無(wú)機(jī)薄膜材料與制備技術(shù)

關(guān)于無(wú)機(jī)薄膜材料與制備技術(shù)22.03.20231第一頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.1薄膜及其特性

一、薄膜的定義及其特性

二、

薄膜材料的分類(lèi)

三、

薄膜的結(jié)構(gòu)特征與缺陷四、薄膜和基片第二頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一一、

薄膜的定義及其特性

什么是“薄膜”（thinfilm），多“薄”的膜才算薄膜？薄膜有時(shí)與類(lèi)似的詞匯“涂層”（coating）、“層”（layer）、“箔”（foil）等有相同的意義，但有時(shí)又有些差別。通常是把膜層無(wú)基片而能獨(dú)立成形的厚度作為薄膜厚度的一個(gè)大致的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其厚度約在1μm左右。第三頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

薄膜材料的特殊性

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。由于薄膜材料的表面積同體積之比很大，所以表面效應(yīng)很顯著，表面能、表面態(tài)、表面散射和表面干涉對(duì)它的物性影響很大。在薄膜材料中還包含有大量的表面晶粒間界和缺陷態(tài)，對(duì)電子輸運(yùn)性能也影響較大。在基片和薄膜之間還存在有一定的相互作用，因而就會(huì)出現(xiàn)薄膜與基片之間的粘附性和附著力問(wèn)題，以及內(nèi)應(yīng)力的問(wèn)題。

第四頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（1）表面能級(jí)很大

表面能級(jí)指在固體的表面，原子周期排列的連續(xù)性發(fā)生中斷，電子波函數(shù)的周期性也受到影響，把表面考慮在內(nèi)的電子波函數(shù)已由塔姆（Tamm）在1932年進(jìn)行了計(jì)算，得到了電子表面能級(jí)或稱(chēng)塔姆能級(jí)。像薄膜這種表面面積很大的固體，表面能級(jí)將會(huì)對(duì)膜內(nèi)電子輸運(yùn)狀況有很大的影響。尤其是對(duì)薄膜半導(dǎo)體表面電導(dǎo)和場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生很大的影響，從而影響半導(dǎo)體器件性能。

第五頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（2）薄膜和基片的粘附性薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之間就會(huì)存在著一定的相互作用，這種相互作用通常的表現(xiàn)形式是附著（adhesion）。薄膜的一個(gè)面附著在基片上并受到約束作用，因此薄膜內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)變。若考慮與薄膜膜面垂直的任一斷面，斷面兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生相互作用力，這種相互作用力稱(chēng)為內(nèi)應(yīng)力。附著和內(nèi)應(yīng)力是薄膜極為重要的固有特征。第六頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一基片和薄膜屬于不同種物質(zhì)，附著現(xiàn)象所考慮的對(duì)象是二者間的邊界和界面。二者之間的相互作用能就是附著能，附著能可看成是界面能的一種。附著能對(duì)基片-薄膜間的距離微分，微分最大值就是附著力。第七頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

不同種物質(zhì)原子之間最普遍的相互作用是范德瓦耳斯力。這種力是永久偶極子、感應(yīng)偶極子之間的作用力以及其他色散力的總稱(chēng)。設(shè)兩個(gè)分子間的上述相互作用能為U，則U可用下式表示：

式中，r為分子間距離；a為分子的極化率；I為分子的極化能；下標(biāo)A、B分別表示A分子和B分子。用范德瓦耳斯力成功地解釋了許多附著現(xiàn)象。第八頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一設(shè)薄膜、基片都是導(dǎo)體，而且二者的費(fèi)米能級(jí)不同，由于薄膜的形成，從一方到另一方會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，在界面上會(huì)形成帶電的雙層。此時(shí)，薄膜和基片之間相互作用的靜電力F為：式中，為界面上出現(xiàn)的電荷密度；

為真空中的介電常數(shù)。要充分考慮這種力對(duì)附著的貢獻(xiàn)。費(fèi)米能級(jí)是絕對(duì)零度時(shí)電子的最高能級(jí).

第九頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①在金屬薄膜-玻璃基片系統(tǒng)中，Au薄膜的附著力最弱；②易氧化元素的薄膜，一般說(shuō)來(lái)附著力較大；③在很多情況下，對(duì)薄膜加熱（沉積過(guò)程中或沉積完成之后），會(huì)使附著力以及附著能增加；④基片經(jīng)離子照射會(huì)使附著力增加。第十頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一一般來(lái)說(shuō)，表面能是指建立一個(gè)新的表面所需要的能量。金屬是高表面能材料，而氧化物是低表面能材料。表面能的相對(duì)大小決定一種材料是否和另一種材料相濕潤(rùn)并形成均勻黏附層。具有非常低表面能的材料容易和具有較高表面能的材料相濕潤(rùn)。反之，如果淀積材料具有較高表面能，則它容易在具有較低表面能襯底上形成原子團(tuán)（俗稱(chēng)起球）。第十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一氧化物具有特殊的作用。即使對(duì)一般的金屬來(lái)說(shuō)不能牢固附著的塑料等基片上也能牢固附著。Si、Cr、Ti、W等易氧化（氧化物生成能大）物質(zhì)的薄膜都能比較牢固地附著。若在上述這些物質(zhì)的薄膜上再沉積金屬等，可以獲得附著力非常大的薄膜。為增加附著力而沉積在中間的過(guò)渡層薄膜稱(chēng)為膠粘層（glue），合理地選擇膠粘層在薄膜的實(shí)際應(yīng)用是極為重要的。第十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（3）薄膜中的內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力就其原因來(lái)說(shuō)分為兩大類(lèi)，即固有應(yīng)力（或本征應(yīng)力）和非固有應(yīng)力。固有應(yīng)力來(lái)自于薄膜中的缺陷，如位錯(cuò)。薄膜中非固有應(yīng)力主要來(lái)自薄膜對(duì)襯底的附著力。由于薄膜和襯底間不同的熱膨脹系數(shù)和晶格失配能夠把應(yīng)力引進(jìn)薄膜，或者由于金屬薄膜與襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在薄膜和襯底之間形成的金屬化合物同薄膜緊密結(jié)合，但有輕微的晶格失配也能把應(yīng)力引進(jìn)薄膜。第十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一一般說(shuō)來(lái)，薄膜往往是在非常薄的基片上沉積的。在這種情況下，幾乎對(duì)所有物質(zhì)的薄膜，基片都會(huì)發(fā)生彎曲。彎曲有兩種類(lèi)型：一種是彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲面的內(nèi)側(cè)，使薄膜的某些部分與其他部分之間處于拉伸狀態(tài)，這種內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為拉應(yīng)力。另一種是彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲的外側(cè)，它使薄膜的某些部分與其他部分之間處于壓縮狀態(tài)，這種內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為壓應(yīng)力。如果拉應(yīng)力用正數(shù)表示，則壓應(yīng)力就用負(fù)數(shù)表示。第十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一真空蒸鍍膜層的應(yīng)力值情況比較復(fù)雜。在濺射成膜過(guò)程中，薄膜的表面經(jīng)常處于高速離子以及中性粒子的轟擊之下，在其他參數(shù)相同的條件下，放電氣壓越低，這些高速粒子的能量越大。與薄膜相碰撞的高速粒子會(huì)把薄膜中的原子從陣點(diǎn)位置碰撞離位，并進(jìn)入間隙位置，產(chǎn)生釘扎效應(yīng)（pinningeffect）?；蛘哌@些高速粒子自己進(jìn)入晶格之中。這些都是產(chǎn)生壓應(yīng)力的原因。因此，濺射薄膜中的內(nèi)應(yīng)力與濺射條件的關(guān)系很密切。第十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（4）異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性薄膜的制法多數(shù)屬于非平衡狀態(tài)的制取過(guò)程，薄膜的結(jié)構(gòu)不一定和相圖相符合。規(guī)定把與相圖不相符合的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為異常結(jié)構(gòu)，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)。第十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

化合物的計(jì)量比，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。當(dāng)Ta在N2的放電氣體中被濺射時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定的N2分壓，其生成薄膜的成分卻是任意的。

另外，若Si或SiO在O2的放電中真空蒸鍍或?yàn)R射，所得到的薄膜的計(jì)量比也可能是任意的。

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)條件，其計(jì)量往往變化相當(dāng)大。如輝光放電法得到的a-等，其x可在很大范圍內(nèi)變化。因此，把這樣的成分偏離叫做非理想化學(xué)計(jì)量比。第十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（5）量子尺寸效應(yīng)和界面隧道穿透效應(yīng)傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)，在普通金屬中小于1nm，在金屬鉍（Bi）中為幾十納米。在這些物質(zhì)的薄膜中，由于電子波的干涉，與膜面垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)的能量將取分立的數(shù)值，由此會(huì)對(duì)電子的輸運(yùn)現(xiàn)象產(chǎn)生影響。與德布羅意波的干涉相關(guān)聯(lián)的效應(yīng)一般稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。第十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面勢(shì)壘比電子能量E要大得多，根據(jù)量子力學(xué)知識(shí)，這些電子有一定的幾率，穿過(guò)勢(shì)壘，稱(chēng)為隧道效應(yīng)。電子穿透勢(shì)壘的幾率為：其中a為界面勢(shì)壘的寬度。當(dāng)時(shí)，則T=0，不發(fā)生隧道效應(yīng)。在非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜的電子導(dǎo)電方面和金剛石薄膜的場(chǎng)電子發(fā)射中，都起重要作用。第十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（6）容易實(shí)現(xiàn)多層膜多層膜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(chēng)為復(fù)合膜），以改善薄膜同襯底間的粘附性。如金剛石超硬刀具膜：金剛石膜/TiC/WC-鋼襯底歐姆接線膜：Au/Al/c-BN/Ni膜/WC-鋼襯底。

第二十頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一多功能薄膜：

各膜均有一定的電子功能，如非晶硅太陽(yáng)電池:玻璃襯底/ITO（透明導(dǎo)電膜）/P-SiC/i-μc-Si/n-μc-Si/Al和a-Si/a-SiGe疊層太陽(yáng)電池:玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/P-a-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至少在8層以上，總膜厚在0.5微米左右。第二十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一超晶格膜:

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，人為地制成周期性結(jié)構(gòu)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，這種一維超薄層周期結(jié)構(gòu)就稱(chēng)為超晶格結(jié)構(gòu)。當(dāng)和不同組分或不同摻雜層的非晶態(tài)材料（如非晶態(tài)半導(dǎo)體）也能組成這樣的結(jié)構(gòu)，并具有類(lèi)似的量子化特性，如a-Si

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H/a-Si1-xNx

:

H,a-Si

:

H/a-Si1-xCx

:

H……。應(yīng)用薄膜制備方法，很容易獲得各種多層膜和超晶格。第二十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一二、

薄膜材料的分類(lèi)

按化學(xué)組成分為：無(wú)機(jī)膜、有機(jī)膜、復(fù)合膜；按相組成分為：固體薄膜、液體薄膜、氣體薄膜、膠體薄膜；按晶體形態(tài)分為：?jiǎn)尉?、多晶膜、微晶膜?/p>

納米晶膜、超晶格膜等。

第二十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一按薄膜的功能及其應(yīng)用領(lǐng)域分為：

電學(xué)薄膜

光學(xué)薄膜硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜

有機(jī)分子薄膜

裝飾膜、包裝膜

第二十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（1）電學(xué)薄膜①半導(dǎo)體器件與集成電路中使用的導(dǎo)電材料與介質(zhì)薄膜材料：Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。②超導(dǎo)薄膜：特別是近年來(lái)國(guó)外普遍重視的高溫超導(dǎo)薄膜，例如YBaCuO系稀土元素氧化物超導(dǎo)薄膜以及BiSrCaCuO系和TlBaCuO系非稀土元素氧化物超導(dǎo)薄膜。③薄膜太陽(yáng)能電池：特別是非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太陽(yáng)電池。

第二十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（2）光學(xué)薄膜①減反射膜

例如照相機(jī)、幻燈機(jī)、投影儀、電影放映機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)鏡以及各種光學(xué)儀器透鏡和棱鏡上所鍍的單層MgF2薄膜和雙層或多層（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等）薄膜組成的寬帶減反射膜。②反射膜

例如用于民用鏡和太陽(yáng)灶中拋物面太陽(yáng)能接收器的鍍鋁膜；用于大型天文儀器和精密光學(xué)儀器中的鍍膜反射鏡；用于各類(lèi)激光器的高反射率膜（反射率可達(dá)99%以上）等等。第二十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（3）硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜①硬質(zhì)膜

用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、TiC、TiB2、(Ti,

Al)N、Ti(C,

N)等硬質(zhì)膜，以及金剛石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。②耐蝕膜

用于化工容器表面耐化學(xué)腐蝕的非晶鎳膜和非晶與微晶不銹鋼膜；用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面抗熱腐蝕的NiCrAlY膜等。③潤(rùn)滑膜

使用于真空、高溫、低溫、輻射等特殊場(chǎng)合的MoS2、MoS2-Au、MoS2–Ni等固體潤(rùn)滑膜和Au、Ag、Pb等軟金屬膜。

第二十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（4）有機(jī)分子薄膜有機(jī)分子薄膜也稱(chēng)LB（Langmuir-Blodgett）膜，它是有機(jī)物，如羧酸及其鹽、脂肪酸烷基族和染料、蛋白質(zhì)等構(gòu)成的分子薄膜，其厚度可以是一個(gè)分子層的單分子膜，也可以是多分子層疊加的多層分子膜。多層分子膜可以是同一材料組成的，也可以是多種材料的調(diào)制分子膜，或稱(chēng)超分子結(jié)構(gòu)薄膜。第二十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（5）裝飾膜、包裝膜

①

廣泛用于燈具、玩具及汽車(chē)等交通運(yùn)輸工具、家用電氣用具、鐘表、工藝美術(shù)品、“金”線、“銀”線、日用小商品等的鋁膜、黃銅膜、不銹鋼膜和仿金TiN膜與黑色TiC膜。②用于香煙包裝的鍍鋁紙；用于食品、糖果、茶葉、咖啡、藥品、化妝品等包裝的鍍鋁滌綸薄膜；用于取代電鍍或熱涂Sn鋼帶的真空鍍鋁鋼帶等。

第二十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一三、

薄膜的形成過(guò)程1、化學(xué)氣相沉積薄膜的形成過(guò)程2、真空蒸發(fā)薄膜的形成過(guò)程3、

濺射薄膜的形成過(guò)程4、

外延薄膜的生長(zhǎng)第三十頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一1、化學(xué)氣相沉積薄膜的形成過(guò)程

化學(xué)氣相沉積是供給基片的氣體，在加熱和等離子體等能源作用下在氣相和基體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。

Spear在1984年提出一個(gè)簡(jiǎn)單而巧妙的模型，如圖1-1所示。圖1-1為典型CVD反應(yīng)步驟的濃度邊界模型第三十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一圖5-12典型CVD反應(yīng)步驟的濃度邊界模型圖5-12典型CVD反應(yīng)步驟的濃度邊界模型圖5-12典型CVD反應(yīng)步驟的濃度邊界模型第三十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一2、真空蒸發(fā)薄膜的形成過(guò)程真空蒸發(fā)薄膜的形成一般分為：凝結(jié)過(guò)程核形成與生長(zhǎng)過(guò)程島形成與結(jié)合生長(zhǎng)過(guò)程

第三十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（一）凝結(jié)過(guò)程

凝結(jié)過(guò)程是從蒸發(fā)源中被蒸發(fā)的氣相原子、離子或分子入射到基體表面之后，從氣相到吸附相，再到凝結(jié)相的一個(gè)相變過(guò)程。第三十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（二）

薄膜的形成與生長(zhǎng)

薄膜的形成與生長(zhǎng)有三種形式，如圖1-2所示：（a）島狀生長(zhǎng)模式（b）層狀生長(zhǎng)模式（c）層島結(jié)合模式

第三十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一3、

濺射薄膜的形成過(guò)程由于濺射的靶材粒子到達(dá)基體表面時(shí)有非常大的能量，所以濺射薄膜的形成過(guò)程與真空蒸發(fā)制膜的形成過(guò)程有很大差別。同時(shí)給薄膜帶來(lái)一系列的影響，除了使膜與基體的附著力增加以外，還會(huì)由于高能粒子轟擊薄膜表面使其溫度上升而改變薄膜的結(jié)構(gòu)，或使內(nèi)部應(yīng)力增加等，另外還可提高成核密度。第三十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一22.03.202337濺射薄膜常常呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)。這種柱狀結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是由原子或分子在基體上具有有限的遷移率所引起的，所以濺射薄膜的形成和生長(zhǎng)屬于有限遷移率模型。第三十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4、

外延薄膜的生長(zhǎng)所謂外延，是指在單晶基片上形成單晶結(jié)構(gòu)的薄膜，而且薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與取向都和基片的晶體結(jié)構(gòu)和取向有關(guān)。外延生長(zhǎng)薄膜的形成過(guò)程是一種有方向性的生長(zhǎng)。同質(zhì)外延薄膜是層狀生長(zhǎng)型。但并非所有外延薄膜都是層狀生長(zhǎng)型，也有島狀生長(zhǎng)型。第三十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一四、

薄膜的結(jié)構(gòu)特征與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)和缺陷在很大程度上決定著薄膜的性能，因此對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷的研究一直是大家十分關(guān)注的問(wèn)題，本節(jié)主要討論影響薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷的因素，以及對(duì)性能的影響。

第三十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一1、薄膜的結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)可分為三種類(lèi)型：組織結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)

第四十頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（一）薄膜的組織結(jié)構(gòu)

薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)。分為四種類(lèi)型：無(wú)定形結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)第四十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一1）無(wú)定形結(jié)構(gòu)非晶態(tài)是指構(gòu)成物質(zhì)的原子在空間的排列是一種長(zhǎng)程無(wú)序、近程有序的結(jié)構(gòu)。形成無(wú)定形薄膜的工藝條件是降低吸附原子的表面擴(kuò)散速率，可以通過(guò)降低基體溫度、引入反應(yīng)氣體和摻雜的方法實(shí)現(xiàn)。第四十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一22.03.202343

基體溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)有較大的影響。基體溫度高使吸附原子的動(dòng)能隨著增大，跨越表面勢(shì)壘的概率增加，容易結(jié)晶化，并使薄膜缺陷減少，同時(shí)薄膜的內(nèi)應(yīng)力也會(huì)減小，基體溫度低則易形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)的薄膜。第四十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）多晶結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不同的晶粒隨機(jī)取向組成的。在薄膜形成過(guò)程中生成的小島就具有晶體的特征。由眾多小島（晶粒）聚集形成的薄膜就是多晶薄膜。多晶薄膜存在晶粒間界。薄膜材料的晶界面積遠(yuǎn)大于塊狀材料，晶界的增多是薄膜材料電阻率比塊狀材料電阻率大的原因之一。第四十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一3）纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)薄膜是指具有擇優(yōu)取向的薄膜。在非晶態(tài)基體上，大多數(shù)多晶薄膜都傾向于顯示出擇優(yōu)取向。由于（111）面在面心立方結(jié)構(gòu)中具有最低的表面自由能，在非晶態(tài)基體（如玻璃）上纖維結(jié)構(gòu)的多晶薄膜顯示的擇優(yōu)取向是（111）。吸附原子在基體表面上有較高的擴(kuò)散速率，晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜形成的初期。第四十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4）單晶結(jié)構(gòu)單晶薄膜通常是利用外延工藝制造的，外延生長(zhǎng)有三個(gè)基本條件：吸附原子必須有較高的表面擴(kuò)散速率，這就應(yīng)當(dāng)選擇合適的外延生長(zhǎng)溫度和沉積速率；基體與薄膜的結(jié)晶相容性，假設(shè)基體的晶格常數(shù)為a，薄膜的晶格常數(shù)為b，晶格失配數(shù)m=(b-a)/a,m值越小，外延生長(zhǎng)就越容易實(shí)現(xiàn)，但一些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在m相當(dāng)大時(shí)也可實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)；要求基體表面清潔、光滑、化學(xué)穩(wěn)定性好。第四十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（二）

薄膜的晶體結(jié)構(gòu)在大多數(shù)情況下，薄膜中晶粒的晶格結(jié)構(gòu)與其相同材料的塊狀晶體是相同的。但薄膜中晶粒的晶格常數(shù),常常和塊狀晶體不同，產(chǎn)生的原因：一是薄膜與基體晶格常數(shù)不匹配；二是薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力。

第四十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（三）薄膜的表面結(jié)構(gòu)薄膜表面都有一定的粗糙度，對(duì)光學(xué)性能影響較大。由于薄膜的表面結(jié)構(gòu)和構(gòu)成薄膜整體的微型體密切相關(guān)，在基體溫度和真空度較低時(shí)，容易出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)。所有真空蒸發(fā)薄膜都呈現(xiàn)柱狀體結(jié)構(gòu)，濺射薄膜的柱狀結(jié)構(gòu)是由一個(gè)方向來(lái)的濺射粒子流在吸附原子表面擴(kuò)散速率很小的情況下凝聚形成的。

第四十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一2、薄膜的缺陷

由于薄膜制備方法多種多樣，而不同制膜方法所獲得的薄膜結(jié)構(gòu)也隨之不同。如用分子束外延法（MBE）和有機(jī)金屬氧化物化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）所制備的薄膜接近單晶膜，而且其他方法，如濺射法、蒸發(fā)法、微波法、熱絲法等制作的薄膜，有不少為多晶膜和微晶膜，其中也含有一定的非晶態(tài)膜。在薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中還存在有大量的晶格缺陷態(tài)和局部的內(nèi)應(yīng)力。第四十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一1、

點(diǎn)缺陷在基體溫度低時(shí)或蒸發(fā)、凝聚過(guò)程中溫度的急劇變化會(huì)在薄膜中產(chǎn)生許多點(diǎn)缺陷，這些點(diǎn)缺陷對(duì)薄膜的電阻率產(chǎn)生較大的影響。2、

位錯(cuò)薄膜中有大量的位錯(cuò)，位錯(cuò)密度通常可達(dá)。位錯(cuò)與位錯(cuò)的相互作用會(huì)在位錯(cuò)線上形成許多所謂釘扎點(diǎn),由于位錯(cuò)處于釘扎狀態(tài)，因此薄膜的抗拉強(qiáng)度比大塊材料略高一些。3、

晶粒間界因?yàn)楸∧ぶ泻性S多小晶粒，因而薄膜的晶界面積比塊狀材料大，晶界增多是薄膜材料電阻率比塊狀材料電阻率大的原因之一。第五十頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一22.03.202351單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射（LEED）等表面分析結(jié)果所證實(shí)第五十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一思考題薄膜材料的定義、分類(lèi)及主要特性是什么？薄膜的形成與生長(zhǎng)有哪三種形式？并用示意圖加以說(shuō)明。

第五十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.2薄膜制備技術(shù)

薄膜制備工藝包括：薄膜制備方法的選擇;基體材料的選擇及表面處理;薄膜制備條件的選擇;結(jié)構(gòu)、性能與工藝參數(shù)的關(guān)系等。

第五十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一一、基體的選擇與基片的清洗方法

（一）基體的選擇在薄膜制備過(guò)程中，基體的選擇與其他制備條件同樣重要，有時(shí)可能更重要，基體選擇的原則是：

第五十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（1）是否容易成核和生長(zhǎng)成薄膜；（2）根據(jù)不同的應(yīng)用目的，選擇金屬（或合金）、玻璃、陶瓷單晶和塑料等作基體；（3）薄膜結(jié)構(gòu)與基體材料結(jié)構(gòu)要對(duì)應(yīng)；第五十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一22.03.202356（4）要使薄膜和基體材料的性能相匹配，從而減少熱應(yīng)力，不使薄膜脫落；（5）要考慮市場(chǎng)供應(yīng)情況、價(jià)格、形狀、尺寸、表面粗糙度和加工難易程度等。第五十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（二）基片的清洗方法由于薄膜厚度很薄，基片表面的平整度、清潔度都會(huì)對(duì)所生長(zhǎng)的薄膜有影響。基片表面的任何一點(diǎn)污物都會(huì)影響薄膜材料的性能和生長(zhǎng)情況。由此可見(jiàn)，基片的清洗是十分重要的?；那逑捶椒ㄖ饕鶕?jù)薄膜生長(zhǎng)方法和薄膜使用目的選定，因?yàn)榛砻鏍顟B(tài)嚴(yán)重影響基片上生長(zhǎng)出的薄膜結(jié)構(gòu)和薄膜物理性質(zhì)。

第五十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一一般分為去除基片表面上物理附著的污物的清洗方法和去除化學(xué)附著的污物的清洗方法。目前，基片清洗方法有：用化學(xué)溶劑溶解污物的方法、超聲波清洗法、離子轟擊清洗法、等離子體清洗法和烘烤清洗法等。

第五十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一二、真空技術(shù)基礎(chǔ)

真空技術(shù)是制備薄膜的基礎(chǔ)，真空蒸發(fā)，濺射鍍膜和離子鍍等均要求沉積薄膜的空間要有一定的真空度，因而獲得并保持真空環(huán)境是鍍膜的必要條件。

第五十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（一）真空度的劃分為了研究真空和實(shí)際應(yīng)用方便，常把真空劃分為：低真空（1×105~1×102Pa）中真空（1×102~1×10-1Pa）高真空（1×10-1~1×10-6Pa）超高真空（<1×10-6Pa）四個(gè)等級(jí)。第六十頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（二）真空中壓強(qiáng)的單位真空技術(shù)中，壓強(qiáng)的單位通常是用帕斯卡（Pa）來(lái)表示，這是目前國(guó)際上推薦使用的國(guó)際單位制（SI）單位。托（Torr）這一單位在最初獲得真空時(shí)就被采用，是真空技術(shù)中的獨(dú)制單位。兩者關(guān)系為1Torr=133.322Pa。

第六十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（三）氣體的吸附與脫附氣體吸附：是指固體表面捕獲氣體分子的現(xiàn)象。吸附分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附：主要靠分子間的相互吸引力，易脫附，只在低溫下有效?；瘜W(xué)吸附：當(dāng)氣體和固體表面原子間生成化合物時(shí)，所產(chǎn)生的吸附作用。不易脫附，可發(fā)生在高溫下。第六十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（四）真空的獲得即“抽真空”，是利用各種真空泵將被抽容器中的氣體抽出，使該空間的壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓的過(guò)程。目前常用的設(shè)備有：旋轉(zhuǎn)式機(jī)械真空泵、油擴(kuò)散泵、復(fù)合分子泵、分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵和低溫泵等。前三種屬于氣體傳輸泵，后四種屬于氣體捕獲泵。第六十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（五）真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)一般包括待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設(shè)備（真空泵）、測(cè)量真空的器具（真空計(jì)）以及必要的管道、閥門(mén)和其他附屬設(shè)備。能使壓力從一個(gè)大氣壓力開(kāi)始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱(chēng)為“前級(jí)泵”；另一些卻只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵常稱(chēng)為“次級(jí)泵”。第六十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

（六）真空測(cè)量測(cè)量原理均是利用測(cè)定在低氣壓下與壓強(qiáng)有關(guān)的某些物理量，再經(jīng)變換后確定容器的壓強(qiáng)。當(dāng)壓強(qiáng)改變時(shí)，這些和壓強(qiáng)有關(guān)的特性也隨之變化的物理現(xiàn)象，就是真空測(cè)量的基礎(chǔ)。第六十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一22.03.202366任何具體的物理特性，都是在某一壓強(qiáng)范圍才最顯著。因此，任何方法都有其一定的測(cè)量范圍，即為該真空計(jì)的“量程”。目前，還沒(méi)有一種真空計(jì)能夠測(cè)量1大氣壓至10-10Pa整個(gè)范圍的真空度。第六十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一表2.2幾種真空計(jì)的工作原理與測(cè)量范圍名稱(chēng)工作原理測(cè)量范圍/PaU形管壓力計(jì)利用大氣與真空壓差105~10-2水銀壓縮真空計(jì)根據(jù)Boyle定律103-10-4電阻真空計(jì)利用氣體分子熱傳導(dǎo)104~10-2熱偶真空計(jì)熱陰極電離真空計(jì)利用熱電子電離殘余氣體10-1~10-6B-A型真空計(jì)10-1~10-10潘寧磁控電離計(jì)利用磁場(chǎng)中氣體電離與壓強(qiáng)有關(guān)的原理1~10-5氣體放電管利用氣體放電與壓強(qiáng)有關(guān)的原理103~1第六十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一4.3薄膜材料的表征

薄膜材料在應(yīng)用之前，對(duì)其進(jìn)行表征是很重要的，一般包括薄膜厚度的測(cè)量、薄膜形貌和結(jié)構(gòu)的表征、薄膜的成分分析，這些測(cè)量分析結(jié)果也正是薄膜制備與使用過(guò)程中普遍關(guān)心的問(wèn)題。第六十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一一、

薄膜厚度的測(cè)量

薄膜的厚度是一個(gè)重要的參數(shù)。厚度有三種概念：

幾何厚度、光學(xué)厚度和質(zhì)量厚度幾何厚度指膜層的物理厚度。膜厚的測(cè)量方法可分為：光學(xué)法、機(jī)械法和電學(xué)法等。

第六十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一

薄膜厚度測(cè)量方法

第七十頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一（一）薄膜厚度的光學(xué)測(cè)量法薄膜厚度的測(cè)量廣泛用到了各種光學(xué)方法，因?yàn)楣鈱W(xué)方法不僅可被用于透明薄膜，還可被用于不透明薄膜，不僅使用方便，而且測(cè)量精度較高。這類(lèi)方法所依據(jù)的原理一般是不同薄膜厚度造成的光程差引起的光的干涉現(xiàn)象。

第七十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，編輯于2023年，星期一1．光吸收法光吸收法主要是通過(guò)測(cè)量薄膜透射光強(qiáng)度而確定薄膜的厚度。