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类型功能薄膜材料解析课件.ppt

  • 上传人(卖家):三亚风情
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  • 上传时间:2022-06-08
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    关 键  词:
    功能 薄膜 材料 解析 课件
    资源描述:

    1、第17章 功能薄膜材料 n第一节第一节 薄膜的定义及其特性薄膜的定义及其特性 n第二节第二节 薄膜材料的分类薄膜材料的分类 n第三节 薄膜的形成过程n第四节 薄膜的结构特征与缺陷n第五节 典型的功能薄膜材料第一节第一节薄膜的定义及其特性薄膜的定义及其特性n什么是什么是“薄膜薄膜”(thin film),多),多“薄薄”的膜才算薄膜?的膜才算薄膜?n薄膜有时与类似的词汇薄膜有时与类似的词汇“涂层涂层”(coating)、)、“层层”(layer)、)、“箔箔”(foil)等有相同的意义,但有时又有些)等有相同的意义,但有时又有些差别。差别。mmm通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作为通常是把膜

    2、层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的一个大致的标准,规定其厚度约在薄膜厚度的一个大致的标准,规定其厚度约在1m1m左右。左右。薄膜材料的简单分类薄膜材料涂层或厚膜薄膜(1um)(力,热,磁,生物等) 薄膜材料的特殊性n同块体材料相比,由于薄膜材料的厚度很薄,同块体材料相比,由于薄膜材料的厚度很薄,很容易产生很容易产生尺寸效应尺寸效应,就是说薄膜材料的物性,就是说薄膜材料的物性会受到薄膜厚度的影响。会受到薄膜厚度的影响。n由于薄膜材料的表面积同体积之比很大,所以由于薄膜材料的表面积同体积之比很大,所以表面效应表面效应很显著,表面能、表面态、表面散射很显著,表面能、表面态、表面散射和表面干涉对

    3、它的物性影响很大。和表面干涉对它的物性影响很大。n在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态,对缺陷态,对电子输运性能电子输运性能也影响较大。也影响较大。n在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用,在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用,因而就会出现薄膜与基片之间的因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性粘附性和和附着附着力力问题,以及问题,以及内应力内应力的问题。的问题。 (1)表面能级很大表面能级很大 n表面能级表面能级指在固体的表面,原子周期排列的连续指在固体的表面,原子周期排列的连续性发生中断,电子波函数的周期性也受到影响,性发生中断,电子波函数的周

    4、期性也受到影响,把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆(把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆(T Tammamm)在在19321932年进行了计算,得到了电子表面能级或称年进行了计算,得到了电子表面能级或称塔姆能级塔姆能级。 n像薄膜这种表面面积很大的固体,表面能级将会像薄膜这种表面面积很大的固体,表面能级将会对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是对对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是对薄薄膜半导体表面电导膜半导体表面电导和和场效应场效应产生很大的影响,从产生很大的影响,从而影响半导体器件性能。而影响半导体器件性能。 (2)薄膜和基片的粘附性薄膜和基片的粘附性n薄膜是在基片之上生成的,基片和薄膜之

    5、间就会薄膜是在基片之上生成的,基片和薄膜之间就会存在着一定的相互作用,这种相互作用通常的表存在着一定的相互作用,这种相互作用通常的表现形式是现形式是附着附着(adhesion)。)。n薄膜的一个面附着在基片上并受到薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用约束作用,因,因此薄膜内容易产生应变。若考虑与薄膜膜面垂直此薄膜内容易产生应变。若考虑与薄膜膜面垂直的任一断面,断面两侧就会产生相互作用力,这的任一断面,断面两侧就会产生相互作用力,这种相互作用力称为种相互作用力称为内应力内应力。n附着和内应力是薄膜极为重要的附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征固有特征。(3)薄膜中的内应力薄膜中的内应力n内应力

    6、就其原因来说分为两大类,即内应力就其原因来说分为两大类,即固有应力固有应力(或(或本征应力本征应力) 和和非固有应力非固有应力。固有应力来。固有应力来自于薄膜中的缺陷,如位错。薄膜中非固有应自于薄膜中的缺陷,如位错。薄膜中非固有应力主要来自薄膜对衬底的附着力。力主要来自薄膜对衬底的附着力。 n由于薄膜和衬底间不同的由于薄膜和衬底间不同的热膨胀系数热膨胀系数和和晶格失晶格失配配能够把应力引进薄膜,或者由于金属薄膜与能够把应力引进薄膜,或者由于金属薄膜与衬底发生化学反应时,在薄膜和衬底之间形成衬底发生化学反应时,在薄膜和衬底之间形成的金属化合物同薄膜紧密结合,但有轻微的晶的金属化合物同薄膜紧密结合

    7、,但有轻微的晶格失配也能把应力引进薄膜。格失配也能把应力引进薄膜。 n一般说来,薄膜往往是在非常薄的基片上沉积的。一般说来,薄膜往往是在非常薄的基片上沉积的。在这种情况下,几乎对所有物质的薄膜,基片都在这种情况下,几乎对所有物质的薄膜,基片都会发生会发生弯曲弯曲。 n弯曲有两种类型:一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲有两种类型:一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲面的弯曲面的外外侧侧,使薄膜的某些部分与其他部分之,使薄膜的某些部分与其他部分之间处于间处于拉伸状态拉伸状态,这种内应力称为,这种内应力称为拉应力拉应力。n另一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲的另一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲的内侧内侧,它,它使薄

    8、膜的某些部分与其他部分之间处于使薄膜的某些部分与其他部分之间处于压缩状态压缩状态,这种内应力称为这种内应力称为压应力压应力。n如果拉应力用如果拉应力用正数正数表示,则压应力就用表示,则压应力就用负数负数表示。表示。 (4)异常结构和非理想化学计量比异常结构和非理想化学计量比特性特性n薄膜的制法多数属于薄膜的制法多数属于非平衡状态非平衡状态的制取过的制取过程,薄膜的结构不一定和相图相符合。程,薄膜的结构不一定和相图相符合。n规定把与相图不相符合的结构称为规定把与相图不相符合的结构称为异常结异常结构构,不过这是一种准稳(亚稳)态结构,不过这是一种准稳(亚稳)态结构,但由于固体的粘性大,实际上把它看

    9、成稳但由于固体的粘性大,实际上把它看成稳态也是可以的,通过加热退火和长时间的态也是可以的,通过加热退火和长时间的放置还会慢慢地变为稳定状态。放置还会慢慢地变为稳定状态。 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,一般来说是完全确定的。但是多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。当当Ta在在N2的放电气体中被溅射时,对应于一定的的放电气体中被溅射时,对应于一定的N2分压,其生成薄膜分压,其生成薄膜的成分却是任意的。的成分却是任意的。由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解,由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解,所以按照薄膜的生长所以按照薄膜的生

    10、长条件,其计量往往变化相当大。条件,其计量往往变化相当大。可在很大范围内变化。可在很大范围内变化。因此,把这样的成分偏离叫做因此,把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比。非理想化学计量比。(5)量子尺寸效应和界面隧道量子尺寸效应和界面隧道穿透效应穿透效应n传导电子的传导电子的德布罗意波长德布罗意波长,在普通金属,在普通金属中小于中小于1nm,在金属铋(,在金属铋(Bi)中为几十)中为几十纳米。在这些物质的薄膜中,由于电子纳米。在这些物质的薄膜中,由于电子波的波的干涉干涉,与膜面垂直运动相关的能量,与膜面垂直运动相关的能量将取将取分立分立的数值,由此会对电子的输运的数值,由此会对电子的输运现象产生

    11、影响。现象产生影响。n与德布罗意波的干涉相关联的效应一般与德布罗意波的干涉相关联的效应一般称为称为量子尺寸效应量子尺寸效应。另外,表面中含有大量的另外,表面中含有大量的晶粒界面晶粒界面,而界面势垒,而界面势垒比电子能量比电子能量E要大得多,根据量子力学知识,这些要大得多,根据量子力学知识,这些电子有一定的几率,电子有一定的几率,穿过势垒穿过势垒,称为,称为隧道效应隧道效应。(6)容易实现多层膜容易实现多层膜n多层膜多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积是将两种以上的不同材料先后沉积在同一个衬底上(也称为在同一个衬底上(也称为复合膜复合膜),以改),以改善薄膜同衬底间的粘附性。善薄膜同衬底间的粘附

    12、性。n如金刚石超硬刀具膜:如金刚石超硬刀具膜: 金刚石膜金刚石膜/TiC/WC-钢衬底钢衬底 欧姆接线膜:欧姆接线膜:Au/Al/c-BN/Ni膜膜/WC-钢衬钢衬底。底。 n多功能薄膜:多功能薄膜:各膜均有一定的电子功能,如各膜均有一定的电子功能,如非晶非晶硅太阳电池硅太阳电池:玻璃衬底玻璃衬底/ITO(透明导电膜)(透明导电膜)/P-SiC/i-c-Si/n-c-Si/Al和和a-Si/a-SiGe叠层太阳电池叠层太阳电池:玻璃玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/P-a-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至少在至少在8层以上,总膜厚在层以上,总膜厚在0.5微米微

    13、米左右。左右。n超晶格膜超晶格膜:是将两种以上不同晶态物质薄膜按是将两种以上不同晶态物质薄膜按ABAB排列相互重在一起,人为地制成排列相互重在一起,人为地制成周期性结构周期性结构后会显后会显示出一些不寻常的物理性质。如势阱层的宽度减小示出一些不寻常的物理性质。如势阱层的宽度减小到和载流子的德布罗依波长相当时,能带中的电子到和载流子的德布罗依波长相当时,能带中的电子能级将被量子化,会使光学带隙变宽,这种一维超能级将被量子化,会使光学带隙变宽,这种一维超薄层周期结构就称为薄层周期结构就称为超晶格结构超晶格结构。当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料(如当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料(如非晶态半

    14、导体)也能组成这样的结构,并具有类似非晶态半导体)也能组成这样的结构,并具有类似的量子化特性,如的量子化特性,如a-Si : H/a-Si1-xNx : H, a-Si : H/a-Si1-xCx : H。应用薄膜制备方法,很。应用薄膜制备方法,很容易获得各种多层膜和超晶格。容易获得各种多层膜和超晶格。第二节第二节 薄膜材料的分类薄膜材料的分类 n按化学组成分为:按化学组成分为: 无机膜、有机膜、复合膜;无机膜、有机膜、复合膜;n按相组成分为:按相组成分为: 固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜;固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜;n按晶体形态分为:按晶体形态分为: 单晶膜、多晶膜、微晶

    15、膜、单晶膜、多晶膜、微晶膜、 纳米晶膜、超晶纳米晶膜、超晶格膜等。格膜等。 按薄膜的功能及其应用领域分为:按薄膜的功能及其应用领域分为: n电学薄膜电学薄膜 n光学薄膜光学薄膜n硬质膜、耐蚀膜、润滑膜硬质膜、耐蚀膜、润滑膜 n有机分子薄膜有机分子薄膜 n装饰膜装饰膜 、包装膜包装膜 (1)电学薄膜)电学薄膜半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介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:质薄膜材料:Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅、多晶硅、硅化物、化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。等的薄膜。超导薄膜:特别是近年来国外普遍重视的高温超导薄膜:特别是近年来国外普遍重视的高

    16、温超导薄膜,例如超导薄膜,例如YBaCuO系稀土元素氧化物超系稀土元素氧化物超导薄膜以及导薄膜以及BiSrCaCuO系和系和TlBaCuO系非稀系非稀土元素氧化物超导薄膜。土元素氧化物超导薄膜。薄膜太阳能电池:特别是非晶硅、薄膜太阳能电池:特别是非晶硅、CuInSe2和和CdSe薄膜太阳电池。薄膜太阳电池。 (2)光学薄膜)光学薄膜防反射膜防反射膜 例如照相机、幻灯机、投影仪、电影例如照相机、幻灯机、投影仪、电影放映机、望远镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜放映机、望远镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜和棱镜上所镀的单层和棱镜上所镀的单层MgF2薄膜和双层或多层薄膜和双层或多层(SiO2、ZrO2、A

    17、l2O3、TiO2等)薄膜组成的宽等)薄膜组成的宽带减反射膜。带减反射膜。反射膜反射膜 例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳能接收器的镀铝膜;用于大型天文仪器和精密光能接收器的镀铝膜;用于大型天文仪器和精密光学仪器中的镀膜反射镜;用于各类激光器的高反学仪器中的镀膜反射镜;用于各类激光器的高反射率膜(反射率可达射率膜(反射率可达99%以上)等等以上)等等。吸收膜吸收膜 例如太阳光选择吸收膜。例如太阳光选择吸收膜。(3)硬质膜、耐蚀膜、润滑膜)硬质膜、耐蚀膜、润滑膜硬质膜硬质膜 用于工具、模具、量具、刀具表面的用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、TiC、TiB2

    18、、(Ti, Al)N、Ti(C, N)等硬质膜,以及等硬质膜,以及金刚石薄膜、金刚石薄膜、C3N4薄膜和薄膜和c-BN薄膜。薄膜。耐蚀膜耐蚀膜 用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍膜和非晶与微晶不锈钢膜;用于涡轮发动机叶片膜和非晶与微晶不锈钢膜;用于涡轮发动机叶片表面抗热腐蚀的表面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。膜等。润滑膜润滑膜 使用于真空、高温、低温、辐射等特殊使用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2Ni等固体润滑等固体润滑膜和膜和Au、Ag、Pb等软金属膜。等软金属膜。 (4)有机分子薄膜)有机分子薄膜n有机分子薄膜也

    19、称有机分子薄膜也称LB(Langmuir-Blodgett)膜,它是有机物,如羧酸及其)膜,它是有机物,如羧酸及其盐、脂肪酸烷基族和染料、蛋白质等构成盐、脂肪酸烷基族和染料、蛋白质等构成的分子薄膜,其厚度可以是一个分子层的的分子薄膜,其厚度可以是一个分子层的单分子膜,也可以是多分子层叠加的多层单分子膜,也可以是多分子层叠加的多层分子膜。多层分子膜可以是同一材料组成分子膜。多层分子膜可以是同一材料组成的,也可以是多种材料的调制分子膜,或的,也可以是多种材料的调制分子膜,或称超分子结构薄膜。称超分子结构薄膜。(5)装饰膜、包装膜)装饰膜、包装膜 广泛用于灯具、玩具及汽车等交通运输工广泛用于灯具、玩

    20、具及汽车等交通运输工具、家用电气用具、钟表、工艺美术品、具、家用电气用具、钟表、工艺美术品、“金金”线、线、“银银”线、日用小商品等的铝膜、线、日用小商品等的铝膜、黄铜膜、不锈钢膜和仿金黄铜膜、不锈钢膜和仿金TiN膜与黑色膜与黑色TiC膜。膜。 用于香烟包装的镀铝纸;用于食品、糖果、用于香烟包装的镀铝纸;用于食品、糖果、茶叶、咖啡、药品、化妆品等包装的镀铝涤茶叶、咖啡、药品、化妆品等包装的镀铝涤纶薄膜;用于取代电镀或热涂纶薄膜;用于取代电镀或热涂Sn钢带的真钢带的真空镀铝钢带等。空镀铝钢带等。 第三节 薄膜的形成过程一、化学气相沉积薄膜的形成过程一、化学气相沉积薄膜的形成过程二、真空蒸发薄膜的

    21、形成过程二、真空蒸发薄膜的形成过程三、三、溅射薄膜的形成过程溅射薄膜的形成过程四、四、外延薄膜的生长外延薄膜的生长一、化学气相沉积薄膜的形成过程一、化学气相沉积薄膜的形成过程n化学气相沉积化学气相沉积: 通过气相化学反应的方式将通过气相化学反应的方式将反应物沉积在基片表面的一种薄膜制备技反应物沉积在基片表面的一种薄膜制备技术术.三个基本过程三个基本过程化学反应及沉积过程化学反应及沉积过程反应物的输运过程反应物的输运过程去除反应副产物过程去除反应副产物过程化学气相沉积的优缺点n可以准确控制薄膜的组分及掺杂水平使其组分可以准确控制薄膜的组分及掺杂水平使其组分具有理想化学配比;具有理想化学配比;n可

    22、在复杂形状的基片上沉积成膜;可在复杂形状的基片上沉积成膜;n由于许多反应可在大气压下进行,系统不需要由于许多反应可在大气压下进行,系统不需要昂贵的真空设备;昂贵的真空设备;n高沉积温度会大幅度改善晶体的完整性;高沉积温度会大幅度改善晶体的完整性;n可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点可以利用某些材料在熔点或蒸发时分解的特点而得到其他方法无法得到的材料;而得到其他方法无法得到的材料;n沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。沉积过程可以在大尺寸基片或多基片上进行。缺点:缺点:n化学反应需要高温;化学反应需要高温;n反应气体会与基片或设备发生化学反应;反应气体会与基片或设备发生化学反应;n在化

    23、学气相沉积中所使用的设备可能较为在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂,且有许多变量需要控制。复杂,且有许多变量需要控制。二、真空蒸发薄膜的形成过程二、真空蒸发薄膜的形成过程n真空蒸发薄膜的形成一般分为:真空蒸发薄膜的形成一般分为: 凝结过程凝结过程 核形成与生长过程核形成与生长过程 岛形成与结合生长过程岛形成与结合生长过程 (一)凝结过程(一)凝结过程凝结过程凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表相原子、离子或分子入射到基体表面之后,从气相到吸附相,再到凝面之后,从气相到吸附相,再到凝结相的一个相变过程。结相的一个相变过程。(二)(二) 薄膜的形

    24、成与生长薄膜的形成与生长 n薄膜的形成与生长薄膜的形成与生长有有三种形式三种形式,如图,如图1 1-2所示:所示: (a)岛状生长模式)岛状生长模式(b)层状生长模式)层状生长模式(c)层岛结合模式)层岛结合模式 三、三、溅射薄膜的形成过程溅射薄膜的形成过程n由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有非常大由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有非常大的能量,所以溅射薄膜的形成过程与真空蒸发的能量,所以溅射薄膜的形成过程与真空蒸发制膜的形成过程有很大差别。制膜的形成过程有很大差别。n同时给薄膜带来一系列的影响,除了使膜与基同时给薄膜带来一系列的影响,除了使膜与基体的体的附着力增加附着力增加以外,还会由于高能

    25、粒子轰击以外,还会由于高能粒子轰击薄膜表面使其温度上升而改变薄膜的结构,或薄膜表面使其温度上升而改变薄膜的结构,或使内部应力增加等,另外还可提高成核密度。使内部应力增加等,另外还可提高成核密度。n溅射薄膜常常呈现溅射薄膜常常呈现柱状结构柱状结构。这种柱状结构被。这种柱状结构被认为是由原子或分子在基体上具有有限的迁移认为是由原子或分子在基体上具有有限的迁移率所引起的,所以溅射薄膜的形成和生长属于率所引起的,所以溅射薄膜的形成和生长属于有限迁移率模型。有限迁移率模型。 四、四、外延薄膜的生长外延薄膜的生长n所谓所谓外延外延,是指在单晶基片上形成单晶结,是指在单晶基片上形成单晶结构的薄膜,而且薄膜的

    26、晶体结构与取向都构的薄膜,而且薄膜的晶体结构与取向都和基片的晶体结构和取向有关。和基片的晶体结构和取向有关。n外延生长薄膜的形成过程是一种有外延生长薄膜的形成过程是一种有方向性方向性的生长的生长。同质外延薄膜是层状生长型。但。同质外延薄膜是层状生长型。但并非所有外延薄膜都是层状生长型,也有并非所有外延薄膜都是层状生长型,也有岛状生长型。岛状生长型。电镀电镀电镀: :通过电流在导电液中的流动而产生化学反应通过电流在导电液中的流动而产生化学反应, ,最终在阴极上沉积某一物质的过程。最终在阴极上沉积某一物质的过程。电镀方法只适用于在导电的基片上沉积金属或合电镀方法只适用于在导电的基片上沉积金属或合金

    27、。在金。在7070多种金属中只有多种金属中只有3333种金属可以用电镀法种金属可以用电镀法来制备来制备, ,最常用的金属有最常用的金属有1414种种: Al, As, Au, Cd, : Al, As, Au, Cd, Co, Cu, Cr, Fe, Ni, Pb, Pt, Rh, Sn, Zn.Co, Cu, Cr, Fe, Ni, Pb, Pt, Rh, Sn, Zn.优点优点: :生长速度快生长速度快, ,基片形状可以是任意的基片形状可以是任意的. .缺点缺点: :生长过程难以控制生长过程难以控制. .化学镀 化学镀化学镀: :不加任何电场,直接通过化学反应而实现薄膜沉不加任何电场,直接

    28、通过化学反应而实现薄膜沉积的方法。积的方法。它是一种非常简单的技术,不需要高温,而且经济实惠。它是一种非常简单的技术,不需要高温,而且经济实惠。利用化学镀方法制备的产物有:金属膜(如利用化学镀方法制备的产物有:金属膜(如NiNi、CoCo、PdPd、Au)Au);氧化物膜(如;氧化物膜(如PbOPbO2 2TlOTlO3 3、InIn2 2O O3 3、SnOSnO2 2、SbSb掺杂的掺杂的SnOSnO2 2膜、透明导电硬脂酸钙、氧化锌和膜、透明导电硬脂酸钙、氧化锌和AlAl掺杂的氧化锌膜);掺杂的氧化锌膜);其他材料(如其他材料(如CdSCdS、NiPNiP、Co/Ni/PCo/Ni/P、

    29、Co/PCo/P、ZnOZnO、Ni/W/PNi/W/P、C/Ni/Mn/PC/Ni/Mn/P、Cu/SnCu/Sn、Cu/InCu/In、NiNi、CuCu、SnSn膜等)膜等)。阳极反应沉积法阳极反应沉积法又称阳极氧化法阳极反应沉积法又称阳极氧化法, ,是通过阳极反应来实是通过阳极反应来实现的氧化物的沉积现的氧化物的沉积. .在阳极反应中,金属在适当的电解液中作为阳极,而金在阳极反应中,金属在适当的电解液中作为阳极,而金属或石墨作为阴极属或石墨作为阴极, ,当电流通过时,金属阳极表面被消当电流通过时,金属阳极表面被消耗并形成氧化涂层耗并形成氧化涂层, ,也就是在阳极金属表面生长氧化物也就是

    30、在阳极金属表面生长氧化物薄膜。薄膜。主要用于金属氧化物涂层的制备主要用于金属氧化物涂层的制备. .LB技术 Langmuir-Blodgett (LB)Langmuir-Blodgett (LB)技术技术: :利用分子活性在气液界面上形利用分子活性在气液界面上形成凝结膜,将该膜逐次叠积在基片上形成分子层的方法。成凝结膜,将该膜逐次叠积在基片上形成分子层的方法。基本原理基本原理: :一清洁亲水基片在待沉积单层扩散前浸入水中,然后一清洁亲水基片在待沉积单层扩散前浸入水中,然后单层扩散并保持在一定的表面压力状态下,基片沿着水表面缓单层扩散并保持在一定的表面压力状态下,基片沿着水表面缓慢抽出,则在基片

    31、上形成一单层膜。慢抽出,则在基片上形成一单层膜。三种三种LBLB膜膜:X:X型型- -基片下沉基片下沉;Y;Y型型- -基片下沉和抽出基片下沉和抽出;Z;Z型型- -基片抽出基片抽出. .LB技术第四节 薄膜的结构特征与缺陷n薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着薄膜的性能,因此对薄膜结构与缺陷的薄膜的性能,因此对薄膜结构与缺陷的研究一直是大家十分关注的问题,本节研究一直是大家十分关注的问题,本节主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素,主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素,以及对性能的影响。以及对性能的影响。 一、薄膜的结构一、薄膜的结构薄膜结构可分为三种类型:薄膜结构可分

    32、为三种类型:n组织结构组织结构n晶体结构晶体结构n表面结构表面结构 (一)薄膜的组织结构(一)薄膜的组织结构 薄膜的薄膜的组织结构组织结构是指它的结晶形态。是指它的结晶形态。分为四种类型:分为四种类型:n无定形结构无定形结构n多晶结构多晶结构n纤维结构纤维结构n单晶结构单晶结构1无定形结构无定形结构n非晶态非晶态是指构成物质的原子在空间的排列是一种是指构成物质的原子在空间的排列是一种长程无序、近程有序的结构。形成无定形薄膜的长程无序、近程有序的结构。形成无定形薄膜的工艺条件是降低吸附原子的表面扩散速率,可以工艺条件是降低吸附原子的表面扩散速率,可以通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂的方法通过

    33、降低基体温度、引入反应气体和掺杂的方法实现。实现。n基体温度对薄膜的结构有较大的影响。基体温度基体温度对薄膜的结构有较大的影响。基体温度高使吸附原子的动能随着增大,跨越表面势垒的高使吸附原子的动能随着增大,跨越表面势垒的概率增加,容易结晶化,并使薄膜缺陷减少,同概率增加,容易结晶化,并使薄膜缺陷减少,同时薄膜的内应力也会减小,基体温度低则易形成时薄膜的内应力也会减小,基体温度低则易形成无定形结构的薄膜。无定形结构的薄膜。2多晶结构多晶结构n多晶结构多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不同的晶粒随机薄膜是由若干尺寸大小不同的晶粒随机取向组成的。在薄膜形成过程中生成的小岛就具取向组成的。在薄膜形成过程中生

    34、成的小岛就具有晶体的特征。由众多小岛(晶粒)聚集形成的有晶体的特征。由众多小岛(晶粒)聚集形成的薄膜就是多晶薄膜。薄膜就是多晶薄膜。n多晶薄膜存在晶粒间界。薄膜材料的晶界面积远多晶薄膜存在晶粒间界。薄膜材料的晶界面积远大于块状材料,晶界的增多是薄膜材料电阻率比大于块状材料,晶界的增多是薄膜材料电阻率比块状材料电阻率大的原因之一。块状材料电阻率大的原因之一。3纤维结构纤维结构n纤维结构纤维结构薄膜是指具有择优取向的薄膜。薄膜是指具有择优取向的薄膜。n在非晶态基体上,大多数多晶薄膜都倾向于显示在非晶态基体上,大多数多晶薄膜都倾向于显示出择优取向。出择优取向。n由于(由于(111)面在面心立方结构中

    35、具有最低的表)面在面心立方结构中具有最低的表面自由能,在非晶态基体(如玻璃)上纤维结构面自由能,在非晶态基体(如玻璃)上纤维结构的多晶薄膜显示的择优取向是(的多晶薄膜显示的择优取向是(111)。)。n吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率,晶粒吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率,晶粒的择优取向可发生在薄膜形成的初期。的择优取向可发生在薄膜形成的初期。4单晶结构单晶结构n单晶薄膜单晶薄膜通常是利用外延工艺制造的,外延生长通常是利用外延工艺制造的,外延生长有三个基本条件:有三个基本条件:n吸附原子必须有较高的表面扩散速率,这就应当吸附原子必须有较高的表面扩散速率,这就应当选择合适的外延生长温度和沉

    36、积速率;选择合适的外延生长温度和沉积速率;n基体与薄膜的结晶相容性,假设基体的晶格常数基体与薄膜的结晶相容性,假设基体的晶格常数为为a,薄膜的晶格常数为,薄膜的晶格常数为b,晶格失配数,晶格失配数m(b-a)/a,m值越小,外延生长就越容易实现,但一些实验值越小,外延生长就越容易实现,但一些实验发现在发现在m相当大时也可实现外延生长;相当大时也可实现外延生长;n要求基体表面清洁、光滑、化学稳定性好。要求基体表面清洁、光滑、化学稳定性好。(二)(二) 薄膜的晶体结构薄膜的晶体结构n在大多数情况下,薄膜中晶粒的晶格结构在大多数情况下,薄膜中晶粒的晶格结构与其相同材料的块状晶体是相同的。与其相同材料

    37、的块状晶体是相同的。n但薄膜中晶粒的晶格常数但薄膜中晶粒的晶格常数, ,常常和块状晶体常常和块状晶体不同,产生的原因:一是薄膜与基体晶格不同,产生的原因:一是薄膜与基体晶格常数不匹配;二是薄膜中有较大的内应力常数不匹配;二是薄膜中有较大的内应力和表面张力。和表面张力。 (三)(三) 薄膜的薄膜的表面结构表面结构n薄膜表面都有一定的粗糙度,对光学性能影响较薄膜表面都有一定的粗糙度,对光学性能影响较大。大。n由于薄膜的表面结构和构成薄膜整体的微型体密由于薄膜的表面结构和构成薄膜整体的微型体密切相关,在基体温度和真空度较低时,容易出现切相关,在基体温度和真空度较低时,容易出现多孔结构多孔结构。n所有

    38、真空蒸发薄膜都呈现所有真空蒸发薄膜都呈现柱状体结构柱状体结构,溅射薄膜,溅射薄膜的柱状结构是由一个方向来的溅射粒子流在吸附的柱状结构是由一个方向来的溅射粒子流在吸附原子表面扩散速率很小的情况下凝聚形成的。原子表面扩散速率很小的情况下凝聚形成的。 二、薄膜的缺陷二、薄膜的缺陷 n由于薄膜制备方法多种多样,而不同制膜方法由于薄膜制备方法多种多样,而不同制膜方法所获得的薄膜结构也随之不同。如用分子束外所获得的薄膜结构也随之不同。如用分子束外延法(延法(MBE)和有机金属氧化物化学气相沉积)和有机金属氧化物化学气相沉积法(法(MOCVD)所制备的薄膜接近单晶膜,而且)所制备的薄膜接近单晶膜,而且其他方

    39、法,如溅射法、蒸发法、微波法、热丝其他方法,如溅射法、蒸发法、微波法、热丝法等制作的薄膜,有不少为多晶膜和微晶膜,法等制作的薄膜,有不少为多晶膜和微晶膜,其中也含有一定的非晶态膜。其中也含有一定的非晶态膜。n在薄膜的生长过程中还存在有大量的晶格缺陷在薄膜的生长过程中还存在有大量的晶格缺陷态和局部的内应力。态和局部的内应力。1、 点缺陷点缺陷在基体温度低时或蒸发、凝聚过程中温度的急剧变在基体温度低时或蒸发、凝聚过程中温度的急剧变化会在薄膜中产生许多点缺陷,这些点缺陷对薄化会在薄膜中产生许多点缺陷,这些点缺陷对薄膜的电阻率产生较大的影响。膜的电阻率产生较大的影响。2、 位错位错薄膜中有大量的位错,

    40、由于位错处于钉扎状态,因薄膜中有大量的位错,由于位错处于钉扎状态,因此薄膜的抗拉强度比大块材料略高一些。此薄膜的抗拉强度比大块材料略高一些。3、 晶粒间界晶粒间界因为薄膜中含有许多小晶粒,因而薄膜的晶界面积因为薄膜中含有许多小晶粒,因而薄膜的晶界面积比块状材料大,晶界增多是薄膜材料电阻率比块比块状材料大,晶界增多是薄膜材料电阻率比块状材料电阻率大的原因之一。状材料电阻率大的原因之一。六、金刚石薄膜及其应用六、金刚石薄膜及其应用第五节第五节 常见功能薄膜材料常见功能薄膜材料一、电子薄膜一、电子薄膜二、光学薄膜与光电薄膜二、光学薄膜与光电薄膜 三、纳米薄膜纳米薄膜 四、介质薄膜材料四、介质薄膜材料

    41、五、透明导电膜(五、透明导电膜(TCO)及应用)及应用 一、电子薄膜一、电子薄膜n电子薄膜是微电子技术和光电子技术的基础,它使器电子薄膜是微电子技术和光电子技术的基础,它使器件的设计与制造从所谓件的设计与制造从所谓“杂质工程杂质工程”发展到发展到“能带工能带工程程”。n电子薄膜涉及范围很广,主要包括超导薄膜、导电薄电子薄膜涉及范围很广,主要包括超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、磁性薄膜、膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、磁性薄膜、压电薄膜和热电薄膜等,在生活和生产中起着重要作压电薄膜和热电薄膜等,在生活和生产中起着重要作用。用。n从制备技术来看,一般采用了薄膜制备的常用方法

    42、,从制备技术来看,一般采用了薄膜制备的常用方法,例如例如CVD法、法、PVD法和溶胶凝胶法等。为改善薄膜法和溶胶凝胶法等。为改善薄膜材料性能,新材料、新技术不断涌现出来。材料性能,新材料、新技术不断涌现出来。232/SnOOIn2SnO2SiOCr表表8无机材料电子薄膜无机材料电子薄膜、分分 类类材材 料料应用举例应用举例超导薄膜超导薄膜LaLa、Y Y、BiBi、Ti Ti 系等氧化物系等氧化物超导无源器件(微带传输线、谐振超导无源器件(微带传输线、谐振器、滤波器、延迟线)、超导有源器、滤波器、延迟线)、超导有源器件(不同超导隧道结的约瑟夫森器件(不同超导隧道结的约瑟夫森器件)器件)导电薄膜

    43、导电薄膜多晶硅、金属硅化物多晶硅、金属硅化物、等透明导电膜等透明导电膜栅极材料、互连材料、平面发热体、栅极材料、互连材料、平面发热体、太阳能集热器等太阳能集热器等电阻薄膜电阻薄膜热分解碳、硼碳、硅碳、热分解碳、硼碳、硅碳、等金属氧化膜、等金属氧化膜、 金属陶瓷膜金属陶瓷膜薄膜电阻器薄膜电阻器半导体薄膜半导体薄膜硅、锗及硅、锗及III-VIII-V族、族、II-VIII-VI族、族、IV-IV-VIVI族等化合物半导体膜族等化合物半导体膜集成电路、发光二极管、霍耳元件、集成电路、发光二极管、霍耳元件、红外光电探测器、红外激光器件、红外光电探测器、红外激光器件、太阳能电池太阳能电池介质薄腊介质薄腊

    44、SiOSiO、SiO2SiO2、Si3N4Si3N4、Al2O3Al2O3多元金多元金属氧化物等属氧化物等电容器介质、表面钝化膜、多层布电容器介质、表面钝化膜、多层布线绝缘膜、隔离和掩模层线绝缘膜、隔离和掩模层磁性薄膜磁性薄膜Fe3O4Fe3O4、Fe2O3Fe2O3、BiBi代石榴石膜等代石榴石膜等磁光盘、磁记录材料磁光盘、磁记录材料压电薄膜压电薄膜ZnOZnO、AlNAlN、PbTiO3PbTiO3、Ta2O5Ta2O5等等表声波器件、声光器件表声波器件、声光器件热电薄膜热电薄膜PbTiO3PbTiO3等等热释电红外探测器热释电红外探测器导电薄膜 低熔点金属导电薄膜:低熔点金属导电薄膜:A

    45、l膜膜集成电路集成电路 复合导电薄膜:复合导电薄膜:Cr-Au、NiCr-Au薄膜薄膜电电阻的端头电极、互连线等阻的端头电极、互连线等 高熔点金属薄膜:高熔点金属薄膜:W,Mo膜膜大规模集成大规模集成电路电极材料电路电极材料 多晶硅薄膜:替代多晶硅薄膜:替代Al膜作为膜作为MOS集成电路集成电路的栅电极与互连线的栅电极与互连线 金属硅化物薄膜:金属硅化物薄膜:NbSi2,PtSi,PdSi2,NiSi2等薄膜等薄膜超大规模集成电路超大规模集成电路二、光学薄膜与光电薄膜二、光学薄膜与光电薄膜 n光学薄膜光学薄膜是指利用材料的光学性质的薄膜。光学是指利用材料的光学性质的薄膜。光学性质包括光的吸收、

    46、干涉、反射、透射等,因此性质包括光的吸收、干涉、反射、透射等,因此光学薄膜涉及的领域有防反射膜、减反射膜、滤光学薄膜涉及的领域有防反射膜、减反射膜、滤色器、光波导等。色器、光波导等。n光电薄膜光电薄膜是指利用光激发光电子,从而把光信号是指利用光激发光电子,从而把光信号转变成电信号的薄膜,可制成光敏电阻和光的检转变成电信号的薄膜,可制成光敏电阻和光的检测、度量等光电网元件,是目前发展最快,需求测、度量等光电网元件,是目前发展最快,需求最迫切的现代信息功能材料。由于光脉冲的工作最迫切的现代信息功能材料。由于光脉冲的工作频率比电脉冲高三个数量级,因此用光子来代替频率比电脉冲高三个数量级,因此用光子来

    47、代替电子作为信息的载体是发展趋势。电子作为信息的载体是发展趋势。 集成光学器件集成光学器件n集成光学已成为当今世界科技发展的一个重要领集成光学已成为当今世界科技发展的一个重要领域,主要研究以光的形式发射、调制、控制和接域,主要研究以光的形式发射、调制、控制和接收信号,并集光信号的处理功能为一身的集成光收信号,并集光信号的处理功能为一身的集成光学器件,最终目标是替代目前的电子通讯手段,学器件,最终目标是替代目前的电子通讯手段,实现全光通讯,一方面可提高传播速度和信息含实现全光通讯,一方面可提高传播速度和信息含量,另一方面提高技术可靠性。量,另一方面提高技术可靠性。n光学薄膜与光电薄膜是实现集成光

    48、学器件的重要光学薄膜与光电薄膜是实现集成光学器件的重要基础。基础。 集成光学器件的结构集成光学器件的结构 n集成光学器件的用途不同,所采用的材料集成光学器件的用途不同,所采用的材料不同,元件集成的方式也不相同,但是从不同,元件集成的方式也不相同,但是从结构上看,一般集成光学器件包括光波导、结构上看,一般集成光学器件包括光波导、光耦合元件(例如棱镜、光栅、透镜等)、光耦合元件(例如棱镜、光栅、透镜等)、光产生和接收元件(例如电光相位调制光产生和接收元件(例如电光相位调制器)。器)。集成光学器件的材料及制备集成光学器件的材料及制备 n集成光学器件所采用的材料主要分为三类:集成光学器件所采用的材料主

    49、要分为三类:其中第一类是以其中第一类是以 为基础形成的光电材为基础形成的光电材料,包括料,包括 、 、 等,它们是等,它们是制作光电子器件经常采用的材料;制作光电子器件经常采用的材料;n第二类材料是以第二类材料是以 为代表的具有特殊为代表的具有特殊电光性质的单晶材料;电光性质的单晶材料;n第三类材料则包括了各种多晶和非晶态的第三类材料则包括了各种多晶和非晶态的物质,如氧化物、玻璃以及聚合物等。物质,如氧化物、玻璃以及聚合物等。GaAsAlGaAsInPGaInAsP3LiNbO集成光学器件的材料及制备集成光学器件的材料及制备n 类材料是极好的光电子材料,已被广泛用类材料是极好的光电子材料,已被

    50、广泛用来制造各类发光器件(发光二极管、激光器)和来制造各类发光器件(发光二极管、激光器)和光接收器件(光电二极管和三极管)。光接收器件(光电二极管和三极管)。n因而,采用这类材料的优点是可以用外延、光刻因而,采用这类材料的优点是可以用外延、光刻等制造技术将光发射、光探测元件以及光波导集等制造技术将光发射、光探测元件以及光波导集成制作在同一块基板上。成制作在同一块基板上。n而改变的而改变的 成分,不仅可以改变材料的禁成分,不仅可以改变材料的禁带宽度,还可以调整材料对光的折射率。带宽度,还可以调整材料对光的折射率。n另外,采用中子照射的方法也可以通过降低材料另外,采用中子照射的方法也可以通过降低材

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