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1、薄膜技术及应用,Thin Film Technology and Applications于永强电子科学与应用物理学院微纳功能材料与器件研究室,薄膜材料制备原理、技术及应用 唐伟忠，冶金工业出版社薄膜物理与技术 杨邦朝，电子科技大学出版社 薄膜物理与技术 陈国平，东南大学出版社,参 考 书,在材料科学的各分支中，薄膜材料科学发展的地位极为重要。 薄膜材料是采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质与体材料性质完全不同的物质层。 薄膜材料往往具有特殊的材料性能或性能组合。,薄膜材料科学成为材料科学中发展最迅速分支的原因： (1)现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，过去需要众多材料
2、组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。,薄膜材料科学成为材料科学中发展最迅速分支的原因： (2)器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能并使之更加强化，而且随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。,薄膜材料科学成为材料科学中发展最迅速分支的原因： (3) 薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优
3、势，避免单一材料的局限性薄膜材料学在科学技术以及国民经济的各个领域发挥着越来越大的作用。,薄膜分类（按功能及其应用领域）：电学薄膜半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料 Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物薄膜； SiO2、Si3N4、Ta2O5、SiOF薄膜。,超导薄膜 YbaCuO系高温超导薄膜； BiSrCaCuO系高温超导薄膜； TiBaCuO系高温超导薄膜。,YBa2Cu3O7-x Film,光电子器件中使用的功能薄膜 GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si：H、A-SiGe：H、a-SiC：H、a-SiN：H、a-Si/a-SiC等一系列晶态与非晶态超晶
4、格薄膜。,C-V Characteristics of GaAs/AlGaAs Superlattice Structure showing capacitance Oscillations Associated with charge accumulation due to the sequential tunneling of electrons.,薄膜敏感元件与固态传感器 薄膜可燃气体传感器、薄膜氧敏传感器、薄膜应变电阻与压力传感器、薄膜热敏电阻和薄膜离子敏传感器等。,Thin Film Pressure Sensor,Diamond Thin Film UV sensor,Schema
5、tic of fiber optic cable with chemochromic hydrogen sensor deposited on end.,薄膜电阻、薄膜电容、薄膜阻容网络与混合集成电路,Hybrid IC,Copper-indium-diselenide (CuInSe2, or CIS) Thin-film material with efficiency of up to 17%. The material is promising, yet not widely used due to production specific procedures.,薄膜太阳能电池 非晶硅
6、、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电池。, 平板显示器件 液晶显示、等离子体显示和电致发光显示三大类平板显示器件所用的透明导电电极（ITO薄膜）。 电致发光多层薄膜（包括ITO膜，ZnS：Mn等发光膜，Al电极膜等）组成的全固态平板显示器件及OLED显示器件。,OLED Displays: Better Than Plasma Or LCD, 用ZnO、AlN等薄膜制成的声表面波滤波器。 磁记录薄膜与薄膜磁头 高质量和录象的磁性材料薄膜录音带与录象带； 计算机数据存储的CoCrTa、CoCrNi等的薄膜软盘和 硬盘； 垂直磁记录中FeSiAl薄膜磁头等。静电复印鼓用Se-Te、SeTeAs合金
7、薄膜及非晶硅薄膜。,铁电存储器,ANTI-REFLECTION CHART,three layers,光学薄膜 减反射膜、反射膜、分光镜、滤光片； 照明光源所用的反热镜与冷光镜薄膜； 建筑物、汽车等交通工具所用的镀膜玻璃； 激光唱片与光盘中的光存储薄膜； 集成光学元件所用的介质薄膜与半导体薄膜。,刀具表面氮化物、氧化物、碳化物镀膜,硬质膜、耐蚀膜、润滑膜有机分子薄膜装饰膜包装膜,薄膜材料学涉及的内容：(1)薄膜材料的制备手段；(2)薄膜材料的形核与生长理论；(3)薄膜材料的表征技术；(4)薄膜材料的体系、性能及应用。,High performance Nano-FETsNano-Optoele
8、ctronic DevicesPhotodetectors Nano LEDsSensorsSolar cell,第一章 薄膜制备的真空技术基础,1.1 气体分子运动论的基本概念1.1.1气体分子的运动速度及其分布气体分子运动论： 气体分子一直处无规热运动； 平均运动速度取决于温度； 分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。 结果：气体分子的速度服从一定统计分 布,气体本身对外显压力。,理想气体气体模型： 气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，不存在相互作用，可看作是相互独立运动硬球，且硬球的半径远小于球与球之间的距离。 在一般的温度和压力条件下，所有气体可看作理想气体。,In a solid, a m
9、etal for example, the particles are atoms, arranged in an orderly array. The atoms are relatively close to one another, and the motion of each atom is restricted by its interaction with other atoms.,In a liquid, the atoms or molecules, are further apart than in a solid, and are not arranged in any s
10、pecial order. There is less interaction between the molecules, and they are free to move in any direction, but as interactions between the molecules are still present, most molecules are confined to the volume occupied by the liquid sample.,In a gas, the atoms or molecules are further apart and have
11、 little interaction with one another. The motion of these particles is confined by the walls of the containing vessels.,Maxwell-Boltzmann分布,气体分子的运动速度的一维分量,气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与气体的热力学温度T的比值。,Distribution of molecular speeds: effects of molar mass and temperature,Distribution of molecular speeds-hy
12、drogen gas at 0 C. The percentages of molecules with a certain speed are plotted as a function of the speed. Three different speeds are noted on the graph.,1.1.2 气体的压力和气体分子的平均自由程,The ideal gas equation,Pressure unit SI（System International）Unit 1 Pa（Pascal）1 Newton/m2 1 atm1.013105 Pa760 mmHg 1 bar1
13、05 N/m2105 Pa Practical Unit 1 Torr1 mmHg 1 mTorr103 mmHg 1 Pa7.5103 Torr 1 Torr133.3 Pa 1 bar105 Pa750 Torr 1 atm1.013105 Pa760 Torr,气体分子的平均自由程,Freeze other molecules and examine motion of one molecule:,由于气体分子的平均自由程与气体分子的密度n成反比，因而气体分子自由程随着气体压力的下降而增加。 在气体压力低于0.1Pa的情况下,气体分子间的碰撞几率很小，气体分子的碰撞主要是其与容器器壁间的
14、碰撞。,1.1.3 气体分子的通量 单位面积上气体分子的通量:气体分子对于单位 表面的碰撞频率。,气体分子对衬底碰撞-薄膜沉积。薄膜沉积速度正比于分子的通量。,气体分子的通量与压力呈正比，与温度和相对原子质量乘积的1/2次方成反比。是真空和薄膜沉积技术中最常用的方程之一。,克努森方程,例：计算在高真空的条件下，清洁衬底被环境中的杂质气体分子污染所需时间。假设每一个向衬底运动过来的气体分子都是杂质，且每一个分子都被衬底所俘获。 衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间为,其中N为衬底表面的原子面密度。在常温、常压条件下，洁净表面被杂质完全覆盖所需的时间约为3.5x10-9 s，而在3x10-8
15、 Pa的超高真空中，上述时间可延长至10h左右。这说明了在薄膜技术中获得和保持适当的真空环境的极端重要性。,真空环境划分,低真空 102 Pa 中真空 102 10-1 Pa 高真空 10-1 10-5 Pa 超高真空 10-5 Pa,不同薄膜制备和分析技术对于真空度要求不同 真空蒸发沉积需要高真空和超高真空范围（10-3 Pa）; 溅射沉积需要中、高真空（10-2 10-5 Pa）; 低压化学气相沉积需要中、低真空（10 100Pa）; 电子显微技术维持的分析环境需要高真空; 材料表面分析需要超高真空。,1.2 气体的流动状态和真空抽速 1.2.1 气体的流动状态,气体分子的无规则运动本身并
16、不导致气体的宏观流动。只有在空间存在宏观压力差的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。 气体的流动状态根据气体容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大差别。 分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相互碰撞。特点是气体分子平均自由程超过气体容器的尺寸或与其相当。 高真空薄膜蒸发沉积系统或各种材料表面分析仪器就工作在分子流状态下。 粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞极为频繁。 化学气相沉积系统一般工作在粘滞流状态。,1.2 气体的流动状态和真空抽速 1.2.1 气体的流动状态,克努森（K
17、nudsen）准数,层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态。 在与气体流动方向相垂直的方向上，设想存在不同气体流动层的层状流线，且各层气体的流动方向相互平行。 如气体在管道中以较慢的速度流动时，在靠近管壁的地方，气体分子感受到管壁的阻力作用，流动的速度接近于零；随着离开管壁距离的增加，气体流动的速度增加，并且在管道的中心处气体流动最快。紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态。 在气体流速较高的情况下，各层气体的流动方向之间不能保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡状的流动形式。流动的气体中出现了一些低气压的旋涡，同时流动路径上的任何微小的阻碍都会对流动产生很大的影响。,1.2.2 气体管路的流导流导
18、:真空管路中气体的通过能力。 流导C的定义为,1和p2 :管路两端的气压Q: 单位时间内通过管路的气体流量 (单位时间内流过的气体体积与压力的乘积),分子流气体，流导C与压力无关。气体种类、温度不同-气体的流速不同 -即使压力差相同，管路中气体流量Q也不同。分子流条件下,管路流导受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。 如，一个处于两个直径很大的管路间的通孔，设孔的截面积为A，则其流导应正比于通孔两侧气体分子向通孔方向流动的流量之差。通孔的流导,在粘滞流情况下，气体流导的数值还随气体的压力呈现复杂的变化。当压力升高时，气体通过单位面积的流量有增加的趋势，因而管路流导的数值增加。 不同流导C1、
19、C2、C3相互串联或并联，形成总流导C：,1.2.3 真空泵的抽速,：真空泵入口处气体压力Q: 单位时间内通过真空泵入口处气体流量。 真空泵的抽速和管路的流导物理量纲相同，物理意义不同。 流导描述真空部件的气体通过能力，它使流动着的气体形成一定程度的压力降低。 抽速特指一个截面上的气体流速。,抽速为Sp的泵通过流导C抽除特定真空容器中的气体。设真空容器的压力为p，泵入口处的压力为pp，由流量各处相等，即Q=C(p-pp)= Sppp ，真空容器出口处的实际抽速S降低为,S不仅永远小于泵的理论抽速Sp，而且也永远小于管路的流导C 。即S是受Sp和C之中较小的一个所限制。当Sp=C时， S=Sp/
20、2。由此可以理解，真空系统设计中的一个基本原则是要确保C大于Sp 。,真空泵可以达到的极限真空度 （存在气体回流的情况）,（极限真空度）,1.3真空泵简介 真空环境的获得需要使用各种各样的真空泵，它们是真空系统的主要组成部分。 按获得真空的方法分为两大类：一、输运式真空泵 1、 机械式气体输运泵（旋转式机械真空泵、罗茨泵 以及涡轮分子泵）； 2、 气流式气体输运泵（油扩散泵）。 采用对气体进行压缩的方式将气体分子输送至真空系统之外。二、捕获式真空泵（低温吸附泵、溅射离子泵） 依靠在真空系统内凝集或吸附气体分子的方式将气体分子捕获，排除于真空系统之外。 与输运式真空泵不同，某些捕获式真空泵在工作
21、完毕以后还可能将己捕获的气体分子释放回真空系统。,1.3真空泵简介 1.3.1旋片式机械真空泵,工作原理：是依靠安置在偏心转子中的可以滑进滑出的旋片将气体隔离、压缩，然后排除泵体外的。理论抽速：,抽速:1300L/s极限真空度：10-1 Pa,1.3.2 罗茨（Roots）真空泵,工作原理：泵内两个呈8字型的转子以相反的方向旋转。转子咬合精度很高,转子旋转扫过空间很大，转速很高下，抽速很大。抽速: 103 L/s极限真空度：10-2 Pa,1.3.3 油扩散泵,工作原理：将油加热至高温蒸发状态(约200)，让油蒸气呈多级状向下定向高速喷出时不断接击被抽的气体分子，并将部分功量传给这些气体分子，
22、使其被迫向排气口方向运动，在压缩作用下被排出泵体。同时，受到泵体冷却的油蒸气又会凝结起来返回泵的底部。抽速: 几升-104 L/s极限真空度： 1-10-6 Pa,Diffusion Pumping System,1.3.4 涡轮分子泵,工作原理：工作靠对气体分子施加作用力，并使气体分子向特定方向运动。转子叶片具有特定的形状，高速旋转（2000-3000r/min）的叶片将动量传给气体分子。多级叶片，上级叶片输送的气体分子受下级叶片的作用继续被压缩至更下级。特点：压缩比高，对一般气体分子 的抽除极有效。如氮气，压缩比达109。极限真空度：10-8 Pa抽速：可达1000Ls压力范围：1-10-
23、8 Pa前级泵：旋片机械泵获得无油高真空/超高真空环境,Molecular Pump,1.3.5 低温吸附泵,工作原理：靠气体分子在低温条件下自发凝结或被其他物质表面吸附，而获得高真空。真空度依赖于温度、吸附物质表面积、被吸附气体种类等因素。极限真空度：10-1-10-8 Pa。,1.3.6 溅射离子泵,工作原理：高压阴极发射出的高速电子与残余气体分子碰撞引起电离放电，电离的气体分子高速撞击Ti阴极溅射出大量Ti原子。活性很高的Ti原子以吸附或化学反应的形式捕获大量气体分子并使其在泵体内沉积下来，实现无油高真空环境。气体活性大，抽速大。极限真空度：10-8 Pa。,1.4 真空的测量,与真空环
24、境的获得方法密切相关的是真空的测量技术。根据真空度或气体压力范围的不同，其测量方法也大相径庭。 由仪器测出的真空度与真空室的实际真空度之间可能会由于温度不同而存在误差。在气体流动状态处于分子流状态，而且真空室与测量点之间存在较细的管道连接时，测量压力pm和实际压力pc之间的关系将可由分子净通量为零的条件，有,1.4.1 热偶真空规和皮拉尼（Pirani）真空规,真空规：真空测量用的元件。热偶规和皮拉尼规是以气体热导率随气体压力的变化为基础而设计的，是最常用的低真空测量手段。热偶真空规工作原理：将作为热丝的Pt通过恒定强度的电流。在达到热平衡以后，电流提供的加热功率与通过空间热辐射、金属丝热传导
25、以及气体分子热传导而损失的功率相等，因而热丝的温度将随着真空度的不同而有规律变化。测量范围:0.1-100Pa,在0.1-100Pa的压力范围内，气体的热导率将随着气体压力的增加而上升，因而热丝的温度会随着气体压力的上升而降低。这时，用热电偶测出了热丝本身的温度，也就相应测出了环境的气体压力。 热偶真空规不能用于较低或较高真空度的测量。在气体压力高于100Pa的情况下，气体的热导率将不再随气体压力而变。这时，用热丝温度测量气体压力方法的灵敏程度将迅速下降而当气体压力低于0.1Pa以后，由气体分子传导走的热量在总加热功率中的比例过小，测量的灵敏度也将呈下降趋势。,皮拉尼真空规又称热阻式真空规。工
26、作原理：通过测量热丝的电阻随温度的变化来实现对真空度的测量。类型：定温度型，定电流型和定电压型。测量范围:0.1-0.1MPa。,1.4.2 电离真空规,与热偶真空规结合使用的高真空规。 电离真空规主要由阴极、阳极和离子收集极组成。 热阴极发射出的电子在飞向阳极过程中碰撞气体分子，使之电离。离子收集极接收离子，根据离子电流强度Ii的大小测量环境真空度。 由于离子电流的大小将取决于阴极发射的电子电流强度Ie、气体分子的碰撞截面及气体分子密度，因而在固定阴极发射电流和气体种类的情况下，离子电流强度将直接取决于电离气体的压力。,电离真空规测量范围的下限受阴极发射的高能光子在收集极上产生的光电效应所限制，这种效应产生的光电流相当于10-7Pa的真空条件下的离子电流。 电离真空规的工作上限为1Pa左右，这时，电子的自由程太短，已不能使气体分子产生有效的电离。 为了消除真空规本身放气对高真空度时测量值的影响，在使用电离真空规之前需要将其加热至稍高的温度进行预先烘烤，以减少测量时放气的影响。 由于不同气体分子的碰撞电离截面不同，因而电离真空规的测量值也与所测气体种类有关。,
