薄膜材料概述.详解
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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
专注 激情 严谨 勤勉
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。
专注 激情 严谨 勤勉
Baidu Nhomakorabea
薄膜制备方法
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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)
薄膜(<1um)
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
玻璃
晶圆
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉 8
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． ✓ 获得常规情况下难以获得的物质． ✓ 获得特殊界面结构的膜层． ✓ 自动化控制．
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
离子束溅射工作原理 图
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
薄膜制备分类 磁控溅射
磁控溅射SiO2装置图
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
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。
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
目录
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
它可分为离子束溅射 和磁控溅射
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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……。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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
薄膜材料定义 薄膜的制备 薄膜材料性质 薄膜物性检测
专注 激情 严谨 勤勉
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……）
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
材料保护涂层
材料装饰涂层 光电子学薄膜 微电子学薄膜 其它功能薄膜 (力、热、磁、生物等)
专注 激情 严谨 勤勉
日常生活中的薄膜材料
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
日常生活中的薄膜材料
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
薄膜制备分类
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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”
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
专注 激情 严谨 勤勉
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”。
专注 激情 严谨 勤勉
化学气相沉积CVD
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
专注 激情 严谨 勤勉
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。
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
薄膜的形成机理
三种不同的薄膜生长方式
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
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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
专注 激情 严谨 勤勉
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。
专注 激情 严谨 勤勉
Baidu Nhomakorabea
薄膜制备方法
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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)
薄膜(<1um)
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
玻璃
晶圆
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉 8
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． ✓ 获得常规情况下难以获得的物质． ✓ 获得特殊界面结构的膜层． ✓ 自动化控制．
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
离子束溅射工作原理 图
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
薄膜制备分类 磁控溅射
磁控溅射SiO2装置图
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
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。
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
目录
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
它可分为离子束溅射 和磁控溅射
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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……。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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
薄膜材料定义 薄膜的制备 薄膜材料性质 薄膜物性检测
专注 激情 严谨 勤勉
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……）
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
材料保护涂层
材料装饰涂层 光电子学薄膜 微电子学薄膜 其它功能薄膜 (力、热、磁、生物等)
专注 激情 严谨 勤勉
日常生活中的薄膜材料
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
日常生活中的薄膜材料
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
薄膜制备分类
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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”
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
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
专注 激情 严谨 勤勉
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”。
专注 激情 严谨 勤勉
化学气相沉积CVD
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
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。
专注 激情 严谨 勤勉
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。
专注 激情 严谨 勤勉
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。
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉
薄膜的形成机理
三种不同的薄膜生长方式
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
专注 激情 严谨 勤勉