华南农业大学 材料化学 第10讲 薄膜与涂层.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2011-12-23,刘晓瑭,#,10.1,薄膜的例子,10.2,薄膜的定义,10.3,薄膜的特性,10.4,薄膜的分类,10.5,薄膜材料的研究进展,10.6,薄膜的应用举例,10.7,薄膜的制备技术,10.8,薄膜的厚度,10.9,基片材料,10,薄膜与涂层,2026/4/29 周三,1,刘晓瑭,主要参考书,田民波、刘德令：,薄膜科学与技术手册,，机械工业出版社，,1991,胡传炘、宋幼慧：,涂层技术原理及应用,，化学工业出版社，,2000,杨烈宇、关文铎等：,材料表面薄膜技术,，人民交通出版社，,1991,吴自勤、王兵,:,薄膜生长,，科学出版社,2026/4/29 周三,2,刘晓瑭,以下参考书主要是薄膜生长理论：,Introduction to Surface and Thin Film ProcessesJohn A.Venables,世界图书出版公司,(,venables.asu.edu/book/contents.html,),Crystal Growth for Beginners:Fundamentals of Nucleation,Crystal Growth,and Epitaxy,Markov,Ivan V.,世界图书出版公司,Advanced Epitaxy for Future Electronics,Optics,and Quantum Physics,Gossard,A.C.National Academies Press,上述电子书可在线阅读,2026/4/29 周三,3,刘晓瑭,10.1,薄膜示例,2026/4/29 周三,4,刘晓瑭,薄膜示例,2026/4/29 周三,5,刘晓瑭,薄膜示例,2026/4/29 周三,6,刘晓瑭,SAMFET,Ref:Schon,et al.,nature Vol.413,pp.713 2001,Self-Assemble Monolayer,薄膜示例,2026/4/29 周三,7,刘晓瑭,Langmuir-Blodgett films,薄膜示例,2026/4/29 周三,8,刘晓瑭,薄膜示例,2026/4/29 周三,9,刘晓瑭,薄膜示例,2026/4/29 周三,10,刘晓瑭,2026/4/29 周三,11,刘晓瑭,生活中处处都可以发现薄膜,夏天到了，戴上你的墨镜，你可能就开始和薄膜同行了。镀膜眼镜可以保护眼睛不受紫外线伤害，同时又具有装饰效果。,给朋友送点礼物？最好还是请售货员包装一下。五颜六色的包装纸表面可能就是金属薄膜。,想轻松一下的话，听听,CD,吧。注意别弄脏了光盘表面。那可是一层很的薄膜哦。,那么先来看看光盘吧，看看薄膜在哪里。,2026/4/29 周三,12,刘晓瑭,只读式光盘,：,在聚碳酸脂盘面上复制记录信息，而后在沉积铝质发射膜，最后在表面沉积一层平整的保护膜。,(,看来并不娇气,),读取信号时，用激光照射盘面，反射光就带有盘面上已记录的信息，这些信息进一步转化为音响和图象。,一次写入式光盘,：,用较大功率的激光照射记录介质薄膜材料,(,如硒、碲等,),，使其局部蒸发形成小孔或气泡，或使介质薄膜的光学性能发生变化，从而完成信息记录。读取时用较小功率的激光照射介质薄膜。,2026/4/29 周三,13,刘晓瑭,生活中还有其他例子吗？,看看你的手表，表面有一层防磨损、抗氧化的薄膜；,(,碳化钛、氮化锆或氮化钛,),镀金首饰,塑料薄膜？,No,it cannot be called thin film!,Now,what is the so-called“Thin,Solid,Film”?,2026/4/29 周三,14,刘晓瑭,10.2,薄膜的定义,在现有的各种有关的印刷型书籍或电子型书籍中寻找薄膜的定义是一件很困难同时也很令人尴尬的事情。,2026/4/29 周三,15,刘晓瑭,虽然薄膜,(Thin Film),这个词是完全自然出现的，与类似的词汇“涂层,(Coating)”,等有完全相同的意义，但有时其间又有些差别。然而，使用这些词汇的人却未必都已明确它们的物理概念。象“薄膜”这个概念，实际上是很复杂的，要下一个确切的定义是会有一定风险的。即使对于作者来说，今天在使用这个词时，头脑中的概念也不能说是已完全清楚。,田民波、赵乃石,2026/4/29 周三,16,刘晓瑭,涂 层,涂层目前还没有一个明确的、统一的定义。涂层、薄膜是同一个概念还是有所不同，或者彼此间有什么关系，仍然没有一个明确的、统一的说法。,涂层可以定义为用物理的、化学的、或者其他方法，在金属或非金属基体表面形成的一层具有一定厚度的不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。,通常的看法是极薄的“涂层”就是“薄膜”。,胡传炘、宋幼慧,2026/4/29 周三,17,刘晓瑭,那么，请教一下材料学泰斗吧！,师昌绪主编的,“,材料大辞典,”,中没有,“,薄膜,”,和,“,涂层,”,这两个词条。,967,页有一词条：,“,涂层材料,(,医用,),”,。解释为：作为生物医学材料使用的涂层材料，以固体材料为基体，利用某种工艺技术在其表面形成一层同质或异质,或异质,薄膜,而构成的,一类医用表面复合材料。,涂层薄膜？,2026/4/29 周三,18,刘晓瑭,郁闷！“薄膜”到底是什么东西,?,只可意会不可言传,2026/4/29 周三,19,刘晓瑭,如何意会薄膜这个概念？,田民波语录,首先应该强调,“,薄膜,”,这个词的宏观概念：薄膜是两个几何学平行平面之间所夹的物质；同时，薄膜又是现实中存在的物体。,其次，关于薄膜的,“,薄,”,：可以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，这一厚度大约为,1,微米，是采用常规方法所能制得的薄膜膜厚的上限。,关于薄膜材料：一般指固体。但是气体薄膜和液体薄膜也是存在的，只是研究不多。,常规意义上的固体薄膜都是依附于基体的。,2026/4/29 周三,20,刘晓瑭,弄不明白,那就借用一下涂层的概念吧。反正涂层,薄膜,2026/4/29 周三,21,刘晓瑭,薄膜,(,涂层,),可以定义为：用物理的、化学、或者其他方法，在金属或非金属基体表面形成的一层具有一定厚度、不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。,2026/4/29 周三,22,刘晓瑭,这个定义中涉及到了以下一些问题,薄膜或者涂层应该有,“,一定的厚度,”,。这个厚度是多少？,薄膜或者涂层是,“,不同于基体材料,”,的一个覆盖层。这个覆盖层是一种什么材料？,薄膜或者涂层是怎么形成的？,薄膜或者涂层是如何附着在基体上的？,薄膜或者涂层有,“,一定的功能,”,。是什么功能？,2026/4/29 周三,23,刘晓瑭,从厚度角度区分薄膜和涂层,关于薄膜的,“,薄,”,：可以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，这一厚度大约为,1,微米，是采用常规方法所能制得的薄膜膜厚的上限。,涂层的厚度一般大于,10,微米。,但是这并不是严格的区分。在很多场合涂层和薄膜仅仅是一个说法的不同。有些场合用,“,涂层,”,这个词似乎更合适一些。油漆、,SiC,包覆、家电的电镀层等,相当于薄膜厚度来说，薄膜其他两个方向的尺度可以认为是无穷大。因此，薄膜是一种低维材料。,2026/4/29 周三,24,刘晓瑭,从功能角度区分薄膜和涂层,薄膜更倾向于使用自身的性能，大多数情况下基体只是一个载体；,涂层则倾向于对基体性能做一些补充。,2026/4/29 周三,25,刘晓瑭,薄膜由什么材料构成？薄膜的分类,从材料种类角度：薄膜材料可以是任意一种可能的材料：高分子、金属及合金、非金属、半导体、化合物、陶瓷等等,有机薄膜、无机薄膜、金属薄膜等,从材料结构角度：薄膜材料可以是多晶的、单晶的、非晶态的等等,单晶薄膜、多晶薄膜、非晶薄膜,从材料性能角度：硬质薄膜、声学薄膜、热学薄膜、金属导电薄膜、半导体薄膜、超导薄膜、介电薄膜、磁阻薄膜、光学薄膜等,2026/4/29 周三,26,刘晓瑭,薄膜是怎样形成的？,从制造方法看，传统的制备技术包括电镀、化学镀、丝网印刷、刷镀、喷涂等，制得的薄膜严格意义上说可能属于涂层。,现代薄膜一般都需要在真空中，通过气相沉积的方法来制取。这样制备的薄膜厚度均匀、表面光滑、而且厚度和成分可以控制、质量高、性能好。,2026/4/29 周三,27,刘晓瑭,Why Thin Films?,2026/4/29 周三,28,刘晓瑭,10.3,薄膜的特性,用料少，成本方面考虑,新的效应,新的材料,容易实现多层膜,薄膜和基片的粘附性,薄膜的内应力,缺陷,2026/4/29 周三,29,刘晓瑭,1.,薄膜所用原料少，容易大面积化，而且可以曲面加工。,(,研究和使用成本,),例：金箔、饰品、太阳能电池，,GaN,，,SiC,，,Diamond,2026/4/29 周三,30,刘晓瑭,2.,新的效应,某一维度很小、比表面积大,例：限域效应、表面和界面效应、耦合效应，隧穿效应、极化效应,2026/4/29 周三,31,刘晓瑭,限域效应,出现亚能带，,d,较小时产生能隙,2026/4/29 周三,32,刘晓瑭,二维体系中的电子态密度,2026/4/29 周三,33,刘晓瑭,半导体异质界面,二维电子气,2026/4/29 周三,34,刘晓瑭,量子霍尔效应,2026/4/29 周三,35,刘晓瑭,通过退火控制带隙,2026/4/29 周三,36,刘晓瑭,Science,，,306,，,1915,（,2004,）,Tc(black solid dots)and the density of states(red stars)as a function of Pb film thickness,2026/4/29 周三,37,刘晓瑭,极化效应,Nature,406,865(2000),2026/4/29 周三,38,刘晓瑭,photoluminescence spectra of a series of GaN/Alx,Ga1-,x,N double heterostructures(DHs),Phy.Rev B,57,R9435(1998),可以通过改变薄膜的厚度或者外加偏压来调节发光的波长,2026/4/29 周三,39,刘晓瑭,表面和界面效应：对电导的影响,s q,2,nt/m*,电导,厚度减小,2026/4/29 周三,40,刘晓瑭,耦合效应,ZnO,层厚度分别为,(a)0.75 nm,(b)1.25 nm,(c)2.0 nm,and(d)2.5 nm,的,MgO/ZnO,多层膜。,MgO1.0nm,Appl.Phys.Lett.83,2010(2003),2026/4/29 周三,41,刘晓瑭3.,可以获得常态下不存在的非平衡和非化学计量比结构,Diamond:,工业合成,2000,，,5.5,万大 气压,CVD,生长薄膜,:,常压，,800,度,.,Mg,x,Zn,1-x,O:,体相中,Mg,的平衡固溶度为,0.04,PLD,法生长的薄膜中，,x,可,01.,2026/4/29 周三,42,刘晓瑭,完全不同的薄膜材料形成异质结,4.,容易实现多层膜,相互作用与功能集成,2026/4/29 周三,43,刘晓瑭,多功能薄膜：太阳能电池,超晶格：,GaAlAs/GaAs,2026/4/29 周三,44,刘晓瑭,Number of Cells,Efficiency,Band Gap,132.4,1.4,2,44.3,1.0,1.8,3,50.3,1.0,1.6,2.2,4,53.9,0.8,1.4,1.8,2.2,5,56.3,0.6,1,1.4,1.8,2.2,6,58.5,0.6,1,1.4,1.8,2.0,2.2,7,59.6,0.6,1,1.4,1.8,2.0,2.2,2.6,8,60.6,0.6,1,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2,2.6,9,61.3,0.6,0.8,1,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2,2.6,10,61.6,0.6,0.8,1,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2,2.4,2.6,2026/4/29 周三,45,刘晓瑭,5.薄膜和基片的粘附性,范德瓦耳斯力：,r,为分子间距，,a,为分子的极化率，,I,为分子的离化能,2026/4/29 周三,46,刘晓瑭,静电力,:,s,为界面上出现的电荷密度，,e,0,为真空中的介电常数。,互扩散,考虑表面能,浸润,利用交替吸附生长多层膜,2026/4/29 周三,47,刘晓瑭,6.,薄膜的内应力,晶格常数失配，热膨胀系数失配,压应力、张应力,本征应力,:,由于薄膜中缺陷的存在,非本征应力：由于和薄膜的附着,应变能：,厚度,d,，弹性模量,E,，内应力,s,可以估算膜厚,SiC/Si,应变硅,2026/4/29 周三,48,刘晓瑭,7.,通常存在大量的缺陷,Chemical Vapor Deposition(CVD),Molecular beam epitaxy(MBE),，,Metalorganic Chemical Vapor Deposition(MOCVD),溅射、蒸发、微波、热丝、,sol-gel,、电沉积,基板温度越低，点缺陷和空位密度越大,成核取向不一样,2026/4/29 周三,49,刘晓瑭,10.4,薄膜的分类,从功能上分：,电学薄膜，光学薄膜，磁性薄膜，,保护膜，装饰用膜、包装膜,从结构上分：,无机薄膜，有机分子膜，单晶薄膜，多晶薄膜，非晶薄膜，多孔膜,2026/4/29 周三,50,刘晓瑭,电学薄膜：,（,1,）半导体器件与集成电路中的导电材料与,介质薄膜材料,Al,Cr,Pt,Au,Cu,多晶硅，,硅化物，,SiO,2,Si,3,N,4,Al,2,O,3,（,2,）超导薄膜,YBaCuO,BiSrCaCuO,，,TlBaCuO,等高温超导材料,（,3,）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,等晶态和非晶态薄膜,2026/4/29 周三,51,刘晓瑭,（,4,）薄膜传感器,可燃性气体传感器,SnO,2,，,氧敏传感器,ZrO,2,热敏传感器,Pt,Ni,SiC,离子敏传感器,Si,3,N,4,Ta,2,O,5,（,5,）薄膜电阻、电容、阻容网络与混合集成,电路，低电阻率：,Ni-Cr,，,高电阻率,:Cr-SiO,薄膜电容：,Zn,，,Al,（,6,）薄膜太阳能电池,:,非晶硅、,CuInSe,2,CdSe,2026/4/29 周三,52,刘晓瑭,（,7,）平板显示器件：,液晶显示、等离子体显示、电致发光显,示,ITO,透明电极，,ZnS:Mn,发光膜,（,8,）,ZnO,、,Ta,2,O,3,、,AlN,表面声波元件,（,9,）磁记录薄膜与薄膜磁头，,CoCrTa,、,CoCrNi,，,FeSiAl,、巨磁阻材料,（,10,）静电复印材料,Se-Te,、,SeTeAs,、,a-Si,2026/4/29 周三,53,刘晓瑭,光学薄膜：,（,1,）减反射膜：相机、摄像机、投影仪、,望远镜等,MgF,2,，,SiO,2,，,ZrO,2,，,Al,2,O,3,红外设备镜头上的,ZnS,，,CeO,2,，,SiO,（,2,）反射膜：太阳能接收器、镀膜反射镜、,激光器用的高反射率膜,（,3,）分光镜和滤波片：如彩色扩印设备上,2026/4/29 周三,54,刘晓瑭,（,4,）镀膜玻璃：建筑、汽车隔热,（,5,）光存储薄膜：光盘、唱片,Te,81,Ge,15,S,2,Sb,2,，,TbFeCo,（,6,）集成光学元件与光波导中的介质薄膜与半导体薄膜,磁性薄膜：,硬盘，内存，磁带,2026/4/29 周三,55,刘晓瑭,保护膜：,1,）硬质膜，刀具、磨具表面的,TiN,，,TiC,，,金刚石、,C,3,N,4,，,c-BN,（,2,）耐腐蚀膜，非晶镍膜，不锈钢膜，抗,热腐蚀的,NiCrAlY,等,（,3,）润滑膜,MoS,2,，,MoS,2,-Au,，,MoS,2,-Ni,，,Au,，,Ag,，,Pb,2026/4/29 周三,56,刘晓瑭,10.5,薄膜材料研究进展,（,1,）新型半导体薄膜：,GaN,，,SiC,，,ZnO,，,Diamond,，,GeSi,，,a-Si:H,改进工艺，降低成本，研究新的应用,（,2,）超硬薄膜：,Diamond,，,c-BN,，,b-C,3,N,4,BCN,（,3,）纳米薄膜材料,（,4,）超晶格和量子阱薄膜,（,5,）无机光电薄膜材料：,III-V,，,II-V,2026/4/29 周三,57,刘晓瑭,（,6,）,Spintronics,薄膜、稀磁半导体薄膜,ZnO:Mn,，,GaN:Mn,，,GaAs:Mn,（,7,）有机薄膜微电和光电材料（,OLED),需要提高效率和可靠性,（,8,）,High-K,、,Low-K,材料,更快的速度、,更高的集成度、更低的能耗，含氟氧,化硅、,HfO,2,、,ZrO,2,（,9,）高温超导和巨磁阻,（,10,）有机薄膜及有机,-,无机混合薄膜,（,11,）新型薄膜,2026/4/29 周三,58,刘晓瑭,10.6,薄膜的应用举例,集成电路,计算机，互联网，手机，,Mp3,2026/4/29 周三,59,刘晓瑭,磁记录及硬盘系统,Liquid lubricant 1-2 nm,DLC 10-30 nm,Magnetic coating 25-75 nm,Al-Mg/10,m NiP or,Glass-ceramic 0.78-1.3 mm,The surface of stretched(12%)video tape with DLC-layer with a thickness of 30 nm.,The surface of stretched(12%)video tape without DLC-layer.,2026/4/29 周三,60,刘晓瑭,超薄电视，显示器,等离子体电视,2026/4/29 周三,61,刘晓瑭,液晶电视,2026/4/29 周三,62,刘晓瑭,Ultraviolet LED,2026/4/29 周三,63,刘晓瑭,微电机系统,(MEMS),，纳电机系统,(NEMS),2026/4/29 周三,64,刘晓瑭,2026/4/29 周三,65,刘晓瑭,微电机系统,(MEMS),，纳电机系统,(NEMS),2026/4/29 周三,66,刘晓瑭,微电机系统,(MEMS),纳电机系统,(NEMS),380 MHz,2026/4/29 周三,67,刘晓瑭,薄膜加工：,2026/4/29 周三,68,刘晓瑭,10.7,薄膜的制备技术,薄膜制备的过程是将一种材料,(,薄膜材料,),转移到另一种材料,(,基片,),的表面，形成和基片牢固结合的薄膜的过程,2026/4/29 周三,69,刘晓瑭,任何的薄膜制备过程都包括源蒸发、迁移和凝聚这三个重要环节。,“,源,”,的作用是提供镀膜的材料，通过物理的或化学的方法使镀膜材料成为气态物质,“,迁移,”,是一般是在气相中进行的。维保证质量，一般都是在真空或惰性气氛中进行，并施加电场、磁场或高频等外界条件以提供迁移及化学反应所需的能量,“,凝聚,”,即镀膜材料在基片表面的沉积。,2026/4/29 周三,70,刘晓瑭,薄膜制备技术的分类,物理气相沉积法,真空蒸镀、离子镀、溅射,化学气相沉积法,热分解反应、化合反应、化学输运反应,2026/4/29 周三,71,刘晓瑭,物理气相沉积法：真空蒸镀,在,10,3,10,4,Pa,的压力下，采用各种形式的热能转换方式使镀膜材料蒸发，并成为具有一定能量的气态粒子,(,原子、分子或原子团,),，蒸发的气态粒子通过基本上无碰撞的直线运动传输到基片表面，凝聚成薄膜。,对镀膜材料进行加热的方式主要有：电阻加热、电子束加热、激光加热、高频感应加热等。,2026/4/29 周三,72,刘晓瑭,电阻加热,2026/4/29 周三,73,刘晓瑭,电阻加热所用设备构造简单、造价便宜、使用可靠，可用于熔点不太高的材料,(,低于,1300,C),的蒸发镀膜，尤其适用于对镀膜质量要求不太高的大批量的生产。,值得注意的是加热器材料的选择，加热器材料的使用温度应该低于其平衡蒸气压为,10,-6,Pa,时的温度，同时加热器材料应该不会与镀膜材料发生反应。,常用的加热器材料为,W,、,Ta,和,Mo,等高熔点金属。,近年来，由,BN,合成的导电陶瓷作为加热器得到应用。此外，石墨也是一种较好的加热器材料。,电阻加热的最大问题时加热器材料对膜的污染。,2026/4/29 周三,74,刘晓瑭,电子束加热,2026/4/29 周三,75,刘晓瑭,电子束加热功率密度大，可以熔化包括,W,、,Mo,、,Ta,等在内的几乎所有导体材料。镀料是装在水冷坩埚里的，只有被电子轰击的部位局部熔化，因此不存在镀料污染问题。,存在的主要问题：,膜厚的不均匀,高温下镀料的分解,(,合金或化合物,),2026/4/29 周三,76,刘晓瑭,蒸发粒子在基片上的不均匀沉积,解决方案：,(1),选择合适的夹具，使基片在沉积过程中产生运动；,(,2),填入少量惰性气体，使蒸发粒子在沉积前发生多次碰撞从而改变运动方向和沉积位置。,2026/4/29 周三,77,刘晓瑭,在真空蒸镀合金和化合物时，存在着蒸发材料在高温下分解和具有不同饱和蒸气压的组分以不同速度蒸发的问题。因而沉积得到的薄膜成分一般不同于蒸发材料的成分。,这一现象在电子束加热的沉积过程中尤为显著。,2026/4/29 周三,78,刘晓瑭,高频感应加热,热效率高、蒸发量大、设备简单，已经得到工业应用。例如在钢带上连续真空镀铝。,2026/4/29 周三,79,刘晓瑭,激光加热,温度高、但成本也高，应用因此受到限制。,2026/4/29 周三,80,刘晓瑭,化学气相沉积制备薄膜,化学气相沉积是指利用流经基片表面的气态物质之间发生的化学反应，生成固态物质，在基片表面形成薄膜的方法。,CVD,制备薄膜的关键在于：针对于具体的基片材料选择合适的容易操作的气相反应。,2026/4/29 周三,81,刘晓瑭,CVD,：,热分解反应,在简单的单温区炉中，在真空或惰性气氛下加热基片至一定温度，通入反应气体；流经基片表面的反应气体在基片表面分解，产生所需的固态生成物沉积在基片上形成薄膜。,主要反应物材料包括：金属有机化合物、氢化物；金属卤化物；硼的氮化物、氢化物；,IV,族氢化物、氯化物；,VIII,族的羰基氢化物、氯化物以及一些气态的络合物、化合物等,2026/4/29 周三,82,刘晓瑭,硅烷的热分解,半导体薄膜,2026/4/29 周三,83,刘晓瑭,CVD,：,化合反应,由两种或两种以上气态反应物在热的基片表面发生反应，生成且只生成一种固态产物。与热分解相反。,硬质耐磨性薄膜,2026/4/29 周三,84,刘晓瑭,CVD,：,化学输运反应,以目标沉积物为源物质，某种气体介质,(,输运剂,),与其在源区反应生成气态化合物；该化合物经载气携带或化学迁移被输运到沉积区,(,该区温度与源区不同,),，并在基片上发生逆反应，重新生成目标物质，在基片上沉积成为薄膜。,2026/4/29 周三,85,刘晓瑭,源区反应：从左到右,沉积区反应：从右到左,生成半导体薄膜,2026/4/29 周三,86,刘晓瑭,制备薄膜的其他化学方法举例,化学镀：利用还原剂，在镀层物质的溶液中进行还原反应，在镀件的固液两相界面上析出和沉积得到镀层,电化学沉积,溶胶凝胶法,更多的方法请参阅田民波等编著的,薄膜科学与技术手册,上册,2026/4/29 周三,87,刘晓瑭,10.8,薄膜的厚度厚 度：两个完全平整的平行表面之间的距离。,理想情况下的薄膜厚度：基片表面和薄膜表面之间的距离。,由于实际的薄膜表面一般是不平整、不连续的，因此实际薄膜的厚度与测试方法和测量的目的有关。,2026/4/29 周三,88,刘晓瑭,实际薄膜中几种可能的表面形貌,2026/4/29 周三,89,刘晓瑭,在薄膜厚度测量中所指的表面不是一个几何概念，而是一个物理概念，是指表面分子,(,原子,),的集合。图中曲折的粗线为薄膜表面。,定义一个平均表面，使得薄膜表面上所有的分子,(,原子,),到这个面的距离的代数和等于零。图中水平直线即为平均表面。,2026/4/29 周三,90,刘晓瑭,一、薄膜厚度测量中的几个基本概念,基片表面,S,S,：薄膜在基片一侧的平均表面,形状表面,S,T,：薄膜不与基片接触的一侧的平均表面,质量等价表面,S,M,：将所测量的薄膜表面的原子重新排列，使其密度和大块固体材料完全一样且均匀分布在基片表面上，这时的平均表面称为薄膜的质量等价表面,物性等价表面,S,P,：根据所测薄膜的物理性质等效为一种长度和宽度与所测量的薄膜一样的大块体固体材料的薄膜，这时的平均表面称为薄膜的物性等价表面,2026/4/29 周三,91,刘晓瑭,形状膜厚,d,T,：,S,S,和,S,T,之间的距离,质量膜厚,d,M,：,S,S,和,S,M,之间的距离,物性膜厚,d,P,：,S,S,和,S,P之间的距离,2026/4/29 周三,92,刘晓瑭,形状膜厚,d,T,是最接近直观形式的膜厚；形状膜厚,d,M,反映了薄膜中包含物质的多少,；物性,膜厚,d,P,在实际使用中较为实用，而且比较容易测量。,一般情况下，,d,T,d,M,d,P,由于实际表面并不平整，同时薄膜制作过程中又不可避免的要产生各种缺陷、杂质和吸附分子等，因此不管用哪一种方法定义和测量的膜厚，都是一个平均值，而且是包括了杂质、缺陷和吸附分子等在内的薄膜的厚度值,2026/4/29 周三,93,刘晓瑭,二、形状膜厚的测量方法：,光学法,最简单的光学法：,试样沿垂直于薄膜表面的方向切断后，用环氧树脂镶嵌、磨平、抛光并用适当的化学腐蚀剂侵蚀。在显微镜或扫描电镜观察并测量。,将薄膜和基片斜向切断可以提高测量的精度；,光学法适用于金属基片上沉积金属膜的厚度的测量，精度一般可以达到,0.1,m,。,2026/4/29 周三,94,刘晓瑭,多光束干涉仪,(MBI),法,基本原理：从光源,S,发出的光在,A,点处一部分被反射，通过物镜,DE,在透镜焦平面上的点,P,处成像，另一部分则在到达基片表面后被反射、折射，而后通过物镜在透镜焦平面上成像。如果两个像重合，则产生干涉效果。,2026/4/29 周三,95,刘晓瑭,两束反射光的干涉条件与入射光的波长、薄膜的厚度以及薄膜、基片的折射率等有关。根据简单的分析，就可以得到由干涉条纹确定薄膜厚度的计算公式。,理想情况下，,MBI,法测量精度可以达到,2 3 nm,；一般情况下精度也可以达到,5 10 nm,。,具体的理论推导及实验操作参见：田民波等编著,薄膜科学与技术手册,。,2026/4/29 周三,96,刘晓瑭,形状膜厚的测量方法：机械法,基本原理：在薄膜制作时特意遮盖住基片的某一部位，薄膜制作完成后，这一部位成为厚度量测的基准面；用触针式光洁度测量器或空气测微器测出厚度变化曲线，即可确定薄膜厚度。,2026/4/29 周三,97,刘晓瑭,触针式光洁度测量器得到的厚度记录曲线,测量精度可以达到,1nm,容易划伤薄膜，仅适用于硬质薄膜,2026/4/29 周三,98,刘晓瑭,空气测微仪,将具有台阶的试样平贴在喷嘴处；根据喷嘴处的气流量确定台阶的高度，即薄膜的厚度。,2026/4/29 周三,99,刘晓瑭,三、质量膜厚的测量方法,微量天平测量法,石英晶体振荡法,射线反散射法,X,射线荧光测厚法,2026/4/29 周三,100,刘晓瑭,微量天平测量法,利用微量天平测量基片在镀膜前后重量的变化，在根据增加的重量计算出平均膜厚,测量操作简便，精度也较高。如果天平的精度为,10,6,g,，则在薄膜面积为,1 cm,2,，比重为,10,的条件下，可以测出,1 nm,的膜厚,对于容易吸湿的基片，测量误差较大。,2026/4/29 周三,101,刘晓瑭,石英晶体振荡法,Quartz Crystal Oscillator,，,QCO,法,可以作为薄膜沉积过程中膜厚的动态测量方法,基本原理：石英晶体振荡片的固有振动频率随其质量的变化而变化。在石英振荡片上沉积了一层薄膜并且薄膜的质量比石英振荡片质量小得多时，薄膜的沉积作用和石英片厚度增加的作用一样，都将导致振荡片的固有频率发生变化，由此即可确定薄膜的厚度。,2026/4/29 周三,102,刘晓瑭,在实际应用中，石英晶体探头装在真空室内部靠近基片的位置处，以动态检测薄膜沉积速率。以这一原理制成的水晶式膜厚测定仪已经商品化。,QCO,法测定膜厚的精度很高，可达,1 nm,。,缺点很多：石英的振荡频率与温度有关，所以需要恒温处理；对于不同的材料，频率变化与膜厚的关系需要分别校正；石英晶体清洗后固有频率会发生漂移；等等,2026/4/29 周三,103,刘晓瑭,石英晶体探头工作原理示意图,2026/4/29 周三,104,刘晓瑭,四、物性膜厚的测量方法,物质的电阻、光吸收率等物理性质与物质的量有关，对薄膜来说就是与薄膜的厚度有关。因此通过测量物理性能，理论上就可以获得薄膜的厚度数据,通常在薄膜厚度测量中最广泛应用的物理性质时电学的和光学的性质。,2026/4/29 周三,105,刘晓瑭,电学方法：电阻法,基片两端先沉积导电膜，然后进行镀膜，最后测定电阻。,2026/4/29 周三,106,刘晓瑭,电阻法使用与测量金属和半导体测量薄膜的厚度，对于绝缘体薄膜不适用,上述公式适用于基片为绝缘体的情况；基片为导体时这一方法也应该是适用的，只是计算公式有所不同。,2026/4/29 周三,107,刘晓瑭,电学方法：电容法,(a),为特制的电容监控片，在监控片上先镀导电膜，而后与待镀基片一起同时进行镀膜。通过量测监控片的电容变化确定膜厚。,2026/4/29 周三,108,刘晓瑭,电容法经常用于测量在金属表面形成的氧化物薄膜的厚度。用这一方法测定膜厚时需要知道薄膜材料的介电常数。介电常数本身的不确定性，加上在确定合成的电容器表面积时的误差，造成了这种方法较大的测量误差。,2026/4/29 周三,109,刘晓瑭,10.9,基片材料,基片的作用,基片是制作薄膜时的机械支撑物，薄膜必须附着在基片上才能形核并长大。此外，根据制作薄膜用途的不同，基片本身可能还有其它的作用，例如：,在切削工具上沉积超硬膜时，基片本身就是切削工具,在电介质薄膜沉积,Al,膜制造电容器时，电介质的基片本身起到了绝缘体的作用,2026/4/29 周三,110,刘晓瑭,对基片材料的要求,长期的稳定性：在常温和薄膜沉积温度下不会发生热分解；不会与薄膜测量之间发生化学反应；具有一定的机械强度等等,应该与薄膜材料具有相似的晶体结构、相近的热膨胀系数，以保证较高的附着力,具有较好的导热性和抗热冲击性能，以保证在镀膜和薄膜的使用过程中的可靠性,应该易于切割、磨光、抛光和清洗,成本低,2026/4/29 周三,111,刘晓瑭,金 属,几乎常用的金属材料都可以作为基片材料使用，在金属上沉积薄膜的目的主要是提高金属表面的耐磨性、耐蚀性和起到装饰作用,金属一般具有较好的导热性、导电性和机械性能，但是为了保证金属材料与薄膜之间的附着，应当尽可能选择性能上比较接近的薄膜和金属基体的组合,2026/4/29 周三,112,刘晓瑭,玻 璃,玻璃是薄膜技术中经常使用的基片材料。,玻璃一般都透明、坚硬、具有良好的耐热和耐蚀性，非凡的电学性能和光学性能，可以通过适当地调整化学造成来满足不同的使用要求。此外，原料丰富，价格低廉,常用的玻璃材料包括：硼硅酸盐耐热玻璃和熔融石英玻璃。这两种玻璃的化学稳定性好，对温度的变化不敏感。,玻璃中往往含有碱金属离子，较高浓度的碱金属会引起薄膜的电学性能和其它性能的不稳定。,2026/4/29 周三,113,刘晓瑭,陶 瓷,陶瓷材料在机械强度、热稳定性和导热性等方面都优于玻璃，都是陶瓷的表面光滑度比玻璃差，一般都要经过抛光处理,常用的陶瓷材料包括：氧化铝、镁橄榄石、氧化铍和氮化硼等,2026/4/29 周三,114,刘晓瑭,塑 料,介电性能好：适宜于作导电薄膜的绝缘层；,相对密度低：可以降低薄膜系统的整体重量,强度和韧性高：抗震抗冲击,化学稳定性好：,容易加工成型,使用温度有一定限制,2026/4/29 周三,115,刘晓瑭,2026/4/29 周三,刘晓瑭,116,谢谢！,