功能薄膜及其沉积制备技术1

1、2015-2016学年 第一学期教材：戴达煌，代明江，侯惠君编著. 功能薄膜及其沉积制备技术M. 北京：冶金工业出版社. 2013. 第1章 绪论第2章 第3章装饰功能薄膜第4章机械功能薄膜第5章目 录第6章特殊功能薄膜第7章 功能薄膜的沉积制备方法 材料表面微细加工技术绪绪 论论1.1 薄膜的含义及特征薄膜的含义及特征 薄膜：通常是把膜层在无基片而独立形成的厚度作为薄膜薄膜：通常是把膜层在无基片而独立形成的厚度作为薄膜厚度的一个大体标准，规定厚度约为厚度的一个大体标准，规定厚度约为1m。 曾有学者提出曾有学者提出2025m厚度以上称为涂层，厚度以上称为涂层，125m称为称为薄膜；也有人把几十

2、微米的膜层称为薄膜。薄膜；也有人把几十微米的膜层称为薄膜。 从表面界面科学的角度上看，从微观研究的范围上看，它从表面界面科学的角度上看，从微观研究的范围上看，它涉及的是涉及的是材料表面几个至几十个原子层材料表面几个至几十个原子层，若涉及原子层数，若涉及原子层数量更大些，通常厚度为量更大些，通常厚度为几个纳米到几十个几个纳米到几十个m。什么是“薄膜”（thin film）?多“薄”的膜才算薄膜？研究功能薄膜的意义研究功能薄膜的意义 新型功能薄膜的出现，不仅可以提高部件材料的耐磨损、耐腐蚀、抗高温氧化和抗疲劳性能，从而提高部件的可靠性、安全性、延长使用寿命，同时还可以通过表面技术赋予材料和部件特殊

3、的声、光、电、磁、热等性能，当今它的应用已渗透到机械、石化、冶金、交通、能源、环保、核能、航空航天、微电子、光电子、计算机、通信等国民经济、国防建设和人民生活各个领域，特别在解决材料发展的复合化、轻量化、多功能化、智能化方面尤为突出。1.1.2 薄膜学的主要研究内容薄膜学的主要研究内容（1）薄膜的沉积制备工艺技术。）薄膜的沉积制备工艺技术。（2）研究薄膜所具有的特性，特别是新）研究薄膜所具有的特性，特别是新 的特性，包括超硬特性、光、热、电、磁的特性，包括超硬特性、光、热、电、磁 等特性以及这些特性的物理本质。等特性以及这些特性的物理本质。（3）根据研究的特性，有针对性地应用）根据研究的特性，

4、有针对性地应用与工业的各个领域，特别是高新技术领域。与工业的各个领域，特别是高新技术领域。装饰装饰功能薄膜功能薄膜机械机械功能薄膜功能薄膜特殊特殊功能薄膜功能薄膜物理物理功能薄膜功能薄膜薄膜的功能和用途薄膜的功能和用途1.1.3 功能薄膜的分类功能薄膜的分类各种色调的彩色膜各种色调的彩色膜1.1.3 功能薄膜的分类功能薄膜的分类（1）装饰功能薄膜主要应用薄膜的色彩效应和功能效应。幕墙玻璃用的装饰膜幕墙玻璃用的装饰膜塑料金属化装饰膜塑料金属化装饰膜包装用装潢及装饰膜包装用装潢及装饰膜装饰功能薄膜装饰功能薄膜镀铝纸镀铝纸1.1.3 功能薄膜的分类功能薄膜的分类（2)机械功能薄膜主要应用薄膜的力学性

5、能和防护性能的功能效应。耐腐蚀膜耐腐蚀膜耐冲刷膜耐冲刷膜耐高温氧化膜耐高温氧化膜防潮防热膜防潮防热膜高强度高硬度膜高强度高硬度膜润滑与自润滑膜润滑与自润滑膜成型加工（防咬合、裂纹、耐磨损）成型加工（防咬合、裂纹、耐磨损）机械功能薄膜械功能薄膜1.1.3 功能薄膜的分类功能薄膜的分类（2)机械功能薄膜主要应用薄膜的力学性能和防护性能的功能效应。耐腐蚀膜耐腐蚀膜耐冲刷膜耐冲刷膜耐高温氧化膜耐高温氧化膜防潮防热膜防潮防热膜高强度高硬镀膜高强度高硬镀膜润滑与自润滑膜润滑与自润滑膜成型加工（防咬合、裂纹、耐磨损）成型加工（防咬合、裂纹、耐磨损）TiN, CrN, SiO2, Cr7C3, NbC, Ta

6、C, ZrO2, MCrAlY, Co+Cr, ZrO2+Y2O3TiN, TaN, ZrN, TiC, TaC, SiC, BNTiCN,金刚石和类金刚石薄膜Al, Zn, Cr, Ti, Ni, AlZn, NiCrAlCoCrAlY, NiCoCrAlY+HfTaMoS2TiC, TiCN, CrC机械功能薄膜械功能薄膜1.1.3 功能薄膜的分类功能薄膜的分类（3）物理功能薄膜主要应用薄膜物理性能的功能效应。光学薄膜光学薄膜微电子学薄膜微电子学薄膜光电子学薄膜光电子学薄膜集成光学薄膜集成光学薄膜信息储存膜信息储存膜物理功能薄膜阳光控制膜、低辐射系数膜、防激光致盲膜、反射膜、增反膜、选择性

7、反射膜、窗口薄膜电极膜、电器元件膜、传感器膜超导元件膜、微波声学器件膜晶体管薄膜、集成电路基片膜探测器膜光敏电阻膜光导摄像靶膜光波导膜、光开关膜光调制膜、光偏转膜激光器薄膜磁记录膜、光盘存储膜、铁电存储膜1.1.3 功能薄膜的分类功能薄膜的分类（4）特殊功能薄膜主要是指一些特殊用途的功能薄膜。真空下的干摩擦真空下的干摩擦辐射下的润滑与耐磨辐射下的润滑与耐磨高温耐磨与透光高温耐磨与透光具有某些特殊功能的纳米薄膜具有某些特殊功能的纳米薄膜特殊功能薄膜特殊功能薄膜DLC, 金刚石MoS2金刚石单层：金属、半导体、绝缘体、高分子；复合膜（包括纳米复合结构与复合功能）：金属半导体、半导体绝缘体、金属绝缘

8、体、金属高分子、半导体高分子1.1.4 薄膜材料的特殊性薄膜材料与普通的固体材料比有什么特殊性？薄膜厚度很薄容易产生尺寸效应。A C B 薄膜的表面积与体积之比很大，因而表面效应显著，其表面能、表面态、表面散射、表面干涉对薄膜物性影响很大。薄膜与基体界面之间还存在一定的相互作用，就会产生膜/基间的黏附性、内应力等。5432 21 1表面能级膜/基的附着性和附着力薄膜的内应力异常结构和非理想化学计量比特性量子尺寸效应和界面隧道穿透效应1.1.4 薄膜材料的特殊性比较容易实现多层薄膜结构的沉积制备61.1.4 薄膜材料的特殊性u表面能级 晶体内部原有的三维周期性在表面处中断而形成的电子能级。晶体内

9、部原有的三维周期性在表面处中断而形成的电子能级。 理论上，理论上， 常把传统的能带计算法应用于表面薄层，以计算电常把传统的能带计算法应用于表面薄层，以计算电子能量和波函数。子能量和波函数。 研究表面能级的主要实验手段有光电子能谱、离子中和谱等。研究表面能级的主要实验手段有光电子能谱、离子中和谱等。 从化学键模型看，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不从化学键模型看，表面能级起源于表面原子朝外方向具有不饱和的价键，称为悬挂键。这些悬挂键可提供电子或吸收电饱和的价键，称为悬挂键。这些悬挂键可提供电子或吸收电子，相当于半导体中的施主杂质和受主杂质，从而形成与施子，相当于半导体中的施主杂质和受主杂质，

10、从而形成与施主能级或受主能级相当的表面能级。表面能级可位于体能带主能级或受主能级相当的表面能级。表面能级可位于体能带的禁带区内，也可位于允许带内，后者称为共振态。的禁带区内，也可位于允许带内，后者称为共振态。 薄膜大多是沉积在某种基片衬底上，薄膜和基片构成一个复合体系，存在着相互作用。1.1.4 薄膜材料的特殊性v 膜/基的附着性和附着力 附着：指薄膜沉积在基片的过程中，膜层和基片两者间的原子相互受对方的作用，这种相互的作用通常的表现形式就是附着。 附着能：两种异种物质间的相互作用能。 附着力：用附着能对基片与薄膜间的距离微分，微分的最大值。1.1.4 薄膜材料的特殊性1.1.4 薄膜材料的特

11、殊性附着力：范德瓦尔斯力、静电力、凝聚能范德瓦尔斯力：不同物质原子间最普遍的相互作用力。它是永久偶极子与感应偶极子之间的作用力和其他色散力的总称。假定，两个分子间相互作用能为U, 则式中 a 分子极化率； r 分子间距离； I 分子的离化能；下标A，B 分别表示A分子和B分子。632ABABABa aI IUIIrv 膜/基的附着性和附着力1.1.4 薄膜材料的特殊性附着力：范德瓦尔斯力、静电力、凝聚能 假定薄膜与基体都是导体，两者费米能级不同，薄膜的形成会从一方到另一方发生电荷转移，界面上形成带电的双层。这时，膜层与基材间就会产生相互的静电力F，式中 界面电荷密度； 0真空中的介电常数。02

12、2Fv 膜/基的附着性和附着力刻蚀腐蚀清洗电清电清理理机械机械清清理理基材活化1.1.4 薄膜材料的特殊性v 膜/基的附着性和附着力 扩散力：由于两种原子间的混合和化合，造成界面消失，此时附着能变成混合物或化合物的凝聚能，而凝聚能要比附着能大。附着力测量方法：黏结法和非黏结法离子轰击清洗提高膜/基浸润性“中间过渡层”1.1.4 薄膜材料的特殊性v 薄膜的内应力 薄膜一面附着在基片上，受到约束的作用，易在膜层内产生应变。与膜层垂直的任意断面，其两侧会产生相互作用力，这种力称为内应力内应力。分类分类: : 固有应力（本征应力）；非固有应力。原因：原因：因薄膜与衬底（基体）间不同的线膨胀系数和晶格失

13、配，把应力引进薄膜；因薄膜与衬底之间发生化学反应，在薄膜与衬底之间形成的金属化合物同薄膜紧密结合，有轻微的晶格失配，也能把应力引进薄膜；在薄膜晶粒生长过程中，移走了部分晶粒间界，因而减少了晶粒间界中多余的体积，也会使薄膜和衬底间引进应力。 设薄膜的内应力为设薄膜的内应力为，弹性模量为，弹性模量为E，则在单位体，则在单位体积薄膜中其储存的应变能积薄膜中其储存的应变能U（J/m3)为：为： 当薄膜厚度为当薄膜厚度为d, 在单位面积基片上附着的薄膜所具在单位面积基片上附着的薄膜所具有的应变能为：有的应变能为： 思考：薄膜厚度太厚？内应力大？思考：薄膜厚度太厚？内应力大？ 在薄膜的应变能超过薄膜与基片

14、的界面能时，薄膜在薄膜的应变能超过薄膜与基片的界面能时，薄膜就会从基片上剥离下来。就会从基片上剥离下来。 EU22EdU22v 薄膜的内应力v 异常结构和非理想化学计量比特性 薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过程，薄膜的结薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过程，薄膜的结构不一定和相图相符合。规定把与相图不相符合的结构称为构不一定和相图相符合。规定把与相图不相符合的结构称为异常结构异常结构，不过这是一种，不过这是一种准稳（亚稳）态结构准稳（亚稳）态结构。A 族元素的非晶态结构是最明显的异常结构。在低于族元素的非晶态结构是最明显的异常结构。在低于300下生成的下生成的C、Si、Ge为非晶结构。为

15、非晶结构。常温时，常温时，NiNi的晶体为的晶体为面心立方面心立方（fcc）结构，在非常低的气结构，在非常低的气压下溅射沉积，得到的薄膜都是压下溅射沉积，得到的薄膜都是密排立方密排立方（hcp）结构。结构。TaTa具有的具有的体心立方体心立方(bcc)结构结构，当溅射沉积时，当溅射沉积时，N N2 2等杂质大等杂质大多都会形成多都会形成正方晶系的正方晶系的-Ta。BNBN晶体为晶体为六方结构六方结构，低温时所形成的却是立方结构，成为，低温时所形成的却是立方结构，成为立方氮化硼立方氮化硼（C-BN)。 化合物的计量比化合物的计量比，一般来说是完全确定的。但是多组，一般来说是完全确定的。但是多组元

16、薄膜成分的计量比就未必如此了。元薄膜成分的计量比就未必如此了。uTa 在在N2的放电气氛中溅射沉积时，对应一定的的放电气氛中溅射沉积时，对应一定的N2分分压，其生成的薄膜压，其生成的薄膜TaNx膜（膜（0 x1)的成分是任意的。的成分是任意的。u辉光放电法得到的辉光放电法得到的-Si1-xNx:H、-Si1-xOx:H等，其中等，其中x可在很大范围内变化（可在很大范围内变化（0 x1)。 因此，人们把这种成份偏离称为因此，人们把这种成份偏离称为非理想化学计量比非理想化学计量比。 v 异常结构和非理想化学计量比特性 在薄膜材料中，当它具有量子尺寸效应时，由于电在薄膜材料中，当它具有量子尺寸效应时

17、，由于电子波的干涉，与膜面垂直运动相关的能量将取分立的子波的干涉，与膜面垂直运动相关的能量将取分立的数值，因此它会对电子的输运现象产生影响。一般，数值，因此它会对电子的输运现象产生影响。一般，把这种与德布罗意波的干涉相关联的效应称为把这种与德布罗意波的干涉相关联的效应称为量子尺量子尺寸效应。寸效应。 给予薄膜表面中有大量的晶粒界面，界面的势垒给予薄膜表面中有大量的晶粒界面，界面的势垒V0比电子能量比电子能量E要大很多。根据量子力学的原理，这类要大很多。根据量子力学的原理，这类电子有一定几率穿过这个势垒，称穿过势垒为电子有一定几率穿过这个势垒，称穿过势垒为隧道穿隧道穿透效应。透效应。v 量子尺寸

18、效应和界面隧道穿透效应 为了提高膜层与基体的结合力，采用中间过渡的多为了提高膜层与基体的结合力，采用中间过渡的多层复合易于实现。层复合易于实现。p金刚石超硬涂层刀具膜，其多层为金刚石金刚石超硬涂层刀具膜，其多层为金刚石/TiC/WC-钢衬底；钢衬底；p用于高保真度，镀有用于高保真度，镀有DLC的喇叭钛振膜的多层膜为的喇叭钛振膜的多层膜为DLC-TiC-Ti振膜；振膜；p在线路板用的在线路板用的0.3mm微型钻头镀制微型钻头镀制（CrAlTi)N膜层膜层时，其中间过渡层为时，其中间过渡层为Cr-CrN-(CrAlTi)N膜梯度过渡。膜梯度过渡。v 比较容易实现多层薄膜结构的沉积制备5432 21

19、 1表面能级膜/基的附着性和附着力薄膜的内应力异常结构和非理想化学计量比特性量子尺寸效应和界面隧道穿透效应1.1.4 薄膜材料的特殊性比较容易实现多层薄膜结构的沉积制备61.1.5 薄膜材料的结构与缺陷u薄膜材料的结构（薄膜材料的结构（结晶形态）结晶形态） 非晶、单晶、多晶三种类型。非晶、单晶、多晶三种类型。 非晶：也称无定形态或玻璃态，从原子排列情况看，非晶：也称无定形态或玻璃态，从原子排列情况看，为无序结构。如：基片温度较低时形成的硫化物和卤化物为无序结构。如：基片温度较低时形成的硫化物和卤化物薄膜。薄膜。 多晶：薄膜形成过程中会生成许多岛状小晶粒，这些多晶：薄膜形成过程中会生成许多岛状小

20、晶粒，这些小晶粒聚结形成的薄膜即为多晶薄膜。晶粒往往有择优取小晶粒聚结形成的薄膜即为多晶薄膜。晶粒往往有择优取向。向。 单晶：适当条件下，薄膜沿单晶基片的结晶轴方向呈单晶：适当条件下，薄膜沿单晶基片的结晶轴方向呈单晶生长。单晶生长。1.1.5 薄膜材料的结构与缺陷u薄膜材料的缺陷薄膜材料的缺陷（1）点缺陷点缺陷 晶体中晶格排列出现的缺陷，若只涉及到单个晶格结点，则称这种缺陷为点缺陷。 典型构型典型构型空位和填隙原子 定义定义 形成原因形成原因l晶格结点处原子在平衡位置附近不停地作热晶格结点处原子在平衡位置附近不停地作热振动，一定温度下，能量是一定的，但由于存振动，一定温度下，能量是一定的，但由

21、于存在能量起伏，个别原子脱离束缚逃离原位，形在能量起伏，个别原子脱离束缚逃离原位，形成成空位缺陷空位缺陷；逃离原位的原子跳进晶格原子之；逃离原位的原子跳进晶格原子之间的间隙形成间的间隙形成填隙缺陷填隙缺陷。l温度急剧变化引起，温度急剧变化引起，真空蒸发薄膜过程会引真空蒸发薄膜过程会引入点缺陷。入点缺陷。l由杂质引起。由杂质引起。（1 1）点缺陷）点缺陷 特点特点1.1.在点缺陷中数量最多的是原子空位；在点缺陷中数量最多的是原子空位；2.2.不能用电子显微镜直接观测到，存在不易引起注意；不能用电子显微镜直接观测到，存在不易引起注意；3.3.薄膜中存在原子空位的效果主要表现在晶体的体积和密薄膜中存

22、在原子空位的效果主要表现在晶体的体积和密度上。度上。 ( (一个空位可使晶体体积大约减少二分之一的原子体积。一个空位可使晶体体积大约减少二分之一的原子体积。薄膜中空位浓度在平衡浓度以上，因此薄膜密度比块状薄膜中空位浓度在平衡浓度以上，因此薄膜密度比块状小小) )。可通过研究薄膜电阻率可通过研究薄膜电阻率随时间变化减小的现象研究空随时间变化减小的现象研究空位。位。（1 1）点缺陷）点缺陷（2）位错v 位错是薄膜中最常遇到的位错是薄膜中最常遇到的缺陷之一缺陷之一v 它是晶格结构中一种它是晶格结构中一种“线线型型”的不完整结构，其密的不完整结构，其密度约为度约为1012 1013/cm2。v 在块状

23、优质晶体中，位错在块状优质晶体中，位错密度大约为密度大约为104 106/cm21.1.5 薄膜材料的结构与缺陷晶体中的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合位错晶体中的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合位错1.1.5 薄膜材料的结构与缺陷晶体中的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合位错晶体中的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合位错1.1.5 薄膜材料的结构与缺陷晶体中的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合位错晶体中的位错类型有刃型位错、螺型位错和混合位错1.1.5 薄膜材料的结构与缺陷在薄膜中位错的原因(1) 基体引起的位错 如果薄膜和基体之间有晶格失配的位错，则在生长成单层的拟似性结构时就会有位错

24、产生。 如果在基体上有位错，那么在基体上形成的薄膜就会因基体的位错引起位错。 一般情况下，基体的位错密度是非常小的。1.1.5 薄膜材料的结构与缺陷(2) 小岛的聚结薄膜中产生位错的主要原因都来自小岛的长大和聚结。在多数的小岛中其结晶方向都是任意的。两个晶体方向稍有不同的两个小岛相互聚结成长时，就会产生以位错形式形成小倾斜角晶粒间界。在薄膜中位错的原因1.1.5 薄膜材料的结构与缺陷（3 3）晶界较多）晶界较多 面缺陷有面缺陷有晶界晶界、相界、表面、堆积层错等。、相界、表面、堆积层错等。 由于薄膜中含有许多微小晶粒，与块状材料相比，薄由于薄膜中含有许多微小晶粒，与块状材料相比，薄膜膜晶粒间界晶

25、粒间界面积较大。面积较大。 在吸附原子表面扩散率很小的情况下，薄膜中晶粒尺在吸附原子表面扩散率很小的情况下，薄膜中晶粒尺寸与临界核尺寸无较大差异。寸与临界核尺寸无较大差异。 但一般情况下，吸附原子的表面但一般情况下，吸附原子的表面扩散率都较大，所以小岛长大到可扩散率都较大，所以小岛长大到可以互相接触时，晶粒尺寸则远远地以互相接触时，晶粒尺寸则远远地大于临界核尺寸。大于临界核尺寸。1.1.5 薄膜材料的结构与缺陷1.1.6 薄膜材料的性质与应用性质性质应用应用力学性质耐磨和抗冲刷膜层、润滑膜层、微机械热学性质热防护膜层、热敏感元件、光电器件热沉化学性质扩散阻挡层、抗高温氧化、防腐蚀膜层、生物材料

26、相容性膜层、化学催化膜层、气体活液体敏感器光学性质反射和减反射膜层、光吸收膜层、干涉滤色镜、装饰性膜层、光记录介质、基成光波导、集成电路光刻掩膜电学性质绝缘膜、导电膜、半导体器件、光电转化器、压电器件和信息储存单元、超导电器件、电子发射阴极和显示器件磁学性质磁记录介质、磁传感器1.2 功能薄膜材料的选择与设计（1）所设计的材料、表面、表面功能薄膜的类型，必须满足环境和功能应用要求，一般表面层的体系都会是一个或几种膜层组合的体系。（2）不同的功能薄膜沉积制备方法和工艺，对功能薄膜的性能影响有一定的差异，因此，需有效地选择应用实施这种所要求的功能薄膜组合体系所选用的最佳沉积方法和工艺技术。（3）由

27、于功能薄膜性能要求很高、很广，因此对工艺过程的控制，必须有严格的控制标准。（4）必须有严格的检测标准。1.2 功能薄膜材料的选择与设计v装饰功能薄膜v机械功能薄膜v物理机械薄膜v特殊功能薄膜v微电子机械系统制备技术v 与所用的功能薄膜1.2.1 装饰功能薄膜选择装饰功能薄膜的主要原则：选择装饰功能薄膜的主要原则：（1）颜色）颜色 根据不同用途和使用性能要求，可选择根据不同用途和使用性能要求，可选择金属的原色金属的原色或或化合化合物的原色物的原色，也可通过，也可通过“反应镀膜反应镀膜”获得获得多元化合物的颜色多元化合物的颜色和和非非化学计量的多元化合物的颜色化学计量的多元化合物的颜色。与膜厚有关

28、的不同的干涉色。与膜厚有关的不同的干涉色。 为了获得理想的色彩，一种是利用膜质色，如为了获得理想的色彩，一种是利用膜质色，如TiN(金金色色)、TiC(黑灰色黑灰色)；另一种就是利用不同厚度；另一种就是利用不同厚度(50300nm)的的透明介质膜产生干涉色。透明介质膜产生干涉色。选择装饰功能薄膜的主要原则：选择装饰功能薄膜的主要原则： （1）颜色）颜色 为获得不同的色彩，必须进行膜系结构设计，有为获得不同的色彩，必须进行膜系结构设计，有MG、MNG、MNMG、MMG、MOMG、MOMMOG等等(G为玻璃片，为玻璃片，M为金属合金膜，为金属合金膜，MO为氧为氧化物膜，化物膜，MN为氮化物膜为氮化

29、物膜)。其中典型的膜系结构是。其中典型的膜系结构是MO IIMMO IG，其中，其中MO II是第二层金属氧化物膜层，是第二层金属氧化物膜层，主要起保护作用；主要起保护作用；M为金属膜层，影响反射率和透射率；为金属膜层，影响反射率和透射率；MO I为第一层金属氧化物膜层，其有适当的厚度。为第一层金属氧化物膜层，其有适当的厚度。n(折射折射率率)、k(1，2，3，)、d(膜厚膜厚)通过吸收和干涉作用产生不通过吸收和干涉作用产生不同玻面颜色，如宝石蓝、金黄、紫、绿、银、褐色等。同玻面颜色，如宝石蓝、金黄、紫、绿、银、褐色等。1.2.1 装饰功能薄膜选择装饰功能薄膜的主要原则：选择装饰功能薄膜的主要

30、原则：（1）颜色）颜色 根据不同用途和使用性能要求，可选择根据不同用途和使用性能要求，可选择金属的原色金属的原色或或化合物化合物的原色的原色，也可通过，也可通过“反应镀膜反应镀膜”获得获得多元化合物的颜色多元化合物的颜色和和非化学非化学计量的多元化合物的颜色计量的多元化合物的颜色。与膜厚有关的不同的干涉色。与膜厚有关的不同的干涉色。（2）明度）明度 同一成分的膜，因工艺方法不同，其产生的光亮度也会不同。同一成分的膜，因工艺方法不同，其产生的光亮度也会不同。（3）耐候性）耐候性 耐人汗腐蚀；耐蚀；耐候性和耐紫外线照射；耐盐雾腐蚀；耐人汗腐蚀；耐蚀；耐候性和耐紫外线照射；耐盐雾腐蚀；耐潮湿；耐热性

31、等。耐潮湿；耐热性等。（4）耐磨性）耐磨性 应视膜系的使用环境，设计选择相应的硬度、耐划伤的膜系。应视膜系的使用环境，设计选择相应的硬度、耐划伤的膜系。介绍两种装饰功能膜：介绍两种装饰功能膜：（1）塑料金属化装饰功能膜。）塑料金属化装饰功能膜。 塑料金属化塑料金属化是用真空镀膜，在塑料制品表面上镀一层铝是用真空镀膜，在塑料制品表面上镀一层铝膜，经染色产生金属质感的彩色效果，赋予塑料各种颜色膜，经染色产生金属质感的彩色效果，赋予塑料各种颜色和金属光泽。和金属光泽。（2）七彩装饰功能膜。）七彩装饰功能膜。 它是一种它是一种多层光干涉膜多层光干涉膜系。例如用系。例如用ZnS-SiO膜系作七彩膜系作七

32、彩膜，使用不同的衬底，膜，使用不同的衬底，ZnS效果丰富多彩。效果丰富多彩。1.2.1 装饰功能薄膜设计选择机械功能薄膜遵循原则：（1）膜层的功能应具有良好的性能，能满足工况使用条件和环境状况要求。（2）功能膜层与部件的材质、性能适应性要好。（3）膜/基结合强度的要求要尽量高。（4）膜层本身的强度和塑性应尽量高，主要是防止膜层的裂纹扩展。（5）设计选择功能薄膜时应考虑内应力对膜层强度的影响。（6）功能薄膜的硬度。1.2.2 机械功能薄膜（6）功能薄膜的硬度。 在选择设计膜材时，可依据硬质材料的原子间结合特性，性能对比考虑： 共价键材料，具有高的硬度。 金属键材料，具有较好的综合性能。 离子键材

33、料，具有较好的化学稳定性。 中间过渡层。 （6）功能薄膜的硬度。 在选择设计膜材时，可依据硬质材料的原子间结合特性，性能对比考虑：共价键材料，具有高的硬度。 （6）功能薄膜的硬度。 金属键材料，具有较好的综合性能。（6）功能薄膜的硬度。 离子键材料，具有较好的化学稳定性。（6）功能薄膜的硬度。 在选择设计膜材时，可依据硬质材料的原子间结合在选择设计膜材时，可依据硬质材料的原子间结合特性，性能对比考虑：特性，性能对比考虑： 共价键材料，具有高的硬度。共价键材料，具有高的硬度。 金属键材料，具有较好的综合性能。金属键材料，具有较好的综合性能。 离子键材料，具有较好的化学稳定性。离子键材料，具有较好

34、的化学稳定性。（6）功能薄膜的硬度。 中间过渡层。在膜层与基体、界面间起到缓冲作用。 例如：在钛上沉积制备类金刚石膜，其中间过渡层选择TiC, 即Ti-TiC-DLC1.2.3 物理功能薄膜 利用那些具有优异的物理、化学、生物功能和具有声、光、电、热、磁等互相转换功能及其他相关的效应，并用之于高新技术，特别是用于制造微电子的功能器件，并与元器件相组成为一体，以元器件的优异特性对薄膜作出评价的功能薄膜，统称为物理功能薄膜。(1)根据功能器件应用及系统设计要求，确定功能器件的性能。(2)根据功能器件要求的性能，进行器件设计；按器件的原理，确定所选设计材料的相关效应、材料所应达到的性能，从而保证达到

35、功能器件的特性。(3)根据器件设计所要求的材料性能，结合材料的基础数据库，选择物理功能薄膜材料及相关衬底材料。(4)同一功能薄膜的沉积制备工艺方法不同，其性能会有较大的差异。(5)功能薄膜沉积制备完成后，即可进行器件制作。(6)用实际器件与应用中要求的器件特性进行对比，以确定是否需要改进设计，进一步优选功能薄膜材料或底衬，为进一步改进沉积制备工艺，使功能器件达到所需的目标。设计选择物理功能薄膜的主要原则是：设计选择物理功能薄膜的主要原则是：设计选择物理功能薄膜的主要原则是：设计选择物理功能薄膜的主要原则是：利用铁电功能薄膜的热释电性能制备热释电单元探测器和列阵探测器？设计题设计题1.2.4 特

36、殊功能薄膜 特殊功能薄膜应用最为“特殊”。基于它在应用上某些方面的特殊，对功能薄膜材料要求相对比较特别，特别是需要在一些特殊环境、工况条件下使用。 例如：宇航上用的轴承，它要求具有真空条件下的干摩擦特性，在轴承运转中，不能有任何挥发物释放；例如：像导弹雷达整流罩所用的功能薄膜，飞机和导弹超声速飞行时，头部锥形的雷达罩必须承受高温和耐高速雨点与尘埃的撞击，不仅要求雷达整流罩用的功能薄膜透光性好，还要求散热快、耐磨性好，在高速飞行中能承受高温骤变等性能。1.2.4 特殊功能薄膜1.2.5 微电子机械系统制备技术与所用的功能薄膜 微电子机械系统是一种把微电子器件(包括集成电路)与微机械器件功能相集成

37、的系统。其微机械器件与微电子器件均需有相同量级的尺寸。 从制备方法上，它们是通过微细加工技术来制造和对功能薄膜进行“二维”或平面加工的微细加工技术。 涉及表面微细加工的技术： (1)电子束、离子束、激光束的材料表面微细加工。 (2)化学气相沉积、等离子化学气相沉积、离子镀膜、热氧化等的薄膜沉积制备。 (3)湿法刻蚀、溅射刻蚀、等离子刻蚀、离子束刻蚀等图形刻蚀。 (4)离子注入扩散掺杂等。1.3 功能薄膜材料的发展趋势1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高度集成化 功能薄膜沉积制备技术的研究正向多种类、高性能、新工艺、新装备等方面发展； 功能薄膜的结构控制研究正在向分子层次、原子层次、纳米

38、尺度、介观结构等方向深入； 小型化、多功能、高集成与制作过程中的工艺与硅平面工艺相兼容业已成为当今功能薄膜总的发展趋势。1.3 功能薄膜材料的发展趋势1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高度集成化（1）集成铁电器件 由“半导体芯片(衬底)+铁电薄膜(元件)”所构成的器件出现了在集成铁电器件中作为衬底的半导体集成电路芯片，提供必要的控制、放大、传送、反馈等微电子功能特性。 多功能的介电材料铁电薄膜与集成电路中特定的晶体管集成，按集成铁电器件总要求，通过铁电、压电、介电、热释电、电光或非线性光学效应，起存储、转换、开关、传感或其他功能的作用。1.3 功能薄膜材料的发展趋势1.3.1 功能薄膜

39、材料小型化、多功能化和高度集成化（1）集成铁电器件 铁电随机存储器(FRAM)，是一种具有高速、高密度、低功耗、抗辐射的典型铁电集成器件。它有在断电情况下也不会丢失数据的优点，是最有发展前途的新型存储器件之一。用于这种存储器的铁电材料主要有钙钛矿结构系列，包括等，其原理是基于铁电材料PbZr1-xTixO3、SrBi2Ti2O9和Bi4-xLaxTi3O12的高介电常数和铁电极化特性，采用射频磁控溅射沉积制备铁电薄膜。铁电存储器的制作采用半导体硅器件的制作工艺。、1.3 功能薄膜材料的发展趋势1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高度集成化（1）集成铁电器件 新一代的声表面波器件新一代的声

40、表面波器件(SAW)采用采用硅一金刚石膜一铁硅一金刚石膜一铁电薄膜电薄膜多层结构，以多层结构，以单晶硅片单晶硅片为衬底，应用为衬底，应用金刚石膜，金刚石膜，铁电薄膜一般是铁电薄膜一般是ZnO或或LiNbO3等，具有最高的纵波声等，具有最高的纵波声速而为声表面波传递介质。这种用硅一金刚石膜铁电速而为声表面波传递介质。这种用硅一金刚石膜铁电薄膜多层结构的薄膜多层结构的SAW器件，可在器件，可在46GHz下工作，被下工作，被用作用作新一代移动通信或微波系统新一代移动通信或微波系统所需的高性能高频滤波所需的高性能高频滤波器。器。1.3 功能薄膜材料的发展趋势1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高

41、度集成化（2）微电子机械系统器件 微电子机械系统是一种把微微电子机械系统是一种把微(MEMS)电子器件电子器件( (包括集成包括集成电路电路) )与微机器件功能相集成的系统。与微机器件功能相集成的系统。 利用利用多晶硅薄膜多晶硅薄膜制备成硅微静电马达、硅微型流量计、制备成硅微静电马达、硅微型流量计、微机械加速度计、微机械振动陀螺仪、微型生物芯片。微机械加速度计、微机械振动陀螺仪、微型生物芯片。 铁电薄膜铁电薄膜因具有介电、压电、热释电和铁电等优良特性，因具有介电、压电、热释电和铁电等优良特性，已是已是MEMS器件制作的优选材料之一。器件制作的优选材料之一。 金刚石膜金刚石膜具有极低的摩擦系数、最高的热导率、最高的具有极低的摩擦系数、最高的热导率、最高的强度和弹性模量、极佳的化学稳定性，被认为是制作强度和弹性模量、极佳的化学稳定性，被认为是制作MEMS运动部件运动部件( (如齿轮、轴如齿轮、轴) )