薄膜技术绪论

1、1薄膜物理与技术教材：唐伟忠教材：唐伟忠. 薄膜材料薄膜材料 制备原理、技术及应用制备原理、技术及应用冶金工业出版社冶金工业出版社32学时学时 ，选修课，选修课2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 教材及参考书教材及参考书3 two-dimension materials thin = less than about one micron ( 10,000 Angstroms, 1000 nm) film = layer of material on a

2、 substrate (if no substrate, it is a foil)4 一百多年来，人们对物质的物理性质的广泛研一百多年来，人们对物质的物理性质的广泛研究，使物理学成为一个很大的学科领域。在这个领究，使物理学成为一个很大的学科领域。在这个领域中，一些专门的知识进一步发展成为一个个独立域中，一些专门的知识进一步发展成为一个个独立的分支，薄膜物理就是该领域中一个相当重要的分的分支，薄膜物理就是该领域中一个相当重要的分支。支。 薄膜科学的研究内容包含了制备技术、分析方薄膜科学的研究内容包含了制备技术、分析方法、结构观察、薄膜的应用以及薄膜的生长机理等法、结构观察、薄膜的应用以及薄膜的

3、生长机理等及其丰富的内容。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5 对液体薄膜首先作了正式描写的是美国著名的科学家、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作家兼政治家的富兰克林(Benjamin Franklin)，他在他在1774年年的文件中留下了这样的描述：的文件中留下了这样的描述： “ “不超过一茶匙的油，迅即地展开为数平方码，然后很不超过一茶匙的油，迅即地展开为数平方码，然后很惊人地慢慢扩展，直到抵达在下风处的水池边缘，布满了水惊人地慢慢扩展，直到抵达在下风处的水池边缘，布满了水池的那个区域，可能有半英亩（池的那个区域，可能有半英亩（1英亩

4、约为英亩约为4000平方公尺）平方公尺）之广，而表面平滑的像面镜子。之广，而表面平滑的像面镜子。” ” 该薄膜的膜厚约为该薄膜的膜厚约为10，是一个单分子膜层。，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6薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史 和液体薄膜相比较的话，固体薄膜的历史比较浅和液体薄膜相比较的话，固体薄膜的历史比较浅短。在现今留下的纪录里，最早的是短。在现今留下的纪录里，最早的是1852年德国的年德国的化学家本生化学家本生(Robert Wilhelm Bunsen)和和Grove分别分别由化学反应和辉光放电由化学反应和辉光放电(glow discharge)确认了其所确

5、认了其所产生的固体薄膜。一般的固体薄膜，乃是由把原子产生的固体薄膜。一般的固体薄膜，乃是由把原子或分子状的蒸发粒子沉积（或称蒸镀）在表面平滑或分子状的蒸发粒子沉积（或称蒸镀）在表面平滑的基板表面上所获得。而这类固体薄膜，一般就仅的基板表面上所获得。而这类固体薄膜，一般就仅以薄膜来称呼。以薄膜来称呼。 7 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、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

6、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8薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史 我们一般可能没有特别意识到薄膜的存在，不我们一般可能没有特别意识到薄膜的存在，不过事实上在日常生活当中，我们可以见到各式各样过事实上在日常生活当中，我们可以见到各式各样的薄膜。例如：的薄膜。例如

7、：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油膜等，则是属于液体薄膜。则是属于液体薄膜。 9v 薄膜材料由于其在微观结构、宏观性能等方面薄膜材料由于

8、其在微观结构、宏观性能等方面所具有的特殊性所具有的特殊性, , 在科学技术发展和人们的日常在科学技术发展和人们的日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 薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作者者, , 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 薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领域科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领域, , 薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的边缘

9、学科。边缘学科。 薄膜科学的发展历史薄膜科学的发展历史10v 从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起, , 薄膜的制备薄膜的制备与应用已经有一千多年的发展历史。与应用已经有一千多年的发展历史。v 从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地研究薄膜材料则起始于上世纪五十年代。研究薄膜材料则起始于上世纪五十年代。v 直到上世纪直到上世纪8080年代年代, , 薄膜科学才发展成为一门相对薄膜科学才发展成为一门相对独立的学科。独立的学科。v 促使薄膜科学迅速发展的重要原因是薄膜材料的促使薄膜科学迅速发展的重要原因是薄膜材料的强大的应用

10、背景、低维凝聚态理论的不断发展和强大的应用背景、低维凝聚态理论的不断发展和现代分析技术的出现及分析能力的不断提高。现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11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

11、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。高温电绝缘涂层高温电绝缘涂层 高温电绝缘涂层根据其化学成分的不同，可分为许高温电绝缘涂层根据其化学成分的不同，可分为许多种类。如石墨导体表面上的多种类。如石墨导体表面上的氮化硼氮化硼或

12、或氧化铝氧化铝、氟化铜氟化铜涂层，到涂层，到400仍有良好的电绝缘性能。金属导线上的仍有良好的电绝缘性能。金属导线上的搪瓷搪瓷到到700，磷酸盐为基的，磷酸盐为基的无机粘结剂无机粘结剂涂层到涂层到1000，等离子喷涂氧化铝涂层在等离子喷涂氧化铝涂层在1300，都仍保持着良好的电，都仍保持着良好的电绝缘性能。绝缘性能。高温电绝缘涂层已在电力、电机、电器、电子、航高温电绝缘涂层已在电力、电机、电器、电子、航空、原子能、空间技术等方面获得了广泛的应用。空、原子能、空间技术等方面获得了广泛的应用。12（1）耐磨涂层）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、T

13、iCTiC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13 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严重的场合

14、；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多。特点，

15、目前以双涂层和三涂层组合居多。 142. 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，包括金刚石具有一系列优异的物理性质，包括已知物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金刚石薄膜的应用（1 1）力学性质的应用）力学性质

16、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15金刚石的物理性质金刚石的物理性质16（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，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

17、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173. 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，

18、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18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19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20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21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22在计算

19、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23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24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，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尤其是微电子和光电子领域。按功能和应用领域分类：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、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25薄膜的分类薄膜的分类电子薄膜：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

20、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26薄膜的分类薄膜的分类光学薄膜：光学薄膜： 减反膜减反膜 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 集成光学元件与光波导器件中介质薄膜集成光学元件与光波导器件中介质薄膜和半导体薄

21、膜和半导体薄膜27薄膜的分类薄膜的分类工程薄膜：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 化工容器耐蚀非晶镍膜、微晶不锈钢薄膜、涡化工容器耐蚀非晶镍膜、微晶不锈钢薄膜、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 用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2-Ni等固体润滑薄膜等固体润滑薄膜28薄膜的分类薄膜的分类装饰薄膜：装饰薄膜： 广泛用于灯具、玩具、汽车等交通工具；广泛用于灯具、玩具、汽车等交通工具；

22、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：包装薄膜： 镀铝纸（香烟）、镀铝涤纶薄膜（食品、镀铝纸（香烟）、镀铝涤纶薄膜（食品、糖果、茶叶、咖啡等）糖果、茶叶、咖啡等）29 薄膜生长理论和薄膜制备技术；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；薄膜的结构、成分和微观状态； 薄膜的宏观特性及其应用；薄膜的宏观特性及其应用； 薄膜的研究方法。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薄膜研究是以薄膜制备为起点的, , 因此因此, , 薄膜薄膜生长理论和薄膜制备技术是薄膜材料研究的基础。生长理论和薄

23、膜制备技术是薄膜材料研究的基础。30薄膜科学涉及的领域：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、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。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31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

24、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 32薄膜科学的基本概念

25、薄膜科学的基本概念q different from bulk materials q Thin films 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 pro

26、perties.薄膜的特性：薄膜的特性：33薄膜科学的基本概念薄膜科学的基本概念Typical steps in making thin films:emission of particles from source ( heat, high voltage . . .) transport of particles to substrate (free vs. directed) condensation of particles on substrate (how do they condense ?) How do the variables effect film structure

27、and properties ?34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：涉及的物理内容：q thermodynamics and kinetics phase transition - gas condenses to solid nucleation growth kinetics activated processes desorption diffusion allowed processes and allowed phases 35薄膜科学的基本概念薄膜科学的基本概念q solid state physics crystallography defects bondi

28、ngq electricity and magnetismoptics conductivity - resistivity magnetic propertiesq mechanics stresses in films friction and wear36本课程的主要内容本课程的主要内容q 薄膜的制备技术薄膜的制备技术 蒸发镀膜技术蒸发镀膜技术 Vaporation 溅射镀膜技术溅射镀膜技术 Sputtering 离子镀膜技术离子镀膜技术 Ion Plating分子束外延技术分子束外延技术 MBE Molecule Binding Epitaxy化学气相沉积技术化学气相沉积技术 CVD Chemical Vapor deposition LB技术技术 Sol-Gel技术技术37q 薄膜物