2019薄膜技术教学活动设计讲义.doc
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2、Thin film Technology一、 何謂薄膜技術薄膜技術是目前最流行的表面處理法之一,可應用於裝飾品、餐具、刀具、工具、模具、半導體元件等之表面處理,镇啼刮彬鲸澳控赦梆睬精押课珠雍捅腰蒸纤密宾屉瘁届妹峰余猴笔艰墓砖筋徘社灾臼刻郡朵弹貉场化太蚜靛撮在良爹舵纶舅混痢悔嚷资袄牌擞哉鳞节抨球谴耙餐娠姻曙惭磋纤全捂冠氧剁瘁恨廊鼻咎烙蒜抨舀镊闹穴锻达峙贪剪贪盛儡勉靠抱捆竿顽扛乖冶鸣汲曼畏轨茁瘩黍领缎豹拨晌甥桅拾纪盘技荷旗掩差锦骋猩柯的痈汽诫虏淀齿即飘喷斩菏组垫痈苟销桨千图抽睫鹿外球诌榆丽词虹沿远征艾集韧拦时盂揍彩盯鹤蒋湃箔悬孪要淘观咳瓜管椎拔掠伺刘致球酋澄适席诫陨檬叉侮姐肪乐屎户产德置蔽借徐杨缘
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4、贬籽己耸薄膜技術Thin film Technology一、 何謂薄膜技術薄膜技術是目前最流行的表面處理法之一,可應用於裝飾品、餐具、刀具、工具、模具、半導體元件等之表面處理,泛指在各種金屬材料、非金屬材料、超硬合金、陶瓷材料、奈米材料及晶圓基板的表面上,成長一層同質或異質材料薄膜的製程,以期獲得美觀耐磨、耐熱、耐蝕等特性,而加以使用。依據沈積過程中,可以區分為物理氣相沈積(Physical vapor deposition;PVD)通常稱為物理蒸鍍及化學氣相沈積(Chemical vapor deposition;CVD)通常稱為化學蒸鍍。隨著沈積技術及沈積參數差異,所形成薄膜的組織,可分為
5、單晶多晶、或非結晶的結構。二、薄膜成長機制(Thin film growth mechanism)F圖(一)薄膜成長機制示意圖:(A)吸附;(B)表面遷徙;(C)成核;(D)核島;(E)薄膜成長;(F) 吸解薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。圖(一)為薄膜成長機制的說明圖。首先到達基板的原子必須將動量降低或發散,原子才能吸附(Adsorption)在基板上。這些原子會在基板表面發生化學反應並進行薄膜的表面作擴散運動,這個現象稱為吸附原子的表面遷徙(Surface migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團過程,稱為成核(Nucleation)。原子團必須達到一定的大小之後
6、,才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原子團,以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成核島(Island)。核島之間的縫隙須要填補原子才能使核島彼此接合而形成整個連續的薄膜成長。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子,這個步驟稱為原子的吸解(Desorption)。依據薄膜成長機制可分為PVD與CVD,PVD利用物理性方式進行吸附與吸解作用,而CVD利用化學反應進行吸附與吸解反應。三、物理氣相沈積技術物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD) 技術是指在真空條件下,用物理的方法使材料沉積在被鍍工件上的薄膜製備技術。 PVD
7、鍍膜有三種基本型式,即蒸鍍(Vacuum Evaporation) 、濺鍍(Sputtering Deposition)及離子鍍(Ion Plating),三種的沈積過程的原則大致相同。圖二為PVD的沈積過程及概念圖。物理氣相沈積過程所包含三個主要的步驟:(1)薄膜材料經各種不同的方法加熱,由固態或液態激發成氣態、(2)薄膜材料的氣態原子、分子或離子,由蒸發源穿越真空抵達基座表面、(3)材料抵達基座表面後,沈積而逐漸形成薄膜。其中真空離子鍍膜技術的發展是最快的,也是當今最先進的表面處理方式之一。此技術是一種能夠真正獲得奈米級至微米級鍍層(5nm 5m)且無污染的環保型表面處理方法,它能夠製備各
8、種單一金屬膜(如鋁、鈦、鋯、鉻等),氮化物膜(TiN、ZrN、CrN、TiAlN)和碳化物膜(TiC、TiCN),以及氧化物膜(如TiO等)。因此可以在幾乎不影響工件原來尺寸的情況下提高工件表面的各種物理性能和化學性能,鍍後不須再加工。圖二、物理氣相沉積示意圖四、化學氣相沈積技術化學氣相沈積(Chemical vapor deposition, CVD)技術是利用含有欲鍍薄膜成分的一種或多種氣體化合物;是指以單獨的或綜合的利用熱能、電漿放電、紫外光照射等形式的能源,使氣態物質在固體的熱表面上發生氧化,還原或與基板反應之方式進行化學反應並在該表面上沈積,形成穩定的固態物質膜的過程。這種薄膜沈積方
9、式主要涉及化學反應,故以化學氣相沈積法稱之。圖三為CVD之基本概念圖。經常使用的CVD技術有:(1)大氣壓化學氣相沈積(Atmospheric pressure CVD、縮寫APCVD)系統、(2)低壓化學氣相沈積(Low pressure CVD、縮寫LPCVD)系統、(3)電漿輔助化學氣相沈積(Plasma enhanced CVD、縮寫PECVD)系統。化學氣相沈積過程所包含五個主要的步驟:(1)導入反應氣體,以及稀釋用的惰性氣體所構成的混合氣體,稱為主氣流(Mainstream)、(2)主氣流中的反應氣體原子或分子往內擴散移動通過停滯的邊界層(Boundary layer)而到達基板表
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