第1章薄膜技术的真空技术基础

《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。

其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。

同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。

通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。

在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。

二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。

学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。

了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。

理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。

以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。

课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。

课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。

理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。

了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。

第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。

薄膜制备技术基础（原著第4版）作者：[日]麻蒔立男出版社：化学工业出版出版日期：2009年5月开本：16开册数：1册光盘数：0定价：39.8元优惠价：36元进入20世纪，书籍已成为传播知识、科学技术和保存文化的主要工具。

随着科学技术日新月异地发展，传播知识信息手段，除了书籍、报刊外，其他工具也逐渐产生和发展起来。

但书籍的作用，是其他传播工具或手段所不能代替的。

在当代, 无论是中国，还是其他国家，书籍仍然是促进社会政治、经济、文化发展必不可少的重要传播工具。

详细介绍：第1章薄膜技术1 1生物计算(bio computing)和薄膜技术1 2医用微型机械1 3人工脑的实现（μ Electronics）1 4大型显示的实现1 5原子操控1 6薄膜技术概略参考文献第2章真空的基础2 1真空的定义2 2真空的单位2 3气体的性质2 3 1平均速率 Va2 3 2分子直径δ2 3 3平均自由程 L2 3 4碰撞频率 Z2 4气体的流动和流导2 4 1孔的流导2 4 2长管的流导（L/a≥100）2 4 3短管的流导2 4 4流导的合成2 5蒸发速率参考文献第3章真空泵和真空测量3 1真空泵3 1 1油封式旋片机械泵3 1 2油扩散泵3 1 3吸附泵3 1 4溅射离子泵3 1 5升华泵3 1 6冷凝泵3 1 7涡轮泵（分子泵）和复合涡轮泵3 1 8干式机械泵3 2真空测量仪器——全压计3 2 1热导型真空计3 2 2电离真空计——电离规3 2 3磁控管真空计3 2 4盖斯勒（Geissler）规管3 2 5隔膜真空计3 2 6石英晶振真空计3 2 7组合式真空规3 2 8真空计的安装方法3 3真空测量仪器——分压计3 3 1磁偏转型质谱仪3 3 2四极质谱仪3 3 3有机物质质量分析IAMS法参考文献第4章真空系统4 1抽气的原理4 2材料的放气4 3抽气时间的推算4 4用于制备薄膜的真空系统4 4 1残留气体4 4 2用于制备薄膜的真空系统4 5真空检漏4 5 1检漏方法4 5 2检漏应用实例参考文献第5章薄膜基础5 1气体与固体5 1 1化学吸附和物理吸附5 1 2吸附几率和吸附（弛豫）时间5 2薄膜的生长5 2 1核生长5 2 2单层生长5 3外延 基板晶体和生长晶体之间的晶向关系5 3 1外延生长的温度5 3 2基板晶体的解理5 3 3真空度的影响5 3 4残留气体的影响5 3 5蒸发速率的影响5 3 6基板表面的缺陷——电子束照射的影响5 3 7电场的影响5 3 8离子的影响5 3 9膜厚的影响5 3 10晶格失配5 4非晶膜层5 4 1一般材料的非晶化（非薄膜）5 4 2非晶的定义5 4 3非晶薄膜5 4 4非晶Si膜的多晶化5 5薄膜的基本性质5 5 1电导5 5 2电阻率的温度系数（TCR）5 5 3薄膜的密度5 5 4时效变化5 5 5电解质膜5 6薄膜的内部应力5 7电致徙动本章小结参考文献第6章薄膜的制备方法6 1绪论6 2源和膜的组分——如何获得希望的膜的组分6 2 1蒸发和离子镀6 2 2溅射法6 3附着强度6 3 1前处理6 3 2蒸发时的条件6 3 3蒸发法和溅射法的比较(基板不加热情况）6 3 4蒸发、离子淀积、溅射的比较（加热、离子轰击等都进行情况）6 4台阶覆盖率、绕进率、底部覆盖率——具有陡峭台阶的凹凸表面的薄膜制备6 5高速热处理装置（Rapid Thermal Annealing，RTA）6 6等离子体及其在膜质的改善、新技术的开发方面的应用6 6 1等离子体6 6 2等离子体的产生方法6 6 3基本形式和主要用途6 7基板传送机构6 8针孔和净化房参考文献第7章基板7 1玻璃基板及其制造方法7 2日常生活中的单晶制造及溶液中的晶体生长7 3单晶提拉法——熔融液体中的晶体生长7 3 1坩埚中冷却法7 3 2区熔法（Zone Melting，Flot Zone,FZ法）7 3 3旋转提拉法（切克劳斯基Czochralski, CZ法）7 4气相生长法7 4 1闭管中的气相生长法7 4 2其他气相生长法7 5石英玻璃基板7 6柔性基板（Flexible）参考文献第8章蒸镀法8 1蒸发源8 1 1电阻加热蒸发源8 1 2热阴极电子束蒸镀源8 1 3中空阴极放电（HCD）的电子束蒸发源8 2蒸发源的物质蒸气分布特性和基板的安置8 3实际装置8 4蒸镀时的真空度8 5蒸镀实例8 5 1透明导电膜In2O3 SnO2系列8 5 2分子束外延（MBE）8 5 3合金的蒸镀——闪蒸8 6离子镀8 6 1离子镀的方式8 6 2对薄膜的影响8 7离子束辅助蒸镀8 8离子渗，离子束表面改性法8 9激光烧蚀法（PLA）8 10有机电致发光，有机(粉体)材料的蒸镀参考文献第9章溅射9 1溅射现象9 1 1离子的能量和溅射率，出射角分布9 1 2溅射率9 1 3溅射原子的能量9 2溅射方式9 2 1磁控溅射9 2 2ECR溅射9 2 3射频溅射9 3大电极磁控溅射9 4“0”气压溅射的期待——超微细深孔的嵌埋9 4 1准直溅射9 4 2长距离溅射9 4 3高真空溅射9 4 4自溅射9 4 5离子化溅射9 5 溅射的实例9 5 1钽（Ta）的溅射9 5 2Al及其合金的溅射（超高真空溅射）9 5 3氧化物的溅射：超导电薄膜和ITO透明导电薄膜9 5 4磁性膜的溅射9 5 5光学膜的溅射（RAS法）参考文献第10章气相沉积CVD和热氧化氮化10 1热氧化10 1 1处理方式10 1 2热氧化装置10 1 3其他氧化装置10 2热CVD10 2 1主要的生成反应10 2 2热CVD的特征10 2 3热CVD装置10 2 4反应炉10 2 5常压CVD（Normal Pressure CVD, NPCVD）10 2 6减压CVD（Low Pressure CVD, LPCVD）10 3等离子体增强CVD （Plasma Enhanced CVD, PCVD）10 3 1等离子体和生成反应10 3 2装置的基本结构和反应室的电极构造10 4光CVD（Photo CVD）10 5 MOCVD（Metalorganic CVD）10 6金属CVD10 6 1钨CVD10 6 2Al CVD10 6 3Cu CVD10 6 4金属阻挡层（TiN CVD）10 7半球状颗粒多晶硅CVD（HSG CVD）10 8高介电常数薄膜的CVD10 9低介电常数薄膜10 10高清晰电视机的难关，低温多晶硅膜（Cat CVD）10 11游离基喷淋 CVD（Radical Shower CVD，RS CVD）参考文献第11章刻蚀11 1湿法刻蚀11 2等离子体刻蚀，激发气体刻蚀（圆筒型刻蚀）11 2 1原理11 2 2装置11 2 3配套工艺11 3反应离子刻蚀、溅射刻蚀（平行平板型，ECR型，磁控型刻蚀）11 3 1原理和特征11 3 2装置11 3 3配套工艺11 3 4Cu和低介电材料（low K）的刻蚀11 4大型基板的刻蚀11 5反应离子束刻蚀，溅射离子束刻蚀（离子束型刻蚀）11 5 1极细离子束设备（聚焦离子束：Focused Ion Beam, FIB）11 6微机械加工11 7刻蚀用等离子体源的开发11 7 1等离子体源11 7 2高密度等离子体（HDP）刻蚀参考文献第12章精密电镀12 1电镀12 2电镀膜的生长12 3用于制作电子元器件方面的若干方法12 4用于高技术的铜电镀12 5实用的电镀装置示例参考文献第13章平坦化技术13 1平坦化技术的必要性13 2平坦化技术概要13 3平坦薄膜生长13 3 1选择性生长13 3 2利用回填技术的孔内嵌埋（溅射）13 3 3利用氧化物嵌埋技术的平坦化13 4薄膜生长过程中凹凸发生的防止13 4 1偏压溅射法13 4 2剥离法13 5薄膜生长后的平坦化加工13 5 1涂覆13 5 2激光平坦化13 5 3回填法13 5 4回蚀法13 5 5阳极氧化和离子注入13 6嵌埋技术示例13 7化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）技术13 8嵌刻法13 9平坦化新技术展望13 9 1使用超临界流体的超微细孔的嵌埋技术13 9 2用STP（Spin Coating Film Transfer and Pressing）法的嵌埋技术13 10高密度微细连接参考文献薄膜制备技术基础（原著第4版）薄膜制备技术基础（原著第4版）薄膜制备技术基础（原著第4版）第1章薄膜技术1 1生物计算(bio computing)和薄膜技术1 2医用微型机械1 3人工脑的实现（μ Electronics）1 4大型显示的实现1 5原子操控1 6薄膜技术概略参考文献第2章真空的基础2 1真空的定义2 2真空的单位2 3气体的性质2 3 1平均速率 Va2 3 2分子直径δ2 3 3平均自由程 L2 3 4碰撞频率 Z2 4气体的流动和流导2 4 1孔的流导2 4 2长管的流导（L/a≥100）2 4 3短管的流导2 4 4流导的合成2 5蒸发速率参考文献第3章真空泵和真空测量3 1真空泵3 1 1油封式旋片机械泵3 1 2油扩散泵3 1 3吸附泵3 1 4溅射离子泵3 1 5升华泵3 1 6冷凝泵3 1 7涡轮泵（分子泵）和复合涡轮泵3 1 8干式机械泵3 2真空测量仪器——全压计3 2 1热导型真空计3 2 2电离真空计——电离规3 2 3磁控管真空计3 2 4盖斯勒（Geissler）规管3 2 5隔膜真空计3 2 6石英晶振真空计3 2 7组合式真空规3 2 8真空计的安装方法3 3真空测量仪器——分压计3 3 1磁偏转型质谱仪3 3 2四极质谱仪3 3 3有机物质质量分析IAMS法参考文献第4章真空系统4 1抽气的原理4 2材料的放气4 3抽气时间的推算4 4用于制备薄膜的真空系统4 4 1残留气体4 4 2用于制备薄膜的真空系统4 5真空检漏4 5 1检漏方法4 5 2检漏应用实例参考文献第5章薄膜基础5 1气体与固体5 1 1化学吸附和物理吸附5 1 2吸附几率和吸附（弛豫）时间5 2薄膜的生长5 2 1核生长5 2 2单层生长5 3外延 基板晶体和生长晶体之间的晶向关系5 3 1外延生长的温度5 3 2基板晶体的解理5 3 3真空度的影响5 3 4残留气体的影响5 3 5蒸发速率的影响5 3 6基板表面的缺陷——电子束照射的影响5 3 7电场的影响5 3 8离子的影响5 3 9膜厚的影响5 3 10晶格失配5 4非晶膜层5 4 1一般材料的非晶化（非薄膜）5 4 2非晶的定义5 4 3非晶薄膜5 4 4非晶Si膜的多晶化5 5薄膜的基本性质5 5 1电导5 5 2电阻率的温度系数（TCR）5 5 3薄膜的密度5 5 4时效变化5 5 5电解质膜5 6薄膜的内部应力5 7电致徙动本章小结参考文献第6章薄膜的制备方法6 1绪论6 2源和膜的组分——如何获得希望的膜的组分6 2 1蒸发和离子镀6 2 2溅射法6 3附着强度6 3 1前处理6 3 2蒸发时的条件6 3 3蒸发法和溅射法的比较(基板不加热情况）6 3 4蒸发、离子淀积、溅射的比较（加热、离子轰击等都进行情况）6 4台阶覆盖率、绕进率、底部覆盖率——具有陡峭台阶的凹凸表面的薄膜制备6 5高速热处理装置（Rapid Thermal Annealing，RTA）6 6等离子体及其在膜质的改善、新技术的开发方面的应用6 6 1等离子体6 6 2等离子体的产生方法6 6 3基本形式和主要用途6 7基板传送机构6 8针孔和净化房参考文献第7章基板7 1玻璃基板及其制造方法7 2日常生活中的单晶制造及溶液中的晶体生长7 3单晶提拉法——熔融液体中的晶体生长7 3 1坩埚中冷却法7 3 2区熔法（Zone Melting，Flot Zone,FZ法）7 3 3旋转提拉法（切克劳斯基Czochralski, CZ法）7 4气相生长法7 4 1闭管中的气相生长法7 4 2其他气相生长法7 5石英玻璃基板7 6柔性基板（Flexible）参考文献第8章蒸镀法8 1蒸发源8 1 1电阻加热蒸发源8 1 2热阴极电子束蒸镀源8 1 3中空阴极放电（HCD）的电子束蒸发源8 2蒸发源的物质蒸气分布特性和基板的安置8 3实际装置8 4蒸镀时的真空度8 5蒸镀实例8 5 1透明导电膜In2O3 SnO2系列8 5 2分子束外延（MBE）8 5 3合金的蒸镀——闪蒸8 6离子镀8 6 1离子镀的方式8 6 2对薄膜的影响8 7离子束辅助蒸镀8 8离子渗，离子束表面改性法8 9激光烧蚀法（PLA）8 10有机电致发光，有机(粉体)材料的蒸镀参考文献第9章溅射9 1溅射现象9 1 1离子的能量和溅射率，出射角分布9 1 2溅射率9 1 3溅射原子的能量9 2溅射方式9 2 1磁控溅射9 2 2ECR溅射9 2 3射频溅射9 3大电极磁控溅射9 4“0”气压溅射的期待——超微细深孔的嵌埋9 4 1准直溅射9 4 2长距离溅射9 4 3高真空溅射9 4 4自溅射9 4 5离子化溅射9 5 溅射的实例9 5 1钽（Ta）的溅射9 5 2Al及其合金的溅射（超高真空溅射）9 5 3氧化物的溅射：超导电薄膜和ITO透明导电薄膜9 5 4磁性膜的溅射9 5 5光学膜的溅射（RAS法）参考文献第10章气相沉积CVD和热氧化氮化10 1热氧化10 1 1处理方式10 1 2热氧化装置10 1 3其他氧化装置10 2热CVD10 2 1主要的生成反应10 2 2热CVD的特征10 2 3热CVD装置10 2 4反应炉10 2 5常压CVD（Normal Pressure CVD, NPCVD）10 2 6减压CVD（Low Pressure CVD, LPCVD）10 3等离子体增强CVD （Plasma Enhanced CVD, PCVD）10 3 1等离子体和生成反应10 3 2装置的基本结构和反应室的电极构造10 4光CVD（Photo CVD）10 5 MOCVD（Metalorganic CVD）10 6金属CVD10 6 1钨CVD10 6 2Al CVD10 6 3Cu CVD10 6 4金属阻挡层（TiN CVD）10 7半球状颗粒多晶硅CVD（HSG CVD）10 8高介电常数薄膜的CVD10 9低介电常数薄膜10 10高清晰电视机的难关，低温多晶硅膜（Cat CVD）10 11游离基喷淋 CVD（Radical Shower CVD，RS CVD）参考文献第11章刻蚀11 1湿法刻蚀11 2等离子体刻蚀，激发气体刻蚀（圆筒型刻蚀）11 2 1原理11 2 2装置11 2 3配套工艺11 3反应离子刻蚀、溅射刻蚀（平行平板型，ECR型，磁控型刻蚀）11 3 1原理和特征11 3 2装置11 3 3配套工艺11 3 4Cu和低介电材料（low K）的刻蚀11 4大型基板的刻蚀11 5反应离子束刻蚀，溅射离子束刻蚀（离子束型刻蚀）11 5 1极细离子束设备（聚焦离子束：Focused Ion Beam, FIB）11 6微机械加工11 7刻蚀用等离子体源的开发11 7 1等离子体源11 7 2高密度等离子体（HDP）刻蚀参考文献第12章精密电镀12 1电镀12 2电镀膜的生长12 3用于制作电子元器件方面的若干方法12 4用于高技术的铜电镀12 5实用的电镀装置示例参考文献第13章平坦化技术13 1平坦化技术的必要性13 2平坦化技术概要13 3平坦薄膜生长13 3 1选择性生长13 3 2利用回填技术的孔内嵌埋（溅射）13 3 3利用氧化物嵌埋技术的平坦化13 4薄膜生长过程中凹凸发生的防止13 4 1偏压溅射法13 4 2剥离法13 5薄膜生长后的平坦化加工13 5 1涂覆13 5 2激光平坦化13 5 3回填法13 5 4回蚀法13 5 5阳极氧化和离子注入13 6嵌埋技术示例13 7化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）技术13 8嵌刻法13 9平坦化新技术展望13 9 1使用超临界流体的超微细孔的嵌埋技术13 9 2用STP（Spin Coating Film Transfer and Pressing）法的嵌埋技术13 10高密度微细连接参考文献作者：[日]麻蒔立男出版社：化学工业出版出版日期：2009年5月开本：16开册数：1册光盘数：0定价：39.8元优惠价：36元本店订购简单方便，可以选择货到付款、汇款发货、当地自取等方式全国货到付款，满200元免运费,更多请登陆文成图书。

第一章真空技术基础1、膜得定义及分类。

答：当固体或液体得一维线性尺度远远小于它得其她二维尺度时，我们将这样得固体或液体称为膜。

通常，膜可分为两类：（1）厚度大于1mm得膜，称为厚膜；（2）厚度小于1mm得膜，称为薄膜。

2、人类所接触得真空大体上可分为哪两种？答：（1）宇宙空间所存在得真空，称之为“自然真空”；（2）人们用真空泵抽调容器中得气体所获得得真空，称之为“人为真空”。

3、何为真空、绝对真空及相对真空？答：不论哪一种类型上得真空，只要在给定空间内，气体压强低于一个大气压得气体状态，均称之为真空。

完全没有气体得空间状态称为绝对真空。

目前，即使采用最先进得真空制备手段所能达到得最低压强下，每立方厘米体积中仍有几百个气体分子。

因此，平时我们所说得真空均指相对真空状态。

4、毫米汞柱与托？答：“毫米汞柱（mmHg）”就是人类使用最早、最广泛得压强单位，它就是通过直接度量长度来获得真空得大小。

1958 年，为了纪念托里拆利，用“托（Torr）”，代替了毫米汞柱。

1 托就就是指在标准状态下，1 毫米汞柱对单位面积上得压力，表示为1Torr=1mmHg。

5、真空区域就是如何划分得？答：为了研究真空与实际使用方便，常常根据各压强范围内不同得物理特点，把真空划分为以下几个区域：（1）粗真空：l´105 ~ l´102 Pa，（2）低真空：l´102 ~ 1´10-1Pa，（3）高真空：l´10-1 ~ 1´10-6Pa与（4）超高真空：< 1´10-6Pa。

6、真空各区域得气体分子运动规律。

答：（1）粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子仍以热运动为主，分子之间碰撞十分频繁；（2）低真空就是气体分子得流动逐渐从黏滞流状态向分子状态过渡，气体分子间与分子与器壁间得碰撞次数差不多；（3）高真空时，气体分子得流动已为分子流，气体分子与容器壁之间得碰撞为主，而且碰撞次数大大减少，在高真空下蒸发得材料，其粒子将沿直线飞行；（4）在超高真空时，气体得分子数目更少，几乎不存在分子间得碰撞，分子与器壁得碰撞机会也更少了。

一．薄膜制备的真空技术基础：薄膜制备方法物理方法：热蒸发法 溅射法 离子镀方法化学方法：电镀方法 化学气相生长法1,气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。

21d n πλ= d — 气体分子的有效截面直 2,单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。

3,流导：真空管路中气体的通过能力。

分子流气体：流导C 与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。

4,真空泵的抽速: p — 真空泵入口处气体压力Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量5,真空环境划分：低真空> 102 Pa中真空102 ~ 10-1 Pa高真空10-1 ~ 10-5 Pa超高真空< 10-5 Pa低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa ）;溅射沉积： 中、高真空（10-2 ~ 10Pa ）;真空蒸发沉积： 高真空和超高真空（<10-3 Pa ）;电子显微分析： 高真空;材料表面分析： 超高真空。

6,气体的流动状态:分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁外,几乎不发生气体分子间的相互碰撞。

特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。

（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。

粘滞流状态的气体流动模式：层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。

紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。

克努森（Knudsen）准数:分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn ＞ 1007,旋片式机械真空泵工作原理：玻意耳-马略特定律（PV=C）即：温度一定的情况下，容器的体积和气体压强成反比。

性能参数：理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。