薄膜材料概述ppt课件

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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉13
薄膜制备分类 1、物理气相沉积（PVD）
采用物理方法使物质的原子或分子逸出，然后沉积 在基片上形成薄膜的工艺
根据使物质的逸出方法不同，可分为蒸镀、溅射和 离子镀 （1）真空蒸镀
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化学气相沉积CVD
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薄膜制备分类
金属有机化学气相沉积（MOCVD）
原料主要是金属（非金属）烷基化合物。 优点是可以精确控制很薄的薄膜生长，适于制 备多层膜，并可进行外延生长。
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薄膜的形成机理
薄膜的生长过程 (1) 核生长型（Volmer Veber型） 特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核 ，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核 在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。 这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶 格不相匹配（非共格）时出现，大部分的薄膜的 形成过程属于这种类型。
金属膜是在电子学领域中应用最为广泛的 一种薄膜。例如，半导体器件的电极、各种集 成电路中的导线和电极、电阻器、电容器、超 导器件、敏感元件和光纤通信用元器件等。虽 然各种元器件及集成电路对金属膜性能有不同 要求，但是作为共性的要求则需集中研究，例 如：电阻率、电阻率温度系数和非欧姆特性等 与膜厚、环境温度和电场的关系等。
①小岛阶段—②结合阶段—③沟道阶段—④连续薄膜
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薄膜基底种类
基底又称：基片，衬底
陶瓷基底 金属基底 各种工具刀具件 玻璃基底 树脂基底 高分子基底 柔性基底
单晶硅
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玻璃
晶圆
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薄膜基底
科研用各种基底
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
热应力：由于衬底与薄膜材料之 间线膨胀系数的差别，在薄膜制 备以后温度变化时在薄膜与衬底 中产生的应力。
薄膜内应力会导致：薄膜卷曲， 膜层断裂，导致失效
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薄膜内应力
薄膜内应力的测量方法，大致可分为两种：即 测量晶格畸变和测量基体变形。
在测量晶格畸变时均采用x射线衍射法。
在测量基体变形时采用圆形基体或短条形基体。
离子束溅射工作原理 图
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薄膜制备分类 磁控溅射
磁控溅射SiO2装置图
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磁控溅射
在被溅射的靶极（阳极）与阴极之间加一个正交磁场和 电场，电场和磁场方向相互垂直。当镀膜室真空抽到设定值 时，充入适量的氩气，在阴极(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜 室壁)之间施加几百伏电压，便在镀膜室内产生磁控型异常辉 光放电，氩气被电离。在正交的电磁场的作用下，电子以摆 线的方式沿着靶表面前进，电子的运动被限制在一定空间内， 增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。 电子经过多次碰撞后，丧失了能量成为 “最终电子”进入弱 电场区，最后到达阳极时已经是低能电子，不再会使基片过 热。同时高密度等离子体被束缚在靶面附近，又不与基片接 触，将靶材表面原子溅射出来沉积在工件表面上形成薄膜。 而基片又可免受等离子体的轰击，因而基片温度又可降低。 更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同 材质和不同厚度的薄膜。
专注 激情 严谨 勤勉31
薄膜基底
科研用各种薄膜
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目录
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
薄膜材料定义 薄膜的制备 薄膜材料性质 薄膜物性检测
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薄膜材料性质
薄膜材料的表征
薄膜材料的表征
结构 物性
组份 晶体结构 电子结构 光学性质
薄膜材料概述
目录
薄膜材料定义 薄膜的制备 薄膜材料性质 薄膜物性检测
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薄膜材料历史
最古老的薄膜：薄膜制备可上 溯至三千多年前的中国商代， 那时我们的祖先就已经会给陶 瓷上“釉”了。汉代发明了用 铅作助溶剂的低温铅釉。到了 唐、宋时代，中国人的彩釉工 艺达到了顶峰。釉涂层不仅是 漂亮的装饰层，而且增加了陶 瓷器的机械强度，还使其不易 污染、便于清洗。
电学性质 力、热、磁、生物等性质
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薄膜力学性质
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。 但力学性质则是各类薄膜都应具有的性质。
薄膜的力学性质中包括有附着性质、应 力性质、张力性质、弹性性质和机械强度等 。根据专业教学的要求，在本节中我们仅讨 论附着性质和应力性质。
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薄膜附着力
(a) 平界面 ( b) 形成化合物的界面 (c)合金的扩散界面 (d) 机械咬合界面
测量附着力的方法有很多种。常用的方法有划痕法、 拉张法和剥离法等。
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薄膜材料定义
附着力与膜厚的关系
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薄膜附着力
(在薄膜沉积之后 再用烘箱加热)
附着力与基体温度的关系
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薄膜物性检测
薄膜的性能取决于薄膜的结构和成分。其中薄膜结构的 研究可以依所研究的尺度 范围被划分为以下三个层次： （1）薄膜的宏观形貌，包括薄膜尺寸、形状、厚度、 均匀性等； （2）薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分 布、孔洞和裂纹、界面扩
散层及薄膜织构等； （3）薄膜的显微组织，包括晶粒内的缺陷、晶界及外 延界面的完整性、位错组
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薄膜制备分类
（3）离子镀
离子镀是在真空蒸镀得基础上，在热蒸发源 与基片之间加一电场（基片为负极），在真空 中基片与蒸发源之间将产生辉光放电，使气体 和蒸发物质部分电离，并在电场中加速，从而 将蒸发的物质或与气体反应后生成的物质沉积 到基片上。
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薄膜制备分类 2、化学气相沉积（CVD）
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薄膜材料定义与分类
当固体或液体的一维线性尺度远远小于其他 二维时，我们将这样的固体或液体称为膜。
薄膜材料
涂层或厚膜 (>1um)
材料保护涂层 材料装饰涂层
薄膜(<1um)
光电子学薄膜 微电子学薄膜 其它功能薄膜
(力、热、磁、生物等)
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日常生活中的薄膜材料
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日常生活中的薄膜材料编辑课件24薄膜的形成机理
(2) 层生长型（Frank-Vanber Merwe型）
特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均 匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第 三层……。
一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积 原子相互之间键能的情况下（共格）发生这种生长方 式的生长。
以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜，并且和衬 底有确定的取向关系。例如在Au衬底上生长Pb单晶膜 、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。
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薄膜应力
应力的定义、产生原因 应力：在材料内部单位面积上的作用力称为
应力，用表示。 外应力：如果这种应力是由于薄膜受外力作
用引起的则称为外应力； 内应力：如果应力是由薄膜本身原因引起的
则称为内应力。
它们的单位通常采用Pa或者N/m2表示。
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薄膜内应力
结构应力：晶格失配（长度，角 度）引起的应力；生长过程产生 的内部缺陷；
10目录薄膜材料定义薄膜的制备薄膜材料性质薄膜物性检测11薄膜制备方法薄膜材料的制备技术湿式成膜电镀物理气相沉积技术真空蒸镀溅射镀膜??化学气相沉积技术热cvd光cvd??干式成膜化学镀阳极氧化涂覆法喷涂甩胶浸涂溶胶凝胶膜12薄膜制备方法leadingphysicalpropertyanalysisofthinfilmmaterials专注激情严谨勤勉13薄膜制备分类1物理气相沉积pvd采用物理方法使物质的原子或分子逸出然后沉积在基片上形成薄膜的工艺根据使物质的逸出方法不同可分为蒸镀溅射和离子镀1真空蒸镀把待镀的基片置于真空室内通过加热使蒸发材料气化或升华而沉积到某一温度基片的表面上从而形成一层薄膜这一工艺称为真空蒸镀法蒸发源可分为
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薄膜材料历史
可能最早的纳米薄膜 ：古代铜镜表面的防 锈层（纳米氧化锡薄 膜） 其年代可以追溯到商 代，甚至更早
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薄膜学
薄膜的历史，要追溯到三千多年以前。 近30年来，真正作为一门新型的薄膜科学与技
术。 目前，薄膜材料已是材料学领域中的一个重要
分支，它涉及物理、化学、电子学、冶金学等 学科，在国防、通讯、航空、航天、电子工业 、光学工业等方面有着特殊的应用，逐步形成 了一门独特的学科“薄膜学”。
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薄膜的形成机理
三种不同的薄膜生长方式
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薄膜的形成机理
核生长型薄膜形成的四个阶段
1.成核：在此期间形成许多小的晶核，按统计规律分 布在基片表面上；
2.晶核长大形成较大的岛:这些岛具有小晶体的形状；
3.岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络
4.沟道被填充：在薄膜的生长过程中，当晶核一旦形 成并达到一定尺寸之后，另外再撞击的离子不会形 成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已经形成 的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成 薄膜。
把待镀的基片置于真空室内，通过加热使蒸发材 料气化（或升华）而沉积到某一温度基片的表面上， 从而形成一层薄膜，这一工艺称为真空蒸镀法
蒸发源可分为：电阻加热、电子束加热和激光加热等
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薄膜制备分类
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薄膜制备分类
（2）溅射（Sputtering）
当具有一定能量的粒 子轰击固体表面时，固 体表面的原子就会得到 粒子的一部分能量，当 获得能量足以克服周围 原子得束缚时，就会从 表面逸出，这种现象成 为“溅射”
化学气相沉积是使含有构成薄膜元素的一种或几种 化合物（或单质）气体在一定温度下通过化学反应生 成固态物质并沉积在基片上而生成所需薄膜的方法。
特点：设备可以比较简单，沉积速率高，沉积薄膜 范围广，覆盖性好，适于形状比较复杂的基片，膜较 致密，无离子轰击等优点。特别是在半导体集成电路 上得到广泛应用
常用的气态物质有各种卤化物、氢化物及金属有机 化合物等，化学反应种类很多，如热解、还原、与水 反应、与氨反应等
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薄膜材料优点
ü 薄膜很薄，是实现微型化的主要手段． ü 薄膜是制备新型功能器件的有效手段． ü 探索物质秘密的有力手段． ü 获得常规情况下难以获得的物质． ü 获得特殊界面结构的膜层． ü 自动化控制．
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薄膜
薄膜有很多异于块体材料的优势，但是薄膜 并不是由块体材料直接压制都成，只有专业制膜 设备生成的膜才能称为正真意义上的薄膜。
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薄膜内应力
薄膜内应力的成因
(1)热收缩效应 (2)相转移效应 (3)空位的消除 (4)表面张力(表面能)和表面层 (5)表面张力和晶粒间界弛豫 (6)界面失配 (7)杂质效应 (8)原子、离子埋入效应
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薄膜内应力
真空蒸发Au膜全应力S与膜厚d的关系
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薄膜电学性质
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目录
薄膜材料定义 薄膜的制备 薄膜材料性质 薄膜物性检测
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薄膜制备方法
湿式成膜 薄膜材料的制备技术
干式成膜
电镀
化学镀 阳极氧化 涂覆法（喷涂、甩胶、浸涂） 溶胶-凝胶膜
物理气相沉积技术 （真空蒸镀、溅射镀膜……）
化学气相沉积技术 （热CVD、光CVD……）
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薄膜制备方法
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉28
薄膜的形成机理
在薄膜的三种生长方式种，核生长型最为普遍， 在理论上也较为成熟，我们主要讨论这种类型的形 成机理。
小岛成核 核长大 结合
沟道
孔洞 连续膜
在采用圆形基体时，因受薄膜的应力作用整个 基体都均匀地变形。如果开始时基体是平面状，然 后变成碗状并可看作球面的一部分，则测量球面曲 率再计算出应力。这时可用牛顿环法、光截面显微 镜法和触针法进行观察测量。
在采用短条形基体时，将基体一端因薄膜内应 力作用产生的变位作为测量对象，其测量方法有直 视法、光杠杆法、单缝衍射法、干涉计法、电微天 平法和电容量法等。
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薄膜的形成机理
(3) 层核生长型（Straski Krastanov型） 特点：生长机制介于核生长型和层生长型
的中间状态。当衬底原子与沉积原子之间的键 能大于沉积原子相互之间键能的情况下（准共 格）多发生这种生长方式的生长。
在半导体表面形成金属膜时常呈现这种方式的 生长。例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面上沉 积Bi、Ag等都属于这种类型。
它可分为离子束溅射 和磁控溅射
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薄膜制备分类
离子束溅射
它由离子源、离子引出 极和沉积室3大部分组成， 在高真空或超高真空中溅射 镀膜法。利用直流或高频电 场使惰性气体（通常为氩） 发生电离，产生辉光放电等 离子体，电离产生的正离子 和电子高速轰击靶材，使靶 材上的原子或分子溅射出来， 然后沉积到基板上形成薄膜。
不同材料，不同衬底，不同制膜方式，不同 膜厚，不同温度，薄膜都会有不同的性质体现， 所以对薄膜性质的检测要有专业化的高精度的高 稳定性的检测仪器，才能满足行业需求。
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
薄膜材料定义 薄膜的制备 薄膜材料性质 薄膜物性检测