功能薄膜材料解析课件

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17章功能薄膜材料第一节薄膜的定义及其特性1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”（thinfilm），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。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。第一节薄膜的定义及其特性什么是“薄膜”（thin2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)薄膜材料的简单分类薄膜材料涂层或厚膜薄膜(1um)材料保护3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。薄膜材料的特殊性同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，4（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。（1）表面能级很大表面能级指在固体的表面，原子周期排列的连5（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。（2）薄膜和基片的粘附性薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之6（3）薄膜中的内应力薄膜中的内应力n内应力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。固有应力来自。固有应力来自于薄膜中的缺陷，如位错。薄膜中非固有应力于薄膜中的缺陷，如位错。薄膜中非固有应力主要来自薄膜对衬底的附着力。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，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。（3）薄膜中的内应力内应力就其原因来说分为两大类，即固有应力7n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。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8（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。（4）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9 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。化合物的计量比，一般来说是完全确定的。但是10（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。（5）量子尺寸效应和界面隧道穿透效应传导电子的德布罗意波长，11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。另外，表面中含有大量的晶粒界面，而界面势垒比电子能量E要大得12（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-钢衬底。钢衬底。（6）容易实现多层膜多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积在同13n多功能薄膜：多功能薄膜：各各膜膜均均有有一一定定的的电电子子功功能能，如如非非晶晶硅硅太太阳阳电电池池:玻玻璃璃衬衬底底/ITO（透透明明导导电电膜膜）/P-SiC/i-c-Si/n-c-Si/Al和和a-Si/a-SiGe叠叠层层太太阳阳电电池池:玻玻璃璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/P-a-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至至 少少 在在 8层以上，总膜厚在层以上，总膜厚在0.5微米微米左右。左右。多功能薄膜：14n超晶格膜超晶格膜:是是将将两两种种以以上上不不同同晶晶态态物物质质薄薄膜膜按按ABAB排排列列相相互互重重在在一一起起，人人为为地地制制成成周周期期性性结结构构后后会会显显示示出出一一些些不不寻寻常常的的物物理理性性质质。如如势势阱阱层层的的宽宽度度减减小小到到和和载载流流子子的的德德布布罗罗依依波波长长相相当当时时，能能带带中中的的电电子子能能级级将将被被量量子子化化，会会使使光光学学带带隙隙变变宽宽，这这种种一一维维超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。当当和和不不同同组组分分或或不不同同掺掺杂杂层层的的非非晶晶态态材材料料（如如非非晶晶态态半半导导体体）也也能能组组成成这这样样的的结结构构，并并具具有有类类似似的的 量量 子子 化化 特特 性性，如如 a-Si:H/a-Si1-xNx:H,a-Si:H/a-Si1-xCx:H。应应用用薄薄膜膜制制备备方方法法，很很容容易获得各种多层膜和超晶格。易获得各种多层膜和超晶格。超晶格膜:15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。第二节薄膜材料的分类按化学组成分为：16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、包装膜包装膜按薄膜的功能及其应用领域分为：电学薄膜17（1）电学薄膜）电学薄膜半半导导体体器器件件与与集集成成电电路路中中使使用用的的导导电电材材料料与与介介质质薄薄膜膜材材料料：Al、Cr、Pt、Au、多多晶晶硅硅、硅硅化物、化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。等的薄膜。超超导导薄薄膜膜：特特别别是是近近年年来来国国外外普普遍遍重重视视的的高高温温超超导导薄薄膜膜，例例如如YBaCuO系系稀稀土土元元素素氧氧化化物物超超导导薄薄膜膜以以及及BiSrCaCuO系系和和TlBaCuO系系非非稀稀土元素氧化物超导薄膜。土元素氧化物超导薄膜。薄薄膜膜太太阳阳能能电电池池：特特别别是是非非晶晶硅硅、CuInSe2和和CdSe薄膜太阳电池。薄膜太阳电池。（1）电学薄膜半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介质薄18（2）光学薄膜）光学薄膜防防反反射射膜膜例例如如照照相相机机、幻幻灯灯机机、投投影影仪仪、电电影影放放映映机机、望望远远镜镜、瞄瞄准准镜镜以以及及各各种种光光学学仪仪器器透透镜镜和和棱棱镜镜上上所所镀镀的的单单层层MgF2薄薄膜膜和和双双层层或或多多层层（SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等等）薄薄膜膜组组成成的的宽宽带减反射膜。带减反射膜。反反射射膜膜例例如如用用于于民民用用镜镜和和太太阳阳灶灶中中抛抛物物面面太太阳阳能能接接收收器器的的镀镀铝铝膜膜；用用于于大大型型天天文文仪仪器器和和精精密密光光学学仪仪器器中中的的镀镀膜膜反反射射镜镜；用用于于各各类类激激光光器器的的高高反反射率膜（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。（2）光学薄膜防反射膜例如照相机、幻灯机、投影仪、电影19（3）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜硬硬质质膜膜用用于于工工具具、模模具具、量量具具、刀刀具具表表面面的的TiN、TiC、TiB2、(Ti,Al)N、Ti(C,N)等等硬硬质质膜膜，以以及及金刚石薄膜、金刚石薄膜、C3N4薄膜和薄膜和c-BN薄膜。薄膜。耐耐蚀蚀膜膜用用于于化化工工容容器器表表面面耐耐化化学学腐腐蚀蚀的的非非晶晶镍镍膜膜和和非非晶晶与与微微晶晶不不锈锈钢钢膜膜；用用于于涡涡轮轮发发动动机机叶叶片片表表面抗热腐蚀的面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。膜等。润滑膜润滑膜使用于真空、高温、低温、辐射等特殊场使用于真空、高温、低温、辐射等特殊场合的合的MoS2、MoS2-Au、MoS2Ni等固体润滑膜等固体润滑膜和和Au、Ag、Pb等软金属膜。等软金属膜。（3）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜硬质膜用于工具、模具、量具20（4）有机分子薄膜）有机分子薄膜n有有 机机 分分 子子 薄薄 膜膜 也也 称称 LB（Langmuir-Blodgett）膜膜，它它是是有有机机物物，如如羧羧酸酸及及其其盐盐、脂脂肪肪酸酸烷烷基基族族和和染染料料、蛋蛋白白质质等等构构成成的的分分子子薄薄膜膜，其其厚厚度度可可以以是是一一个个分分子子层层的的单单分分子子膜膜，也也可可以以是是多多分分子子层层叠叠加加的的多多层层分分子子膜膜。多多层层分分子子膜膜可可以以是是同同一一材材料料组组成成的的，也也可可以以是是多多种种材材料料的的调调制制分分子子膜膜，或或称超分子结构薄膜。称超分子结构薄膜。（4）有机分子薄膜有机分子薄膜也称LB（Langmuir-B21（5）装饰膜、包装膜）装饰膜、包装膜广广泛泛用用于于灯灯具具、玩玩具具及及汽汽车车等等交交通通运运输输工工具具、家家用用电电气气用用具具、钟钟表表、工工艺艺美美术术品品、“金金”线线、“银银”线线、日日用用小小商商品品等等的的铝铝膜膜、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钢带的真空钢带的真空镀铝钢带等。镀铝钢带等。（5）装饰膜、包装膜广泛用于灯具、玩具及汽车等交通运输22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第三节薄膜的形成过程一、化学气相沉积薄膜的形成过程23一、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一、化学气相沉积薄膜的形成过程化学气相沉积:通过气相化学反24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。化学气相沉积的优缺点可以准确控制薄膜的组分及掺杂水平使其组分25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。缺点：化学反应需要高温；26二、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二、真空蒸发薄膜的形成过程真空蒸发薄膜的形成一般分为：27（一）凝结过程（一）凝结过程凝凝结结过过程程是是从从蒸蒸发发源源中中被被蒸蒸发发的的气气相相原原子子、离离子子或或分分子子入入射射到到基基体体表表面面之之后后，从从气气相相到到吸吸附附相相，再再到到凝凝结相的一个相变过程。结相的一个相变过程。（一）凝结过程凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离28（二）（二）薄膜的形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（二）薄膜的形成与生长薄膜的形成与生长有三种形式，如图129三、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。三、溅射薄膜的形成过程由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有非30四、四、外延薄膜的生长外延薄膜的生长n所所谓谓外外延延，是是指指在在单单晶晶基基片片上上形形成成单单晶晶结结构构的的薄薄膜膜，而而且且薄薄膜膜的的晶晶体体结结构构与与取取向向都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外外延延生生长长薄薄膜膜的的形形成成过过程程是是一一种种有有方方向向性性的的生生长长。同同质质外外延延薄薄膜膜是是层层状状生生长长型型。但但并并非非所所有有外外延延薄薄膜膜都都是是层层状状生生长长型型，也也有有岛状生长型。岛状生长型。四、外延薄膜的生长所谓外延，是指在单晶基片上形成单晶结构的31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。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.电镀电镀:通过电流在导电液中的流动而产生化学反应,最终在阴极32功能薄膜材料解析课件33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。利利用用化化学学镀镀方方法法制制备备的的产产物物有有：金金属属膜膜（如如NiNi、CoCo、PdPd、Au)Au)；氧氧化化物物膜膜（如如PbOPbO2 2TlOTlO3 3、InIn2 2O O3 3、SnOSnO2 2、SbSb掺掺杂杂的的SnOSnO2 2膜膜、透透明明导导电电硬硬脂脂酸酸钙钙、氧氧化化锌锌和和AlAl掺掺杂杂的的氧氧化化锌锌膜膜）；其其他他材材料料（如如CdSCdS、NiPNiP、Co/Ni/PCo/Ni/P、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）。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积34阳极反应沉积法阳阳极极反反应应沉沉积积法法又又称称阳阳极极氧氧化化法法,是是通通过过阳阳极极反反应应来来实实现的氧化物的沉积现的氧化物的沉积.在在阳阳极极反反应应中中，金金属属在在适适当当的的电电解解液液中中作作为为阳阳极极，而而金金属属或或石石墨墨作作为为阴阴极极,当当电电流流通通过过时时，金金属属阳阳极极表表面面被被消消耗耗并并形形成成氧氧化化涂涂层层,也也就就是是在在阳阳极极金金属属表表面面生生长长氧氧化化物物薄膜。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.阳极反应沉积法阳极反应沉积法又称阳极氧化法,是通过阳极反应来35功能薄膜材料解析课件36LB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成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。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，基片沿着水表面缓慢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，则在基片上形成一单层膜。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Langmuir-Blodgett(LB)技术:37LB技术LB技术38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。第四节薄膜的结构特征与缺陷薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定39一、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、薄膜的结构薄膜结构可分为三种类型：40（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（一）薄膜的组织结构薄膜的组织结构是指它的结晶形态。411无定形结构无定形结构n非非晶晶态态是是指指构构成成物物质质的的原原子子在在空空间间的的排排列列是是一一种种长长程程无无序序、近近程程有有序序的的结结构构。形形成成无无定定形形薄薄膜膜的的工工艺艺条条件件是是降降低低吸吸附附原原子子的的表表面面扩扩散散速速率率，可可以以通通过过降降低低基基体体温温度度、引引入入反反应应气气体体和和掺掺杂杂的的方方法法实现。实现。n基基体体温温度度对对薄薄膜膜的的结结构构有有较较大大的的影影响响。基基体体温温度度高高使使吸吸附附原原子子的的动动能能随随着着增增大大，跨跨越越表表面面势势垒垒的的概概率率增增加加，容容易易结结晶晶化化，并并使使薄薄膜膜缺缺陷陷减减少少，同同时时薄薄膜膜的的内内应应力力也也会会减减小小，基基体体温温度度低低则则易易形形成成无定形结构的薄膜。无定形结构的薄膜。1无定形结构非晶态是指构成物质的原子在空间的排列是一种长程422多晶结构多晶结构n多多晶晶结结构构薄薄膜膜是是由由若若干干尺尺寸寸大大小小不不同同的的晶晶粒粒随随机机取取向向组组成成的的。在在薄薄膜膜形形成成过过程程中中生生成成的的小小岛岛就就具具有有晶晶体体的的特特征征。由由众众多多小小岛岛（晶晶粒粒）聚聚集集形形成成的的薄膜就是多晶薄膜。薄膜就是多晶薄膜。n多多晶晶薄薄膜膜存存在在晶晶粒粒间间界界。薄薄膜膜材材料料的的晶晶界界面面积积远远大大于于块块状状材材料料，晶晶界界的的增增多多是是薄薄膜膜材材料料电电阻阻率率比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。2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取向组433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在在非非晶晶态态基基体体上上，大大多多数数多多晶晶薄薄膜膜都都倾倾向向于于显显示示出择优取向。出择优取向。n由由于于（111）面面在在面面心心立立方方结结构构中中具具有有最最低低的的表表面面自自由由能能，在在非非晶晶态态基基体体（如如玻玻璃璃）上上纤纤维维结结构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吸吸附附原原子子在在基基体体表表面面上上有有较较高高的的扩扩散散速速率率，晶晶粒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。3纤维结构纤维结构薄膜是指具有择优取向的薄膜。444单晶结构单晶结构n单单晶晶薄薄膜膜通通常常是是利利用用外外延延工工艺艺制制造造的的，外外延延生生长长有三个基本条件：有三个基本条件：n吸吸附附原原子子必必须须有有较较高高的的表表面面扩扩散散速速率率，这这就就应应当当选择合适的外延生长温度和沉积速率；选择合适的外延生长温度和沉积速率；n基基体体与与薄薄膜膜的的结结晶晶相相容容性性，假假设设基基体体的的晶晶格格常常数数为为a，薄薄膜膜的的晶晶格格常常数数为为b，晶晶格格失失配配数数m(b-a)/a,m值值越越小小，外外延延生生长长就就越越容容易易实实现现，但但一一些些实实验验发发现在现在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。4单晶结构单晶薄膜通常是利用外延工艺制造的，外延生长有三个45（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。（二）薄膜的晶体结构在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与46（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。（三）薄膜的表面结构薄膜表面都有一定的粗糙度，对光学性能影47二、薄膜的缺陷二、薄膜的缺陷n由由于于薄薄膜膜制制备备方方法法多多种种多多样样，而而不不同同制制膜膜方方法法所所获获得得的的薄薄膜膜结结构构也也随随之之不不同同。如如用用分分子子束束外外延延法法（MBE）和和有有机机金金属属氧氧化化物物化化学学气气相相沉沉积积法法（MOCVD）所所制制备备的的薄薄膜膜接接近近单单晶晶膜膜，而而且且其其他他方方法法，如如溅溅射射法法、蒸蒸发发法法、微微波波法法、热热丝丝法法等等制制作作的的薄薄膜膜，有有不不少少为为多多晶晶膜膜和和微微晶晶膜膜，其其中中也也含有一定的非晶态膜。含有一定的非晶态膜。n在在薄薄膜膜的的生生长长过过程程中中还还存存在在有有大大量量的的晶晶格格缺缺陷陷态态和局部的内应力。和局部的内应力。二、薄膜的缺陷由于薄膜制备方法多种多样，而不同制膜方法所获481、点缺陷点缺陷在在基基体体温温度度低低时时或或蒸蒸发发、凝凝聚聚过过程程中中温温度度的的急急剧剧变变化化会会在在薄薄膜膜中中产产生生许许多多点点缺缺陷陷，这这些些点点缺缺陷陷对对薄薄膜膜的的电阻率产生较大的影响。电阻率产生较大的影响。2、位错位错薄薄膜膜中中有有大大量量的的位位错错，由由于于位位错错处处于于钉钉扎扎状状态态，因因此此薄膜的抗拉强度比大块材料略高一些。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因为为薄薄膜膜中中含含有有许许多多小小晶晶粒粒，因因而而薄薄膜膜的的晶晶界界面面积积比比块块状状材材料料大大，晶晶界界增增多多是是薄薄膜膜材材料料电电阻阻率率比比块块状状材材料电阻率大的原因之一。料电阻率大的原因之一。1、点缺陷49六、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、介质薄膜材料五、透明导电膜（五、透明导电膜（TCO）及应用）及应用六、金刚石薄膜及其应用第五节常见功能薄膜材料一、电子薄膜二50一、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，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。为改善薄膜材法和溶胶凝胶法等。为改善薄膜材料性能，新材料、新技术不断涌现出来。料性能，新材料、新技术不断涌现出来。一、电子薄膜电子薄膜是微电子技术和光电子技术的基础，它使器件51表表8无机材料无机材料电子薄膜子薄膜、分分 类材材 料料应用用举例例超超导薄膜薄膜LaLa、Y Y、BiBi、Ti Ti 系等氧化物系等氧化物超超导无源器件（微无源器件（微带传输线、谐振振器、器、滤波器、延波器、延迟线）、超）、超导有源有源器件（不同超器件（不同超导隧道隧道结的的约瑟夫森瑟夫森器件）器件）导电薄膜薄膜多晶硅、金属硅化物多晶硅、金属硅化物、等透明等透明导电膜膜栅极材料、互极材料、互连材料、平面材料、平面发热体、体、太阳能集太阳能集热器等器等电阻薄膜阻薄膜热分解碳、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薄膜电阻器阻器半半导体薄膜体薄膜硅、硅、锗及及III-VIII-V族、族、II-VIII-VI族、族、IV-IV-VIVI族等化合物半族等化合物半导体膜体膜集成集成电路、路、发光二极管、霍耳元件、光二极管、霍耳元件、红外光外光电探探测器、器、红外激光器件、外激光器件、太阳能太阳能电池池介介质薄腊薄腊SiOSiO、SiO2SiO2、Si3N4Si3N4、Al2O3Al2O3多元金多元金属氧化物等属氧化物等电容器介容器介质、表面、表面钝化膜、多化膜、多层布布线绝缘膜、隔离和掩模膜、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磁光盘、磁、磁记录材料材料压电薄膜薄膜ZnOZnO、AlNAlN、PbTiO3PbTiO3、Ta2O5Ta2O5等等表声波器件、声光器件表声波器件、声光器件热电薄膜薄膜PbTiO3PbTiO3等等热释电红外探外探测器器表8无机材料电子薄膜、分类材料应用举例超导薄膜La52导电薄膜低熔点金属导电薄膜：低熔点金属导电薄膜：Al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导电薄膜低熔点金属导电薄膜：Al膜集成电路53二、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、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。二、光学薄膜与光电薄膜光学薄膜是指利用材料的光学性质的薄膜54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。集成光学器件集成光学已成为当今世界科技发展的一个重要领域，主55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（例如电光相位调制器）。光产生和接收元件（例如电光相位调制器）。集成光学器件的结构集成光学器件的用途不同，所采用的材料不56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。集成光学器件的材料及制备集成光学器件所采用的材料主要分为三57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料中载流子密度，提高材料折射率，从而在材料中中载流子密度，提高材料折射率，从而在材料中制备出光波导。制备出光波导。集成光学器件的材料及制备类材料是极好58三、纳米薄膜纳米薄膜n纳米薄膜是指晶粒尺寸或厚度为纳米级纳米薄膜是指晶粒尺寸或厚度为纳米级（1100nm）的薄膜。）的薄膜。n但实际上目前研究最多的还是纳米颗粒膜，但实际上目前研究最多的还是纳米颗粒膜，即纳米尺寸的微小颗粒镶嵌于薄膜中所构即纳米尺寸的微小颗粒镶嵌于薄膜中所构成的复合纳米材料体系。成的复合纳米材料体系。n由于纳米相的特殊作用，颗粒膜成为一种由于纳米相的特殊作用，颗粒膜成为一种新型复合材料，在磁学、电学、光学非线新型复合材料，在磁学、电学、光学非线性等方面表面出奇异性和广泛的应用前景，性等方面表面出奇异性和广泛的应用前景，引起人们的重视。引起人们的重视。三、纳米薄膜纳米薄膜是指晶粒尺寸或厚度为纳米级（11059纳米薄膜纳米薄膜n将将Ge、Si或或C颗粒（一般颗粒（一般110nm）均匀弥散地镶嵌）均匀弥散地镶嵌在绝缘介质薄膜中，可在室温下观察到较强的可见光在绝缘介质薄膜中，可在室温下观察到较强的可见光区域的光致发光现象。而体相的区域的光致发光现象。而体相的Ge或或Si是不能发射出是不能发射出可见光的。可见光的。n这种新型纳米颗粒膜的发光机理主要是由于量子尺寸这种新型纳米颗粒膜的发光机理主要是由于量子尺寸效应、表面界面效应和介电限域效应等对效应、表面界面效应和介电限域效应等对Ge等量子点等量子点的电子结构产生影响引起的，另一方面由于量子限域的电子结构产生影响引起的，另一方面由于量子限域效应，纳米材料的能带结构具有直接带隙的特征，同效应，纳米材料的能带结构具有直接带隙的特征，同时伴随着光学带隙发生蓝移，能态密度增大和光辐射时伴随着光学带隙发生蓝移，能态密度增大和光辐射概率增强。概率增强。n类似的例子还有类似的例子还有光电薄膜，光电薄膜，光电薄光电薄膜等，都是我国科学家在近几年取得的具有国际水平膜等，都是我国科学家在近几年取得的具有国际水平的研究成果。的研究成果。纳米薄膜将Ge、Si或C颗粒（一般110nm）均匀弥散地镶60四、电介质薄膜材料四、电介质薄膜材料n电介质薄膜是指集成电路和薄膜元器件制造中所电介质薄膜是指集成电路和薄膜元器件制造中所用的介电薄膜和绝缘体薄膜。用的介电薄膜和绝缘体薄膜。n介电性应用类：主要用于各种微型薄膜电容器和介电性应用类：主要用于各种微型薄膜电容器和各种敏感电容元件，这类元件常用的薄膜有各种敏感电容元件，这类元件常用的薄膜有SiC、SiO2、Al2O3、Ta2O5、有时也用、有时也用AlN、Y2O3、BaTiO3、PbTiO3及锆钛酸（及锆钛酸（PZT）薄膜等；）薄膜等；n绝缘性应用类：主要用于各种集成电路和各种金绝缘性应用类：主要用于各种集成电路和各种金属属-氧化物氧化物-半导体器件。在这类用途中，一是作半导体器件。在这类用途中，一是作为导电带交叉区的绝缘层，二是作为器件极间的为导电带交叉区的绝缘层，二是作为器件极间的绝缘层，常用的有绝缘层，常用的有SiC、SiO2、Si3O4等。等。n从组成上看介质薄膜主要是各种金属氧化物、氮从组成上看介质薄膜主要是各种金属氧化物、氮化物及多元金属化合物薄膜。化物及多元金属化合物薄膜。四、电介质薄膜材料电介质薄膜是指集成电路和薄膜元器件制造中所61氧化物电介质薄膜的制备及应用氧化物电介质薄膜的制备及应用n氧化物介质薄膜在集成电路和其他薄膜器氧化物介质薄膜在集成电路和其他薄膜器件中有着广泛的应用，例如件中有着广泛的应用，例如SiO2薄膜的生薄膜的生长对超大规模集成电路平面工艺的发展有长对超大规模集成电路平面工艺的发展有过重要的贡献。过重要的贡献。nSiO2薄膜是薄膜是MOS（M为金属，为金属，O为氧化物，为氧化物，S为半导体）器件的组成部分，它在超大规为半导体）器件的组成部分，它在超大规模集成电路多层（已达模集成电路多层（已达6层以上）布线中是层以上）布线中是隔离器件的绝缘层，并且能阻挡杂质向硅隔离器件的绝缘层，并且能阻挡杂质向硅单晶的扩散。单晶的扩散。氧化物电介质薄膜的制备及应用氧化物介质薄膜在集成电路和其62氧化物电介质薄膜的制备氧化物电介质薄膜的制备n除了用电子束蒸发、溅射、反应溅射等方除了用电子束蒸发、溅射、反应溅射等方法生长法生长SiO2薄膜之外，经常用硅单晶表层薄膜之外，经常用硅单晶表层氧化的方法生长这种薄膜，这种方法是一氧化的方法生长这种薄膜，这种方法是一种反应扩散过程。在硅单晶表面形成连续种反应扩散过程。在硅单晶表面形成连续氧化后，氧化剂通过层扩散到氧化层氧化后，氧化剂通过层扩散到氧化层/硅界硅界面，和硅反应生成新的氧化层，使面，和硅反应生成新的氧化层，使SiO2薄薄膜厚度不增大。膜厚度不增大。氧化物电介质薄膜的制备除了用电子束蒸发、溅射、反应溅射等方法63氧化物电介质薄膜的制备氧化物电介质薄膜的制备nSiO2薄膜的氧化生长是平面工艺的基础，薄膜的氧化生长是平面工艺的基础，氧化法主要有氧化法主要有3种；种；n阳极氧化（室温），阳极氧化（室温），n等离子体阳极氧化（等离子体阳极氧化（200800），），n热氧化（热氧化（7001250）。）。氧化物电介质薄膜的制备SiO2薄膜的氧化生长是平面工艺的基64氧化物电介质薄膜的制备氧化物电介质薄膜的制备n其他用作电容器材料的氧化物介质薄膜有其他用作电容器材料的氧化物介质薄膜有SiO2、Ta2O5、Al2O3薄膜等。薄膜等。SiO2的蒸气的蒸气压很高（压很高（1150进达进达133Pa），可以用通常），可以用通常的热蒸发方法制备。的热蒸发方法制备。nTa2O5和和Al2O3薄膜主要用溅射等方法制备，薄膜主要用溅射等方法制备，也经常用低成本的阳极氧化方法制备。也经常用低成本的阳极氧化方法制备。氧化物电介质薄膜的制备其他用作电容器材料的氧化物介质薄膜有S65氧化物电介质薄膜的应用氧化物电介质薄膜的应用n（1）用作电容器介质）用作电容器介质n（2）用作隔离和掩膜层）用作隔离和掩膜层n（3）表面纯化膜）表面纯化膜n（4）多层布线绝缘膜）多层布线绝缘膜氧化物电介质薄膜的应用（1）用作电容器介质66铁电薄膜材料及其应用铁电薄膜材料及其应用n铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且其极化方向可以因外电场方向反向而反向。其极化方向可以因外电场方向反向而反向。n存在自发极化是铁电晶体的根本性质，它来存在自发极化是铁电晶体的根本性质，它来源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷源于晶体的晶胞中存在的不重合的正负电荷所形成的电偶极矩。所形成的电偶极矩。n具有铁电性，且厚度在数十纳米至数十微米具有铁电性，且厚度在数十纳米至数十微米的薄膜材料，叫铁电薄膜。的薄膜材料，叫铁电薄膜。铁电薄膜材料及其应用铁电体是一类具有自发极化的介电晶体，且67铁电材料的研究发展铁电材料的研究发展n从二十世纪八十年代以来，铁电材料的研究主从二十世纪八十年代以来，铁电材料的研究主要集中于铁电薄膜及异质结构、聚合物铁电复要集中于铁电薄膜及异质结构、聚合物铁电复合材料、铁电液晶等方面。合材料、铁电液晶等方面。n由铁电薄膜与由铁电薄膜与SiSi半导体集成技术相结合而发展半导体集成技术相结合而发展起来的集成铁电学（起来的集成铁电学（Integrated Integrated FerroelectricsFerroelectrics）及相关集成铁电器件的研究，）及相关集成铁电器件的研究，已成为铁电学研究中最活跃的领域之一，亦在已成为铁电学研究中最活跃的领域之一，亦在信息科学技术领域中显示出诱人的应用前景，信息科学技术领域中显示出诱人的应用前景，受到了材料物理、凝聚态物理、陶瓷学、微电受到了材料物理、凝聚态物理、陶瓷学、微电子学和信息科学等领域中众多学者的关注。子学和信息科学等领域中众多学者的关注。铁电材料的研究发展从二十世纪八十年代以来，铁电材料的研究主要68铁电薄膜制备技术铁电薄膜制备技术n目前，铁电薄膜制备工艺主要有以下四种，目前，铁电薄膜制备工艺主要有以下四种，溅射法溅射法金属有机化合物化学气相沉积金属有机化合物化学气相沉积MOCVD技技术术溶胶溶胶-凝胶凝胶Sol-Gel法法脉冲激光沉积脉冲激光沉积PLD法法n表表5给出这四种主要制膜技术的发展现状。给出这四种主要制膜技术的发展现状。铁电薄膜制备技术目前，铁电薄膜制备工艺主要有以下四种，69项目项目溅射法溅射法PLDPLD法法MOCVDMOCVD法法Sol-GelSol-Gel法法附着力附着力很好很好好好好好好好复杂化合物沉积复杂化合物沉积不好不好很好很好不好不好好好沉积速率沉积速率一般一般好好好好一般一般均匀性均匀性好好好好很好很好很好很好显微结构显微结构好好好好好好很好很好化学计量比控制化学计量比控制较好较好好好很好很好很好很好退火温度退火温度低低较低较低较低较低较高较高掺杂难度掺杂难度困难困难一般一般容易容易容易容易厚度控制厚度控制容易容易容易容易容易容易困难困难重复性重复性一般一般较好较好好好好好沉积外延膜沉积外延膜好好好好好好一般一般工艺开发要求工艺开发要求一般一般一般一般较高较高一般一般设备耗资设备耗资较大较大较大较大一般一般较少较少扩大规模的