薄膜技术与薄膜讲义教案

自本世纪七十年代以来，薄膜技术与薄膜材料得到突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果，并已成为当代真空科学与技术和材料科学中最活跃的研究领域，在高新技术产业中具有举足轻重的作用。薄膜技术、薄膜材料、表面科学相结合推动了薄膜产品全方位的开发与应用。 

–在重点掌握真空蒸镀、溅射、化学气相沉积等基本工艺的基础上，对迅速发展的薄膜技术有全面的了解； 

–系统了解对各种类型薄膜材料的制备、结构、性能及应用；

–要求能够使用多种类型薄膜材料的设备、分析多种类型的薄膜的性能；

–初步具备开发新设备、制备新材料的能力。

1.绪论：  

2.真空技术基础：

3.薄膜制备的化学方法：

4.薄膜制备的物理方法：

5.薄膜的形成与生长：

6.薄膜表征：

7.薄膜材料：

•主要参考书目

中文：

•《半导体薄膜技术与物理》，叶志镇等，浙江大学出版社，2008

•《薄膜材料制备原理、技术及应用》，唐伟忠，冶金工业出版社，2003

•《薄膜技术》，顾培夫，浙江大学出版社，1990

•《硅外延生长技术》，B. Jayant Baliga著，任丙彦等译，河北科学技术出版社，1992

•《外延生长技术》，杨树人等，国防工业出版社，1992

英文

•《The materials science of thin films》, Milton Ohring，1991

• 《Handbook of thin-film deposition processes and techniques 》， Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002

1.绪 论

1.1 薄膜科学的发展历史

1.2 薄膜的分类

1.3 薄膜科学的研究内容 

1.4 薄膜的应用

1.1 薄膜科学的发展历史

  一百多年来，人们对物质的物理性质的广泛研究，使物理学成为一个很大的学科领域。在这个领域中，一些专门的知识进一步发展成为一个个的分支，薄膜物理就是该领域中一个相当重要的分支。

 薄膜科学的研究内容包含了制备技术、分析方法、结构观察、薄膜的应用以及薄膜的生长机理等及其丰富的内容。

对液体薄膜首先作了正式描写的是美国著名的科学家、作家兼政治家的富兰克林(Benjamin Franklin)，他在1774年的文件中留下了这样的描述：

 “不超过一茶匙的油，迅即地展开为数平方码，然后很惊人地慢慢扩展，直到抵达在下风处的水池边缘，布满了水池的那个区域，可能有半英亩（1英亩约为4000平方公尺）之广，而表面平滑的像面镜子。” 

 该薄膜的膜厚约为10Å，是一个单分子膜层。 和液体薄膜相比较的话，固体薄膜的历史比较浅短。在现今留下的纪录里，最早的是1852年德国的化学家本生(Robert Wilhelm Bunsen)和Grove分别由化学反应和辉光放电(glow discharge)确认了其所产生的固体薄膜。一般的固体薄膜，乃是由把原子或分子状的蒸发粒子沉积（或称蒸镀）在表面平滑的基板表面上所获得。而这类固体薄膜，一般就仅以薄膜来称呼。光学薄膜是薄膜科学中最早被深入研究的薄膜。随着各种光学透镜的发展，各种增透膜、减反射膜、滤光膜、分光膜等等被精确的制备、检测和分析。进入上世纪70年代后，透光材料在建筑、装璜等方面被广泛应用，在房屋、车辆、太阳能电池、太阳能热水器等的透明光窗上采用增透、防辐射和反射等薄膜。这类产品已经广泛进入我们的日常生活中。

 我们一般可能没有特别意识到薄膜的存在，不过事实上在日常生活当中，我们可以见到各式各样的薄膜。例如：

厨房用的铝箔（厚度约0.02mm，20μm）；

 保鲜膜（厚度约15μm）；

 保护或装饰物品表面的电镀层或胶膜；

 油漆等较厚的膜；

 眼镜、照相机镜片上的防紫外线或是防眩光膜；

 IC芯片及各种电子材料、装置上的镀膜等极薄的膜；

 下雨时车窗上的水膜，或是漂浮在汤汁上面的油膜等，则是属于液体薄膜。 

薄膜材料由于其在微观结构、宏观性能等方面所具有的特殊性, 在科学技术发展和人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。

   薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作者, 而且受到各国高技术产业界的广泛关注。 薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领域, 薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的边缘学科。 

 从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起, 薄膜的制备与应用已经有一千多年的发展历史。

 从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地研究薄膜材料则起始于上世纪五十年代。

 直到上世纪80年代, 薄膜科学才发展成为一门相对的学科。促使薄膜科学迅速发展的重要原因是薄膜材料的强大的应用背景、低维凝聚态理论的不断发展和现代分析技术的出现及分析能力的不断提高.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。

薄膜的性质 

  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

1.2  薄膜的分类

 薄膜在当今和未来都拥有十分广泛的应用领域，尤其是微电子和光电子领域。按功能和应用领域分类：

电子薄膜

 光学薄膜

 硬质薄膜、耐蚀薄膜、润滑薄膜

 装饰薄膜

 包装薄膜

 生物薄膜

 其它

1.3  薄膜科学的研究内容

薄膜生长理论和薄膜制备技术；

 薄膜的结构、成分和微观状态；

 薄膜的宏观特性及其应用；

 薄膜的研究方法。 

 薄膜研究是以薄膜制备为起点的, 因此, 薄膜生长理论和薄膜制备技术是薄膜材料研究的基础。

薄膜科学涉及的领域： 

 涉及材料学、化学、物理化学、表面物理学、凝聚态物理学、电子学等内容。

界面和表面结构

 薄膜的缺陷和固体扩散

 薄膜的成核和生长

 薄膜表面动力学

 薄膜反应、界面扩散和界面迁移

 薄膜物理性能

薄膜科学中的热点问题： 

薄膜成长的过程与影响因素

 蒸镀技术－热蒸镀、电子束蒸镀、离子束辅助蒸镀、分子束薄膜成长

 溅镀技术－DC溅镀、RF溅镀、反应溅镀、磁控原理

 化学气相镀膜技术－常压CVD、低压CVD、电浆辅助CVD

 薄膜生长技术－材料匹配、应力层超晶格、低温生长

 薄膜间的反应、相互扩散、电迁移等现象

 薄膜分析方法－结晶结构、化学组成、表面及界面分析、显微分析 

薄膜的制备技术

蒸发镀膜技术 Vaporation 

 溅射镀膜技术 Sputtering

 离子镀膜技术 Ion Plating

分子束外延技术 MBE Molecule Binding Epitaxy 

化学气相沉积技术 CVD Chemical Vapor deposition

 LB技术

 Sol-Gel技术

薄膜物理

薄膜形成机理和物理模型

  包括薄膜凝结过程、核形成和生长、生长模式等

 薄膜结构和缺陷

  包括薄膜的组织结构（非晶、纤维、单晶和多晶结构）、表面结构以及结构与组分的分析方法；缺陷类型（点缺陷、位错、层错等）

 薄膜物理性质

    电学、光学、磁学以及力学性质等

薄膜研究方法简介

薄膜厚度

 光学测量法和机械测量法

 薄膜结构

 扫描电子显微镜、透射电子显微镜、 X射线衍射、低能电子衍射、反射式高能电子衍射、扫描探针显微镜等 

薄膜成分

 射线能量色散谱、俄歇电子能谱、卢瑟福背散射技术、二次离子质谱等

薄膜附着力等分析

 刮剥法、拉伸法等

1.4  薄膜科学的应用

1. 耐磨及表面防护涂层

 现在科学技术对机械部件提出了综合性能要求往往超出了单一材料可以达到的性能范围。在用涂层方法制备出材料组合，则可以有效地发挥各种材料的优点，同时避免各自的局限性。 耐磨和防护涂层技术可以有效地降低各类部件的机械磨损、化学腐蚀及高温氧化倾向，从而延长使用寿命。涂层材料涉及氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷及金属间的化合物等，它们具有很高的硬度和熔点，耐磨性和耐化学腐蚀性能。

（1）耐磨涂层

 减小零件或工具的机械磨损。例如TiN、TiC涂层。

（2）耐热涂层

 燃气涡轮发动机等需要较高温度使用的机械部件。增加其耐热保护。

（3）防腐涂层

 保护被涂层的部件，不受化学腐蚀性气氛的浸蚀。应用的领域包括石油化工、煤炭气化及核反应堆的机械部件涂层方面。

高温电绝缘涂层 

　　高温电绝缘涂层根据其化学成分的不同，可分为许多种类。如石墨导体表面上的氮化硼或氧化铝、氟化铜涂层，到400℃仍有良好的电绝缘性能。金属导线上的搪瓷到700℃，磷酸盐为基的无机粘结剂涂层到1000℃，等离子喷涂氧化铝涂层在1300℃，都仍保持着良好的电绝缘性能。

　　高温电绝缘涂层已在电力、电机、电器、电子、航空、原子能、空间技术等方面获得了

2.金刚石薄膜

 金刚石具有一系列优异的物理性质，包括已知物质中最高的硬度、耐磨性和弹性模量，极高的电阻率、击穿场强和很低的介电常数，宽的光谱透过范围，极高的热导率，极低的线膨胀系数，很宽的禁带宽度，极高的载流子迁移率和极高的化学稳定性。

金刚石薄膜的应用

（1）力学性质的应用 

 利用其高硬度、高耐磨性。焊接在工具尖端或直接沉积在工具的表面，提高工具的使用寿命

（2）热学性质的应用

 利用其极高的热导率。室温下，金刚石的热导率是铜的5倍。本身又是极好的绝缘材料。因此，金刚石薄膜可用于高功率光电子元件、激光器、集成电路芯片的散热器材料。

（3）电学性质的应用

 利用其高载流子迁移率、宽禁带宽度、高击穿场强、高热导率和高饱和运动速度等优点。使之成为制造高温、高压、高功率和高频强辐射条件下工作的电子器件的绝好材料。

另外，利用金刚石膜制备的声表面波器件使得工作频率范围大大增加；金刚石膜也是很好的光学窗口材料。

3.薄膜科学在集成电路中的应用

 集成电路工艺中，氧化、涂胶等都涉及到了薄膜材料的制备问题。

 其它的分离器件，如发光二极管、异质结激光器、超晶格与量子阱结构

4.磁记录薄膜和光存储薄膜

 薄膜磁头、只读（ROM）光盘、一次写入（WORM）式光盘、可擦重写（E-DRAW)式光盘、直接重写式光盘.

第二章  真空技术基础

2.1 真空的基本知识

2.2 稀薄气体的基本性质

2.3 真空的获得

2.4 真空的测量

2.1 真空的基本知识

  13年，意大利物理学家托里折利演示了著名的大气压实验，揭示了“真空”这一物理状态。为了使被研究的样品不被周围气氛所污染，获取“原子清洁”的表面，薄膜制备和衬底表面形成过程往往是在真空或超高真空中进行的。目前，人们所广泛使用的薄膜制备系统都具有真空系统。

☞两类真空

 自然真空和人为真空 相对真空和绝对真空

☞真空程度的表示

  真空度 压强 

 气体分子密度、气体分子平均自由程、形成一个分子层所需要的时间等

区域划分

 为了便于讨论和实际应用，常根据各压强范围内不同的物理特点把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域。

2.2 稀薄气体的基本性质

理想气体定律

 真空技术中的稀薄气体性质上与理想气体相似，因此符合理想气体定律：

一、气体分子的速率分布

在平衡状态时，分布在任一速度区间v～v+dv内，分子的几率，满足麦克斯韦-波尔兹曼分布

二、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；其统计平均值成为平均自由程。

三、碰撞次数与余弦散射率

入射情况

入射频率ν（入射通量或碰撞次数）：单位时间，在单位面积的器壁上发生碰撞的气体分子数

2.3 真空的获得－抽真空

 抽真空即利用各种真空泵将被抽容器中的气体抽出，使该空间的压强低于一个大气压。

真空泵的种类及工作原理 

3、分子泵 

 工作原理：

 处于气体中的固体表面以一定方向运动，所有飞到这表面的气体分子，经过碰撞后都具有一定的分速度，其大小与方向等于固体的速度。 

 泵：通过高速旋转的涡轮叶片，不断地对气体分子施以定向的动量和压缩作用。 需要前置真空泵（10-3Torr） 

4、溅射离子泵

5、吸附泵

6、升华泵

2.4 真空的测量

真空计

绝对真空计：

 型压力计、压缩式真空计

相对真空计：

 放电真空计、热传导真空计、电离真空计

热偶真空计 

热阻真空计

电离真空计－测量高真空

第三章  薄膜制备的化学方法

薄膜的制备方法分类

☐ 化学方法： 

●化学气相沉积：激光CVD,光CVD,等离子增强CVD等 

●溶液镀膜法：电镀，化学镀，阳极氧化反应沉积，Sol-Gel技术，LB技术，热氧化生长 

☐物理方法： 

●物理气相沉积，真空蒸发镀膜，溅射，硅液相外延生长镀膜，分子束外延镀膜，离子镀膜

PartⅠ  化学气相沉积（CVD）

★ 化学气相沉积的特点 

 ★ CVD方法分类 

 ★ 低压化学气相沉积（LPCVD）

 ★ 等离子体化学气相沉积

 ★ 其他CVD方法

化学气相沉积的基本原理 

化学气相沉积的定义

 化学气相沉积是利用气态物质通过化学反应在基片表面形成固态薄膜的一种成膜技术。

 CVD反应是指反应物为气体而生成物之一为固体的化学反应。 

 CVD完全不同于物理气相沉积（PVD）

 CVD法实际上很早就有应用，用于材料精制、装饰涂层、耐氧化涂层、耐腐蚀涂层等。在电子学方面PVD法用于制作半导体电极等。

 CVD法一开始用于硅、锗精制上，随后用于适合外延生长法制作的材料上。

 表面保护膜一开始只限于氧化膜、氮化膜等，之后添加了由Ⅲ、Ⅴ族元素构成的新的氧化膜，最近还开发了金属膜、硅化物膜等。

  以上这些薄膜的CVD制备法为人们所注意。CVD法制各的多晶硅膜在器件上得到广泛应用，这是CVD法最有效的应用场所。化学气相沉积（CVD）是一种化学气相生长法。

 把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物或单质气体供给基片，利用加热、等离子体、紫外光以及激光等能源，借助气相作用或在基板表面的化学反应（热分解或化学合成）生长要求的薄膜。

   CVD装置的主要部分：反应气体输入部分、反应激活能源供应部分和气体排出部分。 

CVD可以制备单晶、多相或非晶态无机薄膜，近年来，已研制出金刚石薄膜、高Tc超导薄膜、透明导电薄膜以及某些敏感功能薄膜。  

CVD法制备薄膜过程描述（四个阶段）

（1）反应气体向基片表面扩散；

（2）反应气体吸附于基片表面；

（3）在基片表面发生化学反应；

（4）在基片表面产生的气相副产物脱离表面，向空间扩散或被抽气系统抽走；基片表面留下不挥发的固相反应产物——薄膜。

  CVD基本原理包括：反应化学、热力学、动力学、输运过程、薄膜成核与生长、反应器工程等学科领域。

★  化学气相沉积的特点 

优点:

❑即可制作金属、非金属薄膜，又可制作多组分合金薄膜；

❑ 成膜速率高于LPE和MBE；（几微米至几百微米？）

❑ CVD反应可在常压或低真空进行，绕射性能好；

❑ 薄膜纯度高、致密性好、残余应力小、结晶良好；

❑ 薄膜生长温度低于材料的熔点；

❑ 薄膜表面平滑；辐射损伤小。

缺点:

参与沉积的反应源和反应后的气体易燃、易爆或有毒，需环保措施，有时还有防腐蚀要求；

 反应温度还是太高，尽管低于物质的熔点；温度高于PVD技术，应用中受到一定；

 对基片进行局部表面镀膜时很困难，不如PVD方便。

CVD分类： 

按淀积温度：低温（200～500℃）、中温（500 ～1000℃）和高温（1000 ～1300℃）

按反应器内的压力：  常压和低压

按反应器壁的温度：  热壁和冷壁

按反应激活方式： 热激活和冷激活

CVD反应体系必须具备三个条件:

在沉积温度下，反应物具有足够的蒸气压，并能以适当的速度被引入反应室；

 反应产物除了形成固态薄膜物质外，都必须是挥发性的；

沉积薄膜和基体材料必须具有足够低的蒸气压

等离子作辅助化学气相沉积（PCV）

PCVD法的工作原理和直流辉光离子氮化相似。

 工件置于阴极上，利用辉光放电或外热源使工件升到一定温度后，与CVD法相似，通入适量的反应气，经过化学和等离子体反应生成沉积薄膜。由于存在辉光放电过程，气体剧烈电离而受到活化，这和CVD法的气体单纯受热激活不同，所以反应温度可以大大下降。 

PCVD法的应用和CVD法相似

 在硬质合金表面作镀层时由于温度低，基体不易脱碳，镀层下仍能保持基体中WC的含量，镀层后整体的横断强度下降不多，在切削过程中不易发生硬质合金刀头的折断。

PCVD法要求的真空度比PVD低，设备成本也比PVD法和CVD法的低。PCVD法的结合强度比PVD法好，

 镀后刀具的色泽可以和PVD的金黄色相似，因此在一定程度上取代了PVD法和CVD法，有着良好的发展前景。

LCVD主要有两类：热解LCVD和光分解LCVD 

LCVD的应用包括激光光刻、大规模集成电路掩膜的修正、激光蒸发一沉积以及金属化。

     PECVD是指利用辉光放电的物理作用来激活化学气相沉积反应的CVD技术。它既包括了化学气相沉积技术，又有辉光放电的增强作用。既有热化学反应，又有等离子体化学反应。广泛应用于微电子学、光电子学、太阳能利用等领域. 

 按照产生辉光放电等离子方式，可以分为许多类型。 

直流辉光放电等离子体化学气相沉积（DC-PCVD）

射频辉光放电等离子体化学气相沉积（RF-PCVD）

微波等离子体化学气相沉积（MW-PCVD）

电子回旋共振等离子体化学气相沉积（ECR-PCVD）

等离子体在CVD中的作用：

将反应物气体分子激活成活性离子，降低反应温度；

 加速反应物在表面的扩散作用，提高成膜速率；

 对基片和薄膜具有溅射清洗作用，溅射掉结合不牢的粒子，提高了薄膜和基片的附着力；

 由于原子、分子、离子和电子相互碰撞，使形成薄膜的厚度均匀。

激光化学气相沉积（LCVD）

  激光化学气相沉积是新出现的技术，通过激光激活而使常规CVD技术得到强化，工作温度大大降低，在这个意义上LCVD类似于PCVD技术，然而这两种技术之间有一些重要差别。 在这种技术中把欲镀膜层的一种或几种组分以金属烷基化合物的形式输送到反应区，而其它的组分可以氢化物的形式输送。其它的初始反应物，如氯置换的金属烷基化合物或配位化合物也可采用。

MOCVD技术的开发是由于半导体外延沉积的需要。也曾用MOCVD沉积金属镀层，这是因为某些金属卤化物在高温下是稳定的而用常规CVD难以实现其沉积。

此外，已经用金属有机化合物沉积了氧化物、氮化物、碳化物和硅化物镀层。许多金属有机化合物在中温分解，可以沉积在如钢这样一类的基体上。所以这项技术也被称为中温CVD（MTCVD）。

第三章 薄膜制备的化学方法 Part Ⅱ 

溶液镀膜技术

 不需要PVD和CVD那样复杂昂贵设备，具有工艺简便、设备要求低以及适合于大面积制膜，而且薄膜化学组成比较容易控制，能从分子水平上设计、剪裁等特点，特别适于制备多组元氧化物薄膜材料。

（一）非醇盐法制备薄膜的溶胶-凝胶工艺特征 

1.  反应体系的确定 

 反应体系的确定主要考虑以下几个因素：

（1）以当前先进功能烧结陶瓷主成分为依据选择相应的无机前驱体；

（2）合成初期的化学现象具有代表性；

（3）涉及单组分和多组分氧化物。

 其目的在于一方面使最初的研究具有一定应用背景；另一方面则是便于扩大研究范围。

2. 成膜促进剂的作用和组成原则 

（1）成膜促进剂的骨干成分为线型高分子溶液，在薄膜与涂层制备过程中其主要有三个方面的作用：

1）起到高分子的位阻作用。在溶胶制备阶段，在高分散固相粒子间形成“物理屏障”，阻止粒子团聚，使溶胶在涂膜前后保持足够长时间的稳定；

2）延缓溶剂挥发作用。在薄膜成膜过程中，使凝胶中的溶剂缓慢挥发以促使固相粒子逐渐形成均匀密堆积

3）带不同长度支链和极性基团的高分子对最终材料的微结构有控制作用。

（2）对于成膜促进剂成分的一般要求如下

 ）根据最终材料的结构要求和溶胶粒子表面电荷性质选择主成分和表面活性剂；

   2）各组分之间不应有强的化学作用，以免影响各自的功能；

 3）主成分应具有较高的固化点。使固相粒子在初期干燥阶段(<120℃)充分靠近以形成密堆积；

 ）各组分在后期干燥和热处理早期(<350℃)能够逐渐并完全分解。

3.影响成膜性和膜结构的主要因素 

（1）溶胶稳定性

 ）获得具有一定浓度的高稳定溶胶是制备无裂纹、结构均匀陶瓷膜的首要条件。

   2）稳定性差主要是固相粒子较大或团聚程度不同造成粒子尺寸分布过大引起的。

 3）其直接结果是膜开裂，结构不均匀，甚至完全粉化。

4）而影响溶胶稳定性的因素主要有：

①沉淀剂种类，沉淀反应速度和温度；

②pH值；

③胶溶剂种类，胶溶温度和时间；

④成膜促进剂加入后的分散方式与时间等。

因此在材料制备初期必须严格控制这些参数。

3.影响成膜性和膜结构的主要因素 

（1）溶胶稳定性

（2）干燥制度 

（3）烧结制度

（4）基体

（二）醇盐法制备薄膜的溶胶-凝胶工艺特征

1.反应体系的确定 

包含金属醇盐、溶剂（甲醇、乙醇等）、水、催化剂（酸、弱碱）、水解速度控制剂（乙酰丙酮等）、以及成膜控制剂（如聚乙烯醇（PVA）、二甲基甲酰胺（DMF）以及聚乙二醇等）。

2.影响成膜性和膜结构的主要因素

主要因素仍然是溶胶的配比、溶胶的稳定性、干燥制度、烧结制度和基体的选择等。 

（三）溶胶-凝胶法制膜工艺优点 

（1）工艺设备简单，无需真空条件或真空昂贵设备；

（2）工艺过程温度低，这对于制备含有易挥发组分或在高温下易发生相分离的多元系来说尤其重要；

（3）可以大面积在各种不同形状、不同材料的基底上制备薄膜，甚至可以在粉末材料的颗粒表面制备一层包覆膜；

（4）易制得均匀多组分氧化物膜，易于定量掺杂，可以有效地控制薄膜成分及微观结构。

(一)基板性质及清洗方法 

1.基板性质 

基板的种类与性质会直接影响所制备薄膜的结构和性能 。

玻璃、Si（100）、Si（111）、蓝宝石（Al2O3）、瓷片以及树脂基板等。 

（6）玻璃表面的平整度及光散乱

玻璃表面，由于是火抛光(fire polish)，平整度在6~10nm。如果要求玻璃表面更平滑或大面积范围的平滑，必须进行研磨。先用SiC或Al2O3粗磨，然后用红粉(Fe2O3)或CeO2抛光。

透射光允许玻璃表面凹凸的程度为反射光的4倍 。 

在对玻璃进行研磨时，硬度大的玻璃容易得到平滑的表面。或者：对同一片玻璃进行研磨时，使用硬度小的研磨剂，能够得到光滑的表面。

2.基板的清洗方法 

(1) 实验室方法

1) 使用洗涤剂法

将基板浸入热的洗涤剂溶液中，以除去基板表面的油脂。然后用流水将洗涤剂充分洗净，再浸人醇中，最后用干燥剂等迅速干燥。 

2) 使用试剂、溶剂法

过去：重铬酸钾一浓硫酸洗液浸泡基板，以除去玻璃表面的油脂。

现在：丙酮等溶剂；或用异丙基醇等溶剂的蒸汽除去基板表面的油脂。

3) 超声波洗涤法

方法：利用在液体介质中传导的超声波的空化作用将基板表面洗净。

液体介质可以是溶剂、洗涤剂、蒸馏水等。这种方法可与1)中所述方法配合使用。

4) 离子冲击法

 以加速的阳离子，射向基板表面，将表面上的污物及吸附物除去。在13.3~1333.2 Pa的试样室内，在基板正前方的电极上，施以500~1 000 V的电压，引发低能辉光放电。获得高能的离子，溅射到基板表面。

值得注意的是，溅射的离子能够使试样室内的油气分解，其分解产物会对基板表面造成污染。

 5) 加热法

 将基板在真空中加热至300℃左右，除去基板表面的吸附水。 这时真空排气系统最好不用油，以防油的分解产物对基板表面重新造成污染。

5) 基板洗涤工序

 将上述四种洗涤方法组合起来，可以明显提高洗涤效果。其组合方式视镀膜的质量要求及污染程度而定。超声波法用在擦洗法后效果更好。

 蒸汽洗涤法用在上述两种方法之后，更能发挥其洗涤作用。如果用此法作为最后一步工序，可省略氮气鼓风干燥。但由于使用了蒸发速度快的溶剂，会在基板表面残留下混入溶剂中的杂质。因此，这时必须使用纯度高的溶剂。 如果对表面清洁度要求更高的话，在氮气吹干后，再进行高温加热洗涤或紫外线、臭氧洗涤。

（一）保护膜 

（二）光学功能薄膜 

1.玻璃表面增透膜 

2.红外反射薄膜

3.着色膜 

4.发光薄膜

（三）电磁功能膜 

（四）催化功能膜 

（五）分离膜 

（六）传感膜 

§1. 电镀

   电镀是指在含有预镀金属的盐类溶液中，以被镀金属为阴极，通过电解作用，使镀液中预镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。

一、电镀基础知识

电镀液

阳极活化剂：镀液中能促进阳极活化的物质称阳极活化剂。阳极活化剂的作用是提高阳极开始钝化的电流密度，从而保证阳极处于活化状态而能正常地溶解。

电镀反应

法拉第定律： 

  电镀时，阴极上实际析出的物质的质量并不等于根据法拉第定律得到的计算结果，实际值总小于计算值。这是由于电极上的反应不只一个，例如镀镍时，在阴极上除发生

 2++2e=Ni

 ++2e=H2

  副反应消耗了部分电荷(量)，使电流效率降低。电流效率就是实际析出物质的质量与理论计算析出物质的质量之比，即 

             η＝(m’/ m)×100％=(m’/kIt)×100％ 

  指电镀液所具有的使金属镀层厚度均匀分布的能力，也称均镀能力。电镀液的分散能力越好，在不同阴极部位所沉积出的金属层厚度就越均匀。根据法拉第电解定律可知，阴极各部分所沉积的金属量(金属的厚度)取决于通过该部位电流的大小。故镀层厚度均匀与否，实质上就是电流在阴极镀件表面上的分布是否均匀。 

 指电镀液所具有的使镀件的深凹处沉积上金属镀层的能力。

液相传质 

电化学反应 

电结晶 

pH值的影响：

添加剂的影响： 

 任何电镀液都必须有一个能产生正常镀层的电流密度范围。当电流密度过低时，阴极极化作用较小，镀层结晶粗大，甚至没有镀层。随着电流密度的增加，阴极极化作用随着增加，镀层晶粒越来越细。当电流密度过高，超过极限电流密度时，镀层质量开始恶化，甚至出现海绵体、枝晶状、“烧焦”及发黑等。 

 电解液温度的升高能使扩散加快，降低浓差极化；此外，升温还能使离子的脱水过程加快。离子和阴极表面活性增强，也降低了电化学极化，导致结晶变粗。另一方面，温度升高能增加盐类的溶解度，从而增加导电和分散能力；还可以提高电流密度上限，从而提高生产效率。

二、镀前预处理和镀后处理

  电镀工艺过程一般包括电镀前预处理、电镀及镀后处理三个阶段。 

三、电镀金属

镀锌：镀锌主要用于钢铁等黑色金属的防腐。电镀锌工艺可采用酸性和碱性电镀液两种，阳极使用纯锌。酸性电镀液价廉且电流效率高，电镀速度快，缺点是均镀能力差。碱性电镀液价格虽高，但均镀能力好。 

镀铜：镀铜用作防护装饰性镀层体系的底层，也可以用来改善基体与镀层间的结合力。此外，镀铜还可用于钢铁件的防渗碳，印刷线路板、塑料电镀和电铸模等方面。 

镀镍：镀镍可用作表面镀层，也可作为多层电镀的底层或中间层。 

四、电镀合金

 在阴极上同时沉积出两种或两种以上金属，形成结构和性能符合要求的镀层的工艺过程，称为电镀合金。合金镀层具有许多单金属镀层所不具备的特殊性能，如外观、颜色、硬度、磁性、半导体性、耐蚀以及装饰等方面的性能。此外，通过电镀合金还可以制取高熔点和低熔点金属组成的合金，以及具有优异性能的非晶态合金镀层。 

应用

电镀铜锡合金

电镀铜锌合金

电镀铅锡合金

本章结束！ 

第四章 薄膜制备的物理方法

主要内容:

一、真空蒸发镀膜

二、脉冲激光沉积

三、溅射镀膜技术 

四、离子镀膜技术

五、分子束外延

六、硅液相外延

真空蒸发镀膜

第一节真空蒸发原理

1、饱和蒸气压PV

定义： 在一定温度下，真空室中蒸发材料的蒸气在与固体或液体平衡过程中所表现出的压力称为该温度下的饱和蒸气压

2、蒸发粒子的速度和能量

3、蒸发速率和沉积速率 

第二节 蒸发源的蒸发特性及膜厚分布