光电薄膜材料与技术光电薄膜材料与技术电子科技大学光电信息学院电子科技大学光电信息学院授课教师：授课教师： 许向东许向东绪 论绪 论1. 薄膜的薄膜的历史历史、、定义定义2. 薄膜的薄膜的应用应用3. 薄膜制备方法的薄膜制备方法的分类分类、课程、课程介绍介绍1. 唐伟忠，薄膜材料制备原理、技术及应用（第二版），冶金工业出版社，唐伟忠，薄膜材料制备原理、技术及应用（第二版），冶金工业出版社，20032. 陈光华，邓金祥，新型电子薄膜材料，化学工业出版社，20022. 陈光华，邓金祥，新型电子薄膜材料，化学工业出版社，20023. 王福贞等，气相沉积应用技术，机械工业出版社，王福贞等，气相沉积应用技术，机械工业出版社，2007 ●●本章参考书：本章参考书：●●本章内容：本章内容：§§0-1 薄膜的历史薄膜的历史●● 公元公元105年，东汉蔡伦发明造纸术; 年，东汉蔡伦发明造纸术; ●● 1000多年前，阿拉伯人发明了电镀多年前，阿拉伯人发明了电镀; ●● 7世纪，溶液镀银工艺；世纪，溶液镀银工艺；●● 19世纪中叶，电解法、化学反应法、真空蒸镀法等，世纪中叶，电解法、化学反应法、真空蒸镀法等， 标志着薄膜技术的逐步成熟，但应用面仍很窄；标志着薄膜技术的逐步成熟，但应用面仍很窄；●● 20世纪以来，特别是二战以后，随半导体技术的兴起，世纪以来，特别是二战以后，随半导体技术的兴起， 涌现了以溅射法为代表的一大批新技术，在学术和涌现了以溅射法为代表的一大批新技术，在学术和 实际应用中取得丰硕成果；实际应用中取得丰硕成果；隐身薄膜隐身薄膜电子薄膜电子薄膜特种膜特种膜●● 近年来，近年来，LB、、Sol-Gel、、ALD、激光闪蒸法。
激光闪蒸法●● 薄膜技术伴随着人类文明史；在科学技术发展、人们薄膜技术伴随着人类文明史；在科学技术发展、人们 日常生活中发挥重要作用；是化学、物理学、材料学、日常生活中发挥重要作用；是化学、物理学、材料学、 半导体学等多学科交叉的学科半导体学等多学科交叉的学科性质；机理性质；机理真空基板原子薄膜由单独的原子、离子、 原子团无规则地入射到 基板表面，经表面迁 徙、凝结、成核、核生 长等过程而形成的一薄 层固态物质真空基板原子薄膜由单独的原子、离子、 原子团无规则地入射到 基板表面，经表面迁 徙、凝结、成核、核生 长等过程而形成的一薄 层固态物质一、一、定义定义1（狭义定义（狭义定义）：）：§§0-2 薄膜的定义薄膜的定义What? 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●● 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基板的特点：基板的特点：●● 名称：衬底、基板、基片，名称：衬底、基板、基片， Substrate，，Wafer●● 材料： 金属、半导体、玻璃、陶瓷、塑料、纸张等材料： 金属、半导体、玻璃、陶瓷、塑料、纸张等●● 作用：支撑、绝缘等作用：支撑、绝缘等上平面：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（广义定义（广义定义）：）：缺点：缺点： 不能区分薄膜不能区分薄膜、厚膜、厚膜、涂层、涂层、金属箔、金属箔、、(分离分离)膜膜、层、层等概念。
等概念thick film coating foil membrane三、三、定义定义3：：采用特定的制备方法，在基板表面形成的一薄层固态、或液体物质 采用特定的制备方法，在基板表面形成的一薄层固态、或液体物质 ●● 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、塑料薄膜通常厚度：薄膜通常厚度：薄膜 10 μ μm ●● 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●● 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、溶液镀膜法等薄膜技术制备的薄层等薄膜技术制备的薄层●● 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、热喷涂：丝网印刷、热喷涂历史历史：陶瓷表面上釉：陶瓷表面上釉●● 丝网印刷丝网印刷●● 等离子体热喷涂等离子体热喷涂典型的厚膜制备方法典型的厚膜制备方法涂层涂层薄膜薄膜厚膜厚膜课程内容课程内容国内外相关刊物？国内外相关刊物？19881990199219941996199820002002200420062008020040060080010001200140016001800CountsYearWeb of Science中题目以 thin film为检索词的文章数§§0-3 薄膜的应用薄膜的应用●● 已涉及几乎所有的前沿科学，并推动着这些学科的发展。
已涉及几乎所有的前沿科学，并推动着这些学科的发展一、集成电路一、集成电路1. 微电子器件的基础：微电子器件的基础：Why-1? ？？（（1））MOS晶体管晶体管1947, Bell Lab. 1956, Novel Prize William Shockley John Bardeen Walter Brattain Bell Lab. MOS管结构示意图管结构示意图蒸发、溅射蒸发、溅射PECVD 注入注入LPCVD 薄膜！薄膜！薄膜制备、加工薄膜制备、加工 (功能、介质、电极功能、介质、电极)前期准备前期准备 (清洗、真空清洗、真空)薄膜加工薄膜加工 (退火、注入退火、注入)图形化图形化 (光刻、清洗光刻、清洗)测试测试 (性能性能) 封装封装 (成品、保护成品、保护)（（2）微加工技术）微加工技术多层互连布线多层互连布线微电子器件的基础微电子器件的基础2. 微电子器件的发展：微电子器件的发展：高速器件高速器件材料材料• 与• 与Si不同的物理、化学特性 • 全新制造工艺 (传统不同的物理、化学特性 • 全新制造工艺 (传统CMOS不兼容) • 小面积、价格昂贵不兼容) • 小面积、价格昂贵缺点：缺点：GaAs InP(1) Strained-SiSOI SiGe (2) • 高的载流子迁移率高的载流子迁移率• 与硅与硅CMOS工艺相兼容工艺相兼容高速，多功能高速，多功能优点：优点：（（1））III-V族族廉价、大面积制备良好的综合性能廉价、大面积制备良好的综合性能迁移率低迁移率低GaAs/AlAs LED III-V产业产业• 与• 与Si不同的物理、化学特性 • 全新制造工艺 (传统不同的物理、化学特性 • 全新制造工艺 (传统CMOS不兼容) • 小面积、价格昂贵不兼容) • 小面积、价格昂贵缺点：缺点：薄膜新技术薄膜新技术？？MBE MOCVD （（2））Si基基超晶格：超晶格：不同的单晶体薄层周期性地交替外延所形成的薄膜结构。
不同的单晶体薄层周期性地交替外延所形成的薄膜结构能带工程：能带工程：人为地设计、改变材料的人为地设计、改变材料的能带能带结构，获取特定材料、器件结构，获取特定材料、器件特性特性MBE MOCVD UHVCVDALD 应变硅是高速器件的理想材料！应变硅是高速器件的理想材料！Intel、、AMD、、IBM、、Toshiba、、NEC (90纳米节点以下新技术纳米节点以下新技术 ) 优点优点薄膜技术薄膜技术Strained-Si●● P-N结、绝缘层、导线，并由此构成二极管、三极管、电阻、结、绝缘层、导线，并由此构成二极管、三极管、电阻、 电容等电容等电子元件电子元件；； ●● 薄膜技术是薄膜技术是集成电路集成电路的的基础、发展基础、发展依据；依据； ●● 莫尔定律莫尔定律：每：每1年半，更新年半，更新1代Nature, 406, (2000) 1023每每18个月，硅片上功能元件数增加一倍个月，硅片上功能元件数增加一倍依赖依赖薄膜技术！薄膜技术！Electronics Magazine, (1965) 1968 二、信息存贮薄膜二、信息存贮薄膜 数据数据 ●●着眼点：提高记录密度着眼点：提高记录密度■■磁记录材料：典型的硬磁性能，即饱和磁化强度高、剩 余磁感应强度高、以及要有适当的矫顽力水平。
磁性薄膜磁记录材料：典型的硬磁性能，即饱和磁化强度高、剩 余磁感应强度高、以及要有适当的矫顽力水平磁性薄膜VS. 磁粉涂布：磁粉涂布：饱和磁化强度高，有利于降低介质厚度， 提高密度和降低成本饱和磁化强度高， 有利于降低介质厚度， 提高密度和降低成本1、磁盘存储、磁盘存储磁头缝隙宽度、介质厚度磁头缝隙宽度、介质厚度记录方式：平行记录记录方式：平行记录 VS. 垂直记录垂直记录磁矩矢量记录介质平面磁矩矢量记录介质平面‖‖改变磁化方向改变磁化方向磁头线圈感应电势磁头线圈感应电势磁记录材料磁记录材料磁记录材料磁记录材料基体基体CrCrV、、CrTi、、CrMo、、CrWCoCrPtTa或或CoCrPtB顶层顶层水平磁记录薄膜结构示意图水平磁记录薄膜结构示意图垂直磁记录薄膜结构示意图垂直磁记录薄膜结构示意图CoTaZr CoFeB单层结构多层结构单层结构多层结构CoTaZrCoFe MnIr NiFeCoTaZrMBE、电子束蒸发、溅射、电子束蒸发、溅射硬盘的生产流程：硬盘的生产流程：衬底衬底Al-Mg合金 → 抛光→ 化学镀合金 → 抛光→ 化学镀NiP增加硬度 → 二次抛光 →增加硬度 → 二次抛光 → PVD镀磁性薄膜→ 保护膜镀磁性薄膜→ 保护膜(类金刚石类金刚石) CVD■■磁头材料：需要其具有典型的软磁特性，即饱和 磁化强度高、矫顽力低、磁导率高、磁致伸缩系数 低、允许使用频率高。
磁头材料：需要其具有典型的软磁特性，即饱和 磁化强度高、矫顽力低、磁导率高、磁致伸缩系数 低、允许使用频率高烧结铁氧体：很好的软磁性能和耐磨性，耐磨、电阻率高于 合金薄膜软磁材料，如坡莫合金烧结铁氧体：很好的软磁性能和耐磨性，耐磨、电阻率高于 合金薄膜软磁材料，如坡莫合金(79％％Ni-Fe)，，85Fe-9Si-54Al等（高的磁化强度）等（高的磁化强度）薄膜磁头： 线圈， 缩小体积薄膜磁头： 线圈， 缩小体积溅射、蒸发溅射、蒸发磁带磁带存储密度：存储密度：106bit/cm2更高记录密度、 灵敏度更高记录密度、 灵敏度2、光盘存储、光盘存储CD的工作原理：靠探测激光在凸凹不平表面反射光的强 度来读出信息刻录机：烧蚀型、发泡型、 融绒型、合金化型、 相变型的工作原理：靠探测激光在凸凹不平表面反射光的强 度来读出信息刻录机：烧蚀型、发泡型、 融绒型、合金化型、 相变型Polymer 光盘光盘存储密度：存储密度：108bit/cm2光盘光盘存储密度：存储密度：108bit/cm21013bit/cm23nm北京大学北京大学3、、STM热化学烧孔存储热化学烧孔存储磁带磁带存储密度：存储密度：106bit/cm2导电性、沸点、结合能、热导率；导电性、沸点、结合能、热导率；微区、化学反应微区、化学反应三、集成光电子学三、集成光电子学●●重要性：下一代的通讯与计算机技术重要性：下一代的通讯与计算机技术光波导光波导：：集成光学器件中传输光信号的基本元件。
集成光学器件中传输光信号的基本元件光传输光传输(n)d ≈ λ≈ λ反复的反复的全反射全反射光的光的定向传输定向传输改变改变n光的光的传输速率传输速率 相位相位光的发射、调制、控制、接收光的发射、调制、控制、接收更高频率、容量、可靠性更高频率、容量、可靠性1、、LiNbO3a) 强的电光效应，可集成电光调制器和电光开关等强的电光效应，可集成电光调制器和电光开关等;b) 较强的压电效应，可集成声光调制。