薄膜材料概述

薄膜材料概述培训测试部陈维涛2016年3月18日LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉目录薄膜材料定义薄膜的制备薄膜材料性质薄膜物性检测薄膜材料历史LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉最古老的薄膜：薄膜制备可上溯至三千多年前的中国商代，那时我们的祖先就已经会给陶瓷上“釉”了。汉代发明了用铅作助溶剂的低温铅釉。到了唐、宋时代，中国人的彩釉工艺达到了顶峰。釉涂层不仅是漂亮的装饰层，而且增加了陶瓷器的机械强度，还使其不易污染、便于清洗。可能最早的纳米薄膜：古代铜镜表面的防锈层（纳米氧化锡薄膜）其年代可以追溯到商代，甚至更早薄膜材料历史LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜的历史，要追溯到三千多年以前。近30年来，真正作为一门新型的薄膜科学与技术。目前，薄膜材料已是材料学领域中的一个重要分支，它涉及物理、化学、电子学、冶金学等学科，在国防、通讯、航空、航天、电子工业、光学工业等方面有着特殊的应用，逐步形成了一门独特的学科“薄膜学”。薄膜学LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜材料定义与分类LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜材料涂层或厚膜薄膜(1um)材料保护涂层材料装饰涂层光电子学薄膜微电子学薄膜其它功能薄膜(1um)(力、热、磁、生物等)当固体或液体的一维线性尺度远远小于其他二维时，我们将这样的固体或液体称为膜。日常生活中的薄膜材料LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉8日常生活中的薄膜材料薄膜材料优点LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜很薄，是实现微型化的主要手段．薄膜是制备新型功能器件的有效手段．探索物质秘密的有力手段．获得常规情况下难以获得的物质．获得特殊界面结构的膜层．自动化控制．薄膜LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜有很多异于块体材料的优势，但是薄膜并不是由块体材料直接压制都成，只有专业制膜设备生成的膜才能称为正真意义上的薄膜。LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉目录薄膜材料定义薄膜的制备薄膜材料性质薄膜物性检测薄膜制备方法LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜材料的制备技术湿式成膜电镀物理气相沉积技术（真空蒸镀、溅射镀膜……）化学气相沉积技术（热CVD、光CVD……）干式成膜化学镀阳极氧化涂覆法（喷涂、甩胶、浸涂）溶胶-凝胶膜薄膜制备方法LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜制备分类LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉1、物理气相沉积（PVD）采用物理方法使物质的原子或分子逸出，然后沉积在基片上形成薄膜的工艺根据使物质的逸出方法不同，可分为蒸镀、溅射和离子镀（1）真空蒸镀把待镀的基片置于真空室内，通过加热使蒸发材料气化（或升华）而沉积到某一温度基片的表面上，从而形成一层薄膜，这一工艺称为真空蒸镀法蒸发源可分为：电阻加热、电子束加热和激光加热等LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜制备分类LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉（2）溅射（Sputtering）当具有一定能量的粒子轰击固体表面时，固体表面的原子就会得到粒子的一部分能量，当获得能量足以克服周围原子得束缚时，就会从表面逸出，这种现象成为“溅射”它可分为离子束溅射和磁控溅射薄膜制备分类LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉离子束溅射它由离子源、离子引出极和沉积室3大部分组成，在高真空或超高真空中溅射镀膜法。利用直流或高频电场使惰性气体（通常为氩）发生电离，产生辉光放电等离子体，电离产生的正离子和电子高速轰击靶材，使靶材上的原子或分子溅射出来，然后沉积到基板上形成薄膜。离子束溅射工作原理图薄膜制备分类LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉磁控溅射磁控溅射SiO2装置图薄膜制备分类在被溅射的靶极（阳极）与阴极之间加一个正交磁场和电场，电场和磁场方向相互垂直。当镀膜室真空抽到设定值时，充入适量的氩气，在阴极(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加几百伏电压，便在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，氩气被电离。在正交的电磁场的作用下，电子以摆线的方式沿着靶表面前进，电子的运动被限制在一定空间内，增加了同工作气体分子的碰撞几率，提高了电子的电离效率。电子经过多次碰撞后，丧失了能量成为“最终电子”进入弱电场区，最后到达阳极时已经是低能电子，不再会使基片过热。同时高密度等离子体被束缚在靶面附近，又不与基片接触，将靶材表面原子溅射出来沉积在工件表面上形成薄膜。而基片又可免受等离子体的轰击，因而基片温度又可降低。更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。磁控溅射LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉（3）离子镀离子镀是在真空蒸镀得基础上，在热蒸发源与基片之间加一电场（基片为负极），在真空中基片与蒸发源之间将产生辉光放电，使气体和蒸发物质部分电离，并在电场中加速，从而将蒸发的物质或与气体反应后生成的物质沉积到基片上。薄膜制备分类LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉2、化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是使含有构成薄膜元素的一种或几种化合物（或单质）气体在一定温度下通过化学反应生成固态物质并沉积在基片上而生成所需薄膜的方法。特点：设备可以比较简单，沉积速率高，沉积薄膜范围广，覆盖性好，适于形状比较复杂的基片，膜较致密，无离子轰击等优点。特别是在半导体集成电路上得到广泛应用常用的气态物质有各种卤化物、氢化物及金属有机化合物等，化学反应种类很多，如热解、还原、与水反应、与氨反应等薄膜制备分类化学气相沉积CVDLeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉金属有机化学气相沉积（MOCVD）原料主要是金属（非金属）烷基化合物。优点是可以精确控制很薄的薄膜生长，适于制备多层膜，并可进行外延生长。薄膜制备分类薄膜的形成机理LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜的生长过程(1)核生长型（VolmerVeber型）特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配（非共格）时出现，大部分的薄膜的形成过程属于这种类型。薄膜的形成机理LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉(2)层生长型（Frank-VanberMerwe型）特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层……。一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积原子相互之间键能的情况下（共格）发生这种生长方式的生长。以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜，并且和衬底有确定的取向关系。例如在Au衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。薄膜的形成机理LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉(3)层核生长型（StraskiKrastanov型）特点：生长机制介于核生长型和层生长型的中间状态。当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下（准共格）多发生这种生长方式的生长。在半导体表面形成金属膜时常呈现这种方式的生长。例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面上沉积Bi、Ag等都属于这种类型。LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉三种不同的薄膜生长方式薄膜的形成机理LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉核生长型薄膜形成的四个阶段1.成核：在此期间形成许多小的晶核，按统计规律分布在基片表面上；2.晶核长大形成较大的岛:这些岛具有小晶体的形状；3.岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络4.沟道被填充：在薄膜的生长过程中，当晶核一旦形成并达到一定尺寸之后，另外再撞击的离子不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成薄膜。薄膜的形成机理LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉①小岛阶段—②结合阶段—③沟道阶段—④连续薄膜小岛成核核长大结合孔洞连续膜沟道在薄膜的三种生长方式种，核生长型最为普遍，在理论上也较为成熟，我们主要讨论这种类型的形成机理。薄膜的形成机理薄膜基底种类LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉基底又称：基片，衬底陶瓷基底金属基底各种工具刀具件玻璃基底树脂基底高分子基底柔性基底单晶硅玻璃晶圆薄膜基底LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉科研用各种基底薄膜基底LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉科研用各种薄膜LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉目录薄膜材料定义薄膜的制备薄膜材料性质薄膜物性检测薄膜材料性质LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉薄膜材料的表征薄膜材料的表征结构物性组份电子结构光学性质电学性质力、热、磁、生物等性质晶体结构薄膜力学性质LeadingPhysicalPropertyAnalysisofThin-FilmMaterials专注激情严谨勤勉由于薄膜材料的不同，各种薄膜(如金属膜、介质膜、半