电子科大薄膜物理(赵晓辉)绪论
(完整版)电子科大薄膜物理(赵晓辉)第二章蒸发
主要内容
• 真空蒸发原理 • 薄膜膜厚分布及纯度 • 蒸发装置
2
PVD的特点
利用物理过程，实现物质从源到薄膜的转移。
特点：
1. 固态或熔融态作源物质 2. 经过物理过程转移 3. 较高真空度 4. 没有化学反应
3
4
Evaporation
电子束
蒸发系统
*
5
§2-1 Principle of Evaporation
• 在设计优良的系统中 ，扩散油蒸气不明显。
22
薄膜纯度
残余气体
b 3.5 1022
Pb Mb T
(atoms• cm2 sec1 )
蒸发源
S
NA d• Ma
atoms• cm2 sec1
薄膜杂质浓度
Ci
Pb M a
Mb T d•
d • : deposition rate
18
• 由于lnPv与1/T的近似正比关系，所以当T 有微小变动时，蒸发速率会有剧烈的变化！
20% 对于金属，温度变化1%，蒸发速率变化可达
必须精确控制蒸发温度！
19
五、蒸发分子的平均自由程与碰撞频率
1）Collision Probability 碰撞频率
在低真空蒸镀时，气体分子入射到基片上，单 位时间、单位面积入射的气体分子数。
– Pvap = vapor pressure (Torr) – M = molecular weight
– cm2 => area of source
17
• 可以转化为质量流量（mass flux）
evap 5.834 102
薄膜技术绪论.pptx
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薄膜科学的应用
在信息显示技术中的应用
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薄膜科学的应用
在信息显示技术中的应用
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薄膜科学的应用
在信息存贮技术中的应用
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薄膜科学的应用
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薄膜科学的发展历史
❖ 薄膜材料由于其在微观结构、宏观性能等方面 所具有的特殊性, 在科学技术发展和人们的日常 生活中发挥着越来越重要的作用。
❖ 薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作 者, 而且受到各国高技术产业界的广泛关注。
❖ 薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料 科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领域, 薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的 边缘学科。
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薄膜科学的基本概念
薄膜的特性：
different from bulk materials Thin films may be:
• not fully dense • under stress • different defect structures from bulk • quasi - two dimensional (very thin films) • strongly influenced by surface and interface effects This will change electrical, magnetic, optical, thermal, and mechanical properties.
涉及材料学、化学、物理化学、表面物理学、 凝聚态物理学、电子学等内容。
薄膜物理与技术课程教学大纲 .doc
薄膜物理与技术课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：薄膜物理与技术所属专业：电子器件与材料工程课程性质：必修课学分：3（二）课程简介、目标与任务；本课程讲授薄膜的形成机制和原理、薄膜结构和缺陷、薄膜各项物理性能和分析方法等物理内容；讲授薄膜各种制备技术。
通过本课程学习，使学生具备从事电子薄膜、光学薄膜、以及各种功能薄膜研究与开发的能力（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；《量子力学》、《热力学与统计物理》、《固体物理》、《电子技术》、《电路分析》等。
（四）教材与主要参考书。
教材：二、课程内容与安排本课程全部为课堂讲授。
重点：真空的获得和真空测量的工作原理；物理气相沉积和化学气相沉积的原理及方法；薄膜生长的机理。
难点：磁控溅射的机理及控制；MOCVD技术；薄膜形成过程的机理（一）绪论2学时1、薄膜的概念和历史2、薄膜材料与薄膜技术的发展3、薄膜科学是边缘交叉学科4、薄膜产业是腾飞的高科技产业（二）真空技术基础2学时1、真空的基本知识2、真空的获得3、真空的测量（三）真空蒸发镀膜4学时1、真空蒸发原理2、蒸发源的蒸发特性及膜厚分布3、蒸发源的类型4、合金及化合物的蒸发5、膜厚和淀积速率的测量与控制（四）溅射镀膜4学时1、溅射镀膜的特点2、溅射的基本原理3、溅射镀膜类型4、溅射镀膜的厚度均匀性（五）离子镀膜2学时1、离子镀原理2、离子镀的特点3、离子轰击的作用4、离子镀的类型（六）化学气相沉积镀膜4学时1、化学气相沉积的基本原理2、化学气相沉积的特点3、化学气相沉积方法简介4、低压化学气相沉积5、等离子体化学气相沉积6、其他化学气相沉积（七）溶液镀膜法2学时1、化学反应沉积2、阳极氧化法3、电镀法4、LB膜的制备（八）薄膜的形成4学时1、凝结过程2、核形成过程3、薄膜形成过程生长模型4、溅射薄膜的形成过程5、薄膜的外延生长6、薄膜形成过程的计算机模拟（九）薄膜的结构和缺陷4学时1、薄膜的结构2、薄膜的缺陷3、薄膜表面缺陷：再构表面和吸附表面4、薄膜结构与组分的分析方法（十）薄膜的性质和应用4学时1、薄膜的力学性质和应用2、光学薄膜的性质和应用3、金属薄膜的电学性质和应用4、功能介质薄膜的电学性质和应用5、半导体薄膜的性质和应用6、磁性薄膜的性质和应用7、超导薄膜的性质和应用8、金刚石薄膜的性质和应用制定人：审定人：批准人：日期：。
薄膜物理与技术绪论
生物医学领域应用
生物传感器
利用生物功能化的薄膜制备生物传感器，实现对生物分子和细胞 的灵敏检测和实时监测。
药物传递与控制释放
通过制备药物载体薄膜，实现药物的精确传递和可控释放，提高药 物的疗效和降低副作用。
医疗器械与植入物
利用薄膜材料制备医疗器械和植入物，提高医疗器械的性能和使用 寿命，降低医疗成本。
子器件。
光学工业
用于制造反射镜、光学 仪器、光电器件等。
机械工业
用于制造耐磨、耐腐蚀 的表面涂层和刀具等。
生物医学
用于制造人工关节、牙 齿等生物医学材料。
02
薄膜制备技术
物理气相沉积技术
真空蒸发沉积
溅射沉积
利用加热蒸发材料，使其原子或分子从熔 融态或气态转化为蒸气态，并在基体表面 凝结形成薄膜。
成薄膜。
溶胶凝胶法
将欲形成薄膜的元素或化合物 以溶胶凝胶的形式涂敷在基体 表面，经过热处理或化学处理 形成薄膜。
电泳沉积法
利用电场作用将欲形成薄膜的 颗粒在基体表面沉积形成薄膜 。
化学镀法
利用还原剂将欲形成薄膜的金 属离子还原成金属原子，并在
基体表面沉积形成薄膜。
溅射法
直流溅射法
磁控溅射法
利用直流电源作为溅射电源，使气体 辉光放电，产生等离子体轰击靶材， 使靶材原子或分子被溅射出来，并在 基体表面凝结形成薄膜。
弹性模量是衡量薄膜在受力时抵抗变形能力 的指标。
拉伸强度与延伸率
拉伸强度和延伸率是评估薄膜在受力时的力 学性能和耐久性的重要参数。
电学性能表征
总结词
电学性能表征是评估薄膜在电场作用下 的行为和性能表现的关键手段。
介电常数与介质损耗
介电常数和介质损耗是衡量薄膜在电 场中储能和能量损耗的重要参数。
《薄膜物理与技术》课程教学大纲
《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。
其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。
同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。
通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。
在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。
二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。
学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。
了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。
理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。
以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。
课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。
课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。
理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。
了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。
第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第三章 溅射
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几种气体的电离几率
通常采用Ar气，原因：
1. 电离率高，容易起辉 2. 惰性气体，不反应
3. 价格便宜
35
3.3 Sputtering Characteristics /溅射特性
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1. Threshold voltage/阈值电压
• 对于大多数金属而言，阈值电压是升华热 的数倍，大约为10 to 30 eV • 因不同材料而不同。Tab.3－1
–因此等离子体会发光。
20
④ Glow Discharge Color/辉光放电颜色
– 不同气体被激发后发出不同颜色的光： • Nitrogen/氮气, Helium/氦气, Sodium/钠, Boron/硼, Neon/氖气 – 颜色（或波长）与弛豫时失去的能量有关： • E = hv
– 这个特性使得分析产生等离子体的气体成为可能。 • 例如: 等离子体刻蚀时的 Endpoint detection/终点探测
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Ⅱ单晶靶出射原子的角分布不同于多晶靶
现象：在密排方向 溅射率大。 解释：沟道效应。
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f. 靶材温度
现象：主要与靶材物质的升华能相关的某温度值有关。 在低于此温度时，溅射率几乎不变；而高于此 温度，溅射率急剧增加。
溅射与热蒸发
二者的复合作用。
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3. 溅射原子的能量和速度分布 与入射离子能量的关系
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②Ionization/电离
– 电子被从中性原子和分子上敲下来
M + e- => M+ + 2e– – 生成带正电的颗粒称为“离子”。 因为带电，所以可用电场操控。
18
Impact Ionization/碰撞电离:
电子科大薄膜物理(赵晓辉)第七章薄膜表征
测试条件：单色光、垂直入射，反射光强度 将随膜厚而周期变化。
9
极值出现在：
(2m 1)
h 4n1
n1>n2，极大值 n1<n2，极小值
金属膜吸收太 强，不适用。
10
2.2 不透明薄膜厚度的测量 －等厚干涉条纹法
单色平行光照射到楔 形薄膜上，反射后， 会在固定的位置产生 干涉的最大和最小， 所以可观察到明暗相 间的平等条纹。
11
若膜厚不均，干涉 条纹也就不规则。 若膜厚有台阶，干 涉条纹出现台阶， 显然相邻干涉条纹 间相差λ/2。
h L
L2
12
石英晶体振荡法
原理：利用石英晶体的振荡频率随晶片厚度变化的 关系，在晶片上镀膜，测频率的变化，就可求出 质量膜厚。
13
固有频率：
数学关系
厚度方向弹性波的速度
v f0 2hq
Spectrophotometer • SIMS
35
卢瑟福背散射原理
36
卢瑟福背散射图谱
37
谢谢您的关注！
5
台阶仪
6
台阶仪测试结果示例
7
光干涉法
单色光从薄膜上、下表面反射，当膜厚导致 的光程差为n倍λ时，会发生干涉。
光程差为： nc(AB+BC) – AN 又，折射定律：
8
光程差＝ 2nch cos
位相变化 (正入射)
0，透射光
π，反射光反射回折射率小的物质
0，反射光反射回折射率大的物质
2.1 透明薄膜厚度的测量
a) G aN
S a p p h ir e
rel. Intensity
-GaN on c-plane Sapphire 3
《薄膜科学与技术》课程讲稿-绪论
六、薄膜科技的新进展
1. 纳米薄膜 2. 单分子膜、单原子膜 3. 特殊要求的新薄膜 如高损伤阈值多色光学膜 宽波段红外薄膜
三、薄膜材料与薄膜技术的发展
2. 薄膜材料进展 * 可以制取在平衡状态下不存在的物质 （如SiXO2-X，AlXGa1-Xas） * 可在更低温度下进行物质的合成 （如溅射镀膜、离子镀膜） * 可制备各种各样的薄膜 （金属膜、合金膜、非金属膜、半导体膜、 陶瓷膜、非晶态化合物膜和塑料膜等） * 基体材料不受限制
1.物理气相沉积： 热激活，溅射 --物质的原子或分子逸出 --沉积在基片上形成薄膜， 防止污染，沉积过程在真空中进行。 真空蒸镀（电阻加热、电子束、激光、 分子外延）， 溅射沉积（直流、射频、中频） 离子束 技术 （离子注入、双束技术、离 子束辅助 沉积、离子镀等）。
2. 化学气相沉积： 构成薄膜元素的单质或化合气体 --化学反应 --生成固态物质 --沉积在基片上形成薄膜。 3.溶液镀膜法： 溶液中 --化学反应或电化学反应 --在基 片上沉积薄膜
三、薄膜材料与薄膜技术的发展
3. 应用上的进展
* 产生新物性、新功能 （表面效应、量子效应等） * 电子器件和大规模集成电路 * 磁性膜、磁记录介质 * 绝缘膜、电介质膜 * 压电、铁电、热释电及超导膜、传感器膜等功能薄膜 * 多色光学器件膜、光记录膜、光导膜等光学膜 * 耐磨、抗蚀和自润滑膜 * 装饰膜 应用领域：电子、计算机、磁光记录、信息、传感器、能源、机 械、光学、航空航天和核工业等
四、薄膜的性质
2. 结构与缺陷 2.2 异常结构和化学计量比特性
* 异常结构定义：和相图不符合的结构。 （ 如非晶硅结构，300~400℃以下可制得 稳态结构，表现独特的力, 热, 光, 电磁等 物性，薄膜技术是有力制备手段之一。）
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PVD 溅射 Sputtering
气
相
淀法
积
CVD
法
离子镀 Ion plating
常压CVD、低压CVD、 金属有机物CVD、 等离子体CVD、 光CVD、热丝CVD
液 相
化学镀、电镀、Sol-Gel、MOD、液相外延、
法 水热法、喷雾热解、喷雾水解、LB膜及自组装
渗
入
化合法、扩散法、离子注入法
法
1. 物理气相沉积技术(PVD)是利用热蒸发、离子溅 射或辉光放电等物理过程，在基体表面沉积所需 薄膜的技术
2. 化学气相沉积技术(CVD)是利用化学反应，将气 相中的物质转移到基体表面形成所需薄膜的技术
3. 物理与化学相结合，以技术方法区分。氧化物、 氮化物的制备。
Evaporation
e-beam evaporation system
Sputtering
Pulsed Laser Deposition
二、薄膜与厚膜
薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学气 相沉积(CVD)、溶液镀膜等薄膜技术制备的薄层。
厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、膏 状物经干燥、煅烧而形成。 主要方法：丝网印刷、热喷涂 如：陶瓷表面上釉
涂层 coating
薄膜 thin film
下平面：固体表面、液体表面、空气
缺点：不能区分薄膜、厚膜、涂层、金属箔、层等概念。 thick film coating foil layer
定义3：
采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的
一薄层固态物质 。
强调基板必不可少；
Hale Waihona Puke ——区分薄膜与金属箔、塑料薄膜
强调制备方法；
——区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键 通常： 薄膜 < 1μm 厚膜>10μm
饰、包装，镀金，锡箔纸，塑料薄膜上镀铝 太阳能电池，超导薄膜，铁电薄膜，金刚石薄膜…
集成电路：
1. P-N结、绝缘层、导线，并由此构成二极管、 三极管、电阻、电容等电子元件
2. 是薄膜技术的最主要推动力
3. 莫尔定律：每1.5年，更新1代：线宽缩小为 上一代的0.7倍
薄膜传感器的制作
磁性薄膜
《电子薄膜材料》 曲喜新，科学出版社，1996
主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章
真空技术基础 物理气相沉积－－蒸发 物理气相沉积－－溅射 化学气相沉积 化学溶液沉积 薄膜生长过程和结构 薄膜材料的表征方法
课件
课件是提纲 课本是主要内容 讲述是重点 U盘拷贝
考试
1. 考试形式：闭卷 2. 考试内容：所有讲述内容 3. 成绩构成：
• 平时成绩：30%（作业，出勤，实验报告） • 考试成绩：70%
什么是薄膜？
一、薄膜的定义
定义1（狭义）：
由单个的原子、 离子、原子团无规则 地入射到基板表面， 经表面附着、迁徙、 凝结、成核、核生长 等过程而形成的一薄 层固态物质。
薄膜的应用
薄膜的分类
电学——超导、导电、半导体、电阻、绝缘、电介质 功能薄膜
光学——增透、反射、减反、光存储、红外 磁学——磁记录和磁头薄膜
声学——声表面波滤波器，如ZnO、Ta 热学——导热、隔热、耐热 机械——硬质、润滑、耐蚀、应变 化学、 生物
传感器：压力，温度，湿度，加速度，气体 光电子器件：薄膜电致发光器件，代替CRT作显示器 信息及计算机：磁性薄膜，光盘，磁光盘 光学：反射膜，增透膜 机械工业：耐磨涂层，硬质镀层，固体润滑膜，耐腐蚀装
Vacuum Thin Film
Atom
Substrate surface
定义1的特点：
• 强调了薄膜生长的机理与过程 • 仅仅适用于气相生长方法，而不适用于液相法 • 也不能描述扩散、注入方法 • 强调了薄膜的生长必须依附基板
定义2（广义）：
夹在两个平行平面间的薄层。
上平面：空气 固体膜、液体膜
厚膜 thick film
说明: 溶胶－凝胶(Sol-Gel)、金属有机沉积(MOD)、 喷雾热解和喷雾水解等属于薄膜方法，但从原理
上更接近厚膜方法。
三、基板
名称： 衬底、基板、基片， substrate，wafer 材料： 半导体、玻璃、陶瓷、金属、塑料、纸张等 作用： 支撑、绝缘、提供生长模板等
Coil for writing
巨磁阻磁头的薄膜断面
Lubricant ~ 20 Å Carbon overcoat ~ 70 Å Top magnetic layer ~ 100 Å Spacer layer ~ 0 - 20 Å Bottom magnetic layer ~ 100 Å Intermediate layer ~ 50 Å
教材及参考书
《薄膜材料制备原理、技术及应用》 唐伟忠， 冶金工业出版社，2003
《薄膜物理与技术》 杨邦朝， 电子科大出版社，1994
《薄膜科学与技术手册》 田民波，机工版，1991
《Material Science of Thin Films－Deposition & Structure》 M. Ohring，世图影印版，2006
世界日新月异
1900 1950 2000 2010
更小，更快，更强
2008, QX9650, 8.2亿 1971,4004, 2300
立体战争
物联网探测传感
挑战带来机遇
怎样才能实现？
Let’s do it with thin films.
如何制备薄膜？
薄膜制备方法分类
真空蒸发 Evaperation
薄膜物理与技术
赵晓辉
课程介绍
赵晓辉 办公室：微固楼 335 电 话：83200866 Email：xhzhao@
课程介绍
• 上课时间： 周二 3、4节 周四 1、2节 总共32学时 实验课1次
• 上课地点： 二教 108
课程介绍
课程任务：
掌握固体薄膜的主要制备技术及相关 知识，为从事固体电子薄膜的研究、设计 和制备打下基础。
Under layer ~ 100 Å Seed layer ~ 100 Å
Substrate
晶体太阳能电池
YBCO/CeO2/YSZ/CeO2/Ni
YBCO超导样品
YBCO 薄膜形貌
作业
1. 什么是薄膜？ 2. 薄膜制备方法分类。 3. 薄膜应用领域举例。