薄膜材料及其制备技术

课程设计

实验课程名称电子功能材料制备技术

实验项目名称薄膜材料及薄膜技术

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薄膜材料及薄膜技术

薄膜技术发展至今已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。经过一代代探索者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。其中包括纳米薄膜、量子线、量子点等低维材料，高K值和低K值介质薄膜材料，大规模集成电路用Cu布线材料，巨磁电阻、厐磁电阻等磁致电阻薄膜材料，大禁带宽度的“硬电子学”半导体薄膜材料，发蓝光的光电半导体材料，高透明性低电阻率的透明导电材料，以金刚石薄膜为代表的各类超硬薄膜材料等。这些新型薄膜材料的出现，为探索材料在纳米尺度内的新现象、新规律，开发材料的新特性、新功能，提高超大规

模集成电路的集成度，提高信息存储记录密度，扩大半导体材料的应用范围，提高电子元器件的可靠性，提高材料的耐磨抗蚀性等，提供了物质基础。以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要发展方向之一。

一、薄膜材料的发展

在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。

自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。

二、薄膜材料的分类

目前，对薄膜材料的研究正在向多种类、高性能、新工艺等方面发展，其基础研究也在向分子层次、原子层次、纳米尺度、介观结构等方向深入，新型薄膜材料的应用范围正在不断扩大。当前薄膜科学与技术得到迅猛发展的主要原因是，新型薄膜材料的研究工作，始终同现代高新技术相联系，并得到广泛的应用，常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。近10年来，新型薄膜材料在以下几个方面的发展更为突出：

（1）金刚石薄膜

金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔。

金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数高、化学稳定性好、热导率高、热膨胀系数小，是优良的绝缘体。金刚石薄膜属于立方晶系，面心立方晶胞，每个晶胞含有8个C原子，每个C原子采取sp3杂化与周围4个C原子形成共价键，牢固的共价键和空间网状结构是金刚石硬度很高的原因。

利用它的高导热率，可将它直接积在硅材料上成为既散热又绝缘的薄层，是高频微波器件、超大规模集成电路最理想的散热材料。利用它的电阻率大，可以制成高温工作的二极管，微波振荡器件和耐高温高压的晶体管以及毫米波功率器件等。

金刚石薄膜制备的基本原理是：在衬底保持在800~1000℃的温度范围内，化学气相沉积的石墨是热力学稳定相，而金刚石是热力学不稳定相，利用原子态氢刻蚀石墨的速率远大于金刚石的动力学原理，将石墨去除，这样最终在衬底上沉积的是金刚石薄膜。金刚石薄膜的许多优良性能有待进一步开拓，我国已将金刚石薄膜纳入863新材料专题进行跟踪研究并取得了很大进展。

（2）铁电薄膜

铁电薄膜的制备技术和半导体集成技术的快速发展，推动了铁电薄膜及其集成器件的实用化。铁电材料已经应用于铁电动态随机存储器(FDRAM)、铁电场效应晶体管( FEET)、铁电随机存储器( FFRAM)、IC卡、红外探测与成像器件、超声与声表面波器件以及光电子器件等十分广阔的领域。铁电薄膜的制作方法一般采用溶胶-凌胶法、离子束溅射法、磁控溅射法、有机金属化学蒸汽沉积法、准分子激光烧蚀技术等。已经制成的晶态薄膜有铌酸锂、铌酸钾、钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、氧化铌和锆钛酸铅等，以及大量的铁电陶瓷薄膜材料。

（3）氮化碳薄膜

美国伯克利大学物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶体结构为出发点，预言了一种新的C-N化合物b-Si3N4，Cohen计算出b-Si3N4b-C3N4是一种晶体结构类似于b-Si3N4，具有非常短的共价键结合的C-N化合物，其理论模量为4.27Mbars，接近于金刚石的模量4.43 Mbars。随后,不同的计算方法显示b-Si3N4具有比金刚石还高的硬度，不仅如此，b-Si3N4还具有一系列特殊的性质，引起了科学界的高度重视，目前世界上许多著名的研究机构都集中研究这一新型物质。

b-Si3N4的制备方法主要有激光烧蚀法、溅射法、高压合成、等离子增强化学气相沉积、真空电弧沉积、离子注入法等多种方法。在CNx膜的诸多性能中，最吸引人的可能超过金刚石的硬度，尽管现在还没有制备出可以直接测量其硬度的CNx晶体，但对CNx膜硬度的研究已有许多报道。

（4）半导体薄膜复合材料

以非晶硅氢合金薄膜（a—Si：H）和非晶硅基化物薄膜（a—SiGe：H、a—SiC：H、a—SiN：H等）为代表。它有良好的光电特性，可以应用于太阳能电池，其特点是：廉价、高效率和大面积化。为了改善这些器件的性能，又研制了多晶硅膜、微晶硅膜及纳米晶硅薄膜。这些器件已列入各国发展计划中，如日本的阳光计划，欧洲的焦耳—热量计划，美国的百万屋顶计划，中国的973和863计划，并已发展成为高新技术产业，另一项有发展前途的是Cu（1nGa）Se2（小面积效率＞18．8％）及口为16．4％的CdTe薄膜太阳电池也列入国家863计划。这类半导体薄膜复合材料，特别是硅薄膜复合材料已开始用于低功耗、低噪声的大规模集成电路中，以减小误差，提高电路的抗辐射能力。

（5）超晶格薄膜材料

随着半导体薄膜层制备技术的提高，当前半导体超晶格材料的种类已由原来的砷化镓、镓铝砷扩展到铟砷、镓锑、铟铝砷、铟镓砷、碲镉、碲汞、锑铁、锑锡碲等多种。组成材料的种类也由半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别是今年来发展起来的硅、锗硅应变超晶格，由于它可与当前硅的前面工艺相容和集成，格外受到重视，甚至被誉为新一代硅材料。

半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，除上面提到的可制备高电子迁移率晶体管、高效激光器、红外探测器外，还能制备调制掺杂的场效应管、先进的雪崩型光电探测器和实空间的电子转移器件，并正在设计微分负阻效应器件、隧道热电子效应器件等，它们将被广泛应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。

（6）纳米复合薄膜材料

随着纳米材料的出现，纳米薄膜（涂层）技术也得到相应的发展。时至今日，已从单一材料的纳米薄膜转向纳米复合薄膜的研究，薄膜的厚度也由数微米发展到数纳米的超薄膜。

纳米复合薄膜是指由特征维度尺寸为纳米数量级（1～100nm）的组元镶嵌于不同的基体里所形成的复合薄膜材料，有时也把不同组元构成的多层膜如超晶格称为纳米复合薄膜，它具有传统复合材料和现代纳米材料两者的优越性。

到目前为止，概括起来纳米复合材料可分为三种类型：①0-0复合，即不同