一、 薄膜的概念和分類
采用一定的方法,使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)(原材料)的基因以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料的表面,在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì),這層新物質(zhì)就是薄膜。簡(jiǎn)而言之,薄膜就是由離子、原子或分子的沉積過(guò)程形成的二維材料。
薄膜分類
(1) 按物態(tài)分類:氣態(tài),液態(tài),固態(tài)。
(2) 按結(jié)晶態(tài)分類:非晶態(tài):原子排列短程有序,長(zhǎng)程無(wú)序。
晶態(tài):又分為單晶和多晶;單晶為外延生長(zhǎng),在單晶基地上同質(zhì)和異質(zhì)外延,多晶在一襯底上生長(zhǎng),由許多取向相異單晶集合體組成。
(3) 按化學(xué)角度分類:有機(jī)薄膜和無(wú)機(jī)薄膜。
(4) 按組成分類:金屬薄膜和非金屬薄膜
(5) 按物性分類:硬質(zhì)薄膜、聲學(xué)薄膜、熱學(xué)薄膜、金屬導(dǎo)電薄膜、半導(dǎo)體薄膜、超導(dǎo)薄膜、介電薄膜、磁阻薄膜、光學(xué)薄膜。
二、 制備工藝
薄膜制備工藝包括:薄膜制備方法的選擇,基體材料的選擇及表面處理,薄膜制備條件的選擇等。
(一)基體的選擇
在薄膜制備過(guò)程中,基體的選擇與其他制備條件同樣重要,有時(shí)可能更重要,基體選擇的原則是:
(1)是否容易成核和生長(zhǎng)成薄膜;
(2)根據(jù)不同的應(yīng)用目的,選擇金屬(或合金)、玻璃、陶瓷單晶和塑料等作基體;
(3)薄膜結(jié)構(gòu)與基體材料結(jié)構(gòu)要對(duì)應(yīng);
(4)要使薄膜和基體材料的性能相匹配,從而減少熱應(yīng)力,不使薄膜脫落;
(5)要考慮市場(chǎng)供應(yīng)情況、價(jià)格、形狀、尺寸、表面粗糙度和加工難易程度等。
(二)基片的清洗
1、概述
由于薄膜厚度很薄,基片表面的平整度、清潔度都會(huì)對(duì)所生長(zhǎng)的薄膜有影響?;砻娴娜魏我稽c(diǎn)污物都會(huì)影響薄膜材料的性能和生長(zhǎng)情況。由此可見,基片的清洗是十分重要的。
基片的清洗方法主要根據(jù)薄膜生長(zhǎng)方法和薄膜使用目的選定,因?yàn)榛砻鏍顟B(tài)嚴(yán)重影響基片上生長(zhǎng)出的薄膜結(jié)構(gòu)和薄膜物理性質(zhì)。
2、基片的清洗方法
一般分為去除基片表面上物理附著的污物的清洗方法和去除化學(xué)附著的污物的清洗方法。
目前,基片清洗方法有:用化學(xué)溶劑溶解污物的方法、超聲波清洗法、離子轟擊清洗法、等離子體清洗法和烘烤清洗法等。
(三)薄膜的制備條件
真空技術(shù)是制備薄膜的基礎(chǔ),真空蒸發(fā),濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度,因而獲得并保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。
1、真空的概念
“真空”拉丁文Vacuo,其意義是虛無(wú)。真空是指氣體較稀薄的空間。真空是一個(gè)相對(duì)的概念“低于一個(gè)大氣壓的氣體狀態(tài)。”真空狀態(tài)是氣體分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的分子密度約為 3x1019 個(gè)/cm3,1 /104大氣壓下氣體的分子密度約為 3x1015 個(gè)/cm3。
2、真空度的單位
真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度,通常用壓力值表示。1958年,第一界國(guó)際技術(shù)會(huì)議曾建議采用“托”(Torr)作為測(cè)量真空度的單位。國(guó)際單位制(SI)中規(guī)定壓力的單位為帕(Pa)。我國(guó)采用SI規(guī)定。
1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1atm)≈1.013×105Pa(帕)
1Torr≈1/760atm≈1mmHg
1Torr≈133Pa≈102 Pa
100Pa=0.75Torr ≈1Torr
3、真空度的劃分
為了研究真空和實(shí)際應(yīng)用方便,常把真空劃分為:
低真空(1×105~1×102Pa)
中真空(1×102~1×10-1Pa)
高真空(1×10-1~1×10-6Pa)
超高真空(<1×10-6Pa)四個(gè)等級(jí)。
4、真空的基本特點(diǎn)
(1)氣體間的碰撞少,平均自由程長(zhǎng)
(2)與器壁或研究對(duì)象表面的碰撞少
(3)壓力低,改變化學(xué)平衡
(4)熱導(dǎo)低
(5)化學(xué)非活性
三、制備方法
代表性的制備方法按物理、化學(xué)角度來(lái)分,有:
1 物理成膜 PVD
2 化學(xué)成膜 CVD
物理成膜的定義為:利用蒸發(fā)、濺射沉積或復(fù)合的技術(shù),不涉及到化學(xué)反應(yīng),成膜過(guò)程基本是一個(gè)物理過(guò)程而完成薄膜生長(zhǎng)過(guò)程的技術(shù),以PVD為代表。
成膜的方法和工藝:真空蒸發(fā)鍍膜(包括脈沖激光沉積、分子束外延)
濺射鍍膜
離子成膜
化學(xué)成膜的定義為:有化學(xué)反應(yīng)的使用與參與,利用物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的方法。
成膜的工藝和方法:化學(xué)氣相沉積(CVD – Chemical Vapor Deposition )
液相反應(yīng)沉積(液相外延)
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