薄膜物理第7章
薄膜物理与技术-7薄膜的物理性质--(1)薄膜的力学性质
电镀膜的附着性能差(∵有一定数量的微孔）
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
附着力的测试方法 机械方法数种如下：
扩散附着
通过中间层附着
宏观效应附着
第七章 薄膜的物理性质
7.1 薄膜的力学性质
简单附着
7.1.1 薄膜的附着力
(a)简单附着： 是在薄膜和基体之间存在一个很清楚的分界面。由两个接
触面相互吸引形成的。当两个不相似或不相容的表面相互接 触时就易形成这种附着。(如真空蒸镀)
附着能 : Wfs = Ef + Es - Efs
②静电力—薄膜和基体两种材料的功函数不同， 接触后发生电子转移→界面两边积累正负 电荷 → 静电吸引
物理吸附能：0.001eV~0.1eV
③化学键力（化学吸附能0.1-0.5eV）
共价键 离子键 金属键
价电子发生了转移， 短程力，不是普遍存在。
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
须注意：T↑→薄膜晶粒大→热应力↑→其它性能变
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
③引入中间过渡层 某种材料与一些物质间附着力大，与另一些物质的附
着力却可能很小。如：
（1）二氧化硅-玻璃→附着好；二氧化硅-KDP（磷酸二氢 钾）晶体→附着差 （2）金-玻璃→附着差；金-铂、镍、钛、铬等→附着好
方法：在基片Байду номын сангаас镀一层薄金属层（Ti、Mo、Ta、 Cr等）.然后，在其上再镀需要的薄膜，薄 金属夺取基片中氧 中间层表面掺杂。
第七章 薄膜的物理性质
《薄膜物理与技术》课程教学大纲
《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。
其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。
同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。
通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。
在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。
二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。
学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。
了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。
理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。
以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。
课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。
课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。
理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。
了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。
第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
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。
《材料物理薄膜物理》课件
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
Chapter 7 薄膜厚度和沉积速率的测定和监控
二、电容法
电介质薄膜的厚度可以通过测量它的电容 量来确定。 方法一： 根据这一原理可以在绝缘基板上，按设计 要求淀积出一对电极，使之形成平板形电容 器。当未淀积介质时，电容值主要由基板的 介电常数决定。而淀积介质薄膜后，其电容 值由电极的间距和厚度，以及淀积薄膜的介 电系数决定。只要用电容电桥测出电容值的 变化便可确定淀积的膜厚。
第二部分：薄膜的测量
——薄膜厚度及沉积速 率的测定和监控
第七章 膜厚和淀积速率的测量与监控 7-1 7-2 7-3 7-4 7-5 概述 称重法 电学方法 光学方法 触针法
7-1 概述
薄膜的厚度(膜厚)是薄膜最重要的参 数之一，它影响着薄膜的各种性质及其 用途。实际应用的薄膜的厚度很小，通 常在几个纳米到几个微米之间。因此膜 厚的测量以及薄膜形成过程中对它的厚 度的监控不仅十分重要，而且往往是一 项特殊的技术。 薄膜沉积过程中的沉积速率则是制 膜工艺过程中的一个重要参数，它直接 影响到薄膜的结构和特性。
方法二： 另一种方法是在绝缘基板上先形成下电极， 然后淀积一层介质薄膜后，再制作上电极，使 之形成一个平板形电容器。然后根据平板电容 器公式，在测出电容值后，便可计算出淀积介 质薄膜的厚度。显然，这种方法只能用于淀积 后的膜厚测量，而不能用于淀积过程的监控。 计算时所需要的值，可取块材介质的介电系 数值。 由于确定介电系数和平板电容器或叉指电 容器的表面积(电极)所造成的误差，限制了这 种方法的准确性。
3）物性膜厚dp： 在实际使用上较有用，而且比较容易测 量，它与薄膜内部结构和外部结构无直接 关系，主要取决于薄膜的性质(如电阻率、 透射率等)。 三种定义的膜厚值往往满足下列不等式： dT≧dM ≧ dP
七、膜厚的测试方法
由于实际表面的不平整性，以及薄膜不 可避免有各种缺陷、杂质和吸附分子等存在， 所以不论用哪种方法来定义和测量膜厚，都 包含着平均化的统计概念，而且所得膜厚的 平均值是包括了杂质、缺陷以及吸附分子在 内的薄膜的厚度值。 具体：1）在形状膜厚的测量方法中，触 计法和多次反射干涉法最常用，由它们所确 定的膜厚，确实是由表面的形状所决定。
薄膜物理-CH7薄膜的形成
薄膜的形成——核形成与生长
临界核、稳定核与薄膜形成 a. 在一定条件下系统达到平衡，小原子团的数目不变。
在基片上不能形成稳定的薄膜（淀积一停止，它们将 消失）。 b. 要形成稳定薄膜，必须在薄膜表面形成稳定核，即 稳定核一旦产生，一般来说就不在分解。
临界核长大有两个途径：一是入射的气相原子直接与临 界核碰撞结合；另一个是吸附原子在基片表面上扩散迁移时 的碰撞结合。 成核速率 I 与临界核面密度 ni* 、临界核捕获范围 A 和 吸附原子向临界核扩散的总速率 V 有关。
I Z ni* A V
式中， Z是Zeldovich修正系数。
薄膜的形成——核形成与生长
稳定核大小不一，所含原子数目各有不同；其中 必然有最小稳定核。 比最小稳定核再小一点，或者说再少一个原子， 原子团就变为不稳定，这种刚刚偏离稳定核的原子团
成为临界核。
薄膜的形成——核形成与生长
成核速率 成核速率是形成稳定核的速率或临界核长大的速率；定
义为单位时间内在基片表面单位面积上形成稳定核的数量。
薄膜的形成
不同制备方法，其薄膜的形成机制不同，但存在共 性问题。本章以真空蒸发制备薄膜为例，讨论薄膜形成 问题。 ★ 凝结过程 ★ 核形成与生长 ★ 薄膜形成过程与生长模式 ★ 溅射薄膜的形成过程 ★ 薄膜的外延生长 ★ 薄膜形成过程的计算机模拟（阅读）
薄膜的形成——凝结过程
★ 凝结过程
薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形 成与结合生长过程。 吸附过程 基本概念
相变过程的过饱和现象、新相生成困难
P P A
L 等温线
L
△T △P B
凝聚 P/P0>1
薄膜物理与技术课件1-8
30
• 超高真空的应用
超高真空可以提供一个“原子清洁”的固体表面，可有足够 的时间对表面进行实验研究。这是一项重大的技术突破，它 导致了近二十年来新兴表面科学研究的蓬勃发展。无论在表 面结构、表面组分及表面能态等基本研究方面，还是在催化 腐蚀等应用研究方面都取得长足的发展。 超高真空可以得到超纯的或精确掺杂的镀膜或用分子束外延 生长晶体。促进了半导体器件、大规模集成电路和超导材料 等的发展，也为在实验室中制备各种纯净样品（如电子轰击 镀膜、等离子镀膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技术。
薄膜气相沉积的三个条件：
热的气相源，冷的基板，真空环境（大部分情况）
利用真空的原因有： ①化学非活性 (non chemical activity) N2,O2 ②热导低 (low thermal conductivity)
几千度高温，真空室外不受影响；与传统钢铁行业比较。
③与气体分子之间的碰撞少 (low collision) 蒸发效率更高 ④压力低 (low pressure) 更容易蒸发。
图0-8
加速度传感器
14
MEMS＆NEMS与薄膜微加工技术
MEMS（micro electro-mechanical system,微电子机械系统） NEMS（nano electro-mechanical system,纳电子机械系统） 薄膜技术与微加工技术为二者创造了良好条件。
图0-9
高精细喷墨打印机
21
真空绝不是“完全空”，而是一种“指定空间内，低于一 个大气压的气体状态”。 气压单位—— Torr，mmHg，pa，atm，bar, mbar 1958年，Torr（托）代替mmHg，二者等价。 1971年，国际计量会议确定Pa（帕斯卡），国际单位。 1Pa＝1N/m2=7.5×10-3Torr, 1Torr=133.32Pa； 1atm＝760Torr, 1bar=105Pa。
薄膜物理与技术
薄膜物理与技术薄膜物理与技术第⼀章1、真空：低于⼀个⼤⽓压的⽓体空间。
P12、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越⾼。
P13、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P24、平均⾃由程：每个分⼦在连续两次碰撞之间的路程。
P55、余弦定律：碰撞于固体表⾯的分⼦，它们飞离表⾯的⽅向与原⼊射⽅向⽆关，并按与表⾯法线⽅向所成⾓度θ的余弦进⾏分布。
P76、极限压强（或极限真空）：对于任何⼀个真空系统⽽⾔，都不可能得到绝对真空（p=0），⽽是具有⼀定的压强。
P77、抽⽓速率：在规定压强下单位时间所抽出⽓体的体积，它决定抽真空所需要的时间。
P78、机械泵的原理：利⽤机械⼒压缩和排除⽓体。
P89、分⼦泵的⼯作原理：靠⾼速转动的转⼦碰撞⽓体分⼦并把它驱向排⽓⼝，由前级泵抽⾛，⽽使被抽容器获得超⾼真空。
P13第⼆章1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17（1）加热蒸发过程：……（2）⽓化原⼦或分⼦在蒸发源与基⽚之间的输运：……（3）蒸发原⼦或分⼦在基⽚表⾯上的淀积过程：……2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空⽓⾮常稀薄的真空环境中进⾏？P18答：如果不是真空环境，蒸发物原⼦或分⼦将与⼤量空⽓分⼦碰撞，使膜层受到严重污染，甚⾄形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空⽓分⼦的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。
3、饱和蒸⽓压：在⼀定温度下，真空室内蒸发物质的蒸⽓与固体或液体平衡过程中所表现出的压⼒。
P184、蒸发温度：物质在饱和蒸⽓压为10-2托时的温度。
P185、碰撞⼏率：。
P236、点蒸发源：能够从各个⽅向蒸发等量材料的微⼩球状蒸发源。
P25-27计算：公式2-28、2-337、蒸发源与基板的相对位置配置P33（1）点源与基板相对位置的配置：为了获得均匀膜厚，点源必须配置在基板所围成的球体中⼼。
（2）⼩平⾯源与基板相对位置的配置：当⼩平⾯源为球形⼯作架的⼀部分时，该⼩平⾯蒸发源蒸发时，在内球体表⾯上的膜厚分布是均匀的。
薄膜物理与技术基本概念常识大全
薄膜物理基础知识大全第一章：最可几速度：平均速度：均方根速度：平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程；其统计平均值成为平均自由程。
常用压强单位的换算 1Torr=133.322 Pa 1 Pa=7.5×10-3 Torr 1 mba=100Pa 1atm=1.013*100000Pa真空区域的划分、真空计、各种真空泵粗真空 1×105 to 1×102 Pa低真空 1×102 to 1×10-1 Pa高真空 1×10-1 to 1×10-6 Pa超高真空 <1×10-6 Pa旋转式机械真空泵M RT M RT m kT v a 59.188===ππMRT M RT m kT v r 73.133===P kT 22πσλ=M RT M RT m kT v m 41.122===油扩散泵复合分子泵属于气体传输泵，即通过气体吸入并排出真空泵从而达到排气的目的分子筛吸附泵钛升华泵溅射离子泵低温泵属于气体捕获泵，即通过各种吸气材料特有的吸气作用将被抽气体吸除，以达到所需真空。
不需要油作为介质，又称为无油泵绝对真空计：U型压力计、压缩式真空计相对真空计：放电真空计、热传导真空计、电离真空计机械泵、扩散泵、分子泵的工作原理，真空计的工作原理第二章：1.什么是饱和蒸气压、蒸发温度？在一定温度下，真空室内蒸发物质的蒸气与固体或液体平衡过程中所表现出来的压力规定物质在饱和蒸气压为10-2Torr 时的温度2.克-克方程及其意义？3. 蒸发速率、温度变化对其影响？根据气体分子运动论，在气体压力为P 时，单位时间内碰撞单位面积器壁上的分子数量，即碰撞分子流量（通量或蒸发速率）J ：蒸发源温度微小变化就可以引起蒸发速率的很大变化4. 平均自由程与碰撞几率的概念。
蒸发分子在两次碰撞之间所飞行的平均距离热平衡条件下，单位时间通过单位面积的气体分子数为5. 点蒸发源和小平面蒸发源特性？能够从各个方向蒸发等量材料的微小球状蒸发源称为点蒸发源（点源）。
薄膜物理与技术-7-4
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的磁学性质
7. 4 薄膜的磁学性质
铁磁体通过两种途径实现磁化。
➢磁场较低时，与外磁场方向相同或相近的磁畴体积将增大， 与外磁场方向相反或夹角接近180的磁畴体积将缩小； ➢磁场较高时，每个磁畴将作为一个整体转到外磁场方向。
如果磁化达到饱和后再撤除外磁场，铁磁体将重新分裂为 很多磁畴，但每个磁畴状况和磁化强度取向，并不恢复到原 先没加外磁场的情形。这就使铁磁质的磁化过程表现出不可 逆性。
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的磁学性质
7. 4 薄膜的磁学性质
磁阻效应 P229
磁阻效应：磁场引起的金属电阻变化的现象。
磁阻效应是一种量子力学效应，它产生于层状的 磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁 材料薄层交替叠合而成。
表征磁阻效应大小公式：
= RH -R0 = R = H -0
R0
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的磁学性质
7. 4 薄膜的磁学性质
概述
磁膜材料:厚度在1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁 性）材料。
各种磁性材料几乎都可制成成分和厚度可以控制的磁膜 材料。一般按材料性质分为金属和非金属磁膜材料；按材料 组织状态分为非晶、多层调制和微晶磁膜材料。
磁膜材料广泛用于制造计算机存储，光通信中的磁光调 制器、光隔离器和光环行器等；也用作磁记录薄膜介质和薄 膜磁头，以及磁光记录盘等。
1）磁场控制
2）磁场退火
3）基片温度
4）斜入射各向异性
The end
第七章 薄膜的物理性质-之薄膜的磁学性质
7. 4 薄膜的磁学性质
铁磁性(ferromagnetism)
一、自发磁化强度(spontaneous magnetization)
薄膜物理PPT学习教案
第24页/共65页
6.2 薄膜材料的特点
1. 薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应 ；
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子
能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不
连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级
第27页/共65页
6.2 薄膜材料的特点
4. 异常结构和非理想化学计量比特性明显；
在表面，原子周期性中断，产生的表面能级、表面态数目与表面原子数 有同一量级，对于半导体等载流子少的物质将产生较大影响； 在蒸镀法中，各种元素的蒸气压不同，溅射过程中各元素溅射速率不同， 所以一般较难精确控制薄膜的成分，制成的膜往往是非化学计量比的成分 。一些对成分要求较严格的应用中，例如，化合物半导体用于制备薄膜晶 体管就会受到限制。 同时，由沉积生长过程所决定，薄膜内一般存在大量的缺陷，如位错、空 位等，其密度常与大变形冷加工的金属中的缺陷密度相当，基片的温度越 低，沉积的薄膜中缺陷密度越大，其中用离子镀和溅射方法制备的薄膜缺 陷密度最大。 在薄膜沉积过程中的工作气体也常常混入薄膜。很多薄膜材料都不宜进行 高温热处理，所以缺陷不易消除。这些缺陷对材料的电学、磁学等很多性 能都有影响，例如点缺陷、位错等会使电阻增大，制备的合金薄膜的磁性 远低于块体材料。 薄膜材料一般都沉积在不同材料的基片，由于热膨胀系数不同，沉积后冷 却过程容易发生剥离。
第29页/共65页
6.2 薄膜材料的特点
——超晶格的定义
两种或两种以上组分不同或导电类型不同的极 薄的薄膜交替地叠合在一起而形成的多周期结构。
耦合这势就种垒是周区期足指结够两构窄个的 ，实势以体阱致相区相互厚邻依度势小阱赖于中于电的对子电方平子的均波一自函个由数程能量，够度。
薄膜物理
第一章
薄膜：所谓薄膜是指在基板的垂直方向上所堆积的1-10的原子层或分子层。
在此方向上薄膜具有微观结构。
真空的划分：在薄膜技术领域，人为地将真空环境粗略地划分为:低真空>102Pa,中真空102~10-1 Pa,高真空10-1~10-5 Pa,超高真空<10-5 Pa
临界温度：在市级工程中，常会碰到各种气态物质，对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为临界温度。
最可几速率：气体分子分布在V M处取得极大值，就把V M称为最概然速率。
平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其平均值λ=
称为
2πσ∧2n
平均自由程。
4
入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上碰撞的气体分子数称为入射频率。
薄膜物理与技术-7 薄膜的物理性质--(1) 薄膜的力学性质共39页文档
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21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
薄膜物理与技术-7 薄膜的物理性质-(1) 薄膜的力学性质
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
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C H ( s ) H * ( g ) C * ( s ) H 2 ( g )
C * ( s ) C H 3 * ( g ) C C H 3 ( s )
薄膜物理第7章
15
集成电路和最基本的制造工艺 流程则如图(b)所示，它包括了将 Si片的表层氧化构成绝缘层，在 其上涂布对某一光波长敏感的光 刻胶，在掩膜的帮助下使特定图 形的光刻胶曝光，去除未曝光刻 胶并按照其图形腐蚀掉氧化物层， 在未被氧化物层覆盖的区域上扩 散进特定浓度的杂质实现搀杂、 沉积导电连线等一系列步骤。
具有适当的韧性和耐磨性能，因而也可以被用来制备金属部件的防护涂层。
薄膜物理第7章
7Байду номын сангаас
第二节 金刚石薄膜
一、金刚石薄膜的制备技术 二、金刚石薄膜的应用
薄膜物理第7章
8
一、金刚石薄膜的制备技术
合成金刚石薄膜的CVD方法一般采用1000℃以下的衬底温 度和低于0.1MPa的压力条件，在这一温度和压力范围内，石 墨是碳的稳定相，而金刚石则是不稳定的。
如此循环反复，原有的金刚石核心就逐渐成长为金刚石晶粒， 而无数的金刚石晶粒则逐渐形成金刚石薄膜。
薄膜物理第7章
10
CVD方法沉积的金刚石薄膜
薄膜物理第7章
11
二、金刚石薄膜的应用
1、金刚石力学性质的应用。金刚石的高硬度、高耐磨性使 得金刚石薄膜成为极佳的工具材料。
（1）将沉积后的金刚石薄膜剥离下来，然后重新加以切割、研磨，并 焊接到工具的尖端上。这种应用形式具有金刚石膜较厚、工具使用寿命较 长的优点，但同时也具有工具的开关不可能做得很复杂的缺点。
薄膜物理第7章
12
3、金刚石光学性质的应用。金刚石在从紫外到远红外的很宽 的波长范围内具有很高的光谱透过性能。金刚石还具有极高的 硬度、强度、热导率以及极低的线膨胀系数和良好的化学稳定 性。这些优异性质的综合使得金刚石薄膜成为可以在恶劣环境 中使用的极好的光学窗口材料。
4、金刚石声学性质的应用。金刚石具有极高的弹性模量，这 决定了声波在金刚石中具有极高的传播速度。
薄膜物理第7章
5
二、热防护涂层
提高高温合金使用温度，防止其在高温氧化环境中产生性 能退化的一个有效途径是对其加以热防护涂层。
这种热防护涂层通常是由一层金属涂层和一层氧化物热防 护层组成的复合涂层。 金属涂层的一般的成分是(Ni,Co,Fe)CrAlY 作用：1、在基底金属与氧化物涂层之间提供一个过渡层，从
的Cr2O3保护膜，具有良好的耐腐蚀性能和适当的强度、韧性、耐磨性和可 加工性，与钢铁材料基底的附着性好，因而常被喷涂于各种机械部件上，用 以提高其抗蚀性。
（3）陶瓷材料涂层。陶瓷材料一般均具有较好的抗腐蚀性能，还具有
较好的耐热性能和耐磨性能，因而也可被用来制造耐蚀涂层。
（4）高分子材料涂层。高分子材料一般具有较好的化学稳定性，并且
5、金刚石电学性质的应用。金刚石具有较宽的禁带宽度、高 的载流子迁移率和饱和运动速度、高的击穿场强以及高的热 导率等。
薄膜物理第7章
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第三节 集成电路中的薄膜材料
一、集成电路制造技术 二、发光二极管和异质结激光器 三、超晶格与量子阱结构
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一、集成电路制造技术
图(a)画出了具有代表性的MOS场效应管的 结构剖面图
三、防腐涂层
防腐涂层的种类可以依要求防护的材料和使用环境的不同有很大的差别。
（1）阳极防护性涂层。Zn、Al、Zn-Al、Al-Mg-Re合金的涂层可以依
靠自身较负的电极电位，提高被涂层的钢铁材料抵抗各种大气及海水条件 侵蚀的能力。这时，涂层本身作为阳极，保护了作为阴极的钢铁基底。
（2）不锈钢及各种镍铬合金涂层。不锈钢表面会自然形成一层致密
第七章 薄膜材料及其应用
薄膜物理第7章
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第一节 耐磨及表面防护涂层 第二节 金刚石薄膜 第三节 集成电路中的薄膜材料 第四节 集成光学器件 第五节 磁记录薄膜和光存储薄膜
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第一节 耐磨及表面防护涂层
一、硬质涂层 二、热防护涂层 三、防腐涂层
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一、硬质涂层
常用于硬质涂层的材料可按其材料类别被细分为陶瓷以 及金属间化合物两类，而基底材料则是一些高强度、高韧性 的合金材料。
右图是目前使用最多的沉积金 刚石薄膜的热丝CVD装置示意图。 在衬底的上方，装有一根或数根 被加热至2000℃左右高温的导电 金属丝，它的作用是激活流过它 附近的由H2和少量CH4组成的工 作气体，使其部分分解为活性氢 原子H*和甲基CH3*
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H 2(g) 2H*(g)
C H 4 ( g ) H * ( g ) C H 3 * ( g ) H 2 ( g )
特点：1、都具有很高的硬度、熔点和弹性模量； 2、线膨胀系数较低； 3、断裂韧性要低于常用的金属材料。
第一个特点是采用硬质涂层的原因，第二、三个特点的残余 热应力及与其密切相关的涂层与基底间的附着力，涂层的疲劳及 抗冲击性能等。
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涂层材料与基底材料线膨胀系数的差别将引起涂层及基 底中产生很大的热应力，严重时会导致涂层从基底表面脱落。
（2）将金刚石膜直接沉积到工具的表面上，薄膜厚度较薄，成本较低。 难点在于沉积的薄膜对衬底材料的附着力不容易提高。缺点是它不适于钢 铁材料的高速切削加工。
2、金刚石热学性质的应用。 金刚石具有极高的热导率。在室 温条件下，金刚石的热导率是铜的五倍，同时金刚石本身又是 极好的绝缘材料，这使得金刚石成为极好的高功率光电子元件 的散热器件材料。
另一个衡量涂层抵抗温度变化引起的应力的指标是热冲击 抗力ST，它与由温度差ΔT引起的热流密度
Q T
d
与由线膨胀系数不匹配和温度变化引起的热应力σ之比 有关，其具体表达式为
ST Qd (1) E
其中，κ为涂层材料的热导率，d为涂层厚度，E和v为涂层材料的杨 氏模量和泊松比，Δα为涂层与衬底材料间线膨胀系数之差。
而提高整个热防护层对基底材料的附着力。 2、金属涂层的中稀土元素Y还具有保护基底材料和涂层界
面不被氧化的重要作用。
氧化物热防护层的主要组分是ZrO2 作用：具有低的热导率，可以有效地降低高温工作部件在关键
部位的温度，从而达到提高材料的使用温度的目的。
通常采用等离子喷涂的方法制备上述的热防护复合涂层，涂层厚度为 数百微米。涂层后部件的使用温度通常可以达到1300℃左右。