(讲义1)薄膜物理与技术

《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。

薄膜物理与技术Physics and Technology of Thin Films课程编号：07370110学分：2学时：30（其中：讲课学时： 30 实验学时：0 上机学时：0）先修课程：大学物理，普通化学适用专业：无机非金属材料工程（光电材料与器件）教材：《薄膜物理与技术》，杨邦朝，王文生主编，电子科技大学出版社，1994年1月第1版开课学院：材料科学与工程学院一．课程的性质与任务薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展非常迅速的一个分支，已成为微电子学、固体发光、光电子学等新兴交叉学科的材料基础，同时薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快，国内外对从事薄膜研发和生产的人才需求也日益强劲。

本门课程就是为适应学科发展，学生适应市场需求而设置的专业课程。

课程的基本任务是：1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和方法；2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷，薄膜的电学、力学、半导体、磁学等物理性质。

二．课程的基本内容及要求第一章真空技术基础1、教学内容（1）真空的基本知识（2）稀薄气体的基本性质（3）真空的获得及测量2、教学要求理解真空的基本知识和稀薄气体的基本性质，掌握真空的获得、主要手段和真空度策略方法，了解实用真空系统。

第二章真空蒸发镀膜1、教学内容（1）真空蒸发原理（2）蒸发源的蒸发特性及膜厚分布（3）蒸发源的类型（4）合金及化合物的蒸发（5）膜厚和沉积速率的测量与监控2、教学要求掌握真空蒸发原理，掌握真空镀膜的特点和蒸发过程，理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性，熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制，了解蒸发镀膜的常用方法（电阻加热和电子束加热），了解合金膜及化合物摸的蒸镀。

第三章溅射镀膜1、教学内容（1）溅射镀膜的特点和基本原理（2）溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点，理解表征溅射特性的参量及其影响因素，了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离子镀膜1、教学内容（1）离子镀的原理和特点（2）离子轰击的作用（3）离子镀的类型2、教学要求掌握离子镀的基本原理和特点，理解离子轰击的作用，了解离子镀的类型。

薄膜物理与技术Physics and Technology of Thin Films课程编号：07370110学分：2学时：30（其中：讲课学时： 30 实验学时：0 上机学时：0）先修课程：大学物理，普通化学适用专业：无机非金属材料工程（光电材料与器件）教材：《薄膜物理与技术》，杨邦朝，王文生主编，电子科技大学出版社，1994年1月第1版开课学院：材料科学与工程学院一．课程的性质与任务薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展非常迅速的一个分支，已成为微电子学、固体发光、光电子学等新兴交叉学科的材料基础，同时薄膜科学研究成果转化为生产力的速度愈来愈快，国内外对从事薄膜研发和生产的人才需求也日益强劲。

本门课程就是为适应学科发展，学生适应市场需求而设置的专业课程。

课程的基本任务是：1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和方法；2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷，薄膜的电学、力学、半导体、磁学等物理性质。

二．课程的基本内容及要求第一章真空技术基础1、教学内容（1）真空的基本知识（2）稀薄气体的基本性质（3）真空的获得及测量2、教学要求理解真空的基本知识和稀薄气体的基本性质，掌握真空的获得、主要手段和真空度策略方法，了解实用真空系统。

第二章真空蒸发镀膜1、教学内容（1）真空蒸发原理（2）蒸发源的蒸发特性及膜厚分布（3）蒸发源的类型（4）合金及化合物的蒸发（5）膜厚和沉积速率的测量与监控2、教学要求掌握真空蒸发原理，掌握真空镀膜的特点和蒸发过程，理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性，熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制，了解蒸发镀膜的常用方法（电阻加热和电子束加热），了解合金膜及化合物摸的蒸镀。

第三章溅射镀膜1、教学内容（1）溅射镀膜的特点和基本原理（2）溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点，理解表征溅射特性的参量及其影响因素，了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离子镀膜1、教学内容（1）离子镀的原理和特点（2）离子轰击的作用（3）离子镀的类型2、教学要求掌握离子镀的基本原理和特点，理解离子轰击的作用，了解离子镀的类型。

1、为什么要真空？真空的概念？真空的用途？答：真空蒸发、溅射镀膜和离子镀膜等常称为物理气相沉积（PVD法）是基本的薄膜制作技术。

他们均要求淀积薄膜的空间要有一定的真空度。

因此，真空技术是薄膜制作技术的基础，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。

所谓真空是指低于一个大气压的气体空间。

同正常的大气相比，是比较稀薄的气体状态。

粗真空（105~102Pa）：真空浸渍工艺低真空（102~10-1）：真空热处理高真空（10-1~10-6）：分子按直线飞行超高真空（< 10-6）：一得到纯净的气体；二获得纯净的固体表面2、分子的三种速率答：最可几速度：平均速度：均方根速度：3、气体的临界温度：对于每种气体都有一个特定的温度，高于此温度时，气体无论如何压缩都不会液化，这个温度称为该气体的临界温度。

利用临界温度来区分气体与液体。

高于临界温度的气态物质称为气体，低于临界温度称为蒸汽。

极限压强（极限真空）：对于任何一个真空系统而言，都不可能得到绝对真空（p=0），而是具有一定的压强Pu，称为极限压强（或极限真空），这是该系统所能达到的最低压强，是真空系统是否满足镀膜需要的重要指标之一。

4、溅射：所谓溅射，是指何能粒子轰击固体表面（靶），使固体原子（或分子）从表面射出的现象。

5、CVD（化学气相沉积）：化学气相沉积是一种化学气相生长法，简称CVD技术。

这种方法是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物的单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光乃至激光等能源，借助气相作用或在基片表面的化学反应（热分解或化学合成）生成要求的薄膜。

6、薄膜的组织结构：是指它的结晶形态，分为四种类型：无定型结构、多晶结构、纤维结构和单晶结构。

7、薄膜的缺陷：在薄膜的生长和形成过程中各种缺陷都会进入到薄膜之中。

这些缺陷对薄膜产生重要的影响。

他们与薄膜制作工艺密切相关。

点缺陷：在基体温度低时或蒸发过程中温度的急剧变化会在薄膜中产生许多点缺陷，这些点缺陷对薄膜电阻率产生较大影响。

薄膜的性质进入20世纪以来．薄膜技术无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。

其中特别应该指出的是下述三个方面。

第一是以防反射膜、干涉滤波器等为代表的光学薄膜的研究开发及其应用。

这种薄膜在学术上有重要意义，同时，具有十分广泛的实用性，对此人们寄予了很大的希望。

第二是在集成电路（IC、LSI）等电子工业中的应用。

一个显著成果是外延薄膜生长。

特别是随着电路的小型化，薄膜实际的体积接近于零这一特点就显得更加重要了。

第三是对材料科学的贡献。

薄膜技术本身属于非平衡过程，与通常的材料的热平衡制备法相比，薄膜材料的非平衡特征非常明显。

虽然这种非平衡过程也有缺点，但可以制备普通相图中不存在的物质。

这些都是很突出的优点。

在研究物性时，发现物体的大小会对物性产生影响。

这种效应称为尺寸效应。

在粉末、微粒子等状态中也发现有这种效应。

对于薄膜来说．在厚度这一特定方向上，尺寸很小，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性发生中断，由此对薄膜性质产生各种各样的影响。

★熔点降低★干涉效应★表面散射★平面磁化各向异性★表面能级★量子尺寸效应★熔点降低在此考虑半径为的固体球。

考虑此球与其外侧相（液体）的界面能，求块体(buk)材料熔点和小球熔点之间的关系。

r m T s T 设：固-液相间的界面能为固体的熔解热为熔解过程中熵的变化固体的密度为σLS∆ρ当质量为的物质熔化变为液体．球的表面积产生的变化，其热力学平衡关系式如下：dW dA 0s LdW T SdW dA σ-∆-=对于体材料：m LdW T SdW -∆=将，代入上式，得到m S L T ∆=2dA dW rρ=20m s m T T T Lr σρ-=>半径越小，越低。

m sT T >s T以Pb 为例：233 erg/cmσ= 1.1 kcal/mol L =311.3 g/cm ρ=当时，710cm r -=150 K m s T T -=当时，610cm r -=15 Km s T T -=尽管上述讨论是固体-液体系统，对于固体-气体系统仍有所谓薄膜越薄熔点越低的结论。

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。

薄膜物理与技术薄膜物理与技术第⼀章1、真空：低于⼀个⼤⽓压的⽓体空间。

P12、真空度与压强的关系：真空度越低，压强越⾼。

P13、1Torr = 1/760 atm =133.322Pa.（或1Pa=7.5×10-3Torr）P24、平均⾃由程：每个分⼦在连续两次碰撞之间的路程。

P55、余弦定律：碰撞于固体表⾯的分⼦，它们飞离表⾯的⽅向与原⼊射⽅向⽆关，并按与表⾯法线⽅向所成⾓度θ的余弦进⾏分布。

P76、极限压强（或极限真空）：对于任何⼀个真空系统⽽⾔，都不可能得到绝对真空（p=0），⽽是具有⼀定的压强。

P77、抽⽓速率：在规定压强下单位时间所抽出⽓体的体积，它决定抽真空所需要的时间。

P78、机械泵的原理：利⽤机械⼒压缩和排除⽓体。

P89、分⼦泵的⼯作原理：靠⾼速转动的转⼦碰撞⽓体分⼦并把它驱向排⽓⼝，由前级泵抽⾛，⽽使被抽容器获得超⾼真空。

P13第⼆章1、真空蒸发镀膜的三个基本过程：P17（1）加热蒸发过程：……（2）⽓化原⼦或分⼦在蒸发源与基⽚之间的输运：……（3）蒸发原⼦或分⼦在基⽚表⾯上的淀积过程：……2、为什么真空蒸发镀膜的三个过程必须在空⽓⾮常稀薄的真空环境中进⾏？P18答：如果不是真空环境，蒸发物原⼦或分⼦将与⼤量空⽓分⼦碰撞，使膜层受到严重污染，甚⾄形成氧化物；或者蒸发源被加热氧化烧毁；或者由于空⽓分⼦的碰撞阻挡，难以形成均匀连续的薄膜。

3、饱和蒸⽓压：在⼀定温度下，真空室内蒸发物质的蒸⽓与固体或液体平衡过程中所表现出的压⼒。

P184、蒸发温度：物质在饱和蒸⽓压为10-2托时的温度。

P185、碰撞⼏率：。

P236、点蒸发源：能够从各个⽅向蒸发等量材料的微⼩球状蒸发源。

P25-27计算：公式2-28、2-337、蒸发源与基板的相对位置配置P33（1）点源与基板相对位置的配置：为了获得均匀膜厚，点源必须配置在基板所围成的球体中⼼。

（2）⼩平⾯源与基板相对位置的配置：当⼩平⾯源为球形⼯作架的⼀部分时，该⼩平⾯蒸发源蒸发时，在内球体表⾯上的膜厚分布是均匀的。

一、薄膜：采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)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的一层新物质。

制备分类：二、气体与蒸汽：临界温度——对于每种气体都有一个特定温度，高于此温度，气体无论如何被压缩都不会液化。

利用室温和临界温度来区分气体和蒸汽：临界温度低于室温的气态物质称气体；临界温度高于室温的气态物质称为蒸汽。

饱和蒸汽压：把各种固液体放入密闭的容器中，在任何温度下都会蒸发，蒸发出来的气压称为蒸汽压。

在一定温度下，单位时间内蒸发出来的分子数与凝结在器壁和回到蒸发物质的分子数相等时的蒸汽压称为饱和蒸汽压。

蒸发温度：规定为饱和蒸汽压=1.33Pa时的温度。

压强单位：1Bar=10^5 pa ,1Atm=101325Pa ,1Torr=133.322Pa 1N/m^2=1pa真空：指定空间内，低于一个大气压的气体状态。

真空特点：压强低，分子稀薄，分子的平均自由程长。

真空划分：平均自由程：每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为“自由程”，其统计平均值称为..平均自由程越长，气体分子数密度越小，压强越小。

真空获得（真空泵）机械泵、罗茨泵（低真空）；分子泵、扩散泵（高真空）；！看书。

热偶真空计的工作原理:灯丝产生的热量Q以如下三种方式向周围散发，即辐射热量Q1，灯丝与热偶丝的传导热量Q2，气体分子碰撞灯丝带走的热量Q3，热平衡时，Q1，Q2不变，Q3与气体分子数有关。

即：Q=Q1 辐射+Q2传导+Q3气体分子带走热量在0.1～100Pa范围内，气体热导率随气体压力的增加而上升，这时热偶规才能测出真空度。

气压过高时，气体热导率不随压力变化而变化。

•气压过低时，气体热导率引起的变化Q3比Q太小，不灵敏，也不能测量。

电离真空计：电离真空规由阴极、阳极和离子收集极三个电极组成。

类似于一真空三极管，灯丝发射电子与气体分子碰撞使其电离，气体分子电离的多少与气体分子密度成正比，即与压强成正比，根据离子电流大小测量真空度。