薄膜材料与技术-1

1薄膜材料与技术（1）李美成2008秋季学期薄膜材料与技术2教材参考书《电子薄膜材料》，曲喜新等编著，科学出版社，1997年11月《薄膜科学与技术手册》，田民波、刘德令编著，机械工业出版社，1991年《薄膜技术》，王力衡、黄运添、郑海涛著，清华大学出版社，1991年《薄膜材料与薄膜技术》，郑伟涛等编著，化学工业出版社，2004年《薄膜物理学》，L.埃克托瓦，科学出版社，1986年ElectronicThinFilmScience，MacmillanPublishingCompany，1992AnIntroductiontoPhysicsandTechnologyofThinFilms，WorldScientificPublishingCompany，1994HandbookofThinFilmDepositionProcessesandTechniques:Principles,Methods,EquipmentandApplications,NoyesPublications,ParkRidge,NewJersey,U.S.A.,1988NanoscalePhenomenainFerroelectricThinfilms,KluwerAcademicPublishers,2004薄膜材料与技术3中文期刊中国科学科学通报半导体学报红外与激光工程功能材料功能材料与器件学报红外与毫米波学报激光与红外半导体光电稀有金属材料与工程薄膜材料与技术4英文期刊ThinSolidFilmsSurfaceScienceSurfaceandCoatingsTechnologyAppliedSurfaceScienceAdvancedMaterialsJournalofVacuumScienceandTechnology,B:SurfaceandfilmsJournalofElectronicMaterialsMaterialsChemistryandPhysicsNature薄膜材料与技术5学习目的和基本要求掌握真空及薄膜的物理基础，对真空、气体放电、离子溅射、薄膜生长等有较深入的了解；掌握真空蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、分子束外延基本工艺，对薄膜技术有全面了解；重点了解几种薄膜材料，对各种类型薄膜材料的制备、结构、性能及应用有系统的了解。能够使用薄膜材料的设备，分析多种类型薄膜的性能，并具备制备新材料的能力。薄膜材料与技术6课程简介自上世纪七十年代以来，薄膜技术与薄膜材料得到突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果，并已成为当代真空科学与技术和材料科学中最活跃的研究领域，在高新技术产业中具有举足轻重的作用。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品全方位的开发与应用。本课程包括真空及薄膜的物理基础、薄膜工艺及薄膜材料等三部分主要内容。薄膜材料与技术7第一章绪论薄膜材料与技术8第二章真空技术基础2.1真空的基本知识2.2稀薄气体的基本性质2.3真空的获得2.4真空的测量2.5实用真空系统薄膜材料与技术9第三章气体放电和低温等离子体3.1低温等离子体3.2低气压气体放电3.3气体的激发和电离3.4气体放电的基本特点3.5辉光放电的特性3.6弧光放电的特性薄膜材料与技术10第四章真空蒸发镀膜法4.1真空蒸发原理4.2蒸发源的蒸发特性及膜厚分布4.3蒸发源的类型4.4合金及化合物的蒸发4.5膜厚和沉积速率的测量与监控薄膜材料与技术11第五章溅射镀膜法5.1溅射镀膜的特点5.2溅射的基本原理5.3溅射镀膜的类型5.4溅射镀膜的膜厚均匀性薄膜材料与技术12第六章离子镀膜法6.1离子镀原理6.2离子镀的特点6.3离子轰击的作用6.4离子镀的类型薄膜材料与技术13第七章化学气相沉积7.1化学气相沉积的基本原理7.2化学气相沉积的特点7.3CVD方法简介7.4低压化学气相沉积7.5等离子体化学气相沉积7.6金属有机化学气相沉积薄膜材料与技术14第八章分子束外延法8.1分子束外延简介8.2分子束外延生长的特点8.3分子束外延的装置8.4分子束外延的原理和方法8.5分子束外延生长的应用薄膜材料与技术15第九章薄膜形成过程与生长模式9.1薄膜的凝结过程9.2核形成与生长9.3薄膜的形成过程和生长模式9.4溅射薄膜的形成过程9.5薄膜的外延生长9.6薄膜形成过程的计算机模拟薄膜材料与技术16第10章薄膜的结构与缺陷10.1薄膜的结构10.2薄膜的缺陷10.3薄膜结构与组分的分析方法薄膜材料与技术17第11章薄膜表面原子结构和电子结构11.1单晶表面的原子结构11.2单晶表面的电子结构11.3表面态和表面空间电荷层11.4表面位垒和电子亲和势11.5表面吸附对电子结构的影响薄膜材料与技术18第12章薄膜材料及其特征12.1薄膜材料的基本特点12.2薄膜材料的结构特征及分析方法12.3薄膜材料的制备技术12.4薄膜材料的性能特征及测试技术12.5薄膜材料的应用薄膜材料与技术19第13章薄膜测试技术13.1薄膜厚度控制与测量13.2薄膜材料的组分表征及分析方法13.3薄膜材料的结构表征及分析方法13.4薄膜材料原子化学键合表征13.5薄膜材料的应力测量方法13.6薄膜材料的物理与化学性能测试薄膜材料与技术20第14章薄膜技术应用14.1电子薄膜和光电薄膜14.2纳米薄膜材料14.3超硬薄膜材料14.4智能薄膜材料14.5气体敏感薄膜薄膜材料与技术21第1节薄膜研究的历史一千多年以前，制作陶瓷器皿表面的彩釉，就是贵金属薄膜的制备和应用17世纪后半叶，观察薄膜产生的干涉颜色18世纪中业，通过化学沉积、辉光放电沉积，制备了固体薄膜当时引起人们兴趣的另一种薄膜是漂浮在水面上的油膜，这是一层极薄的有机分子膜。Franklin最早计算了一滴2ml油在水面上扩展的面积可达到2000m2的一层油膜，这个膜的厚度约为1nm，这是一个单分子层膜绪论薄膜材料与技术22自上世纪七十年代，薄膜技术与薄膜材料突飞猛进发展成为当代真空科学与技术和材料科学中最活跃研究领域在高新技术产业中具有举足轻重作用。在近20年，薄膜科学迅速发展，在制备技术、分析方法、结构观察和形成机理等方面的研究都包含了极其丰富的内容。努力做到既能总结薄膜科学最基本的物理知识，又能反映当前这个学科领域生机勃勃的发展现状。为此在绪论中使大家对薄膜科学有一个概略的了解。薄膜材料与技术23第2节薄膜的物理概念物体的特征性质常常是指它的单位体积所具有的性质，即假定这些物理性质与体积无关，只要物体的大小“正常”，即大致处于宏观范围内，那么上述假定就是合理的；但是，一旦一个尺度变得很小，致使表面与体积的比值大大增加，上述假定便不再成立。薄膜材料与技术24在大块物体中，许多力作用在一给定的粒子(原子、电子)上。在晶体中，力具有周期性；但在无定形材料中，由于至多只存在着短程有序性，力不再具有周期性；不过在以上两种情况下，粒子在各个方向上都受到力作用。考虑表面区域，则这些力就会在表面中断，作用在表面上的粒子上的力不同于作用在体内的粒子上的力，主要的差别是前者具有明显的非对称性。因此，表面的能态与内部的能态迥然不同，所以我们就说存在着表面能态。薄膜材料与技术25考虑某种材料构成的非常薄的薄膜，在这种情况下薄膜的两个表面彼此靠得非常近，因而会对该材料内部的物理性质和过程带来决定性影响，这些物理性质和过程绝然不同于块状材料。薄膜两表面之间距离的减小及相互作用，会导致出现种种全新的现象。此外，当材料的一个尺度减至仅有几个原子层的量级时，会形成一个介于宏观系统和分子系统之间的一种中间系统，这样便提供了一种研究各种物理过程微观物理性质的办法。这就是为什么薄膜会引起许多物理学家的注意，而产生了一个专门研究薄膜的物理学分支，并发展了与此相关的一些工艺学分支的理由。薄膜材料与技术26究竟“薄”至何等尺度方可以认为是薄膜这一问题现在尚无法做出确切回答。一般可以认为，这一尺度取决于出现特定异常现象时的厚度，但是它又会因不同的物理现象而不同。实际上薄膜物理和工艺只研究厚度在十分之几纳米到几个微米之间的薄膜。薄膜材料与技术27上世纪70年代迅速发展起来的表面科学，也是物理学中的一个新兴重要分支。表面科学所研究的范围通常是材料表面几个至几十个原子层，这个范围内的原子和电子结构与块体内部有较大差别。若涉及到原子层数量更大一些，但表面和界面特性仍起重要作用的范围，这就是薄膜科学所研究的范围。这个范围通常是几十nm到几十m。薄膜材料与技术28使近十年来薄膜物理学及其应用都有相当大的发展的另一条件，乃是真空物理学和真空工艺学的发展。人们已经发现，对于某些目的，特别是在基础研究和一些应用中，必须在非常清洁的条件下制备薄膜，以保持这种材料的表面在充分长的期间内没有吸附。薄膜材料与技术29当我们考虑到，在通常使用的高真空设备的工作压力下(即10-6托数量级)，在清洁的表面上经过约1秒钟之后即出现单分子吸附层时，已十分清楚，只有能够提供并测量10-9托或更高真空度的超高真空装置，才能够得到满意的结果。借助于这些现代技术近年来薄膜物理学取得了相当大的进展，而且发展速度正日益提高。薄膜物理学这一领域中的论文数目之多已形成雪崩，甚至这方面的专家也难以全部掌握它们。薄膜材料与技术30第3节薄膜的物理现象3.1光学现象与薄膜有关的最显而易见现象是光学现象，特别是平常能观察到的干涉色现象。例如：漂浮在水面或潮湿路面上的油膜的干涉颜色。十七世纪后半叶，发现和解释Boyle,Hooke和Newton等人。二百年后，Jamin，Fizeau和Quincke等人的测量工作及Drude的理论研究推动了薄膜光学的发展。薄膜干涉提供了精确测量薄膜厚度的一种手段，并在光学和其它领域中得到了应用。光学薄膜是最早被深入研究的薄膜。随着光学透镜的发展，各种增透膜、减反射膜、滤光膜、分光膜等精确地制备、监测和分析。薄膜材料与技术31属于同一时期的还有Jamin和Magnus有关蒸气和气体在固体材料表面上凝聚的研究工作，这表明了吸附膜的重要性以及它与化学表面过程(例如催化作用)的联系。覆盖着氧化物薄膜的铝电极的整流效应也已发现(Pollak,Graetz)，这表明薄膜可应用于电子学。Beetz用薄膜元件研究过磁现象，从理论和实践观点来看，这项工作开辟了一条大有希望的途径。薄膜材料与技术32对液体表面张力的研究已发展到对液体表面上有机物的单分子层的研究；这对于各种生物化学和生理学过程的研究都是重要的。有机物薄膜表面力的研究在磨擦力学中也起到一定的作用。薄膜材料与技术333.2电学现象从上世纪开始，始终进行着薄膜电学性质的研究，其范围包括从电导率的测量到超导电性以及薄膜的电子发射的研究。第二次世界大战期间和自那时以来，电子学朝气蓬勃的发展导致了电子设备的尺寸不断地减小。空间探索要求可靠性高、尺寸和重量都很小的复杂的无线电电子设备的结果。近来在医学电子学领域也有了相当大的发展。电子学的这个分支要求有能置于动物或人体表面上的电子仪器，或者，如果需要则插入体内来测量，刺激和控制各种生命过程。薄膜材料与技术34另一推动力是电子计算机的发展，在电子计算机变得越来越复杂的同时，要求元件有最高的可靠性和尽可能小的尺寸。薄膜不仅可用来连接分立元件，而且其本身也可作为有源元件和无源元件，由此开辟了新的超小型化集成电路的可能途径。这种应用利用了如下的事实，从宏观的观点来看元件中的一个尺度大小几乎是零，元件的厚度只由薄膜沉积其上的基片厚度决定。目前已成功生产用半导体工艺制备的、将薄膜无源元件和薄膜有源元件组合起来的混合电路，以及带有场效应晶体管的纯薄膜集成电路（IC）。薄膜材料与技术35近半个世纪来，科学和生产发展的事实说明，电子学的发展深刻地影响着当今社会的各个领域。而在电子学的发展中，起重要作用的是在理论研究指导下，关键性新器件和新材料的制造。例如①上世纪30年代的电子管，②50年代的晶体管，③70年代的集成电路，都给科学、技术和人类社会以巨大的推动和影响。薄膜科学就是开发新材料和新器件非常重