第一章 薄膜概述

1、1.0 薄膜的定义1.1 薄膜的例子1.2 薄膜的特性1.3 薄膜的分类1.4 薄膜材料的研究进展1.5 薄膜的应用举例1.6 薄膜中的缺陷 第一章 绪论绪论什么是什么是“薄膜薄膜”（thin film）l 过去人们常用厚度来描述，把厚度为零过去人们常用厚度来描述，把厚度为零点几纳米到几个微米的一层材料定义为点几纳米到几个微米的一层材料定义为薄膜。薄膜。l 新定义：通过原子、分子、离子的沉积新定义：通过原子、分子、离子的沉积过程，在基片上所得到的二维材料。过程，在基片上所得到的二维材料。 1.0 薄膜的定义1.2 薄膜的特性薄膜的特性用料少，成本方面考虑用料少，成本方面考虑新的效应新的效应新的

2、材料新的材料容易实现多层膜容易实现多层膜薄膜和基片的粘附性薄膜和基片的粘附性薄膜的内应力薄膜的内应力缺陷缺陷1.2 薄膜的特性薄膜的特性2.新的效应l 同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易产生尺寸效应，就是说薄膜材料的物性会受到薄膜厚度的影响。l 某一维度很小、比表面积大 例：表面和界面效应、耦合效应l 部分薄膜具有纳米效应1.2 薄膜的特性3.可以获得体态下不存在的异常结构和非化学计量比结构l薄膜的制法多数属于薄膜的制法多数属于非平衡状态非平衡状态的制取过程，薄膜的结构的制取过程，薄膜的结构不一定和相图相符合。不一定和相图相符合。l规定把与相图不相符合的结构称为规定把与相图不相符合

3、的结构称为异常结构异常结构，不过这是一，不过这是一种准稳（亚稳）态结构，但由于固体的粘性大，实际上把种准稳（亚稳）态结构，但由于固体的粘性大，实际上把它看成稳态也是可以的，通过加热退火和长时间的放置还它看成稳态也是可以的，通过加热退火和长时间的放置还会慢慢地变为稳定状态会慢慢地变为稳定状态。 Diamond: 工业合成工业合成, 2000，5.5万大万大 气压气压, CVD生长薄膜生长薄膜:常压，常压，800度度.1.2 薄膜的特性 化合物的计量比化合物的计量比，一般来说是完全确定的。但是，一般来说是完全确定的。但是多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。 当当

4、Ta在在N2的放电气体中被溅射时，对应于一定的的放电气体中被溅射时，对应于一定的N2分压，其生成薄膜分压，其生成薄膜 的成分却是任意的。的成分却是任意的。 ) 10( xTaNx 另外，若另外，若Si或或SiO在在O2的放电中真空蒸镀或溅射，的放电中真空蒸镀或溅射，所得到的薄膜所得到的薄膜 的计量比也可能是任意的。的计量比也可能是任意的。) 10( xSiOx 由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解，由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解，所以按照薄膜的生长所以按照薄膜的生长 条件，其计量往往变化相当大。条件，其计量往往变化相当大。如辉光放电法得到的如辉光放电法得到的a-HOSixx:1等

5、，其等，其 x可在很大范围内变化。可在很大范围内变化。) 10( x因此，把这样的成分偏离叫做因此，把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比。非理想化学计量比。l多层膜多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积是将两种以上的不同材料先后沉积在同一个衬底上（也称为在同一个衬底上（也称为复合膜复合膜），以改），以改善薄膜同衬底间的粘附性。善薄膜同衬底间的粘附性。l如金刚石超硬刀具膜：如金刚石超硬刀具膜： 金刚石膜金刚石膜/TiC/WC-钢衬底钢衬底 欧姆接线膜：欧姆接线膜：Au/Al/c-BN/Ni膜膜/WC-钢衬钢衬底。底。 l多功能薄膜：多功能薄膜： 各膜均有一定的电子功能，如各膜均有一定的电子功能，如

6、非晶非晶硅太阳电池硅太阳电池: 玻璃衬底玻璃衬底/ITO（透明导电膜（透明导电膜）/P-SiC/i-c-Si/n-c-Si/Al和和a-Si/a-SiGe叠层太阳电池叠层太阳电池:玻璃玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/P-a-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至少至少在在8层以上，总膜厚在层以上，总膜厚在0.5微米微米左右。左右。l超晶格膜超晶格膜: 是将两种以上不同晶态物质薄膜按是将两种以上不同晶态物质薄膜按ABAB排列相互重在一起，人为地制成排列相互重在一起，人为地制成周期性结构周期性结构后会显后会显示出一些不寻常的物理性质。如势阱层的宽度减小示出一些不寻常的

7、物理性质。如势阱层的宽度减小到和载流子的德布罗依波长相当时，能带中的电子到和载流子的德布罗依波长相当时，能带中的电子能级将被量子化，会使光学带隙变宽，这种一维超能级将被量子化，会使光学带隙变宽，这种一维超薄层周期结构就称为薄层周期结构就称为超晶格结构超晶格结构。 当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料（如当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料（如非晶态半导体）也能组成这样的结构，并具有类似非晶态半导体）也能组成这样的结构，并具有类似的量子化特性，如的量子化特性，如a-Si /a-Si1-xNx /a-Si/a-Si1-xCx 。应用薄膜制备方法，很容易获得各种多层膜和超晶应用薄膜制备方法，很容易获

8、得各种多层膜和超晶格。格。1.3 薄膜的分类1.3 薄膜的分类从功能上分：电学薄膜，光学薄膜，磁性薄膜，保护膜，装饰用膜、包装膜等从结构上分：无机薄膜，有机分子膜，单晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，多孔膜等电学薄膜：（1）半导体器件与集成电路中的导电材料与 介质薄膜材料Al, Cr, Pt, Au, Cu, 多晶硅， 硅化物，SiO2, Si3N4, Al2O3（2）超导薄膜 YBaCuO, BiSrCaCuO， TlBaCuO等高温超导材料（3）光电子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H a-SiGe:H, a-SiC:H等晶态和非晶态薄膜（4）薄膜传感

9、器 可燃性气体传感器SnO2， 氧敏传感器ZrO2, 热敏传感器Pt, Ni, SiC, 离子敏传感器Si3N4,Ta2O5（5）薄膜电阻、电容、阻容网络与混合集成 电路，低电阻率：Ni-Cr， 高电阻率:Cr-SiO, 薄膜电容：Zn，Al（6）薄膜太阳能电池: 非晶硅、CuInSe2, CdSe1.3 薄膜的分类（7）平板显示器件： 液晶显示、等离子体显示、电致发光显 示ITO透明电极，ZnS:Mn发光膜（8）ZnO、Ta2O3、AlN表面声波元件（9）磁记录薄膜与薄膜磁头，CoCrTa、 CoCrNi，FeSiAl、巨磁阻材料（10）静电复印材料Se-Te、SeTeAs、a-Si1.3

10、薄膜的分类光学薄膜：（1）减反射膜：相机、摄像机、投影仪、 望远镜等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3 红外设备镜头上的ZnS，CeO2，SiO（2）反射膜：太阳能接收器、镀膜反射镜、 激光器用的高反射率膜（3）分光镜和滤波片：如彩色扩印设备上1.3 薄膜的分类（4）镀膜玻璃：建筑、汽车隔热（5）光存储薄膜：光盘、唱片 Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo（6）集成光学元件与光波导中 的介质薄膜与半导体薄膜磁性薄膜：硬盘，内存，磁带保护膜：（1）硬质膜，刀具、磨具表面的TiN，TiC， 金刚石、C3N4，c-BN（2）耐腐蚀膜，非晶镍膜，不锈钢膜，抗 热腐蚀的NiCrAlY等（3）润

11、滑膜 MoS2，MoS2-Au，MoS2-Ni， Au，Ag，Pb1.3 薄膜的分类1.4 薄膜材料研究进展1.4 薄膜材料研究进展（1）新型半导体薄膜：GaN，SiC， ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H 改进工艺，降低成本，研究新的应用（2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4 BCN（3）纳米薄膜材料（4）超晶格和量子阱薄膜（5）无机光电薄膜材料：III-V，II-V（6）Spintronics薄膜、稀磁半导体薄膜 ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn（7）有机薄膜微电和光电材料（OLED) 需要提高效率和可靠性（8）High-K、Low-K材料更快的速度、 更高的集成度、更低的能耗，含氟氧 化硅、Hf02、Zr02 （9）高温超导和巨磁阻（10）有机薄膜及有机-无机混合薄膜（11）新型薄膜1.4 薄膜材料研究进展1.6 薄膜通常存在大量的缺陷 Physical