薄膜物理與技術(shù)-緒論課件

薄膜物理與技術(shù)

ThinFilmPhysicsandTechnologies緒論薄膜科學(xué)的發(fā)展歷史薄膜的分類薄膜科學(xué)的研究?jī)?nèi)容薄膜科學(xué)的基本概念本課程的主要內(nèi)容參考資料楊邦朝，王文生.薄膜物理與技術(shù).電子科技大學(xué)出版社，1997陳國(guó)平.薄膜物理與技術(shù).東南大學(xué)出版社，1993曲喜新，楊邦朝，姜節(jié)儉，張懷武編著.電子薄膜材料.科學(xué)出版社，1997吳自勤，王兵.薄膜生長(zhǎng).科學(xué)出版社，2001薛增泉，吳全德，李浩.薄膜物理.電子工業(yè)出版社，1991鄭偉濤.薄膜材料與薄膜技術(shù)。化學(xué)工業(yè)出版社，2005唐偉忠.薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)用.冶金工業(yè)出版社，2005一百多年來(lái)，人們對(duì)物質(zhì)的物理性質(zhì)的廣泛研究，使物理學(xué)成為一個(gè)很大的學(xué)科領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域中，一些專門的知識(shí)進(jìn)一步發(fā)展成為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的分支，薄膜物理就是該領(lǐng)域中一個(gè)相當(dāng)重要的分支。薄膜科學(xué)的研究?jī)?nèi)容包含了制備技術(shù)、分析方法、結(jié)構(gòu)觀察、薄膜的應(yīng)用以及薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理等及其豐富的內(nèi)容。薄膜科學(xué)的發(fā)展歷史對(duì)液體薄膜首先作了正式描寫的是美國(guó)著名的科學(xué)家、作家兼政治家的富蘭克林(BenjaminFranklin)，他在1774年的文件中留下了這樣的描述：“不超過(guò)一茶匙的油，迅即地展開(kāi)為數(shù)平方碼，然后很驚人地慢慢擴(kuò)展，直到抵達(dá)在下風(fēng)處的水池邊緣，布滿了水池的那個(gè)區(qū)域，可能有半英畝（1英畝約為4000平方公尺）之廣，而表面平滑的像面鏡子?！?/p>

該薄膜的膜厚約為10?，是一個(gè)單分子膜層。薄膜科學(xué)的發(fā)展歷史薄膜科學(xué)的發(fā)展歷史

和液體薄膜相比較的話，固體薄膜的歷史比較淺短。在現(xiàn)今留下的紀(jì)錄里，最早的是1852年德國(guó)的化學(xué)家本生(RobertWilhelmBunsen)和Grove分別由化學(xué)反應(yīng)和輝光放電(glowdischarge)確認(rèn)了其所產(chǎn)生的固體薄膜。一般的固體薄膜，乃是由把原子或分子狀的蒸發(fā)粒子沉積（或稱蒸鍍）在表面平滑的基板表面上所獲得。而這類固體薄膜，一般就僅以薄膜來(lái)稱呼。

薄膜科學(xué)的發(fā)展歷史

我們一般可能沒(méi)有特別意識(shí)到薄膜的存在，不過(guò)事實(shí)上在日常生活當(dāng)中，我們可以見(jiàn)到各式各樣的薄膜。例如：

廚房用的鋁箔（厚度約0.02mm，20μm）；保鮮膜（厚度約15μm）；保護(hù)或裝飾物品表面的電鍍層或膠膜；油漆等較厚的膜；眼鏡、照相機(jī)鏡片上的防紫外線或是防眩光膜；

IC芯片及各種電子材料、裝置上的鍍膜等極薄的膜；下雨時(shí)車窗上的水膜，或是漂浮在湯汁上面的油膜等，則是屬于液體薄膜。

薄膜材料由于其在微觀結(jié)構(gòu)、宏觀性能等方面所具有的特殊性,在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人們的日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。薄膜材料研究不僅吸引了為數(shù)眾多的科技工作者,而且受到各國(guó)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。薄膜材料研究已經(jīng)滲透到物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)乃至生命科學(xué)等各個(gè)研究領(lǐng)域,薄膜科學(xué)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。薄膜科學(xué)的發(fā)展歷史從人類開(kāi)始制作陶瓷器皿的彩釉算起,薄膜的制備與應(yīng)用已經(jīng)有一千多年的發(fā)展歷史。從制備技術(shù)、分析方法、形成機(jī)理等方面系統(tǒng)地研究薄膜材料則起始于上世紀(jì)五十年代。直到上世紀(jì)80年代,薄膜科學(xué)才發(fā)展成為一門相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。促使薄膜科學(xué)迅速發(fā)展的重要原因是薄膜材料的強(qiáng)大的應(yīng)用背景、低維凝聚態(tài)理論的不斷發(fā)展和現(xiàn)代分析技術(shù)的出現(xiàn)及分析能力的不斷提高。薄膜科學(xué)的發(fā)展歷史（1）耐磨涂層減小零件或工具的機(jī)械磨損。例如TiN、TiC涂層。（2）耐熱涂層燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)等需要較高溫度使用的機(jī)械部件。增加其耐熱保護(hù)。（3）防腐涂層保護(hù)被涂層的部件，不受化學(xué)腐蝕性氣氛的浸蝕。應(yīng)用的領(lǐng)域包括石油化工、煤炭氣化及核反應(yīng)堆的機(jī)械部件涂層方面。薄膜科學(xué)的應(yīng)用TiC耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙洼磨損能力，適合于低速切削及磨損嚴(yán)重的場(chǎng)合；TiN涂層具有低的摩擦系數(shù)，潤(rùn)滑性能好，能減少切削熱和切削力，適合于產(chǎn)生融合和磨損的切削；Al2O3的高溫耐磨性、耐熱性和抗氧化能力比TiC和TiN好，月牙洼磨損率低，適合于高速、大切削熱切削；金剛石涂層硬度和熱導(dǎo)性高，摩擦系數(shù)很低，適合于有色金屬合金的高速切削；而復(fù)合涂層綜合幾種涂層材料的特點(diǎn)，目前以雙涂層和三涂層組合居多。2.金剛石薄膜金剛石具有一系列優(yōu)異的物理性質(zhì)，包括已知物質(zhì)中最高的硬度、耐磨性和彈性模量，極高的電阻率、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和很低的介電常數(shù)，寬的光譜透過(guò)范圍，極高的熱導(dǎo)率，極低的線膨脹系數(shù)，很寬的禁帶寬度，極高的載流子遷移率和極高的化學(xué)穩(wěn)定性。薄膜科學(xué)的應(yīng)用金剛石薄膜的應(yīng)用（1）力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用

利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉積在工具的表面，提高工具的使用壽命（2）熱學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用

利用其極高的熱導(dǎo)率。室溫下，金剛石的熱導(dǎo)率是銅的5倍。本身又是極好的絕緣材料。因此，金剛石薄膜可用于高功率光電子元件、激光器、集成電路芯片的散熱器材料。（3）電學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用

利用其高載流子遷移率、寬禁帶寬度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率和高飽和運(yùn)動(dòng)速度等優(yōu)點(diǎn)。使之成為制造高溫、高壓、高功率和高頻強(qiáng)輻射條件下工作的電子器件的絕好材料。

另外，利用金剛石膜制備的聲表面波器件使得工作頻率范圍大大增加；金剛石膜也是很好的光學(xué)窗口材料。薄膜科學(xué)的應(yīng)用3.薄膜科學(xué)在集成電路中的應(yīng)用

集成電路工藝中，氧化、涂膠等都涉及到了薄膜材料的制備問(wèn)題。其它的分離器件，如發(fā)光二極管、異質(zhì)結(jié)激光器、超晶格與量子阱結(jié)構(gòu)4.磁記錄薄膜和光存儲(chǔ)薄膜

薄膜磁頭、只讀（ROM）光盤、一次寫入（WORM）式光盤、可擦重寫（E-DRAW)式光盤、直接重寫式光盤薄膜科學(xué)的應(yīng)用在信息顯示技術(shù)中的應(yīng)用薄膜科學(xué)的應(yīng)用在信息存貯技術(shù)中的應(yīng)用薄膜科學(xué)的應(yīng)用在日常生活中的應(yīng)用薄膜科學(xué)的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用薄膜科學(xué)的應(yīng)用薄膜的分類薄膜在當(dāng)今和未來(lái)都擁有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是微電子和光電子領(lǐng)域。按功能和應(yīng)用領(lǐng)域分類：電子薄膜光學(xué)薄膜硬質(zhì)薄膜、耐蝕薄膜、潤(rùn)滑薄膜裝飾薄膜包裝薄膜生物薄膜其它薄膜的分類電子薄膜：

半導(dǎo)體器件與集成電路中使用的導(dǎo)電和介電材料薄膜超導(dǎo)薄膜光電子器件中使用的功能薄膜薄膜敏感元件和固態(tài)傳感器薄膜薄膜電阻薄膜太陽(yáng)能電池平板顯示器件薄膜聲表面波濾波器磁記錄薄膜和薄膜磁頭靜電復(fù)印機(jī)磁鼓薄膜薄膜的分類裝飾薄膜：廣泛用于燈具、玩具、汽車等交通工具；家用電器、鐘表、工藝美術(shù)、日用小商品等。包裝薄膜：鍍鋁紙（香煙）、鍍鋁滌綸薄膜（食品、糖果、茶葉、咖啡等）

薄膜生長(zhǎng)理論和薄膜制備技術(shù)；薄膜的結(jié)構(gòu)、成分和微觀狀態(tài)；薄膜的宏觀特性及其應(yīng)用；薄膜的研究方法。薄膜科學(xué)的研究?jī)?nèi)容

薄膜研究是以薄膜制備為起點(diǎn)的,因此,薄膜生長(zhǎng)理論和薄膜制備技術(shù)是薄膜材料研究的基礎(chǔ)。薄膜科學(xué)涉及的領(lǐng)域：薄膜科學(xué)的研究?jī)?nèi)容

涉及材料學(xué)、化學(xué)、物理化學(xué)、表面物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、電子學(xué)等內(nèi)容。界面和表面結(jié)構(gòu)薄膜的缺陷和固體擴(kuò)散薄膜的成核和生長(zhǎng)薄膜表面動(dòng)力學(xué)薄膜反應(yīng)、界面擴(kuò)散和界面遷移薄膜物理性能薄膜科學(xué)的研究?jī)?nèi)容薄膜科學(xué)中的熱點(diǎn)問(wèn)題：薄膜成長(zhǎng)的過(guò)程與影響因素蒸鍍技術(shù)－熱蒸鍍、電子束蒸鍍、離子束輔助蒸鍍、分子束薄膜成長(zhǎng)

濺鍍技術(shù)－DC濺鍍、RF濺鍍、反應(yīng)濺鍍、磁控原理化學(xué)氣相鍍膜技術(shù)－常壓CVD、低壓CVD、電漿輔助CVD

薄膜生長(zhǎng)技術(shù)－材料匹配、應(yīng)力層超晶格、低溫生長(zhǎng)薄膜間的反應(yīng)、相互擴(kuò)散、電遷移等現(xiàn)象薄膜分析方法－結(jié)晶結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、表面及界面分析、顯微分析

薄膜科學(xué)的基本概念differentfrombulkmaterialsThinfilmsmaybe:notfullydenseunderstressdifferentdefectstructuresfrombulkquasi-twodimensional(verythinfilms)stronglyinfluencedbysurfaceandinterfaceeffectsThiswillchangeelectrical,magnetic,optical,thermal,andmechanicalproperties.薄膜的特性：薄膜科學(xué)的基本概念Typicalstepsinmakingthinfilms:emissionofparticlesfromsource(heat,highvoltage...)transportofparticlestosubstrate(freevs.directed)condensationofparticlesonsubstrate(howdotheycondense?)Howdothevariableseffectfilmstructureandproperties?薄膜科學(xué)的基本概念涉及的物理內(nèi)容：thermodynamicsandkineticsphasetransition-gascondensestosolidnucleationgrowthkineticsactivatedprocessesdesorptiondiffusionallowedprocessesandallowedphases薄膜科學(xué)的基本概念

solidstatephysicscrystallographydefectsbondingelectricityandmagnetismopticsconductivity-resistivitymagneticpropertiesmechanicsstressesinfilmsfrictionandwear本課程的主要內(nèi)容薄膜的制備技術(shù)

蒸發(fā)鍍膜技術(shù)Vaporation濺射鍍膜技術(shù)Sputtering離子鍍膜技術(shù)IonPlating分子束外延技術(shù)MBEMoleculeBindingEpitaxy化學(xué)氣相沉積技術(shù)CVDChemicalVapordeposition

LB技術(shù)

Sol-Gel技術(shù)薄膜物理本課程的主要內(nèi)容

薄膜形成機(jī)理和物理模型包括薄膜凝結(jié)過(guò)程、核形成和生長(zhǎng)、生長(zhǎng)模式等薄膜結(jié)構(gòu)和缺陷包括薄膜的組織結(jié)構(gòu)（非晶、纖維、單晶