《功能薄膜技術》課件01 薄膜材料簡介

1、功能薄膜技術Functional Thin Film Technology參考書1. 薄膜材料與薄膜技術，鄭偉濤， 化學工業(yè)出版社 2.納米光電薄膜材料，吳錦雷， 北京大學出版社3. 鐵電薄膜材料及其應用，符春林， 科學出版社課程安排111周三講課：薄膜簡介212周一講課：真空技術312周三學術報告：無鉛壓電厚膜及器件（張海波）413周一講課：薄膜的形核與生長513周三講課：物理氣相沉積614周一學術報告：量子點顯示技術（張建兵）714周三講課：化學氣相沉積815周一講課：等離子體技術、電鍍和化學鍍915周三學術報告：太陽能薄膜材料（唐江）1016周一講課：薄膜表征11116周三講課：薄膜表征

2、21216周五學術報告：憶阻器薄膜材料（楊蕊）1317周一講課：典型的功能薄膜材料1417周三分組報告討論1-5組1517周五分組報告討論6-10組課程考試閉卷考試：分值50-70%平時成績：分組報告+點名 分值30-50%課堂紀律1.不要遲到2.手機調成靜音3.不要講話第一講 薄膜材料簡介 薄膜材料的歷史 薄膜材料的應用 薄膜技術的研究內容 表面效應 薄膜的結構和缺陷薄膜材料的定義 利用特殊的技術手段, 人為制得的、其一維尺度顯著小于另外兩維尺度的、具有特定性能與用途的材料.薄膜的定義 什么是“薄膜”（thin film），多“薄”的膜才算薄膜？薄膜是一種二維材料其厚度與另外兩維的尺寸相比要

3、小得多，一般將其厚度約在微米甚至納米量級的膜稱為薄膜，而超過1m的膜習慣上稱為厚膜。1-100微米薄膜材料的歷史3000多年前，中國古代在陶瓷中已開始采用釉涂層。19世紀初，發(fā)現(xiàn)輝光放電過程可沉積固體薄膜。20世紀后，光學薄膜最先得到研究和應用，成功地制備了各種增透膜、高反膜、濾光膜、分光膜等光學薄膜。20世紀50年代以后，微電子技術的進步極大地推動了薄膜技術的進步。Cu(InGa)Se2太陽能薄膜電池構成薄膜的材料薄膜材料的分類按化學組成分為： 無機膜、有機膜、復合膜；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： 單晶膜、多晶膜、微晶膜、納米晶膜、超晶格膜等。按薄

4、膜的功能及其應用分為：光學薄膜：高反/減反涂層、光記錄介質、光波導 電學薄膜：絕緣薄膜、導電薄膜、半導體器件磁學薄膜：磁記錄介質機械薄膜：耐磨涂層（硬質膜、潤滑膜 ）化學薄膜：防氧化或防腐蝕涂層、擴散阻擋層薄膜材料的特點 一般并不是單獨存在的（需要襯底） 結合了不同材料的不同特性 種類繁多 需要使用特殊的制備與研究方法薄膜材料的特點尺寸效應：同塊體材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易產生尺寸效應。表面效應：由于薄膜材料的表面積同體積之比很大，所以表面效應很顯著。在薄膜材料中還包含有大量的表面晶粒間界和缺陷態(tài)，對電子輸運性能也影響較大。在基片和薄膜之間還存在有一定的相互作用，因而就會出現(xiàn)薄膜

5、與基片之間的粘附性和附著力問題，以及內應力的問題。 表面效應-電導率降低可見，隨著厚度d的減小，其電導率將明顯地降低而偏離塊體材料的電導率 。薄膜表面散射效應還會影響其電阻溫度系數(shù)、霍爾系數(shù)、熱電系數(shù)等。 根據(jù)電流密度在膜厚方向的平均值和電場的關系求得薄膜的電導率為:材料熱點：拓撲絕緣體特點： 1.內部絕緣，表面導電 2.電導能量損耗低一種新的量子材料-拓撲絕緣體張首晟介紹薄膜的結構和缺陷 薄膜的的形成包括成核、長大、凝結等過程，其結構與制備工藝條件有關，如氣壓、流量、功率、溫度等參數(shù)，薄膜的結構和缺陷遠比塊體材料復雜。薄膜結構包括三種類型： 組織結構 晶體結構 表面結構薄膜的組織結構薄膜的組

6、織結構是指其結晶形態(tài)。包括：1）非晶：也稱無定形態(tài)或玻璃態(tài)，從原子排列情況看，為無序結構。如：基片溫度較低時形成的硫化物和鹵化物薄膜。 2）多晶：薄膜形成過程中會生成許多島狀小晶粒，這些小晶粒聚結形成的薄膜即為多晶薄膜。晶粒往往有擇優(yōu)取向。 3）單晶：適當條件下，薄膜沿單晶基片的結晶軸方向呈單晶生長。薄膜的表面結構在薄膜形成過程中，入射的原子沉積到基片后會作橫向擴散，占據(jù)表面空位，導致薄膜表面積縮小，從而降低表面能。原子橫向擴散運動的能量的大小與基片的溫度密切相關?；瑴囟容^高時，吸附原子的表面遷移率增加，凝結優(yōu)先發(fā)生在表面凹處（表面臺階），易形成光滑表面?；瑴囟容^低時，因原子遷移率很小，表

7、面粗糙，面積較大，容易形成多孔結構。薄膜的缺陷薄膜中原子不完善排列形成缺陷。1）點缺陷：發(fā)生在一個或幾個晶格常數(shù)線度范圍內。2）線缺陷：發(fā)生在晶體內部一條線的周圍。主要是位錯。薄膜中的位錯在力學和熱力學上較穩(wěn)定，難以通過退火來消除。3）面缺陷：單晶中主要有孿晶界和堆垛層錯。 多晶薄膜中還有晶（粒間）界線缺陷位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。 位錯是晶體中普遍存在的線缺陷，它的特點是在一維方向的尺寸較長，另外二維方向上尺寸很小，從宏觀看位錯是線狀的。從微觀角度看，位錯是管狀的。位錯對晶體的生長、擴散、相變、塑性變形、斷裂等許多物理、化學性質及力學性質都有很大影響。電子顯微鏡下觀察到的

8、位錯線 面缺陷面缺陷：晶體偏離周期性點陣結構的二維缺陷類型：表面（surface) 內界面（interface）：晶界、亞晶界、 孿晶界、相界、堆垛層錯異常結構和非理想化學計量比特性薄膜的制法多數(shù)屬于非平衡狀態(tài)的制取過程，薄膜的結構不一定和相圖相符合。規(guī)定把與相圖不相符合的結構稱為異常結構，不過這是一種準穩(wěn)（亞穩(wěn)）態(tài)結構，但由于固體的粘性大，實際上把它看成穩(wěn)態(tài)也是可以的，通過加熱退火和長時間的放置還會慢慢地變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)?；衔锏挠嬃勘龋?一般來說是完全確定的。但是多組元薄膜成分的計量比就未必如此了。 通常隨著原子比不同，其物性差異很大，即成分偏析。薄膜和基片（襯底）薄膜大多是沉積在某種基片上，

9、薄膜和基片構成一個復合體系，存在著相互作用。附著、擴散和內應力是薄膜的固有特征。薄膜的附著力與內應力是首先要研究的問題。為什么要發(fā)展薄膜材料三個理由： 不同材料特性的優(yōu)勢互補 微電子技術、光電子技術的發(fā)展 功能性結構的微小型化薄膜材料的應用 耐磨、防腐與裝飾涂層 光學涂層 光電薄膜 微電子技術 磁存儲技術 微機電系統(tǒng) 耐磨、防腐與裝飾涂層光學涂層材料薄膜太陽電池P-type Substrate微電子技術中的薄膜材料: MOSFETN +N +PolysiliconThin gate oxideThick oxidesInterconnect metalHeavily doped region磁

10、存儲技術中的薄膜材料: 磁頭與磁記錄介質Materials today, JAN-FEB 2007 | VOLUME 10 | NUMBER 1-2 47Diamond-like carbon for data and beer storage REVIEW微機電系統(tǒng)中的薄膜材料: 微型反射鏡組 Metals: Al, Cu, Au Glass: SiOx, SiNx Ceramics: YBCO, PZT Semiconductors: Si, GaAs Polymers: PE, PMMA Thin films materials may include:薄膜材料技術的研究內容 薄膜材料的

11、制備技術手段； 薄膜材料的結構理論； 薄膜材料的表征技術； 薄膜材料的體系、性能與應用 Example: A coater for tool coatingsA coater line for CDs and DVDsA coating system for hard disksA clustered coating system for ICA coater for flat panel displaysA commercial CVD equipment for film deposition on Si wafers in semiconductor industryK.L. Choy / Progress in Materials Science 48 (2003) 57170An in-line PECVD machine for solar cellsA.G. Aberle / Solar Energy Materials & Solar Cells 65 (2001) 239248Plasma Enhanced Chemical Vapor DepositionPECVD system at