第一章 薄膜概述

1、1.0 薄膜的定義1.1 薄膜的例子1.2 薄膜的特性1.3 薄膜的分類1.4 薄膜材料的研究進(jìn)展1.5 薄膜的應(yīng)用舉例1.6 薄膜中的缺陷 第一章 緒論緒論什么是什么是“薄膜薄膜”（thin film）l 過(guò)去人們常用厚度來(lái)描述，把厚度為零過(guò)去人們常用厚度來(lái)描述，把厚度為零點(diǎn)幾納米到幾個(gè)微米的一層材料定義為點(diǎn)幾納米到幾個(gè)微米的一層材料定義為薄膜。薄膜。l 新定義：通過(guò)原子、分子、離子的沉積新定義：通過(guò)原子、分子、離子的沉積過(guò)程，在基片上所得到的二維材料。過(guò)程，在基片上所得到的二維材料。 1.0 薄膜的定義1.2 薄膜的特性薄膜的特性用料少，成本方面考慮用料少，成本方面考慮新的效應(yīng)新的效應(yīng)新的

2、材料新的材料容易實(shí)現(xiàn)多層膜容易實(shí)現(xiàn)多層膜薄膜和基片的粘附性薄膜和基片的粘附性薄膜的內(nèi)應(yīng)力薄膜的內(nèi)應(yīng)力缺陷缺陷1.2 薄膜的特性薄膜的特性2.新的效應(yīng)l 同塊體材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，就是說(shuō)薄膜材料的物性會(huì)受到薄膜厚度的影響。l 某一維度很小、比表面積大 例：表面和界面效應(yīng)、耦合效應(yīng)l 部分薄膜具有納米效應(yīng)1.2 薄膜的特性3.可以獲得體態(tài)下不存在的異常結(jié)構(gòu)和非化學(xué)計(jì)量比結(jié)構(gòu)l薄膜的制法多數(shù)屬于薄膜的制法多數(shù)屬于非平衡狀態(tài)非平衡狀態(tài)的制取過(guò)程，薄膜的結(jié)構(gòu)的制取過(guò)程，薄膜的結(jié)構(gòu)不一定和相圖相符合。不一定和相圖相符合。l規(guī)定把與相圖不相符合的結(jié)構(gòu)稱為規(guī)定把與相圖不相符合

3、的結(jié)構(gòu)稱為異常結(jié)構(gòu)異常結(jié)構(gòu)，不過(guò)這是一，不過(guò)這是一種準(zhǔn)穩(wěn)（亞穩(wěn)）態(tài)結(jié)構(gòu)，但由于固體的粘性大，實(shí)際上把種準(zhǔn)穩(wěn)（亞穩(wěn)）態(tài)結(jié)構(gòu)，但由于固體的粘性大，實(shí)際上把它看成穩(wěn)態(tài)也是可以的，通過(guò)加熱退火和長(zhǎng)時(shí)間的放置還它看成穩(wěn)態(tài)也是可以的，通過(guò)加熱退火和長(zhǎng)時(shí)間的放置還會(huì)慢慢地變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)會(huì)慢慢地變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。 Diamond: 工業(yè)合成工業(yè)合成, 2000，5.5萬(wàn)大萬(wàn)大 氣壓氣壓, CVD生長(zhǎng)薄膜生長(zhǎng)薄膜:常壓，常壓，800度度.1.2 薄膜的特性 化合物的計(jì)量比化合物的計(jì)量比，一般來(lái)說(shuō)是完全確定的。但是，一般來(lái)說(shuō)是完全確定的。但是多組元薄膜成分的計(jì)量比就未必如此了。多組元薄膜成分的計(jì)量比就未必如此了。 當(dāng)當(dāng)

4、Ta在在N2的放電氣體中被濺射時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定的的放電氣體中被濺射時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定的N2分壓，其生成薄膜分壓，其生成薄膜 的成分卻是任意的。的成分卻是任意的。 ) 10( xTaNx 另外，若另外，若Si或或SiO在在O2的放電中真空蒸鍍或?yàn)R射，的放電中真空蒸鍍或?yàn)R射，所得到的薄膜所得到的薄膜 的計(jì)量比也可能是任意的。的計(jì)量比也可能是任意的。) 10( xSiOx 由于化合物薄膜的生長(zhǎng)一般都包括化合與分解，由于化合物薄膜的生長(zhǎng)一般都包括化合與分解，所以按照薄膜的生長(zhǎng)所以按照薄膜的生長(zhǎng) 條件，其計(jì)量往往變化相當(dāng)大。條件，其計(jì)量往往變化相當(dāng)大。如輝光放電法得到的如輝光放電法得到的a-HOSixx:1等

5、，其等，其 x可在很大范圍內(nèi)變化?？稍诤艽蠓秶鷥?nèi)變化。) 10( x因此，把這樣的成分偏離叫做因此，把這樣的成分偏離叫做非理想化學(xué)計(jì)量比。非理想化學(xué)計(jì)量比。l多層膜多層膜是將兩種以上的不同材料先后沉積是將兩種以上的不同材料先后沉積在同一個(gè)襯底上（也稱為在同一個(gè)襯底上（也稱為復(fù)合膜復(fù)合膜），以改），以改善薄膜同襯底間的粘附性。善薄膜同襯底間的粘附性。l如金剛石超硬刀具膜：如金剛石超硬刀具膜： 金剛石膜金剛石膜/TiC/WC-鋼襯底鋼襯底 歐姆接線膜：歐姆接線膜：Au/Al/c-BN/Ni膜膜/WC-鋼襯鋼襯底。底。 l多功能薄膜：多功能薄膜： 各膜均有一定的電子功能，如各膜均有一定的電子功能，如

6、非晶非晶硅太陽(yáng)電池硅太陽(yáng)電池: 玻璃襯底玻璃襯底/ITO（透明導(dǎo)電膜（透明導(dǎo)電膜）/P-SiC/i-c-Si/n-c-Si/Al和和a-Si/a-SiGe疊層太陽(yáng)電池疊層太陽(yáng)電池: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層以上，總膜厚在層以上，總膜厚在0.5微米微米左右。左右。l超晶格膜超晶格膜: 是將兩種以上不同晶態(tài)物質(zhì)薄膜按是將兩種以上不同晶態(tài)物質(zhì)薄膜按ABAB排列相互重在一起，人為地制成排列相互重在一起，人為地制成周期性結(jié)構(gòu)周期性結(jié)構(gòu)后會(huì)顯后會(huì)顯示出一些不尋常的物理性質(zhì)。如勢(shì)阱層的寬度減小示出一些不尋常的

7、物理性質(zhì)。如勢(shì)阱層的寬度減小到和載流子的德布羅依波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，能帶中的電子到和載流子的德布羅依波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，能帶中的電子能級(jí)將被量子化，會(huì)使光學(xué)帶隙變寬，這種一維超能級(jí)將被量子化，會(huì)使光學(xué)帶隙變寬，這種一維超薄層周期結(jié)構(gòu)就稱為薄層周期結(jié)構(gòu)就稱為超晶格結(jié)構(gòu)超晶格結(jié)構(gòu)。 當(dāng)和不同組分或不同摻雜層的非晶態(tài)材料（如當(dāng)和不同組分或不同摻雜層的非晶態(tài)材料（如非晶態(tài)半導(dǎo)體）也能組成這樣的結(jié)構(gòu)，并具有類似非晶態(tài)半導(dǎo)體）也能組成這樣的結(jié)構(gòu)，并具有類似的量子化特性，如的量子化特性，如a-Si /a-Si1-xNx /a-Si/a-Si1-xCx 。應(yīng)用薄膜制備方法，很容易獲得各種多層膜和超晶應(yīng)用薄膜制備方法，很容易獲

8、得各種多層膜和超晶格。格。1.3 薄膜的分類1.3 薄膜的分類從功能上分：電學(xué)薄膜，光學(xué)薄膜，磁性薄膜，保護(hù)膜，裝飾用膜、包裝膜等從結(jié)構(gòu)上分：無(wú)機(jī)薄膜，有機(jī)分子膜，單晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，多孔膜等電學(xué)薄膜：（1）半導(dǎo)體器件與集成電路中的導(dǎo)電材料與 介質(zhì)薄膜材料Al, Cr, Pt, Au, Cu, 多晶硅， 硅化物，SiO2, Si3N4, Al2O3（2）超導(dǎo)薄膜 YBaCuO, BiSrCaCuO， TlBaCuO等高溫超導(dǎo)材料（3）光電子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H a-SiGe:H, a-SiC:H等晶態(tài)和非晶態(tài)薄膜（4）薄膜傳感

9、器 可燃性氣體傳感器SnO2， 氧敏傳感器ZrO2, 熱敏傳感器Pt, Ni, SiC, 離子敏傳感器Si3N4,Ta2O5（5）薄膜電阻、電容、阻容網(wǎng)絡(luò)與混合集成 電路，低電阻率：Ni-Cr， 高電阻率:Cr-SiO, 薄膜電容：Zn，Al（6）薄膜太陽(yáng)能電池: 非晶硅、CuInSe2, CdSe1.3 薄膜的分類（7）平板顯示器件： 液晶顯示、等離子體顯示、電致發(fā)光顯 示ITO透明電極，ZnS:Mn發(fā)光膜（8）ZnO、Ta2O3、AlN表面聲波元件（9）磁記錄薄膜與薄膜磁頭，CoCrTa、 CoCrNi，F(xiàn)eSiAl、巨磁阻材料（10）靜電復(fù)印材料Se-Te、SeTeAs、a-Si1.3

10、薄膜的分類光學(xué)薄膜：（1）減反射膜：相機(jī)、攝像機(jī)、投影儀、 望遠(yuǎn)鏡等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3 紅外設(shè)備鏡頭上的ZnS，CeO2，SiO（2）反射膜：太陽(yáng)能接收器、鍍膜反射鏡、 激光器用的高反射率膜（3）分光鏡和濾波片：如彩色擴(kuò)印設(shè)備上1.3 薄膜的分類（4）鍍膜玻璃：建筑、汽車隔熱（5）光存儲(chǔ)薄膜：光盤、唱片 Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo（6）集成光學(xué)元件與光波導(dǎo)中 的介質(zhì)薄膜與半導(dǎo)體薄膜磁性薄膜：硬盤，內(nèi)存，磁帶保護(hù)膜：（1）硬質(zhì)膜，刀具、磨具表面的TiN，TiC， 金剛石、C3N4，c-BN（2）耐腐蝕膜，非晶鎳膜，不銹鋼膜，抗 熱腐蝕的NiCrAlY等（3）潤(rùn)

11、滑膜 MoS2，MoS2-Au，MoS2-Ni， Au，Ag，Pb1.3 薄膜的分類1.4 薄膜材料研究進(jìn)展1.4 薄膜材料研究進(jìn)展（1）新型半導(dǎo)體薄膜：GaN，SiC， ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H 改進(jìn)工藝，降低成本，研究新的應(yīng)用（2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4 BCN（3）納米薄膜材料（4）超晶格和量子阱薄膜（5）無(wú)機(jī)光電薄膜材料：III-V，II-V（6）Spintronics薄膜、稀磁半導(dǎo)體薄膜 ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn（7）有機(jī)薄膜微電和光電材料（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）高溫超導(dǎo)和巨磁阻（10）有機(jī)薄膜及有機(jī)-無(wú)機(jī)混合薄膜（11）新型薄膜1.4 薄膜材料研究進(jìn)展1.6 薄膜通常存在大量的缺陷 Physical