光电功能薄膜技术(研讨)1序言-材料系
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②超导薄膜：特别是近年来国外普遍重视的高温超导薄膜，例如 YBaCuO系稀土元素氧化物超导薄膜以及BiSrCaCuO系和 TlBaCuO系非稀土元素氧化物超导薄膜。
③薄膜太阳能电池：特别是非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电 池。
3、磁学薄膜：磁记录介质
德国科学家Grunberg小组有一重要的发现，就是在Fe/Cr/Fe三层膜中观察到两 个铁层之间通过铬层产生耦合。法国科学家Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层膜中， 观察到当施加外磁场时，其电阻下降，变化率高达50％。因此称之为巨磁电阻效 应(giant magnetoresistance)。他们的发现极大地提高了电脑硬盘的数据存储量。
薄膜有时与类似的词汇“涂层” （coating）、“层”（layer）、“箔” （foil）等有相同的意义，但有时又有些差别。
薄膜可以有气体薄膜、液体薄膜（液晶） ，但研究最多、 应用最广的是固体薄膜（Thin Solid Film） 。
薄膜的例子
广泛应用在日常生活、生产和科学研究中
日常生活
生产
科学研究
刀具表面氮化物、氧化物、碳化物镀膜
薄膜技术发展的历史
3000多年前，中国古代在陶瓷中已开始采用釉涂层。 19世纪初，发现辉光放电过程可沉积固体薄膜。 20世纪后，电解法、化学反应法和真空蒸镀法等薄膜制备方
法相继问世，薄膜技术迅速发展。光学薄膜最先得到研究 和应用，成功地制备了各种增透膜、高反膜、滤光膜、分 光膜等光学薄膜，在光学仪器、太阳电池、建筑玻璃等领 域得到广泛的应用。20世纪50年代以后，微电子技术的进 步极大地推动了薄膜技术的进步。在现代的集成电路制作 过程中，薄膜沉积和刻蚀是必不可少的薄膜工艺。
4、机械薄膜： （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。
按制备方法分类
气态
原
固
始 液态
态
膜 固态
薄
料
膜
材料
应用领域
制备方法
电学与光学薄膜 气相沉积方法
薄膜技术在电子学领域中的意义
2001年：IC特征尺寸150 nm
CMOS中栅极氧化物厚度2~3 nm 金属硅化物电极厚度45nm 量子阱和超晶格的单层厚度10nm
2、唐晋发，顾培夫主编，薄膜光学与技术， 机械工业出版社，1987
3、H. A. Macleod主编, THIN-FILM OPTICAL FILTERS, Institute of Physics Publishing, 2001
4、吴自勤、王兵主编，薄膜生长，科学出 版社，2003
课程名称：光电功能薄膜技术（研讨） 时间安排： 1-16周 周四（6-7） 教七-10A
第1-13周：授课、研讨 第14、15周：实验、答疑 第16周：考试
考核方式：出勤、实验、考试
有关“薄膜（thin film）”的定义
① two-dimension materials ② thin 多“薄”的膜才算薄膜？（视功能及其应用领域而定） ③ film = layer of material on a substrate
镜面接触
AlxGa1-xAs GaAs
超晶格 GaAs /AlxGa1-xAs
多结薄膜太阳能 结构示意图
hv
P+
n+
GaAs 衬底
法布里-珀罗标准器
布揦格反射器
光发 射
半导体激光器
薄膜技术在光学领域中的意义
➢提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。 ➢实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分 光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。 ➢通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带 通滤光片、长波通、短波通滤光片。
薄膜的种类
薄膜的分类方法有多种： 材料种类、应用领域、制备方法等
材料种类
按化学组成分为： 无机膜、有机膜、复合膜；
按晶体形态分为： 单晶膜、多晶膜、微晶膜、 纳米晶膜、超晶格
应用领域
1、光学薄膜
减反射膜 例如照相机、幻灯机、投影仪、电影放映机、望远 镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜和棱镜上所镀的单层 MgF2薄膜和双层或多层（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等） 薄膜组成的宽带减反射膜。
反射膜 例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳能接收器的镀铝膜； 用于大型天文仪器和精密光学仪器中的镀膜反射镜；用于各类
激光器的高反射率膜（反射率可达99%以上）等等。
偏振片、滤色片、分束片等
2、电学薄膜
①半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料：Al、 Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄 膜。
半导体异质结、量子阱和超晶格、和量子点
量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、 量子尺寸效应、和单电子隧穿效应
石墨烯 Graphene
光电功能薄膜技术（研讨）课程的目的
1、了解薄膜真空沉积系统； 2、了解各种镀膜方法，物理气相沉积方法； 3、了解镀膜工艺； 4、了解薄膜的结构特性； 5、了解薄膜的光学性质及其测量方法； 6、掌握简单的真空沉积系统的操作。
两类薄膜生长方法：薄膜沉积和薄膜外延
薄膜技术在基础研究上的意义
The Physics Department strives to be at the forefront of many areas where new physics can be found. Consequently, we work on problems where extreme conditions may reveal new behavior. … We study the smallest things in the universe… By pushing the limits, we have the chance to observe new general principles and to test theories of the structure and behavior of matter and energy. Edmund Bertschinger Professor of Physics and Head, MIT Department of Physics
石墨烯、半导体超晶格
4、功能性结构的集成和微小型化
现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，过去需要众多器件 组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板 就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手 段。
器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能并使之更加强化，而且 随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度， 薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件 微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。
为什么需要薄膜
1、对基板的性能进行改良
金刚石薄膜、防腐层、半导体单晶片外延层
2、对基板的性能进行改性 疏水/亲水性(汽轮机叶片、眼镜) 反射/透射/偏振镜片
3、在基板上实现新的化学、光学和Hale Waihona Puke Baidu学等性能，或者 获得新的材料
薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同材料灵活地复 合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系
➢实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等
目前光学薄膜两个重要的应用领域：
➢光通信：以DWDM(dense wavelengh division multiplexer)filter为代表的光无源器件 ➢信息显示技术：LCD、LCOS投影显示技术
E-beam Evaporation Machine
授课内容
第一章，真空设备： 第二章，制备技术： 第三章，制备工艺因素： 第四章，薄膜材料： 第五章，膜层厚度的均匀性及其测量： 第六章，薄膜的结构特性： 第七章，薄膜的光学性质及其测量： 第八章，半导体单晶薄膜的外延生长： 第九章，薄膜微结构的测量手段：
参考书
1、顾培夫主编，薄膜技术，浙江大学出版 社，1990
③薄膜太阳能电池：特别是非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电 池。
3、磁学薄膜：磁记录介质
德国科学家Grunberg小组有一重要的发现，就是在Fe/Cr/Fe三层膜中观察到两 个铁层之间通过铬层产生耦合。法国科学家Fert小组在[Fe/Cr]周期性多层膜中， 观察到当施加外磁场时，其电阻下降，变化率高达50％。因此称之为巨磁电阻效 应(giant magnetoresistance)。他们的发现极大地提高了电脑硬盘的数据存储量。
薄膜有时与类似的词汇“涂层” （coating）、“层”（layer）、“箔” （foil）等有相同的意义，但有时又有些差别。
薄膜可以有气体薄膜、液体薄膜（液晶） ，但研究最多、 应用最广的是固体薄膜（Thin Solid Film） 。
薄膜的例子
广泛应用在日常生活、生产和科学研究中
日常生活
生产
科学研究
刀具表面氮化物、氧化物、碳化物镀膜
薄膜技术发展的历史
3000多年前，中国古代在陶瓷中已开始采用釉涂层。 19世纪初，发现辉光放电过程可沉积固体薄膜。 20世纪后，电解法、化学反应法和真空蒸镀法等薄膜制备方
法相继问世，薄膜技术迅速发展。光学薄膜最先得到研究 和应用，成功地制备了各种增透膜、高反膜、滤光膜、分 光膜等光学薄膜，在光学仪器、太阳电池、建筑玻璃等领 域得到广泛的应用。20世纪50年代以后，微电子技术的进 步极大地推动了薄膜技术的进步。在现代的集成电路制作 过程中，薄膜沉积和刻蚀是必不可少的薄膜工艺。
4、机械薄膜： （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。
按制备方法分类
气态
原
固
始 液态
态
膜 固态
薄
料
膜
材料
应用领域
制备方法
电学与光学薄膜 气相沉积方法
薄膜技术在电子学领域中的意义
2001年：IC特征尺寸150 nm
CMOS中栅极氧化物厚度2~3 nm 金属硅化物电极厚度45nm 量子阱和超晶格的单层厚度10nm
2、唐晋发，顾培夫主编，薄膜光学与技术， 机械工业出版社，1987
3、H. A. Macleod主编, THIN-FILM OPTICAL FILTERS, Institute of Physics Publishing, 2001
4、吴自勤、王兵主编，薄膜生长，科学出 版社，2003
课程名称：光电功能薄膜技术（研讨） 时间安排： 1-16周 周四（6-7） 教七-10A
第1-13周：授课、研讨 第14、15周：实验、答疑 第16周：考试
考核方式：出勤、实验、考试
有关“薄膜（thin film）”的定义
① two-dimension materials ② thin 多“薄”的膜才算薄膜？（视功能及其应用领域而定） ③ film = layer of material on a substrate
镜面接触
AlxGa1-xAs GaAs
超晶格 GaAs /AlxGa1-xAs
多结薄膜太阳能 结构示意图
hv
P+
n+
GaAs 衬底
法布里-珀罗标准器
布揦格反射器
光发 射
半导体激光器
薄膜技术在光学领域中的意义
➢提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。 ➢实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分 光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。 ➢通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带 通滤光片、长波通、短波通滤光片。
薄膜的种类
薄膜的分类方法有多种： 材料种类、应用领域、制备方法等
材料种类
按化学组成分为： 无机膜、有机膜、复合膜；
按晶体形态分为： 单晶膜、多晶膜、微晶膜、 纳米晶膜、超晶格
应用领域
1、光学薄膜
减反射膜 例如照相机、幻灯机、投影仪、电影放映机、望远 镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜和棱镜上所镀的单层 MgF2薄膜和双层或多层（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等） 薄膜组成的宽带减反射膜。
反射膜 例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳能接收器的镀铝膜； 用于大型天文仪器和精密光学仪器中的镀膜反射镜；用于各类
激光器的高反射率膜（反射率可达99%以上）等等。
偏振片、滤色片、分束片等
2、电学薄膜
①半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料：Al、 Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄 膜。
半导体异质结、量子阱和超晶格、和量子点
量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、 量子尺寸效应、和单电子隧穿效应
石墨烯 Graphene
光电功能薄膜技术（研讨）课程的目的
1、了解薄膜真空沉积系统； 2、了解各种镀膜方法，物理气相沉积方法； 3、了解镀膜工艺； 4、了解薄膜的结构特性； 5、了解薄膜的光学性质及其测量方法； 6、掌握简单的真空沉积系统的操作。
两类薄膜生长方法：薄膜沉积和薄膜外延
薄膜技术在基础研究上的意义
The Physics Department strives to be at the forefront of many areas where new physics can be found. Consequently, we work on problems where extreme conditions may reveal new behavior. … We study the smallest things in the universe… By pushing the limits, we have the chance to observe new general principles and to test theories of the structure and behavior of matter and energy. Edmund Bertschinger Professor of Physics and Head, MIT Department of Physics
石墨烯、半导体超晶格
4、功能性结构的集成和微小型化
现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，过去需要众多器件 组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板 就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手 段。
器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能并使之更加强化，而且 随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度， 薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件 微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。
为什么需要薄膜
1、对基板的性能进行改良
金刚石薄膜、防腐层、半导体单晶片外延层
2、对基板的性能进行改性 疏水/亲水性(汽轮机叶片、眼镜) 反射/透射/偏振镜片
3、在基板上实现新的化学、光学和Hale Waihona Puke Baidu学等性能，或者 获得新的材料
薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同材料灵活地复 合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系
➢实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等
目前光学薄膜两个重要的应用领域：
➢光通信：以DWDM(dense wavelengh division multiplexer)filter为代表的光无源器件 ➢信息显示技术：LCD、LCOS投影显示技术
E-beam Evaporation Machine
授课内容
第一章，真空设备： 第二章，制备技术： 第三章，制备工艺因素： 第四章，薄膜材料： 第五章，膜层厚度的均匀性及其测量： 第六章，薄膜的结构特性： 第七章，薄膜的光学性质及其测量： 第八章，半导体单晶薄膜的外延生长： 第九章，薄膜微结构的测量手段：
参考书
1、顾培夫主编，薄膜技术，浙江大学出版 社，1990