薄膜物理与技术

薄膜物理与技术读书报告班级：学号：姓名：真空薄膜技术发展至今已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。经过一代代探索者的艰辛研究，时至今日大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位，各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。其中包括纳米薄膜、量子线、量子点等低维材料，高K值和低K值介质薄膜材料，大规模集成电路用Cu布线材料，巨磁电阻、厐磁电阻等磁致电阻薄膜材料，大禁带宽度的“硬电子学”半导体薄膜材料，发蓝光的光电半导体材料，高透明性低电阻率的透明导电材料，以金刚石薄膜为代表的各类超硬薄膜材料等。这些新型薄膜材料的出现，为探索材料在纳米尺度内的新现象、新规律，开发材料的新特性、新功能，提高超大规模集成电路的集成度，提高信息存储记录密度，扩大半导体材料的应用范围，提高电子元器件的可靠性，提高材料的耐磨抗蚀性等，提供了物质基础。以至于将薄膜材料及薄膜技术看成21世纪科学与技术领域的重要发展方向之一。薄膜技术与薄膜材料之所以受到人们的关注，主要基于下面几个理由：（1）薄膜材料是典型的二维材料，即在两个尺度上较大，而在第三个尺度上很小。（2）作为二维材料，薄膜材料的最主要特点是所谓尺寸特点，利用这个特点可以实现各种元器件的微型化、集成化。（3）由于尺寸小，薄膜材料中表面和界面所占的相对比例较大，表面所表现的有关性质极为突出，存在一系列与表面界面有关的物理效应。（4）在表面，原子周期性中断，产生的表面能级、表面态数目与表面原子数有同一量级，对于半导体等载流子少的物质将产生较大影响。（5）表面磁性原子的相邻原子数减少，引起表面原子磁矩增大。（6）薄膜材料各向异性等等。通过本课程学习到了薄膜技术的基本知识及其应用。薄膜材料以其独特的性质，为促进器件微型化、集成化发挥了重要作用。薄膜制作作为一种极其重要的材料制作关键技术,是现代大学本科生必须了解的基础知识。第一章真空与薄膜技术概论从真空蒸发成膜原理出发，讨论成膜的条件，说明近代薄膜制作的大多数方法与真空条件；涉及各种膜材制作得出薄膜材料构成的基本概念。掌握一般真空条件下制作薄膜的原理，建立真空膜材制作的知识框架。重点：真空与薄膜制作的条件。第二章各种薄膜技术真空蒸发原理：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。重点：蒸发源与基片的配置。根据不同材质镀膜的需求，选择蒸发源的类别及配置。溅射的基本原理；理解金属、合金及化合物蒸发过程中的特点溅射与离子镀膜，化学气相沉淀法与溶液镀膜法。溅射镀膜的特点，及各种溅射镀膜类型。重点：理解溅射镀膜的机理，气氛和高压是各种溅射的基础条件。离子镀原理，离子镀的特点，及各种离子镀的类型。重点：理解离子镀的特点和原理、和蒸发及溅射的区别。化学气相沉积的基本原理，化学气相沉积的特点，几种主要的CVD技术。另外，介绍几种主要的不需要真空环境的湿法制膜技术，如化学镀、电镀、溶胶凝结法。掌握主要的镀膜方法，如蒸镀，离子溅射等,懂得原理和基本装置。镀膜法：1、真空蒸发镀膜法：蒸发镀膜是最常用的镀膜技术，设备简单，成膜质量高，成膜速率快，是真空镀膜的基础。蒸发源与基片的配置。掌握根据不同材质镀膜的需求，选择蒸发源的类别及配置。理解金属、合金及化合物蒸发过程中的特点。2、溅射镀膜：基于高荷能离子轰击靶材时的溅射效应，可适用于任何物质的溅射镀膜技术，由于成膜粒子能量高，是一种制取高质量膜的技术。理解溅射镀膜的机理，气氛和高压是各种溅射的基础条件，磁控溅射是提高成膜效率和质量的关键。掌握一些基本溅射方法。3、离子镀膜：集真空蒸发和真空溅射技术而发展起来的一种新的镀膜技术，离子镀膜具有独特的优点，近年来在国内得到迅速发展。理解离子镀的特点和原理、和蒸发及溅射的区别。4、溶液镀膜法：了解几种主要的湿法制膜技术。化学镀，阳极氧化法，LB制膜法。第三章薄膜的形成讨论薄膜凝结，成核长大，膜形成与生长过程。主要是从蒸镀法讨论。教学要求：理解薄膜形成的基本概念。重点：用热力学界面能及原子聚集理论解释成核过程，并掌握其数学的表达式。第四章薄膜的结构与缺陷介绍薄膜的组织晶体，表面结构及薄膜的点、线、面缺陷，及几种常用的薄膜结构与组份检查方法，如一般显微法、X射线衍射法、电子衍射法、扫描电子显微镜法、俄歇电子能谱法、X射线光电子能谱法和二次离子质谱法等。了解薄膜中存在的几种缺陷，掌握几种常用的薄膜结构的分析手段。重点：缺陷类别与分析方法。第五章薄膜的性质了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。薄膜的力学、电学性质，及半导体、磁性、超导薄膜的特性及薄膜的应用。了解薄膜的一些力、电、半导体、磁特性，及这些特性的使用价值。重点：力，电性质，薄膜应用。薄膜材料以其独特的性质为促进器件微型化、集成化发挥了重要作用。薄膜制作作为一种极其重要的材料制作关键技术是现代大学本科生必须了解的基础知识。薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。薄膜及微细加工技术的应用范围极为广泛，从大规模集成电路、电子元器件、平板显示器、信息记录与存储、MEMS、传感器、太阳能电池，到材料的表面改性等，涉及高新技术产业的各个领域。薄膜材料的应用薄膜技术与薄膜材料根据用途可以分为民用和军用两大类。首先很受人们注目的主要有一下几种薄膜：1、光学薄膜光学薄膜是一种为改变光学零件表面光学特性而镀在光学零件表面上的一层或多层膜。可以是金属膜、介质膜或这两类膜的组合。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此，它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新材料，设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。其中的原理膜有两个界面就有两个矢量，每个矢量表示一个界面上的振幅反射系数。如果膜层的折射率低于基片的折射率，则在每个界面上的反射系数都为负值，这表明相位变化为180.（若反射光存在于折射率比相邻媒质更低的媒质内，则相移为180°;若该媒质的折射率高于相邻媒质的折射率，则相移为零。）当膜层的相位厚度为90°时，即膜层的光学厚度为某一波长的四分之一时，则两个矢量的方向完全相反，合矢量便有最小值。如果矢量的模相等，则对该波长而言，两个矢量将完全抵消，于是出现了零反射率。我们日常所戴的眼镜上就镀了一层光学薄膜，光线通过镜片的前后表面时，不但会产生折射，还会产生反射。这种在镜片前表面产生的反射光会使别人看戴镜者眼睛时，看到的却是镜片表面一片白光。拍照时，这种反光还会严重影响戴镜者的美观。此外，眼镜片屈光力会使所视物体在戴镜者的远点形成一个清晰的像，也可以解释为所视物的光线通过镜片发生偏折并聚集于视网膜上，形成像点，由于屈光镜片的前后表面的曲率不同，并且存在一定量的反射光，它们之间会产生内反射光。内反射光会在远点球面附近产生虚像，也就是在视网膜的像点附近产生虚像点。这些虚像点会影响视物的清晰度和舒适性。眼镜镀膜后，就可在镜片表面镀上具有一定厚度和层数的光学薄膜，镀膜后的镜片，可保护镜片表面不受腐蚀和磨损，提高透光率和清晰度。使镜片可在摄影、拍照时减少镜片反光，同时使镜片有锐目色彩。有两种镀膜镜片：①反射式滤光镜片。在镜片表面镀金、银、硫化锌等。镀膜能反射可见光、红外线及r射线，对眼起保护作用。②抗反射增透镜片。镜片镀氟化镁、二氧化硅、氟化铝等，可减少镜面反射，提高镜片的透过率。外观美，有助于摄影拍照。镀膜眼镜的优点：（1）视物清楚，减少镜面反射光，增加了光线透过率。（2）镀膜眼镜能防止紫外线、红外线、X线对视力的伤害。配戴镀膜眼镜观力不易疲劳。对荧光屏前工作人员的视力可受到保护。（3）镀膜眼镜可以降低镜片表面的反射光，解决戴眼镜在强光下照像的难题，增加美感。（4）镜片能经受各种不良环境，高温、雨淋、海水浸泡也不会脱落。镜面镀膜有三层：外层防污膜是防灰尘和油渍；中层防反射膜，是提高镜片光线通过率。内层加硬膜是防止镜片磨损、刮花。2.、太阳能薄膜技术1973年世界爆发了第一次能源危机，使人们清醒地认识到地球上化石能源储藏及供给的有限性，客观上要求人们必须寻找其它可替代的能源技术，改变现有的以使用单一化石能源为基础的能源供给结构。为此，以美国为首的西方发达国家纷纷投入大量人力、物力和财力支持太阳电池的研究和发展，同时在以亟待解决的与化石能源燃烧有关的大气污染、温室效应等环境问题的促使下，在全世界范围内掀起了开发利用太阳能的热潮，也由此拉开了太阳电池发电的序幕。薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数um，目前转换效率最高以可达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。太阳能电池有以下几类：硅基太阳能电池(单晶/多晶/非晶)(24.7%)；化合物太阳能电池(砷化镓/硫化镉/碲化镉/铜铟硒等)；有机薄膜太阳能电池(酞青类化合物/导电聚合物等)；纳米薄膜太阳能电池(纳米TiO2)。硅材料是目前太阳电池的主导材料，在成品太阳电池成本份额中，硅材料占了将近40%，而非晶硅太阳能电池的厚度不到1μm，不足晶体硅太阳电池厚度的1/100，这就大大降低了。又由于非晶硅太阳电池的制造温度很低(～200℃)、易于实现大面积等优点，使其在薄膜太阳电池中占据首要地位。近年来,业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池在技术上已有足够的把握。日本产业技术综合研究所于去年2月已经研制出目前世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太阳能电池，其转换率已达到现有有机薄膜太阳能电池的4倍。此前的有机薄膜太阳能电池是把两层有机半导体的薄膜接合在一起，其太阳能到电能的转换率约为1%。新型有机薄膜太阳能电池在原有的两层构造中间加入一种混合薄膜，变成三层构造，这样就增加了产生电能的分子之间的接触面积，从而大大提高了太阳能转换率。从而有了更加广阔的应用前景。3、抗反射膜光学薄膜与国防科技的关系也颇为密切。事实上光学薄膜所以会这么样的蓬勃发展是由于它在军事上有不可缺少的需要而被开发出来的。首先是抗反射膜的应用。抗反射膜所谓抗反射膜是在光学组件表面镀上一层或数层的光学薄膜，造成一些界面，使得经由各个界面反射回来的光波与光波之间产生破坏性的干涉，而终至见不到反射光。军事上用到抗反射膜的地方很多，只要有接受光信号(不论可见光或红外光)或发射光信号的地方一定要做抗反射膜处理。最常见到的譬如:保护窗、目镜、物镜及任何透镜的两面都会镀上抗反射膜。镀抗反射膜的用意有二，其一是借着减少反射而增加整个光学系统的透射率。当基板的折射率愈大及片数愈多时，透射率就会愈低，以锗（Ge）来说，其折射率为4，若系统中有两片锗基板而不镀抗反射膜时透射率就会小于22%，也就是说至少78%的能量会散失掉。硅(Si)的折射率为3.4，能量的损耗也很严重，而锗锗及硅是军事上很重要的材料，可见抗反射膜在军事上是不可缺少的。镀抗反射膜的原因之二是可以使光学系统所成的影像的明晰度增高，这是因为若没有镀抗反射膜则基板的反射光束来回于系统中会使影像的背景变差，对比度降低。影像近旁会有个相似的影像存在，俗称鬼影。抗反射膜的应用增加了光学组件的透射率，使双筒望远镜能看得更清楚，使进入侦器的光信号强度增加。这在红外线光学系统中表现得更为明显。其次是金属反射膜的应用。它使反射式望远镜变得非常易行有用。它在改变光的路径，如潜望镜，它使在隐藏中观测敌情变成非常简单。第二次世界大战后，由于飞弹的开发，各种光网及红外光滤光膜的研制变得非常重要，不但薄膜设计上有了很大的进展，薄膜材料的开发上也有很大的进步。待雷射发明后，军事上对光学薄膜的需求更是有增无减，而且质量要求更高，种类也更多。也可以说，光学薄膜再次