《功能薄膜技术》课件01 薄膜材料简介

1、功能薄膜技术Functional Thin Film Technology参考书1. 薄膜材料与薄膜技术，郑伟涛， 化学工业出版社 2.纳米光电薄膜材料，吴锦雷， 北京大学出版社3. 铁电薄膜材料及其应用，符春林， 科学出版社课程安排111周三讲课：薄膜简介212周一讲课：真空技术312周三学术报告：无铅压电厚膜及器件（张海波）413周一讲课：薄膜的形核与生长513周三讲课：物理气相沉积614周一学术报告：量子点显示技术（张建兵）714周三讲课：化学气相沉积815周一讲课：等离子体技术、电镀和化学镀915周三学术报告：太阳能薄膜材料（唐江）1016周一讲课：薄膜表征11116周三讲课：薄膜表征

2、21216周五学术报告：忆阻器薄膜材料（杨蕊）1317周一讲课：典型的功能薄膜材料1417周三分组报告讨论1-5组1517周五分组报告讨论6-10组课程考试闭卷考试：分值50-70%平时成绩：分组报告+点名 分值30-50%课堂纪律1.不要迟到2.手机调成静音3.不要讲话第一讲 薄膜材料简介 薄膜材料的历史 薄膜材料的应用 薄膜技术的研究内容 表面效应 薄膜的结构和缺陷薄膜材料的定义 利用特殊的技术手段, 人为制得的、其一维尺度显著小于另外两维尺度的、具有特定性能与用途的材料.薄膜的定义 什么是“薄膜”（thin film），多“薄”的膜才算薄膜？薄膜是一种二维材料其厚度与另外两维的尺寸相比要

3、小得多，一般将其厚度约在微米甚至纳米量级的膜称为薄膜，而超过1m的膜习惯上称为厚膜。1-100微米薄膜材料的历史3000多年前，中国古代在陶瓷中已开始采用釉涂层。19世纪初，发现辉光放电过程可沉积固体薄膜。20世纪后，光学薄膜最先得到研究和应用，成功地制备了各种增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜等光学薄膜。20世纪50年代以后，微电子技术的进步极大地推动了薄膜技术的进步。Cu(InGa)Se2太阳能薄膜电池构成薄膜的材料薄膜材料的分类按化学组成分为： 无机膜、有机膜、复合膜；按相组成分为： 固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜；按晶体形态分为： 单晶膜、多晶膜、微晶膜、纳米晶膜、超晶格膜等。按薄

4、膜的功能及其应用分为：光学薄膜：高反/减反涂层、光记录介质、光波导 电学薄膜：绝缘薄膜、导电薄膜、半导体器件磁学薄膜：磁记录介质机械薄膜：耐磨涂层（硬质膜、润滑膜 ）化学薄膜：防氧化或防腐蚀涂层、扩散阻挡层薄膜材料的特点 一般并不是单独存在的（需要衬底） 结合了不同材料的不同特性 种类繁多 需要使用特殊的制备与研究方法薄膜材料的特点尺寸效应：同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，很容易产生尺寸效应。表面效应：由于薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以表面效应很显著。在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态，对电子输运性能也影响较大。在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用，因而就会出现薄膜

5、与基片之间的粘附性和附着力问题，以及内应力的问题。 表面效应-电导率降低可见，随着厚度d的减小，其电导率将明显地降低而偏离块体材料的电导率 。薄膜表面散射效应还会影响其电阻温度系数、霍尔系数、热电系数等。 根据电流密度在膜厚方向的平均值和电场的关系求得薄膜的电导率为:材料热点：拓扑绝缘体特点： 1.内部绝缘，表面导电 2.电导能量损耗低一种新的量子材料-拓扑绝缘体张首晟介绍薄膜的结构和缺陷 薄膜的的形成包括成核、长大、凝结等过程，其结构与制备工艺条件有关，如气压、流量、功率、温度等参数，薄膜的结构和缺陷远比块体材料复杂。薄膜结构包括三种类型： 组织结构 晶体结构 表面结构薄膜的组织结构薄膜的组

6、织结构是指其结晶形态。包括：1）非晶：也称无定形态或玻璃态，从原子排列情况看，为无序结构。如：基片温度较低时形成的硫化物和卤化物薄膜。 2）多晶：薄膜形成过程中会生成许多岛状小晶粒，这些小晶粒聚结形成的薄膜即为多晶薄膜。晶粒往往有择优取向。 3）单晶：适当条件下，薄膜沿单晶基片的结晶轴方向呈单晶生长。薄膜的表面结构在薄膜形成过程中，入射的原子沉积到基片后会作横向扩散，占据表面空位，导致薄膜表面积缩小，从而降低表面能。原子横向扩散运动的能量的大小与基片的温度密切相关。基片温度较高时，吸附原子的表面迁移率增加，凝结优先发生在表面凹处（表面台阶），易形成光滑表面。基片温度较低时，因原子迁移率很小，表

7、面粗糙，面积较大，容易形成多孔结构。薄膜的缺陷薄膜中原子不完善排列形成缺陷。1）点缺陷：发生在一个或几个晶格常数线度范围内。2）线缺陷：发生在晶体内部一条线的周围。主要是位错。薄膜中的位错在力学和热力学上较稳定，难以通过退火来消除。3）面缺陷：单晶中主要有孪晶界和堆垛层错。 多晶薄膜中还有晶（粒间）界线缺陷位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 位错是晶体中普遍存在的线缺陷，它的特点是在一维方向的尺寸较长，另外二维方向上尺寸很小，从宏观看位错是线状的。从微观角度看，位错是管状的。位错对晶体的生长、扩散、相变、塑性变形、断裂等许多物理、化学性质及力学性质都有很大影响。电子显微镜下观察到的

8、位错线 面缺陷面缺陷：晶体偏离周期性点阵结构的二维缺陷类型：表面（surface) 内界面（interface）：晶界、亚晶界、 孪晶界、相界、堆垛层错异常结构和非理想化学计量比特性薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过程，薄膜的结构不一定和相图相符合。规定把与相图不相符合的结构称为异常结构，不过这是一种准稳（亚稳）态结构，但由于固体的粘性大，实际上把它看成稳态也是可以的，通过加热退火和长时间的放置还会慢慢地变为稳定状态。化合物的计量比： 一般来说是完全确定的。但是多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。 通常随着原子比不同，其物性差异很大，即成分偏析。薄膜和基片（衬底）薄膜大多是沉积在某种基片上，

9、薄膜和基片构成一个复合体系，存在着相互作用。附着、扩散和内应力是薄膜的固有特征。薄膜的附着力与内应力是首先要研究的问题。为什么要发展薄膜材料三个理由： 不同材料特性的优势互补 微电子技术、光电子技术的发展 功能性结构的微小型化薄膜材料的应用 耐磨、防腐与装饰涂层 光学涂层 光电薄膜 微电子技术 磁存储技术 微机电系统 耐磨、防腐与装饰涂层光学涂层材料薄膜太阳电池P-type Substrate微电子技术中的薄膜材料: MOSFETN +N +PolysiliconThin gate oxideThick oxidesInterconnect metalHeavily doped region磁

10、存储技术中的薄膜材料: 磁头与磁记录介质Materials today, JAN-FEB 2007 | VOLUME 10 | NUMBER 1-2 47Diamond-like carbon for data and beer storage REVIEW微机电系统中的薄膜材料: 微型反射镜组 Metals: Al, Cu, Au Glass: SiOx, SiNx Ceramics: YBCO, PZT Semiconductors: Si, GaAs Polymers: PE, PMMA Thin films materials may include:薄膜材料技术的研究内容 薄膜材料的

11、制备技术手段； 薄膜材料的结构理论； 薄膜材料的表征技术； 薄膜材料的体系、性能与应用 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