華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料化學(xué)第講薄膜與涂層

1、10.1 薄膜的例子10.2 薄膜的定義10.3 薄膜的特性10.4 薄膜的分類10.5薄膜材料的研究進(jìn)展10.6 薄膜的應(yīng)用舉例10.7薄膜的制備技術(shù)10.8薄膜的厚度10.9 基片材料10 薄膜與涂層2022/9/181主要參考書 田民波、劉德令：薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社，1991 胡傳炘、宋幼慧：涂層技術(shù)原理及應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2000 楊烈宇、關(guān)文鐸等：材料表面薄膜技術(shù)，人民交通出版社，1991吳自勤、王兵: 薄膜生長(zhǎng)，科學(xué)出版社2022/9/182以下參考書主要是薄膜生長(zhǎng)理論：Introduction to Surface and Thin Film Processes

2、John A.Venables, 世界圖書出版公司 () Crystal Growth for Beginners: Fundamentals of Nucleation, Crystal Growth, and Epitaxy, Markov, Ivan V. 世界圖書出版公司Advanced Epitaxy for Future Electronics, Optics, and Quantum Physics, Gossard, A. C. National Academies Press 上述電子書可在線閱讀 2022/9/18310.1 薄膜示例2022/9/184薄膜示例2022/9

3、/185薄膜示例2022/9/186SAMFETRef: Schon, et al., nature Vol. 413, pp. 713 2001Self-Assemble Monolayer薄膜示例2022/9/187Langmuir-Blodgett films薄膜示例2022/9/188薄膜示例2022/9/189薄膜示例2022/9/18102022/9/1811生活中處處都可以發(fā)現(xiàn)薄膜 夏天到了，戴上你的墨鏡，你可能就開始和薄膜同行了。鍍膜眼鏡可以保護(hù)眼睛不受紫外線傷害，同時(shí)又具有裝飾效果。 給朋友送點(diǎn)禮物？最好還是請(qǐng)售貨員包裝一下。五顏六色的包裝紙表面可能就是金屬薄膜。 想輕松一下

4、的話，聽聽 CD 吧。注意別弄臟了光盤表面。那可是一層很的薄膜哦。那么先來看看光盤吧，看看薄膜在哪里。2022/9/1812只讀式光盤：在聚碳酸脂盤面上復(fù)制記錄信息，而后在沉積鋁質(zhì)發(fā)射膜，最后在表面沉積一層平整的保護(hù)膜。(看來并不嬌氣) 讀取信號(hào)時(shí)，用激光照射盤面，反射光就帶有盤面上已記錄的信息，這些信息進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為音響和圖象。一次寫入式光盤：用較大功率的激光照射記錄介質(zhì)薄膜材料 (如硒、碲等)，使其局部蒸發(fā)形成小孔或氣泡，或使介質(zhì)薄膜的光學(xué)性能發(fā)生變化，從而完成信息記錄。讀取時(shí)用較小功率的激光照射介質(zhì)薄膜。2022/9/1813生活中還有其他例子嗎？看看你的手表，表面有一層防磨損、抗氧化的薄

5、膜；(碳化鈦、氮化鋯或氮化鈦)鍍金首飾塑料薄膜？No, it cannot be called thin film!Now, what is the so-called “Thin Solid Film”?2022/9/181410.2 薄膜的定義在現(xiàn)有的各種有關(guān)的印刷型書籍或電子型書籍中尋找薄膜的定義是一件很困難同時(shí)也很令人尷尬的事情。2022/9/1815 雖然薄膜 (Thin Film) 這個(gè)詞是完全自然出現(xiàn)的，與類似的詞匯 “涂層 (Coating)”等有完全相同的意義，但有時(shí)其間又有些差別。然而，使用這些詞匯的人卻未必都已明確它們的物理概念。象“薄膜”這個(gè)概念，實(shí)際上是很復(fù)雜的，要下

6、一個(gè)確切的定義是會(huì)有一定風(fēng)險(xiǎn)的。即使對(duì)于作者來說，今天在使用這個(gè)詞時(shí)，頭腦中的概念也不能說是已完全清楚。 田民波、趙乃石2022/9/1816涂 層 涂層目前還沒有一個(gè)明確的、統(tǒng)一的定義。涂層、薄膜是同一個(gè)概念還是有所不同，或者彼此間有什么關(guān)系，仍然沒有一個(gè)明確的、統(tǒng)一的說法。 涂層可以定義為用物理的、化學(xué)的、或者其他方法，在金屬或非金屬基體表面形成的一層具有一定厚度的不同于基體材料且具有一定的強(qiáng)化、防護(hù)或特殊功能的覆蓋層。 通常的看法是極薄的“涂層”就是“薄膜”。 胡傳炘、宋幼慧2022/9/1817那么，請(qǐng)教一下材料學(xué)泰斗吧！ 師昌緒主編的“材料大辭典”中沒有“薄膜”和“涂層”這兩個(gè)詞條。

7、967 頁(yè)有一詞條：“涂層材料 (醫(yī)用)”。解釋為：作為生物醫(yī)學(xué)材料使用的涂層材料，以固體材料為基體，利用某種工藝技術(shù)在其表面形成一層同質(zhì)或異質(zhì)或異質(zhì)薄膜而構(gòu)成的 一類醫(yī)用表面復(fù)合材料。 涂層薄膜？ 2022/9/1818郁悶！“薄膜”到底是什么東西?只可意會(huì)不可言傳2022/9/1819如何意會(huì)薄膜這個(gè)概念？田民波語(yǔ)錄首先應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“薄膜”這個(gè)詞的宏觀概念：薄膜是兩個(gè)幾何學(xué)平行平面之間所夾的物質(zhì)；同時(shí)，薄膜又是現(xiàn)實(shí)中存在的物體。其次，關(guān)于薄膜的“薄”：可以把膜層無基片而能獨(dú)立成形的厚度作為薄膜厚度的一個(gè)大致的標(biāo)準(zhǔn)，這一厚度大約為 1 微米，是采用常規(guī)方法所能制得的薄膜膜厚的上限。關(guān)于薄膜材料：

8、一般指固體。但是氣體薄膜和液體薄膜也是存在的，只是研究不多。常規(guī)意義上的固體薄膜都是依附于基體的。2022/9/1820弄不明白那就借用一下涂層的概念吧。反正涂層 薄膜2022/9/1821 薄膜 ( 涂層) 可以定義為：用物理的、化學(xué)、或者其他方法，在金屬或非金屬基體表面形成的一層具有一定厚度、不同于基體材料且具有一定的強(qiáng)化、防護(hù)或特殊功能的覆蓋層。2022/9/1822這個(gè)定義中涉及到了以下一些問題薄膜或者涂層應(yīng)該有“一定的厚度”。這個(gè)厚度是多少？薄膜或者涂層是“不同于基體材料”的一個(gè)覆蓋層。這個(gè)覆蓋層是一種什么材料？薄膜或者涂層是怎么形成的？薄膜或者涂層是如何附著在基體上的？薄膜或者涂層

9、有“一定的功能”。是什么功能？2022/9/1823從厚度角度區(qū)分薄膜和涂層關(guān)于薄膜的“薄”：可以把膜層無基片而能獨(dú)立成形的厚度作為薄膜厚度的一個(gè)大致的標(biāo)準(zhǔn)，這一厚度大約為 1 微米，是采用常規(guī)方法所能制得的薄膜膜厚的上限。涂層的厚度一般大于 10 微米。但是這并不是嚴(yán)格的區(qū)分。在很多場(chǎng)合涂層和薄膜僅僅是一個(gè)說法的不同。有些場(chǎng)合用“涂層”這個(gè)詞似乎更合適一些。 油漆、SiC包覆、家電的電鍍層等相當(dāng)于薄膜厚度來說，薄膜其他兩個(gè)方向的尺度可以認(rèn)為是無窮大。因此，薄膜是一種低維材料。2022/9/1824從功能角度區(qū)分薄膜和涂層薄膜更傾向于使用自身的性能，大多數(shù)情況下基體只是一個(gè)載體；涂層則傾向于對(duì)

10、基體性能做一些補(bǔ)充。2022/9/1825薄膜由什么材料構(gòu)成？薄膜的分類從材料種類角度：薄膜材料可以是任意一種可能的材料：高分子、金屬及合金、非金屬、半導(dǎo)體、化合物、陶瓷等等 有機(jī)薄膜、無機(jī)薄膜、金屬薄膜等從材料結(jié)構(gòu)角度：薄膜材料可以是多晶的、單晶的、非晶態(tài)的等等 單晶薄膜、多晶薄膜、非晶薄膜從材料性能角度：硬質(zhì)薄膜、聲學(xué)薄膜、熱學(xué)薄膜、金屬導(dǎo)電薄膜、半導(dǎo)體薄膜、超導(dǎo)薄膜、介電薄膜、磁阻薄膜、光學(xué)薄膜等2022/9/1826薄膜是怎樣形成的？ 從制造方法看，傳統(tǒng)的制備技術(shù)包括電鍍、化學(xué)鍍、絲網(wǎng)印刷、刷鍍、噴涂等，制得的薄膜嚴(yán)格意義上說可能屬于涂層。 現(xiàn)代薄膜一般都需要在真空中，通過氣相沉積的方

11、法來制取。這樣制備的薄膜厚度均勻、表面光滑、而且厚度和成分可以控制、質(zhì)量高、性能好。2022/9/1827Why Thin Films?2022/9/182810.3 薄膜的特性用料少，成本方面考慮新的效應(yīng)新的材料容易實(shí)現(xiàn)多層膜薄膜和基片的粘附性薄膜的內(nèi)應(yīng)力缺陷2022/9/18291.薄膜所用原料少，容易大面積化，而且可以曲面加工。(研究和使用成本) 例：金箔、飾品、太陽(yáng)能電池，GaN，SiC，Diamond2022/9/18302.新的效應(yīng) 某一維度很小、比表面積大 例：限域效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)、耦合效應(yīng)，隧穿效應(yīng)、極化效應(yīng)2022/9/1831限域效應(yīng)出現(xiàn)亞能帶，d較小時(shí)產(chǎn)生能隙2022

12、/9/1832二維體系中的電子態(tài)密度2022/9/1833半導(dǎo)體異質(zhì)界面二維電子氣2022/9/1834量子霍爾效應(yīng)2022/9/1835通過退火控制帶隙2022/9/1836Science，306， 1915（2004）Tc (black solid dots) and the density of states (red stars) as a function of Pb film thickness2022/9/1837極化效應(yīng)Nature, 406, 865(2000)2022/9/1838photoluminescence spectra of a series of GaN/Al

13、xGa1-xN double heterostructures (DHs) Phy.Rev B, 57, R9435(1998)可以通過改變薄膜的厚度或者外加偏壓來調(diào)節(jié)發(fā)光的波長(zhǎng)2022/9/1839表面和界面效應(yīng)：對(duì)電導(dǎo)的影響s q2nt/m*電導(dǎo)厚度減小2022/9/1840耦合效應(yīng)ZnO層厚度分別為(a) 0.75 nm, (b) 1.25 nm, (c) 2.0 nm, and (d) 2.5 nm 的MgO/ZnO 多層膜。MgO1.0nmAppl.Phys.Lett. 83, 2010(2003)2022/9/18413.可以獲得常態(tài)下不存在的非平衡和非化學(xué)計(jì)量比結(jié)構(gòu)Diamond

14、: 工業(yè)合成, 2000，5.5萬大 氣壓, CVD生長(zhǎng)薄膜:常壓，800度.MgxZn1-xO: 體相中Mg的平衡固溶度為0.04, PLD法生長(zhǎng)的薄膜中，x可01.2022/9/1842完全不同的薄膜材料形成異質(zhì)結(jié)4.容易實(shí)現(xiàn)多層膜相互作用與功能集成2022/9/1843多功能薄膜：太陽(yáng)能電池超晶格：GaAlAs/GaAs2022/9/18442022/9/18455.薄膜和基片的粘附性范德瓦耳斯力：r為分子間距，a為分子的極化率，I為分子的離化能2022/9/1846靜電力: s為界面上出現(xiàn)的電荷密度， e0為真空中的介電常數(shù)。互擴(kuò)散考慮表面能浸潤(rùn)利用交替吸附生長(zhǎng)多層膜2022/9/18

15、476.薄膜的內(nèi)應(yīng)力晶格常數(shù)失配，熱膨脹系數(shù)失配壓應(yīng)力、張應(yīng)力本征應(yīng)力: 由于薄膜中缺陷的存在非本征應(yīng)力：由于和薄膜的附著應(yīng)變能：厚度d，彈性模量E，內(nèi)應(yīng)力s可以估算膜厚 SiC/Si應(yīng)變硅2022/9/18487.通常存在大量的缺陷Chemical Vapor Deposition (CVD)Molecular beam epitaxy (MBE)，Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)濺射、蒸發(fā)、微波、熱絲、sol-gel、電沉積基板溫度越低，點(diǎn)缺陷和空位密度越大成核取向不一樣2022/9/184910.4 薄膜的分類從功能上分：電學(xué)薄

16、膜，光學(xué)薄膜，磁性薄膜，保護(hù)膜，裝飾用膜、包裝膜從結(jié)構(gòu)上分：無機(jī)薄膜，有機(jī)分子膜，單晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，多孔膜2022/9/1850電學(xué)薄膜：（1）半導(dǎo)體器件與集成電路中的導(dǎo)電材料與 介質(zhì)薄膜材料Al, Cr, Pt, Au, Cu, 多晶硅， 硅化物，SiO2, Si3N4, Al2O3（2）超導(dǎo)薄膜 YBaCuO, BiSrCaCuO， TlBaCuO等高溫超導(dǎo)材料（3）光電子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si:H a-SiGe:H, a-SiC:H等晶態(tài)和非晶態(tài)薄膜2022/9/1851（4）薄膜傳感器 可燃性氣體傳感器SnO2， 氧敏傳感

17、器ZrO2, 熱敏傳感器Pt, Ni, SiC, 離子敏傳感器Si3N4,Ta2O5（5）薄膜電阻、電容、阻容網(wǎng)絡(luò)與混合集成 電路，低電阻率：Ni-Cr， 高電阻率:Cr-SiO, 薄膜電容：Zn，Al（6）薄膜太陽(yáng)能電池: 非晶硅、CuInSe2, CdSe2022/9/1852（7）平板顯示器件： 液晶顯示、等離子體顯示、電致發(fā)光顯 示ITO透明電極，ZnS:Mn發(fā)光膜（8）ZnO、Ta2O3、AlN表面聲波元件（9）磁記錄薄膜與薄膜磁頭，CoCrTa、 CoCrNi，F(xiàn)eSiAl、巨磁阻材料（10）靜電復(fù)印材料Se-Te、SeTeAs、a-Si2022/9/1853光學(xué)薄膜：（1）減反射

18、膜：相機(jī)、攝像機(jī)、投影儀、 望遠(yuǎn)鏡等MgF2，SiO2，ZrO2，Al2O3 紅外設(shè)備鏡頭上的ZnS，CeO2，SiO（2）反射膜：太陽(yáng)能接收器、鍍膜反射鏡、 激光器用的高反射率膜（3）分光鏡和濾波片：如彩色擴(kuò)印設(shè)備上2022/9/1854（4）鍍膜玻璃：建筑、汽車隔熱（5）光存儲(chǔ)薄膜：光盤、唱片 Te81Ge15S2Sb2，TbFeCo（6）集成光學(xué)元件與光波導(dǎo)中的介質(zhì)薄膜與半導(dǎo)體薄膜磁性薄膜：硬盤，內(nèi)存，磁帶2022/9/1855保護(hù)膜：（1）硬質(zhì)膜，刀具、磨具表面的TiN，TiC， 金剛石、C3N4，c-BN（2）耐腐蝕膜，非晶鎳膜，不銹鋼膜，抗 熱腐蝕的NiCrAlY等（3）潤(rùn)滑膜 M

19、oS2，MoS2-Au，MoS2-Ni， Au，Ag，Pb2022/9/185610.5 薄膜材料研究進(jìn)展（1）新型半導(dǎo)體薄膜：GaN，SiC， ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H 改進(jìn)工藝，降低成本，研究新的應(yīng)用（2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4 BCN（3）納米薄膜材料（4）超晶格和量子阱薄膜（5）無機(jī)光電薄膜材料：III-V，II-V2022/9/1857（6）Spintronics薄膜、稀磁半導(dǎo)體薄膜 ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn（7）有機(jī)薄膜微電和光電材料（OLED) 需要提高效率和可靠性（8）High-K、Low-K材料更快的速度、 更

20、高的集成度、更低的能耗，含氟氧 化硅、HfO2、ZrO2 （9）高溫超導(dǎo)和巨磁阻（10）有機(jī)薄膜及有機(jī)-無機(jī)混合薄膜（11）新型薄膜2022/9/185810.6 薄膜的應(yīng)用舉例集成電路計(jì)算機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)，Mp32022/9/1859磁記錄及硬盤系統(tǒng)Liquid lubricant 1-2 nmDLC 10-30 nmMagnetic coating 25-75 nmAl-Mg/10 m NiP or Glass-ceramic 0.78-1.3 mmThe surface of stretched (12%) video tape with DLC-layer with a thickne

21、ss of 30 nm.The surface of stretched (12%) video tape without DLC-layer.2022/9/1860超薄電視，顯示器等離子體電視2022/9/1861液晶電視2022/9/1862Ultraviolet LED2022/9/1863微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)，納電機(jī)系統(tǒng)(NEMS)2022/9/18642022/9/1865微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)，納電機(jī)系統(tǒng)(NEMS)2022/9/1866微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)納電機(jī)系統(tǒng)(NEMS)380 MHz2022/9/1867薄膜加工：2022/9/186810.7 薄膜的制備技術(shù) 薄膜制

22、備的過程是將一種材料 (薄膜材料) 轉(zhuǎn)移到另一種材料 (基片) 的表面，形成和基片牢固結(jié)合的薄膜的過程2022/9/1869任何的薄膜制備過程都包括源蒸發(fā)、遷移和凝聚這三個(gè)重要環(huán)節(jié)。 “源”的作用是提供鍍膜的材料，通過物理的或化學(xué)的方法使鍍膜材料成為氣態(tài)物質(zhì) “遷移”是一般是在氣相中進(jìn)行的。維保證質(zhì)量，一般都是在真空或惰性氣氛中進(jìn)行，并施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)或高頻等外界條件以提供遷移及化學(xué)反應(yīng)所需的能量 “凝聚 ”即鍍膜材料在基片表面的沉積。2022/9/1870薄膜制備技術(shù)的分類物理氣相沉積法 真空蒸鍍、離子鍍、濺射化學(xué)氣相沉積法 熱分解反應(yīng)、化合反應(yīng)、化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)2022/9/1871物理氣相沉積

23、法：真空蒸鍍 在103 104 Pa的壓力下，采用各種形式的熱能轉(zhuǎn)換方式使鍍膜材料蒸發(fā)，并成為具有一定能量的氣態(tài)粒子 (原子、分子或原子團(tuán))，蒸發(fā)的氣態(tài)粒子通過基本上無碰撞的直線運(yùn)動(dòng)傳輸?shù)交砻?，凝聚成薄膜?對(duì)鍍膜材料進(jìn)行加熱的方式主要有：電阻加熱、電子束加熱、激光加熱、高頻感應(yīng)加熱等。2022/9/1872電阻加熱2022/9/1873電阻加熱所用設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、使用可靠，可用于熔點(diǎn)不太高的材料 (低于1300C) 的蒸發(fā)鍍膜，尤其適用于對(duì)鍍膜質(zhì)量要求不太高的大批量的生產(chǎn)。值得注意的是加熱器材料的選擇，加熱器材料的使用溫度應(yīng)該低于其平衡蒸氣壓為 10-6Pa 時(shí)的溫度，同時(shí)加熱器

24、材料應(yīng)該不會(huì)與鍍膜材料發(fā)生反應(yīng)。常用的加熱器材料為W、Ta 和 Mo 等高熔點(diǎn)金屬。近年來，由 BN 合成的導(dǎo)電陶瓷作為加熱器得到應(yīng)用。此外，石墨也是一種較好的加熱器材料。電阻加熱的最大問題時(shí)加熱器材料對(duì)膜的污染。2022/9/1874電子束加熱2022/9/1875電子束加熱功率密度大，可以熔化包括W、Mo、Ta等在內(nèi)的幾乎所有導(dǎo)體材料。鍍料是裝在水冷坩堝里的，只有被電子轟擊的部位局部熔化，因此不存在鍍料污染問題。存在的主要問題： 膜厚的不均勻 高溫下鍍料的分解 (合金或化合物)2022/9/1876蒸發(fā)粒子在基片上的不均勻沉積解決方案：(1) 選擇合適的夾具，使基片在沉積過程中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)；(

25、2) 填入少量惰性氣體，使蒸發(fā)粒子在沉積前發(fā)生多次碰撞從而改變運(yùn)動(dòng)方向和沉積位置。2022/9/1877在真空蒸鍍合金和化合物時(shí)，存在著蒸發(fā)材料在高溫下分解和具有不同飽和蒸氣壓的組分以不同速度蒸發(fā)的問題。因而沉積得到的薄膜成分一般不同于蒸發(fā)材料的成分。這一現(xiàn)象在電子束加熱的沉積過程中尤為顯著。2022/9/1878高頻感應(yīng)加熱熱效率高、蒸發(fā)量大、設(shè)備簡(jiǎn)單，已經(jīng)得到工業(yè)應(yīng)用。例如在鋼帶上連續(xù)真空鍍鋁。2022/9/1879激光加熱溫度高、但成本也高，應(yīng)用因此受到限制。2022/9/1880化學(xué)氣相沉積制備薄膜化學(xué)氣相沉積是指利用流經(jīng)基片表面的氣態(tài)物質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)，在基片表面形

26、成薄膜的方法。CVD制備薄膜的關(guān)鍵在于：針對(duì)于具體的基片材料選擇合適的容易操作的氣相反應(yīng)。2022/9/1881CVD：熱分解反應(yīng)在簡(jiǎn)單的單溫區(qū)爐中，在真空或惰性氣氛下加熱基片至一定溫度，通入反應(yīng)氣體；流經(jīng)基片表面的反應(yīng)氣體在基片表面分解，產(chǎn)生所需的固態(tài)生成物沉積在基片上形成薄膜。主要反應(yīng)物材料包括：金屬有機(jī)化合物、氫化物；金屬鹵化物；硼的氮化物、氫化物；IV族氫化物、氯化物；VIII族的羰基氫化物、氯化物以及一些氣態(tài)的絡(luò)合物、化合物等2022/9/1882硅烷的熱分解半導(dǎo)體薄膜2022/9/1883CVD：化合反應(yīng)由兩種或兩種以上氣態(tài)反應(yīng)物在熱的基片表面發(fā)生反應(yīng)，生成且只生成一種固態(tài)產(chǎn)物。與

27、熱分解相反。硬質(zhì)耐磨性薄膜2022/9/1884CVD：化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)以目標(biāo)沉積物為源物質(zhì)，某種氣體介質(zhì) (輸運(yùn)劑) 與其在源區(qū)反應(yīng)生成氣態(tài)化合物；該化合物經(jīng)載氣攜帶或化學(xué)遷移被輸運(yùn)到沉積區(qū) (該區(qū)溫度與源區(qū)不同)，并在基片上發(fā)生逆反應(yīng)，重新生成目標(biāo)物質(zhì)，在基片上沉積成為薄膜。2022/9/1885源區(qū)反應(yīng)：從左到右沉積區(qū)反應(yīng)：從右到左生成半導(dǎo)體薄膜2022/9/1886制備薄膜的其他化學(xué)方法舉例化學(xué)鍍：利用還原劑，在鍍層物質(zhì)的溶液中進(jìn)行還原反應(yīng)，在鍍件的固液兩相界面上析出和沉積得到鍍層電化學(xué)沉積溶膠凝膠法更多的方法請(qǐng)參閱田民波等編著的薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊(cè)上冊(cè)2022/9/188710.8 薄膜的

28、厚度厚 度：兩個(gè)完全平整的平行表面之間的距離。理想情況下的薄膜厚度：基片表面和薄膜表面之間的距離。由于實(shí)際的薄膜表面一般是不平整、不連續(xù)的，因此實(shí)際薄膜的厚度與測(cè)試方法和測(cè)量的目的有關(guān)。2022/9/1888實(shí)際薄膜中幾種可能的表面形貌2022/9/1889在薄膜厚度測(cè)量中所指的表面不是一個(gè)幾何概念，而是一個(gè)物理概念，是指表面分子 (原子) 的集合。圖中曲折的粗線為薄膜表面。定義一個(gè)平均表面，使得薄膜表面上所有的分子 (原子) 到這個(gè)面的距離的代數(shù)和等于零。圖中水平直線即為平均表面。2022/9/1890一、薄膜厚度測(cè)量中的幾個(gè)基本概念基片表面 SS：薄膜在基片一側(cè)的平均表面形狀表面 ST ：

29、薄膜不與基片接觸的一側(cè)的平均表面質(zhì)量等價(jià)表面 SM：將所測(cè)量的薄膜表面的原子重新排列，使其密度和大塊固體材料完全一樣且均勻分布在基片表面上，這時(shí)的平均表面稱為薄膜的質(zhì)量等價(jià)表面物性等價(jià)表面 SP：根據(jù)所測(cè)薄膜的物理性質(zhì)等效為一種長(zhǎng)度和寬度與所測(cè)量的薄膜一樣的大塊體固體材料的薄膜，這時(shí)的平均表面稱為薄膜的物性等價(jià)表面2022/9/1891形狀膜厚dT：SS 和ST之間的距離質(zhì)量膜厚dM：SS 和SM之間的距離物性膜厚dP：SS 和SP之間的距離2022/9/1892 形狀膜厚 dT 是最接近直觀形式的膜厚；形狀膜厚 dM 反映了薄膜中包含物質(zhì)的多少；物性膜厚 dP 在實(shí)際使用中較為實(shí)用，而且比較

30、容易測(cè)量。 一般情況下，dT dM dP 由于實(shí)際表面并不平整，同時(shí)薄膜制作過程中又不可避免的要產(chǎn)生各種缺陷、雜質(zhì)和吸附分子等，因此不管用哪一種方法定義和測(cè)量的膜厚，都是一個(gè)平均值，而且是包括了雜質(zhì)、缺陷和吸附分子等在內(nèi)的薄膜的厚度值2022/9/1893二、形狀膜厚的測(cè)量方法：光學(xué)法最簡(jiǎn)單的光學(xué)法： 試樣沿垂直于薄膜表面的方向切斷后，用環(huán)氧樹脂鑲嵌、磨平、拋光并用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)腐蝕劑侵蝕。在顯微鏡或掃描電鏡觀察并測(cè)量。 將薄膜和基片斜向切斷可以提高測(cè)量的精度； 光學(xué)法適用于金屬基片上沉積金屬膜的厚度的測(cè)量，精度一般可以達(dá)到 0.1 m。2022/9/1894多光束干涉儀 (MBI) 法基本原理：

31、從光源 S 發(fā)出的光在 A 點(diǎn)處一部分被反射，通過物鏡 DE 在透鏡焦平面上的點(diǎn) P 處成像，另一部分則在到達(dá)基片表面后被反射、折射，而后通過物鏡在透鏡焦平面上成像。如果兩個(gè)像重合，則產(chǎn)生干涉效果。2022/9/1895 兩束反射光的干涉條件與入射光的波長(zhǎng)、薄膜的厚度以及薄膜、基片的折射率等有關(guān)。根據(jù)簡(jiǎn)單的分析，就可以得到由干涉條紋確定薄膜厚度的計(jì)算公式。 理想情況下，MBI 法測(cè)量精度可以達(dá)到 2 3 nm；一般情況下精度也可以達(dá)到 5 10 nm。 具體的理論推導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)操作參見：田民波等編著薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊(cè)。2022/9/1896形狀膜厚的測(cè)量方法：機(jī)械法基本原理：在薄膜制作時(shí)特意遮蓋住

32、基片的某一部位，薄膜制作完成后，這一部位成為厚度量測(cè)的基準(zhǔn)面；用觸針式光潔度測(cè)量器或空氣測(cè)微器測(cè)出厚度變化曲線，即可確定薄膜厚度。2022/9/1897觸針式光潔度測(cè)量器得到的厚度記錄曲線 測(cè)量精度可以達(dá)到 1nm 容易劃傷薄膜，僅適用于硬質(zhì)薄膜2022/9/1898空氣測(cè)微儀將具有臺(tái)階的試樣平貼在噴嘴處；根據(jù)噴嘴處的氣流量確定臺(tái)階的高度，即薄膜的厚度。2022/9/1899三、質(zhì)量膜厚的測(cè)量方法 微量天平測(cè)量法 石英晶體振蕩法 射線反散射法 X 射線熒光測(cè)厚法2022/9/18100微量天平測(cè)量法利用微量天平測(cè)量基片在鍍膜前后重量的變化，在根據(jù)增加的重量計(jì)算出平均膜厚測(cè)量操作簡(jiǎn)便，精度也較高

33、。如果天平的精度為 106 g，則在薄膜面積為1 cm2，比重為 10 的條件下，可以測(cè)出 1 nm 的膜厚對(duì)于容易吸濕的基片，測(cè)量誤差較大。2022/9/18101石英晶體振蕩法Quartz Crystal Oscillator，QCO 法可以作為薄膜沉積過程中膜厚的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法基本原理：石英晶體振蕩片的固有振動(dòng)頻率隨其質(zhì)量的變化而變化。在石英振蕩片上沉積了一層薄膜并且薄膜的質(zhì)量比石英振蕩片質(zhì)量小得多時(shí)，薄膜的沉積作用和石英片厚度增加的作用一樣，都將導(dǎo)致振蕩片的固有頻率發(fā)生變化，由此即可確定薄膜的厚度。2022/9/18102在實(shí)際應(yīng)用中，石英晶體探頭裝在真空室內(nèi)部靠近基片的位置處，以動(dòng)態(tài)檢

34、測(cè)薄膜沉積速率。以這一原理制成的水晶式膜厚測(cè)定儀已經(jīng)商品化。QCO 法測(cè)定膜厚的精度很高，可達(dá)1 nm。缺點(diǎn)很多：石英的振蕩頻率與溫度有關(guān)，所以需要恒溫處理；對(duì)于不同的材料，頻率變化與膜厚的關(guān)系需要分別校正；石英晶體清洗后固有頻率會(huì)發(fā)生漂移；等等2022/9/18103石英晶體探頭工作原理示意圖2022/9/18104四、物性膜厚的測(cè)量方法物質(zhì)的電阻、光吸收率等物理性質(zhì)與物質(zhì)的量有關(guān)，對(duì)薄膜來說就是與薄膜的厚度有關(guān)。因此通過測(cè)量物理性能，理論上就可以獲得薄膜的厚度數(shù)據(jù) 通常在薄膜厚度測(cè)量中最廣泛應(yīng)用的物理性質(zhì)時(shí)電學(xué)的和光學(xué)的性質(zhì)。2022/9/18105電學(xué)方法：電阻法基片兩端先沉積導(dǎo)電膜，然后進(jìn)行鍍膜，最后測(cè)定電阻。