第七章-薄膜材料

1、,特种陶瓷材料及工艺,授课教师：蒋百灵 教授,材料科学与工程学院,薄膜材料是材料的一种特殊形式，由于可以实现很多块体材料所没有的独特性质，因此在高科技领域的发展中具有重要的作用，例如计算机、自动化等领域对各种元器件提出越来越多的微型化、集成化等要求，都要靠薄膜材料的发展来实现。薄膜材料的性质及典型应用见表,7.1薄膜材料的性质,7.2.1真空蒸镀 真空蒸镀是将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在工件或基片表面析出的过程。真空蒸镀设备主要包括真空系统、蒸发系统、基片撑架、挡板和监视系统。 7.2.2溅射成膜 溅射是指利用荷能粒子（如正离子）轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出的现象。逸出

2、的原子在工件表面形成与靶材表面成分相同的表面，这种制备薄膜的方法称为溅射成膜。,7.2薄膜材料的制备技术,7.2.3化学气相沉积（CVD） 当形成的薄膜除了从原材料获得组成元素外，还在基片表面与其他组分发生化学反应，获得与原组分不同的薄膜材料，这种存在化学反应的气相沉积称为化学气相沉积（CVD）。采用CVD法制备薄膜是近年来半导体、大规模集成电路中应用比较成功的一种工艺方法，可以用于生长硅、砷化镓材料、金属薄膜、薄膜绝缘层和硬化层。,7.2薄膜材料的制备技术,7.2.4分子束外延 分子束外延（MBE）已有二十多年的研究历史。外延成膜过程在超高真空中实现束源流的原位单原子层外延生长，分子束由加热

3、束源得到。该方法有以下技术特点：可以原位生长与靶材成分相同的化学计量比的薄膜，可以实时原位精确地控制原子层尺度的外延膜生长，适合于进行薄膜生长的人工设计和剪裁，从而有利于发展功能性的多层膜、结型膜和超晶格。由于激光羽辉的方向性好、污染小、便于清洗处理，更适合于在同一台设备上制备多种材料薄膜。由于系统配有RHEED质谱仪和光谱仪等实时监测分析仪器，便于深入研究激光与物质的相互作用动力学过程和成膜机理等物理问题。,7.2薄膜材料的制备技术,7.3.1 二维材料的特点 作为二维材料，薄膜材料的最主要特点是在一个尺度上很小的特点，这个特点对于各种元器件的微型化、集成化具有重要意义，最典型的是用于集成电

4、路和提高计算机存贮元件的存贮密度上。 7.3.2 薄膜材料制备过程决定的特点 薄膜的制备方法多数为非平衡状态制取，基片温度一般不高，扩散较慢。由沉积生长过程所决定，薄膜内一般存在大量的缺陷，如位错、空位等。另外，在薄膜沉积过程中的工作气体也常常混入薄膜，很多薄膜材料不一进行高温热处理，所以缺陷不易消除。,7.3薄膜材料的特点,7.3.3 薄膜制备实现方法的特点 由于薄膜材料多数处于非平衡状态，因而可以在很大范围内改变薄膜材料的成分、结构，使其不受平衡状态时的很多限制，从而制备出很多块体难以实现的材料，得到新的性能。 薄膜材料在制备过程中可以在很大范围内将几种材料掺杂在一起得到均匀膜，而无需考虑

5、是否会形成均匀相，这样就能交自由地改变薄膜的性能。 可以根据得到单晶、多晶乃至非晶的各种结构薄膜，沉积的薄膜常为垂直于表面的柱状晶，基片温度越低晶粒就越细小。 可以容易地将不同材料结合在一起制成多层结构的薄膜。 通过沉积速率的控制可以容易得到成分不均匀分布的薄膜，例如梯度膜等。,7.3薄膜材料的特点,7.4.1薄膜厚度的测量 不论是光学涂层，还是为各种电子器件制备的沉积层，均需要了解其厚度。根据薄膜的不同，其测量方法也是多种多样的，表列举了各种薄膜厚度测量技术的应用范围和特点。,7.4薄膜材料的表征,7.4.2薄膜结构的表征方法 薄膜的结构取决于薄膜的成分。其中薄膜结构的研究可以依所研究的尺寸

6、范围划分为以下三个层次。 薄膜的宏观形貌 包括薄膜尺寸、形状、厚度和均匀性等； 薄膜的微观形貌 如晶粒及物相的尺寸大小和分布孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜结构。 薄膜的显微组织 包括晶粒内的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位错组态等。 针对研究的尺度范围，可以选择不同的研究手段，包括光学金相显微镜、SEM、TEM、场离子显微镜和XRD技术等。随着电子显微镜设备的普及，SEM和TEM的使用越来越广泛。,7.4薄膜材料的表征,7.4.3薄膜成分的表征方法 薄膜表面及内部一定深度内的成分以及分布可以采用各种方法加以分析，表列出了一些常用的薄膜成分分析方法的元素范围、检测极限、空间分辨率等，这其中的多数方

7、法都是基于原子在受到激发以后，内层电子排布会发生变化并发生相应的能量转换过程的原理。,7.4薄膜材料的表征,7.4.4薄膜附着力的测量方法 对薄膜最基本的性能要求之一就是其对衬底的附着力要好，在各种方法之中，较为有代表性的测试方法有两大类，即刮剥法和拉伸法。 刮剥法是将硬度较高的划针垂直置于薄膜表面，施加载荷对薄膜进行划伤实验以评价薄膜的附着力的方法。 拉伸法利用黏结或焊接的方法将薄膜结合于拉伸棒的断面上，测量将薄膜从衬底上拉伸下来所需的载荷的大小。薄膜的附着力即等于拉伸时的临界载荷与被拉伸的薄膜面积之比。,7.4薄膜材料的表征,7.5.1半导体薄膜 半导体薄膜具有很广泛的应用，如集成电路、光

8、导摄像管的光导电膜、场效应晶体管、高效太阳能电池、薄膜传感器乃至通过掺杂得到半导体导电薄膜等等。半导体薄膜主要应用半导体单晶薄膜、薄膜晶体管、太阳能电池、薄膜场致发光材料等。 7.5.2电学薄膜 利用材料的导电性、介电性、铁电性、压电性等各种电学性质的薄膜有着广泛的用途。主要应用在集成电路中的布线、透明导电膜、绝缘膜、压电薄膜材料等领域。,7.5薄膜功能材料,7.5.3信息记录用薄膜 近年来信息科学的飞速发展也带动了薄膜材料的发展，例如计算机对高密度、大容量、高速度、小体积、低成本的信息存贮设备不断提出更高要求，而各种记录用薄膜如磁性薄膜的发展则是关键问题之一，这是薄膜材料的一个重要的医用领域和发展动力，也是竞争最激烈、发展最快的领域，信息记录方式主要有磁记录和光记录两种。,7.5薄膜功能材料,7.5.4敏感薄膜 敏感测量是各种传感器的关键部分，是利用材料在一定环境中性能变化的特性来测量的元件。热敏薄膜元件是利用材料性能岁温度