薄膜材料概述

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薄膜制备方法
电镀
湿式成膜 薄膜材料的制备技术 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
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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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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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
①小岛阶段—②结合阶段—③沟道阶段—④连续薄膜
获得特殊界面结构的膜层．
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。
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。
薄膜材料 薄膜(<1um)
(力、热、磁、生物等)
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日常生活中的薄膜材料
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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。
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。
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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。
薄膜材料概述
培训测试部 陈维涛 2016年3月18日
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
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” 它可分为离子束溅射 和磁控溅射
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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”。
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。
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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
玻璃
单晶硅
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目录
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薄膜材料定义
薄膜的制备 薄膜材料性质
薄膜物性检测
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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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。
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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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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）
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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）
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薄膜制备分类 2、化学气相沉积（CVD）
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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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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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。
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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。 材料保护涂层 涂层或厚膜 (>1um) 材料装饰涂层 光电子学薄膜 微电子学薄膜 其它功能薄膜
日常生活中的薄膜材料
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薄膜材料优点
薄膜很薄，是实现微型化的主要手段．
薄膜是制备新型功能器件的有效手段．
探索物质秘密的有力手段．
பைடு நூலகம்
获得常规情况下难以获得的物质．