薄膜技術(shù)完整

薄膜技術(shù)與應(yīng)用緒論本課程與其它課程的關(guān)系課程特點(diǎn)交叉學(xué)科，內(nèi)容廣、注重實(shí)際問(wèn)題的解決課程要求學(xué)會(huì)運(yùn)用已經(jīng)學(xué)到的知識(shí)去解決實(shí)際中遇到的問(wèn)題。

薄膜技術(shù)半導(dǎo)體器件集成電路光電子技術(shù)固體物理和化學(xué)真空科學(xué)和技術(shù)表面科學(xué)晶體生長(zhǎng)材料表征技術(shù)薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論參考書(shū)物理部分:熱力學(xué)簡(jiǎn)程，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)導(dǎo)論，王竹溪著固體物理，黃昆原著韓汝琦改編薄膜物理，薛增泉，吳全德，李浩編著薄膜生長(zhǎng)，吳自勤，王兵著薄膜物理學(xué)，王守證編著表面物理導(dǎo)論，徐亞伯著固體的表面與界面，孫大明，席光康編著電子薄膜科學(xué)，黃信凡等譯;“ElectronicThinFilmScienceforElectiricalEngineersandMaterialsScientists”,King-NingTu(IBM)，JamesW.Mayer(Cornell),LeonardC.Feldman(AT&T)TheMaterialsScienceofThinFilms,MiltonOhring,電子薄膜材料，曲熹新等編著幾種新型薄膜材料，吳錦雷，吳全德主編固體的表面與界面，孫大明，席光康編著電子薄膜材料，曲熹新等編著材料部分:真空沉積技術(shù)，李學(xué)丹等編著技術(shù)部分:薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論緒論的內(nèi)容為什么要了解薄膜技術(shù)？什么是“薄膜”？薄膜的分類薄膜的基本特性薄膜的研究歷史薄膜的主要應(yīng)用薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論為什么要了解薄膜技術(shù)？

生活中的必要組成部分科技發(fā)展離不開(kāi)薄膜基礎(chǔ)研究離不開(kāi)薄膜薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論杰克·基比爾發(fā)明第一塊集成電路，德州儀器公司JackKilby’sfirstintegratedcircuit,testedonSeptember121958,(CourtesyTesasInstruments.Inc.)不超過(guò)4mm2集成了20多個(gè)電阻、電容和晶體管。薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論微電子領(lǐng)域的發(fā)展依賴薄膜技術(shù)和薄膜物理的研究薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論微電子領(lǐng)域在不斷研究發(fā)展新的器件微電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)電容高介電常數(shù)壓電性壓電性非易失性存儲(chǔ)器-記憶單元壓電性熱電的熱紅外開(kāi)關(guān)紅外傳感器鐵電性薄膜薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論新的器件需要薄膜技術(shù)不斷發(fā)展層間電介質(zhì)鐵電物質(zhì)擴(kuò)散勢(shì)壘垂直高密度非易失性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)橫向低密度非易失性存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論物理研究需要使用薄膜樣品

一些物理性質(zhì)的測(cè)量使用薄膜樣品比較方便，比如材料的電輸運(yùn)性質(zhì)一些特殊的物理性能需要使用薄膜器件來(lái)進(jìn)行測(cè)量，如隧道效應(yīng)利用多層膜技術(shù)可以制備出超晶格－制造新型具有人工微結(jié)構(gòu)的材料利用多層膜研究界面、異質(zhì)界面、材料間的相互作用薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論什么是“薄膜”？什么是“薄膜”（thinfilm），多“薄”的膜才算薄膜薄膜有時(shí)與類似的詞匯“涂層”（coating）、“層”（layer）、“箔”（foil）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)立成形的厚度作為薄膜厚度的一個(gè)大致的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其厚度約在1μm左右薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論Thinfilm：athinlayerofmaterialwiththethicknessof1nm-1um一開(kāi)始就由原子、分子或離子的沉積過(guò)程所形成的二維材料成為薄膜,其某一維尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩維上的尺寸薄膜定義薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論薄膜的分類從薄膜功能上分：半導(dǎo)體薄膜；導(dǎo)電薄膜；介質(zhì)薄膜；超導(dǎo)薄膜；超硬薄膜從薄膜物質(zhì)的晶態(tài)上分：?jiǎn)尉П∧?；多晶薄膜；非晶薄膜，納米晶膜、超晶格膜等從薄膜結(jié)構(gòu)上分：?jiǎn)螌幽?；多層膜；同質(zhì)外延；異質(zhì)外延；超晶格按化學(xué)組成分為：無(wú)機(jī)膜、有機(jī)膜、復(fù)合膜按相組成分為：固體薄膜、液體薄膜、氣體薄膜、膠體薄膜如何制作薄膜？1、制作方法簡(jiǎn)介2、氣化源的分類？3、薄膜的加工？薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬真空蒸發(fā)法（一）薄膜制備方法的分類物理沉積方法(PVD)化學(xué)沉積方法(CVD)氣相法液相法真空蒸發(fā)法濺射法離子束法微波等離子法熱絲法原子層法（ALD）金屬有機(jī)物法（MOCVD）常壓或低壓法，等離子增強(qiáng)常規(guī)真空蒸發(fā)法分子束外延法(MBE)激光脈沖法陽(yáng)極氧化法液相外延法電解電鍍法Sol-gelLBPECVD(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)--等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法ECVDLeftsideview19VECTORPECVDProcessmodule2021FI&TwinChamberOverview222mmAdvancedBevelEdgeControlMaximizeusageofwafersurfaceCompatiblewithimmersiontooldefectivitycontrol23Wafercenteringmechanism薄膜的基本特性同塊體材料相比，薄膜易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，即薄膜的物性受到薄膜厚度的影響薄膜表面積很大，表面效應(yīng)很顯著，表面能、表面態(tài)、表面散射和表面干涉對(duì)它的物性影響很大薄膜中包含有大量的表面晶粒間界和缺陷態(tài)，對(duì)電子輸運(yùn)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，存在粘附性，附著力，以及內(nèi)應(yīng)力的問(wèn)題（1）表面能級(jí)很大

表面能級(jí)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)的周期性也受到影響。（把表面考慮在內(nèi)的電子波函數(shù)已由塔姆（Tamm）在1932年進(jìn)行了計(jì)算，得到了電子表面能級(jí)或稱塔姆能級(jí)）

薄膜表面面積很大，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。（對(duì)薄膜半導(dǎo)體表面電導(dǎo)和場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生很大的影響，影響半導(dǎo)體器件性能）（2）薄膜和基片的粘附性薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之間就會(huì)存在著一定的相互作用，即附著薄膜的一個(gè)面附著在基片上并受到約束作用，薄膜內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)變?？紤]與薄膜膜面垂直的任一斷面，斷面兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生相互作用力，這種相互作用力稱為內(nèi)應(yīng)力附著和內(nèi)應(yīng)力是薄膜極為重要的固有特征（3）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，即固有應(yīng)力（或本征應(yīng)力）和非固有應(yīng)力。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)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熱膨脹系數(shù)和晶格失配能夠把應(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把應(yīng)力引進(jìn)薄膜。（4）異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性薄膜的制法多數(shù)屬于非平衡狀態(tài)的制取過(guò)程，薄膜的結(jié)構(gòu)不一定和相圖相符合把與相圖不相符合的結(jié)構(gòu)稱為異常結(jié)構(gòu)，不過(guò)這是一種準(zhǔn)穩(wěn)（亞穩(wěn)）態(tài)結(jié)構(gòu)，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)

化合物的計(jì)量比，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。

如：當(dāng)Ta在N2的放電氣體中被濺射時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定的N2分壓，其生成薄膜的成分卻是任意的若Si或SiO在O2的放電中真空蒸鍍或?yàn)R射，所得到的薄膜的計(jì)量比也可能是任意的。

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)條件，其計(jì)量往往變化相當(dāng)大。如輝光放電法得到的a-等，其x可在很大范圍內(nèi)變化因此，把這樣的成分偏離叫做非理想化學(xué)計(jì)量比（5）量子尺寸效應(yīng)和界面隧道穿透效應(yīng)傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)，在普通金屬中小于1nm，在金屬鉍（Bi）中為幾十納米在這些物質(zhì)的薄膜中，由于電子波的干涉，與膜面垂直運(yùn)動(dòng)相關(guān)的能量將取分立的數(shù)值，對(duì)電子的輸運(yùn)現(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)稱為量子尺寸效應(yīng)另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面勢(shì)壘比電子能量E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，穿過(guò)勢(shì)壘，稱為隧道效應(yīng)。電子穿透勢(shì)壘的幾率為：其中a為界面勢(shì)壘的寬度。當(dāng)時(shí)，則T=0，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)多層膜多層膜是將兩種以上的不同材料先后沉積在同一個(gè)襯底上，以改善薄膜同襯底間的粘附性如：金剛石超硬刀具膜：金剛石膜/TiC/WC-鋼襯底歐姆接線膜：Au/Al/c-BN/Ni膜/WC-鋼襯底。

多功能薄膜：各膜均有一定的電子功能：非晶硅太陽(yáng)電池:玻璃襯底/ITO（透明導(dǎo)電膜）/P-SiC/i-μc-Si/n-μc-Si/Ala-Si/a-SiGe疊層太陽(yáng)電池:玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/P-a-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至少在8層以上，總膜厚在0.5微米左右超晶格膜: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，人為地制成周期性結(jié)構(gòu)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，這種一維超薄層周期結(jié)構(gòu)就稱為超晶格結(jié)構(gòu)。當(dāng)和不同組分或不同摻雜層的非晶態(tài)材料（如非晶態(tài)半導(dǎo)體）也能組成這樣的結(jié)構(gòu)，并具有類似的量子化特性，如a-Si

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H/a-Si1-xNx

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H,a-Si

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H/a-Si1-xCx

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H……應(yīng)用薄膜制備方法，很容易獲得各種多層膜和超晶格薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論薄膜的研究歷史Endof19thcentury-unusualpropertiesofdepositsonthewallsofglassdischargetubes.Erosed(引起)interestofresearchers:optical&electricalproperties(P.Drude,Ann.derPhysik,36(1889)532)1927:-electrondiffractiononthinfilms(Davison-Germer)1930th--practicalapplication:highreflectivitysurfacemirrorsonnon-conductingsubstrates1940th-vacuumandthinfilm(PVD)techniques,devices;electronmicroscopy(Ruska);1960th--insituelectronmicroscopy(Bassett,Pashley,Poppa,Pócza,Honjo);-surfacedecoration(表面修飾)(Bassett,Bethge,Distler);-ultrahighvacuumtechnique;-surfaceanalyticalmethods:Augerspectroscopy,LEED（低能電子衍射）,SEM,XPS（X射線電子能譜）

;-structurezonemodel:compilation（收集）ofexperimentalresults(Movchan-Demchishin)薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論1970th--highresolution(alsosurfaceimaging)andanalyticalTEM(HalleSchool);-chemicalvapourdeposition(CVD);-computersimulation:atom-by-atomstructurebuilding(Gilmer&Bennema,Barna,Thomasetal;Dirks&Leamy)-molecularbeamepitaxy(MBE);CERMET(金屬陶瓷)(nanocomposite)resistor（電阻器）films(Neugebauer);1980th--atomicresolutionsurfaceimagingtechniques:STM(掃描隧道顯微鏡)

,AFM(Binning&R?hrer)-atomiclayerepitaxy;electronenergylossanalysis–dedicated（專用的）scanningTEM;1990th–aberration（象差）correctedultrahighresolutionanalyticalTEM(Urban);2000th–advent（出現(xiàn)）ofinsitutechniques(UltraHighVacuum（UHV）TEM,fastSTM,synchrotron（同步加速器）)薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論薄膜的主要應(yīng)用包裝裝飾機(jī)械光學(xué)電學(xué)其他薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論包裝薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論裝飾包裝和裝飾薄膜①

廣泛用于燈具、玩具及汽車等交通運(yùn)輸工具、家用電氣用具、鐘表、工藝美術(shù)品、“金”線、“銀”線、日用小商品等的鋁膜、黃銅膜、不銹鋼膜和仿金TiN膜與黑色TiC膜。②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綸薄膜；用于取代電鍍或熱涂Sn鋼帶的真空鍍鋁鋼帶等。

薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論機(jī)械微機(jī)械硬質(zhì)膜、耐蝕膜、潤(rùn)滑膜①硬質(zhì)膜

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，以及金剛石薄膜、C3N4薄膜和c-BN薄膜。②耐蝕膜

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)葉片表面抗熱腐蝕的NiCrAlY膜等。③潤(rùn)滑膜

使用于真空、高溫、低溫、輻射等特殊場(chǎng)合的MoS2、MoS2-Au、MoS2–Ni等固體潤(rùn)滑膜和Au、Ag、Pb等軟金屬膜。

薄膜技術(shù)與應(yīng)用徐閏2006冬緒論光學(xué)增透膜反射膜分光鏡濾波片光盤光波導(dǎo)發(fā)光太陽(yáng)能電池光學(xué)薄膜①減反射膜

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)儀器透鏡和棱鏡上所鍍的單層MgF2薄膜和雙層或多層（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等）薄膜組成的寬帶減反射膜。②反射膜

例如用于民用鏡和太陽(yáng)灶中