薄膜技术应用与应用

薄膜技术及应用ThinFilmTechnologyandApplications于永强电子科学与应用物理学院微纳功能材料与器件研究室《薄膜材料制备原理、技术及应用》唐伟忠，冶金工业出版社《薄膜物理与技术》杨邦朝，电子科技大学出版社《薄膜物理与技术》陈国平，东南大学出版社参考书在材料科学的各分支中，薄膜材料科学发展的地位极为重要。薄膜材料是采用特殊的方法，在体材料的表面沉积或制备的一层性质与体材料性质完全不同的物质层。薄膜材料往往具有特殊的材料性能或性能组合。薄膜材料科学成为材料科学中发展最迅速分支的原因：(1)现代科学技术的发展，特别是微电子技术的发展，过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。薄膜材料科学成为材料科学中发展最迅速分支的原因：(2)器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能并使之更加强化，而且随着器件的尺寸减小并接近了电子或其他粒子量子化运动的微观尺度，薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。薄膜材料科学成为材料科学中发展最迅速分支的原因：(3)薄膜技术作为材料制备的有效手段，可以将各种不同材料灵活地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各自的优势，避免单一材料的局限性．薄膜材料学在科学技术以及国民经济的各个领域发挥着越来越大的作用。薄膜分类（按功能及其应用领域）：⑴电学薄膜①半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄膜材料Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物薄膜；SiO2、Si3N4、Ta2O5、SiOF薄膜。②超导薄膜YbaCuO系高温超导薄膜；BiSrCaCuO系高温超导薄膜；TiBaCuO系高温超导薄膜。YBa2Cu3O7-xFilm③光电子器件中使用的功能薄膜GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、a-Si：H、A-SiGe：H、a-SiC：H、a-SiN：H、a-Si/a-SiC等一系列晶态与非晶态超晶格薄膜。C-VCharacteristicsofGaAs/AlGaAsSuperlatticeStructureshowingcapacitanceOscillationsAssociatedwithchargeaccumulationduetothesequentialtunnelingofelectrons.④薄膜敏感元件与固态传感器薄膜可燃气体传感器、薄膜氧敏传感器、薄膜应变电阻与压力传感器、薄膜热敏电阻和薄膜离子敏传感器等。ThinFilmPressureSensorDiamondThinFilmUVsensorSchematicoffiberopticcablewithchemochromichydrogensensordepositedonend.⑤薄膜电阻、薄膜电容、薄膜阻容网络与混合集成电路HybridICCopper-indium-diselenide(CuInSe2,orCIS)Thin-filmmaterialwithefficiencyofupto17%.Thematerialispromising,yetnotwidelyusedduetoproductionspecificprocedures.⑥薄膜太阳能电池非晶硅、CuInSe2和CdSe薄膜太阳电池。⑦平板显示器件液晶显示、等离子体显示和电致发光显示三大类平板显示器件所用的透明导电电极（ITO薄膜）。电致发光多层薄膜（包括ITO膜，ZnS：Mn等发光膜，Al电极膜等）组成的全固态平板显示器件及OLED显示器件。OLEDDisplays:BetterThanPlasmaOrLCD⑧用ZnO、AlN等薄膜制成的声表面波滤波器。⑨磁记录薄膜与薄膜磁头高质量和录象的磁性材料薄膜录音带与录象带；计算机数据存储的CoCrTa、CoCrNi等的薄膜软盘和硬盘；垂直磁记录中FeSiAl薄膜磁头等。⑩静电复印鼓用Se-Te、SeTeAs合金薄膜及非晶硅薄膜。铁电存储器ANTI-REFLECTIONCHARTthreelayers⑵光学薄膜减反射膜、反射膜、分光镜、滤光片；照明光源所用的反热镜与冷光镜薄膜；建筑物、汽车等交通工具所用的镀膜玻璃；激光唱片与光盘中的光存储薄膜；集成光学元件所用的介质薄膜与半导体薄膜。刀具表面氮化物、氧化物、碳化物镀膜⑶硬质膜、耐蚀膜、润滑膜⑷有机分子薄膜⑸装饰膜⑹包装膜薄膜材料学涉及的内容：(1)薄膜材料的制备手段；(2)薄膜材料的形核与生长理论；(3)薄膜材料的表征技术；(4)薄膜材料的体系、性能及应用。•HighperformanceNano-FETs•Nano-OptoelectronicDevices•Photodetectors•NanoLEDs•Sensors•Solarcell第一章薄膜制备的真空技术基础1.1气体分子运动论的基本概念1.1.1气体分子的运动速度及其分布气体分子运动论：气体分子一直处无规热运动；平均运动速度取决于温度；分子之间和分子与器壁之间相互碰撞。结果：气体分子的速度服从一定统计分布,气体本身对外显压力。理想气体气体模型：气体分子之间除相互碰撞的瞬间之外，不存在相互作用，可看作是相互独立运动硬球，且硬球的半径远小于球与球之间的距离。在一般的温度和压力条件下，所有气体可看作理想气体。Inasolid,ametalforexample,theparticlesareatoms,arrangedinanorderlyarray.Theatomsarerelativelyclosetooneanother,andthemotionofeachatomisrestrictedbyitsinteractionwithotheratoms.Inaliquid,theatomsormolecules,arefurtherapartthaninasolid,andarenotarrangedinanyspecialorder.Thereislessinteractionbetweenthemolecules,andtheyarefreetomoveinanydirection,butasinteractionsbetweenthemoleculesarestillpresent,mostmoleculesareconfinedtothevolumeoccupiedbytheliquidsample.Inagas,theatomsormoleculesarefurtherapartandhavelittleinteractionwithoneanother.Themotionoftheseparticlesisconfinedbythewallsofthecontainingvessels.Maxwell-Boltzmann分布气体分子的运动速度的一维分量气体分子的速度分布只取决于分子的相对原子质量M与气体的热力学温度T的比值。Distributionofmolecularspeeds:effectsofmolarmassandtemperaturef(v)vpvv2vDistributionofmolecularspeeds-hydrogengasat0°C.Thepercentagesofmoleculeswithacertainspeedareplottedasafunctionofthespeed.Threedifferentspeedsarenotedonthegraph.1.1.2气体的压力和气体分子的平均自由程TheidealgasequationPressureunitSI（SystemInternational）Unit1Pa（Pascal）＝1Newton/m21atm＝1.013×105Pa＝760mmHg1bar＝105N/m2＝105PaPracticalUnit1Torr＝1mmHg1mTorr＝10－3mmHg1Pa＝7.5×10－3Torr1Torr＝133.3Pa1bar＝105Pa＝750Torr1atm＝1.013×105Pa＝760Torr气体分子的平均自由程Freezeothermoleculesandexaminemotionofonemolecule:由于气体分子的平均自由程与气体分子的密度n成反比，因而气体分子自由程随着气体压力的下降而增加。在气体压力低于0.1Pa的情况下,气体分子间的碰撞几率很小，气体分子的碰撞主要是其与容器器壁间的碰撞。1.1.3气体分子的通量单位面积上气体分子的通量:气体分子对于单位表面的碰撞频率。气体分子对衬底碰撞---薄膜沉积。薄膜沉积速度正比于分子的通量。气体分子的通量与压力呈正比，与温度和相对原子质量乘积的1/2次方成反比。是真空和薄膜沉积技术中最常用的方程之一。克努森方程例：计算在高真空的条件下，清洁衬底被环境中的杂质气体分子污染所需时间。假设每一个向衬底运动过来的气体分子都是杂质，且每一个分子都被衬底所俘获。衬底完全被一层杂质气体分子覆盖所需要的时间为其中N为衬底表面的原子面密度。在常温、常压条件下，洁净表面被杂质完全覆盖所需的时间约为3.5x10-9s，而在3x10-8Pa的超高真空中，上述时间可延长至10h左右。这说明了在薄膜技术中获得和保持适当的真空环境的极端重要性。真空环境划分低真空102Pa中真空102~10-1Pa高真空10-1~10-5Pa超高真空10-5Pa不同薄膜制备和分析技术对于真空度要求不同真空蒸发沉积需要高真空和超高真空范围（10-3Pa）;溅射沉积需要中、高真空（10-2~10-5Pa）;低压化学气相沉积需要中、低真空（10~100Pa）;电子显微技术维持的分析环境需要高真空;材料表面分析需要超高真空。1.2气体的流动状态和真空抽速1.2.1气体的流动状态气体分子的无规则运动本身并不导致气体的宏观流动。只有在空间存在宏观压力差的情况下，气体作为一个整体才会产生宏观的定向流动。气体的流动状态根据气体容器的几何形状、气体的压力、温度以及气体的种类不同而存在很大差别。分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁碰撞以外，几乎不发生气体分子间的相互碰撞。特点是气体分子平均自由程超过气体容器的尺寸或与其相当。高真空薄膜蒸发沉积系统或各种材料表面分析仪器就工作在分子流状态下。粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞极为频繁。化学气相沉积系统一般工作在粘滞流状态。1.2气体的流动状态和真空抽速1.2.1气体的流动状态克努森（Knudsen）准数层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态。在与气体流动方向相垂直的方向上，设想存在不同气体流动层的层状流线，且各层气体的流动方向相互平行。如气体在管道中以较慢的速度流动时，在靠近管壁的地方，气体分子感受到管壁的阻力作用，流动的速度接近于零；随着离开管壁距离的增加，气体流动的速度增加，并且在管道的中心处气体流动最快。紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态。在气体流速较高的情况下，各层气体的流动方向之间不能保持相互平行的状态，而呈现出一种旋涡状的流动形式。流动的气体中出现了一些低气压的旋涡，同时流动路径上的任何微小的阻碍都会对流动产生很大的影响。1.2.2气体管路的流导流导:真空管路中气体的通过能力。流导C的定义为p1和p2:管路两端的气压Q:单位时间内通过管路的气体流量(单位时间内流过的气体体积与压力的乘积)分子流气体，流导C与压力无关。气体种类、温度不同--气体的流速不同--即使压力差相同，管路中气体流量Q也不同。分子流条件下,管路流导受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。如，一个处于两个直径很大的管路间的通孔，设孔的截面积为A，则其流导应正比于通孔两侧气体分子向通孔方向流动的流量之差。通孔的流导在粘滞流情况下，气体流导的数值还随气体的压力呈现复杂的变化。当压力升高时，气体通过单位面积的流量有增加的趋势，