第一章薄膜及其特性

1、第一章 薄膜及其特性 第一節(jié)第一節(jié) 薄膜的定義及其特性薄膜的定義及其特性 第二節(jié)第二節(jié) 薄膜材料的分類(lèi)薄膜材料的分類(lèi) 第三節(jié) 薄膜的形成過(guò)程第四節(jié) 薄膜的結(jié)構(gòu)特征與缺陷第一節(jié)第一節(jié)薄膜的定義及其特性薄膜的定義及其特性什么是什么是“薄膜薄膜”（thin film），多），多“薄薄”的的膜才算薄膜？膜才算薄膜？薄膜有時(shí)與類(lèi)似的詞匯薄膜有時(shí)與類(lèi)似的詞匯“涂層涂層”（coating）、）、“層層”（layer）、）、“箔箔”（foil）等有相同的意義，但有時(shí)又有些差別。）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

2、標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其厚度為薄膜厚度的一個(gè)大致的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其厚度約在約在1m左右。左右。 mmm 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，同塊體材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易產(chǎn)生很容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)，就是說(shuō)薄膜材料的物性，就是說(shuō)薄膜材料的物性會(huì)受到薄膜厚度的影響。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，所以由于薄膜材料的表面積同體積之比很大，所以表面效應(yīng)表面效應(yīng)很顯著，表面能、表面態(tài)、表面散射很顯著，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。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在薄膜材料中還包含有大量的表面晶

3、粒間界和缺陷態(tài)，對(duì)缺陷態(tài)，對(duì)電子輸運(yùn)性能電子輸運(yùn)性能也影響較大。也影響較大。在基片和薄膜之間還存在有一定的相互作用，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)薄膜與基片之間的因而就會(huì)出現(xiàn)薄膜與基片之間的粘附性粘附性和和附著附著力力問(wèn)題，以及問(wèn)題，以及內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力的問(wèn)題。的問(wèn)題。 （1）表面能級(jí)很大表面能級(jí)很大 表面能級(jí)表面能級(jí)指在固體的表面，原子周期排列的連指在固體的表面，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)已由塔姆響，把表面考慮在內(nèi)的電子波函數(shù)已由塔姆（T Tammamm）在）在1932193

4、2年進(jìn)行了計(jì)算，得到了電子表年進(jìn)行了計(jì)算，得到了電子表面能級(jí)或稱(chēng)面能級(jí)或稱(chēng)塔姆能級(jí)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)對(duì)薄膜半導(dǎo)體表面電導(dǎo)薄膜半導(dǎo)體表面電導(dǎo)和和場(chǎng)效應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生很大的影產(chǎn)生很大的影響，從而影響半導(dǎo)體器件性能。響，從而影響半導(dǎo)體器件性能。 （2）薄膜和基片的粘附性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，這種相互作用通常會(huì)存在著一定的相互作用，這種相互作用通常的表現(xiàn)

5、形式是的表現(xiàn)形式是附著附著（adhesion）。）。薄膜的一個(gè)面附著在基片上并受到薄膜的一個(gè)面附著在基片上并受到約束作用約束作用，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)為力，這種相互作用力稱(chēng)為內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力。附著和內(nèi)應(yīng)力是薄膜極為重要的附著和內(nèi)應(yīng)力是薄膜極為重要的固有特征固有特征。基片和薄膜屬于不同種物質(zhì)，附著現(xiàn)基片和薄膜屬于不同種物質(zhì)，附著現(xiàn)象所考慮的對(duì)象是二者間的象所考慮的對(duì)象是二者間的邊界邊界和和界界面。面。二者之間的相互作用能就是二者之間的相互作用

6、能就是附著能附著能，附著能可看成是附著能可看成是界面能界面能的一種。附著的一種。附著能對(duì)基片能對(duì)基片-薄膜間的距離微分，微分最薄膜間的距離微分，微分最大值就是大值就是附著力附著力。BABABAIIIIraaU623不同種物質(zhì)原子之間最普遍的相互作用是不同種物質(zhì)原子之間最普遍的相互作用是范德范德瓦耳斯力瓦耳斯力。這種力是永久偶極子、感應(yīng)偶極子之。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)。間的作用力以及其他色散力的總稱(chēng)。設(shè)兩個(gè)分子間的上述設(shè)兩個(gè)分子間的上述相互作用能為相互作用能為U，則，則U可可用下式表示：用下式表示： 式中，式中，r為分子間距離；為分子間距離；a為分子的極化

7、率；為分子的極化率；I為分為分子的極化能；下標(biāo)子的極化能；下標(biāo)A、B分別表示分別表示A分子和分子和B分子。分子。用范德瓦耳斯力成功地解釋了許多附著現(xiàn)象。用范德瓦耳斯力成功地解釋了許多附著現(xiàn)象。設(shè)薄膜、基片都是導(dǎo)體，而且二者的費(fèi)米能級(jí)不同，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，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間相互作用的靜電力靜電力F為：為：022F式中，式中，為界面上出現(xiàn)的電荷密度；為界面上出現(xiàn)的電荷密度；0為真空中的介電常數(shù)。

8、為真空中的介電常數(shù)。要充分考慮這種力要充分考慮這種力對(duì)附著的貢獻(xiàn)對(duì)附著的貢獻(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在金屬薄膜在金屬薄膜-玻璃基片系統(tǒng)中，玻璃基片系統(tǒng)中，Au薄膜薄膜的附著力最弱；的附著力最弱；易氧化元素易氧化元素的薄膜，一般說(shuō)來(lái)附著力的薄膜，一般說(shuō)來(lái)附著力較大；較大；在很多情況下，對(duì)薄膜在很多情況下，對(duì)薄膜加熱加熱（沉積過(guò)（沉積過(guò)程中或沉積完成之后），會(huì)使附著力以程中或沉積完成之后），會(huì)使附著力以及附著能增加；及附著能增加；基片經(jīng)基片經(jīng)離子照射離子照射會(huì)使附著力增加。會(huì)使附著力增加。一般來(lái)說(shuō)，一般來(lái)說(shuō)，表面能表面能是指建立一個(gè)新的表面是指建立一個(gè)新的表面所需要的能量。所需要的能量。金

9、屬是金屬是高表面能高表面能材料，而氧化物是材料，而氧化物是低表面低表面能能材料。材料。表面能的相對(duì)大小決定一種材料是否和另表面能的相對(duì)大小決定一種材料是否和另一種材料一種材料相濕潤(rùn)相濕潤(rùn)并形成并形成均勻黏附層均勻黏附層。具有非常低表面能的材料容易和具有較高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)表面能襯底上形成原子團(tuán)（俗稱(chēng)起球起球）。）。氧化物氧化物具有特殊的作用。即使對(duì)一般的金屬具有特殊的作用。即使對(duì)一般的金屬來(lái)說(shuō)不能牢固附著

10、的塑料等基片上也能牢固來(lái)說(shuō)不能牢固附著的塑料等基片上也能牢固附著。附著。Si、Cr、Ti、W等易氧化（氧化物生成能大）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。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，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。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為增加附著力而沉積在中間的過(guò)渡層薄膜過(guò)渡層薄膜稱(chēng)稱(chēng)為為膠粘層膠粘層（glue），合理地選擇膠粘層在?。?，合理地選擇膠粘層在薄膜的實(shí)際應(yīng)用是極為重要的。膜的實(shí)際應(yīng)用是極為重要的。（3）薄膜中的內(nèi)應(yīng)力薄膜中的內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力就其原因來(lái)說(shuō)分為兩大類(lèi)

11、，即內(nèi)應(yīng)力就其原因來(lái)說(shuō)分為兩大類(lèi)，即固有應(yīng)力固有應(yīng)力（或（或本征應(yīng)力本征應(yīng)力） 和和非固有應(yīng)力非固有應(yīng)力。固有應(yīng)力來(lái)。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)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。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由于薄膜和襯底間不同的熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)和和晶格失晶格失配配能夠把應(yīng)力引進(jìn)薄膜，或者由于金屬薄膜與能夠把應(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

12、把應(yīng)力引進(jìn)薄膜。格失配也能把應(yīng)力引進(jìn)薄膜。 一般說(shuō)來(lái)，薄膜往往是在非常薄的基片上沉積的。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)生會(huì)發(fā)生彎曲彎曲。 彎曲有兩種類(lèi)型：一種是彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲有兩種類(lèi)型：一種是彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲面的彎曲面的內(nèi)側(cè)內(nèi)側(cè)，使薄膜的某些部分與其他部分之，使薄膜的某些部分與其他部分之間處于間處于拉伸狀態(tài)拉伸狀態(tài)，這種內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為，這種內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為拉應(yīng)力拉應(yīng)力。另一種是彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲的另一種是彎曲的結(jié)果使薄膜成為彎曲的外側(cè)外側(cè)，它，它使薄膜的某些部分與其他部分之間處于

13、使薄膜的某些部分與其他部分之間處于壓縮狀態(tài)壓縮狀態(tài)，這種內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為這種內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為壓應(yīng)力壓應(yīng)力。如果拉應(yīng)力用如果拉應(yīng)力用正數(shù)正數(shù)表示，則壓應(yīng)力就用表示，則壓應(yīng)力就用負(fù)數(shù)負(fù)數(shù)表示。表示。 真空蒸鍍膜層的應(yīng)力值情況比較復(fù)雜。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

14、撞離位，并從陣點(diǎn)位置碰撞離位，并進(jìn)入間隙進(jìn)入間隙位置，產(chǎn)生位置，產(chǎn)生釘釘扎效應(yīng)扎效應(yīng)（pinning effect）。）?；蛘哌@些高速粒子自己或者這些高速粒子自己進(jìn)入晶格進(jìn)入晶格之中。這些都是之中。這些都是產(chǎn)生壓應(yīng)力產(chǎn)生壓應(yīng)力的原因。因此，濺射薄膜中的內(nèi)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。與濺射條件的關(guān)系很密切。（4）異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性比特性薄膜的制法多數(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)的制取過(guò)程，薄膜的結(jié)構(gòu)不一定和相圖相符合。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)為規(guī)定把與相圖不相符合的結(jié)構(gòu)

15、稱(chēng)為異常結(jié)異常結(jié)構(gòu)構(gòu)，不過(guò)這是一種準(zhǔn)穩(wěn)（亞穩(wěn)）態(tài)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)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)。放置還會(huì)慢慢地變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。 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)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。

16、) 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，其等，其x可在很大范圍內(nèi)變化。可在很大范圍內(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。（5）量子

17、尺寸效應(yīng)和界面隧量子尺寸效應(yīng)和界面隧道穿透效應(yīng)道穿透效應(yīng)傳導(dǎo)電子的傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)德布羅意波長(zhǎng)，在普通金屬，在普通金屬中小于中小于1nm，在金屬鉍（，在金屬鉍（Bi）中為幾十）中為幾十納米。在這些物質(zhì)的薄膜中，由于電子納米。在這些物質(zhì)的薄膜中，由于電子波的波的干涉干涉，與膜面垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)的能量，與膜面垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)的能量將取將取分立分立的數(shù)值，由此會(huì)對(duì)電子的輸運(yùn)的數(shù)值，由此會(huì)對(duì)電子的輸運(yùn)現(xiàn)象產(chǎn)生影響?，F(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)一般與德布羅意波的干涉相關(guān)聯(lián)的效應(yīng)一般稱(chēng)為稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)。另外，表面中含有大量的另外，表面中含有大量的晶粒界面晶粒界面，而界面勢(shì)壘，而

18、界面勢(shì)壘0V比電子能量比電子能量E要大得多，根據(jù)量子力學(xué)知識(shí)，這些要大得多，根據(jù)量子力學(xué)知識(shí)，這些電子有一定的幾率，電子有一定的幾率，穿過(guò)勢(shì)壘穿過(guò)勢(shì)壘，稱(chēng)為，稱(chēng)為隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)。電子穿透勢(shì)壘的幾率為：電子穿透勢(shì)壘的幾率為：EVmhaVEVET020022exp)(16其中其中a為界面勢(shì)壘的寬度。當(dāng)為界面勢(shì)壘的寬度。當(dāng)EV0時(shí)，則時(shí)，則T=0，不發(fā)生隧道效應(yīng)。，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。膜的場(chǎng)電子發(fā)射中，都起重要作用。（6）容易實(shí)現(xiàn)多層膜容易實(shí)現(xiàn)多層膜多層膜多層膜是將兩種以上的不同材料先后

19、沉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)為積在同一個(gè)襯底上（也稱(chēng)為復(fù)合膜復(fù)合膜），），以改善薄膜同襯底間的粘附性。以改善薄膜同襯底間的粘附性。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-鋼鋼襯底。襯底。 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-

20、a-Si/i-a-Si/P-a-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至少在至少在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。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

21、層周期結(jié)構(gòu)就稱(chēng)為薄層周期結(jié)構(gòu)就稱(chēng)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(lèi)似非晶態(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，如的量子化特性，如a-Si : H/a-Si1-xNx : H, a-Si : H/a-Si1-xCx : H。應(yīng)用薄膜制備方法，很。應(yīng)用薄膜制備方法，很容易獲得各種多層膜和超晶格。容易獲得各種多層膜和超晶格。第二節(jié)第二節(jié) 薄膜材料的分類(lèi)薄膜材料的分類(lèi) 按化學(xué)組成分為：按化學(xué)組成分為： 無(wú)機(jī)膜、有機(jī)膜、復(fù)合膜；無(wú)機(jī)膜、有機(jī)膜、復(fù)合膜；按相組成分為：按相組成分為

22、： 固體薄膜、液體薄膜、氣體薄膜、膠體薄膜；固體薄膜、液體薄膜、氣體薄膜、膠體薄膜；按晶體形態(tài)分為：按晶體形態(tài)分為： 單晶膜、多晶膜、微晶膜、單晶膜、多晶膜、微晶膜、 納米晶膜、超晶納米晶膜、超晶格膜等。格膜等。 按薄膜的功能及其應(yīng)用領(lǐng)域分為：按薄膜的功能及其應(yīng)用領(lǐng)域分為： 電學(xué)薄膜電學(xué)薄膜 光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜 有機(jī)分子薄膜有機(jī)分子薄膜 裝飾膜裝飾膜 、包裝膜包裝膜 （1 1）電學(xué)薄膜）電學(xué)薄膜半導(dǎo)體器件與集成電路中使用的導(dǎo)電材料與介半導(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：質(zhì)薄膜材料：Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅、多晶硅、硅化物、化物

23、、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。等的薄膜。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：特別是近年來(lái)國(guó)外普遍重視的高溫超導(dǎo)薄膜，例如超導(dǎo)薄膜，例如YBaCuO系稀土元素氧化物超系稀土元素氧化物超導(dǎo)薄膜以及導(dǎo)薄膜以及BiSrCaCuO系和系和TlBaCuO系非稀系非稀土元素氧化物超導(dǎo)薄膜。土元素氧化物超導(dǎo)薄膜。薄膜太陽(yáng)能電池：特別是非晶硅、薄膜太陽(yáng)能電池：特別是非晶硅、CuInSe2和和CdSe薄膜太陽(yáng)電池。薄膜太陽(yáng)電池。 （2 2）光學(xué)薄膜）光學(xué)薄膜減反射膜減反射膜 例如照相機(jī)、幻燈機(jī)、投影儀、電影例如照相機(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)儀器透鏡放映機(jī)

24、、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和棱鏡上所鍍的單層MgF2薄膜和雙層或多層薄膜和雙層或多層（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等）薄膜組成的寬等）薄膜組成的寬帶減反射膜。帶減反射膜。反射膜反射膜 例如用于民用鏡和太陽(yáng)灶中拋物面太陽(yáng)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)射率膜（反射率可達(dá)99%以上）等等以上）等等。（3 3）硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜）硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜硬質(zhì)膜硬質(zhì)膜 用于工

25、具、模具、量具、刀具表面的用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、TiC、TiB2、(Ti, Al)N、Ti(C, N)等硬質(zhì)膜，以及等硬質(zhì)膜，以及金剛石薄膜、金剛石薄膜、C3N4薄膜和薄膜和c-BN薄膜。薄膜。耐蝕膜耐蝕膜 用于化工容器表面耐化學(xué)腐蝕的非晶鎳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表面抗熱腐蝕的NiCrAlY膜等。膜等。潤(rùn)滑膜潤(rùn)滑膜 使用于真空、高溫、低溫、輻射等特殊使用于真空、高溫、低溫、輻射等特殊場(chǎng)合的場(chǎng)合的MoS2、MoS2-Au、MoS2Ni等固體潤(rùn)滑等固體潤(rùn)滑膜和膜和Au、A

26、g、Pb等軟金屬膜。等軟金屬膜。 （4 4）有機(jī)分子薄膜）有機(jī)分子薄膜有機(jī)分子薄膜也稱(chēng)有機(jī)分子薄膜也稱(chēng)LB（Langmuir-Blodgett）膜，它是有機(jī)物，如羧酸及）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)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。制分子膜，或稱(chēng)超分子結(jié)構(gòu)薄膜。（5

27、5）裝飾膜、包裝膜）裝飾膜、包裝膜 廣泛用于燈具、玩具及汽車(chē)等交通運(yùn)輸工廣泛用于燈具、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、具、家用電氣用具、鐘表、工藝美術(shù)品、“金金”線、線、“銀銀”線、日用小商品等的鋁膜、線、日用小商品等的鋁膜、黃銅膜、不銹鋼膜和仿金黃銅膜、不銹鋼膜和仿金TiN膜與黑色膜與黑色TiC膜。膜。 用于香煙包裝的鍍鋁紙；用于食品、糖果、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綸薄膜；用于取代電鍍或熱涂Sn鋼帶的真鋼帶的真空鍍鋁鋼帶等?？斟冧X鋼帶等。 第三節(jié) 薄膜

28、的形成過(guò)程一、化學(xué)氣相沉積薄膜的形成過(guò)程一、化學(xué)氣相沉積薄膜的形成過(guò)程二、真空蒸發(fā)薄膜的形成過(guò)程二、真空蒸發(fā)薄膜的形成過(guò)程三、三、濺射薄膜的形成過(guò)程濺射薄膜的形成過(guò)程四、四、外延薄膜的生長(zhǎng)外延薄膜的生長(zhǎng)一、化學(xué)氣相沉積薄膜的形成過(guò)程一、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。體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。 Spear在在1984年提出一個(gè)簡(jiǎn)單而巧妙的年提出一個(gè)簡(jiǎn)單而巧妙的模型，如圖模型，如圖1-1所示。所示。圖圖1-1為為典型典型CVD反應(yīng)步驟的濃度邊

29、界模反應(yīng)步驟的濃度邊界模型型圖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圖5-12 典型CVD反應(yīng)步驟的濃度邊界模型二、真空蒸發(fā)薄膜的形成過(guò)程二、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：真空蒸發(fā)薄膜的形成一般分為： 凝結(jié)過(guò)程凝結(jié)過(guò)程 核形成與生長(zhǎng)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)程島形成與結(jié)合生長(zhǎng)過(guò)程 （一）凝結(jié)過(guò)程（一）凝結(jié)過(guò)程凝結(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。結(jié)相的一

30、個(gè)相變過(guò)程。（二）（二） 薄膜的形成與生長(zhǎng)薄膜的形成與生長(zhǎng) 薄膜的形成與生長(zhǎng)薄膜的形成與生長(zhǎng)有有三種形式三種形式，如圖，如圖1 1-2所示：所示： （a）島狀生長(zhǎng)模式）島狀生長(zhǎng)模式（b）層狀生長(zhǎng)模式）層狀生長(zhǎng)模式（c）層島結(jié)合模式）層島結(jié)合模式 三、三、濺射薄膜的形成過(guò)程濺射薄膜的形成過(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)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。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，除了使膜與基同時(shí)給薄膜帶來(lái)一系列的影響，除了使膜與基體的體的附著力增加

31、附著力增加以外，還會(huì)由于高能粒子轟擊以外，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。使內(nèi)部應(yīng)力增加等，另外還可提高成核密度。濺射薄膜常常呈現(xiàn)濺射薄膜常常呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)柱狀結(jié)構(gòu)。這種柱狀結(jié)構(gòu)被。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。有限遷移率模型。 四、四、外延薄膜的生長(zhǎng)外延薄膜的生長(zhǎng)所謂所謂外延外延，是指在單晶基片上形成單晶，是指在單晶基片上形成單晶

32、結(jié)構(gòu)的薄膜，而且薄膜的晶體結(jié)構(gòu)與取結(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)。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)程是一種有外延生長(zhǎng)薄膜的形成過(guò)程是一種有方向方向性的生長(zhǎng)性的生長(zhǎng)。同質(zhì)外延薄膜是層狀生長(zhǎng)型。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，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。也有島狀生長(zhǎng)型。第四節(jié) 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)研究一直是大家十分關(guān)注的問(wèn)題，本

33、節(jié)主要討論影響薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷的因素，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。以及對(duì)性能的影響。 一、薄膜的結(jié)構(gòu)一、薄膜的結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)可分為三種類(lèi)型：薄膜結(jié)構(gòu)可分為三種類(lèi)型：組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu) （一）薄膜的組織結(jié)構(gòu)（一）薄膜的組織結(jié)構(gòu) 薄膜的薄膜的組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)。是指它的結(jié)晶形態(tài)。分為四種類(lèi)型：分為四種類(lèi)型：無(wú)定形結(jié)構(gòu)無(wú)定形結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)1 1無(wú)定形結(jié)構(gòu)無(wú)定形結(jié)構(gòu)非晶態(tài)非晶態(tài)是指構(gòu)成物質(zhì)的原子在空間的排列是一是指構(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)定形薄種長(zhǎng)程無(wú)序、近程有

34、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，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)。的方法實(shí)現(xiàn)?；w溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)有較大的影響?；w溫基體溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)有較大的影響?；w溫度高使吸附原子的動(dòng)能隨著增大，跨越表面勢(shì)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。則易形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)的薄膜。2 2多晶結(jié)構(gòu)多晶

35、結(jié)構(gòu)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。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。率比塊狀材料電阻率大的原因之一。3纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)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。薄膜是指具有擇優(yōu)取向的

36、薄膜。在非晶態(tài)基體上，大多數(shù)多晶薄膜都傾向于顯示在非晶態(tài)基體上，大多數(shù)多晶薄膜都傾向于顯示出擇優(yōu)取向。出擇優(yōu)取向。由于（由于（111）面在面心立方結(jié)構(gòu)中具有最低的表）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)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（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。的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜形成的初期。4 4單晶結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)單晶薄膜單晶薄膜通常是利用外延工藝制造的，外延生長(zhǎng)通常是利用外延工藝制造的，

37、外延生長(zhǎng)有三個(gè)基本條件：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)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；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)基體與薄膜的結(jié)晶相容性，假設(shè)基體的晶格常數(shù)為為a，薄膜的晶格常數(shù)為，薄膜的晶格常數(shù)為b，晶格失配數(shù)，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)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)在發(fā)現(xiàn)在m相當(dāng)大時(shí)也可實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)；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。要求基體表面清潔、光滑、化學(xué)穩(wěn)定性好。（二）（二） 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)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)在大多數(shù)情況下，薄膜中