薄膜技术与薄膜讲义教案
《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。
材料表面与薄膜技术概论PPT教案
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四要素内涵
加工是指材料的制备、合成、压力加工、机械加工、废 料的再生处理等。
效能是指材料在各种使用条件（包括高温或低温、各种 应力状态、冲击和疲劳加载、腐蚀和辐照环境）下的性 能或行为，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线、 寿命评估等。
料原表面上进行物理化学反应而形成保护膜的 技术。 • 如热化学气相沉积、等离子化学气相沉积、金 属有机化合物化学气相沉积等。
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2、表面覆盖技术(surface covering)
表面覆盖技术分类
（3）溶液沉积表面覆盖技术 • 在溶液中，通过物理、化学、电化学等反应产
生的各种粒子（如原子、离子、分子等）在基 体材料原表面上形成保护膜的技术。 • 如电镀、化学镀、微弧氧化以及化学转化膜技 术等。
要为“学问”而不要为“学位”。要立下追求 真理、创造新知的志向，敢于探索未知的、重 大的和困难的题目，并为此付出精力和心血。
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树立学术理想，还要有正确的治学精神和治学 态度，具有良好的学术道德，这其中最为关键 的就是“严谨”和“诚信”。
学术不端或学术失范的行为，对学校声誉的破 坏是严重的，对个人的学术前途甚至人生道路 造成的影响更是无可挽回的。牢记“学问来不 得半点虚假” 。
表面覆盖技术分类
• 表面覆盖技术按照基体材料原表面的空间和参 与处理介质的物理状态分为五类：
（1）物理气相沉积表面覆盖技术 （2）化学气相沉积表面覆盖技术 （3）溶液沉积表面覆盖技术 （4）热熔融表面覆盖技术 （5）热浸镀表面覆盖技术
第5章薄膜表征PPT课件
扫描电子显微镜除了可以提供样品的二次电子和背反射电
子形貌以外，同时还可以产生一些其他的信号，例如电子在
与某一晶体平面发生相互作用时会被晶面所衍射产生通道效
应，原子中的电子会在受到激发以后从高能态回落到低能态，
同时发出特定能量的X射线或俄歇电子等。接收并分析这些
信号，可以获得另外一些有关样品表层结构及成分的有用信
的情况下，石英片上将产生固有频
率的电压振荡。将这样一只石英振
荡器放在沉积室内的衬底附近，通
过与另一振荡电路频率的比较，可
以很精确地测量出石英晶体振荡器 固有频率的微小变化。在薄膜沉积 优点：在线测量、精确
的过程中，沉积物质不断地沉积到
晶片的一个端面上，监测振荡频率 缺点：1、需对薄膜沉积设
随着沉积过程的变化，就可以知道
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椭偏仪测量薄膜厚度和折射率
椭偏仪方法又称为偏光解析法。其特点是可以同时对透明薄 膜的光学常数和厚度进行精确的测量，缺点是原理和计算比较麻 烦。
椭偏仪不仅可以用于薄膜的光学测量，而且可以被用于复杂 环境下的薄膜生长的实时监测，从而及时获得薄膜生长速度、薄 膜性能等有用的信息。
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椭圆偏振测量的应用范围很广，如半导体、光学掩膜、圆晶、金 属、介电薄膜、玻璃(或镀膜)、激光反射镜、大面积光学膜、有 机薄膜等，也可用于介电、非晶半导体、聚合物薄膜、用于薄膜 生长过程的实时监测等测量。结合计算机后，具有可手动改变入 射角度、实时测量、快速数据获取等优点。
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实验原理：
在一光学材料上镀各向同性的单层介质膜后，光线的反射和折射 在一般情况下会同时存在的。通常，设介质层为n1、n2、n3，φ1 为入射角，那么在1、2介质交界面和2、3介质交界面会产生反射 光和折射光的多光束干涉。
薄膜光学第四章光学镀膜工艺教学讲义
➢薄膜厚度监控技术
1）直接观测薄膜颜色变化的目视法； 一定结构的膜层对不同波长的光具有不同的透过率。白
光入射，反射光就会表现出颜色。 互补色原理：紫色黄绿，紫蓝黄，蓝橙，红蓝
绿，绿紫红。 特点：结构简单，操作方便，但精度低，受外界、人为因素 影响较大。
2）测量薄膜透过率和反射率极值法； 测量正在镀制膜层的反射率或透过率随膜层厚度增加过
教学目的和要求
了解和掌握影响光学薄膜质量的主要因素以及控制方法。
4.1 光学薄膜器件的质量要素
➢ 光学镀膜器件的光学性能 光学薄膜的光学常数：折射率和厚度。
膜层折射率误差来源、膜层厚度误差来源 膜层折射率误差来源 1）膜层的填充密度，也叫聚集密度。它是膜层的实材体积和 膜层的几何轮廓之比。 2）膜层的微观组织物理结构。即使用同样的膜层材料，采用 不同的物理气态沉积技术（PVD），得到的膜层具有不同的 晶体结构状态，具有不同的介电常数和折射率。
基片清洁的影响：残留在基片表面的污物和清洁剂将导致 1）膜层对基片的附着力差； 2）散射或吸收增大，抗激光损伤阈值低； 3）透光性能变差。
基片的表面污染来源： 1）基片表面抛光后存储时间较长，表面水渍、油斑和霉斑； 2）工作环境中的灰尘及纤维物质被零件表面吸附； 3）离子轰击时负高压电极溅射，在基片表面形成斑点； 4）真空系统油蒸汽倒流造成基片表面污染等。 提高清洁度的方法： 1）常打扫工作环境（最好建无尘车间）、经常打扫真空室； 2）对于新抛光基片表面，可用脱脂纱布蘸乙醇与乙醚混合物 进行擦洗；对于存储时间较长的基片表面，可用脱脂纱布或 棉花蘸最细的氧化铈或红粉进行更新，擦拭时要尽量均匀， 不要破坏表面面形。 3）基片表面油脂、水或其它溶剂的表面薄层，可利用离子轰 击来清洁。
薄膜制备与分析课堂讲稿第一讲优秀课件
l.真空获得
抽真空设备 抽气能力(极限真空度)
① 机械泵 大气105 Pa ~ 1 Pa
② 罗茨泵
104 Pa ~ 10-2 Pa
③ 扩散泵
5 Pa ~ 10-6 Pa
④ 分子泵 ⑤ 离子泵
5 Pa ~ 10-8 Pa 10-3 Pa ~ 10-10 Pa
⑥ 升华泵 10-3 Pa ~ 10-12 Pa
④离子泵的工作原理 高压5千伏 磁场1-2千伏 气体分子电离
抽气原理： a. 钛阴极板收集离子； b. 溅射出来的钛原子 吸收气体分子。
钛阴极 不锈钢阳极
钛阴极
⑤升华泵的工作原理
对钛丝或钛球通电加热使钛升华。 因大面积上充分升华钛，所以能获得大的抽气速率。
2.真空测量 真空测量规管： ①热电偶规管(真空计)-----低真空测量 测量范围：10 ～ 1 Pa (在此范围测量精确)
为产生镀膜效果，要求 l d,
即有：
d
el
1
d
fd l
l 将 l 0.667(cm) 代入得： f 1.5Pd
P
一般来说，为保证膜层质量，要求 f 101
101 P
1.5d
若 d 25cm,则: P31 03Pa
应用2：抑制残余气体与蒸发材料之间的反应所要的
真空度是多少？
因为残余气体分子到达基片上的速率N为: N PNA
≥103 103- 10-1-10-6 ≤10-6
平均自由程(cm) ≤10-4 1100--14-5 5-105 ≥105
应用1：薄膜制备中对真空度的要求是多少？
设N0个蒸发分子经d后未受残余气体分子碰撞的数目为： d
Nd N0e l
显然，被碰撞的分子百分数 f 为： d
光学薄膜原理讲课稿共150页
பைடு நூலகம்
光学薄膜原理讲课稿
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
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薄膜技术与薄膜材料自本世纪七十年代以来，薄膜技术与薄膜材料得到突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果，并已成为当代真空科学与技术和材料科学中最活跃的研究领域，在高新技术产业中具有举足轻重的作用。
薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品全方位的开发与应用。
–在重点掌握真空蒸镀、溅射、化学气相沉积等基本工艺的基础上，对迅速发展的薄膜技术有全面的了解；–系统了解对各种类型薄膜材料的制备、结构、性能及应用；–要求能够使用多种类型薄膜材料的设备、分析多种类型的薄膜的性能；–初步具备开发新设备、制备新材料的能力。
1.绪论：2.真空技术基础：3.薄膜制备的化学方法：4.薄膜制备的物理方法：5.薄膜的形成与生长：6.薄膜表征：7.薄膜材料：•主要参考书目中文：•《半导体薄膜技术与物理》，叶志镇等，浙江大学出版社，2008•《薄膜材料制备原理、技术及应用》，唐伟忠，冶金工业出版社，2003•《薄膜技术》，顾培夫，浙江大学出版社，1990•《硅外延生长技术》，B. Jayant Baliga著，任丙彦等译，河北科学技术出版社，1992 •《外延生长技术》，杨树人等，国防工业出版社，1992英文•《The materials science of thin films》, Milton Ohring，1991•《Handbook of thin-film deposition processes and techniques 》，Krishna Seshan，Noyes Publications，20021.绪论1.1 薄膜科学的发展历史1.2 薄膜的分类1.3 薄膜科学的研究内容1.4 薄膜的应用1.1 薄膜科学的发展历史一百多年来，人们对物质的物理性质的广泛研究，使物理学成为一个很大的学科领域。
在这个领域中，一些专门的知识进一步发展成为一个个独立的分支，薄膜物理就是该领域中一个相当重要的分支。
薄膜科学的研究内容包含了制备技术、分析方法、结构观察、薄膜的应用以及薄膜的生长机理等及其丰富的内容。
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。
”该薄膜的膜厚约为10Å，是一个单分子膜层。
和液体薄膜相比较的话，固体薄膜的历史比较浅短。
在现今留下的纪录里，最早的是1852年德国的化学家本生(Robert Wilhelm Bunsen)和Grove分别由化学反应和辉光放电(glow discharge)确认了其所产生的固体薄膜。
一般的固体薄膜，乃是由把原子或分子状的蒸发粒子沉积（或称蒸镀）在表面平滑的基板表面上所获得。
而这类固体薄膜，一般就仅以薄膜来称呼。
光学薄膜是薄膜科学中最早被深入研究的薄膜。
随着各种光学透镜的发展，各种增透膜、减反射膜、滤光膜、分光膜等等被精确的制备、检测和分析。
进入上世纪70年代后，透光材料在建筑、装璜等方面被广泛应用，在房屋、车辆、太阳能电池、太阳能热水器等的透明光窗上采用增透、防辐射和反射等薄膜。
这类产品已经广泛进入我们的日常生活中。
我们一般可能没有特别意识到薄膜的存在，不过事实上在日常生活当中，我们可以见到各式各样的薄膜。
例如：厨房用的铝箔（厚度约0.02mm，20μm）；保鲜膜（厚度约15μm）；保护或装饰物品表面的电镀层或胶膜；油漆等较厚的膜；眼镜、照相机镜片上的防紫外线或是防眩光膜；IC芯片及各种电子材料、装置上的镀膜等极薄的膜；下雨时车窗上的水膜，或是漂浮在汤汁上面的油膜等，则是属于液体薄膜。
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。
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.进入20世纪以来．薄膜技术无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。
其中特别应该指出的是下述三个方面。
第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜的研究开发及其应用。
这种薄膜在学术上有重要意义，同时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。
第二是在集成电路（IC、LSI）等电子工业中的应用。
一个显著成果是外延薄膜生长。
特别是随着电路的小型化，薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。
第三是对材料科学的贡献。
薄膜技术本身属于非平衡过程，与通常的材料的热平衡制备法相比，薄膜材料的非平衡特征非常明显。
虽然这种非平衡过程也有缺点，但可以制备普通相图中不存在的物质。
这些都是很突出的优点。
薄膜的性质对于薄膜来说．在厚度这一特定方向上，尺寸很小，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。
★熔点降低★干涉效应★表面散射★平面磁化各向异性★表面能级★量子尺寸效应1.2 薄膜的分类薄膜在当今和未来都拥有十分广泛的应用领域，尤其是微电子和光电子领域。
按功能和应用领域分类：电子薄膜光学薄膜硬质薄膜、耐蚀薄膜、润滑薄膜装饰薄膜包装薄膜生物薄膜其它1.3 薄膜科学的研究内容➢薄膜生长理论和薄膜制备技术；➢薄膜的结构、成分和微观状态；➢薄膜的宏观特性及其应用；➢薄膜的研究方法。
薄膜研究是以薄膜制备为起点的, 因此, 薄膜生长理论和薄膜制备技术是薄膜材料研究的基础。
薄膜科学涉及的领域：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。
➢界面和表面结构➢薄膜的缺陷和固体扩散➢薄膜的成核和生长➢薄膜表面动力学➢薄膜反应、界面扩散和界面迁移➢薄膜物理性能薄膜科学中的热点问题：➢薄膜成长的过程与影响因素➢蒸镀技术－热蒸镀、电子束蒸镀、离子束辅助蒸镀、分子束薄膜成长➢溅镀技术－DC溅镀、RF溅镀、反应溅镀、磁控原理➢化学气相镀膜技术－常压CVD、低压CVD、电浆辅助CVD➢薄膜生长技术－材料匹配、应力层超晶格、低温生长➢薄膜间的反应、相互扩散、电迁移等现象➢薄膜分析方法－结晶结构、化学组成、表面及界面分析、显微分析薄膜的制备技术➢蒸发镀膜技术Vaporation➢溅射镀膜技术Sputtering➢离子镀膜技术Ion Plating➢分子束外延技术MBE Molecule Binding Epitaxy➢化学气相沉积技术CVD Chemical Vapor deposition➢LB技术➢Sol-Gel技术薄膜物理➢薄膜形成机理和物理模型包括薄膜凝结过程、核形成和生长、生长模式等➢薄膜结构和缺陷包括薄膜的组织结构（非晶、纤维、单晶和多晶结构）、表面结构以及结构与组分的分析方法；缺陷类型（点缺陷、位错、层错等）➢薄膜物理性质电学、光学、磁学以及力学性质等薄膜研究方法简介➢薄膜厚度光学测量法和机械测量法➢薄膜结构扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、低能电子衍射、反射式高能电子衍射、扫描探针显微镜等➢薄膜成分X射线能量色散谱、俄歇电子能谱、卢瑟福背散射技术、二次离子质谱等➢薄膜附着力等分析刮剥法、拉伸法等1.4 薄膜科学的应用1. 耐磨及表面防护涂层现在科学技术对机械部件提出了综合性能要求往往超出了单一材料可以达到的性能范围。
在用涂层方法制备出材料组合，则可以有效地发挥各种材料的优点，同时避免各自的局限性。
耐磨和防护涂层技术可以有效地降低各类部件的机械磨损、化学腐蚀及高温氧化倾向，从而延长使用寿命。
涂层材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及金属间的化合物等，它们具有很高的硬度和熔点，耐磨性和耐化学腐蚀性能。
（1）耐磨涂层减小零件或工具的机械磨损。
例如TiN、TiC涂层。
（2）耐热涂层燃气涡轮发动机等需要较高温度使用的机械部件。
增加其耐热保护。
（3）防腐涂层保护被涂层的部件，不受化学腐蚀性气氛的浸蚀。
应用的领域包括石油化工、煤炭气化及核反应堆的机械部件涂层方面。
高温电绝缘涂层高温电绝缘涂层根据其化学成分的不同，可分为许多种类。
如石墨导体表面上的氮化硼或氧化铝、氟化铜涂层，到400℃仍有良好的电绝缘性能。
金属导线上的搪瓷到700℃，磷酸盐为基的无机粘结剂涂层到1000℃，等离子喷涂氧化铝涂层在1300℃，都仍保持着良好的电绝缘性能。
高温电绝缘涂层已在电力、电机、电器、电子、航空、原子能、空间技术等方面获得了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工具的表面，提高工具的使用寿命（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。
另外，利用金刚石膜制备的声表面波器件使得工作频率范围大大增加；金刚石膜也是很好的光学窗口材料。
3.薄膜科学在集成电路中的应用集成电路工艺中，氧化、涂胶等都涉及到了薄膜材料的制备问题。
其它的分离器件，如发光二极管、异质结激光器、超晶格与量子阱结构4.磁记录薄膜和光存储薄膜薄膜磁头、只读（ROM）光盘、一次写入（WORM）式光盘、可擦重写（E-DRAW)式光盘、直接重写式光盘.第二章真空技术基础2.1 真空的基本知识2.2 稀薄气体的基本性质2.3 真空的获得2.4 真空的测量2.1 真空的基本知识1643年，意大利物理学家托里折利演示了著名的大气压实验，揭示了“真空”这一物理状态。
为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形成过程往往是在真空或超高真空中进行的。