薄膜課件緒論

1、 薄膜物理與制備技術(shù) (Thin films physics and prepare technologies)鄭偉濤 薄膜材料與薄膜技術(shù) 化學(xué)工業(yè)出版社出版社, 2004 教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)主要講述薄膜的基礎(chǔ)知識及應(yīng)用，真空技術(shù)基礎(chǔ)，薄膜制備方法，形成機(jī)制和原理以及薄膜各項物理性能和分析方法等。 通過本課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握薄膜基礎(chǔ)知識，了解薄膜材料的制備技術(shù)及檢測手段，為從事相關(guān)科研和生產(chǎn)工作奠定基礎(chǔ)。參考教材10/12/20221 提綱第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用第二章 真空技術(shù)基礎(chǔ)第三章 薄膜的制備技術(shù)實驗第四章 薄膜的形成和生長第五章 薄膜的表征第六章 常用的薄膜材料簡介實驗考試 薄膜物理

2、與制備技術(shù) (Thin films physics and prepare technologies)10/12/20222第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用薄膜的研究背景人類對自然的認(rèn)識及加工技術(shù)的發(fā)展米-毫米-微米-納米米(尺)年代遠(yuǎn)古時代,14-18世紀(jì)的手工工場技術(shù)10/12/20223毫米(1/1000米)時代18-19世紀(jì)以蒸氣機(jī)為代表的第一次工業(yè)革命毫米技術(shù)導(dǎo)致20世紀(jì)初葉一系列重大發(fā)現(xiàn):電子電磁波X-射線電燈電話真空管世界上第一只半導(dǎo)體晶體管(1947年,貝爾電話研究所)第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/20224占地面積達(dá)170平方米，重達(dá)30噸, 有成千上萬個電子管、二極管

3、、電阻器等元件，電路的焊接點多達(dá)50萬個, 耗電量超過174千瓦小時.1秒鐘內(nèi)進(jìn)行了5000次加法運算和500次乘法運算，是手工計算的20萬倍莫克利第一臺電腦誕生在情人節(jié) 1946年2月14日，在美國賓夕法尼亞大學(xué)的莫爾電機(jī)學(xué)院, “埃尼阿克”(ENIAC)誕生. 第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/20225微米(1/1000 000 米)技術(shù)20世紀(jì)60年代至今60年代開始以硅半導(dǎo)體集成技術(shù)為代表的第二次工業(yè)革命0.5微米技術(shù): 7.44x5.29平方毫米的硅片上制造了174569個CMOS晶體管 (1997年)第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/202261965年Intel公司

4、的創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore預(yù)言集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律集成電路的集成度每三年增長四倍，特征尺寸每三年縮小 倍第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/20227納米(1/1000 000 000 米)技術(shù)-21世紀(jì)的新課題1納米 = 1 億分之一的頭發(fā)絲 1納米 = 10 埃，進(jìn)入原子尺度目前，微電子工業(yè)加工精度已普遍進(jìn)入納米時代，納米管、納米線、納電子器件等成為新的研究熱點。正是對器件小型化的要求促使了薄膜技術(shù)的大發(fā)展。 第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/20228從三維到二維、再到一維、零維 半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料，一維量子線、零維量子點半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料 第一章 薄膜的

5、基本概念及應(yīng)用10/12/20229薄膜的基本概念Concept of Thin FilmWhat is a thin film ?二維材料：thin = less than about one micron ( 10,000 Angstroms,1000 nm)film = layer of material on a substrate第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/202210“不超過一茶匙的油，迅即地展開為數(shù)平方，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?！北∧た茖W(xué)的發(fā)展歷史薄膜

6、科學(xué)的發(fā)展History of thin Film美國著名的科學(xué)家、作家兼政治家的富蘭克林(Benjamin Franklin)，他在1774年的文件中留下了這樣的描述：第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/202211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年德國的化學(xué)家本生(Robert Wilhelm Bunsen)和Grove分別由化學(xué)反應(yīng)和輝光放電(glow discharge)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，一般就僅以薄膜來稱呼。薄膜科學(xué)

7、的發(fā)展History of thin Film第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/202212從人類開始制作陶瓷器皿的彩釉算起, 我國對薄膜的制備與應(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本世紀(jì)五十年代。直到本世紀(jì)80年代, 薄膜科學(xué)才發(fā)展成為一門相對獨立的學(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History of thin Film第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/202213等離子壁掛電視Plasma Display Pa

8、nel (PDP)1964年美國伊利諾斯大學(xué)就成功研制出了等離子顯示平板，但那時等離子顯示器為單色 A model relaxes in front of the Panasonic plasma HDTV screen at the Panasonic stand during the recent CeBIT computer fair in Hanover, Germany.現(xiàn)代薄膜技術(shù)的應(yīng)用10/12/202214 液晶顯示Liquid Crystal Display (LCD)、 STN（Super Twisted Nematic） TFT薄膜的應(yīng)用10/12/202215有機(jī)電致發(fā)

9、光 Organic Light Emitting Diode (OLED)1987年美國柯達(dá)公司的Tang和1990年英國劍橋大學(xué)Burroughes分別推出有機(jī)和高分子電致發(fā)光材料及器件 電致發(fā)光有廣泛的應(yīng)用前景，比如它將代替液晶，成為下一代超薄顯示器，具有其他超薄顯示器不可比擬的優(yōu)點，比如主動發(fā)光，大視角，高亮度，低電壓和節(jié)能等 三明治結(jié)構(gòu)薄膜的應(yīng)用10/12/202216 非晶硅(a-Si)薄膜太陽電池是在玻璃(glass)襯底上沉積 透明導(dǎo)電膜(TCO)，然后依次用等離子體反應(yīng)沉積p型、 i型、n型三層a-Si，接著再蒸鍍金屬電極鋁(Al).光從 玻璃面入射，電池電流從透明導(dǎo)電膜和鋁引

10、出，其結(jié)構(gòu) 可表示為glass/TCO/pin/Al，此外還有二硒化銅、銦、 鎵(CIGS)或碲化鎘(CdTe）等多種薄膜太陽能電池，是當(dāng)今產(chǎn)業(yè)熱點，其生產(chǎn)過程中多處要用到薄膜技術(shù)薄膜的應(yīng)用10/12/202217在信息存貯技術(shù)中的應(yīng)用compact diskrecordable Digital Video diskrecordable 薄膜的應(yīng)用10/12/202218在日常生活中的應(yīng)用薄膜的應(yīng)用10/12/202219The discovery of carbon nanotubesArmchair (5,5)Zigzag (9,0)Chiral (10,5)Iijima, Nature

11、(1991)Iijima et al., Nature (1993)Bethune et al., Nature (1993)The first TEM (Transmission Electron Microscope) image of multiwall carbon nanotubes:薄膜的應(yīng)用10/12/202220CNT is a next-generation display technology that its creators hope will deliver better picture quality thanexisting plasma and LCD TVs.

12、 Carbon Nanotube Television (CNT) 1995年，研究并證實了其優(yōu)良的場發(fā)射性1996年，我國科學(xué)家實現(xiàn)碳納米管大面積定向生長；1998年，應(yīng)用碳納米管作電子管陰極；1998年，使用碳納米管制作室溫工作的場效應(yīng)晶體管；1999年，韓國一個研究小組制成碳納米管陰極彩色顯示器樣管；2000年，日本科學(xué)家制成高亮度的碳納米管場發(fā)射顯示器樣管。薄膜的應(yīng)用10/12/202221在微電子工業(yè)中的應(yīng)用集成電路制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要反復(fù)用到 薄膜技術(shù) 薄膜技術(shù)是微電子技術(shù)的基礎(chǔ)，促進(jìn)了器件的小型化 晶體管在制造，器件的互連，金屬導(dǎo)電薄膜，鈍化膜以及封裝等均須用到薄膜技術(shù)薄膜的應(yīng)用1

13、0/12/202222薄膜在當(dāng)今和未來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、潤滑薄膜 裝飾薄膜 包裝薄膜 生物薄膜薄膜的分類第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/202223thermodynamics and kineticssolid state physicselectricity and magnetismmechanicsThin Film涉及的物理內(nèi)容薄膜科學(xué)逐漸發(fā)展成為一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科growth kineticscrystallographyconductivity - resistivity

14、magnetic propertiesopticsstresses in filmsfriction and wear第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/202224 蒸發(fā)鍍膜技術(shù) 濺射鍍膜技術(shù) 離子鍍膜技術(shù) 化學(xué)氣相沉積技術(shù) 分子束外延技術(shù) LB技術(shù) Sol-Gel技術(shù) 薄膜的制備技術(shù)第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用總體可分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積， Sol-Gel，新的制備技術(shù)也在不斷開發(fā)10/12/202225 薄膜成長的過程、機(jī)理與影響因素制備技術(shù)熱蒸鍍、電子束蒸鍍、離子束輔助蒸鍍、DC濺鍍、RF濺鍍、反應(yīng)濺鍍、磁控濺射；化學(xué)氣相鍍膜技術(shù)常壓CVD、低壓CVD、等離子CVD、共振C

15、VD；薄膜生長材料匹配、應(yīng)力層超晶格、低溫生長、分子束外延薄膜的表征技術(shù)-STM、TEM、 SEM、 XRD AFM薄膜科學(xué)中的熱點問題第一章 薄膜的基本概念及應(yīng)用10/12/202226Scanning Tunneling Microscopy = STMSTM was first invented by Gerd Binning and Hienrich Rohrer in 1981 at IBM Laboratories. They could get images that were ten angstroms square! Gerd BinningHienrich Rohrer薄膜

16、表征技術(shù)的新進(jìn)展10/12/202227Scanning Probe Microscope-NanoScopeSTM images of Sisurface10/12/202228The word IBM written with atoms deposited on a surface (from: IBM Research, Almaden). The smallest advertisement in the wordExamples by STM: Manipulation of atoms10/12/202229Examples by STM: Manipulation of atomsAtomic map of ChinaCarbon atoms on the surface of graphite10/12/202230Carbon60 on the Cu Surface Molecular abacusCo on the Pt Surface5 nm10/12/2