(讲义1)薄膜物理与技术

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本课程的地位（作用）及与其他课程（学科）关系
地位：
* 重要的专业基础课（固态电子学、微电子学、 光电子学、光学……） * 薄膜（化）是材料科学重要发展方向 * 在高科技领域和国民经济建设等领域的重要性
关系：
* 微电子（学）技术的基础，——电子工业基础， 离开了薄膜，谈不上现代电子学的发展 * 电子产品核心器件由各种薄膜制成 * 与材料、能源、信息等领域息息相关
金属有机物化学气相淀积法MOCVD （Metal Organic）
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物理气相沉积的主要过程
靶材、基片准备 靶表面材料气化 粒子向基片输运
基片
蒸发 升华 溅射 离子化
靶
粒子在基片上形成连续薄膜
真空
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物理气相沉积
物理气相沉积(PVD)作为常规的薄膜制备 手段被广泛应用，其基本过程如下： 1) 气相物质的产生 一种方法是使源物质加热蒸发，这种方法 称为蒸发镀膜；
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制备薄膜为什么需要真空环境?
♂ 若非真空，蒸气分子不能沿直线运动，不易成膜 ♂ 若非真空，成膜物质与空气中活性分子反应，形成化合物。即生成 另外物质，如Al膜 氧化成Al2O3 ♂ 非真空，蒸发器（加热器）极易损坏，加热器采用W、Ta等难熔金属，但由于吸气效应 产生脆性（氢脆），另外由于生成化合物易损坏 ♂ 非真空，残余气体分子将进入膜层 ——形成缺陷 影响膜质量 ——形成化合物 ♂ 非真空，影响靶材料气化 ♂ 非真空， 改变基片表面状态，影响薄膜生长
我们的祖先创造了最早的薄膜制造技术——提拉法
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但作为一门科学与技术，是在近30年信息时代到 来之后
信息显示技术
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信息存储技术
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计算机技术
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日常生活
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ZnO薄膜的扫描电镜分析
unannealed
1.
2. 3. 4. 5.
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按照材料特性（按σ，ε，u）
按电导率（ σ ）分有： 金属薄膜 半导体薄膜 绝缘体薄膜 超导体薄膜 光电薄膜 … 按（ ε ）分有： 介质薄膜


铁电薄膜
压电薄膜 热电薄膜
按导磁率（ u ）分有： 磁性薄膜 非磁性薄膜
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一些有用的资源
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薄膜为什么受到重视？
薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分支，发展形成 自己的体系（理论与实验）； 薄膜材料具有广泛的电、光、声、热、磁等应用场合； 许多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特 性而不是整体特性 电子元器件（微电子、光电子）是建立在发展于表面或表面近 层的物理效应基础上的 微电子器件、固体电子器件提高性能、小型化发展的关键是相 关薄膜材料的制备和研究 薄膜具有许多明显不同于块材料的特性：如晶体结构多为非晶态、 亚稳态等，这些特性称为反常结构与特性——为薄膜所特有（值 得研究和利用），不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型 功能材料开辟了广阔途径（非平衡冶金、非晶态生长、超微细结 构、纳米材料…）；
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薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的一个分支。现在科学技术的发 展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下，过去 需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或者 一块集成电路板就可以完成，而薄膜技术正是实现器件和系统微型化 最有效的技术手段； 薄膜技术是器件微型化的关键技术，是制备新型功能器件的有效手段。 器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更强化， 随着器件的尺寸减小以至于接近电子或其他离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。 薄膜材料可以发挥各组合材料的优势。薄膜技术作为材料制备的有效 手段，可以将各种不同的材料灵活地组合在一起，构成具有友谊特性 的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的某种局 限性。

常压化学气相淀积法APCVD（Air-Pressure） 低压化学气相淀积法LPCVD （Low-Pressure） 等离子增强化学气相淀积法PECVD （Plasma Enhanced） 气相外延VPE （Vapor phase epitaxy）


原子层淀积ALD （Atomic Layer Deposition）
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（3）薄膜的检测与控制—— ► 分析薄膜的结构 成分 性质（评价） ► 控制：膜层厚度 膜层成分 决定性质 膜层结构 （4）薄膜的性质——力学、电学、磁学、声学、光学、热学… （5）薄膜的应用-----尤其在高新技术领域 ……
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薄膜概述
一、什么是薄膜？
薄膜产生从祖国古代陶瓷制釉开始已有一千多年
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五、薄膜的应用
已涉及几乎所有的前沿科学，并推动着这些学科的发展
☆器件（如薄膜晶体管、场效应管）导线，绝缘层，电子元件，如透
明导电膜
☆传感器：压力，温度，湿度，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，耐腐蚀装饰、包装，
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三、薄膜的分类

按功能和应用领域分为： 电学薄膜：导电、电阻、半导体、介电、压电、铁电、超导、 光电、传感、磁电、光能、电光 光学薄膜：减反射、反射、分光滤光、光存储 工程薄膜：耐腐蚀、防磨损、热传导、润滑 生物医学薄膜：抗菌杀毒、生物活性 装饰包装薄膜：金、仿金TiN、铝箔
若在沉积过程中，沉积物原子之间发生 化学反应形成化合物膜，称为反应镀。若用 具有一定能量的离子轰击基片，以求改变膜 层结构与性能的沉积过程称为离子镀。
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反应镀在工艺和设备上变化不大， 可认为是蒸镀和溅射的一种；而离子镀 在技术上变化较大，通常将其与蒸镀和 溅射并列为另一类制膜技术。
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六、薄膜制备技术概述
物理气相法：蒸发、溅射、离子镀..
气相法： 气相 固相
化学气相法：金属有机物化学气相沉积， 低压化学气相沉积等
液相法：溶胶—凝胶法、金属有机物分解法 液相 固相
氧化法
离子注入法 扩散法
New
原子层沉积法
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薄膜制备工艺技术
物理气相淀积方法（PVD， Physical Vapor Deposition）：成膜组分 以气相的方式从材料源输运到衬底后，直接在衬底淀积成膜的方法。 如Al、AlN薄膜的淀积 化学气相淀积方法（CVD， Chemical Vapor Deposition）：成膜组分 以气相方式输运到衬底后，需要通过化学反应的方式才能在衬底成膜 的方法。如多晶硅薄膜的淀积是通过气相硅烷在衬底表面发生分解化 学反应后在衬底沉积Si原子后成膜的。
R600
R800
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定义
薄膜是生长在基片之上，厚度在亚微米以下， 具有一定功能的材料。 电、磁、声、光 生物医学 1m
电 极 过渡层
工程应用
基片：薄膜的 承载体，如Si
基片
衬底：基片与电 极、过渡层的总 称，如Si/Ti/Pt。
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表面
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二、薄膜材料的特点
1. 2.
界面
3.
4. 5.
薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应； 薄膜表面积与体积之比很大，表面能级很大，对膜 内电子输运影响很大； 薄膜界面态复杂，力学因素和电学因素交相作用， 内应力和量子隧穿效应同时存在，对薄膜生长和微 结构影响巨大； 异常结构和非理想化学计量比特性明显； 可实行多层膜复合，如超晶格。
若真空度过低，沉积物原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒， 使薄膜沉积过程无法进行，或薄膜质量太差。
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物理气相沉积
3) 气相物质的沉积
气相物质在基片上的沉积是一个凝 聚过程。根据凝聚条件的不同，可以形 成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。
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物理气相沉积有哪些？
蒸镀和溅射是物理气相沉积的两类基本 制膜技术。以此为基础，又生出反应镀和离 子镀。脉冲激光沉积技术更晚。
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按薄膜厚度和晶体结构
• 超薄膜 • 二维纳米薄膜 • 薄膜 • 厚膜 • 单晶薄膜 • 多晶薄膜 • 非晶薄膜/微晶 • 纳米晶薄膜
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~ 10 nm < 100 nm < 10 µ m 10 ~ 100 µ m
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四、薄膜的历史
1000多年前，阿拉伯人发明了电镀 7世纪，溶液镀银工艺 19世纪中，电解法、化学反应法、真空蒸镀法等 20世纪以来，学术和实际应用中取得丰硕成果，溅射法 近年来，Sol-Gel法、激光闪蒸法……
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主要参考书
薄膜物理与器件. 肖定全、朱建国、朱基亮等，国防工业 出版社 (2011-05) 半导体薄膜技术与物理. 叶志镇、吕建国、吕斌，浙江大 学出版社 (2008-09) 薄膜物理与技术. 杨邦朝、王文生，电子科技大学出版社 (2006-09) 薄膜材料制备原理、技术及应用. 唐伟忠，冶金工业出版 社(2003-01) 薄膜科学与技术手册. 田民波、刘德令，机械工业出版社， (1991) Internet
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薄膜科学包括：