激光束引入真空室中，并要运用透镜或料将激光束引入真空室中，并要运用透镜或凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发资料上。针凹面镜等将激光束聚焦至被蒸发资料

38、上。针对不同波长的激光束，需求选用不同光谱透对不同波长的激光束，需求选用不同光谱透过特性的窗口和透镜资料。过特性的窗口和透镜资料。v 激光加热方法特别适用于蒸发那些成分激光加热方法特别适用于蒸发那些成分比较复杂的合金或化合物资料，比如近年来比较复杂的合金或化合物资料，比如近年来研讨较多的高温超导资料研讨较多的高温超导资料YBa2Cu3O7等。等。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料Laser Ablation薄膜堆积安装薄膜堆积安装(or Laser deposition)准分子激光准分子激光(KrF、248nm、2-5J/cm2)蒸镀只用于镀制对结合强度要求不高的某些蒸镀只用于镀制对结合

39、强度要求不高的某些功能膜，例如用作电极的导电膜、光学镜头功能膜，例如用作电极的导电膜、光学镜头用的增透膜等。用的增透膜等。 蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成蒸镀用于镀制合金膜时，在保证合金成分这点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯分这点上，要比溅射困难得多，但在镀制纯金属时，蒸镀可以表现出镀膜速率快的优势。金属时，蒸镀可以表现出镀膜速率快的优势。(3)(3)蒸镀用途蒸镀用途3 3溅射制膜溅射制膜SputteringSputtering定义：在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材外定义：在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材外表，使被轰击出的粒子在基片上堆积的技术。表，使被轰击出的粒子在基片上堆积的技术。

40、溅射镀膜有两种：溅射镀膜有两种：离子束溅射：在真空室中，利用离子束轰击靶外表，离子束溅射：在真空室中，利用离子束轰击靶外表，使溅射击的粒子在基片外表成膜。离子束要由特制使溅射击的粒子在基片外表成膜。离子束要由特制的离子源产生，离子源构造较为复杂，价钱较贵，只的离子源产生，离子源构造较为复杂，价钱较贵，只是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束是在用于分析技术和制取特殊的薄膜时才采用离子束溅射。溅射。另一种是在真空室中，利用低压气体放电景象，使处另一种是在真空室中，利用低压气体放电景象，使处于等离子形状下的离子轰击靶外表，并使溅射出的粒于等离子形状下的离子轰击靶外表，并使溅射出的粒子堆积在

41、基片上。子堆积在基片上。 纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料 优点：v靶材堆积在基片上时，不会呵斥任何化靶材堆积在基片上时，不会呵斥任何化学变化或成分改动学变化或成分改动v对于任何待镀资料，只需能作成靶材，对于任何待镀资料，只需能作成靶材，就可实现溅射。可將任何资料堆积在就可实现溅射。可將任何资料堆积在任何基材上任何基材上v膜和基体外表间的黏着性比蒸镀法好膜和基体外表间的黏着性比蒸镀法好v薄膜纯度高，致密性好。薄膜纯度高，致密性好。直流二级溅射直流二级溅射 三级和四极溅射三级和四极溅射 射频溅射射频溅射 磁控溅射磁控溅射 合金膜的镀制合金膜的镀制化合物膜的镀制化合物膜的镀制 离子束溅射离

42、子束溅射 溅射方法：溅射方法：靶材为良导体的溅射靶材为良导体的溅射适宜任何一类靶材的溅射适宜任何一类靶材的溅射堆积温度低，堆积速率高堆积温度低，堆积速率高纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料直流溅射堆积安装表示图直流溅射堆积安装表示图接通电源，阴极靶上的负高压接通电源，阴极靶上的负高压在两极间产生辉光放电并建立在两极间产生辉光放电并建立起一个等离子区起一个等离子区带正电的带正电的Ar离子加速轰击阴极离子加速轰击阴极靶，使靶物质外表溅射，并以靶，使靶物质外表溅射，并以分子或原子形状堆积在基片外分子或原子形状堆积在基片外表，构成靶资料的薄膜。表，构成靶资料的薄膜。直流二级溅射直流二级溅射 抽真

43、空抽真空通通Ar气，使真空室内到达溅射气压气，使真空室内到达溅射气压纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料射频溅射射频溅射其缺陷是大功率的射频电源不仅价高，而且对于人其缺陷是大功率的射频电源不仅价高，而且对于人身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业消费身防护也成问题。因此，射频溅射不适于工业消费运用。运用。 可以制取从导体到绝缘体恣意资料的膜可以制取从导体到绝缘体恣意资料的膜,可在大面积基可在大面积基片上堆积薄膜。片上堆积薄膜。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料磁控溅射磁控溅射 具有高速、低温、低损伤等优点。高速是指堆积速率具有高速、低温、低损伤等优点。高速是指堆积速率快，低温暖低损

44、伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。快，低温暖低损伤是指基片的温升低、对膜层的损伤小。 在溅射过程中，由阴极在溅射过程中，由阴极发射出来的电子在电场的作发射出来的电子在电场的作用下具有向阳极运动的趋势。用下具有向阳极运动的趋势。但是，在垂直磁场的作用下，但是，在垂直磁场的作用下，它的运动轨迹被其弯曲而重它的运动轨迹被其弯曲而重新前往靶面。新前往靶面。 束缚和延伸了电子的运束缚和延伸了电子的运动轨迹，提高电子对任务气动轨迹，提高电子对任务气体的电离效率和溅射堆积率。体的电离效率和溅射堆积率。磁控溅射是运用最广泛的一种溅磁控溅射是运用最广泛的一种溅射堆积方法，其主要缘由是这种射堆积方法，其主要缘由

45、是这种方法的堆积速率可以比其他溅射方法的堆积速率可以比其他溅射方法高出一个数量级。方法高出一个数量级。纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料ZnO薄膜作为极好的透明电极资料，主要用作太阳电池的窗薄膜作为极好的透明电极资料，主要用作太阳电池的窗口资料，对促进廉价太阳电池的开展具有重要意义。口资料，对促进廉价太阳电池的开展具有重要意义。磁控溅射法是目前尤其是国内研讨最多、磁控溅射法是目前尤其是国内研讨最多、最成熟的一种最成熟的一种ZnO薄膜制备方法薄膜制备方法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 (2)溅射制膜技术的运用v 溅射制膜法适用性非常之广。溅

46、射制膜法适用性非常之广。v就薄膜的组成而言，单质膜、合金膜、化合就薄膜的组成而言，单质膜、合金膜、化合物膜均可制造。物膜均可制造。v就薄膜资料的构造而言，多晶膜、单晶膜、就薄膜资料的构造而言，多晶膜、单晶膜、非晶膜都行。非晶膜都行。v假设从资料物性来看，可用于研制光、电、假设从资料物性来看，可用于研制光、电、声、磁或优良力学性能的各类功能资料膜。声、磁或优良力学性能的各类功能资料膜。 纳米材料及纳米工艺 第三章 纳米薄膜材料 以化合物膜的制备为例，阐明溅射制膜法的以化合物膜的制备为例，阐明溅射制膜法的意义和工艺技术特点。意义和工艺技术特点。见书见书p60高温资料的低温合成。利用溅射技术可在较低温高温资料的低温合