薄膜技术英文课件：1introduction
Density Melting point Crystalline size
Bolck ≤ ≤
small（um )
Thin film Large(mm)
14
2. Thin film vs. block material-1
Density Melting point Crystalline size
➢ Stoichiometric ratio
– Non-stoichiometry is common in thin film
• SiO2
SiOx
• Transparent conductive film
– Tin indium oxide (InSnyOx) condConductivecond
Thin film: thickness less than 1 micrometer
Coating: thickness lagrer than1 micrometer
12
Difference between thin film and block material
13
Thin film vs. block material
thin film for semiconductive dives and integrated circuit（集成电路）
• Al、 polysilicon、SiO2
small（um )
Large(mm)
20
2. Thin film vs. block material-1
Density Melting point Crystalline size
Bolck
Thin film
ρb≤ρtf（有问题）
Mb≤Mtf
small（um )
Large(mm)
21
2. Thin film vs. block material -2
24
25
Gold-decorated Technology 鎏 金
• The process of “liujing”
– Making AuHg alloy (煞金) – Brushing Au compound (抹金) – Evaprating Hg (开金) – Making Au denser（密集的） (压光)
2
What is the “thin film”
3
4
5
6
7
8
9
10
11
What is the thin film？
a very thin layer of a substance on a supporting material; especially : a coating (as of a semiconductor) that is deposited in a layer one atom or one molecule thick
Technology of Thin Film:
Introduction
Outline
1. Concept of thin film 2. Difference between thin film and block material 3. History of thin film and coatingd 4. Modern technology for thin film deposition 5. The content of this course
small（um )
Large(mm)
18
Melting point (℃)
Thickness (Ᾱ)
19
2. Thin film vs. block material
Density Melting point Crystalline size
Bolck
Thin film
ρb≤ρtf（有问题）
Mb≤Mtf
29
Application in Modern Time
Electronic thin film Optical thin film Magnetic thin film Mechanical functional thin film
30
• Electronic thin film
– Conductive thin film and dielectric（介电）
26
Bronze（青铜） Mirror Polishing
27
Bronze Mirror Polishing
• There is Sn rich transparent layer with several hundred nanometer thickness on the surface of mirror.
• Dense SnO2 films with
microcrystallines
are
ห้องสมุดไป่ตู้
detected on the top of the Sn
Bronze mirror from easten han dynasty rich layer.
28
Glazing 上 釉
Glazing for ceramic • beautiful • clean
Bolck ≤ ≤
small（um )
Thin film Large(mm)
15
Density g/cm3
Temprature of substrate
16
Thin film vs. block material
Density Melting point Crystalline size
Bolck
Thin film
ρb≤ρtf（有问题）
Mb≤Mtf
small（um )
Large(mm)
17
2. Thin film vs. block material-1
Density Melting point Crystalline size
Bolck
Thin film
ρb≤ρtf（有问题）
Mb≤Mtf
Conductivity
22
Comparing to bulk materials, thin film materials have some unique properties
23
3. The History of Thin Film or Coating
Application in ancient time Application in morden time
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膜技术介绍-中英对照版
Wuhan Kaidi Water Technology Co., Ltd.
一．超滤膜过滤原理 I. Working Principle of Ultrafiltration Membrane
超滤膜技术是一种压力驱动下的膜孔分离技术； 超滤膜技术是一种压力驱动下的膜孔分离技术； Ultrafiltration is a membrane pore separation technology driven by pressure; 根据膜孔径大小不同，可有效截留水中的悬浮物颗粒、胶体、 根据膜孔径大小不同，可有效截留水中的悬浮物颗粒、胶体、有机大 分子、细菌、微生物等； 分子、细菌、微生物等； Based on different membrane pore diameters, it can effectively intercept suspended particles, colloids, organic macro molecules, bacteria and microbes, etc. 对胶体的去除率≥90%； 对胶体的去除率 ； The removal rate of colloids ≥90%; 结合微絮凝技术，对有机物的去除效果也较为明显。 结合微絮凝技术，对有机物的去除效果也较为明显。 Combined with micro flocculation technology, it effectively removes organic substances.
Wuhan Kaidi Water Technology Co., Ltd.
过滤 / 分离范围 Range of Filtration / Separation
Colloids 胶体 Bacteria 细菌 Pollens 花粉 200 100 10 Yeasts 酵母 1 0.1 Viruses 病毒
6. Metal Etch Introduction
(Al2O3) 加入BCl3 的主要目的有二: 1. BCl3與O2 及水分的反應性很好,所以加入BCl3將可減少Cl2電漿內的 O2與H2O的含量; 2. BCl3在電漿內可形成BClX原子團及BCl3+正離子,其中BCl3+是產生離 子轟擊的重要離子來源之一.
P.7 P.7
Metal etch concept(4) 金屬的蝕刻金屬的蝕刻- - Difference mask material
P.6 P.6
Metal etch concept(3) 金屬的蝕刻(氣體 氣體) 金屬的蝕刻- - Gas (氣體) - - Cl2/BCl3
Cl2 - Plasma - - >Cl +Cl ---Al (s) +3Cl (g) AlCl3 (g)
- - - - -反應式 - - - - -反應式
(a) CVD 鎢的沉積 (b) 鎢的乾式回蝕 (c) 鎢的回蝕過度 (d) TiN 層的過度回蝕
P.11 P.11
WF6 的沸點為17.1 oC, 因此可使用氟化物氣體來進行鎢回蝕步驟
SF6 → F ⋅ + SFx ( g )
W( s ) + 6 F ⋅ → WF6 ( g )
Vapor Pressure of Metal Fluorides and Chlorides
Al°BCl3 or Cl2 Al° 2(AlCl3• 6H2O)
AlCl3 ( Lewis acid) ---- etching mechanism Al(OH)3 + 3 HCl ------------(1) ------------(1) Al2O3 + 9 H2O + 6HCl ------------(2) 6HCl ------------(2) AlCl3 + H2 --------------------------(3) --------------------------(3)
薄膜技术英文PPT课件-07 Thin film stress and adhesion
Active film obtain compressed stress by oxidation
– O into Ti film Tensile stress obtained by molecular leave the
film – NH3 out of the Si3N4 film
Factor of growth stress--microstructure
Thermal stress
f
TE f 1 f
EAl
ETiN
Classification of film stress Tensile stress（+） Compressed stress（-）
Thermal stress Growth stress
Growth stress(intrinsic stress): stress distributions present in films following growth on substrates or on adjacent layers.
Thin film stress:the force per unit area on the cross-section of thin film usually the stress is the average value on the cross-section.
Stress Measurement of thin film
Total stress = growth stress + thermal stress
Factor of growth stress
➢ Chemical element ➢ microstructure ➢ Energetic bombardment
– O into Ti film Tensile stress obtained by molecular leave the
film – NH3 out of the Si3N4 film
Factor of growth stress--microstructure
Thermal stress
f
TE f 1 f
EAl
ETiN
Classification of film stress Tensile stress（+） Compressed stress（-）
Thermal stress Growth stress
Growth stress(intrinsic stress): stress distributions present in films following growth on substrates or on adjacent layers.
Thin film stress:the force per unit area on the cross-section of thin film usually the stress is the average value on the cross-section.
Stress Measurement of thin film
Total stress = growth stress + thermal stress
Factor of growth stress
➢ Chemical element ➢ microstructure ➢ Energetic bombardment
薄膜技术英文课件：04Thin-Film sputtering processes
– other particles (secondary electrons, desorbed gases, and negative ions) as well as radiation (Xrays and photons) are emitted from the target.
– The electric field accelerates electrons and negatively charged ions toward the anode substrate where they impinge on the growing film.
Technology of Thin Film
Thin-Film Sputtering Processes
Outline
1. Introduction 2. Plasmas, Discharges, and Arcs 3. Physics of sputtering
2
Introduction
• Evaporation and sputtering are quite different
✓Thermal plasma：highly ionized plasma, with high temperature of ion and high temperature of electron. （eg： Sun）
Production of Plasma
• Gas discharge：gas ionize in electric field by collision between energic electron and gas molecular.
Schematics of simplified sputtering systems: (a) DC, (b) RF.
– The electric field accelerates electrons and negatively charged ions toward the anode substrate where they impinge on the growing film.
Technology of Thin Film
Thin-Film Sputtering Processes
Outline
1. Introduction 2. Plasmas, Discharges, and Arcs 3. Physics of sputtering
2
Introduction
• Evaporation and sputtering are quite different
✓Thermal plasma：highly ionized plasma, with high temperature of ion and high temperature of electron. （eg： Sun）
Production of Plasma
• Gas discharge：gas ionize in electric field by collision between energic electron and gas molecular.
Schematics of simplified sputtering systems: (a) DC, (b) RF.
薄膜技术英文PPT课件-05Thin-Film CVD
G
RT
ln
rCc rAa rBb
ri
ai ai
ΔG>0，react in reverse-direction
ΔG<0；react in forward-direction Judge feasibility or direction of reaction
e.g.
Obtain the O2 partial pressure
e.g. GaAsepitaxical film by MOCVD：
e.g.硬质涂层的化学气相沉积
Disproportionation
• Disproportionation reactions are possible when a nonvolatile metal can form volatile compounds having different degrees of stability depending on the temperature.
5. Heterogeneous reactions catalyzed by the surface leading to film formation
6. Desorption of the volatile by-products of surface reactions
7. Convective and diffusive transport of the reaction by-products away from the reaction zone
Technology of Thin Film
Chemical Vapor Deposition
Xuhai Zhang
School of Material Science and Engineering Southeast University
薄膜技术02Vacuum Science and Technology
Gas impingement Flux Application: Contamination of substrate
Time for complete monolayercoverage of a surface
N N 2MRT
NAp
• In air at atmospheric pressure and ambient
Where can we find the vacuum?
1.2 Unit of vacuum
• International System of Units ：Pascals 1 atm=101.325 kPa • traditional unit of pressure: Torr 1Torr＝133.3224Pa
<1×10−10
1×10−4 to < 3×10-15
Atmosphere 1 1 to 0.03
1.3 Vacuum >102Pa
Medium vacuum 102 ~10-1Pa
High vacuum 10-1~10-5Pa
Vacuum evapration
2. Kinetic Theory of Gases
Maxwell-Boltzmann distribution
f (v)
4
(M
)
3 2
v
2
e
Mv2 2 RT
2RT
M--molecular weight T--absolute temperature R--gas constant
Velocity distributions for Al vapor and H2 gas.
second • So gases mix together rather slowly even
薄膜技术英文PPT课件-04Thin-Film sputtering processes
• Self-sustaining of plasma: the new produced ions equal the ions that lost.
Production and maintenance of Plasma
靶
基片
Glow discharge plasma
a plasma formed by the passage of electric current through a low-pressure gas. It is created by applying a voltage between two metal electrodes in a glass tube containing gas. 。
Technology of Thin Film
Thin-Film Sputtering Processes
Xuhai Zhang
School of Material Science and Engineering Southeast University
Outline
1. Introduction 2. Plasmas, Discharges, and Arcs 3. Physics of sputtering
Arcs have been defined as gas or vapor discharges where the cathode voltage drop is of the order of the minimum ionizing or excitation potential.
Furthermore, the arc is a self-sustained discharge that supports high currents by providing its own mechanism for electron emission from negative or positive electrodes.
Production and maintenance of Plasma
靶
基片
Glow discharge plasma
a plasma formed by the passage of electric current through a low-pressure gas. It is created by applying a voltage between two metal electrodes in a glass tube containing gas. 。
Technology of Thin Film
Thin-Film Sputtering Processes
Xuhai Zhang
School of Material Science and Engineering Southeast University
Outline
1. Introduction 2. Plasmas, Discharges, and Arcs 3. Physics of sputtering
Arcs have been defined as gas or vapor discharges where the cathode voltage drop is of the order of the minimum ionizing or excitation potential.
Furthermore, the arc is a self-sustained discharge that supports high currents by providing its own mechanism for electron emission from negative or positive electrodes.
Film Information
断裂伸长率（MD/TD）
%
GB/T 1040.3
all
√
Elongation at Break
弹性模量（MD/TD）
Mpa
GB/T 1040.3
all
√
Modulus of Elasticity
热收缩率 hot-shrinkage rat
%
GB/T 10003
all
√
表面张力
Dyne/cm GB/T 14216
all
√
%
GB/T 2410
clear
√
透明度Transparence
GB/T 2410
clear
光泽度 Gloss（60°）
%
all
√
白度 Whiteness
white
√
C.O.F
GB/T 10006
(Static/Dynamic)
拉伸强度（MD/TD）
Mpa
GB/T 1040.3
all
√
Tensile Strength
熔融指数
➢ 熔融指数对应分子量（成反 比），体现熔体流动性
➢ 均聚2~4g/10min ➢ 共聚4~7g/10min（乙烯含量
3~5%） ➢ 分子量大，拉伸强度大，机械
性能好，结晶度降低； ➢ 分子量分布窄，拉伸强度大，
加工困难 ➢ PP数均分子量8500
6
Define
• 薄膜是聚合物的一种二维形 式，其特征是表面积与体积比 很大。
Cast(CPP, CPE) Blowing(IPP, IPE)
Biaxially Oriented (BOPP, BOPET, BOPA)
10
薄膜技术绪论PPT课件
第11页/共38页
薄膜科学的应用
2.金刚石薄膜
金刚石具有一系列优异的物理性质，包括已知物 质中最高的硬度、耐磨性和弹性模量，极高的电阻率、 击穿场强和很低的介电常数，宽的光谱透过范围，极 高的热导率，极低的线膨胀系数，很宽的禁带宽度， 极高的载流子迁移率和极高的化学稳定性。
金刚石薄膜的应用
（1）力学性质的应用 利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉积在
第2页/共38页
薄膜科学的发展历史
对液体薄膜首先作了正式描写的是美国著名的科学家、作家兼政治家的富 兰克林(Benjamin Franklin)，他在1774年的文件中留下了这样的描述：
“不超过一茶匙的油，迅即地展开为数平方码，然后很惊人地慢慢扩展，直 到抵达在下风处的水池边缘，布满了水池的那个区域，可能有半英亩（1英亩约 为4000平方公尺）之广，而表面平滑的像面镜子。”
第7页/共38页
薄膜科学的发展历史
❖ 从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起, 薄膜的制备 与应用已经有一千多年的发展历史。
❖ 从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地 研究薄膜材料则起始于上世纪五十年代。
❖ 直到上世纪80年代, 薄膜科学才发展成为一门相对 独立的学科。
❖ 促使薄膜科学迅速发展的重要原因是薄膜材料的 强大的应用背景、低维凝聚态理论的不断发展和 现代分析技术的出现及分析能力的不断提高。
第13页/共38页
薄膜科学的应用
（2）热学性质的应用
利用其极高的热导率。室温下，金刚石的热导率是铜 的5倍。本身又是极好的绝缘材料。因此，金刚石薄膜可 用于高功率光电子元件、激光器、集成电路芯片的散热器 材料。
（3）电学性质的应用
利用其高载流子迁移率、宽禁带宽度、高击穿场强、 高热导率和高饱和运动速度等优点。使之成为制造高温、 高压、高功率和高频强辐射条件下工作的电子器件的绝好 材料。
薄膜科学的应用
2.金刚石薄膜
金刚石具有一系列优异的物理性质，包括已知物 质中最高的硬度、耐磨性和弹性模量，极高的电阻率、 击穿场强和很低的介电常数，宽的光谱透过范围，极 高的热导率，极低的线膨胀系数，很宽的禁带宽度， 极高的载流子迁移率和极高的化学稳定性。
金刚石薄膜的应用
（1）力学性质的应用 利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉积在
第2页/共38页
薄膜科学的发展历史
对液体薄膜首先作了正式描写的是美国著名的科学家、作家兼政治家的富 兰克林(Benjamin Franklin)，他在1774年的文件中留下了这样的描述：
“不超过一茶匙的油，迅即地展开为数平方码，然后很惊人地慢慢扩展，直 到抵达在下风处的水池边缘，布满了水池的那个区域，可能有半英亩（1英亩约 为4000平方公尺）之广，而表面平滑的像面镜子。”
第7页/共38页
薄膜科学的发展历史
❖ 从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起, 薄膜的制备 与应用已经有一千多年的发展历史。
❖ 从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地 研究薄膜材料则起始于上世纪五十年代。
❖ 直到上世纪80年代, 薄膜科学才发展成为一门相对 独立的学科。
❖ 促使薄膜科学迅速发展的重要原因是薄膜材料的 强大的应用背景、低维凝聚态理论的不断发展和 现代分析技术的出现及分析能力的不断提高。
第13页/共38页
薄膜科学的应用
（2）热学性质的应用
利用其极高的热导率。室温下，金刚石的热导率是铜 的5倍。本身又是极好的绝缘材料。因此，金刚石薄膜可 用于高功率光电子元件、激光器、集成电路芯片的散热器 材料。
（3）电学性质的应用
利用其高载流子迁移率、宽禁带宽度、高击穿场强、 高热导率和高饱和运动速度等优点。使之成为制造高温、 高压、高功率和高频强辐射条件下工作的电子器件的绝好 材料。
《薄膜材料与技术》课件
Part One
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Part Two
薄膜材料的种类
金属薄膜
铝薄膜：广泛 应用于包装、
电子等领域
铜薄膜：常用 于电子电路、 太阳能电池等
领域
镍薄膜：常用 于电子电路、
电池等领域
钛薄膜：常用 于航空航天、 生物医学等领
域
塑料薄膜
聚乙烯薄膜：广泛应用于食品包装、药品包装等领域 聚丙烯薄膜：具有较好的耐热性和耐化学性，常用于包装和印刷 聚氯乙烯薄膜：具有良好的耐候性和耐化学性，常用于建筑和工业领域 聚酯薄膜：具有良好的耐热性和耐化学性，常用于包装和印刷
面的研究
研究目标：开发具有优异性 能的新型薄膜材料
研究意义：推动薄膜技术的 发展，提高薄膜材料的性能
和应用范围
薄膜材料在新能源领域的应用研究
储能电池：薄膜材料作为储 能电池的电极，提高能量存 储密度
燃料电池：薄膜材料作为燃 料电池的电极，提高电化学 反应效率
太阳能电池：薄膜材料作为 太阳能电池的基底，提高光 电转换效率
超级电容器：薄膜材料作为 超级电容器的电极，提高能
量存储和释放速度
热电材料：薄膜材料作为热 电材料的基底，提高热电转
换效率
光热材料：薄膜材料作为光 热材料的基底，提高光热转
换效率
薄膜材料在其他领域的应用研究
电子领域：薄膜材料在电子设备中的广泛应用，如薄膜太阳能电池、薄膜显示器等
光学领域：薄膜材料在光学器件中的应用，如薄膜光学镜片、薄膜光学传感器等 生物医学领域：薄膜材料在生物医学领域的应用，如薄膜生物传感器、薄膜药物载体等 环境领域：薄膜材料在环境领域的应用，如薄膜空气净化器、薄膜水处理设备等
力学特性
弹性模量：薄膜 材料的弹性模量 通常较小，易于 弯曲和变形