第一章薄膜及其特性-修改.

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1、一、定义一、定义1（狭义狭义）：）：由单个的原子、离子、原子由单个的原子、离子、原子团无规则地入射到基板表面，团无规则地入射到基板表面，经表面附着、迁徙、凝结、经表面附着、迁徙、凝结、成核、核生长等过程而形成成核、核生长等过程而形成的一薄层固态物质。的一薄层固态物质。 VacuumSubstrateAtomThin Film薄膜材料的概念：采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料薄膜材料的概念：采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)的的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一

2、层新的物质，这层新物质就是薄膜。这层新物质就是薄膜。定义定义1的特点：的特点：强调了薄膜生长的机理与过程强调了薄膜生长的机理与过程仅仅适用于薄膜的气相生长方法，而不适用于液相法仅仅适用于薄膜的气相生长方法，而不适用于液相法也不能描述扩散、注入方法也不能描述扩散、注入方法强调了薄膜的生长必须依附基板强调了薄膜的生长必须依附基板 上平面：空气上平面：空气固体膜、液体膜固体膜、液体膜下平面：固体表面、液体表面、空气下平面：固体表面、液体表面、空气夹在两个平行平面间的薄层。夹在两个平行平面间的薄层。二、定义二、定义2（广义广义）：）：缺点：不能区分缺点：不能区分薄膜薄膜、厚膜厚膜、涂层涂层、金属箔金属

3、箔、层层等概念。等概念。thick film coating foil layer 三、定义三、定义3：采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的采用特定的制备方法在基板表面上生长得到的一薄层固态物质一薄层固态物质 。 强调基板必不可少；强调基板必不可少； 区分薄膜与金属箔、塑料薄膜区分薄膜与金属箔、塑料薄膜 强调制备方法；强调制备方法； 区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键 通常厚度：薄膜通常厚度：薄膜 10 m 随着科技工作的不断发展和深入，薄膜领域也在不断扩展，不同的应用领域对随着科技工作的不断发展和深入，薄膜领域也在不断扩展，不同的应用领域对薄膜的厚度有不

4、同要求。所以有时把厚度为几十微米的膜层也称为薄膜。通常薄膜的厚度有不同要求。所以有时把厚度为几十微米的膜层也称为薄膜。通常是几个纳米到几十个微米，这也就是薄膜物理所研究的范围。是几个纳米到几十个微米，这也就是薄膜物理所研究的范围。薄膜薄膜(thin film)：由物理气相沉积：由物理气相沉积(PVD)、化学、化学气相沉积气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄层。层。厚膜厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、：由涂覆在基板表面的悬浮液、膏状物经干燥、煅烧而形成。膏状物经干燥、煅烧而形成。主要方法主要方法：丝网印刷：丝网印刷(Print)、

5、热喷涂、热喷涂(Spray)历史历史：陶瓷表面上釉：陶瓷表面上釉涂层涂层薄膜薄膜厚膜厚膜说明说明: 溶胶凝胶溶胶凝胶(Sol-Gel)、金属有机物热分解、金属有机物热分解(MOD)、喷雾热解和喷雾水解等属于薄膜方法，、喷雾热解和喷雾水解等属于薄膜方法，但从原理上更接近厚膜方法。但从原理上更接近厚膜方法。 薄膜材料可用各种单质元素及无机化合物或有机材料来制作薄膜，也可用固体、液体或气体物质来合成。 薄膜与块状物体一样，可以是单晶、多晶、微晶、纳米晶、多层膜、超晶格膜等。 Crystalline material is a material comprised of one or many cry

6、stals. In each crystal, atoms or ions show a long-range periodic arrangement. Single crystal is a crystalline material that is made of only one crystal (there are no grain boundaries). Grains are the crystals in a polycrystalline material. Polycrystalline material is a material comprised of many cry

7、stals (as opposed to a single-crystal material that has only one crystal). Grain boundaries are regions between grains of a polycrystalline material. 1.2 薄膜的生长模式薄膜的形成过程一般可分为凝结过程、核形成与长大过程、岛形成与生长结合过程。射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞，其中一部分被反射，另一部分在表面停留。停留于表面的原子、分子，在自身所带能量及其基板温度所对应的能量作用下，发生表面扩散（surface diffusion）及

8、表面迁移（surface migration），一部分再蒸发，脱离表面，一部分落入势能谷底，被表面吸附，即发生凝结过程。凝结伴随着晶核形成与生长过程，岛形成、合并与生长过程，最后形成连续的薄膜。薄膜的生长模式可归纳为三种形式：（1）岛状生长模式（Volmer-Weber模式）：特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配时出现，大部分的薄膜的形成过程属于这种类型。成膜初期按三维形核方式，生长为一个个孤立的岛，再由岛合并成薄膜。例如SiO2基片上的Au薄膜。这一生长模式表明，当

9、沉积物中的原子或分子彼此间的结合较之与基片的结合强很多时（即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差），就会出现这种生长模式。在绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母基片上沉积金属时，大多数显示出这一生长模式。图5 薄膜形成与生长的三种模式 薄膜生长的四个阶段 a)成核：在此期间形成许多小的晶核，按统计规律分布在基片表面上； b)晶核长大并形成较大的岛：这些岛常具有小晶体的形状； c）岛与岛之间聚接形成含有空沟道的网络； d）沟道被填充：在薄膜的生长过程中，当晶核一旦形成并达到一定尺寸之后，另外再撞击的离子不会形成新的晶核，而是依附在已有的晶核上或已经形成的岛上。分离的晶核或岛逐渐长大彼此结合便形成薄膜。 （

10、2）层状生长模式（Frank-van der Merwe模式）： 特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层 一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积原子相互之间键能的情况下发生这种生长方式的生长。 从成膜初期开始，一直按二维层状生长，例如Si基片上的Si薄膜。当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式。在这一生长模式中，原子或分子之间的结合要弱于原子或分子与基片的结合。这一生长模式的最重要的例子是半导体膜的单晶生长。 （3）层岛复合模式（Stranski-Kra

11、stanov模式）： 特点：生长机制介于岛状生长型和层生长型的中间状态。当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下多发生这种生长方式的生长。 在成膜初期，按二维层状生长，形成数层之后，生长模式转化为岛状模式。例如Si基片上的Ag薄膜。在金属基片上沉积金属膜、半导体基片上沉积金属膜的系统中已观察到这一生长模式。按薄膜的功能及其应用领域大致可分类如下：（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膜材料Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅化物薄膜；SiO2、Si3N4、 Al2O3 、Ta2O5、SiOF等薄膜。Insulation/dielectrics/passi