介质薄膜的性质-半导体薄膜的性质

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薄膜的基本性质

薄膜的基本性质

电介质膜
• 电介质多数是化合物,由它们制备的薄膜是作为
绝缘体使用的,但其中包含的缺陷比金属膜要多 得多,且组成成分得差异也很大,因此,在多数 场合下,绝缘性和介电特性都比整块材料要差。 为了除去这些缺陷,在薄膜制成之后,需要进行 热处理。 从制法上来说,溅射方法容易得到电介质膜。将 电介质直接进行溅射时,可得到100~200nm/s的 电介质直接进行溅射时,可得到100~200nm/s的 沉积速率。也可以利用其它的反应性溅射来制造 电介质膜。
电子必须以某种方法通过微晶体之间的空间,因此,在膜 电子必须以某种方法通过微晶体之间的空间,因此, 层较薄时,电阻率是非常大的。当膜厚增加达到数百埃, 层较薄时,电阻率是非常大的。当膜厚增加达到数百埃, 电阻率就会急剧地减小;但是, 电阻率就会急剧地减小;但是,因晶粒界面的接触电阻起 很大的作用,所以和整块材料时相比, 很大的作用,所以和整块材料时相比,电阻率还是要大的 晶粒界面上会吸附气体,发生氧化, 多。晶粒界面上会吸附气体,发生氧化,当这些地方为半 导体时,甚至会出现随温度的升高电阻减小的情况。 导体时,甚至会出现随温度的升高电阻减小的情况。 单晶膜是在高温下生成的,没有晶粒界面的问题, 单晶膜是在高温下生成的,没有晶粒界面的问题,所以一 般说来电阻率小些。如果蒸镀和溅射比较, 般说来电阻率小些。如果蒸镀和溅射比较,溅射的膜由于 核的密度较高,电阻率也较小些。 核的密度较高,电阻率也较小些。
• (3)空位的消除 • 在薄膜中经常含有许多晶格缺陷,其中空位和孔隙等缺陷经 在薄膜中经常含有许多晶格缺陷,
过热退火处理,原子在表面扩散时消灭这些缺陷可使体积发 过热退火处理, 生收缩,从而形成拉应力性质的内应力。 生收缩,从而形成拉应力性质的内应力。
• (4)界面失配 • 当薄膜材料的晶格结构与基体材料的晶格结构不同时,薄膜 当薄膜材料的晶格结构与基体材料的晶格结构不同时,

薄膜的性质

薄膜的性质

几点讨论:
(1)从上式看出,要消除薄膜中的热应力,最根本 的办法就是选用热胀系数相同的薄膜和基片材料。 其次是让成膜温度与薄膜的测量或使用温度相同。 (2)通常情况,Td>T, 若薄膜的弹性常数与温度无 关,薄膜和基片的热胀系数不随温度发生变化、为 常数时,薄膜的热应力随温度作线性变化。
F S 时,热应力为正,即是为张应力。反 (3) 之,热应力为负,即为压应力。
热应力 当薄膜的形成温度和测量或使用温度不同时,由于薄 膜和基片的热胀系数不同而引起的内应力,是一种可 逆的应力。
薄膜热应力的表达式为
F E ( F S ) Td T 1
E 弹性模量, F 薄膜的热胀系数, S 基片的热胀系数 Td 薄膜淀积温度,T 测量温度
④ 淀积方式 对薄膜附着力的影响非常明显。对于同样的薄膜/基 片组合,用溅射方法淀积的薄膜一般比用蒸发方法 制造的薄膜附着牢。 ⑤ 淀积速率 淀积速率增大,表示单位时间内入射的原子数目增 多,因而相对减少了成膜真空室中残留的氧分子的 入射几率,结果在薄膜与基片界面上生成的氧化物 中间层减少,导致薄膜附着力下降。 高速淀积的薄膜结构疏松,内应力较大,也导致附 着性能变差。
② 基片状态的影响 如果基片不经过清洁处理,将在其表面上留有一个 污染层,使基片表面的化学键达到饱和,故淀积上 薄膜以后,膜的附着力很差。因此,在制造薄膜时, 为了提高其附着性能,必须先对基片进行清洁和活 化处理(如离子轰击)。 ③ 基片温度 提高基片温度,有利于薄膜和基片间的原子扩散, 并且还会加速其化学反应,从面有利于形成扩散附 着和通过中间层的附着,所以附着力增大。但会使 薄膜晶粒增大,增加热应力,故不能过分提高基片 温度。
⑥ 淀积气氛 对薄膜附着力的影响,主要发生在薄膜的成长初期。 这时,在制膜的真空室内若有一定量的残留氧气或 水蒸气,氧和水蒸气将与入射的淀积原子相化合, 生成氧化物中间层,从而增强薄膜的附着。 若能增强氧和水蒸气的化学活性,例如使其处于电 离状态,则更能增强薄膜的附着。 成膜以后,若氧从外部或从薄膜和基片内部继续向 薄膜和基片间的界面扩散,则该界面随着时间的进 展,将继续发生氧化,使附着逐渐变强,一直达到 其强度饱和值。这种现象被称为附着力的时间效应。

薄膜物理与技术

薄膜物理与技术

薄膜物理与技术Physics and Technology of Thin Films课程编号:07370110学分:2学时:30(其中:讲课学时: 30 实验学时:0 上机学时:0)先修课程:大学物理,普通化学适用专业:无机非金属材料工程(光电材料与器件)教材:《薄膜物理与技术》,杨邦朝,王文生主编,电子科技大学出版社,1994年1月第1版开课学院:材料科学与工程学院一.课程的性质与任务薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展非常迅速的一个分支,已成为微电子学、固体发光、光电子学等新兴交叉学科的材料基础,同时薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快,国内外对从事薄膜研发和生产的人才需求也日益强劲。

本门课程就是为适应学科发展,学生适应市场需求而设置的专业课程。

课程的基本任务是:1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和方法;2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷,薄膜的电学、力学、半导体、磁学等物理性质。

二.课程的基本内容及要求第一章真空技术基础1、教学内容(1)真空的基本知识(2)稀薄气体的基本性质(3)真空的获得及测量2、教学要求理解真空的基本知识和稀薄气体的基本性质,掌握真空的获得、主要手段和真空度策略方法,了解实用真空系统。

第二章真空蒸发镀膜1、教学内容(1)真空蒸发原理(2)蒸发源的蒸发特性及膜厚分布(3)蒸发源的类型(4)合金及化合物的蒸发(5)膜厚和沉积速率的测量与监控2、教学要求掌握真空蒸发原理,掌握真空镀膜的特点和蒸发过程,理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性,熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制,了解蒸发镀膜的常用方法(电阻加热和电子束加热),了解合金膜及化合物摸的蒸镀。

第三章溅射镀膜1、教学内容(1)溅射镀膜的特点和基本原理(2)溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点,理解表征溅射特性的参量及其影响因素,了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离子镀膜1、教学内容(1)离子镀的原理和特点(2)离子轰击的作用(3)离子镀的类型2、教学要求掌握离子镀的基本原理和特点,理解离子轰击的作用,了解离子镀的类型。

薄膜材料

薄膜材料

薄膜材料:1、金属薄膜金属薄膜具有反射率高,截止带宽、中性好,偏振效应小的特点。

复折射率n-ik n折射率,k消光系数。

垂直入射时,R=((1-(n-ik))/(1+(n-ik))2=((1-n)2+k2)/((1+n)2+k2)倾斜入射时,下面介绍几种最常用的金属膜特性。

(1)Al唯一从紫外(0.2mm)到红外(30mm)具有很高反射率的材料,在大约波长0.85mm处反射率出现一极小值,其反射率为86%。

铝膜对基板的附着力比较强,机械强度和化学稳定性也比较好,广泛用作反射膜。

新淀积的Al膜暴露在大气中后,薄膜立即形成一层非晶的高透明Al2O3膜,短时间内氧化物迅速生长到15~20A0。

在紫外区一般采用MgF2膜作为保护膜,可见区采用SiO作为初始材料,蒸发得到以Si2O3为主的SiOx 膜作为Al保护膜。

制备条件:高纯镀的Al(99.99%);在高真空中快速蒸发(50~100nm/s);基板温度低于50℃。

(2)Ag银适用于可见区和红外区波段,具有很高的反射率。

可见区的反射率可以达到95%,红外区反射率99%,紫外区反射率很低。

Ag层需加保护膜,Al2O3与Ag有很高的附着力,SiOx具有极强的保护性能,所以常用结构为G|Al2O3-Ag-Al2O3-SiOx|A Al2O3膜层厚度为20~40nm,SiOx膜补足设计波长的二分之一。

制备条件:高真空、快速蒸发和低的基板温度。

(3)金Au在红外波段内具有几乎和银差不多的反射率,用作红外反射镜,金膜新蒸发时,薄层较软,大约一周后,金膜硬度趋于稳定,膜层牢固度也趋于稳定。

制备条件:高真空,蒸发速率30~50A/s,基板温度100~150℃。

需要在基板先打底,以Cr或Ti膜作底层。

常用Bi2O3,ThF4等作保护膜,以提高强度。

(4)铬CrCr膜在可见区具有很好的中性,膜层非常牢固,常用作中性衰减膜。

制备条件:真空度在1×10-2~2×10-4Pa,淀积速率95~300A/s。

薄膜物理与技术

薄膜物理与技术
离子镀
将气体在电场的作用下离化,形成离子束或等离子体,然后轰击材 料表面,使其原子或分子沉积在基底表面形成薄膜。
化学气相沉积(CVD)
常压化学气相沉积(APCVD)
在常压下,将反应气体在气相中发生化学反应,生成固态物质并沉积在基底表面形成薄膜 。
低压化学气相沉积(LPCVD)
在较低的压力下,将反应气体在气相中发生化学反应,生成固态物质并沉积在基底表面形 成薄膜。
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)
利用等离子体激活反应气体,使其发生化学反应,生成固态物质并沉积在基底表面形成薄 膜。
液相外延(LPE)
溶胶-凝胶法
将金属盐溶液通过脱水、聚合 等过程转化为凝胶,然后在一
定条件下转化为薄膜。
化学镀
利用化学反应在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
电镀
利用电解原理在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
薄膜的特性与性能参数
特性
薄膜具有一些独特的物理和化学特性, 如高表面面积、高纯度、高密度等, 这些特性使得薄膜在电子、光学、磁 学等领域具有广泛的应用前景。
性能参数
评估薄膜性能的参数包括表面粗糙度、 透光性、导电性、硬度等,这些参数 决定了薄膜在不同领域的应用效果。
薄膜的形成与生长机制
形成
薄膜的形成通常是通过物理或化学方法将物质蒸发或溅射到基材表面,然后凝 结或反应形成薄膜。
涉及其他非主要性能的表征,如化学稳定性、热稳定性等。
详细描述
除了光学、力学和电学性能表征外,还有其他一些非主要性能的表征方法,如化学稳定 性表征和热稳定性表征等。这些性能参数对于评估薄膜在不同环境条件下的稳定性和耐 久性具有重要意义,尤其在化学反应容器制造和高温环境应用等领域中具有重要价值。

介质薄膜的性质半导体薄膜的性质

介质薄膜的性质半导体薄膜的性质

生长高品质Si外延薄膜需要考虑的问题:
(1)外延膜厚度均匀性、电阻率的均匀性 外延膜厚度分布均匀性受反应气体流速的影响。在CVD法制膜过程中:
1)气流速度过快,会形成不稳定的紊流,外延膜中间厚,边缘薄; 2)气流速度过慢,结果是膜的中间薄边缘厚。
此外, 外延膜电阻率均匀问题决定于薄膜形成时加入到反应气体中杂质的种类和数量。
电击穿时电子雪崩式增加产生大量焦耳热介质膜温度迅速上升介质膜电导随温度上升指数型增加进一步导致电流增大最后造成局部地区产生热分解挥发或熔化促成热击穿常见介质膜的击穿场强对于同一种介质膜因制造方法不同其击穿场强有较大的区别产生这种差异的原因是不同制造方法在介质薄膜制备过程中产生的针孔微裂痕纤维丝和杂质缺陷等不同
但因它属于异质外延生长,在SOS膜中还有缺点:如由于硅和蓝宝石热膨胀系数不 同,在膜中产生压应变、高密度晶格缺陷、在Si膜和蓝宝石基体间存在着过渡区、有 来自基体的Al自掺杂。
这些缺点对薄膜性质的影响表现在:
(1)热应变的影响
SOS膜的生长是在1000℃左右温度下进行。因室温下Si膜和蓝宝石基体的热膨 胀系数不同,在Si膜中产生压应力大约109dyn/cm2。由于压应力作用使Si膜导 带能量发生变化,从而引起电导率发生变化。
(2)自动掺杂效应 在外延膜生长过程中来自基体中的杂质掺杂称为自动掺杂效应。
抑制自动掺杂效应采取的措施: 减小外延膜生长时的气压(减压CVD),减小外延膜成长速率,增大气体流量使用低蒸气
压掺杂剂
(3)结构缺陷
在外延膜中的结构缺陷有位错、积层缺陷、析出物、杂质异物和氧化缺陷等。从广 义角度看,还有氧、碳及重金属杂质、原子空位和填隙原子等点缺陷。目前研究较 多的缺陷是硅氧化时从表面引入的积层缺陷。(衡量这种缺陷的参数是积层缺陷长 度L,它与氧化时间t及温度T有关)。

基本薄膜材料范文

基本薄膜材料范文

基本薄膜材料范文基本薄膜材料是一种非常薄的材料,通常厚度在纳米至微米的范围内。

它们广泛应用于电子设备、太阳能电池、可穿戴设备和医疗器械等领域。

基本薄膜材料具有很多优点,如轻质、柔韧、透明和高电导性等。

本文将介绍几种常见的基本薄膜材料。

1.氧化物薄膜材料:氧化物薄膜材料具有优异的电学、光学和磁学性质,在电子器件和能源转换领域具有广泛应用。

其中,氧化钇铈薄膜用于固态氧化物燃料电池,氧化锆薄膜用于陶瓷涂层,氧化铝薄膜用于绝缘材料。

2.碳化物薄膜材料:碳化物薄膜材料具有良好的机械性能和热传导性能,在涂层保护、陶瓷刀具和导热材料等领域有广泛应用。

其中,碳化硅薄膜用于涂层保护和光学镀膜,碳化钨薄膜用于硬质合金刀具。

3.金属薄膜材料:金属薄膜材料具有良好的导电性和热传导性,在电子器件、太阳能电池和导热界面材料等领域广泛应用。

其中,铜薄膜用于电子线路和导热材料,铝薄膜用于光学反射镜和电容器。

4.半导体薄膜材料:半导体薄膜材料具有特殊的电子能带结构和电学性质,在光电子学、光伏和集成电路等领域有广泛应用。

其中,硅薄膜用于太阳能电池和集成电路,化合物半导体薄膜材料如氮化物和磷化物用于光电子器件和激光器。

5.无机玻璃薄膜材料:无机玻璃薄膜材料具有很高的化学稳定性和光学透明性,在光学涂层、显示器件和光纤通信等领域广泛应用。

其中,氧化硅薄膜用于光学涂层和显示器件,氮化硅薄膜用于光纤通信。

6.有机薄膜材料:有机薄膜材料具有柔韧性、可塑性和可加工性等特点,在平板显示器、太阳能电池和柔性电子等领域有广泛应用。

其中,聚合物薄膜用于柔性显示器和太阳能电池,有机小分子薄膜用于有机发光二极管。

基本薄膜材料具有不同的特性和应用领域,其制备方法也存在差异。

一般来说,薄膜制备方法可分为物理气相沉积、化学气相沉积和溶液法等。

物理气相沉积包括蒸发、激光蒸发、磁控溅射和分子束外延等方法;化学气相沉积包括化学气相沉积和气相热解等方法;溶液法则包括旋涂、喷涂、浸渍和印刷等方法。

薄膜材料介绍课件

薄膜材料介绍课件
组织工程
薄膜材料可作为组织工程的支架材料,用于再生医学领域 。
其他领域
包装行业
薄膜材料在包装行业中 广泛应用,如食品包装 、药品包装等。
装饰行业
薄膜材料可用于制造各 种装饰品,如玻璃贴膜 、汽车贴膜等。
信息存储
薄膜材料可用于高密度 信息存储,如光盘和磁 记录介质。
05
薄膜材料的发展趋势与 挑战
新材料开发
分类
根据材料类型,薄膜材料可以 分为金属薄膜、绝缘体薄膜、 半导体薄膜、聚合物薄膜等。
根据制备方法,薄膜材料可以 分为物理气相沉积薄膜、化学 气相沉积薄膜、溶胶-凝胶法薄 膜等。
根据应用领域,薄膜材料可以 分为光学薄膜、电子薄膜、生 物薄膜、能源薄膜等。
通常具有较高的透明度,允许光线透过 ,适用于各种光学应用。
薄膜材料介绍课件
contents
目录
• 薄膜材料的定义与分类 • 薄膜材料的特性与性能 • 薄膜材料的制备方法 • 薄膜材料的应用领域 • 薄膜材料的发展趋势与挑战
01
薄膜材料的定义与分类
定义
01
薄膜材料是指厚度在微米至纳米 范围内的薄层材料,通常由一种 或多种材料组成。
02
薄膜材料可以具有各种不同的性 质,如光学、电学、磁学、力学 等,这使得它们在许多领域都有 广泛的应用。
能源领域
太阳能电池
薄膜太阳能电池是一种新型的太阳能电池,其特点是薄、轻、可弯 曲。
燃料电池
薄膜材料可用于制造燃料电池的电极和隔膜。
储能电池
薄膜材料在储能电池领域也具有广泛应用,如锂离子电池的电极材料 。
生物医学领域
生物传感器
薄膜材料可用于制造生物传感器,用于检测生物分子和细 胞。

薄膜及其特性

薄膜及其特性
效应一般 称为量子尺寸效应。
.
17
另外,表面中含有大量的晶粒界面,而界面势垒 V 0 比电子能量E要大得多,根据量子力学知识,这些 电子有一定的几率,穿过势垒,称为隧道效应。 电子穿透势垒的几率为:
T1E 6 (V V 0 0 2E )ex 2 p h a2 m V 0E
.
5
基片和薄膜属于不同种物质,附着现 象所考虑的对象是二者间的边界和界 面。
二者之间的相互作用能就是附着能, 附着能可看成是界面能的一种。附着 能对基片-薄膜间的距离微分,微分最 大值就是附着力。
.
6
不同种物质原子之间最普遍的相互作用是范德 瓦耳斯力。这种力是永久偶极子、感应偶极子之 间的作用力以及其他色散力的总称。
在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和 缺陷态,对电子输运性能也影响较大。
在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用, 因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性和附着 力问题,以及内应力的问题。
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3
(1)表面能级很大
表面能级指在固体的表面,原子周期排列的连 续性发生中断,电子波函数的周期性也受到影 响,把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆 (Tamm)在1932年进行了计算,得到了电子表 面能级或称塔姆能级。
射率膜(反射率可达99%以上)等等。
.
25
(3)硬质膜、耐蚀膜、润滑膜
①硬质膜 用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、 TiC、TiB2、(Ti, Al)N、Ti(C, N)等硬质膜,以及 金刚石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。
②耐蚀膜 用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍膜 和非晶与微晶不锈钢膜;用于涡轮发动机叶片表 面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。
③润滑膜 使用于真空、高温、低温、辐射等特殊场 合的MoS2、MoS2-Au、MoS2–Ni等固体润滑膜和 Au、Ag、Pb等软金属膜。

介质层 半导体

介质层 半导体

介质层半导体
介质层是用于分隔或保护某些材料的薄膜或薄层,其本身并非材料的一部分。

半导体是一种材料,其导电性介于导体和绝缘体之间。

在半导体中,电子不是完全被束缚在原子周围,这使得半导体具有一些特殊的电学和光学性质。

介质层和半导体在电子设备和器件中有广泛的应用。

例如,在集成电路中,介质层可以作为绝缘层或隔离层,防止不同部分之间的短路。

而半导体则常用于制造电子器件,如晶体管、太阳能电池和集成电路等。

总的来说,介质层和半导体在电子科技领域都有重要的应用,但它们的功能和性质有所不同。

导体和半导体的区别如下:
本质不同:导体是指电阻率很小且易于传导电流的物质。

在导体中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。

在外电场的作用下,载流子作定向运动,形成明显电流;半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

半导体导电有两种载流子(自由电子和空穴均参与导电,自由电
子和空穴一起出现,数目相等,所带电荷极性不同,故运动方向相反,其中空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点)。

应用不同:导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用;半导体在电子、通信、自动控制等领域都有应用。

常见的薄膜

常见的薄膜
解决方法:在铝中添加一定量铜。

铜的特性
铜具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性 和延展性等物理化学特性。导电性和导热性 仅次于银。纯铜是玫瑰红色的, 氧化铜呈紫 红色。故称紫铜。在空气和水中不太稳定, 受潮湿、二氧化碳及硫气体的影响,易生氧 化膜、硫化物和碱式碳酸铜。
电阻率更小 ,ρ = 1.72 μΩ•cm;更小的功 耗和更快的芯片速度(更小的RC信号的延 时),更高的集成密度;良好的抗电迁移能 力。
常见的薄膜
常见的薄膜
薄膜的定义和特性
定义: 厚度远小于面积固态物质层,称为薄膜。
特性 1、好的台阶覆盖能力; 2、粘附性好; 3、高的深宽比填充; 4、厚度均匀; 5、应力小 6、结构完整,高纯度,高密度
薄膜的种类和生长
种类 1、绝缘介质:SiO2, Si3N4 BSG,PSG,BPSG,FSG 2、金属薄膜:铝、金、铜、钨 3、半导体薄膜:单晶硅外延层、多晶硅 生长
薄膜分子成核 → 聚集成膜 → 连续的膜
半导体生产中常用薄膜
二氧化硅(掺杂) 氮化硅 铝(铜) 铜(金) 多晶硅 单晶硅外延层
二氧化硅
掺杂的二氧化硅 B,P等
可以吸收钠离子,减少沾污 高温下流动性好,有利于回流工艺 ,更
好的填充空隙,实现表面平坦化
氮化硅

钨的作用 利用CVD钨具有均匀的填充高深宽比
通孔的能力,作为金属填充物 。 工艺流程在CVD钨淀积之后,用干法
刻蚀或CMP法去除表面多余的钨仅保留 通孔内的钨以形成插塞的制作技术,可 以提供稳定可靠的多层金属内连线。

金的特性
金的密度较大,韧性很好,延展率高抗机械 强度高;
金的化学性质很稳定,通常,无论是稀的或 浓的盐酸、硝酸、硫酸单独使用均不能溶解 它,但是金可溶于王水(盐酸和硝酸的3:1的 混合剂 ) ,金与王水发生化学作用生成 HAuCL4四氯金酸,四氯金酸的腐蚀性能极 强,它能腐蚀一切金属。

薄膜物理与技术-7 薄膜的物理性质--(1) 薄膜的力学性质

薄膜物理与技术-7  薄膜的物理性质--(1) 薄膜的力学性质
2.1.3 增加附着力的方法 ①清洗基片 污染物导致薄膜与基片不能直接接触→范德华力大 大减弱→扩散更不可能→吸附性极差
解决方法:基片清洗→去掉污染层(吸附层使基片 表面的化学键饱和,从而薄膜的附着力差)→提高 附着性能。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力
②提高基片温度 提高温度,有利于薄膜和基片之间原子的相互扩散 →扩散附着有利于加速化学反应形成中间层 →中间层附着 须注意:T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
薄膜物理与技术
第七章 薄膜的物理性质
宋春元 材料科学与工程学院
第七章 薄膜的物理性质
概述
由于薄膜材料的不同,各种薄膜(如金属膜、 介质膜、半导体膜等)都有各自不同的性质。了解 薄膜的力学、电学、光学、热学及磁学性质, 对薄膜的应用有着十分重要的意义。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
7.1.1 薄膜的附着力 薄膜附着的类型
薄膜的附着可分为四种类型: (a)简单附着 (b)扩散附着 (c)通过中间层附着 (d)宏观效应附着等。
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质--7.1.1 薄膜的附着力
附着的四种类型示意图(图7-1)
简单附着
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的力学性质
7.1.2 薄膜的内应力--内应力的成因
(相转移效应
在薄膜形成过程中发生的相转移是从气相到固相 的转移。在相转移时一般都发生体积的变化。这是形 成内应力的一个原因。 Ga膜在从液相到固相转移时体积发生膨胀,形成 的内应力是压缩应力。 Sb(锑)膜在常温下形成时为非晶态薄膜。当厚 度超过某一个临界值时便发生晶化。这时体积发生收 缩,形成的内应力为张应力。

薄膜的制备1薄膜基础

薄膜的制备1薄膜基础

其他性能表征方法
X射线衍射分析
用于确定薄膜的晶体结构、相 组成等。
电子显微镜分析
观察薄膜的表面形貌、微观结 构等。
原子力显微镜分析
用于研究薄膜表面的纳米级形 貌和粗糙度。
椭圆偏振光谱分析
用于测量薄膜的厚度和折射率 等光学参数。
05 薄膜的未来发展与挑战
新材料与新技术的开发
高性能材料
研发具有优异力学、电学和光学 性能的新型薄膜材料,以满足不
微电子领域
微电子领域是薄膜应用的重要领域之一,薄膜材料在集成电路、微电子器件、太阳 能电池等方面具有广泛的应用。
在集成电路制造中,薄膜材料被用于制作导电层、绝缘层和介质层等,对提高集成 电路的性能和可靠性起着至关重要的作用。
在太阳能电池中,薄膜材料能够吸收太阳光并转换为电能,具有高效、轻便和可弯 曲等优点。
表面化学性质
薄膜表面的化学组成、官能团等, 影响薄膜与其他物质的相互作用。
成分分析
通过化学分析方法确定薄膜中各元 素的含量及分布。
机械性能
01
02
03
04
硬度
薄膜抵抗外部压力的能力,如 划痕硬度、压痕硬度等。
韧性
薄膜在受到外力作用时抵抗破 裂的能力。
耐磨性
薄膜抵抗摩擦磨损的能力。
弹性模量
薄膜在受力时的弹性响应,反 映其刚度特性。
根据应用领域,薄膜 可以分为光学薄膜、 电子薄膜、能源薄膜 等。
根据材料组成,薄膜 可以分为金属薄膜、 半导体薄膜、绝缘体 薄膜等。
02 薄膜的制备方法
物理气相沉积(PVD)
01
02
03
真空蒸发沉积
利用加热蒸发材料,使其 原子或分子从固态表面升 华进入气相,然后在基底 表面凝结形成薄膜。

薄膜及其特性

薄膜及其特性
(5)装饰膜
(6)包装膜
1.3 薄膜材料的特殊性
(1)表面能级很大 由于薄膜表面积与体积之比很大,致使薄膜材料的 表面效应十分突出。 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之 比随粒子尺寸的减小而大幅度地增加(对于直径为 10nm的粒子,表面原子所占百分数为20%;直径为 1nm的粒子,表面原子所占百分数为100%),粒 子的表面能和表面张力随之增加,材料的光、电、 化学性质发生变化。
• 较高的沉积速度会降低薄膜与衬底界面处 形成化合物中间层的几率,同时形成相对 疏松的膜层,往往会导致附着力的下降。
• 薄膜材料可用各种单质元素及无机化合物 或有机化合物来制作膜,也可用固体、液 体或气体物质来合成。薄膜与块状物体一 样,可以是单晶薄膜、多晶薄膜、微晶薄 膜、纳米晶薄膜、非晶薄膜、超晶格薄膜 等。
(2)薄膜材料科学与技术的研究内容
(a)如何使某一物质(可以是块状、液态等 物质)能成为薄膜形状?就是研究该材料 的制备工艺(合成)技术;
1 薄膜的几种定义
一、定义1(狭义):
由单个的原子、离
Vacuum
子、原子团无规则地入
射到基板表面,经表面 Thin Film 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。
Atom Substrate
定义1的特点:
●强调了薄膜生长的机理与过程 ●仅仅适用于薄膜的气相生长方法,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
⑥激光唱片与光盘中的光存储薄膜,如Te81Ge15S2Sb2硫 系半导体化合物薄膜、TbFeCo非晶膜。
⑦集成光学元件与光波导中所用的介质薄膜与半导体薄 膜。
(3)硬质膜、耐蚀膜、润滑膜

几种新型薄膜材料及应用

几种新型薄膜材料及应用
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在居里点附近铁电体的介电性质、弹性性质、光 学性质和热学性质等,都要出现反常现象,即具 有临界特性。在Tc时,介电系数、压电系数、弹 性柔顺系数、比热和线性电光系数急剧增大。例 如:大多数铁电晶体,在Tc时介电常数可达104~ 105,这种现象称为铁电体在临界温度附近的 “介电反常”。
.
当 -温外度斯高 定于 律T(Cc时ur,ie介-W电e系iss数L与aw温)度:的关系服从居里
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5.3.1 透明导电薄膜的种类与特性
透明导电膜分为:金属薄膜、半导体薄膜、复合膜和 高分子电介质膜等,其薄膜的构成、导电性以及透明 度见表5-2。 可Cd形2S成nO导4电、层Au的、材Pd料等有。SnO2、In2O3、In2O3-SnO2、 金属薄膜中由于存在着自由电子,因此即使很薄的膜 仍呈现出很好的导电性,若选择其中对可见光吸收小 的物质就可得到透明导电膜。金属薄膜系列虽然导电 性好,但是透明性稍差。 半导体薄膜系列以及高分子电介质系列恰恰相反:导 电性差,透明度好。 多层膜系列的导电性与透明度都很好。
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④溅射法
锡掺杂的In2O3(tin-doped indium oxide,简 称ITO)薄膜是一种n型半导体材料,它具有 较宽的带隙(3.5eV~4.3eV), 较高的载 流子密度(1021cm-3)。另外,ITO薄膜还 具有许多其它优异的物理、化学性能,例 如高的可见光透过率和电导率,与大部分 衬底具有良好的附着性,较强的硬度以及 良好的抗酸、碱及有机溶剂能力。因此, ITO薄膜被广泛应用于各种光电器件中,如 LCDs(Liquid Crystal Display)、太阳能电池、 能量转换窗口、固态传感器和CRTs。
⑴溅射法 ⑵MOCVD技术 ⑶Sol-Gel法 ⑷PLD法

《介质薄膜》课件

《介质薄膜》课件

技术进步:新材料、新工艺的不断涌现,推动介质薄膜性能提升 应用领域:在电子、光学、生物等领域的应用不断拓展 市场规模:随着市场需求的不断增长,市场规模将持续扩大 环保要求:环保法规的日益严格,推动介质薄膜向环保方向发展
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汇报人:
折射率:描述介质薄膜对光的折射能力
色散:描述介质薄膜对不同波长光的折 射能力差异
光致变色:描述介质薄膜在光照条件下 的颜色变化特性
电阻率:衡量介质薄膜的导电性能 电容率:衡量介质薄膜的储能性能 电导率:衡量介质薄膜的导热性能 介电常数:衡量介质薄膜的绝缘性能
拉伸强度:衡量薄膜在拉伸作用下的抵抗能力 弯曲强度:衡量薄膜在弯曲作用下的抵抗能力 冲击强度:衡量薄膜在冲击作用下的抵抗能力 硬度:衡量薄膜的硬度和耐磨性 热变形温度:衡量薄膜在高温下的变形能力 热膨胀系数:衡量薄膜在温度变化下的尺寸变化能力
化学气相沉积法(CVD):通过化学反 应在基底上沉积薄膜
物理气相沉积法(PVD):通过物理过 程在基底上沉积薄膜
溶液法:通过溶ห้องสมุดไป่ตู้在基底上沉积薄膜
电泳法:通过电场在基底上沉积薄膜
激光烧蚀法:通过激光烧蚀在基底上沉 积薄膜
离子注入法:通过离子注入在基底上沉 积薄膜
介质薄膜的性能表 征
反射率:描述介质薄膜对光的反射能力 透射率:描述介质薄膜对光的透射能力 吸收率:描述介质薄膜对光的吸收能力
介质薄膜的制备方 法
原理:利用高 能粒子轰击靶 材,使其表面 原子或分子逸 出并沉积在基
底上
特点:沉积速 率快,薄膜质 量高,可制备
多种材料
应用:广泛应 用于半导体、 太阳能电池、 光学薄膜等领

优点:可精确 控制薄膜厚度 和成分,易于 实现大面积均

半导体氮化铝薄膜

半导体氮化铝薄膜

半导体氮化铝薄膜一、研究背景半导体氮化铝(AlN)是一种III-V族的宽禁带隙半导体材料,具有较高的热导率、较大的破裂场强度和较好的化学稳定性,因此被广泛用于高功率、高频率、高温和高性能电子器件中。

氮化铝薄膜作为AlN材料的一种形式,具有较好的厚薄比、光学性能和制备工艺,因此在半导体器件、超声波器件、光电子器件等领域也有着重要的应用价值。

二、物理性能1. 结构性质半导体氮化铝薄膜具有具有六方晶系的晶体结构,晶单胞中有两个原子,其中铝原子位于3a位置,氮原子位于6c位置。

由于晶格常数较小,表面自由能相对较高,使得氮化铝薄膜的结晶度较低,易于形成晶界和缺陷。

2. 光学性质氮化铝薄膜在紫外、可见光和红外波段都有不错的透射性能,因此在光学器件领域具有较广泛的应用前景。

此外,氮化铝薄膜还具有较高的折射率和较小的色散率,这些特性使得氮化铝薄膜在镜片、滤光片、薄膜透镜等领域有着重要的应用价值。

3. 电学性质半导体氮化铝薄膜具有良好的介电性能和较大的带隙能。

它的介电常数较高,使得在高频、微波电子器件中有着广泛的应用。

此外,由于氮化铝薄膜具有较大的带隙能,使得在光电子器件中也有着很好的性能表现,例如在LED、固体激光器件等领域中有着广泛的应用。

三、制备方法1. 溅射法溅射法是氮化铝薄膜制备的主要方法之一,通过在真空或惰性气氛中将靶材(铝或氮化铝混合靶)溅射到基底表面上,形成氮化铝薄膜。

溅射法具有成本低、工艺简单、薄膜质量好等特点,因此在半导体器件、光学器件等领域有着广泛的应用。

2. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种通过将有机金属化合物或氮气等气体在基底表面发生化学反应从而形成薄膜的方法,具有生长速度快、薄膜均匀度好等优点。

由于氮化铝薄膜的制备工艺复杂,对设备和工艺环境的要求高,因此化学气相沉积法的应用范围较狭窄。

3. 氮化铝薄膜的应用氮化铝薄膜在半导体器件、微波器件、光学器件等领域都有着广泛的应用。

在半导体器件中,氮化铝薄膜可用作电极、隔离层、封装材料等;在微波器件中,氮化铝薄膜可用于制备介质波导、铝氮化物超声波滤波器等;在光学器件中,氮化铝薄膜可用于制备薄膜滤光片、薄膜透镜、反射镜等。

薄膜材料的制备及其在电子器件中的应用

薄膜材料的制备及其在电子器件中的应用

薄膜材料的制备及其在电子器件中的应用薄膜材料是指厚度在纳米到微米级别的薄层材料,广泛应用于许多领域,如电子学、光学、能源、生物医学和环境科学等。

在电子器件中,薄膜材料不仅可以作为基底和电子控制层,还可以用作零件和传感器等。

制备薄膜材料的方法有多种,根据用途和适用性选择相应的方法。

其中最常用的方法是物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。

PVD是一种利用物理过程沉积薄膜材料的方法。

其核心原理是利用高能粒子在材料表面撞击并产生原子、分子等粒子,使其沉积在表面形成薄膜层。

CVD是通过化学反应沉积薄膜材料的方法。

其核心原理是将气态前体分子通过气相原地为基底表面提供反应物,反应生成固态产物薄膜,常用于制备SiO2、Si3N4等材料。

通过不同的制备方法,可以制备出多种类型的薄膜材料,如金属薄膜、氧化物薄膜、氮化物薄膜、半导体薄膜等。

这些材料的物理和化学性质各不相同,可根据不同的应用需求设计制备。

在电子器件中,薄膜材料应用广泛。

首先,它可以作为基底提供数学同等面积,从而优化器件的空间利用率。

此外,它还可以作为传感器、电解液及电池的隔膜等功能材料。

下面,介绍薄膜材料在电子器件中的具体应用。

1. 金属薄膜金属薄膜是把强度较弱、高导电率和热导率良好的金属沉积于基底上,常用于制备微电子器件和焊接材料。

由于其具有显著的导电性,可作为电子元件的电极和金属部件的材料。

例如,金属薄膜可以用于制备微电子机械系统中的电极和振荡器。

此外,金属薄膜还可作为电感和电容的制备材料。

2. 氧化物薄膜氧化物薄膜是指以氧化物为基础材料的薄膜。

氧化物薄膜通常用于制备电介质,它具有优异的化学和物理性质,可作为电容器和存储器中的绝缘层。

例如,氧化铝薄膜常用于晶体管的栅氧层和电容器的介质层。

此外,氧化物薄膜还可用于光学过滤器和反射镜等。

3. 氮化物薄膜氮化物薄膜是指以氮化物材料为基础的薄膜。

氮化物薄膜具有优秀的力学、电学和光学性能,并具有广泛的应用前景。

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在测量介质薄膜的电导时,需在介质膜的两面制作电 极,形成金属一介质一金属(MIM)结构,只有在电极 与介质的接触是欧姆接触时,测出的电导才是介质膜 的电导。
1.介质薄膜电导的分类
1)按载流子的性质:可分为离子型电导和电子 型电导。通常两种同时存在。
2)按载流子的来源分,离子电导和电子电导都 有两种来源:一种是来源于介质薄膜本身 的,称本征电导;另一种是由膜中的杂质 和缺陷引起的电导,称为杂质电导或非本 征电导。
五、介质薄膜的铁电效应
✓ 铁电体:某些晶体在一定温度范围内具有自发极化,且 这种自发极化方向可以随着电场方向而变化。
✓ 铁电体的特征: ① 具有电滞回线(极化强度P和外电场E间的特定关系) ②存在一个临界温度,即铁电居里温度 ③其介电性、热学、光学、弹性性质在在临界温度附近
出现反常现象。 目前研究较多的铁电薄膜主要是BaTiO3和PbTiO3
介质膜的本征击穿 本征击穿由电击穿和热击穿共同作用完成。
✓ 电击穿是介质膜中载流子在临界电场作用下产生电子 倍增而形成的击穿。
✓ 电击穿时电子雪崩式增加,产生大量焦耳热,介质膜 温度迅速上升,介质膜电导随温度上升指数型增加, 进一步导致电流增大,最后造成局部地区产生热分解、 挥发或熔化,促成热击穿。
✓ 带电粒子在应力作用下发生相对位移而极化,在晶体 两端产生符号相反的束缚电荷,电荷密度与应力成线 性关系。这种由于应力作用使表面产生极化电荷的现 象称为正压电效应。
✓ 当晶体受到电场作用时在它的某个方向发生应变,且 应变与场强成线性关系,称为负压电效应。 这两种效应综合在一起称为压电效应。目前应用最 多的压电薄膜有ZnO和AlN
➢ 压电薄膜的结构
为了产生极化电荷,要求: (1)离子晶体 (2)晶体结构没有对称中心 (3)所选材料各微晶基本上有相同取向 (4)微晶原子排列上要求立方晶结构闪锌矿或者
六方晶结构纤锌矿。
➢ 压电性能参数 ✓ 机电耦合系数κ
✓ 压电系数d 单位应力作用下产生的极化强度或者单
位电场作用下产生的应变
✓ 机械品质因数Qm 描述压电材料在谐振时机械能损
耗的数量 ✓ 电学品质因数Qe 描述损失的交变电流能量
无功电流
有功电流
四、介质薄膜的热释电性质
✓ 具有自发极化的晶体被加热时表面上出现电 荷的现场称为热释电效应。 当给热释电晶体施加电场时,会引起晶体温度 的变化,这称为电卡效应。
✓ 热释电晶体要求具有自发极化型,且结构上 没有对称中心。
➢ 介质薄膜的损耗
对薄膜施加交变电场后,由于电导和极化方面的原 因,必然产生能量损耗,用损耗角δ的正切值 tanδ(%)表示
介质薄膜的损耗由三部分构成
✓ 电导损耗。在低频下比较显著。
✓ 弛豫型损耗。与交变电场频率有密切关系,高 频显著。
✓ 非弛豫型损耗。由膜内Байду номын сангаас均匀性造成,与频 率几乎无关。
三、介质薄膜的压电性质
高温下为本征电导,中低温时
不同温度范围激活能不同。
➢ 介质薄膜的击穿
当施加到薄膜上的电场强度达到某一数值,它便立即 失去绝缘性能,这种现象叫做击穿。 ✓ 从击穿对薄膜造成的影响分类 1)如果击穿电场持续加在薄膜上,将有较大电流通 过将其烧毁,这种击穿成为硬击穿。
2)有些介质膜在击穿时并不烧毁而是长期稳定的工 作维持低阻态,这种膜的击穿成为软击穿。 ✓ 从击穿机理分类 1) 由于外加电场引起的击穿称为本征击穿 2) 因薄膜缺陷引起的击穿称为非本征击穿
➢ 半导体薄膜的发展与半导体器件及集成电路 的发展有着密切的关系,在各种半导体材料中, 半导体薄膜占有非常重要的地位。
➢ 首先得到应用的半导体材料就是半导体薄膜。 (氧化亚铜整流器、锗整流器件)
本节仅就单晶、多晶、非晶和氧化物半导体薄 膜等四种材料的性质作些扼要介绍。
1. 硅外延膜 2.SOS(Si on Sapphire)薄膜 3.Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体薄膜 4.Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体薄膜。
1)气流速度过快,会形成不稳定的紊流,外延 膜中间厚,边缘薄;
2)气流速度过慢,结果是膜的中间薄边缘厚。 此外, 外延膜电阻率均匀问题决定于薄膜形 成时加入到反应气体中杂质的种类和数量。
9.3 介质薄膜的电学性质 9.4 半导体薄膜的性质 9.5 薄膜的其他性质
2015.05.26
介 质
一、绝缘性质

二、介电性质
膜 电
三、压电性质

四、热释电性质


五、铁电性质
介质薄膜绝缘性能的研究主要是为了制作薄膜电子 元器件中的绝缘层。对绝缘性能的研究主要是电导和 击穿特性
➢ 介质薄膜的电导
1. 硅外延薄膜
所谓“外延”(epitaxy)就是原子以单晶形式 排列在单晶基体上,使最后形成的薄膜层的晶格 结构恰好是基体晶格结构的延续(外延)。
硅外延薄膜是通过化学气相沉积法(CVD) 制造的。厚度在1m到20 m之间变化。
生长高品质Si外延薄膜需要考虑的问题:
(1)外延膜厚度均匀性、电阻率的均匀性 外延膜厚度分布均匀性受反应气体流速的影 响。在CVD法制膜过程中:
由于极化强弱与介质薄膜中总电荷数以及电 荷间相互作用强弱有关,所以介质薄膜介电 常数与原子序数有关。
介电薄膜的温度系数也是其介电性能的重要参数。 ①
在测量温度系数时必须在介质膜上制备欧姆接触电极, 构成一个片状电容器。在测量电容器温度系数后再推求 出介电常数的温度系数


③式中αd为薄膜厚度热膨胀系数,可直接测出。
2.介质膜的电导与场强和温度的关系
1)通常在低场强(E<105V/cm)下,离子电导符合 欧姆定律;例如当介质膜用于电子元器件中 作为隔离层或保护层使用时的情况。
2)而在高场强(E>106V/cm)下,电导为非欧姆 性的;例如介质膜用作电容器中的工作介质 时的情况。
3)在一般电场条件下,介质薄膜
的电导率随温度升高而增加。
常见介质膜的击穿场强
对于同一种介质膜,因制造方法不同其击穿场强有较 大的区别,产生这种差异的原因是不同制造方法在 介质薄膜制备过程中产生的针孔、微裂痕、纤维丝 和杂质缺陷等不同。
二、介质薄膜的介电性质
作为薄膜电容器使用时,其电学性质主要研究 的是介电常数和介质损耗。 ➢ 介质薄膜的介电常数 根据极化性质的不同,将介质薄膜分为极化 型介质薄膜和非极化型介质薄膜。
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