薄膜物理與技術緒論PPT課件

1、緒 論 薄膜科學的發(fā)展歷史薄膜科學的發(fā)展歷史 薄膜的分類薄膜的分類 薄膜科學的研究內容薄膜科學的研究內容 薄膜科學的基本概念薄膜科學的基本概念 本課程的主要內容本課程的主要內容第1頁/共39頁參考資料 楊邦朝，王文生. 薄膜物理與技術. 電子科技大學出版社，1997 陳國平. 薄膜物理與技術. 東南大學出版社， 1993 曲喜新，楊邦朝，姜節(jié)儉，張懷武編著. 電子薄膜材料. 科學出版社，1997 吳自勤，王兵. 薄膜生長. 科學出版社，2001 薛增泉，吳全德，李浩. 薄膜物理. 電子工業(yè)出版社，1991 鄭偉濤. 薄膜材料與薄膜技術。 化學工業(yè)出版社，2005 唐偉忠. 薄膜材料制備原理、技

2、術及應用. 冶金工業(yè)出版社，2005第2頁/共39頁 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頁/共39頁 一百多年來，人們對物質的物理性質的廣一百多年來，人們對物質的物理性質的廣泛研究，使物理學成為一個很大的學科領域。泛研究，使物理學成為一個很大的學科領域。在這個領域中，一些專門的知識進一步發(fā)展成在這個領域中，一些專

3、門的知識進一步發(fā)展成為一個個獨立的分支，薄膜物理就是該領域中為一個個獨立的分支，薄膜物理就是該領域中一個相當重要的分支。一個相當重要的分支。 薄膜科學的研究內容包含了制備技術、分薄膜科學的研究內容包含了制備技術、分析方法、結構觀察、薄膜的應用以及薄膜的生析方法、結構觀察、薄膜的應用以及薄膜的生長機理等及其豐富的內容。長機理等及其豐富的內容。薄膜科學的發(fā)展歷史薄膜科學的發(fā)展歷史第4頁/共39頁 對液體薄膜首先作了正式描寫的是美國著名的科學家、作家兼政治家的富蘭克林(Benjamin Franklin)，他在1774年的文件中留下了這樣的描述： “不超過一茶匙的油，迅即地展開為數(shù)平方碼，然后很不超

4、過一茶匙的油，迅即地展開為數(shù)平方碼，然后很驚人地慢慢擴展，直到抵達在下風處的水池邊緣，布滿了水驚人地慢慢擴展，直到抵達在下風處的水池邊緣，布滿了水池的那個區(qū)域，可能有半英畝（池的那個區(qū)域，可能有半英畝（1英畝約為英畝約為4000平方公尺）平方公尺）之廣，而表面平滑的像面鏡子。之廣，而表面平滑的像面鏡子?！?該薄膜的膜厚約為10，是一個單分子膜層。薄膜科學的發(fā)展歷史薄膜科學的發(fā)展歷史第5頁/共39頁薄膜科學的發(fā)展歷史薄膜科學的發(fā)展歷史 和液體薄膜相比較的話，固體薄膜的歷史比較淺和液體薄膜相比較的話，固體薄膜的歷史比較淺短。在現(xiàn)今留下的紀錄里，最早的是短。在現(xiàn)今留下的紀錄里，最早的是1852年德國

5、的年德國的化學家本生化學家本生(Robert Wilhelm Bunsen)和和Grove分別分別由化學反應和輝光放電由化學反應和輝光放電(glow discharge)確認了其所確認了其所產生的固體薄膜。一般的固體薄膜，乃是由把原子產生的固體薄膜。一般的固體薄膜，乃是由把原子或分子狀的蒸發(fā)粒子沉積（或稱蒸鍍）在表面平滑或分子狀的蒸發(fā)粒子沉積（或稱蒸鍍）在表面平滑的基板表面上所獲得。而這類固體薄膜，一般就僅的基板表面上所獲得。而這類固體薄膜，一般就僅以薄膜來稱呼。以薄膜來稱呼。 第6頁/共39頁 光學薄膜是薄膜科學中最早被深入研究的薄光學薄膜是薄膜科學中最早被深入研究的薄膜。隨著各種光學透鏡的

6、發(fā)展，各種增透膜、減膜。隨著各種光學透鏡的發(fā)展，各種增透膜、減反射膜、濾光膜、分光膜等等被精確的制備、檢反射膜、濾光膜、分光膜等等被精確的制備、檢測和分析。進入上世紀測和分析。進入上世紀7070年代后，透光材料在建年代后，透光材料在建筑、裝璜等方面被廣泛應用，在房屋、車輛、太筑、裝璜等方面被廣泛應用，在房屋、車輛、太陽能電池、太陽能熱水器等的透明光窗上采用增陽能電池、太陽能熱水器等的透明光窗上采用增透、防輻射和反射等薄膜。這類產品已經廣泛進透、防輻射和反射等薄膜。這類產品已經廣泛進入我們的日常生活中。入我們的日常生活中。薄膜科學的發(fā)展歷史薄膜科學的發(fā)展歷史第7頁/共39頁薄膜科學的發(fā)展歷史薄膜

7、科學的發(fā)展歷史 我們一般可能沒有特別意識到薄膜的存在，不我們一般可能沒有特別意識到薄膜的存在，不過事實上在日常生活當中，我們可以見到各式各樣過事實上在日常生活當中，我們可以見到各式各樣的薄膜。例如：的薄膜。例如：u 廚房用的鋁箔（厚度約廚房用的鋁箔（厚度約0.02mm，20m）；）；u 保鮮膜（厚度約保鮮膜（厚度約15m）；）；u 保護或裝飾物品表面的電鍍層或膠膜；保護或裝飾物品表面的電鍍層或膠膜；u 油漆等較厚的膜；油漆等較厚的膜；u 眼鏡、照相機鏡片上的防紫外線或是防眩光膜；眼鏡、照相機鏡片上的防紫外線或是防眩光膜；u IC芯片及各種電子材料、裝置上的鍍膜等極薄的膜；芯片及各種電子材料、裝

8、置上的鍍膜等極薄的膜；u 下雨時車窗上的水膜，或是漂浮在湯汁上面的油膜等，下雨時車窗上的水膜，或是漂浮在湯汁上面的油膜等，則是屬于液體薄膜。則是屬于液體薄膜。 第8頁/共39頁v 薄膜材料由于其在微觀結構、宏觀性能等方面薄膜材料由于其在微觀結構、宏觀性能等方面所具有的特殊性所具有的特殊性, , 在科學技術發(fā)展和人們的日常在科學技術發(fā)展和人們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。v 薄膜材料研究不僅吸引了為數(shù)眾多的科技工作薄膜材料研究不僅吸引了為數(shù)眾多的科技工作者者, , 而且受到各國高技術產業(yè)界的廣泛關注。而且受到各國高技術產業(yè)界的廣泛關注。v 薄膜材料研究已經滲透

9、到物理學、化學、材料薄膜材料研究已經滲透到物理學、化學、材料科學、信息科學乃至生命科學等各個研究領域科學、信息科學乃至生命科學等各個研究領域, , 薄膜科學已經逐漸發(fā)展成為一門多學科交叉的薄膜科學已經逐漸發(fā)展成為一門多學科交叉的邊緣學科。邊緣學科。 薄膜科學的發(fā)展歷史薄膜科學的發(fā)展歷史第9頁/共39頁 從人類開始制作陶瓷器皿的彩釉算起從人類開始制作陶瓷器皿的彩釉算起, , 薄膜的制備與薄膜的制備與應用已經有一千多年的發(fā)展歷史。從制備技術、應用已經有一千多年的發(fā)展歷史。從制備技術、分析方法、形成機理等方面系統(tǒng)地研究薄膜材料分析方法、形成機理等方面系統(tǒng)地研究薄膜材料則起始于上世紀五十年代。直到上世

10、紀則起始于上世紀五十年代。直到上世紀8080年代年代, , 薄薄膜科學才發(fā)展成為一門相對獨立的學科。膜科學才發(fā)展成為一門相對獨立的學科。促使薄膜科學迅速發(fā)展的重要原因是薄膜材料的強促使薄膜科學迅速發(fā)展的重要原因是薄膜材料的強大的應用背景、低維凝聚態(tài)理論的不斷發(fā)展和現(xiàn)大的應用背景、低維凝聚態(tài)理論的不斷發(fā)展和現(xiàn)代分析技術的出現(xiàn)及分析能力的不斷提高。代分析技術的出現(xiàn)及分析能力的不斷提高。薄膜科學的發(fā)展歷史薄膜科學的發(fā)展歷史第10頁/共39頁薄膜科學的應用薄膜科學的應用1. 1. 耐磨及表面防護涂層耐磨及表面防護涂層 現(xiàn)在科學技術對機械部件提出了綜合性能要求往往超出現(xiàn)在科學技術對機械部件提出了綜合性能

11、要求往往超出了單一材料可以達到的性能范圍。在用涂層方法制備出材料了單一材料可以達到的性能范圍。在用涂層方法制備出材料組合，則可以有效地發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，同時避免各自的組合，則可以有效地發(fā)揮各種材料的優(yōu)點，同時避免各自的局限性。局限性。 耐磨和防護涂層技術可以有效地降低各類部件的機械磨耐磨和防護涂層技術可以有效地降低各類部件的機械磨損、化學腐蝕及高溫氧化傾向，從而延長使用壽命。損、化學腐蝕及高溫氧化傾向，從而延長使用壽命。 涂層材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及涂層材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及金屬間的化合物等，它們具有很高的硬度和熔點，耐磨性和金屬間的化合物等，它們具

12、有很高的硬度和熔點，耐磨性和耐化學腐蝕性能。耐化學腐蝕性能。第11頁/共39頁（1）耐磨涂層 減小零件或工具的機械磨損。例如減小零件或工具的機械磨損。例如TiNTiN、TiCTiC涂層。涂層。（2）耐熱涂層）耐熱涂層 燃氣渦輪發(fā)動機等需要較高溫度使用的機械部件。增燃氣渦輪發(fā)動機等需要較高溫度使用的機械部件。增加其耐熱保護。加其耐熱保護。（3）防腐涂層）防腐涂層 保護被涂層的部件，不受化學腐蝕性氣氛的浸蝕。應保護被涂層的部件，不受化學腐蝕性氣氛的浸蝕。應用的領域包括石油化工、煤炭氣化及核反應堆的機械部件用的領域包括石油化工、煤炭氣化及核反應堆的機械部件涂層方面。涂層方面。薄膜科學的應用薄膜科學的

13、應用第12頁/共39頁 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損能力，適合于低速切削及磨損嚴重的場合；損能力，適合于低速切削及磨損嚴重的場合；TiN涂涂層具有低的摩擦系數(shù)，潤滑性能好，能減少切削熱和層具有低的摩擦系數(shù)，潤滑性能好，能減少切削熱和切削力，適合于產生融合和磨損的切削；切削力，適合于產生融合和磨損的切削；Al2O3的高的高溫耐磨性、耐熱性和抗氧化能力比溫耐磨性、耐熱性和抗氧化能力比TiC和和TiN好，月好，月牙洼磨損率低，適合于高速、大切削熱切削；金剛石牙洼磨損率低，適合于高速、大切削熱切削；金剛石涂層硬度和熱導性高，摩擦系數(shù)很低，適合于有

14、色金涂層硬度和熱導性高，摩擦系數(shù)很低，適合于有色金屬合金的高速切削；而復合涂層綜合幾種涂層材料的屬合金的高速切削；而復合涂層綜合幾種涂層材料的特點，目前以雙涂層和三涂層組合居多。特點，目前以雙涂層和三涂層組合居多。 第13頁/共39頁2. 2.金剛石薄膜金剛石薄膜 金剛石具有一系列優(yōu)異的物理性質，包括已知物金剛石具有一系列優(yōu)異的物理性質，包括已知物質中最高的硬度、耐磨性和彈性模量，極高的電阻率、質中最高的硬度、耐磨性和彈性模量，極高的電阻率、擊穿場強和很低的介電常數(shù)，寬的光譜透過范圍，極擊穿場強和很低的介電常數(shù)，寬的光譜透過范圍，極高的熱導率，極低的線膨脹系數(shù)，很寬的禁帶寬度，高的熱導率，極低

15、的線膨脹系數(shù)，很寬的禁帶寬度，極高的載流子遷移率和極高的化學穩(wěn)定性。極高的載流子遷移率和極高的化學穩(wěn)定性。薄膜科學的應用薄膜科學的應用金剛石薄膜的應用（1 1）力學性質的應用）力學性質的應用 利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉積在利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉積在工具的表面，提高工具的使用壽命工具的表面，提高工具的使用壽命第14頁/共39頁物理性質物理性質天然金剛石天然金剛石CVD金剛石薄膜金剛石薄膜硬度硬度/GPa10090100楊氏模量楊氏模量/GPa1200接近天然金剛石接近天然金剛石溫度熱導率溫度熱導率/W(cmK)-1201020縱波聲速縱波聲速/kms-

16、118密度密度/gcm-33.62.83.5折射率折射率(590nm)2.412.4禁帶寬度禁帶寬度/eV5.55.5透光范圍透光范圍/nm225-遠紅外遠紅外接近天然金剛石接近天然金剛石電阻率電阻率/cm10161010介電強度介電強度/Vcm-11017電子遷移率電子遷移率/cm2(Vs)-12200空穴遷移率空穴遷移率/ cm2(Vs)-11600介電常數(shù)介電常數(shù)5.55.5飽和電子速度飽和電子速度/cms-12.7107在所有已知物質中為最高值；在已知所有物質中列第二在所有已知物質中為最高值；在已知所有物質中列第二金剛石的物理性質第15頁/共39頁（2 2）熱學性質的應用）熱學性質的應

17、用 利用其極高的熱導率。室溫下，金剛石的熱導率是銅利用其極高的熱導率。室溫下，金剛石的熱導率是銅的的5倍。本身又是極好的絕緣材料。因此，金剛石薄膜可倍。本身又是極好的絕緣材料。因此，金剛石薄膜可用于高功率光電子元件、激光器、集成電路芯片的散熱器用于高功率光電子元件、激光器、集成電路芯片的散熱器材料。材料。（3 3）電學性質的應用）電學性質的應用 利用其高載流子遷移率、寬禁帶寬度、高擊穿場強、利用其高載流子遷移率、寬禁帶寬度、高擊穿場強、高熱導率和高飽和運動速度等優(yōu)點。使之成為制造高溫、高熱導率和高飽和運動速度等優(yōu)點。使之成為制造高溫、高壓、高功率和高頻強輻射條件下工作的電子器件的絕好高壓、高功

18、率和高頻強輻射條件下工作的電子器件的絕好材料。材料。 另外，利用金剛石膜制備的聲表面波器件使得工作頻率范另外，利用金剛石膜制備的聲表面波器件使得工作頻率范圍大大增加；金剛石膜也是很好的光學窗口材料。圍大大增加；金剛石膜也是很好的光學窗口材料。薄膜科學的應用薄膜科學的應用第16頁/共39頁3. 3.薄膜科學在集成電路中的應用薄膜科學在集成電路中的應用 集成電路工藝中，氧化、涂膠等都涉及到了薄膜材料的制備問題。 其它的分離器件，如發(fā)光二極管、異質結激光器、超晶格與量子阱結構4. 4.磁記錄薄膜和光存儲薄膜磁記錄薄膜和光存儲薄膜 薄膜磁頭、只讀（ROM）光盤、一次寫入（WORM）式光盤、可擦重寫（E

19、-DRAW)式光盤、直接重寫式光盤薄膜科學的應用薄膜科學的應用第17頁/共39頁在信息顯示技術中的應用在信息顯示技術中的應用薄膜科學的應用薄膜科學的應用第18頁/共39頁在信息顯示技術中的應用在信息顯示技術中的應用薄膜科學的應用薄膜科學的應用第19頁/共39頁在信息存貯技術中的應用在信息存貯技術中的應用薄膜科學的應用薄膜科學的應用第20頁/共39頁在日常生活中的應用在日常生活中的應用薄膜科學的應用薄膜科學的應用第21頁/共39頁在計算機技術中的應用在計算機技術中的應用薄膜科學的應用薄膜科學的應用第22頁/共39頁在計算機技術中的應用在計算機技術中的應用薄膜科學的應用薄膜科學的應用第23頁/共3

20、9頁薄膜的分類薄膜的分類 薄膜在當今和未來都擁有十分廣泛的應用領域，尤其是微電子和光電子領域。按功能和應用領域分類： 電子薄膜電子薄膜 光學薄膜光學薄膜 硬質薄膜、耐蝕薄膜、潤滑薄膜硬質薄膜、耐蝕薄膜、潤滑薄膜 裝飾薄膜裝飾薄膜 包裝薄膜包裝薄膜 生物薄膜生物薄膜 其它其它第24頁/共39頁薄膜的分類薄膜的分類電子薄膜： 半導體器件與集成電路中使用的導電和介電材料薄膜半導體器件與集成電路中使用的導電和介電材料薄膜 超導薄膜超導薄膜 光電子器件中使用的功能薄膜光電子器件中使用的功能薄膜 薄膜敏感元件和固態(tài)傳感器薄膜薄膜敏感元件和固態(tài)傳感器薄膜 薄膜電阻薄膜電阻 薄膜太陽能電池薄膜太陽能電池 平板

21、顯示器件平板顯示器件 薄膜聲表面波濾波器薄膜聲表面波濾波器 磁記錄薄膜和薄膜磁頭磁記錄薄膜和薄膜磁頭 靜電復印機磁鼓薄膜靜電復印機磁鼓薄膜第25頁/共39頁薄膜的分類薄膜的分類光學薄膜： 減反膜減反膜 反射膜反射膜 分光鏡和濾光片薄膜分光鏡和濾光片薄膜 鍍膜玻璃鍍膜玻璃 光盤存儲介質薄膜光盤存儲介質薄膜 集成光學元件與光波導器件中介質薄膜集成光學元件與光波導器件中介質薄膜和半導體薄膜和半導體薄膜第26頁/共39頁薄膜的分類薄膜的分類工程薄膜： 硬質薄膜（用于工模具、量具、刀具等）硬質薄膜（用于工模具、量具、刀具等） TiN、TiC、TiB2、AlN 耐蝕薄膜耐蝕薄膜 化工容器耐蝕非晶鎳膜、微晶

22、不銹鋼薄膜、渦化工容器耐蝕非晶鎳膜、微晶不銹鋼薄膜、渦輪發(fā)動機葉片抗熱蝕薄膜等。輪發(fā)動機葉片抗熱蝕薄膜等。 潤滑薄膜潤滑薄膜 用于真空、高溫、低溫、輻射等特殊場合的用于真空、高溫、低溫、輻射等特殊場合的MoS2、MoS2-Au、MoS2-Ni等固體潤滑薄膜等固體潤滑薄膜第27頁/共39頁薄膜的分類薄膜的分類裝飾薄膜： 廣泛用于燈具、玩具、汽車等交通工具；廣泛用于燈具、玩具、汽車等交通工具；家用電器、鐘表、工藝美術、日用小商品等。家用電器、鐘表、工藝美術、日用小商品等。包裝薄膜： 鍍鋁紙（香煙）、鍍鋁滌綸薄膜（食品、鍍鋁紙（香煙）、鍍鋁滌綸薄膜（食品、糖果、茶葉、咖啡等）糖果、茶葉、咖啡等）第2

23、8頁/共39頁 薄膜生長理論和薄膜制備技術； 薄膜的結構、成分和微觀狀態(tài)； 薄膜的宏觀特性及其應用； 薄膜的研究方法。薄膜科學的研究內容薄膜科學的研究內容 薄膜研究是以薄膜制備為起點的, , 因此, , 薄膜生長理論和薄膜制備技術是薄膜材料研究的基礎。第29頁/共39頁薄膜科學涉及的領域： 薄膜科學的研究內容薄膜科學的研究內容 涉及材料學、化學、物理化學、表面物理學、凝聚態(tài)物理學、電子學等內容。 界面和表面結構界面和表面結構 薄膜的缺陷和固體擴散薄膜的缺陷和固體擴散 薄膜的成核和生長薄膜的成核和生長 薄膜表面動力學薄膜表面動力學 薄膜反應、界面擴散和界面遷移薄膜反應、界面擴散和界面遷移 薄膜物

24、理性能薄膜物理性能第30頁/共39頁薄膜科學的研究內容薄膜科學的研究內容薄膜科學中的熱點問題： 薄膜成長的過程與影響因素薄膜成長的過程與影響因素 蒸鍍技術熱蒸鍍、電子束蒸鍍、離子束輔助蒸鍍、蒸鍍技術熱蒸鍍、電子束蒸鍍、離子束輔助蒸鍍、分子束薄膜成長分子束薄膜成長 濺鍍技術濺鍍技術DC濺鍍、濺鍍、RF濺鍍、反應濺鍍、磁控原理濺鍍、反應濺鍍、磁控原理 化學氣相鍍膜技術常壓化學氣相鍍膜技術常壓CVD、低壓、低壓CVD、電漿輔助、電漿輔助CVD 薄膜生長技術材料匹配、應力層超晶格、低溫生長薄膜生長技術材料匹配、應力層超晶格、低溫生長 薄膜間的反應、相互擴散、電遷移等現(xiàn)象薄膜間的反應、相互擴散、電遷移等

25、現(xiàn)象 薄膜分析方法結晶結構、化學組成、表面及界面分薄膜分析方法結晶結構、化學組成、表面及界面分析、顯微分析析、顯微分析 第31頁/共39頁薄膜科學的基本概念薄膜科學的基本概念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 effect

26、sq This will change electrical, magnetic, optical, thermal, and mechanical properties.薄膜的特性：第32頁/共39頁薄膜科學的基本概念薄膜科學的基本概念Typical steps in making thin films:1. emission of particles from source ( heat, high voltage . . .) 2. transport of particles to substrate (free vs. directed) 3. condensation of par

27、ticles on substrate (how do they condense ?) How do the variables effect film structure and properties ?第33頁/共39頁薄膜科學的基本概念薄膜科學的基本概念涉及的物理內容：q thermodynamics and kinetics phase transition - gas condenses to solid nucleation growth kinetics activated processes desorption diffusion allowed processes and allowed phases 第34頁/共39頁薄膜科學的基本概念薄膜科學的基本概念q solid