电子科大薄膜物理(赵晓辉)绪论
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(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第二章蒸发
第二章 Evaporation/蒸发
主要内容
• 真空蒸发原理 • 薄膜膜厚分布及纯度 • 蒸发装置
2
PVD的特点
利用物理过程，实现物质从源到薄膜的转移。
特点：
1. 固态或熔融态作源物质 2. 经过物理过程转移 3. 较高真空度 4. 没有化学反应
3
4
Evaporation
电子束
蒸发系统
*
5
§2-1 Principle of Evaporation
• 在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。
22
薄膜纯度
残余气体
b 3.5 1022
Pb Mb T
(atoms• cm2 sec1 )
蒸发源
S
NA d• Ma
atoms• cm2 sec1
薄膜杂质浓度
Ci
Pb M a
Mb T d•
d • : deposition rate
18
• 由于lnPv与1/T的近似正比关系，所以当T 有微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！
20% 对于金属，温度变化1%，蒸发速率变化可达
必须精确控制蒸发温度！
19
五、蒸发分子的平均自由程与碰撞频率
1）Collision Probability 碰撞频率
在低真空蒸镀时，气体分子入射到基片上，单 位时间、单位面积入射的气体分子数。
– Pvap = vapor pressure (Torr) – M = molecular weight
– cm2 => area of source
17
• 可以转化为质量流量（mass flux）
evap 5.834 102
主要内容
• 真空蒸发原理 • 薄膜膜厚分布及纯度 • 蒸发装置
2
PVD的特点
利用物理过程，实现物质从源到薄膜的转移。
特点：
1. 固态或熔融态作源物质 2. 经过物理过程转移 3. 较高真空度 4. 没有化学反应
3
4
Evaporation
电子束
蒸发系统
*
5
§2-1 Principle of Evaporation
• 在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。
22
薄膜纯度
残余气体
b 3.5 1022
Pb Mb T
(atoms• cm2 sec1 )
蒸发源
S
NA d• Ma
atoms• cm2 sec1
薄膜杂质浓度
Ci
Pb M a
Mb T d•
d • : deposition rate
18
• 由于lnPv与1/T的近似正比关系，所以当T 有微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！
20% 对于金属，温度变化1%，蒸发速率变化可达
必须精确控制蒸发温度！
19
五、蒸发分子的平均自由程与碰撞频率
1）Collision Probability 碰撞频率
在低真空蒸镀时，气体分子入射到基片上，单 位时间、单位面积入射的气体分子数。
– Pvap = vapor pressure (Torr) – M = molecular weight
– cm2 => area of source
17
• 可以转化为质量流量（mass flux）
evap 5.834 102
薄膜物理与技术绪论
生物医学领域应用
生物传感器
利用生物功能化的薄膜制备生物传感器，实现对生物分子和细胞 的灵敏检测和实时监测。
药物传递与控制释放
通过制备药物载体薄膜，实现药物的精确传递和可控释放，提高药 物的疗效和降低副作用。
医疗器械与植入物
利用薄膜材料制备医疗器械和植入物，提高医疗器械的性能和使用 寿命，降低医疗成本。
子器件。
光学工业
用于制造反射镜、光学 仪器、光电器件等。
机械工业
用于制造耐磨、耐腐蚀 的表面涂层和刀具等。
生物医学
用于制造人工关节、牙 齿等生物医学材料。
02
薄膜制备技术
物理气相沉积技术
真空蒸发沉积
溅射沉积
利用加热蒸发材料，使其原子或分子从熔 融态或气态转化为蒸气态，并在基体表面 凝结形成薄膜。
成薄膜。
溶胶凝胶法
将欲形成薄膜的元素或化合物 以溶胶凝胶的形式涂敷在基体 表面，经过热处理或化学处理 形成薄膜。
电泳沉积法
利用电场作用将欲形成薄膜的 颗粒在基体表面沉积形成薄膜 。
化学镀法
利用还原剂将欲形成薄膜的金 属离子还原成金属原子，并在
基体表面沉积形成薄膜。
溅射法
直流溅射法
磁控溅射法
利用直流电源作为溅射电源，使气体 辉光放电，产生等离子体轰击靶材， 使靶材原子或分子被溅射出来，并在 基体表面凝结形成薄膜。
弹性模量是衡量薄膜在受力时抵抗变形能力 的指标。
拉伸强度与延伸率
拉伸强度和延伸率是评估薄膜在受力时的力 学性能和耐久性的重要参数。
电学性能表征
总结词
电学性能表征是评估薄膜在电场作用下 的行为和性能表现的关键手段。
介电常数与介质损耗
介电常数和介质损耗是衡量薄膜在电 场中储能和能量损耗的重要参数。
薄膜物理与技术-绪论
液相外延生长
溶液生长法
将基底浸入含有所需材料的溶液 中，通过控制溶液浓度、温度等 因素，使材料在基底表面外延生 长形成薄膜。
溶胶凝胶法
利用前驱体溶液在基底表面进行 水解、缩聚等化学反应，形成凝 胶态薄膜，再经过热处理等后处 理形成固态薄膜。
04
薄膜特性与性能
力学性能
弹性模量
描述薄膜在受力时抵抗弹性变 形的能力，是材料刚度的度量
介电常数
衡量电场作用下，介质中电位移与电场强度 之比的虚部，与电容、电场能量有关。
热电效应
当温度梯度存在时，薄膜中产生电动势的现 象，与热能转换为电能有关。
光学性能
反射、折射与散射
描述光波通过薄膜时的行为，包括光 的传播方向和强度的变化。
吸收光谱
描述光波通过薄膜时被吸收的特性， 与光的频率和薄膜的组成有关。
例如，在显示器中，通过在玻璃基板表面蒸镀不同材质和厚 度的薄膜，可以形成多层结构，控制光的反射和透射，从而 实现高清晰度和高亮度的显示效果。
能源与环境领域
薄膜技术在能源与环境领域也具有广泛的应用。薄膜材料 在太阳能电池、燃料电池、环境监测和治理等领域中发挥 着重要作用。通过改进薄膜材料的性能，可以提高能源利 用效率和环境质量。
02
薄膜物理基础
原子结构与电子状态
原子结构
原子由原子核和核外电子组成，原子 核由质子和中子组成。原子的电子状 态由主量子数、角量子数和磁量子数 决定。
电子状态
电子在原子中的状态可以用电子云、 能级和电子自旋等描述。电子的跃迁 和能量吸收、发射与物质的光学、电 学和热学性质密切相关。
晶体结构与缺陷
薄膜物理与技术-绪论
目录
• 薄膜的定义与分类 • 薄膜物理基础 • 薄膜制备技术 • 薄膜特性与性能 • 薄膜应用领域
薄膜物理与技术课程教学大纲
薄膜物理与技术课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：薄膜物理与技术所属专业：电子器件与材料工程课程性质：必修课学分：（二）课程简介、目标与任务；本课程讲授薄膜的形成机制和原理、薄膜结构和缺陷、薄膜各项物理性能和分析方法等物理内容；讲授薄膜各种制备技术。
通过本课程学习，使学生具备从事电子薄膜、光学薄膜、以及各种功能薄膜研究与开发的能力（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；《量子力学》、《热力学与统计物理》、《固体物理》、《电子技术》、《电路分析》等。
（四）教材与主要参考书。
教材：杨邦朝，王文生. 《薄膜物理与技术》，成都：电子科技大学出版社，主要参考书：.陈国平.《薄膜物理与技术》，东南大学出版社，.田民波，薄膜技术与薄膜材料，清华大学出版社，二、课程内容与安排本课程全部为课堂讲授。
重点：真空的获得和真空测量的工作原理；物理气相沉积和化学气相沉积的原理及方法；薄膜生长的机理。
难点：磁控溅射的机理及控制；技术；薄膜形成过程的机理（一）绪论学时、薄膜的概念和历史、薄膜材料与薄膜技术的发展、薄膜科学是边缘交叉学科、薄膜产业是腾飞的高科技产业（二）真空技术基础学时、真空的基本知识、真空的获得、真空的测量（三）真空蒸发镀膜学时、真空蒸发原理、蒸发源的蒸发特性及膜厚分布、蒸发源的类型、合金及化合物的蒸发、膜厚和淀积速率的测量与控制（四）溅射镀膜学时、溅射镀膜的特点、溅射的基本原理、溅射镀膜类型、溅射镀膜的厚度均匀性（五）离子镀膜学时、离子镀原理、离子镀的特点、离子轰击的作用、离子镀的类型（六）化学气相沉积镀膜学时、化学气相沉积的基本原理、化学气相沉积的特点、化学气相沉积方法简介、低压化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、其他化学气相沉积（七）溶液镀膜法学时、化学反应沉积、阳极氧化法、电镀法、膜的制备（八）薄膜的形成学时、凝结过程、核形成过程、薄膜形成过程生长模型、溅射薄膜的形成过程、薄膜的外延生长、薄膜形成过程的计算机模拟（九）薄膜的结构和缺陷学时、薄膜的结构、薄膜的缺陷、薄膜表面缺陷：再构表面和吸附表面、薄膜结构与组分的分析方法（十）薄膜的性质和应用学时、薄膜的力学性质和应用、光学薄膜的性质和应用、金属薄膜的电学性质和应用、功能介质薄膜的电学性质和应用、半导体薄膜的性质和应用、磁性薄膜的性质和应用、超导薄膜的性质和应用、金刚石薄膜的性质和应用制定人：谢二庆审定人：批准人：日期：。
电子科大薄膜物理(赵晓辉)太阳能电池解读
太阳能电池
中国和世界的能源结构
中国
煤
75%
其 石油
其他
17%
天然气
2% 6%
煤
40%
石 油
其他 其 世界
24%
天然气
26%
10%
能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤： 200年 。
环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨， 并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二 氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类 赖以生存的自然环境。
1.太阳能电池的发展历史
1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应 用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8％。1973年世界爆发石 油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近10几年来，随着 世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全 性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家 制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划， 为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电 池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能 电池设备业的发展。在1997－2006年的10年中，世界光伏产业扩大了20 倍，今后10年世界光伏产业仍以每年30％以上的增长速度发展。
❖ 硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富(以石英砂 形式存在)；
❖ 环境友好； ❖ 电池效率高，性能稳定； ❖ 工艺基础成熟。 ❖ 硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅
电池的产业化技术 硅基薄膜电池
研究开发方向： 晶硅电池: ① 提高电池/组件效率 高效钝化技术：TiO2，SiNx, SiO2, a-Si 高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等， 选择性发射区(前)， 背表面场(BSF)， 细栅或者单面技术， 高效封装技术－最佳封装材料的折射率等。 ②简化、改进工艺－自动化、环保、低成本； 如硅片
中国和世界的能源结构
中国
煤
75%
其 石油
其他
17%
天然气
2% 6%
煤
40%
石 油
其他 其 世界
24%
天然气
26%
10%
能源枯竭 石油：42年，天然气：67年，煤： 200年 。
环境污染 每年排放的二氧化碳达210万吨， 并呈上升趋势，造成 全球气候变暖；空气中大量二 氧化碳，粉尘含量己严重影响人们的身体健康和人类 赖以生存的自然环境。
1.太阳能电池的发展历史
1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应 用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8％。1973年世界爆发石 油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近10几年来，随着 世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全 性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。一些发达国家 制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划， 为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电 池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能 电池设备业的发展。在1997－2006年的10年中，世界光伏产业扩大了20 倍，今后10年世界光伏产业仍以每年30％以上的增长速度发展。
❖ 硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富(以石英砂 形式存在)；
❖ 环境友好； ❖ 电池效率高，性能稳定； ❖ 工艺基础成熟。 ❖ 硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅
电池的产业化技术 硅基薄膜电池
研究开发方向： 晶硅电池: ① 提高电池/组件效率 高效钝化技术：TiO2，SiNx, SiO2, a-Si 高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等， 选择性发射区(前)， 背表面场(BSF)， 细栅或者单面技术， 高效封装技术－最佳封装材料的折射率等。 ②简化、改进工艺－自动化、环保、低成本； 如硅片
最新2019-薄膜物理与技术-绪论-PPT课件
薄膜物理与技术 Thin Film Physics and Technologies
李瑞山 兰州理工大学理学院
绪论
➢ 薄膜科学的发展历史 ➢ 薄膜的分类 ➢ 薄膜科学的研究内容 ➢ 薄膜科学的基本概念 ➢ 本课程的主要内容
参考资料
❖ 杨邦朝，王文生. 薄膜物理与技术. 电子科技大学出版社， 2019
该薄膜的膜厚约为10Å，是一个单分子膜层。
薄膜科学的发展历史
和液体薄膜相比较的话，固体薄膜的历史比较浅 短。在现今留下的纪录里，最早的是1852年德国的 化学家本生(Robert Wilhelm Bunsen)和Grove分别由 化学反应和辉光放电(glow discharge)确认了其所产 生的固体薄膜。一般的固体薄膜，乃是由把原子或 分子状的蒸发粒子沉积（或称蒸镀）在表面平滑的 基板表面上所获得。而这类固体薄膜，一般就仅以 薄膜来称呼。
薄膜科学的发展历史
❖ 薄膜材料由于其在微观结构、宏观性能等方面 所具有的特殊性, 在科学技术发展和人们的日常 生活中发挥着越来越重要的作用。
❖ 薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作 者, 而且受到各国高技术产业界的广泛关注。
❖ 薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料 科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领域, 薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的 边缘学科。
涂层材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及金 属间的化合物等，它们具有很高的硬度和熔点，耐磨性和耐 化学腐蚀性能。
薄膜科学的应用
（1）耐磨涂层
减小零件或工具的机械磨损。例如TiN、TiC涂层。
（2）耐热涂层
燃气涡轮发动机等需要较高温度使用的机械部件。增加 其耐热保护。
（3）防腐涂层
保护被涂层的部件，不受化学腐蚀性气氛的浸蚀。应用 的领域包括石油化工、煤炭气化及核反应堆的机械部件涂 层方面。
李瑞山 兰州理工大学理学院
绪论
➢ 薄膜科学的发展历史 ➢ 薄膜的分类 ➢ 薄膜科学的研究内容 ➢ 薄膜科学的基本概念 ➢ 本课程的主要内容
参考资料
❖ 杨邦朝，王文生. 薄膜物理与技术. 电子科技大学出版社， 2019
该薄膜的膜厚约为10Å，是一个单分子膜层。
薄膜科学的发展历史
和液体薄膜相比较的话，固体薄膜的历史比较浅 短。在现今留下的纪录里，最早的是1852年德国的 化学家本生(Robert Wilhelm Bunsen)和Grove分别由 化学反应和辉光放电(glow discharge)确认了其所产 生的固体薄膜。一般的固体薄膜，乃是由把原子或 分子状的蒸发粒子沉积（或称蒸镀）在表面平滑的 基板表面上所获得。而这类固体薄膜，一般就仅以 薄膜来称呼。
薄膜科学的发展历史
❖ 薄膜材料由于其在微观结构、宏观性能等方面 所具有的特殊性, 在科学技术发展和人们的日常 生活中发挥着越来越重要的作用。
❖ 薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作 者, 而且受到各国高技术产业界的广泛关注。
❖ 薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料 科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领域, 薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的 边缘学科。
涂层材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及金 属间的化合物等，它们具有很高的硬度和熔点，耐磨性和耐 化学腐蚀性能。
薄膜科学的应用
（1）耐磨涂层
减小零件或工具的机械磨损。例如TiN、TiC涂层。
（2）耐热涂层
燃气涡轮发动机等需要较高温度使用的机械部件。增加 其耐热保护。
（3）防腐涂层
保护被涂层的部件，不受化学腐蚀性气氛的浸蚀。应用 的领域包括石油化工、煤炭气化及核反应堆的机械部件涂 层方面。
薄膜物理第2章溅射镀膜)
（3）入射离子种类与溅射率的关系
入射离子的原子量越大，溅射率越高 ；溅射率也与入射 离子的原子序数呈现周期性变化的关系。
在周期表每一排中，凡电 子壳层填满的元素就有最 大溅射率；位于周期表每 一排中间部位的元素的溅 射率低。
（如惰性气体，经济、不 与靶材反应）。
3-83号
但：用不同的入射离子溅 射同一靶材时，所呈现的 溅射率的差异，大大低于 用同一种离子去轰击不同 靶材所得到的溅射率的差 异。
5．磁控溅射 –低温高速溅射
溅射沉积方法缺点：沉积速度低、工作气压较高引起污染。 磁控溅射：提高沉积速率，降低工作气体压力。
磁控溅射中引入了正交电磁场，使离化率提高了5～6%，于是溅射速 率可比三极溅射提高10倍左右。对许多材料，溅射速率达到了电子束 蒸发的水平。
磁控溅射的工作原理
二次电子一旦离开靶面， 就同时受到电场和磁场的 作用。近似认为，二次电 子在阴极暗区只受电场作 用，一旦进入辉光区就只 受磁场作用。 （1）阴极暗区：
3. 三极溅射
原理：在真空室内附加一个热阴极，由它发射电子并 和阳极产生等离子体。同时使靶相对于该等离子体为负 电位，用等离子体中的正离子轰击靶材而进行溅射。
优点： 1）克服了二极直流溅射只能在 较高气压下进行的缺点， 因为 它是依赖离子轰击阴极所发射 的次级电子来维持辉光放电。 2）三极溅射的进行不再依赖于阴 极所发射的二次电子，溅射速率 可以由热阴极的发射电流控制， 提高了溅射参数的可控性和工艺重复性。
（4）入射离子的入射角 与溅射率的关系
入射角是指离子入射方向与被溅射靶材表面法线之
间的夹角。 不同入射角θ的溅射率值S(θ)，垂直入射时
的溅射率值S(0) 。
随入射角增大，溅射率逐渐增大，
(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第一章真空介绍
PV＝nmolRT=nmolecularkT=nMvrms2/3NA nmol=m/M nmolecular =7.2*1022P/T
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
2. 气体分子的速度分布 • 麦克斯韦速度分布函数
表示分布在速度 附近单位速度间隔内 的分子数占总分子数的比率。
气体分子速度分布
3. 三个重要速度表示
• 最可几速度 ： • 平均速度 • 均方根速度
4. 压力单位
Pressure unit
Pa
Pa
1
Bar
Atm
0.00001 9.869×10-6
Bar
100000 1
9.869×10-1
Atm
101325 1.01325 1
Torr
133.32 0.001333 1.316×10-3
Torr 7.501×10-3 7.501×102 760 1
vacuum-bottle, 真空瓶，真空干燥器，真空注入，溅射，LPCVD
高真空 10-1－10-6Pa :蒸发，离子源 超高真空 ＜10-6Pa ：表面分析，粒子物理
§1-2 稀薄气体的基本性质
1. 理想气体状态方程
低压状态下，可用理想气体的状态方程 （波义尔定律、盖·吕萨克定律、查理定律） 来描述，遵守麦克斯韦——玻尔兹曼分布。
SYMBOL
N2 O2 Ar CO2 Ne He Kr H2 Xe H2O
PERCENT BY VOLUME
78 21 0.93 0.03 0.0018 0.0005 0.0001 0.00005 0.0000087 Variable
PARTIAL PRESSURE
TORR
PASCAL
593 158 7.1 0.25 1.4 x 10-2 4.0 x 10-3 8.7 x 10-4 4.0 x 10-4 6.6 x 10-5 5 to 50
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第六章薄膜生长汇总.
18
3D- 成核 (岛状) 一般应避免 改善方法: 改变一个或多个 以使i
f <s
-i 拥有同样键合类型的较低
-i 化学反应活性高的较低
Au on gห้องสมุดไป่ตู้ass
Cr on glass Au on Cr
3D- nucleation
2D- nucleation O-Si Si-Cr/O-Cr bondings 2D- nucleation, strong metallic bonding
G Gbulk Gsurface
Pv kT G V kT ln 1 S ) P ln(
Gbulk a1r GV
3
Gsurface a2r i a2r s a3r f
2 2 2
a1 (2 3 cos cos3 ) / 3 a2 sin 2 a3 2 (1 cos )
(r: 跳跃距离的均方根变化, N0: 跳跃次数, a: 晶格常数, t: 扩散时间)
11
12
13
扩散分子可能被解吸或埋入 吸附和埋入的平均时间间隔： tb=n0/Ji n0: 吸附位置密度 (#/cm2), Ji: 输入流量 (#/cm2s)
Es v0s n 0 L(t b )=a exp Ji 2 RT s
G ×10-18J
16
6.3.2 非自发成核
成核过程是在相变自由能和表面能的推动下进行的。在基 片表面成核，必须考虑基片表面的影响(台阶、缺陷、污 染 )。 表面能， /s: 增加单位面积所需能量，Jm-2
s i f cos
S: 基板自由表面 f: 薄膜自由表面 i: 基板/薄膜界面
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第五章化学溶液法介绍
• Various metal (Au, Ni, etc) • Fast • > 10 m • Hydrogen bubble generation • Difficult for sub-m features • Needs seed layer
J.W. Judy, "Magnetic microactuators with polysilicon flexures," Masters Report, Department of EECS, University of California, Berkeley, August 29, 1994
2. 采用浸渍、离心甩胶、或喷涂的方法涂在 基体表面，形成溶胶膜。 3. 液态的溶胶膜经过干燥脱水生成凝胶膜。 4. 经过热处理和晶化处理然后而形成固体薄 膜。
制备方法
(1)溶胶的制备 A.有机途径（醇盐法），可以用部分无机物代替醇盐。 能互溶，通过有机醇盐的水解与溶聚而形成溶胶 . 缺点：在干燥过程中容易开裂，由大量溶剂蒸发引起 的残余应力引起 B.无机途径（胶体法） 通过某种方法制得的氧化物小颗粒稳定的悬浮在某种 溶剂之中形成溶胶。 特点：无裂纹，但附着力较差，不易找到适当的溶剂 来溶解氧化物，特别是多组分氧化物。
涂胶方法
• 1. 浸渍提拉法
浸渍→提拉法→热处理 液膜由于溶剂大量迅速 蒸发，干燥形成凝胶膜， 然后进行热处理，得一 层氧化物膜，每次循环 可控制膜厚5－30nm。 可以多次循环，但是必 须充分干燥和热处理。
• 2. 旋覆法 浸渍法膜厚控制不易，不适合于小衬底， 特别是小圆衬底。而旋覆正好适合于小圆衬底， 但大面积均匀膜困难。
H 2 PO2 H H 2O OH P
§5.2 溶胶－凝胶法
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第五章化学溶液法介绍
• 单分子层的形成
Prof. Langmuir
Prof. Blodgett
第二十八第二页十，七共页 39页。
• 薄膜的制备方法 ： A.垂直浸渍法 浸润与不浸润现象
单分子层与基板间的液面凸凹情况，视插入与提起的 操作而定。 将基片在单分子层上下移动，每上下移动一次可得到1－2
层膜。
若基片是疏水性的，膜层的疏水端就会吸附在基板上。只能 在插入的过程中附着一层膜。
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第五章化学溶液法 介绍
第一页，共39页。
定义
• 薄膜制备过程中，基片与溶液接触，利用化学 反应或电化学反应等在基片表面沉积薄膜的制
备方法，包括化学镀，Sol-Gel，MOD ， 阳极 氧化，电镀，LB膜等，又称湿法镀膜
第二页第，一共页39页。
§5.1 化学反应沉积
• 又名化学镀--实际上是指自催化化学镀
第十一页第，十共页39页。
涂胶方法
• 1. 浸渍提拉法
浸渍→提拉法→热处理 液膜由于溶剂大量迅速 蒸发，干燥形成凝胶膜， 然后进行热处理，得一 层氧化物膜，每次循环 可控制膜厚5－30nm。 可以多次循环，但是必 须充分干燥和热处理。
第十二页第十，一共页 39页。
• 2. 旋覆法
浸渍法膜厚控制不易，不适合于小衬底，特别 是小圆衬底。而旋覆正好适合于小圆衬底，但大面 积均匀膜困难。
H2
Ni+ads + H*ads +H+ +e– Ni + H2
Ni–HadsNi(Hads)
H.W. Pickering et al., J. Electrochem. Soc. 144 (1997) L58
第二十第六二页十，五共页39页。
Prof. Langmuir
Prof. Blodgett
第二十八第二页十，七共页 39页。
• 薄膜的制备方法 ： A.垂直浸渍法 浸润与不浸润现象
单分子层与基板间的液面凸凹情况，视插入与提起的 操作而定。 将基片在单分子层上下移动，每上下移动一次可得到1－2
层膜。
若基片是疏水性的，膜层的疏水端就会吸附在基板上。只能 在插入的过程中附着一层膜。
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第五章化学溶液法 介绍
第一页，共39页。
定义
• 薄膜制备过程中，基片与溶液接触，利用化学 反应或电化学反应等在基片表面沉积薄膜的制
备方法，包括化学镀，Sol-Gel，MOD ， 阳极 氧化，电镀，LB膜等，又称湿法镀膜
第二页第，一共页39页。
§5.1 化学反应沉积
• 又名化学镀--实际上是指自催化化学镀
第十一页第，十共页39页。
涂胶方法
• 1. 浸渍提拉法
浸渍→提拉法→热处理 液膜由于溶剂大量迅速 蒸发，干燥形成凝胶膜， 然后进行热处理，得一 层氧化物膜，每次循环 可控制膜厚5－30nm。 可以多次循环，但是必 须充分干燥和热处理。
第十二页第十，一共页 39页。
• 2. 旋覆法
浸渍法膜厚控制不易，不适合于小衬底，特别 是小圆衬底。而旋覆正好适合于小圆衬底，但大面 积均匀膜困难。
H2
Ni+ads + H*ads +H+ +e– Ni + H2
Ni–HadsNi(Hads)
H.W. Pickering et al., J. Electrochem. Soc. 144 (1997) L58
第二十第六二页十，五共页39页。
《薄膜物理》教学中的美育
Science &Technology Vision 科技视界1美与美育美是一个象形字,象征人佩戴羊角,牛角,古人认为这样很美[1]。
培养学生认识美、爱好美和创造美的能力的教育称为美育,也称审美教育或美感教育,是一种按照美的标准培养人的形象化的情感教育,以特定时代、特定阶级的审美观念为标准,以形象为手段,以情感为核心,以实现人的全面发展为宗旨。
美育,美育是一种情感教育[2],要通过各种艺术以及自然界和社会生活中美好的事物来进行,在人的全面发展教育中,美育占有重要地位。
美的基本形态包括艺术美和现实美,其中现实美又涵盖自然美、社会美、科学美。
艺术美来源于对音乐、舞蹈、绘画、影剧、文学作品的欣赏;自然美是以大自然为审美对象所感受和体验到的美;社会美,以社会生活中美好的人和事为对象而感受和体验到的美;科学美则是以科学的内容和形式为对象所感受到的美[3]。
过去,由于对美育和科学教育的狭隘理解,美育与科学教育被认为是毫不相关的。
随着我国素质教育的全面推进,美育与科学教育的融合受到了关注,国家已明确指出要“将美育融入学校教育全过程”,明确指出了美育在人的全面发展中的独特地位和作用,将其与德育、智育、体育一并纳入党的教育方针,从而使其成为素质教育的重要组成部分[4]。
2《薄膜物理》教学中的美育《薄膜物理》课程是一门主要面向材料科学与工程、电子科学与工程、半导体物理与器件、电子材料与元器件、应用物理学等相关学科本科高年级及研究生开设的专业课程。
主要内容包含各种薄膜的制备技术和监控与测试及表征技术、薄膜的生长过程和形成机理、薄膜的结构及物理特性等,并尽可能反映现在薄膜科学与技术方面的新进展。
这是一门主要面向工科学生的课程,如何将美育有机地融于《薄膜物理》课程教学中去,使薄膜物理教学富有生机和吸引力,推动素质教育的全面深入,是开展薄膜物理教学必须面对、思考和探索的问题。
所谓“薄膜”,很难用一句话来严格定义。
有时,为了与厚膜相区别,厚度<1um 的膜成为薄膜。
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第七章薄膜表征
测试条件：单色光、垂直入射，反射光强度 将随膜厚而周期变化。
9
极值出现在：
(2m 1)
h 4n1
n1>n2，极大值 n1<n2，极小值
金属膜吸收太 强，不适用。
10
2.2 不透明薄膜厚度的测量 －等厚干涉条纹法
单色平行光照射到楔 形薄膜上，反射后， 会在固定的位置产生 干涉的最大和最小， 所以可观察到明暗相 间的平等条纹。
11
若膜厚不均，干涉 条纹也就不规则。 若膜厚有台阶，干 涉条纹出现台阶， 显然相邻干涉条纹 间相差λ/2。
h L
L2
12
石英晶体振荡法
原理：利用石英晶体的振荡频率随晶片厚度变化的 关系，在晶片上镀膜，测频率的变化，就可求出 质量膜厚。
13
固有频率：
数学关系
厚度方向弹性波的速度
v f0 2hq
Spectrophotometer • SIMS
35
卢瑟福背散射原理
36
卢瑟福背散射图谱
37
谢谢您的关注！
5
台阶仪
6
台阶仪测试结果示例
7
光干涉法
单色光从薄膜上、下表面反射，当膜厚导致 的光程差为n倍λ时，会发生干涉。
光程差为： nc(AB+BC) – AN 又，折射定律：
8
光程差＝ 2nch cos
位相变化 (正入射)
0，透射光
π，反射光反射回折射率小的物质
0，反射光反射回折射率大的物质
2.1 透明薄膜厚度的测量
a) G aN
S a p p h ir e
rel. Intensity
-GaN on c-plane Sapphire 3
薄膜电子物理
Documenting and interpreting the remarkable technological progress of the intervening years in terms of the underlying, largely unchanging physical and chemical sciences remains an invariant feature of this revised edition. Thin-film microelectronics and optoelectronics industries are among the strongest technological drivers of our economy, a fact manifested by the explosive growth in communications, and information processing, storage, and display applications.
通过本课程的学习，使学生了解薄膜电子技术 在现代电子信息领域中的重要作用、发展意义和 前景趋势。系统掌握各种功能电子薄膜的先进制 备技术、薄膜的生长与结构理论、薄膜的表面与 界面性能、薄膜的检测与性能表征以及在微纳电 子技术中的应用等方面的知识 , 为其从事电子信 息相关领域特别是固体电子学与微电子学领域的 理论研究与工程技术工作打下坚实的基础。 本课程也可作为其他相关专业如电子信息、材 料、应用物理、光电子等专业学生的选修课。 Index
Thin films are structurally and chemically characterized by the assorteopies as well as surface analytical techniques that are described in Chapter 10. Index
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第三章 溅射
34
几种气体的电离几率
通常采用Ar气，原因：
1. 电离率高，容易起辉 2. 惰性气体，不反应
3. 价格便宜
35
3.3 Sputtering Characteristics /溅射特性
36
1. Threshold voltage/阈值电压
• 对于大多数金属而言，阈值电压是升华热 的数倍，大约为10 to 30 eV • 因不同材料而不同。Tab.3－1
–因此等离子体会发光。
20
④ Glow Discharge Color/辉光放电颜色
– 不同气体被激发后发出不同颜色的光： • Nitrogen/氮气, Helium/氦气, Sodium/钠, Boron/硼, Neon/氖气 – 颜色（或波长）与弛豫时失去的能量有关： • E = hv
– 这个特性使得分析产生等离子体的气体成为可能。 • 例如: 等离子体刻蚀时的 Endpoint detection/终点探测
43
Ⅱ单晶靶出射原子的角分布不同于多晶靶
现象：在密排方向 溅射率大。 解释：沟道效应。
44
f. 靶材温度
现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。 在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此 温度，溅射率急剧增加。
溅射与热蒸发
二者的复合作用。
45
3. 溅射原子的能量和速度分布 与入射离子能量的关系
17
②Ionization/电离
– 电子被从中性原子和分子上敲下来
M + e- => M+ + 2e– – 生成带正电的颗粒称为“离子”。 因为带电，所以可用电场操控。
18
Impact Ionization/碰撞电离:
电子科技大学微固学院电子薄膜实验报告
五、实验内容
1.利用阻蒸箱式镀膜机完成在聚酰亚胺薄膜上铝膜的蒸镀 2.利用溅射镀膜完成在基板上镀铜膜的过程 3.完成热电偶传感器的性能测试与标定
六、实验器材（设备、元器件）：
250-阻蒸箱式镀膜机、溅射镀膜机、机械泵、电离规、电阻规、聚酰亚胺 薄膜、步进式加热器、万用表
七、实验步骤：
1.打开机械泵，待气压降低后打开充气阀，接着打开真空腔； 2.在基板一面贴上环氧树脂膜带，把聚酰亚胺薄膜粘贴在玻璃基板表面上，用 质量分数浓度为 95%的酒精对聚酰亚胺表面进行清洗（注意要戴上手套，以免 对基板造成污染）； 3.取约 0.2mg 的洁净的铝放置在蒸发舟中间，并将蒸发舟固定于腔体内正负电 极之间，用万用表测量正负电极之间的接触电阻（看是否连接导通）；并将附有 聚酰亚胺的基板固定于蒸发架的下面（注意夹子不要遮挡到聚酰亚胺薄膜）。关 闭腔体，开始抽真空。 4.打开电离规与电阻规总开关，当电阻规示数约为 1Pa 时，关闭予阀，开启底 阀，并在电阻规示数接近 2Pa 时，关闭底阀，开启予阀，重复上述步骤；约 30min 后，依次打开底阀、扩散泵、高阀。 5.打开高阀后，待腔内真空低于 5.0×10-3Pa 时，开启阻蒸电流约为 30A，之后 每 1min 增加 10A，直至阻蒸电流增加至 70A 时不再继续增加电流。在阻蒸电流 为 70A 时稳定 1min 后保持 2-3min，看到电离规示数增大时，待其自动减小， 依次关闭阻蒸电流、高阀、扩散泵，等待降温。 6.从阻蒸箱中取出已经镀好铝膜的物品，测量铝膜两端的电阻值并作好记录。 打开溅射系统的真空腔门，放置好挡板，夹在溅射系统真空腔内，关闭腔门。 打开机械泵进行抽真空，待腔内压强低于 5Pa 时，打开溅射电源，使电流在 0.2A 时维持辉光放电，约 20min 后关闭电源。依次关闭机械泵、打开充气阀、 打开真空腔体、取出基板进行测试（如无人使用，则关闭腔门、抽真空，保持 腔体清洁）。 7.待热电偶的铜膜温度冷却至室温时，用万用表测量铜膜的阻值并作好记录。 在 100℃到 180℃每隔 10℃进行一次测试。测试前确保热电偶冷端近似为室 温，把加热器放在热端进行加热，万用表在冷端测量热电偶两端的电压。在加 热过程中会发现电压随加热时间先变大后边小，记录下最大的数值。测一个温 度后冷却热电偶，接着依次进行测试（在测试前确定热电偶的温度冷却至室 温），直至获得全部的实验数据。
1.利用阻蒸箱式镀膜机完成在聚酰亚胺薄膜上铝膜的蒸镀 2.利用溅射镀膜完成在基板上镀铜膜的过程 3.完成热电偶传感器的性能测试与标定
六、实验器材（设备、元器件）：
250-阻蒸箱式镀膜机、溅射镀膜机、机械泵、电离规、电阻规、聚酰亚胺 薄膜、步进式加热器、万用表
七、实验步骤：
1.打开机械泵，待气压降低后打开充气阀，接着打开真空腔； 2.在基板一面贴上环氧树脂膜带，把聚酰亚胺薄膜粘贴在玻璃基板表面上，用 质量分数浓度为 95%的酒精对聚酰亚胺表面进行清洗（注意要戴上手套，以免 对基板造成污染）； 3.取约 0.2mg 的洁净的铝放置在蒸发舟中间，并将蒸发舟固定于腔体内正负电 极之间，用万用表测量正负电极之间的接触电阻（看是否连接导通）；并将附有 聚酰亚胺的基板固定于蒸发架的下面（注意夹子不要遮挡到聚酰亚胺薄膜）。关 闭腔体，开始抽真空。 4.打开电离规与电阻规总开关，当电阻规示数约为 1Pa 时，关闭予阀，开启底 阀，并在电阻规示数接近 2Pa 时，关闭底阀，开启予阀，重复上述步骤；约 30min 后，依次打开底阀、扩散泵、高阀。 5.打开高阀后，待腔内真空低于 5.0×10-3Pa 时，开启阻蒸电流约为 30A，之后 每 1min 增加 10A，直至阻蒸电流增加至 70A 时不再继续增加电流。在阻蒸电流 为 70A 时稳定 1min 后保持 2-3min，看到电离规示数增大时，待其自动减小， 依次关闭阻蒸电流、高阀、扩散泵，等待降温。 6.从阻蒸箱中取出已经镀好铝膜的物品，测量铝膜两端的电阻值并作好记录。 打开溅射系统的真空腔门，放置好挡板，夹在溅射系统真空腔内，关闭腔门。 打开机械泵进行抽真空，待腔内压强低于 5Pa 时，打开溅射电源，使电流在 0.2A 时维持辉光放电，约 20min 后关闭电源。依次关闭机械泵、打开充气阀、 打开真空腔体、取出基板进行测试（如无人使用，则关闭腔门、抽真空，保持 腔体清洁）。 7.待热电偶的铜膜温度冷却至室温时，用万用表测量铜膜的阻值并作好记录。 在 100℃到 180℃每隔 10℃进行一次测试。测试前确保热电偶冷端近似为室 温，把加热器放在热端进行加热，万用表在冷端测量热电偶两端的电压。在加 热过程中会发现电压随加热时间先变大后边小，记录下最大的数值。测一个温 度后冷却热电偶，接着依次进行测试（在测试前确定热电偶的温度冷却至室 温），直至获得全部的实验数据。
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世界日新月异
1900 1950 2000 2010
更小，更快，更强
2008, QX9650, 8.2亿 1971,4004, 2300
立体战争
物联网探测传感
挑战带来机遇
怎样才能实现？
Let’s do it with thin films.
如何制备薄膜？
薄膜制备方法分类
真空蒸发 Evaperation
教材及参考书
➢ 《薄膜材料制备原理、技术及应用》 唐伟忠， 冶金工业出版社，2003
《薄膜物理与技术》 杨邦朝， 电子科大出版社，1994
《薄膜科学与技术手册》 田民波，机工版，1991
《Material Science of Thin Films－Deposition & Structure》 M. Ohring，世图影印版，2006
PVD 溅射 Sputtering
气
相
淀法
积
CVD
法
离子镀 Ion plating
常压CVD、低压CVD、 金属有机物CVD、 等离子体CVD、 光CVD、热丝CVD
液 相
化学镀、电镀、Sol-Gel、MOD、液相外延、
法 水热法、喷雾热解、喷雾水解、LB膜及自组装
渗
入
化合法、扩散法、离子注入法
法
1. 物理气相沉积技术(PVD)是利用热蒸发、离子溅 射或辉光放电等物理过程，在基体表面沉积所需 薄膜的技术
薄膜的应用
薄膜的分类
电学——超导、导电、半导体、电阻、绝缘、电介质 功能薄膜
光学——增透、反射、减反、光存储、红外 磁学——磁记录和磁头薄膜
声学——声表面波滤波器，如ZnO、Ta 热学——导热、隔热、耐热 机械——硬质、润滑、耐蚀、应变 化学、 生物
传感器：压力，温度，湿度，加速度，气体 光电子器件：薄膜电致发光器件，代替CRT作显示器 信息及计算机：磁性薄膜，光盘，磁光盘 光学：反射膜，增透膜 机械工业：耐磨涂层，硬质镀层，固体润滑膜，耐腐蚀装
二、薄膜与厚膜
薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学气 相沉积(CVD)、溶液镀膜等薄膜技术制备的薄层。
厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、膏 状物经干燥、煅烧而形成。 主要方法：丝网印刷、热喷涂 如：陶瓷表面上釉
涂层 coating
薄膜 thin film
2. 化学气相沉积技术(CVD)是利用化学反应，将气 相中的物质转移到基体表面形成所需薄膜的技术
3. 物理与化学相结合，以技术方法区分。氧化物、 氮化物的制备。
Evaporation
e-beam evaporation system
Sputtering
Pulsed Laser Deposition
Coil for writing
巨磁阻磁头的薄膜断面
Lubricant ~ 20 Å Carbon overcoat ~ 70 Å Top magnetic layer ~ 100 Å Spacer layer ~ 0 - 20 Å Bottom magnetic layer ~ 100 Å Intermediate layer ~ 50 Å
《电子薄膜材料》 曲喜新，科学出版社，1996
主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
真空技术基础 物理气相沉积－－蒸发 物理气相沉积－－溅射 化学气相沉积 化学溶液沉积 薄膜生长过程和结构 薄膜材料的表征方法
课件
➢ 课件是提纲 ➢ 课本是主要内容 ➢ 讲述是重点 ➢ U盘拷贝
厚膜 thick film
说明: 溶胶－凝胶(Sol-Gel)、金属有机沉积(MOD)、 喷雾热解和喷雾水解等属于薄膜方法，但从原理
上更接近厚膜方法。
三、基板
名称： 衬底、基板、基片， substrate，wafer 材料： 半导体、玻璃、陶瓷、金属、塑料、纸张等 作用： 支撑、绝缘、提供生长模板等
饰、包装，镀金，锡箔纸，塑料薄膜上镀铝 太阳能电池，超导薄膜，铁电薄膜，金刚石薄膜…
集成电路：
1. P-N结、绝缘层、导线，并由此构成二极管、 三极管、电阻、电容等电子元件
2. 是薄膜技术的最主要推动力
3. 莫尔定律：每1.5年，更新1代：线宽缩小为 上一代的0.7倍
薄膜传感器的制作
磁性薄膜
薄膜物理与技术
赵晓辉
课程介绍
赵晓辉 办公室：微固楼 335 电 话：83200866 Email：xhzhao@
课程介绍
• 上课时间： 周二 3、4节 周四 1、2节 总共32学时 实验课1次
• 上课地点： 二教 108
课程介绍
▪ 课程任务：
掌握固体薄膜的主要制备技术及相关 知识，为从事固体电子薄膜的研究、设计 和制备打下基础。
Vacuum Thin Fce
定义1的特点：
• 强调了薄膜生长的机理与过程 • 仅仅适用于气相生长方法，而不适用于液相法 • 也不能描述扩散、注入方法 • 强调了薄膜的生长必须依附基板
定义2（广义）：
夹在两个平行平面间的薄层。
上平面：空气 固体膜、液体膜
下平面：固体表面、液体表面、空气
缺点：不能区分薄膜、厚膜、涂层、金属箔、层等概念。 thick film coating foil layer
定义3：
采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的
一薄层固态物质 。
强调基板必不可少；
——区分薄膜与金属箔、塑料薄膜
强调制备方法；
——区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键 通常： 薄膜 < 1μm 厚膜>10μm
考试
1. 考试形式：闭卷 2. 考试内容：所有讲述内容 3. 成绩构成：
• 平时成绩：30%（作业，出勤，实验报告） • 考试成绩：70%
什么是薄膜？
一、薄膜的定义
定义1（狭义）：
由单个的原子、 离子、原子团无规则 地入射到基板表面， 经表面附着、迁徙、 凝结、成核、核生长 等过程而形成的一薄 层固态物质。
Under layer ~ 100 Å Seed layer ~ 100 Å
Substrate
晶体太阳能电池
YBCO/CeO2/YSZ/CeO2/Ni
YBCO超导样品
YBCO 薄膜形貌
作业
1. 什么是薄膜？ 2. 薄膜制备方法分类。 3. 薄膜应用领域举例。