第一章 薄膜及其特性

• 这一厚度也是采用常规方法所制薄膜膜厚 的上限。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。
• 它可以理解为气体薄膜，如吸附在固体表面 的气体薄膜。也可以理解为液体薄膜，如附 着在液体或固体表面的油膜。我们这里所指 的薄膜是固体薄膜（solid thin films），即使 是固体薄膜，也可以分为薄膜单体和附着在 某种基体上的另一种材料的固体薄膜，这里 所指的薄膜属后者。即附着于基体（又称衬 底）上而与基体在组分或结构等方面存在着 差异的薄层物质称为薄膜。
力等的综合作用。基体表面的不清洁将使 薄膜不能和基体直接接触, 范德瓦尔力大大 减弱, 扩散附着也不可能, 会使附着性能极 差。
附着：既然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现形式是附 着（adhesion）。
薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用，因此薄膜内容 易产生应变。若考虑与薄膜面垂直的任一断面，断面两侧就 会产生相互作用力，这种相互作用力称为内应力（internal stress）。附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。
③润滑膜 例如使用于真空、高温、低温、辐射等 特殊场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2－Ni等固体润 滑膜和Au、Ag、Pb等软金属膜。
（4）有机分子薄膜
有机分子薄膜也称LB（Langmuir-Blodgett） 膜（朗缪尔－美国化学家，1881－1957）， 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 分子层叠加的多层分子膜。
涂层
薄膜
厚膜
说明: 溶胶－凝胶(Sol-Gel)、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，
但从原理上更接近厚膜方法。
SAPPHIRE, Al2O3
Silicon-On-Sapphire Wafers
Substrate for III-V Nitride Epitaxy.
⑤薄膜电阻、薄膜电容、薄膜阻容网络与混合集成 电路
⑥薄膜太阳能电池 特别是非晶硅、CuInSe2和 CdSe薄膜太阳能电池。
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电极 （氧化铟锡薄膜）。特别是薄膜电致发光屏是一 种多层功能薄膜（包括氧化铟锡透明导电膜， Y2O3、Ta2O5等介质膜，ZnS：Mn等发光膜，Al 电极膜等）组成的全固态平板显示器件。
（2）薄膜和基片的粘附性
在薄膜材料中, 由于薄膜与基体材料属于完全不 同的材料, 因此就存在着薄膜材料与衬底之间的 附着力问题。例如, 磁控溅射沉积TiN 涂层是典 型的摩擦学涂层, 可显著改善被处理工件的耐磨 性, 而其中涂层和基体的界面结合强度是影响其 质量的最重要的一种因素。
• 基体的表面状态对附着力有很大影响。薄 膜之所以能附着在基体上, 是范德瓦尔斯力、 扩散附着、机械锁合、静电引力、化学键
• 采用各种PVD 法沉积薄膜时, 提高基体温度有利于薄膜和 基体原子的相互扩散, 而且会加速化学反应, 从而有利于形 成扩散附着和化学键附着力, 使附着性增加。
• 相对而言，荷能沉积，如离子束辅助蒸发、 磁控溅射、离子束溅射、激光蒸发等方法 获得的同种薄膜与衬底的结合力高于简单 热蒸发获得的薄膜。原因是荷能束有利于 去除衬底表面吸附层、活化衬底表面、促 进薄膜与衬底间的互扩散。
（2）光学薄膜
①减反射膜 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和 棱镜上所镀的单层MgF2薄膜和双层或多层（SiO2、 ZrO2、Al2O3、TiO2等）薄膜组成的宽带减反射膜； 野视仪和红外设备的镜头上所用的ZnS、CeO2、 SiO、Y2O3等红外减反射膜。 ②反射膜 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学 仪器中的镀膜反射镜；用于各类激光器的高反射率 的膜（反射率可达99％以上）等等。
该基片和薄膜属于不同种物质，附着现象所考虑的对象是二 者间的边界和界面。
二者之间的相互作用就是附着能，附着能可看成是界面能的 一种。附着能对基片－薄膜间的距离微分，微分最大值就是 附着力。
•影响附着力的因素 主要有衬底材料的种类、衬底表面状态、衬底温度、沉积方式、沉积速
率、沉积气氛等。 衬底材料种类主要影响薄膜与衬底间的化学键。 不同的薄膜/衬底材料的组合对附着力有重要的影响。膜与基体之间的
1 薄膜的几种定义
一、定义1（狭义）：
由单个的原子、离
Vacuum
子、原子团无规则地入
射到基板表面，经表面 Thin F一薄层固态物质。
Atom Substrate
定义1的特点：
●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 ●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
（b）研究该薄膜具有哪些新的特性（包括光、 热、电、磁、力等方面），研究这些特性 的物理本质；
（c）如何把这些薄膜材料应用于各个领域， 尤其是用于高新科技领域。
1.2 薄膜材料的分类
电学——超导、导电、半导体、电阻、绝缘、电介质 功能薄膜，如光电、压电、铁电、热释电、 磁敏、热敏、化学敏
光学——增透、反射、减反、光存储、红外 磁学——磁记录和磁头薄膜
⑧用ZnO、 Ta2O5 、AlN等薄膜制成的声表面滤波 器件。
⑨磁记录薄膜与薄膜磁头 如用于高质量录音和录 像的磁性材料薄膜录音带与录像带；用于计算机数 据储存的CoCrTa、CoCrNi等的薄膜软盘和硬盘； 用于垂直磁记录中FeSiAl薄膜磁头等。
⑩静电复印鼓用的Se-Te、SeTeAs合金膜及非晶硅 薄膜。
③光电子器件中使用的功能薄膜 特别是近年来 开发研究成功的GaAs/GaAlAs、HgTe/CdTe、aSi: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。
④薄膜敏感元件与固态传感器 例如SnO2薄膜可 燃性气体传感器、ZrO2薄膜氧敏传感器、薄膜 应变电阻与压力传感器、Pt、Ni等金属薄膜与 Co－Mn－Ni等氧化物薄膜及SiC薄膜的热敏电 阻和Si3N4、Ta2O5薄膜的离子敏传感器等。
• 较高的沉积速度会降低薄膜与衬底界面处 形成化合物中间层的几率，同时形成相对 疏松的膜层，往往会导致附着力的下降。
• 由于一般膜层都很薄, 所以基体表面的粗糙不平整会导致 难以形成均匀连续的膜层, 影响其性能。所以, 在镀膜前一 般要对基体进行机械抛光及严格的清洗, 去油、去污、去 氧化物等, 还可用超声波清洗以增加清洗效果。
• 较高的衬底温度有利于薄膜与衬底间的互扩散，形成牢固 的扩散附着。但是过高的衬底温度会造成薄膜晶粒粗大， 热应力增高，从其他方面劣化薄膜性能，需要做适当的取 舍。
二、定义2（广义）：
夹在两个平行平面间的薄层。 上平面：空气 固体膜、液体膜
下平面：固体表面、液体表面、空气
缺点：不能区分薄膜、厚膜、涂层、金属箔、层等概念。 thick film coating foil layer
三、定义3：
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 。
●强调基板必不可少； ——区分薄膜与金属箔、塑料薄膜
• 为提高薄膜的附着性能可以在薄膜与基体 之间加入一种另外的材料,组成中间过渡层。 如在Au-SiO2 之间沉积一层Ti 可以大大提 高薄膜的附着力; 在往单晶硅片上沉积Cu膜 前, 可先沉积一层薄的Cr层作为衬底, 可防 止Cu-Si反应并增强附着性。
• 清洁的衬底表面对于形成结合良好的薄膜十分重要，受污 染的衬底表面的吸附层，会破坏简单附着所需要的物理或 者化学结合力。
③分光镜和滤光片 例如彩色扩印与放大设备中所用红、 绿、蓝三原色滤光片上镀的多层膜。
④照明光源中所用的反热镜与冷光镜薄膜。
⑤建筑物、汽车等交通工具所用的镀膜玻璃 包括用于热 带地区的太阳能控制膜（Cr、Ti、不锈钢、Ag等）和用 于寒带地区的低辐射率薄膜（TiO2－Ag－TiO2、ITO膜 等）。
●强调制备方法； ——区分薄膜与厚膜，厚度不是区分的关键 通常厚度： 薄膜 < 1μm 厚膜>10μm
●薄膜(thin film)：由物理气相沉积(PVD)、化学 气相沉积(CVD)、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄 层。
●厚膜(thick film)：由涂覆在基板表面的悬浮液、 膏状物经干燥、煅烧而形成。 主要方法：丝网印刷(Print)、热喷涂(Spray) 历史：陶瓷表面上釉
声学——声表面波滤波器，如ZnO、Ta2O5 热学——导热、隔热、耐热 机械——硬质、润滑、耐蚀、应变 有机、生物
1.2 薄膜材料的分类
按薄膜的功能及其应用领域大致可分类如下： （1）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、 SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。 ②超导薄膜 特别是近年来国内外普遍重视的高温 超导薄膜，例如YBaCuO系稀土元素氧化物超导薄 膜以及BiSrCaCuO系和TlBaCuO系非稀土元素氧 化物超导薄膜。
第一章 薄膜及其特性
1.1 薄膜的概念
• （1）薄膜的定义
• 薄膜（thin film）是附着于基体上而与基体在组分或 结构上存在差异的物质，是不同于其它物态（气态、 液态、固体和等离子态）的一种新的凝聚态。顾名思 义，薄膜就是薄层材料。
• 薄膜材料是相对于体材料而言的，绝不是将块体材料 压薄而成的，而是通过特殊方法（如物理气相沉积 PVD、化学气相沉积CVD）制备的。人们常常是用 厚度对薄膜加以描述，通常是把膜层无基片 （substrate free）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1mm左右。