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材料合成与制备方法
;本章主要内容;3.1薄膜材料基础;(2).薄膜分类;(4)组成;3.薄膜应用;4.代表性的制备方法按物理、化学角度来分,有:;薄膜的生长过程分为以下三种类型:
(1)核生长型
(2)层生长型
(3)层核生长型
;(1)核生长型
特点:到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核,后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近,使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。
这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配(非共格)时出现,大部分的薄膜的形成过程属于这种类型。
;核生长型薄膜生长的四个阶段:
a.成核:
b.晶核长大并形成较大的岛
c.岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络
d.沟道被填充
在薄膜的生长过程中,当晶核一旦形成并达到一定尺寸之后,另外再撞击的离子不会形成新的晶核,而是依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成薄膜。;;(2)层生长型
特点:沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层,然后再在三维方向上生长第二层、第三层……。
一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积原子相互之间键能的情况下(共格)发生这种生长方式的生长。
以这种方式形成的薄膜,一般是单晶膜。例如在Au衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜;(3)层核生长型
特点:生长机制介于核生长型和层生长型的中间状态。
在半导体表面形成金属膜时常呈现这种方式的生长。例如在Ge表面上沉积Cd,在Si表面上沉积Bi、Ag等都属于这种类型。
;薄膜涂层本身不能单独作为一种材料来使用,必须和基片结合起来才能发挥其作用。;基片的清洗;利用蒸发、溅射沉积或复合的技术,不涉及到化学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜生长过程的技术,以PVD为代表。;3).物理气相沉积--真空蒸镀;真空蒸发镀膜;NaturalWorld“Atomic-World”;3.4.1蒸发的分子动力学基础;气体分子平均自由程:;;
(a)克努曾盒型(b)自由挥发型(c)坩埚型;;;距基片中心为δ距离的膜厚为:;蒸发源的加热方式;电阻加热法;电阻加热???发源的形状
螺旋丝状:可以从各个方向发射蒸气
箔舟状:可蒸发不浸润蒸发源的材料,效率较高,但只能向上蒸发。
;电子束加热法;电子束聚焦(静电聚焦、磁场聚焦);3.4.3合金、化合物的蒸镀方法;关键技术是:
蒸发源独立工作
设置隔板;2).化合物蒸镀方法;三温度法;改进三温度法
(分子束外延法,四温度法);分子束外延;;;?;3.5化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition);3.5.1CVD反应原理;SiCl4+2H2Si+4HCl;3).氧化反应制备氧化物薄膜;CVD沉积条件;5).物理激励反应过程;3.5.2影响CVD薄膜的主要参数;不一定为理论配比,应通过实验确定。
例如:用三氯化硼和氨反应沉积氮化硼膜:
BCl3(气)+NH3→BN(固)+3HCl(气)
理论上,BCl3与NH3的流量比应等于1;
实际中,在1200℃的温度下,当NH3/BCl3<2时,
沉积速率很低;而NH3/BCl3>4时,反应生成物又
会出现NH4Cl一类的中间产物。
为了得到较高的沉积速率和高质量的BN薄膜,
必须通过实验来确定各物质间的最佳流量比。;3).压力;沉积温度T是影响沉积质量的主要因素:
沉积温度越高,沉积速度越快,沉积物愈致密,结构完善;
沉积温度根据沉积物的结晶温度,并兼顾基体的耐热性决定。
例如:;3.5.3CVD设备;2).加热系统;3).气体控制系统;3.5.4CVD的优缺点
(1)优点
①膜层纯度一般很高,很致密,容易形成结晶定向好的材料;
例如:用蓝宝石基片,用CVD制备α-Al2O3单晶材料,
其杂质含量为30—34ppm,远小于蓝宝石本身的杂质含量;
②能在较低温度下制备难熔物质;
例如用WF6沉积W时,沉积温度500—700℃,远低于W的熔点。
③可人为掺杂,制备各种半导体、氧化物和化合物膜。
(2)缺点
基体温度高,沉积速度低,设备较电镀法复杂,难于局部沉积,
有一定毒性,应用不如蒸镀、溅射广泛。;3.6溅射成膜;溅射成膜优点:
溅射原子能量高,膜层和基体附着力强;
可以方便的制取高熔点物质的薄膜;
可精确控制膜成分,便于自动化操作,工
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