[课件](讲义1)薄膜物理与技术PPT
合集下载
(推荐)《薄膜物理》PPT课件
氙 (Xe) 二氧化碳 (CO2)
铁 (Fe) 甲烷 (CH4)
氯 (Cl2) 一氧化碳 (CO)
-12.4 -118.0 -62.5 14.7 31.0 3700.0 -82.5
144 -140.2
可以看出，氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室
温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的
平均自由程与分子密度n和分子直径σ的平方成反比关系
kT 22P
平均自由程与压强成反比，与温度成正比
37
稀薄气体的基本性质
若气体种类和温度一定的情况下
P常数
在25℃的空气情况下
P 0 .66 cm 7 Pa
或 0.667cm
P
38
稀薄气体的基本性质
三、碰撞次数与余弦定律
入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的分子
RNAk (NA：阿伏伽德罗常数) n= 7.2×1022 P/T (个／m3)
在标准状态下，任何气体分子密度为３×1019 个／cm3 当 P = 1.3 ×10-11 Pa 的真空度时 T = 293 K 则 n = 4 ×103个／cm3
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强 下，每立方厘米的体积中仍然有几百个气体分子
18
真空的基本知识
PnkT PVM m RT
P： 压强（Pa） n： 气体分子密度（个/m3） V：体积（m3） m：气体质量（kg） M：气体分子量（kg/mol） T： 绝对温度（K） k： 玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K） R：气体普适常数（8.314J/K·mol）
19
真空的基本知识
21
真空的基本知识
压强的表示方法： 国际单位：帕斯卡 (Pascal) 其它单位：托 (Torr) 毫米汞柱(mmHg) 毫巴(bar)
铁 (Fe) 甲烷 (CH4)
氯 (Cl2) 一氧化碳 (CO)
-12.4 -118.0 -62.5 14.7 31.0 3700.0 -82.5
144 -140.2
可以看出，氮、氢、氩、氧和空气等物质的临界温度远低于室
温，所以常温下它们是气体；水蒸气、有机物质和气态金属的
平均自由程与分子密度n和分子直径σ的平方成反比关系
kT 22P
平均自由程与压强成反比，与温度成正比
37
稀薄气体的基本性质
若气体种类和温度一定的情况下
P常数
在25℃的空气情况下
P 0 .66 cm 7 Pa
或 0.667cm
P
38
稀薄气体的基本性质
三、碰撞次数与余弦定律
入射频率：单位时间内，在单位面积的器壁上发生碰撞的分子
RNAk (NA：阿伏伽德罗常数) n= 7.2×1022 P/T (个／m3)
在标准状态下，任何气体分子密度为３×1019 个／cm3 当 P = 1.3 ×10-11 Pa 的真空度时 T = 293 K 则 n = 4 ×103个／cm3
目前，即使采用最先进的真空制备手段所能达到的最低压强 下，每立方厘米的体积中仍然有几百个气体分子
18
真空的基本知识
PnkT PVM m RT
P： 压强（Pa） n： 气体分子密度（个/m3） V：体积（m3） m：气体质量（kg） M：气体分子量（kg/mol） T： 绝对温度（K） k： 玻尔兹曼常数（1.3810-23J/K） R：气体普适常数（8.314J/K·mol）
19
真空的基本知识
21
真空的基本知识
压强的表示方法： 国际单位：帕斯卡 (Pascal) 其它单位：托 (Torr) 毫米汞柱(mmHg) 毫巴(bar)
F5性质第二部分薄膜物理与技术第四章.ppt
较小 （5）热处理可减小内应力；但过高温度，内应力可
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
8me
h3B2
eb KT
BKT sin(BKT
)
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
h 2m
B=
A
1
2 2
M——电子质量 S为小岛间的有效间距 热能 W e2 1 1
4 0 r s 2r
r为发射电子的小岛的半径
二、连续薄膜的电学性质
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
互作用力 特点： •与静电引力相比，范德华力是短程力 •与化学键相比，范德华力是长程力
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
8me
h3B2
eb KT
BKT sin(BKT
)
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
h 2m
B=
A
1
2 2
M——电子质量 S为小岛间的有效间距 热能 W e2 1 1
4 0 r s 2r
r为发射电子的小岛的半径
二、连续薄膜的电学性质
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
互作用力 特点： •与静电引力相比，范德华力是短程力 •与化学键相比，范德华力是长程力
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
《材料物理薄膜物理》课件
《材料物理薄膜物理》 ppt课件
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
薄膜物理与技术
离子镀
将气体在电场的作用下离化，形成离子束或等离子体，然后轰击材 料表面，使其原子或分子沉积在基底表面形成薄膜。
化学气相沉积（CVD）
常压化学气相沉积（APCVD）
在常压下，将反应气体在气相中发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形成薄膜 。
低压化学气相沉积（LPCVD）
在较低的压力下，将反应气体在气相中发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形 成薄膜。
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
利用等离子体激活反应气体，使其发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形成薄 膜。
液相外延（LPE）
溶胶-凝胶法
将金属盐溶液通过脱水、聚合 等过程转化为凝胶，然后在一
定条件下转化为薄膜。
化学镀
利用化学反应在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
电镀
利用电解原理在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
薄膜的特性与性能参数
特性
薄膜具有一些独特的物理和化学特性， 如高表面面积、高纯度、高密度等， 这些特性使得薄膜在电子、光学、磁 学等领域具有广泛的应用前景。
性能参数
评估薄膜性能的参数包括表面粗糙度、 透光性、导电性、硬度等，这些参数 决定了薄膜在不同领域的应用效果。
薄膜的形成与生长机制
形成
薄膜的形成通常是通过物理或化学方法将物质蒸发或溅射到基材表面，然后凝 结或反应形成薄膜。
涉及其他非主要性能的表征，如化学稳定性、热稳定性等。
详细描述
除了光学、力学和电学性能表征外，还有其他一些非主要性能的表征方法，如化学稳定 性表征和热稳定性表征等。这些性能参数对于评估薄膜在不同环境条件下的稳定性和耐 久性具有重要意义，尤其在化学反应容器制造和高温环境应用等领域中具有重要价值。
将气体在电场的作用下离化，形成离子束或等离子体，然后轰击材 料表面，使其原子或分子沉积在基底表面形成薄膜。
化学气相沉积（CVD）
常压化学气相沉积（APCVD）
在常压下，将反应气体在气相中发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形成薄膜 。
低压化学气相沉积（LPCVD）
在较低的压力下，将反应气体在气相中发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形 成薄膜。
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
利用等离子体激活反应气体，使其发生化学反应，生成固态物质并沉积在基底表面形成薄 膜。
液相外延（LPE）
溶胶-凝胶法
将金属盐溶液通过脱水、聚合 等过程转化为凝胶，然后在一
定条件下转化为薄膜。
化学镀
利用化学反应在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
电镀
利用电解原理在基底表面沉积 金属或合金薄膜。
薄膜的特性与性能参数
特性
薄膜具有一些独特的物理和化学特性， 如高表面面积、高纯度、高密度等， 这些特性使得薄膜在电子、光学、磁 学等领域具有广泛的应用前景。
性能参数
评估薄膜性能的参数包括表面粗糙度、 透光性、导电性、硬度等，这些参数 决定了薄膜在不同领域的应用效果。
薄膜的形成与生长机制
形成
薄膜的形成通常是通过物理或化学方法将物质蒸发或溅射到基材表面，然后凝 结或反应形成薄膜。
涉及其他非主要性能的表征，如化学稳定性、热稳定性等。
详细描述
除了光学、力学和电学性能表征外，还有其他一些非主要性能的表征方法，如化学稳定 性表征和热稳定性表征等。这些性能参数对于评估薄膜在不同环境条件下的稳定性和耐 久性具有重要意义，尤其在化学反应容器制造和高温环境应用等领域中具有重要价值。
薄膜物理与技术-1真空技术基础PPT课件
薄膜物理与技术-1真空技术基础 ppt课件
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
目录
• 真空技术基础 • 真空获得技术 • 真空测量技术 • 真空镀膜技术 • 薄膜性能检测技术
01 真空技术基础
真空定义与特性
真空定义
真空是指在给定的空间内，气体压力 低于一个大气压的状态。在真空技术 中，通常使用托斯卡或帕斯卡作为压 力单位。
真空特性
而实现气体的压缩和排除。
分子泵特性
抽气速率高、工作压力范围广、无 油污染、维护简单等。
分子泵分类
直联型分子泵、侧流型分子泵、复 合型分子泵等。
扩散泵抽气原理与特性
扩散泵抽气原理
利用加热的吸气剂将气体分子吸 进吸气剂表面，再通过扩散作用 将气体分子从吸气剂表面传递到 泵的出口，从而实现气体的排除。
扩散泵特性
真空技术的分类与应用
真空技术的分类
根据应用需求，真空技术可分为真空镀膜、真空热处理、真空电子器件制造等。
真空技术的应用
真空技术在科学研究、工业生产、航空航天、电子工业等领域有广泛应用，如 电子显微镜、太阳能电池、平板显示器的制造等。
02 真空获得技术
机械泵抽气原理与特性
机械泵抽气原理
机械泵分类
真空具有低气体压力的特性，这使得 物质在真空中表现出不同的物理和化 学性质。例如，气体分子间的碰撞减 少，气体分子的平均自由程增加。
真空的度量与单位
真空度
真空度是指真空空间内的气体压 力，通常用压力范围来表示，如 低真空、中真空、高真空和超高 真空。
真空单位
常用的真空单位有帕斯卡（Pa）、 托斯卡（Torr）和巴（bar）。1 Torr = 133.322368 Pascal。
利用高速旋转的叶轮将气体吸入，通 过压缩和排出来实现气体压缩和排除。
薄膜物理课件文字-25页word资料
第一章真空的基本知识§1. 真空的定义、单位和真空区域的划分1.真空的定义气体的压强低于一个标准大气压的气态空间一标准大气压：g=980.665 cm/s2\T=273 K时，760mm水银柱高所施加的压强平衡状态下，气体宏观参量的重要关系式：P=nKT P=压强(Pa)2. 真空的单位：(1)帕(Pa) 1 Pa=1 N/M2=10达因/cm2(2)乇(torr)(3)mmHg(4)µbar(微巴) or bar1 torr=1 mmHg= 133.3 Pa1 Pa= 0.75×10-2 torr = 10达因/cm21 µbar= 1 达因/cm2 = 0.1 Pa3. 真空区域的划分(1) 粗真空：1×105 Pa > P >1×103 Pa (大约10 torr)(2) 低真空：1×103~ 1×10-1 Pa(3) 高真空：1×10-1~1×10-6 Pa(4) 超高真空：<1×10-6 Pan< 1010个/cm3，不少高科技器件或材料只能在超高真空下才能获得§2.稀薄气体的基本性质1.气体的三种速率表达式最可几速率：算术平均速率：均方根速率：2.平均自由程的定义：气体两次碰撞之间所走路程的统计平均值a) 考虑到其它气体分子在运动，及气体速率有一定分布，作如下修正：§ 3. 气体的输运1. 抽真空过程中气体流动的三个过程(1) 初始阶段(气压较高、流速较大)出现湍流，起作用的是气体的惯性力(2) 气压较低时：粘滞性流动—各层速度不同，起作用的是层间相互摩擦力(3) 气压更低：分子性流动—分子间相互摩擦可忽略，流动完全有分子与器壁碰撞，即：湍流-粘滞性流动-分子性流动2. 气体量，流量及其表达式(1) 定义：气体量：气体体积×压强，即PV，单位：牛·米-2·米3=牛顿·米流量Q：单位时间流过的气体量Q=PV/t=牛·米/秒(2) 流量表达式：(长圆管道情况)a) 粘滞性流动时：第2章真空的获得§3 机械泵1. 机械泵的Pu : 5*10-4乇机械泵的用途：抽低真空；扩散泵、分子泵的前级真空泵机械泵的结构：由工作室、进气管、排气阀、油腔、气镇阀、马达构成工作室包括：定子、转子、旋片旋片装于转子上并将定子分成三部分：吸气空间；膨胀压宿空间；排气空间。
半导体薄膜技术与物理 第一章..PPT课件
Q3 P
2R
M
T1
T2 T2
2r1L
称为聚合系数； T1和T2分别为热丝和玻管温度； r1和L分别为热丝的半径和长度
若确定，Q3与压强P成正比；
实际上：气体分子与固体表面的碰撞过程非常复杂
难确定
很难计算出Q3 通常需用绝对真空计较准
高真空时，自由程l>>r2-r1(r2玻管半径)，
由于压强很低，Q3<<Q1-Q2，Q3与压强无关。
nUL
Pm
Pf
exp
D0
它P必f：须前与级机真械空泵压配强合使用。
n：蒸汽分子密度
U：油蒸汽速度
L：出气口至进气口的蒸汽扩散长度
D0：=常数 14
真空室
真空室放气阀 管道 高真空阀 真空规管 水冷障板
扩散泵
加热电源
预阀 粗抽管道
低阀 前级管道 机机械械泵泵放放 气阀气阀
机机械械泵泵 马马达达电电源源
Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002
。。。
3
第一章 真空技术
许多薄膜技术是在真空下实现的， “真空”是许多薄膜制备的必要条件，因 此，掌握一定的真空知识是必需的。
2021/5/15
4
1.1 真空的基本概念
1.1.1 真空的定义
压力低于一个大气压的任何气态空间
7
1.1.4 区域划分
为了便于讨论和实际应用，常根据各压强范围内不同的物理特点 把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域。
8
1.2 真空的获得
工具——真空泵
P
Pui
i
Qi
i
/
《薄膜物理》ppt课件
溶胶-凝胶法在铁电薄膜 制备中的运用
铁电研讨可大体分为四个阶段:
第一阶段是从1920年法国人Valasek发现了罗息盐的极化， 导致了“铁电性〞概念的出现开场 第一阶段是1940年~1958年。1941年，Slater提出了铁电体 的 第一个根本微观模型同时铁电唯象实际开场建立并趋成熟， 这一时期的实际与实验研讨任务，奠定铁电资料的自发极化、 相变和畴构造了解的根底 第三阶段是1959年~1979年，发现钙钛矿构造的PbTiO3、 Pb(ZrTi)O3(PZT)、PbLa〕(ZrTi)O3(PLZT)系列、钨青铜构造 的铌酸盐系列等大量铁电体，铁电的软模实际出现并根本完善， 也称软模阶段，这一阶段，现代铁电学根本成熟
在铁电薄膜的许多运用中，铁电存储器尤其引人注目 铁电存储器具有非易失性、快速存取与抗辐射等特点， 使得它在计算机、航空航天、军工国防领域呈现宽广的 运用前景，引起全世界科技界的极大关注
图 1-7 美国军用飞机中的非挥发存储器(1988) Fig. 1-7 NV-RAM used in fighter planes of U. S. A.
从水羟基配位的无机母体来制备凝胶时，取决于诸多要素，如 pH梯度、浓度、加料方式、控制的成胶速度、温度等
溶胶-凝胶法
聚合反响的另一种方式是氧基聚合，构成氧桥M－O－M；这 种聚合过程要求在金属的配位层中没有水配体，即氧-羟基配
体
溶胶-凝胶法
2. 金属有机分子的水解聚合反响 金属烷氧基化合物(M(OR)n )是金属氧化物的溶胶-凝胶合成 中常用的反响物分子母体，几乎一切金属(包括镧系金属)均 可构成这类化合物
氢氧化铁溶胶的制备
分散相在介质中的溶解度须极小是构成溶胶的必要条件之一
溶胶-凝胶法
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2018/12/4
主要参考书
薄膜物理与器件. 肖定全、朱建国、朱基亮等，国防工业 出版社 (2011-05) 半导体薄膜技术与物理. 叶志镇、吕建国、吕斌，浙江大 学出版社 (2008-09) 薄膜物理与技术. 杨邦朝、王文生，电子科技大学出版社 (2006-09) 薄膜材料制备原理、技术及应用. 唐伟忠，冶金工业出版 社(2003-01) 薄膜科学与技术手册. 田民波、刘德令，机械工业出版社， (1991) Internet
2018/12/4
20
按薄膜厚度和晶体结构
• 超薄膜 • 二维纳米薄膜 • 薄膜 • 厚膜 • 单晶薄膜 • 多晶薄膜 • 非晶薄膜/微晶 • 纳米晶薄膜
2018/12/4
~ 10 nm < 100 nm < 10 µ m 10 ~ 100 µ m
21
四、薄膜的历史
1000多年前，阿拉伯人发明了电镀 7世纪，溶液镀银工艺 19世纪中，电解法、化学反应法、真空蒸镀法等 20世纪以来，学术和实际应用中取得丰硕成果，溅射法 近年来，Sol-Gel法、激光闪蒸法……
1. 2. 2. 3. 4. 5.
2018/12/4
19
按照材料特性（按σ，ε，u）
按电导率（ σ ）分有： 金属薄膜 半导体薄膜 绝缘体薄膜 超导体薄膜 光电薄膜 … 按（ ε ）分有： 介质薄膜
铁电薄膜
压电薄膜 热电薄膜
按导磁率（ u ）分有： 磁性薄膜 非磁性薄膜
2018/12/4
8
薄膜科学包括：
（1） 薄膜制造技术—— 气相沉积生长法（PVD、CVD…） 氧化生长法 Sol-gel法 电镀（电解）法 … （2）薄膜的形成（生长）—— 从气相原子凝结→形成晶核→核长 大 →网状结构（不连续性）→成膜（连续性）
衬底作用？气氛影响？表面与界面特性？结晶过程？ 膜的结构？缺陷？扩散？性质？生长条件？
R600
R800
2018/12/4
16
定义
薄膜是生长在基片之上，厚度在亚微米以下， 具有一定功能的材料。 电、磁、声、光 生物医学Si
基片
衬底：基片与电 极、过渡层的总 称，如Si/Ti/Pt。
2018/12/4
表面
17
二、薄膜材料的特点
1. 2.
2018/12/4
18
三、薄膜的分类
按功能和应用领域分为： 电学薄膜：导电、电阻、半导体、介电、压电、铁电、超导、 光电、传感、磁电、光能、电光 光学薄膜：减反射、反射、分光滤光、光存储 工程薄膜：耐腐蚀、防磨损、热传导、润滑 生物医学薄膜：抗菌杀毒、生物活性 装饰包装薄膜：金、仿金TiN、铝箔
我们的祖先创造了最早的薄膜制造技术——提拉法
2018/12/4
11
但作为一门科学与技术，是在近30年信息时代到 来之后
信息显示技术
2018/12/4
12
信息存储技术
2018/12/4
13
计算机技术
2018/12/4
14
日常生活
2018/12/4
15
ZnO薄膜的扫描电镜分析
unannealed
地位：
* 重要的专业基础课（固态电子学、微电子学、 光电子学、光学……） * 薄膜（化）是材料科学重要发展方向 * 在高科技领域和国民经济建设等领域的重要性
关系：
* 微电子（学）技术的基础，——电子工业基础， 离开了薄膜，谈不上现代电子学的发展 * 电子产品核心器件由各种薄膜制成 * 与材料、能源、信息等领域息息相关
2018/12/4
4
一些有用的资源
5
2018/12/4
6
薄膜为什么受到重视？
薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分支，发展形成 自己的体系（理论与实验）； 薄膜材料具有广泛的电、光、声、热、磁等应用场合； 许多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特 性而不是整体特性 电子元器件（微电子、光电子）是建立在发展于表面或表面近 层的物理效应基础上的 微电子器件、固体电子器件提高性能、小型化发展的关键是相 关薄膜材料的制备和研究 薄膜具有许多明显不同于块材料的特性：如晶体结构多为非晶态、 亚稳态等，这些特性称为反常结构与特性——为薄膜所特有（值 得研究和利用），不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型 功能材料开辟了广阔途径（非平衡冶金、非晶态生长、超微细结 构、纳米材料…）；
界面
3.
4. 5.
薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应； 薄膜表面积与体积之比很大，表面能级很大，对膜 内电子输运影响很大； 薄膜界面态复杂，力学因素和电学因素交相作用， 内应力和量子隧穿效应同时存在，对薄膜生长和微 结构影响巨大； 异常结构和非理想化学计量比特性明显； 可实行多层膜复合，如超晶格。
2018/12/4
9
（3）薄膜的检测与控制—— ► 分析薄膜的结构 成分 性质（评价） ► 控制：膜层厚度 膜层成分 决定性质 膜层结构 （4）薄膜的性质——力学、电学、磁学、声学、光学、热学… （5）薄膜的应用-----尤其在高新技术领域 ……
2018/12/4
10
薄膜概述
一、什么是薄膜？
薄膜产生从祖国古代陶瓷制釉开始已有一千多年
2018/12/4
7
薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的一个分支。现在科学技术的发 展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下，过去 需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或者 一块集成电路板就可以完成，而薄膜技术正是实现器件和系统微型化 最有效的技术手段； 薄膜技术是器件微型化的关键技术，是制备新型功能器件的有效手段。 器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更强化， 随着器件的尺寸减小以至于接近电子或其他离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。 薄膜材料可以发挥各组合材料的优势。薄膜技术作为材料制备的有效 手段，可以将各种不同的材料灵活地组合在一起，构成具有友谊特性 的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的某种局 限性。
(讲义1)薄膜物理与 技术
课程要求及主要内容
总学时: 60 h 其中：课堂教学: 50 h；课程实验: 10 h
2
1、基础知识
2、薄膜制备技术 3、薄膜形成与生长 4、薄膜结构与缺陷 5、薄膜分析方法 6、薄膜物理性质 7、特例及应用 8、超晶格与量子阱
2018/12/4
3
本课程的地位（作用）及与其他课程（学科）关系
主要参考书
薄膜物理与器件. 肖定全、朱建国、朱基亮等，国防工业 出版社 (2011-05) 半导体薄膜技术与物理. 叶志镇、吕建国、吕斌，浙江大 学出版社 (2008-09) 薄膜物理与技术. 杨邦朝、王文生，电子科技大学出版社 (2006-09) 薄膜材料制备原理、技术及应用. 唐伟忠，冶金工业出版 社(2003-01) 薄膜科学与技术手册. 田民波、刘德令，机械工业出版社， (1991) Internet
2018/12/4
20
按薄膜厚度和晶体结构
• 超薄膜 • 二维纳米薄膜 • 薄膜 • 厚膜 • 单晶薄膜 • 多晶薄膜 • 非晶薄膜/微晶 • 纳米晶薄膜
2018/12/4
~ 10 nm < 100 nm < 10 µ m 10 ~ 100 µ m
21
四、薄膜的历史
1000多年前，阿拉伯人发明了电镀 7世纪，溶液镀银工艺 19世纪中，电解法、化学反应法、真空蒸镀法等 20世纪以来，学术和实际应用中取得丰硕成果，溅射法 近年来，Sol-Gel法、激光闪蒸法……
1. 2. 2. 3. 4. 5.
2018/12/4
19
按照材料特性（按σ，ε，u）
按电导率（ σ ）分有： 金属薄膜 半导体薄膜 绝缘体薄膜 超导体薄膜 光电薄膜 … 按（ ε ）分有： 介质薄膜
铁电薄膜
压电薄膜 热电薄膜
按导磁率（ u ）分有： 磁性薄膜 非磁性薄膜
2018/12/4
8
薄膜科学包括：
（1） 薄膜制造技术—— 气相沉积生长法（PVD、CVD…） 氧化生长法 Sol-gel法 电镀（电解）法 … （2）薄膜的形成（生长）—— 从气相原子凝结→形成晶核→核长 大 →网状结构（不连续性）→成膜（连续性）
衬底作用？气氛影响？表面与界面特性？结晶过程？ 膜的结构？缺陷？扩散？性质？生长条件？
R600
R800
2018/12/4
16
定义
薄膜是生长在基片之上，厚度在亚微米以下， 具有一定功能的材料。 电、磁、声、光 生物医学Si
基片
衬底：基片与电 极、过渡层的总 称，如Si/Ti/Pt。
2018/12/4
表面
17
二、薄膜材料的特点
1. 2.
2018/12/4
18
三、薄膜的分类
按功能和应用领域分为： 电学薄膜：导电、电阻、半导体、介电、压电、铁电、超导、 光电、传感、磁电、光能、电光 光学薄膜：减反射、反射、分光滤光、光存储 工程薄膜：耐腐蚀、防磨损、热传导、润滑 生物医学薄膜：抗菌杀毒、生物活性 装饰包装薄膜：金、仿金TiN、铝箔
我们的祖先创造了最早的薄膜制造技术——提拉法
2018/12/4
11
但作为一门科学与技术，是在近30年信息时代到 来之后
信息显示技术
2018/12/4
12
信息存储技术
2018/12/4
13
计算机技术
2018/12/4
14
日常生活
2018/12/4
15
ZnO薄膜的扫描电镜分析
unannealed
地位：
* 重要的专业基础课（固态电子学、微电子学、 光电子学、光学……） * 薄膜（化）是材料科学重要发展方向 * 在高科技领域和国民经济建设等领域的重要性
关系：
* 微电子（学）技术的基础，——电子工业基础， 离开了薄膜，谈不上现代电子学的发展 * 电子产品核心器件由各种薄膜制成 * 与材料、能源、信息等领域息息相关
2018/12/4
4
一些有用的资源
5
2018/12/4
6
薄膜为什么受到重视？
薄膜物理是物理学（特别是固体物理学）的重要分支，发展形成 自己的体系（理论与实验）； 薄膜材料具有广泛的电、光、声、热、磁等应用场合； 许多制品（刀具、容器、管道、板材等）主要决定于其表层特 性而不是整体特性 电子元器件（微电子、光电子）是建立在发展于表面或表面近 层的物理效应基础上的 微电子器件、固体电子器件提高性能、小型化发展的关键是相 关薄膜材料的制备和研究 薄膜具有许多明显不同于块材料的特性：如晶体结构多为非晶态、 亚稳态等，这些特性称为反常结构与特性——为薄膜所特有（值 得研究和利用），不仅是材料学研究的重要领域，也为发展新型 功能材料开辟了广阔途径（非平衡冶金、非晶态生长、超微细结 构、纳米材料…）；
界面
3.
4. 5.
薄膜材料属于介观范畴，具有量子尺寸效应； 薄膜表面积与体积之比很大，表面能级很大，对膜 内电子输运影响很大； 薄膜界面态复杂，力学因素和电学因素交相作用， 内应力和量子隧穿效应同时存在，对薄膜生长和微 结构影响巨大； 异常结构和非理想化学计量比特性明显； 可实行多层膜复合，如超晶格。
2018/12/4
9
（3）薄膜的检测与控制—— ► 分析薄膜的结构 成分 性质（评价） ► 控制：膜层厚度 膜层成分 决定性质 膜层结构 （4）薄膜的性质——力学、电学、磁学、声学、光学、热学… （5）薄膜的应用-----尤其在高新技术领域 ……
2018/12/4
10
薄膜概述
一、什么是薄膜？
薄膜产生从祖国古代陶瓷制釉开始已有一千多年
2018/12/4
7
薄膜材料是现代材料科学发展最迅速的一个分支。现在科学技术的发 展，特别是微电子技术的发展，打破了过去体材料的一统天下，过去 需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或者 一块集成电路板就可以完成，而薄膜技术正是实现器件和系统微型化 最有效的技术手段； 薄膜技术是器件微型化的关键技术，是制备新型功能器件的有效手段。 器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能，而且可以使之更强化， 随着器件的尺寸减小以至于接近电子或其他离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。 薄膜材料可以发挥各组合材料的优势。薄膜技术作为材料制备的有效 手段，可以将各种不同的材料灵活地组合在一起，构成具有友谊特性 的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的某种局 限性。
(讲义1)薄膜物理与 技术
课程要求及主要内容
总学时: 60 h 其中：课堂教学: 50 h；课程实验: 10 h
2
1、基础知识
2、薄膜制备技术 3、薄膜形成与生长 4、薄膜结构与缺陷 5、薄膜分析方法 6、薄膜物理性质 7、特例及应用 8、超晶格与量子阱
2018/12/4
3
本课程的地位（作用）及与其他课程（学科）关系