薄膜物理与技术绪论.pptx

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1、绪 论 薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史 薄膜的分类薄膜的分类 薄膜科学的研究内容薄膜科学的研究内容 薄膜科学的基本概念薄膜科学的基本概念 本课程的主要内容本课程的主要内容第1页/共39页参考资料杨邦朝，王文生.薄膜物理与技术.电子科技大学出版社，1997 陈国平.薄膜物理与技术.东南大学出版社，1993曲喜新，杨邦朝，姜节俭，张怀武编著.电子薄膜材料.科学出版社，1997 吴自勤，王兵.薄膜生长.科学出版社，2001 薛增泉，吴全德，李浩.薄膜物理.电子工业出版社，1991郑伟涛.薄膜材料与薄膜技术。化学工业出版社，2005唐伟忠.薄膜材料制备原理、技术及应用.冶金工业出版社，2005第

2、2页/共39页 two-dimension materials thin=less than about one micron (10,000 Angstroms,1000 nm)film=layer of material on a substrate (if no substrate,it is a foil)第3页/共39页 一一百百多多年年来来，人人们们对对物物质质的的物物理理性性质质的的广广泛泛研研究究，使使物物理理学学成成为为一一个个很很大大的的学学科科领领域域。在在这这个个领领域域中中，一一些些专专门门的的知知识识进进一一步步发发展展成成为为一一个个个个独独立立的的分分支支，薄薄

3、膜膜物物理理就就是是该该领领域域中中一个相当重要的分支。一个相当重要的分支。薄薄膜膜科科学学的的研研究究内内容容包包含含了了制制备备技技术术、分分析析方方法法、结结构构观观察察、薄薄膜膜的的应应用用以以及及薄薄膜膜的的生生长机理等及其丰富的内容。长机理等及其丰富的内容。薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史第4页/共39页 对液体薄膜首先作了正式描写的是美国著名的科学家、作家兼政治家的富兰克林(Benjamin Franklin)，他在1774年的文件中留下了这样的描述：“不不超超过过一一茶茶匙匙的的油油，迅迅即即地地展展开开为为数数平平方方码码，然然后后很很惊惊人人地地慢慢慢慢扩扩展展，直直到

4、到抵抵达达在在下下风风处处的的水水池池边边缘缘，布布满满了了水水池池的的那那个个区区域域，可可能能有有半半英英亩亩（1英英亩亩约约为为4000平平方方公公尺尺）之广，而表面平滑的像面镜子。之广，而表面平滑的像面镜子。”该薄膜的膜厚约为10，是一个单分子膜层。薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史第5页/共39页薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史 和和液液体体薄薄膜膜相相比比较较的的话话，固固体体薄薄膜膜的的历历史史比比较较浅浅短短。在在现现今今留留下下的的纪纪录录里里，最最早早的的是是1852年年德德国国的的化化学学家家本本生生(Robert Wilhelm Bunsen)和和Grove分分别

5、别由由化化学学反反应应和和辉辉光光放放电电(glow discharge)确确认认了了其其所所产产生生的的固固体体薄薄膜膜。一一般般的的固固体体薄薄膜膜，乃乃是是由由把把原原子子或或分分子子状状的的蒸蒸发发粒粒子子沉沉积积（或或称称蒸蒸镀镀）在在表表面面平平滑滑的的基基板板表表面面上上所所获获得得。而而这这类类固固体体薄薄膜膜，一一般般就就仅仅以以薄膜来称呼。薄膜来称呼。第6页/共39页 光学薄膜是薄膜科学中最早被深入研究的薄光学薄膜是薄膜科学中最早被深入研究的薄膜。随着各种光学透镜的发展，各种增透膜、减膜。随着各种光学透镜的发展，各种增透膜、减反射膜、滤光膜、分光膜等等被精确的制备、检反射膜

6、、滤光膜、分光膜等等被精确的制备、检测和分析。进入上世纪测和分析。进入上世纪7070年代后，透光材料在建年代后，透光材料在建筑、装璜等方面被广泛应用，在房屋、车辆、太筑、装璜等方面被广泛应用，在房屋、车辆、太阳能电池、太阳能热水器等的透明光窗上采用增阳能电池、太阳能热水器等的透明光窗上采用增透、防辐射和反射等薄膜。这类产品已经广泛进透、防辐射和反射等薄膜。这类产品已经广泛进入我们的日常生活中。入我们的日常生活中。薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史第7页/共39页薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史 我我们们一一般般可可能能没没有有特特别别意意识识到到薄薄膜膜的的存存在在，不不过过事事实实上上

7、在在日日常常生生活活当当中中，我我们们可可以以见见到到各各式式各各样样的的薄薄膜。例如：膜。例如：u 厨房用的铝箔（厚度约厨房用的铝箔（厚度约0.02mm，20m）；）；u 保鲜膜（厚度约保鲜膜（厚度约15m）；）；u 保护或装饰物品表面的电镀层或胶膜；保护或装饰物品表面的电镀层或胶膜；u 油漆等较厚的膜；油漆等较厚的膜；u 眼镜、照相机镜片上的防紫外线或是防眩光膜；眼镜、照相机镜片上的防紫外线或是防眩光膜；u IC芯片及各种电子材料、装置上的镀膜等极薄的膜；芯片及各种电子材料、装置上的镀膜等极薄的膜；u 下雨时车窗上的水膜，或是漂浮在汤汁上面的油膜等，下雨时车窗上的水膜，或是漂浮在汤汁上面的

8、油膜等，则是属于液体薄膜。则是属于液体薄膜。第8页/共39页v 薄薄膜膜材材料料由由于于其其在在微微观观结结构构、宏宏观观性性能能等等方方面面所所具具有有的的特特殊殊性性,在在科科学学技技术术发发展展和和人人们们的的日日常常生活中发挥着越来越重要的作用。生活中发挥着越来越重要的作用。v 薄薄膜膜材材料料研研究究不不仅仅吸吸引引了了为为数数众众多多的的科科技技工工作作者者,而且受到各国高技术产业界的广泛关注。而且受到各国高技术产业界的广泛关注。v 薄薄膜膜材材料料研研究究已已经经渗渗透透到到物物理理学学、化化学学、材材料料科科学学、信信息息科科学学乃乃至至生生命命科科学学等等各各个个研研究究领领

9、域域,薄薄膜膜科科学学已已经经逐逐渐渐发发展展成成为为一一门门多多学学科科交交叉叉的的边缘学科。边缘学科。薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史第9页/共39页 从从人人类类开开始始制制作作陶陶瓷瓷器器皿皿的的彩彩釉釉算算起起,薄薄膜膜的的制制备备与与应应用用已已经经有有一一千千多多年年的的发发展展历历史史。从从制制备备技技术术、分分析析方方法法、形形成成机机理理等等方方面面系系统统地地研研究究薄薄膜膜材材料料则则起起始始于于上上世世纪纪五五十十年年代代。直直到到上上世世纪纪8080年年代代,薄薄膜科学才发展成为一门相对独立的学科。膜科学才发展成为一门相对独立的学科。促促使使薄薄膜膜科科学学迅迅

10、速速发发展展的的重重要要原原因因是是薄薄膜膜材材料料的的强强大大的的应应用用背背景景、低低维维凝凝聚聚态态理理论论的的不不断断发发展展和和现现代分析技术的出现及分析能力的不断提高。代分析技术的出现及分析能力的不断提高。薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史第10页/共39页薄膜科学的应用薄膜科学的应用1.1.耐磨及表面防护涂层耐磨及表面防护涂层 现在科学技术对机械部件提出了综合性能要求往往超出现在科学技术对机械部件提出了综合性能要求往往超出了单一材料可以达到的性能范围。在用涂层方法制备出材料了单一材料可以达到的性能范围。在用涂层方法制备出材料组合，则可以有效地发挥各种材料的优点，同时避免各自的组

11、合，则可以有效地发挥各种材料的优点，同时避免各自的局限性。局限性。耐磨和防护涂层技术可以有效地降低各类部件的机械磨耐磨和防护涂层技术可以有效地降低各类部件的机械磨损、化学腐蚀及高温氧化倾向，从而延长使用寿命。损、化学腐蚀及高温氧化倾向，从而延长使用寿命。涂层材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及涂层材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及金属间的化合物等，它们具有很高的硬度和熔点，耐磨性和金属间的化合物等，它们具有很高的硬度和熔点，耐磨性和耐化学腐蚀性能。耐化学腐蚀性能。第11页/共39页（1）耐磨涂层 减小零件或工具的机械磨损。例如减小零件或工具的机械磨损。例如TiNTiN、TiC

12、TiC涂层。涂层。（2）耐热涂层）耐热涂层 燃气涡轮发动机等需要较高温度使用的机械部件。增燃气涡轮发动机等需要较高温度使用的机械部件。增加其耐热保护。加其耐热保护。（3）防腐涂层）防腐涂层 保护被涂层的部件，不受化学腐蚀性气氛的浸蚀。应保护被涂层的部件，不受化学腐蚀性气氛的浸蚀。应用的领域包括石油化工、煤炭气化及核反应堆的机械部件用的领域包括石油化工、煤炭气化及核反应堆的机械部件涂层方面。涂层方面。薄膜科学的应用薄膜科学的应用第12页/共39页 TiC耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙洼磨耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙洼磨损能力，适合于低速切削及磨损严重的场合；损能力，适合于低速切削及磨损

13、严重的场合；TiN涂涂层具有低的摩擦系数，润滑性能好，能减少切削热和层具有低的摩擦系数，润滑性能好，能减少切削热和切削力，适合于产生融合和磨损的切削；切削力，适合于产生融合和磨损的切削；Al2O3的高的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比TiC和和TiN好，月好，月牙洼磨损率低，适合于高速、大切削热切削；金刚石牙洼磨损率低，适合于高速、大切削热切削；金刚石涂层硬度和热导性高，摩擦系数很低，适合于有色金涂层硬度和热导性高，摩擦系数很低，适合于有色金属合金的高速切削；而复合涂层综合几种涂层材料的属合金的高速切削；而复合涂层综合几种涂层材料的特点，目前以双涂层和三涂层组合居

14、多。特点，目前以双涂层和三涂层组合居多。第13页/共39页2.2.金刚石薄膜金刚石薄膜 金刚石具有一系列优异的物理性质，包括已知物金刚石具有一系列优异的物理性质，包括已知物质中最高的硬度、耐磨性和弹性模量，极高的电阻率、质中最高的硬度、耐磨性和弹性模量，极高的电阻率、击穿场强和很低的介电常数，宽的光谱透过范围，极击穿场强和很低的介电常数，宽的光谱透过范围，极高的热导率，极低的线膨胀系数，很宽的禁带宽度，高的热导率，极低的线膨胀系数，很宽的禁带宽度，极高的载流子迁移率和极高的化学稳定性。极高的载流子迁移率和极高的化学稳定性。薄膜科学的应用薄膜科学的应用金刚石薄膜的应用（1 1）力学性质的应用）力

15、学性质的应用 利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉积在利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉积在工具的表面，提高工具的使用寿命工具的表面，提高工具的使用寿命第14页/共39页物理性质物理性质天然金刚石天然金刚石CVD金刚石薄膜金刚石薄膜硬度硬度/GPa10090100杨氏模量杨氏模量/GPa1200接近天然金刚石接近天然金刚石温度热导率温度热导率/W(cmK)-1201020纵波声速纵波声速/kms-118密度密度/gcm-33.62.83.5折射率折射率(590nm)2.412.4禁带宽度禁带宽度/eV5.55.5透光范围透光范围/nm225-远红外远红外接近天然金刚石接近

16、天然金刚石电阻率电阻率/cm10161010介电强度介电强度/Vcm-11017电子迁移率电子迁移率/cm2(Vs)-12200空穴迁移率空穴迁移率/cm2(Vs)-11600介电常数介电常数5.55.5饱和电子速度饱和电子速度/cms-12.7107在所有已知物质中为最高值；在所有已知物质中为最高值；在已知所有物质中列第二在已知所有物质中列第二金刚石的物理性质第15页/共39页（2 2）热学性质的应用）热学性质的应用 利用其极高的热导率。室温下，金刚石的热导率是铜利用其极高的热导率。室温下，金刚石的热导率是铜的的5倍。本身又是极好的绝缘材料。因此，金刚石薄膜可倍。本身又是极好的绝缘材料。因此

17、，金刚石薄膜可用于高功率光电子元件、激光器、集成电路芯片的散热器用于高功率光电子元件、激光器、集成电路芯片的散热器材料。材料。（3 3）电学性质的应用）电学性质的应用 利用其高载流子迁移率、宽禁带宽度、高击穿场强、利用其高载流子迁移率、宽禁带宽度、高击穿场强、高热导率和高饱和运动速度等优点。使之成为制造高温、高热导率和高饱和运动速度等优点。使之成为制造高温、高压、高功率和高频强辐射条件下工作的电子器件的绝好高压、高功率和高频强辐射条件下工作的电子器件的绝好材料。材料。另外，利用金刚石膜制备的声表面波器件使得工作频率范另外，利用金刚石膜制备的声表面波器件使得工作频率范围大大增加；金刚石膜也是很好

18、的光学窗口材料。围大大增加；金刚石膜也是很好的光学窗口材料。薄膜科学的应用薄膜科学的应用第16页/共39页3.3.薄膜科学在集成电路中的应用薄膜科学在集成电路中的应用 集成电路工艺中，氧化、涂胶等都涉及到了薄膜材料的制备问题。其它的分离器件，如发光二极管、异质结激光器、超晶格与量子阱结构4.4.磁记录薄膜和光存储薄膜磁记录薄膜和光存储薄膜 薄膜磁头、只读（ROM）光盘、一次写入（WORM）式光盘、可擦重写（E-DRAW)式光盘、直接重写式光盘薄膜科学的应用薄膜科学的应用第17页/共39页在信息显示技术中的应用在信息显示技术中的应用薄膜科学的应用薄膜科学的应用第18页/共39页在信息显示技术中的

19、应用在信息显示技术中的应用薄膜科学的应用薄膜科学的应用第19页/共39页在信息存贮技术中的应用在信息存贮技术中的应用薄膜科学的应用薄膜科学的应用第20页/共39页在日常生活中的应用在日常生活中的应用薄膜科学的应用薄膜科学的应用第21页/共39页在计算机技术中的应用在计算机技术中的应用薄膜科学的应用薄膜科学的应用第22页/共39页在计算机技术中的应用在计算机技术中的应用薄膜科学的应用薄膜科学的应用第23页/共39页薄膜的分类薄膜的分类 薄膜在当今和未来都拥有十分广泛的应用领域，尤其是微电子和光电子领域。按功能和应用领域分类：电子薄膜电子薄膜 光学薄膜光学薄膜 硬质薄膜、耐蚀薄膜、润滑薄膜硬质薄膜

20、、耐蚀薄膜、润滑薄膜 装饰薄膜装饰薄膜 包装薄膜包装薄膜 生物薄膜生物薄膜 其它其它第24页/共39页薄膜的分类薄膜的分类电子薄膜：半导体器件与集成电路中使用的导电和介电材料薄膜半导体器件与集成电路中使用的导电和介电材料薄膜 超导薄膜超导薄膜 光电子器件中使用的功能薄膜光电子器件中使用的功能薄膜 薄膜敏感元件和固态传感器薄膜薄膜敏感元件和固态传感器薄膜 薄膜电阻薄膜电阻 薄膜太阳能电池薄膜太阳能电池 平板显示器件平板显示器件 薄膜声表面波滤波器薄膜声表面波滤波器 磁记录薄膜和薄膜磁头磁记录薄膜和薄膜磁头 静电复印机磁鼓薄膜静电复印机磁鼓薄膜第25页/共39页薄膜的分类薄膜的分类光学薄膜：减反膜

21、减反膜 反射膜反射膜 分光镜和滤光片薄膜分光镜和滤光片薄膜 镀膜玻璃镀膜玻璃 光盘存储介质薄膜光盘存储介质薄膜 集集成成光光学学元元件件与与光光波波导导器器件件中中介介质质薄薄膜膜和半导体薄膜和半导体薄膜第26页/共39页薄膜的分类薄膜的分类工程薄膜：硬质薄膜（用于工模具、量具、刀具等）硬质薄膜（用于工模具、量具、刀具等）TiN、TiC、TiB2、AlN 耐蚀薄膜耐蚀薄膜 化化工工容容器器耐耐蚀蚀非非晶晶镍镍膜膜、微微晶晶不不锈锈钢钢薄薄膜膜、涡涡轮发动机叶片抗热蚀薄膜等。轮发动机叶片抗热蚀薄膜等。润滑薄膜润滑薄膜 用用于于真真空空、高高温温、低低温温、辐辐射射等等特特殊殊场场合合的的MoS2

22、、MoS2-Au、MoS2-Ni等固体润滑薄膜等固体润滑薄膜第27页/共39页薄膜的分类薄膜的分类装饰薄膜：广广泛泛用用于于灯灯具具、玩玩具具、汽汽车车等等交交通通工工具具；家用电器、钟表、工艺美术、日用小商品等。家用电器、钟表、工艺美术、日用小商品等。包装薄膜：镀镀铝铝纸纸（香香烟烟）、镀镀铝铝涤涤纶纶薄薄膜膜（食食品品、糖果、茶叶、咖啡等）糖果、茶叶、咖啡等）第28页/共39页 薄膜生长理论和薄膜制备技术；薄膜的结构、成分和微观状态；薄膜的宏观特性及其应用；薄膜的研究方法。薄膜科学的研究内容薄膜科学的研究内容 薄膜研究是以薄膜制备为起点的,因此,薄膜生长理论和薄膜制备技术是薄膜材料研究的基

23、础。第29页/共39页薄膜科学涉及的领域：薄膜科学的研究内容薄膜科学的研究内容 涉及材料学、化学、物理化学、表面物理学、凝聚态物理学、电子学等内容。界面和表面结构界面和表面结构 薄膜的缺陷和固体扩散薄膜的缺陷和固体扩散 薄膜的成核和生长薄膜的成核和生长 薄膜表面动力学薄膜表面动力学 薄膜反应、界面扩散和界面迁移薄膜反应、界面扩散和界面迁移 薄膜物理性能薄膜物理性能第30页/共39页薄膜科学的研究内容薄膜科学的研究内容薄膜科学中的热点问题：薄膜成长的过程与影响因素薄膜成长的过程与影响因素 蒸镀技术热蒸镀、电子束蒸镀、离子束辅助蒸镀、蒸镀技术热蒸镀、电子束蒸镀、离子束辅助蒸镀、分子束薄膜成长分子束

24、薄膜成长 溅镀技术溅镀技术DC溅镀、溅镀、RF溅镀、反应溅镀、磁控原理溅镀、反应溅镀、磁控原理 化学气相镀膜技术常压化学气相镀膜技术常压CVD、低压、低压CVD、电浆辅助、电浆辅助CVD 薄膜生长技术材料匹配、应力层超晶格、低温生长薄膜生长技术材料匹配、应力层超晶格、低温生长 薄膜间的反应、相互扩散、电迁移等现象薄膜间的反应、相互扩散、电迁移等现象 薄膜分析方法结晶结构、化学组成、表面及界面分薄膜分析方法结晶结构、化学组成、表面及界面分析、显微分析析、显微分析 第31页/共39页薄膜科学的基本概念薄膜科学的基本概念q different from bulk materials q Thin f

25、ilms may be:not fully dense under stress different defect structures from bulk quasi-two dimensional(very thin films)strongly influenced by surface and interface effectsq This will change electrical,magnetic,optical,thermal,and mechanical properties.薄膜的特性：第32页/共39页薄膜科学的基本概念薄膜科学的基本概念Typical steps in

26、making thin films:1.emission of particles from source(heat,high voltage.)2.transport of particles to substrate(free vs.directed)3.condensation of particles on substrate(how do they condense?)How do the variables effect film structure and properties?第33页/共39页薄膜科学的基本概念薄膜科学的基本概念涉及的物理内容：q thermodynamics

27、 and kinetics phase transition-gas condenses to solid nucleation growth kinetics activated processes desorption diffusion allowed processes and allowed phases 第34页/共39页薄膜科学的基本概念薄膜科学的基本概念q solid state physics crystallography defects bondingq electricity and magnetismoptics conductivity-resistivity ma

28、gnetic propertiesq mechanics stresses in films friction and wear第35页/共39页本课程的主要内容本课程的主要内容q 薄膜的制备技术 蒸发镀膜技术 Vaporation 溅射镀膜技术 Sputtering 离子镀膜技术 Ion Plating分子束外延技术 MBE Molecule Binding Epitaxy化 学 气 相 沉 积 技 术 CVD Chemical Vapor deposition LB技术 Sol-Gel技术第36页/共39页q 薄膜物理本课程的主要内容本课程的主要内容 薄膜形成机理和物理模型 包包括括薄薄膜

29、膜凝凝结结过过程程、核核形形成成和和生生长长、生生长长模模式等式等 薄膜结构和缺陷 包包括括薄薄膜膜的的组组织织结结构构（非非晶晶、纤纤维维、单单晶晶和和多多晶晶结结构构）、表表面面结结构构以以及及结结构构与与组组分分的的分分析析方法；缺陷类型（点缺陷、位错、层错等）方法；缺陷类型（点缺陷、位错、层错等）薄膜物理性质 电学、光学、磁学以及力学性质等电学、光学、磁学以及力学性质等第37页/共39页q 薄膜研究方法简介 薄膜厚度薄膜厚度 光学测量法和机械测量法光学测量法和机械测量法 薄膜结构薄膜结构 扫扫描描电电子子显显微微镜镜、透透射射电电子子显显微微镜镜、X X射射线线衍衍射射、低低能电子衍射、反射式高能电子衍射、扫描探针显微镜等能电子衍射、反射式高能电子衍射、扫描探针显微镜等薄膜成分薄膜成分 X射射线线能能量量色色散散谱谱、俄俄歇歇电电子子能能谱谱、卢卢瑟瑟福福背背散散射射技技术、二次离子质谱等术、二次离子质谱等薄膜附着力等分析薄膜附着力等分析 刮剥法、拉伸法等刮剥法、拉伸法等本课程的主要内容本课程的主要内容第38页/共39页感谢您的观看。第39页/共39页