光电功能薄膜技术(研讨)1序言-材料系.ppt

课程名称：光电功能薄膜技术（研讨）课程名称：光电功能薄膜技术（研讨）第1-13周：授课、研讨考核方式：出勤、实验、考试时间安排：时间安排：1-16周周四（6-7）教七-10A第14、15周：实验、答疑第16周：考试薄膜有时与类似的词汇薄膜有时与类似的词汇“涂层涂层”（coating）、）、“层层”（layer）、）、“箔箔”（foil）等有相同的意义，但有时又有些差别。）等有相同的意义，但有时又有些差别。有关“薄膜（thinfilm）”的定义 two-dimensionmaterials thin多多“薄薄”的膜才算薄膜？（视功能及其应用领域而定）的膜才算薄膜？（视功能及其应用领域而定）film=layerofmaterialonasubstrate薄膜可以有气体薄膜、液体薄膜薄膜可以有气体薄膜、液体薄膜（液晶），但研究最多、，但研究最多、应用最广的是固体薄膜应用最广的是固体薄膜（ThinSolidFilm）。薄膜的例子广泛应用在日常生活、生产和科学研究中日常生活生产科学研究刀具表面氮化物、氧化物、碳化物镀膜刀具表面氮化物、氧化物、碳化物镀膜薄膜技术发展的历史3000多年前，中国古代在陶瓷中已开始采用釉涂层。多年前，中国古代在陶瓷中已开始采用釉涂层。19世纪初，发现辉光放电过程可沉积固体薄膜。世纪初，发现辉光放电过程可沉积固体薄膜。20世世纪纪后后，电电解解法法、化化学学反反应应法法和和真真空空蒸蒸镀镀法法等等薄薄膜膜制制备备方方法法相相继继问问世世，薄薄膜膜技技术术迅迅速速发发展展。光光学学薄薄膜膜最最先先得得到到研研究究和和应应用用，成成功功地地制制备备了了各各种种增增透透膜膜、高高反反膜膜、滤滤光光膜膜、分分光光膜膜等等光光学学薄薄膜膜，在在光光学学仪仪器器、太太阳阳电电池池、建建筑筑玻玻璃璃等等领领域域得得到到广广泛泛的的应应用用。20世世纪纪50年年代代以以后后，微微电电子子技技术术的的进进步步极极大大地地推推动动了了薄薄膜膜技技术术的的进进步步。在在现现代代的的集集成成电电路路制制作作过程中，薄膜沉积和刻蚀是必不可少的薄膜工艺。过程中，薄膜沉积和刻蚀是必不可少的薄膜工艺。为什么需要薄膜1、对基板的性能进行改良2、对基板的性能进行改性金刚石薄膜、防腐层、半导体单晶片外延层3、在基板上实现新的化学、光学和电学等性能，或者获得新的材料疏水/亲水性(汽轮机叶片、眼镜)反射/透射/偏振镜片石墨烯、半导体超晶格薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同材料灵活地复薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，过去需要众多器件现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，过去需要众多器件组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。段。器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能并使之更加强化，而且器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能并使之更加强化，而且随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒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。薄膜技术作为器件薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。4、功能性结构的集成和微小型化薄膜的种类薄膜的种类薄膜的分类方法有多种：薄膜的分类方法有多种：材料种类、应用领域、制备方法等材料种类、应用领域、制备方法等按化学组成分为：按化学组成分为：无机膜、有机膜、复合膜；无机膜、有机膜、复合膜；按晶体形态分为：按晶体形态分为：单晶膜、多晶膜、微晶膜、单晶膜、多晶膜、微晶膜、纳米晶膜、超晶格纳米晶膜、超晶格材料种类材料种类应用领域应用领域1、光学薄膜、光学薄膜减减反反射射膜膜例例如如照照相相机机、幻幻灯灯机机、投投影影仪仪、电电影影放放映映机机、望望远远镜镜、瞄瞄准准镜镜以以及及各各种种光光学学仪仪器器透透镜镜和和棱棱镜镜上上所所镀镀的的单单层层MgF2薄薄膜膜和和双双层层或或多多层层（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等等）薄薄膜膜组组成成的宽带减反射膜。的宽带减反射膜。反反射射膜膜例例如如用用于于民民用用镜镜和和太太阳阳灶灶中中抛抛物物面面太太阳阳能能接接收收器器的的镀镀铝铝膜膜；用用于于大大型型天天文文仪仪器器和和精精密密光光学学仪仪器器中中的的镀镀膜膜反反射射镜镜；用用于于各各类类激光器的高反射率膜（反射率可达激光器的高反射率膜（反射率可达99%以上）等等以上）等等。偏振片、滤色片、分束片等偏振片、滤色片、分束片等2、电学薄膜、电学薄膜半半导导体体器器件件与与集集成成电电路路中中使使用用的的导导电电材材料料与与介介质质薄薄膜膜材材料料：Al、Cr、Pt、Au、多多晶晶硅硅、硅硅化化物物、SiO2、Si3N4、Al2O3等等的的薄薄膜。膜。超超导导薄薄膜膜：特特别别是是近近年年来来国国外外普普遍遍重重视视的的高高温温超超导导薄薄膜膜，例例如如YBaCuO系系稀稀土土元元素素氧氧化化物物超超导导薄薄膜膜以以及及BiSrCaCuO系系和和TlBaCuO系非稀土元素氧化物超导薄膜。系非稀土元素氧化物超导薄膜。薄薄膜膜太太阳阳能能电电池池：特特别别是是非非晶晶硅硅、CuInSe2和和CdSe薄薄膜膜太太阳阳电电池。池。3、磁学薄膜：、磁学薄膜：磁记录介质磁记录介质德国科学家Grunberg小组有一重要的发现，就是在Fe/Cr/Fe三层膜中观察到两个铁层之间通过铬层产生耦合。法国科学家Fert小组在Fe/Cr周期性多层膜中，观察到当施加外磁场时，其电阻下降，变化率高达50。因此称之为巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance)。他们的发现极大地提高了电脑硬盘的数据存储量。4 4、机械薄膜：、机械薄膜：（硬质膜、耐蚀膜、润滑膜硬质膜、耐蚀膜、润滑膜）硬硬质质膜膜用用于于工工具具、模模具具、量量具具、刀刀具具表表面面的的TiN、TiC、TiB2、(Ti,Al)N、Ti(C,N)等硬质膜，以及金刚石薄膜、等硬质膜，以及金刚石薄膜、C3N4薄膜和薄膜和c-BN薄膜。薄膜。耐耐蚀蚀膜膜用用于于化化工工容容器器表表面面耐耐化化学学腐腐蚀蚀的的非非晶晶镍镍膜膜和和非非晶晶与与微微晶晶不不锈锈钢钢膜膜；用于涡轮发动机叶片表面抗热腐蚀的用于涡轮发动机叶片表面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。膜等。润滑膜润滑膜使用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的使用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2Ni等固体润滑膜和等固体润滑膜和Au、Ag、Pb等软金属膜。等软金属膜。按制备方法分类按制备方法分类原原始始膜膜料料固态薄膜气态气态固态固态液态液态材料应用领域制备方法电学与光学薄膜气相沉积方法薄膜技术在电子学领域中的意义2001年：IC特征尺寸150nmCMOS中栅极氧化物厚度23nm金属硅化物电极厚度45nm量子阱和超晶格的单层厚度10nm多结薄膜太阳能多结薄膜太阳能结构示意图结构示意图GaAsGaAs衬底衬底布揦格反射器布揦格反射器法布里法布里-珀罗标准器珀罗标准器镜面接触镜面接触AlAlx xGaGa1-x1-xAsAsGaAsGaAs超晶格超晶格GaAs/AlGaAs/Alx xGaGa1-x1-xAsAsP P+n n+h hv v光发光发射射半导体激光器薄膜技术在光学领域中的意义薄膜技术在光学领域中的意义提高光学效率、减少杂光。如高效减反射膜、高反射膜。实现光束的调整或再分配。如分束膜、分色膜、偏振分光膜就是根据不同需要进行能量再分配的光学元件。通过波长的选择性透过提高系统信噪比。如窄带及带通滤光片、长波通、短波通滤光片。实现某些特定功能。如ITO透明导电膜、保护膜等 目前光学薄膜两个重要的应用领域：光通信：以DWDM(dense wavelengh division multiplexer)filter为代表的光无源器件信息显示技术：LCD、LCOS投影显示技术E-beam Evaporation Machine两类薄膜生长方法：薄膜沉积和薄膜外延薄膜技术在基础研究上的意义半导体异质结、量子阱和超晶格、和量子点量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、量子尺寸效应、和单电子隧穿效应ThePhysicsDepartmentstrivestobeattheforefrontofmanyareaswherenewphysicscanbefound.Consequently,weworkonproblemswhereextremeconditionsmayrevealnewbehavior.WestudythesmallestthingsintheuniverseBypushingthelimits,wehavethechancetoobservenewgeneralprinciplesandtotesttheoriesofthestructureandbehaviorofmatterandenergy.EdmundBertschingerProfessorofPhysicsandHead,MITDepartmentofPhysics石墨烯石墨烯Graphene光电功能薄膜技术（研讨）光电功能薄膜技术（研讨）课程的目的1、了解薄膜真空沉积系统；2、了解各种镀膜方法，物理气相沉积方法；3、了解镀膜工艺；4、了解薄膜的结构特性；5、了解薄膜的光学性质及其测量方法；6、掌握简单的真空沉积系统的操作。授课内容授课内容第一章，真空设备：第二章，制备技术：第三章，制备工艺因素：第四章，薄膜材料：第五章，膜层厚度的均匀性及其测量：第六章，薄膜的结构特性：第七章，薄膜的光学性质及其测量：第八章，半导体单晶薄膜的外延生长：第九章，薄膜微结构的测量手段：参考书参考书1、顾培夫主编，薄膜技术，浙江大学出版社，19902、唐晋发，顾培夫主编，薄膜光学与技术，机械工业出版社，19873、H.A.Macleod主编,THIN-FILMOPTICALFILTERS,InstituteofPhysicsPublishing,20014、吴自勤、王兵主编，薄膜生长，科学出版社，2003