一、 薄膜的概念和分類
采用一定的方法,使處于某種狀態的一種或幾種物質(原材料)的基因以物理或化學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,這層新物質就是薄膜。簡而言之,薄膜就是由離子、原子或分子的沉積過程形成的二維材料。
薄膜分類
(1) 按物態分類:氣態,液態,固態。
(2) 按結晶態分類:非晶態:原子排列短程有序,長程無序。
晶態:又分為單晶和多晶;單晶為外延生長,在單晶基地上同質和異質外延,多晶在一襯底上生長,由許多取向相異單晶集合體組成。
(3) 按化學角度分類:有機薄膜和無機薄膜。
(4) 按組成分類:金屬薄膜和非金屬薄膜
(5) 按物性分類:硬質薄膜、聲學薄膜、熱學薄膜、金屬導電薄膜、半導體薄膜、超導薄膜、介電薄膜、磁阻薄膜、光學薄膜。
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
在薄膜制備過程中,基體的選擇與其他制備條件同樣重要,有時可能更重要,基體選擇的原則是:
(1)是否容易成核和生長成薄膜;
(2)根據不同的應用目的,選擇金屬(或合金)、玻璃、陶瓷單晶和塑料等作基體;
(3)薄膜結構與基體材料結構要對應;
(4)要使薄膜和基體材料的性能相匹配,從而減少熱應力,不使薄膜脫落;
(5)要考慮市場供應情況、價格、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、清潔度都會對所生長的薄膜有影響。基片表面的任何一點污物都會影響薄膜材料的性能和生長情況。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薄膜生長方法和薄膜使用目的選定,因為基片表面狀態嚴重影響基片上生長出的薄膜結構和薄膜物理性質。
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附著的污物的清洗方法。
目前,基片清洗方法有:用化學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
真空技術是制備薄膜的基礎,真空蒸發,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。真空是指氣體較稀薄的空間。真空是一個相對的概念“低于一個大氣壓的氣體狀態。”真空狀態是氣體分子運動的動態結果。標準狀況下氣體的分子密度約為 3x1019 個/cm3,1 /104大氣壓下氣體的分子密度約為 3x1015 個/cm3。
2、真空度的單位
真空狀態下氣體稀薄程度稱為真空度,通常用壓力值表示。1958年,第一界國際技術會議曾建議采用“托”(Torr)作為測量真空度的單位。國際單位制(SI)中規定壓力的單位為帕(Pa)。我國采用SI規定。
1標準大氣壓(1atm)≈1.013×105Pa(帕)
1Torr≈1/760atm≈1mmHg
1Torr≈133Pa≈102 Pa
100Pa=0.75Torr ≈1Torr
3、真空度的劃分
為了研究真空和實際應用方便,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)四個等級。
4、真空的基本特點
(1)氣體間的碰撞少,平均自由程長
(2)與器壁或研究對象表面的碰撞少
(3)壓力低,改變化學平衡
(4)熱導低
(5)化學非活性
三、制備方法
代表性的制備方法按物理、化學角度來分,有:
1 物理成膜 PVD
2 化學成膜 CVD
物理成膜的定義為:利用蒸發、濺射沉積或復合的技術,不涉及到化學反應,成膜過程基本是一個物理過程而完成薄膜生長過程的技術,以PVD為代表。
成膜的方法和工藝:真空蒸發鍍膜(包括脈沖激光沉積、分子束外延)
濺射鍍膜
離子成膜
化學成膜的定義為:有化學反應的使用與參與,利用物質間的化學反應實現薄膜生長的方法。
成膜的工藝和方法:化學氣相沉積(CVD – Chemical Vapor Deposition )
液相反應沉積(液相外延)
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