薄膜生长与制备技术
薄膜生长与制备技术
江绍基教授
中国光学学会光学薄膜专业委员会副主任
广东省光学学会光学薄膜专业委员会主任
中山大学光电材料与技术国家重点实验室
State Key Laboratory of optoelectronic materials and technologies, Sun Yat-senUniversity
内容
薄膜生长
薄膜制备技术 薄膜的表征技术
一、薄膜生长
一、薄膜生长
1薄膜气相成核
宏观热力学理论原子模型的统计学方法
薄膜成核长大的热力学和动力学
金属薄膜的生长
半导体薄膜的生长
薄膜生长的计算机模拟2薄膜成核长大
1薄膜气相成核
1.1 宏观热力学理论
1.1.1 自发形核理论
1.1.2 非自发形核理论
1.1.3 成核速率
1.1.4 衬底温度和沉积速率对形核过程的影响
1.2 原子模型的统计学方法
2 薄膜成核长大
2.1薄膜成核长大的热力学和动力学
2.1.1 薄膜成核长大中的三类过程：薄膜成核长大中的三类过程： 局部平衡过程
动力学限制过程
动力学禁止过程
2.1薄膜成核长大的热力学和动力学
2.1.2 薄膜生长的三种模式层状生长膜（层状生长膜（Frank -Van der Merwe 模式）
岛状生长膜（岛状生长膜（Volmer -Weber 模式）模式）混合生长膜（混合生长膜（Stranski -Krastanov 模式）模式）
2.1.3 厚膜的生长
2.2金属薄膜的生长
二维晶核的形貌：二维晶核的形貌：
二维岛的分形生长二维岛的枝晶状生长二维岛的规则形状生长
2.3半导体薄膜的生长
2.3.1 台阶流动和二维成核：台阶流动和二维成核：
台阶流动成核方式二维成核方式双层台阶的形成
2.3半导体薄膜的生长
2.3.2 非晶态薄膜的生长
非晶态的分类非晶态材料的原子结构
2.4薄膜生长的计算机模拟常用的模拟算法：常用的模拟算法：
分子动力学方法：分子动力学方法：蒙特卡罗方法：蒙特卡罗方法：
二、薄膜制备技术
二、薄膜制备技术1物理气相沉积(PVD)
2离子辅助蒸发3化学气相沉积(CVD)
真空热蒸发溅射离子镀分子束外延等离子体强化CVD 法有机金属化学气相沉积法(MOCVD)
1物理气相沉积(PVD)
1.1真空热蒸发
1.1.1 电阻加热蒸发 普通电阻加热：普通电阻加热： 高频感应加热：高频感应加热：
1.1.2 电子束加热蒸发
1.1.3 激光蒸发
1.1.4 反应蒸发
1.2溅射 溅射镀膜 溅射产物 薄膜沉淀的基本条件
1.2溅射 溅射阀 溅射率——表征溅射的参量 溅射粒子的速度和能量 溅射速率和淀积速率
1.2溅射——常用的溅射方法
1.2.1 阴极溅射
1.2.2 高频溅射
1.2.3 磁控溅射
1.2.4 反应溅射
1.2.5 偏压溅射
1.3离子镀
离子镀的优点
离子镀的主要应用
在膜层沉淀之前离子轰击的效果离子轰击对基体和镀层交界面的影响
1.3离子镀
离子轰击在薄膜生长中的作用离化率
1.3离子镀 离子镀的类型 直流放电二级型（DCIP ） 多阴极型
活性反应蒸渡（ARE ） 空心阴极放电离子镀 电场蒸发 感应加热离子镀 簇团离子束镀 多弧离子镀
电弧放电型离子镀（HCD ）
射频放电离子镀（RFIP ） 增强的ARE 型 低压等离子体离子镀（LPPD ）
1.4分子束外延(MBE ) 同质外延 异质外延。
1.4分子束外延(MBE ) 优势需要改进的地方
1.4 分子束外延(MBE ) ——装置和原理 一般的MBE 装置的结构
2离子辅助蒸发
2离子辅助蒸发
离子束辅助沉积(离子束辅助沉积(IBAD ) IBAD 的优点
2离子辅助蒸发
2.1 离子源（离子源（IAD ） 热阴极电子冲击型（考夫曼离子源） 冷阴极 霍尔离子源
2离子辅助蒸发 离子源的功能 离子束辅助蒸发的光学薄膜的特点
2离子辅助蒸发
2.2 等离子体离子源(APS)
2.3 离子源与等离子体离子源的比较
3 化学气相沉积(CVD)
3化学气相沉积(CVD)
3.1等离子体强化CVD 法
3.2有机金属化学气相沉积法(MOCVD)
三、薄膜的性能与表征技术
三、薄膜的性能与表征技术1 薄膜结构的表征方法薄膜结构表征方法介绍
薄膜结构的研究手段
2 薄膜成分的表征方法薄膜成分表征方法介绍
薄膜成分的研究手段
1薄膜结构的表征方法
1.1薄膜结构表征方法介绍 薄膜的宏观形貌 薄膜的微观形貌 薄膜的显微组织
1.2薄膜结构的研究手段 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 X 射线衍射方法 低能电子衍射和反射式高能电子衍射 扫描探针显微镜
2薄膜成分的表征方法
2.1薄膜成分表征方法介绍
2.2薄膜成分的研究手段X 射线荧光光谱（射线荧光光谱（X 射线激发，射线激发，发射X发射X 射线）射线）俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（电子束激发，电子束激发，发射电子）发射电子）X 射线光电子谱（射线光电子谱（X 射线激发，射线激发，发射电子）发射电子）电子探针分析（电子探针分析（电子束激发，电子束激发，发射X发射X 射线）射线）卢瑟福背散射（卢瑟福背散射（离子与原子核的作用）离子与原子核的作用）二次离子质谱（二次离子质谱（溅射并离子化样品表面原子）
X 射线衍射分析（射线衍射分析（只对晶体）只对晶体）