1、2015-2016學(xué)年 第一學(xué)期教材：戴達(dá)煌，代明江，侯惠君編著. 功能薄膜及其沉積制備技術(shù)M. 北京：冶金工業(yè)出版社. 2013. 第1章 緒論第2章 第3章裝飾功能薄膜第4章機(jī)械功能薄膜第5章目 錄第6章特殊功能薄膜第7章 功能薄膜的沉積制備方法 材料表面微細(xì)加工技術(shù)緒緒 論論1.1 薄膜的含義及特征薄膜的含義及特征 薄膜：通常是把膜層在無基片而獨(dú)立形成的厚度作為薄膜薄膜：通常是把膜層在無基片而獨(dú)立形成的厚度作為薄膜厚度的一個大體標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定厚度約為厚度的一個大體標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定厚度約為1m。 曾有學(xué)者提出曾有學(xué)者提出2025m厚度以上稱為涂層，厚度以上稱為涂層，125m稱為稱為薄膜；也有人把幾十

2、微米的膜層稱為薄膜。薄膜；也有人把幾十微米的膜層稱為薄膜。 從表面界面科學(xué)的角度上看，從微觀研究的范圍上看，它從表面界面科學(xué)的角度上看，從微觀研究的范圍上看，它涉及的是涉及的是材料表面幾個至幾十個原子層材料表面幾個至幾十個原子層，若涉及原子層數(shù)，若涉及原子層數(shù)量更大些，通常厚度為量更大些，通常厚度為幾個納米到幾十個幾個納米到幾十個m。什么是“薄膜”（thin film）?多“薄”的膜才算薄膜？研究功能薄膜的意義研究功能薄膜的意義 新型功能薄膜的出現(xiàn)，不僅可以提高部件材料的耐磨損、耐腐蝕、抗高溫氧化和抗疲勞性能，從而提高部件的可靠性、安全性、延長使用壽命，同時還可以通過表面技術(shù)賦予材料和部件特殊

3、的聲、光、電、磁、熱等性能，當(dāng)今它的應(yīng)用已滲透到機(jī)械、石化、冶金、交通、能源、環(huán)保、核能、航空航天、微電子、光電子、計(jì)算機(jī)、通信等國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)和人民生活各個領(lǐng)域，特別在解決材料發(fā)展的復(fù)合化、輕量化、多功能化、智能化方面尤為突出。1.1.2 薄膜學(xué)的主要研究內(nèi)容薄膜學(xué)的主要研究內(nèi)容（1）薄膜的沉積制備工藝技術(shù)。）薄膜的沉積制備工藝技術(shù)。（2）研究薄膜所具有的特性，特別是新）研究薄膜所具有的特性，特別是新 的特性，包括超硬特性、光、熱、電、磁的特性，包括超硬特性、光、熱、電、磁 等特性以及這些特性的物理本質(zhì)。等特性以及這些特性的物理本質(zhì)。（3）根據(jù)研究的特性，有針對性地應(yīng)用）根據(jù)研究的特性，

4、有針對性地應(yīng)用與工業(yè)的各個領(lǐng)域，特別是高新技術(shù)領(lǐng)域。與工業(yè)的各個領(lǐng)域，特別是高新技術(shù)領(lǐng)域。裝飾裝飾功能薄膜功能薄膜機(jī)械機(jī)械功能薄膜功能薄膜特殊特殊功能薄膜功能薄膜物理物理功能薄膜功能薄膜薄膜的功能和用途薄膜的功能和用途1.1.3 功能薄膜的分類功能薄膜的分類各種色調(diào)的彩色膜各種色調(diào)的彩色膜1.1.3 功能薄膜的分類功能薄膜的分類（1）裝飾功能薄膜主要應(yīng)用薄膜的色彩效應(yīng)和功能效應(yīng)。幕墻玻璃用的裝飾膜幕墻玻璃用的裝飾膜塑料金屬化裝飾膜塑料金屬化裝飾膜包裝用裝潢及裝飾膜包裝用裝潢及裝飾膜裝飾功能薄膜裝飾功能薄膜鍍鋁紙鍍鋁紙1.1.3 功能薄膜的分類功能薄膜的分類（2)機(jī)械功能薄膜主要應(yīng)用薄膜的力學(xué)性

5、能和防護(hù)性能的功能效應(yīng)。耐腐蝕膜耐腐蝕膜耐沖刷膜耐沖刷膜耐高溫氧化膜耐高溫氧化膜防潮防熱膜防潮防熱膜高強(qiáng)度高硬度膜高強(qiáng)度高硬度膜潤滑與自潤滑膜潤滑與自潤滑膜成型加工（防咬合、裂紋、耐磨損）成型加工（防咬合、裂紋、耐磨損）機(jī)械功能薄膜械功能薄膜1.1.3 功能薄膜的分類功能薄膜的分類（2)機(jī)械功能薄膜主要應(yīng)用薄膜的力學(xué)性能和防護(hù)性能的功能效應(yīng)。耐腐蝕膜耐腐蝕膜耐沖刷膜耐沖刷膜耐高溫氧化膜耐高溫氧化膜防潮防熱膜防潮防熱膜高強(qiáng)度高硬鍍膜高強(qiáng)度高硬鍍膜潤滑與自潤滑膜潤滑與自潤滑膜成型加工（防咬合、裂紋、耐磨損）成型加工（防咬合、裂紋、耐磨損）TiN, CrN, SiO2, Cr7C3, NbC, Ta

6、C, ZrO2, MCrAlY, Co+Cr, ZrO2+Y2O3TiN, TaN, ZrN, TiC, TaC, SiC, BNTiCN,金剛石和類金剛石薄膜Al, Zn, Cr, Ti, Ni, AlZn, NiCrAlCoCrAlY, NiCoCrAlY+HfTaMoS2TiC, TiCN, CrC機(jī)械功能薄膜械功能薄膜1.1.3 功能薄膜的分類功能薄膜的分類（3）物理功能薄膜主要應(yīng)用薄膜物理性能的功能效應(yīng)。光學(xué)薄膜光學(xué)薄膜微電子學(xué)薄膜微電子學(xué)薄膜光電子學(xué)薄膜光電子學(xué)薄膜集成光學(xué)薄膜集成光學(xué)薄膜信息儲存膜信息儲存膜物理功能薄膜陽光控制膜、低輻射系數(shù)膜、防激光致盲膜、反射膜、增反膜、選擇性

7、反射膜、窗口薄膜電極膜、電器元件膜、傳感器膜超導(dǎo)元件膜、微波聲學(xué)器件膜晶體管薄膜、集成電路基片膜探測器膜光敏電阻膜光導(dǎo)攝像靶膜光波導(dǎo)膜、光開關(guān)膜光調(diào)制膜、光偏轉(zhuǎn)膜激光器薄膜磁記錄膜、光盤存儲膜、鐵電存儲膜1.1.3 功能薄膜的分類功能薄膜的分類（4）特殊功能薄膜主要是指一些特殊用途的功能薄膜。真空下的干摩擦真空下的干摩擦輻射下的潤滑與耐磨輻射下的潤滑與耐磨高溫耐磨與透光高溫耐磨與透光具有某些特殊功能的納米薄膜具有某些特殊功能的納米薄膜特殊功能薄膜特殊功能薄膜DLC, 金剛石MoS2金剛石單層：金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、高分子；復(fù)合膜（包括納米復(fù)合結(jié)構(gòu)與復(fù)合功能）：金屬半導(dǎo)體、半導(dǎo)體絕緣體、金屬絕緣

8、體、金屬高分子、半導(dǎo)體高分子1.1.4 薄膜材料的特殊性薄膜材料與普通的固體材料比有什么特殊性？薄膜厚度很薄容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)。A C B 薄膜的表面積與體積之比很大，因而表面效應(yīng)顯著，其表面能、表面態(tài)、表面散射、表面干涉對薄膜物性影響很大。薄膜與基體界面之間還存在一定的相互作用，就會產(chǎn)生膜/基間的黏附性、內(nèi)應(yīng)力等。5432 21 1表面能級膜/基的附著性和附著力薄膜的內(nèi)應(yīng)力異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性量子尺寸效應(yīng)和界面隧道穿透效應(yīng)1.1.4 薄膜材料的特殊性比較容易實(shí)現(xiàn)多層薄膜結(jié)構(gòu)的沉積制備61.1.4 薄膜材料的特殊性u表面能級 晶體內(nèi)部原有的三維周期性在表面處中斷而形成的電子能級。晶體內(nèi)

9、部原有的三維周期性在表面處中斷而形成的電子能級。 理論上，理論上， 常把傳統(tǒng)的能帶計(jì)算法應(yīng)用于表面薄層，以計(jì)算電常把傳統(tǒng)的能帶計(jì)算法應(yīng)用于表面薄層，以計(jì)算電子能量和波函數(shù)。子能量和波函數(shù)。 研究表面能級的主要實(shí)驗(yàn)手段有光電子能譜、離子中和譜等。研究表面能級的主要實(shí)驗(yàn)手段有光電子能譜、離子中和譜等。 從化學(xué)鍵模型看，表面能級起源于表面原子朝外方向具有不從化學(xué)鍵模型看，表面能級起源于表面原子朝外方向具有不飽和的價鍵，稱為懸掛鍵。這些懸掛鍵可提供電子或吸收電飽和的價鍵，稱為懸掛鍵。這些懸掛鍵可提供電子或吸收電子，相當(dāng)于半導(dǎo)體中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，從而形成與施子，相當(dāng)于半導(dǎo)體中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)，

10、從而形成與施主能級或受主能級相當(dāng)?shù)谋砻婺芗墶１砻婺芗壙晌挥隗w能帶主能級或受主能級相當(dāng)?shù)谋砻婺芗墶１砻婺芗壙晌挥隗w能帶的禁帶區(qū)內(nèi)，也可位于允許帶內(nèi)，后者稱為共振態(tài)。的禁帶區(qū)內(nèi)，也可位于允許帶內(nèi)，后者稱為共振態(tài)。 薄膜大多是沉積在某種基片襯底上，薄膜和基片構(gòu)成一個復(fù)合體系，存在著相互作用。1.1.4 薄膜材料的特殊性v 膜/基的附著性和附著力 附著：指薄膜沉積在基片的過程中，膜層和基片兩者間的原子相互受對方的作用，這種相互的作用通常的表現(xiàn)形式就是附著。 附著能：兩種異種物質(zhì)間的相互作用能。 附著力：用附著能對基片與薄膜間的距離微分，微分的最大值。1.1.4 薄膜材料的特殊性1.1.4 薄膜材料的特

11、殊性附著力：范德瓦爾斯力、靜電力、凝聚能范德瓦爾斯力：不同物質(zhì)原子間最普遍的相互作用力。它是永久偶極子與感應(yīng)偶極子之間的作用力和其他色散力的總稱。假定，兩個分子間相互作用能為U, 則式中 a 分子極化率； r 分子間距離； I 分子的離化能；下標(biāo)A，B 分別表示A分子和B分子。632ABABABa aI IUIIrv膜/基的附著性和附著力1.1.4 薄膜材料的特殊性附著力：范德瓦爾斯力、靜電力、凝聚能 假定薄膜與基體都是導(dǎo)體，兩者費(fèi)米能級不同，薄膜的形成會從一方到另一方發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，界面上形成帶電的雙層。這時，膜層與基材間就會產(chǎn)生相互的靜電力F，式中 界面電荷密度； 0真空中的介電常數(shù)。022

12、Fv膜/基的附著性和附著力刻蝕腐蝕清洗電清電清理理機(jī)械機(jī)械清清理理基材活化1.1.4 薄膜材料的特殊性v膜/基的附著性和附著力 擴(kuò)散力：由于兩種原子間的混合和化合，造成界面消失，此時附著能變成混合物或化合物的凝聚能，而凝聚能要比附著能大。附著力測量方法：黏結(jié)法和非黏結(jié)法離子轟擊清洗提高膜/基浸潤性“中間過渡層”1.1.4 薄膜材料的特殊性v薄膜的內(nèi)應(yīng)力 薄膜一面附著在基片上，受到約束的作用，易在膜層內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變。與膜層垂直的任意斷面，其兩側(cè)會產(chǎn)生相互作用力，這種力稱為內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力。分類分類: : 固有應(yīng)力（本征應(yīng)力）；非固有應(yīng)力。原因：原因：因薄膜與襯底（基體）間不同的線膨脹系數(shù)和晶格失配，把應(yīng)

13、力引進(jìn)薄膜；因薄膜與襯底之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在薄膜與襯底之間形成的金屬化合物同薄膜緊密結(jié)合，有輕微的晶格失配，也能把應(yīng)力引進(jìn)薄膜；在薄膜晶粒生長過程中，移走了部分晶粒間界，因而減少了晶粒間界中多余的體積，也會使薄膜和襯底間引進(jìn)應(yīng)力。 設(shè)薄膜的內(nèi)應(yīng)力為設(shè)薄膜的內(nèi)應(yīng)力為，彈性模量為，彈性模量為E，則在單位體，則在單位體積薄膜中其儲存的應(yīng)變能積薄膜中其儲存的應(yīng)變能U（J/m3)為：為： 當(dāng)薄膜厚度為當(dāng)薄膜厚度為d, 在單位面積基片上附著的薄膜所具在單位面積基片上附著的薄膜所具有的應(yīng)變能為：有的應(yīng)變能為： 思考：薄膜厚度太厚？內(nèi)應(yīng)力大？思考：薄膜厚度太厚？內(nèi)應(yīng)力大？ 在薄膜的應(yīng)變能超過薄膜與基片的界面能

14、時，薄膜在薄膜的應(yīng)變能超過薄膜與基片的界面能時，薄膜就會從基片上剝離下來。就會從基片上剝離下來。 EU22EdU22v薄膜的內(nèi)應(yīng)力v 異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性 薄膜的制法多數(shù)屬于非平衡狀態(tài)的制取過程，薄膜的結(jié)薄膜的制法多數(shù)屬于非平衡狀態(tài)的制取過程，薄膜的結(jié)構(gòu)不一定和相圖相符合。規(guī)定把與相圖不相符合的結(jié)構(gòu)稱為構(gòu)不一定和相圖相符合。規(guī)定把與相圖不相符合的結(jié)構(gòu)稱為異常結(jié)構(gòu)異常結(jié)構(gòu)，不過這是一種，不過這是一種準(zhǔn)穩(wěn)（亞穩(wěn)）態(tài)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)穩(wěn)（亞穩(wěn)）態(tài)結(jié)構(gòu)。A 族元素的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是最明顯的異常結(jié)構(gòu)。在低于族元素的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是最明顯的異常結(jié)構(gòu)。在低于300下生成的下生成的C、Si、Ge為非晶結(jié)構(gòu)。為非晶結(jié)構(gòu)。

15、常溫時，常溫時，NiNi的晶體為的晶體為面心立方面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)，在非常低的氣結(jié)構(gòu)，在非常低的氣壓下濺射沉積，得到的薄膜都是壓下濺射沉積，得到的薄膜都是密排立方密排立方（hcp）結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。TaTa具有的具有的體心立方體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，當(dāng)濺射沉積時，當(dāng)濺射沉積時，N N2 2等雜質(zhì)大等雜質(zhì)大多都會形成多都會形成正方晶系的正方晶系的-Ta。BNBN晶體為晶體為六方結(jié)構(gòu)六方結(jié)構(gòu)，低溫時所形成的卻是立方結(jié)構(gòu)，成為，低溫時所形成的卻是立方結(jié)構(gòu)，成為立方氮化硼立方氮化硼（C-BN)。 化合物的計(jì)量比化合物的計(jì)量比，一般來說是完全確定的。但是多組，一般來說是完全確定的。但是多組元薄膜成分的

16、計(jì)量比就未必如此了。元薄膜成分的計(jì)量比就未必如此了。uTa 在在N2的放電氣氛中濺射沉積時，對應(yīng)一定的的放電氣氛中濺射沉積時，對應(yīng)一定的N2分分壓，其生成的薄膜壓，其生成的薄膜TaNx膜（膜（0 x1)的成分是任意的。的成分是任意的。u輝光放電法得到的輝光放電法得到的-Si1-xNx:H、-Si1-xOx:H等，其中等，其中x可在很大范圍內(nèi)變化（可在很大范圍內(nèi)變化（0 x1)。 因此，人們把這種成份偏離稱為因此，人們把這種成份偏離稱為非理想化學(xué)計(jì)量比非理想化學(xué)計(jì)量比。 v 異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性 在薄膜材料中，當(dāng)它具有量子尺寸效應(yīng)時，由于電在薄膜材料中，當(dāng)它具有量子尺寸效應(yīng)時，由于電子

17、波的干涉，與膜面垂直運(yùn)動相關(guān)的能量將取分立的子波的干涉，與膜面垂直運(yùn)動相關(guān)的能量將取分立的數(shù)值，因此它會對電子的輸運(yùn)現(xiàn)象產(chǎn)生影響。一般，數(shù)值，因此它會對電子的輸運(yùn)現(xiàn)象產(chǎn)生影響。一般，把這種與德布羅意波的干涉相關(guān)聯(lián)的效應(yīng)稱為把這種與德布羅意波的干涉相關(guān)聯(lián)的效應(yīng)稱為量子尺量子尺寸效應(yīng)。寸效應(yīng)。 給予薄膜表面中有大量的晶粒界面，界面的勢壘給予薄膜表面中有大量的晶粒界面，界面的勢壘V0比電子能量比電子能量E要大很多。根據(jù)量子力學(xué)的原理，這類要大很多。根據(jù)量子力學(xué)的原理，這類電子有一定幾率穿過這個勢壘，稱穿過勢壘為電子有一定幾率穿過這個勢壘，稱穿過勢壘為隧道穿隧道穿透效應(yīng)。透效應(yīng)。v 量子尺寸效應(yīng)和界面

18、隧道穿透效應(yīng) 為了提高膜層與基體的結(jié)合力，采用中間過渡的多為了提高膜層與基體的結(jié)合力，采用中間過渡的多層復(fù)合易于實(shí)現(xiàn)。層復(fù)合易于實(shí)現(xiàn)。p金剛石超硬涂層刀具膜，其多層為金剛石金剛石超硬涂層刀具膜，其多層為金剛石/TiC/WC-鋼襯底；鋼襯底；p用于高保真度，鍍有用于高保真度，鍍有DLC的喇叭鈦振膜的多層膜為的喇叭鈦振膜的多層膜為DLC-TiC-Ti振膜；振膜；p在線路板用的在線路板用的0.3mm微型鉆頭鍍制微型鉆頭鍍制（CrAlTi)N膜層膜層時，其中間過渡層為時，其中間過渡層為Cr-CrN-(CrAlTi)N膜梯度過渡。膜梯度過渡。v 比較容易實(shí)現(xiàn)多層薄膜結(jié)構(gòu)的沉積制備5432 21 1表面能

19、級膜/基的附著性和附著力薄膜的內(nèi)應(yīng)力異常結(jié)構(gòu)和非理想化學(xué)計(jì)量比特性量子尺寸效應(yīng)和界面隧道穿透效應(yīng)1.1.4 薄膜材料的特殊性比較容易實(shí)現(xiàn)多層薄膜結(jié)構(gòu)的沉積制備61.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷u薄膜材料的結(jié)構(gòu)（薄膜材料的結(jié)構(gòu)（結(jié)晶形態(tài)）結(jié)晶形態(tài)） 非晶、單晶、多晶三種類型。非晶、單晶、多晶三種類型。 非晶：也稱無定形態(tài)或玻璃態(tài)，從原子排列情況看，非晶：也稱無定形態(tài)或玻璃態(tài)，從原子排列情況看，為無序結(jié)構(gòu)。如：基片溫度較低時形成的硫化物和鹵化物為無序結(jié)構(gòu)。如：基片溫度較低時形成的硫化物和鹵化物薄膜。薄膜。 多晶：薄膜形成過程中會生成許多島狀小晶粒，這些多晶：薄膜形成過程中會生成許多島狀小晶粒，這些

20、小晶粒聚結(jié)形成的薄膜即為多晶薄膜。晶粒往往有擇優(yōu)取小晶粒聚結(jié)形成的薄膜即為多晶薄膜。晶粒往往有擇優(yōu)取向。向。 單晶：適當(dāng)條件下，薄膜沿單晶基片的結(jié)晶軸方向呈單晶：適當(dāng)條件下，薄膜沿單晶基片的結(jié)晶軸方向呈單晶生長。單晶生長。1.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷u薄膜材料的缺陷薄膜材料的缺陷（1）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 晶體中晶格排列出現(xiàn)的缺陷，若只涉及到單個晶格結(jié)點(diǎn)，則稱這種缺陷為點(diǎn)缺陷。 典型構(gòu)型典型構(gòu)型空位和填隙原子 定義定義 形成原因形成原因l晶格結(jié)點(diǎn)處原子在平衡位置附近不停地作熱振晶格結(jié)點(diǎn)處原子在平衡位置附近不停地作熱振動，一定溫度下，能量是一定的，但由于存在動，一定溫度下，能量是一定的，但由于存在能

21、量起伏，個別原子脫離束縛逃離原位，形成能量起伏，個別原子脫離束縛逃離原位，形成空位缺陷空位缺陷；逃離原位的原子跳進(jìn)晶格原子之間；逃離原位的原子跳進(jìn)晶格原子之間的間隙形成的間隙形成填隙缺陷填隙缺陷。l溫度急劇變化引起，真溫度急劇變化引起，真空蒸發(fā)薄膜過程會引入空蒸發(fā)薄膜過程會引入點(diǎn)缺陷。點(diǎn)缺陷。l由雜質(zhì)引起。由雜質(zhì)引起。（1 1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)缺陷 特點(diǎn)特點(diǎn) 在點(diǎn)缺陷中數(shù)量最多的是原子空位；在點(diǎn)缺陷中數(shù)量最多的是原子空位； 不能用電子顯微鏡直接觀測到，存在不易引起注意；不能用電子顯微鏡直接觀測到，存在不易引起注意； 薄膜中存在原子空位的效果主要表現(xiàn)在晶體的體積和密薄膜中存在原子空位的效果主要表現(xiàn)在晶

22、體的體積和密度上。度上。 ( (一個空位可使晶體體積大約減少二分之一的原子體積。一個空位可使晶體體積大約減少二分之一的原子體積。薄膜中空位濃度在平衡濃度以上，因此薄膜密度比塊狀薄膜中空位濃度在平衡濃度以上，因此薄膜密度比塊狀小小) )。可通過研究薄膜電阻率可通過研究薄膜電阻率隨時間變化減小的現(xiàn)象研究空隨時間變化減小的現(xiàn)象研究空位。位。（1 1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)缺陷（2）位錯v 位錯是薄膜中最常遇到的位錯是薄膜中最常遇到的缺陷之一缺陷之一v 它是晶格結(jié)構(gòu)中一種它是晶格結(jié)構(gòu)中一種“線線型型”的不完整結(jié)構(gòu)，其密的不完整結(jié)構(gòu)，其密度約為度約為1012 1013/cm2。v 在塊狀優(yōu)質(zhì)晶體中，位錯在塊狀優(yōu)質(zhì)晶

23、體中，位錯密度大約為密度大約為104 106/cm21.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷晶體中的位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯晶體中的位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯1.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷晶體中的位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯晶體中的位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯1.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷晶體中的位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯晶體中的位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯1.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷在薄膜中位錯的原因(1) 基體引起的位錯 如果薄膜和基體之間有晶格失配的位錯，則在生長成單層的擬似性結(jié)構(gòu)時就會有位錯產(chǎn)生。 如果在基體上有位錯，

24、那么在基體上形成的薄膜就會因基體的位錯引起位錯。 一般情況下，基體的位錯密度是非常小的。1.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷(2) 小島的聚結(jié)薄膜中產(chǎn)生位錯的主要原因都來自小島的長大和聚結(jié)。在多數(shù)的小島中其結(jié)晶方向都是任意的。兩個晶體方向稍有不同的兩個小島相互聚結(jié)成長時，就會產(chǎn)生以位錯形式形成小傾斜角晶粒間界。在薄膜中位錯的原因1.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷（3 3）晶界較多）晶界較多 面缺陷有面缺陷有晶界晶界、相界、表面、堆積層錯等。、相界、表面、堆積層錯等。 由于薄膜中含有許多微小晶粒，與塊狀材料相比，薄由于薄膜中含有許多微小晶粒，與塊狀材料相比，薄膜膜晶粒間界晶粒間界面積較大。面積較大。

25、在吸附原子表面擴(kuò)散率很小的情況下，薄膜中晶粒尺在吸附原子表面擴(kuò)散率很小的情況下，薄膜中晶粒尺寸與臨界核尺寸無較大差異。寸與臨界核尺寸無較大差異。 但一般情況下，吸附原子的表面但一般情況下，吸附原子的表面擴(kuò)散率都較大，所以小島長大到可擴(kuò)散率都較大，所以小島長大到可以互相接觸時，晶粒尺寸則遠(yuǎn)遠(yuǎn)地以互相接觸時，晶粒尺寸則遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于臨界核尺寸。大于臨界核尺寸。1.1.5 薄膜材料的結(jié)構(gòu)與缺陷1.1.6 薄膜材料的性質(zhì)與應(yīng)用性質(zhì)性質(zhì)應(yīng)用應(yīng)用力學(xué)性質(zhì)耐磨和抗沖刷膜層、潤滑膜層、微機(jī)械熱學(xué)性質(zhì)熱防護(hù)膜層、熱敏感元件、光電器件熱沉化學(xué)性質(zhì)擴(kuò)散阻擋層、抗高溫氧化、防腐蝕膜層、生物材料相容性膜層、化學(xué)催化膜層、氣

26、體活液體敏感器光學(xué)性質(zhì)反射和減反射膜層、光吸收膜層、干涉濾色鏡、裝飾性膜層、光記錄介質(zhì)、基成光波導(dǎo)、集成電路光刻掩膜電學(xué)性質(zhì)絕緣膜、導(dǎo)電膜、半導(dǎo)體器件、光電轉(zhuǎn)化器、壓電器件和信息儲存單元、超導(dǎo)電器件、電子發(fā)射陰極和顯示器件磁學(xué)性質(zhì)磁記錄介質(zhì)、磁傳感器1.2 功能薄膜材料的選擇與設(shè)計(jì)（1）所設(shè)計(jì)的材料、表面、表面功能薄膜的類型，必須滿足環(huán)境和功能應(yīng)用要求，一般表面層的體系都會是一個或幾種膜層組合的體系。（2）不同的功能薄膜沉積制備方法和工藝，對功能薄膜的性能影響有一定的差異，因此，需有效地選擇應(yīng)用實(shí)施這種所要求的功能薄膜組合體系所選用的最佳沉積方法和工藝技術(shù)。（3）由于功能薄膜性能要求很高、很廣

27、，因此對工藝過程的控制，必須有嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。（4）必須有嚴(yán)格的檢測標(biāo)準(zhǔn)。1.2 功能薄膜材料的選擇與設(shè)計(jì)v裝飾功能薄膜v機(jī)械功能薄膜v物理機(jī)械薄膜v特殊功能薄膜v微電子機(jī)械系統(tǒng)制備技術(shù)v 與所用的功能薄膜1.2.1 裝飾功能薄膜選擇裝飾功能薄膜的主要原則：選擇裝飾功能薄膜的主要原則：（1）顏色）顏色 根據(jù)不同用途和使用性能要求，可選擇根據(jù)不同用途和使用性能要求，可選擇金屬的原色金屬的原色或或化合化合物的原色物的原色，也可通過，也可通過“反應(yīng)鍍膜反應(yīng)鍍膜”獲得獲得多元化合物的顏色多元化合物的顏色和和非非化學(xué)計(jì)量的多元化合物的顏色化學(xué)計(jì)量的多元化合物的顏色。與膜厚有關(guān)的不同的干涉色。與膜厚有關(guān)的

28、不同的干涉色。 為了獲得理想的色彩，一種是利用膜質(zhì)色，如為了獲得理想的色彩，一種是利用膜質(zhì)色，如TiN(金金色色)、TiC(黑灰色黑灰色)；另一種就是利用不同厚度；另一種就是利用不同厚度(50300nm)的的透明介質(zhì)膜產(chǎn)生干涉色。透明介質(zhì)膜產(chǎn)生干涉色。選擇裝飾功能薄膜的主要原則：選擇裝飾功能薄膜的主要原則： （1）顏色）顏色 為獲得不同的色彩，必須進(jìn)行膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有為獲得不同的色彩，必須進(jìn)行膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有MG、MNG、MNMG、MMG、MOMG、MOMMOG等等(G為玻璃片，為玻璃片，M為金屬合金膜，為金屬合金膜，MO為氧為氧化物膜，化物膜，MN為氮化物膜為氮化物膜)。其中典型的膜系結(jié)構(gòu)是

29、。其中典型的膜系結(jié)構(gòu)是MO IIMMO IG，其中，其中MO II是第二層金屬氧化物膜層，是第二層金屬氧化物膜層，主要起保護(hù)作用；主要起保護(hù)作用；M為金屬膜層，影響反射率和透射率；為金屬膜層，影響反射率和透射率；MO I為第一層金屬氧化物膜層，其有適當(dāng)?shù)暮穸取榈谝粚咏饘傺趸锬樱溆羞m當(dāng)?shù)暮穸取(折射折射率率)、k(1，2，3，)、d(膜厚膜厚)通過吸收和干涉作用產(chǎn)生不通過吸收和干涉作用產(chǎn)生不同玻面顏色，如寶石藍(lán)、金黃、紫、綠、銀、褐色等。同玻面顏色，如寶石藍(lán)、金黃、紫、綠、銀、褐色等。1.2.1 裝飾功能薄膜選擇裝飾功能薄膜的主要原則：選擇裝飾功能薄膜的主要原則：（1）顏色）顏色 根據(jù)

30、不同用途和使用性能要求，可選擇根據(jù)不同用途和使用性能要求，可選擇金屬的原色金屬的原色或或化合物化合物的原色的原色，也可通過，也可通過“反應(yīng)鍍膜反應(yīng)鍍膜”獲得獲得多元化合物的顏色多元化合物的顏色和和非化學(xué)非化學(xué)計(jì)量的多元化合物的顏色計(jì)量的多元化合物的顏色。與膜厚有關(guān)的不同的干涉色。與膜厚有關(guān)的不同的干涉色。（2）明度）明度 同一成分的膜，因工藝方法不同，其產(chǎn)生的光亮度也會不同。同一成分的膜，因工藝方法不同，其產(chǎn)生的光亮度也會不同。（3）耐候性）耐候性 耐人汗腐蝕；耐蝕；耐候性和耐紫外線照射；耐鹽霧腐蝕；耐人汗腐蝕；耐蝕；耐候性和耐紫外線照射；耐鹽霧腐蝕；耐潮濕；耐熱性等。耐潮濕；耐熱性等。（4）

31、耐磨性）耐磨性 應(yīng)視膜系的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)選擇相應(yīng)的硬度、耐劃傷的膜系。應(yīng)視膜系的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)選擇相應(yīng)的硬度、耐劃傷的膜系。介紹兩種裝飾功能膜：介紹兩種裝飾功能膜：（1）塑料金屬化裝飾功能膜。）塑料金屬化裝飾功能膜。 塑料金屬化塑料金屬化是用真空鍍膜，在塑料制品表面上鍍一層鋁是用真空鍍膜，在塑料制品表面上鍍一層鋁膜，經(jīng)染色產(chǎn)生金屬質(zhì)感的彩色效果，賦予塑料各種顏色膜，經(jīng)染色產(chǎn)生金屬質(zhì)感的彩色效果，賦予塑料各種顏色和金屬光澤。和金屬光澤。（2）七彩裝飾功能膜。）七彩裝飾功能膜。 它是一種它是一種多層光干涉膜多層光干涉膜系。例如用系。例如用ZnS-SiO膜系作七彩膜系作七彩膜，使用不同的襯底，膜，使

32、用不同的襯底，ZnS效果豐富多彩。效果豐富多彩。1.2.1 裝飾功能薄膜設(shè)計(jì)選擇機(jī)械功能薄膜遵循原則：（1）膜層的功能應(yīng)具有良好的性能，能滿足工況使用條件和環(huán)境狀況要求。（2）功能膜層與部件的材質(zhì)、性能適應(yīng)性要好。（3）膜/基結(jié)合強(qiáng)度的要求要盡量高。（4）膜層本身的強(qiáng)度和塑性應(yīng)盡量高，主要是防止膜層的裂紋擴(kuò)展。（5）設(shè)計(jì)選擇功能薄膜時應(yīng)考慮內(nèi)應(yīng)力對膜層強(qiáng)度的影響。（6）功能薄膜的硬度。1.2.2 機(jī)械功能薄膜（6）功能薄膜的硬度。 在選擇設(shè)計(jì)膜材時，可依據(jù)硬質(zhì)材料的原子間結(jié)合特性，性能對比考慮： 共價鍵材料，具有高的硬度。 金屬鍵材料，具有較好的綜合性能。 離子鍵材料，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。

33、中間過渡層。 （6）功能薄膜的硬度。 在選擇設(shè)計(jì)膜材時，可依據(jù)硬質(zhì)材料的原子間結(jié)合特性，性能對比考慮：共價鍵材料，具有高的硬度。 （6）功能薄膜的硬度。 金屬鍵材料，具有較好的綜合性能。（6）功能薄膜的硬度。 離子鍵材料，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。（6）功能薄膜的硬度。 在選擇設(shè)計(jì)膜材時，可依據(jù)硬質(zhì)材料的原子間結(jié)合在選擇設(shè)計(jì)膜材時，可依據(jù)硬質(zhì)材料的原子間結(jié)合特性，性能對比考慮：特性，性能對比考慮： 共價鍵材料，具有高的硬度。共價鍵材料，具有高的硬度。 金屬鍵材料，具有較好的綜合性能。金屬鍵材料，具有較好的綜合性能。 離子鍵材料，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。離子鍵材料，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。（6）功能薄膜

34、的硬度。 中間過渡層。在膜層與基體、界面間起到緩沖作用。 例如：在鈦上沉積制備類金剛石膜，其中間過渡層選擇TiC, 即Ti-TiC-DLC1.2.3 物理功能薄膜 利用那些具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、生物功能和具有聲、光、電、熱、磁等互相轉(zhuǎn)換功能及其他相關(guān)的效應(yīng)，并用之于高新技術(shù)，特別是用于制造微電子的功能器件，并與元器件相組成為一體，以元器件的優(yōu)異特性對薄膜作出評價的功能薄膜，統(tǒng)稱為物理功能薄膜。(1)根據(jù)功能器件應(yīng)用及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，確定功能器件的性能。(2)根據(jù)功能器件要求的性能，進(jìn)行器件設(shè)計(jì)；按器件的原理，確定所選設(shè)計(jì)材料的相關(guān)效應(yīng)、材料所應(yīng)達(dá)到的性能，從而保證達(dá)到功能器件的特性。(3)根據(jù)器

35、件設(shè)計(jì)所要求的材料性能，結(jié)合材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，選擇物理功能薄膜材料及相關(guān)襯底材料。(4)同一功能薄膜的沉積制備工藝方法不同，其性能會有較大的差異。(5)功能薄膜沉積制備完成后，即可進(jìn)行器件制作。(6)用實(shí)際器件與應(yīng)用中要求的器件特性進(jìn)行對比，以確定是否需要改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)選功能薄膜材料或底襯，為進(jìn)一步改進(jìn)沉積制備工藝，使功能器件達(dá)到所需的目標(biāo)。設(shè)計(jì)選擇物理功能薄膜的主要原則是：設(shè)計(jì)選擇物理功能薄膜的主要原則是：設(shè)計(jì)選擇物理功能薄膜的主要原則是：設(shè)計(jì)選擇物理功能薄膜的主要原則是：利用鐵電功能薄膜的熱釋電性能制備熱釋電單元探測器和列陣探測器？設(shè)計(jì)題設(shè)計(jì)題1.2.4 特殊功能薄膜 特殊功能薄膜應(yīng)用

36、最為“特殊”。基于它在應(yīng)用上某些方面的特殊，對功能薄膜材料要求相對比較特別，特別是需要在一些特殊環(huán)境、工況條件下使用。 例如：宇航上用的軸承，它要求具有真空條件下的干摩擦特性，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中，不能有任何揮發(fā)物釋放；例如：像導(dǎo)彈雷達(dá)整流罩所用的功能薄膜，飛機(jī)和導(dǎo)彈超聲速飛行時，頭部錐形的雷達(dá)罩必須承受高溫和耐高速雨點(diǎn)與塵埃的撞擊，不僅要求雷達(dá)整流罩用的功能薄膜透光性好，還要求散熱快、耐磨性好，在高速飛行中能承受高溫驟變等性能。1.2.4 特殊功能薄膜1.2.5 微電子機(jī)械系統(tǒng)制備技術(shù)與所用的功能薄膜 微電子機(jī)械系統(tǒng)是一種把微電子器件(包括集成電路)與微機(jī)械器件功能相集成的系統(tǒng)。其微機(jī)械器件與微電子

37、器件均需有相同量級的尺寸。 從制備方法上，它們是通過微細(xì)加工技術(shù)來制造和對功能薄膜進(jìn)行“二維”或平面加工的微細(xì)加工技術(shù)。 涉及表面微細(xì)加工的技術(shù)： (1)電子束、離子束、激光束的材料表面微細(xì)加工。 (2)化學(xué)氣相沉積、等離子化學(xué)氣相沉積、離子鍍膜、熱氧化等的薄膜沉積制備。 (3)濕法刻蝕、濺射刻蝕、等離子刻蝕、離子束刻蝕等圖形刻蝕。 (4)離子注入擴(kuò)散摻雜等。1.3 功能薄膜材料的發(fā)展趨勢1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高度集成化 功能薄膜沉積制備技術(shù)的研究正向多種類、高性能、新工藝、新裝備等方面發(fā)展； 功能薄膜的結(jié)構(gòu)控制研究正在向分子層次、原子層次、納米尺度、介觀結(jié)構(gòu)等方向深入；

38、小型化、多功能、高集成與制作過程中的工藝與硅平面工藝相兼容業(yè)已成為當(dāng)今功能薄膜總的發(fā)展趨勢。1.3 功能薄膜材料的發(fā)展趨勢1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高度集成化（1）集成鐵電器件 由“半導(dǎo)體芯片(襯底)+鐵電薄膜(元件)”所構(gòu)成的器件出現(xiàn)了在集成鐵電器件中作為襯底的半導(dǎo)體集成電路芯片，提供必要的控制、放大、傳送、反饋等微電子功能特性。 多功能的介電材料鐵電薄膜與集成電路中特定的晶體管集成，按集成鐵電器件總要求，通過鐵電、壓電、介電、熱釋電、電光或非線性光學(xué)效應(yīng)，起存儲、轉(zhuǎn)換、開關(guān)、傳感或其他功能的作用。1.3 功能薄膜材料的發(fā)展趨勢1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高度集

39、成化（1）集成鐵電器件 鐵電隨機(jī)存儲器(FRAM)，是一種具有高速、高密度、低功耗、抗輻射的典型鐵電集成器件。它有在斷電情況下也不會丟失數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，是最有發(fā)展前途的新型存儲器件之一。用于這種存儲器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)系列，包括等，其原理是基于鐵電材料PbZr1-xTixO3、SrBi2Ti2O9和Bi4-xLaxTi3O12的高介電常數(shù)和鐵電極化特性，采用射頻磁控濺射沉積制備鐵電薄膜。鐵電存儲器的制作采用半導(dǎo)體硅器件的制作工藝。、1.3 功能薄膜材料的發(fā)展趨勢1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高度集成化（1）集成鐵電器件 新一代的聲表面波器件新一代的聲表面波器件(SAW)采用采用

40、硅一金剛石膜一鐵硅一金剛石膜一鐵電薄膜電薄膜多層結(jié)構(gòu)，以多層結(jié)構(gòu)，以單晶硅片單晶硅片為襯底，應(yīng)用為襯底，應(yīng)用金剛石膜，金剛石膜，鐵電薄膜一般是鐵電薄膜一般是ZnO或或LiNbO3等，具有最高的縱波聲等，具有最高的縱波聲速而為聲表面波傳遞介質(zhì)。這種用硅一金剛石膜鐵電速而為聲表面波傳遞介質(zhì)。這種用硅一金剛石膜鐵電薄膜多層結(jié)構(gòu)的薄膜多層結(jié)構(gòu)的SAW器件，可在器件，可在46GHz下工作，被用下工作，被用作作新一代移動通信或微波系統(tǒng)新一代移動通信或微波系統(tǒng)所需的高性能高頻濾波器。所需的高性能高頻濾波器。1.3 功能薄膜材料的發(fā)展趨勢1.3.1 功能薄膜材料小型化、多功能化和高度集成化（2）微電子機(jī)械系統(tǒng)

41、器件 微電子機(jī)械系統(tǒng)是一種把微微電子機(jī)械系統(tǒng)是一種把微(MEMS)電子器件電子器件( (包括集成包括集成電路電路) )與微機(jī)器件功能相集成的系統(tǒng)。與微機(jī)器件功能相集成的系統(tǒng)。 利用利用多晶硅薄膜多晶硅薄膜制備成硅微靜電馬達(dá)、硅微型流量計(jì)、制備成硅微靜電馬達(dá)、硅微型流量計(jì)、微機(jī)械加速度計(jì)、微機(jī)械振動陀螺儀、微型生物芯片。微機(jī)械加速度計(jì)、微機(jī)械振動陀螺儀、微型生物芯片。 鐵電薄膜鐵電薄膜因具有介電、壓電、熱釋電和鐵電等優(yōu)良特性，因具有介電、壓電、熱釋電和鐵電等優(yōu)良特性，已是已是MEMS器件制作的優(yōu)選材料之一。器件制作的優(yōu)選材料之一。 金剛石膜金剛石膜具有極低的摩擦系數(shù)、最高的熱導(dǎo)率、最高的具有極低的摩擦系數(shù)、最高的熱導(dǎo)率、最高的強(qiáng)度和彈性模量、極佳的化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是制作強(qiáng)度和彈性模量、極佳的化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是制作MEMS運(yùn)動部件運(yùn)動部件( (如齒輪、軸如齒輪、軸) )的最