材料物理制备基础第四讲：薄膜的制备二、薄膜的物理气相沉积PVD1、衬底的准备2、真空蒸镀法3、脉冲激光沉积法1、衬底的准备名称单晶衬底---用薄膜外延生长；通过从解理面切开的方法获得平整、洁净的衬底；食盐晶体---因为是水溶性的，沉积薄膜后，通过在水中浸泡，可获得便于电镜观察的无衬底的薄膜（用TEM时制备样品）。在实验中广泛应用；氧化镁晶体---用于钛酸锶、YBCO超导膜等等；硅---大量用于半导体器件薄膜的制备；砷化镓---通常用于超晶格外延生长薄膜；（2）衬底的清洗衬底表面的污染对于薄膜的物理化学性能有极大的影响。i）超声波清洗原理：超声波在液体中传播时，在液体中会发生产生气泡又消失的现象（气穴效应）。气穴内的压力瞬时局部升高，其作用在放在液体中的衬底时，就在其表面产生局部温升和局部高速流动，结果使衬底表面得到清洗。此方法对于除去油脂类污染有效。操作：把衬底放入烧杯，倒入丙酮或酒精。将烧杯放入已放入水的超声波清洗器水槽。清洗5分钟。取出后，用氮气吹干，尽快放入真空室中。ii）硅片的清洗iii）离子轰击法在真空室中设置正负电极，放入氩气。用辉光放电时期产生离子。将衬底置于放电空间，具有一定速度的离子轰击衬底表面，衬底表面的分子被离子从衬底表面打出来。这种方法对于各种污染都是有效的。但是衬底表面会受到一定程度的破坏。2、真空蒸镀法缺点：1）薄膜与衬底之间的结合力一般比较小；2）对薄膜结构敏感的一些性质，再现性差，可靠性差，无论用什么方法制备薄膜都有这个问题存在，而真空蒸镀的薄膜这个问题特别突出。3）高熔点物质和低蒸气压物质的真空蒸镀膜时很难制作的。例如铂、钽。4）蒸发物质的坩埚材料也或多或少的一起蒸发，从而混入薄膜中成为杂质。真空室中的残留气体分子也会进入薄膜成为杂质。1）物质的蒸发速度在一定温度下，每种液体、固体都具有特定的平衡蒸气压，只有当环境中被蒸发物质的分压降低到它的平衡蒸气压以下时，才有物质的净蒸发。单位源物质表面上物质的净蒸发速率3、单位面积上气体分子的碰撞频率（单位面积上气体分子的通量）2）蒸气的方向性Me—蒸发出来的物质总量dAs---衬底面积元dMs—dAs上接受的沉积物的质量θ---衬底表面与空间角法线的偏离角r—蒸发源于衬底间的距离Knudsencell21223）蒸发源---蒸发材料的加热装置蒸镀的装置—真空室+加热装置（蒸发源）+衬底蒸发源—电阻加热；电子束加热；高频感应加热螺线形蒸发源：用钨丝、或钽丝容易制备。加热电流20A左右。薄膜材料是向整个空间蒸发，材料损耗大，粉末状薄膜材料不能使用。影响蒸发源材料的选择的三个因素蒸发源材料的熔点、蒸气压薄膜材料的蒸发温度（平衡蒸气压为1Pa时的温度）多数在1000K~2000K之间，所以蒸发源材料的熔点必须高于这个温度。此外，还必须考虑蒸发源材料在蒸发蒸镀材料时，也随着蒸发而成为杂质进入薄膜。因此必须考虑蒸发源材料的平衡蒸气压。使薄膜材料的蒸发温度低于蒸发源材料平衡蒸气压为10-10Pa时的温度。在杂质较多而不受影响的情况下，也可采用与10-7Pa相对应的温度。26ii、电子束加热：4）纯元素蒸发、与蒸镀以单原子或原子团的形式蒸发进入气相；蒸发形式：固态----液态----气态（当温度达到熔点时其平衡气压仍较低）固态---气态（升华）（在熔点附近平衡气压已经较高）31例：镀银薄膜银是最容易蒸镀的的物质之一5）合金的蒸发与蒸镀蒸发合金中原子间的结合力小于化合物中不同原子间的结合力，因此合金中各元素原子的蒸发过程可以看作各自独立的过程，就像它们在纯元素蒸发时一样。不同的金属蒸发速度不同，合金成分蒸发时随时间而变化。因此，薄膜的成分亦随时间改变。闪蒸蒸镀法：把合金做成粉末，均匀的落入加热器中，使其一个一个在一瞬间完全蒸发从而保证薄膜的组分与原料的组分一致。双蒸发源蒸镀法：6）化合物的蒸发、与蒸镀蒸发：蒸发时化合物可能分解；在气相状态下，可能发生化合物各组元间的化合与分解过程；沉积后的薄膜成分可能偏离原化合物的化学组成；37反应蒸镀法：（主要用于制备高熔点化合物薄膜）39双蒸发源蒸镀法（三温度法、分子束外延法）：---主要用于制备单晶半导体化合物（III-V族）薄膜41制备III-V族半导体化合物单晶薄膜时，衬底温度必须保持在几百度。此时V族元素的蒸气压比III族元素高出很多，V族元素不会单独凝结在衬底上。如果存在III族元素，在适当的压力、温度条件下，V族元素的蒸气与III-V族化合物的固体保持平衡共存。因此制备III-V族化合物的单晶薄膜时必须严格控制衬底、和两个蒸发源的温度。这就是所谓的三温度法，分子束外延法就是在三温度法的基础上发展起来的。431、生