薄膜技术与薄膜材料PDF电子书下载

第1章　薄膜与高新技术 22

第2章　真空技术基础 22

2.1　真空的基本知识 22

2.1.1　真空定义 22

2.1.2　真空度量单位 24

2.1.3　真空区域划分 26

2.1.4　气体与蒸气 28

2.2　真空的表征 30

2.2.1　气体分子运动论 30

2.2.2　分子运动的平均自由程 32

2.2.3　气流与流导 35

2.3.1　碰撞于表面的分子数 37

2.3　气体分子与表面的相互作用 37

2.3.2　分子从表面的反射 38

2.3.3　蒸发速率 40

2.3.4　真空在薄膜制备中的作用 41

第3章　真空泵与真空规 43

3.1 真空泵 43

3.1.1　油封机械泵 45

3.1.2　扩散泵 50

3.1.3　吸附泵 56

3.1.4　溅射离子泵 57

3.1.5　升华泵 60

3.1.6　低温冷凝泵 61

3.1.7　涡轮分子泵和复合涡轮泵 63

3.1.8　干式机械泵 64

3.2　真空测量仪器——总压强计 66

3.2.1　麦克劳真空规 68

3.2.2　热传导真空规 69

3.2.3　电离真空计——电离规 71

3.2.4　盖斯勒管 78

3.2.5　隔膜真空规 79

3.2.6　真空规的安装方法 79

3.3　真空测量仪器——分压强计 80

3.3.1　磁偏转型质谱计 80

3.3.2　四极滤质器（四极质谱计） 81

第4章　真空装置的实际问题 84

4.1　排气的基础知识 84

4.2　材料的放气 86

4.3　排气时间的估算 89

4.4　实用的排气系统 90

4.4.1　离子泵系统 91

4.4.2　扩散泵系统 92

4.4.3　低温冷凝泵－分子泵系统 92

4.4.4　残留气体 94

4.5　检漏 95

4.5.1　检漏方法 96

4.5.2　检漏的实际操作 98

4.6　大气温度与湿度对装置的影响 99

4.7　烘烤用的内部加热器 100

4.8　化学活性气体的排气 101

4.8.1 主要装置及存在的问题 102

4.8.2　排气系统及其部件 103

5.1.1　带电粒子在电场中的运动 106

5.1　带电粒子在电磁场中的运动 106

第5章　气体放电和低温等离子体 106

5.1.2　带电粒子在磁场中的运动 108

5.1.3　带电粒子在电磁场中的运动 109

5.1.4　磁控管和电子回旋共振 111

5.2　气体原子的电离和激发 112

5.2.1　碰撞——能量传递过程 113

5.2.2 电离——正离子的形成 117

5.2.3　激发——亚稳原子的形成 121

5.2.4　回复——退激发光 123

5.2.5　解离——分解为单个原子或离子 126

5.2.6　附着——负离子的产生 126

5.2.7　复合——中性原子或原子团的形成 127

5.2.8　离子化学——活性粒子间的化学反应 129

5.3　气体放电发展过程 132

5.3.1 由非自持放电过渡到自持放电的条件 132

5.3.2 电离系数α和二次电子发射系数γ 134

5.3.3　帕邢定律及点燃电压的确定 136

5.3.4　气体放电伏安特性曲线 138

5.4　低温等离子体概述 140

5.4.1　等离子体的定义 140

5.4.2　等离子体的温度 141

5.4.3　带电粒子的迁移运动和扩散运动 143

5.4.4　等离子体的导电性 145

5.4.5　等离子体的集体特性 146

5.4.6　等离子体电位 148

5.4.7　离子鞘层 149

5.5.1 辉光放电外貌及两极间各种特性的分布 150

5.5 辉光放电 150

5.5.2　阴极位降区 153

5.5.3　正常辉光放电和异常辉光放电 154

5.5.4　其他类型的辉光放电 155

5.6 弧光放电 157

5.6.1　弧光放电类型 157

5.6.2　弧光放电的基本特性 158

5.6.3 自持热阴极弧光放电 160

5.6.4 自持冷阴极弧光放电 164

5.7　高频放电 166

5.7.1　高频功率的输入方法 166

5.7.2　离子捕集和电子捕集 167

5.7.3 自偏压 168

5.9　低压力、高密度等离子体放电 170

5.8　磁控放电 170

5.9.1　微波的传输及微波放电 171

5.9.2 微波ECR放电 172

5.9.3　螺旋波等离子体放电 173

5.9.4　感应耦合等离子体放电 176

第6章　薄膜生长与薄膜结构 177

6.1　薄膜生长概述 177

6.2　吸附、表面扩散与凝结 178

6.2.1 吸附 178

6.2.2　表面扩散 185

6.2.3　凝结 187

6.3　薄膜的形核与生长 189

6.3.1　形核与生长简介 189

6.3.2　毛吸理论（热力学界面能理论） 192

6.3.3　统计或原子聚集理论 199

6.4　连续薄膜的形成 202

6.4.1　奥斯瓦尔多（Ostwald）吞并过程 203

6.4.2　熔结过程 204

6.4.3　原子团的迁移 204

6.4.4　决定表面取向的Wullf理论 205

6.5　薄膜的生长过程与薄膜结构 207

6.5.1　薄膜生长的晶带模型 207

6.5.2　纤维状生长模型 209

6.5.3　薄膜的缺陷 211

6.5.4　薄膜形成过程的计算机模拟 212

6.6　非晶态薄膜 216

6.7　薄膜的基本性质 218

6.7.1　导电性 218

6.7.2 电阻温度系数（TCR） 220

6.7.3　薄膜的密度 221

6.7.4 经时变化 221

6.7.5 电介质膜 222

6.8　薄膜的粘附力和内应力 223

6.8.1　薄膜的粘附力 223

6.8.2　薄膜的内应力 224

6.8.3　提高粘附力的途径 226

6.9 电迁移 227

第7章　表面结构与薄膜的外延生长 231

7.1　理想表面结构 231

7.1.1　二维结晶学基本概念 231

7.1.2　二维倒易点阵 235

7.2.1　表面结构的表述方法 241

7.2　清洁表面结构 241

7.2.2　再构表面及其倒易点阵的矩阵元素 244

7.2.3　表面原子弛豫 246

7.2.4　表面再构模型 248

7.3　实际表面结构 253

7.3.1　表面吸附类型 254

7.3.2 吸附覆盖层 255

7.3.3　吸附表面层结构 255

7.3.4　半导体材料的表面吸附 258

7.4　薄膜的外延生长 260

7.4.1　液相外延 261

7.4.2　气相外延 261

7.4.3　分子束外延 262

7.4.5　同质外延和异质外延 263

7.4.4　有机金属化学气相沉积 263

7.5　影响薄膜外延的因素 266

7.5.1 外延温度 266

7.5.2　基片晶体的解理 267

7.5.3　压强的影响 269

7.5.4　残留气体的影响 269

7.5.5　蒸镀速率的影响 269

7.5.6　基板表面的缺陷——电子束照射的影响 270

7.5.7 电场的影响 270

7.5.8　离子的影响 270

7.5.9　膜厚的影响 270

7.5.10　失配度的影响 271

8.1.1　薄膜与厚膜 272

8.1　成膜工艺与膜材料简介 272

第8章　薄膜沉积的共性问题 272

8.1.2　各种成膜方法的比较 273

8.1.3　薄膜的气相沉积法 276

8.1.4　薄膜的液相沉积法 281

8.1.5　厚膜技术和电子浆料 288

8.1.6　电路图形的形成方法 295

8.1.7　膜材料简介 299

8.2 源和膜的成分——如何得到所需要的膜成分 299

8.2.1　真空蒸镀和离子镀 299

8.2.2　溅射镀膜 300

8.3 附着强度——如何提高膜层的附着强度 301

8.3.1　预处理 302

8.3.2　蒸镀工艺参数的影响 304

8.3.3　蒸镀与溅射镀膜的比较——基板不加热的情况 307

8.3.4 真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜的比较——基板加热、离子轰击都可进行的情况 308

8.4 台阶涂敷，绕射着膜率，孔底涂敷——如何在大凹凸表面沉积厚度均匀的膜层 309

8.5 等离子体及其在薄膜沉积中的作用——膜质的改善、新技术的开发 312

8.5.1　等离子体 312

8.5.2　等离子体的形成方法 315

8.5.3　等离子体基本形成方式的主要应用 317

8.6　基板的传输机构 319

8.7　膜层中的针孔和超净工作间 322

8.7.1　关于人体沾污 324

8.7.2　净化间标准的发展 324

8.7.3　净化间级别的公制定义 325

第9章　真空蒸镀 327

9.1 概述 327

9.2.1　饱和蒸气压 329

9.2　镀料的蒸发 329

9.2.2　蒸发粒子的速度和能量 333

9.2.3　蒸发速率和沉积速率 334

9.3　蒸发源 336

9.3.1　电阻加热蒸发源 336

9.3.2 电子束蒸发源 343

9.3.3　高频感应蒸发源 346

9.4　蒸发源的蒸气发射特性与基板配置 348

9.4.1 点蒸发源 348

9.4.2　小平面蒸发源 349

9.4.3　实际蒸发源的发射特性及基板配置 351

9.5　蒸镀装置及操作 355

9.6.1　合金蒸发分馏现象 357

9.6　合金膜的蒸镀 357

9.6.2　瞬时蒸发（闪烁蒸发）法 358

9.6.3　双源或多源蒸发法 359

9.7　化合物膜的蒸镀 359

9.7.1 透明导电膜（ITO）——In2O3-SnO2系薄膜 359

9.7.2　反应蒸镀法 360

9.7.3　三温度法 363

9.7.4　热壁法 363

9.8 脉冲激光熔射（PLA） 364

9.8.1　脉冲激光熔射的原理 364

9.8.2　脉冲激光熔射设备 365

9.8.3　脉冲激光熔射制作氧化物超导膜 367

9.9　分子束外延技术 369

9.9.1　分子束外延的原理及特点 369

9.9.2　分子束外延设备 370

9.9.3　分子束外延技术的发展动向 373

9.9.4　分子束外延的应用 374

第10章　离子镀和离子束沉积 377

10.1　离子镀的原理 377

10.1.1　不同的离子镀方式 377

10.1.2　离子轰击在离子镀过程中的作用 382

10.1.3　离子镀过程中的离化率问题 387

10.1.4　离子镀的蒸发源 389

10.2 离子镀的类型及特点 391

10.2.1　直流二极型 391

10.2.2　三极型和多阴极方式的离子镀 392

10.2.3 活性反应蒸镀（ARE） 394

10.2.4 空心阴极放电离子镀（HCD） 401

10.2.5　射频放电离子镀（RFIP） 410

10.2.6　多弧离子镀 413

10.2.7 电弧放电型高真空离子镀 420

10.3　离子束沉积 421

10.3.1　离子束沉积的原理 421

10.3.2　直接引出式和质量分离式 423

10.3.3　离化团束沉积 427

10.3.4　离子束辅助沉积 432

10.4　离子束混合 436

10.4.1　离子束混合原理 436

10.4.2　静态混合 437

10.4.3　动态混合 438

11.1 离子溅射 442

11.1.1　荷能粒子与表面的相互作用 442

第11章　溅射镀膜 442

11.1.2　溅射产额及其影响因素 445

11.1.3　选择溅射现象 456

11.1.4　溅射原子的能量分布和角分布 462

11.1.5　反应溅射 467

11.2　溅射镀膜方式 472

11.2.1　直流二极溅射 476

11.2.2　三极和四极溅射 480

11.2.3　射频溅射 481

11.2.4　磁控溅射——低温高速溅射 484

11.2.5　溅射气压接近零的零气压溅射 498

11.2.6 自溅射——深且超微细孔中的埋入 501

11.2.7　RF-DC结合型偏压溅射 508

11.2.8　ECR溅射 509

11.2.9　对向靶溅射 510

11.2.10　离子束溅射沉积 512

11.3　磁控溅射源 516

11.3.1　磁控溅射源简介 516

11.3.2 内圆柱状和外圆柱状磁控溅射源 518

11.3.3　溅射枪（S－枪）磁控溅射源 521

11.3.4　平面磁控溅射源 523

11.3.5　合金靶、复合靶及多靶溅射 524

11.4　溅射镀膜的实例 528

11.4.1 Ta及其化合物膜的溅射沉积 528

11.4.2　Al及Al合金膜的溅射沉积 532

11.4.3 氧化物的溅射沉积：超导膜和ITO透明导电膜 535

11.4.4　溅射镀膜的应用 539

12.1　热氧化、氮化 543

第12章 化学气相沉积（CVD） 543

12.1.1　反应方式 544

12.1.2　热氧化装置 545

12.1.3　其他氧化装置 547

12.1.4　氮化、碳化表面改性 548

12.2 热CVD 549

12.2.1　主要的生成反应 550

12.2.2　热CVD的特征 556

12.2.3 热CVD装置 559

12.2.4　反应器 560

12.2.5 常压CVD(NPCVD) 560

12.2.6 减压CVD(LPCVD) 562

12.3.1 PCVD的特征及应用 564

12.3 等离子体CVD(PCVD) 564

12.3.2 PCVD装置 569

12.3.3 高密度等离子体（HDP）CVD 575

12.4 光CVD(photo CVD) 576

12.4.1　激光化学气相沉积 577

12.4.2　光化学气相沉积 578

12.5 有机金属CVD(MOCVD) 581

12.6　金属CVD 585

12.6.1　W-CVD 585

12.6.2 Al-CVD 586

12.6.3 Cu-CVD 588

12.6.4 阻挡层——TiN-CVD 589

12.7 半球形晶粒多晶Si-CVD(HSG-CVD) 591

12.8 铁电体的CVD 592

12.9　低介电常数薄膜的CVD 594

第13章　干法刻蚀 596

13.1 干法刻蚀与湿法刻蚀 596

13.1.1　刻蚀技术简介 596

13.1.2　湿法刻蚀 600

13.1.3　干法刻蚀 603

13.2　等离子体刻蚀——激发反应气体刻蚀 607

13.2.1　原理 607

13.2.2　装置 609

13.3 反应离子刻蚀（RIE） 610

13.3.1　原理及特征 610

13.3.2　各种反应离子刻蚀方法 613

13.3.3　装置 619

13.3.4　软件 620

13.3.5　Cu的刻蚀 625

13.4　反应离子束刻蚀（RIBE） 626

13.4.1 聚焦离子束（FIB）设备及刻蚀加工 627

13.4.2 束径1mm左右的离子束设备及RIBE 630

13.4.3　大束径离子束设备及RIBE 632

13.5 气体离化团束（GCIB）加工技术 635

13.5.1 GCIB加工原理 635

13.5.2 GCIB设备 636

13.5.3 GCIB加工的优点 637

13.5.4 GCIB在微细加工中的应用 638

13.6　微机械加工 641

13.7 干法刻蚀用离子源的开发 644

第14章　平坦化技术 646

14.1 平坦化技术的必要性 646

14.2　平坦化技术概要 648

14.3　不发生凹凸的薄膜生长 649

14.3.1　选择生长 649

14.3.2　回流埋孔（溅射平坦化） 650

14.3.3　通过埋入氧化物实现平坦化 650

14.4 沉积同时进行加工防止凹凸发生的薄膜生长 652

14.4.1　偏压溅射 652

14.4.2　去除法（lift-off） 653

14.5　薄膜生长后经再加工实现平坦化 653

14.5.1　涂布平坦化 653

14.5.2　激光平坦化 654

14.5.3　回流平坦化 654

14.5.4　蚀刻平坦化 654

14.5.5　阳极氧化与离子注入 654

14.6　埋入技术实例 655

14.7 化学机械研磨（CMP）技术 656

14.8 气体离化团束（GCIB）加工平坦化 658

14.9　镶嵌法布线及平坦化 659

14.10　平坦化技术与光刻制版术 660

第15章　薄膜材料 664

15.1　金属薄膜材料 664

15.1.1　结构性金属薄膜材料 664

15.1.2　功能性金属薄膜材料 668

15.2　无机、陶瓷薄膜材料 678

15.2.1　无机、陶瓷薄膜简介 679

15.2.2　陶瓷薄膜的形成方法 679

15.2.3　结构性陶瓷薄膜材料 686

15.2.4　功能性陶瓷薄膜材料 695

15.3.1　有机、聚合物薄膜材料的形成方法 713

15.3　有机、聚合物薄膜材料 713

15.3.2　有机、聚合物薄膜材料 719

15.4　半导体薄膜材料 727

15.4.1　半导体材料与薄膜 727

15.4.2　各种功能的半导体薄膜材料 734

15.4.3　大禁带宽度半导体薄膜材料：在“硬电子学”中的应用 756

第16章　薄膜材料的应用 763

16.1 表面改性 763

16.1.1　何谓表面改性 763

16.1.2　表面改性的手段 765

16.1.3　表面改性的应用 769

16.2　超硬膜用于切削刀具 774

16.2.1　超硬膜的获得及应用 774

16.2.2　如何选择镀层－基体系统 779

16.2.3　超硬镀层改善刀具切削性能的机理 783

16.2.4　TiN镀层对各种刀具切削性能的改善 787

16.3 能量变换薄膜与器件 792

16.3.1　光电变换薄膜材料 794

16.3.2　光热变换薄膜材料 797

16.3.3　热电变换薄膜材料 799

16.3.4　热电子发射薄膜材料 802

16.3.5　固体电解质薄膜材料 803

16.3.6　超导薄膜器件 804

16.4　传感器 806

16.4.1　传感器的种类及材料 806

16.4.2　薄膜传感器举例 811

16.5.1　MOS器件及晶圆的大型化 815

16.5　半导体器件 815

16.5.2　化合物半导体器件 820

16.6　记录与存储 821

16.6.1　光盘 823

16.6.2　磁盘 826

16.6.3　磁头 827

16.7　平板显示器 831

16.7.1　液晶显示器 832

16.7.2　等离子体平板显示器 850

16.7.3　有机电致发光显示器 859

16.8　金刚石薄膜的应用 864

16.8.1　金刚石薄膜的开发现状 865

16.8.2　三极管及二极管 866

16.8.3　传感器 867

16.8.4　声表面波器件 868

16.8.5　场发射平板显示器 869

16.9　太阳能电池 873

16.9.1　太阳能电池的原理及材料 873

16.9.2　硅系薄膜太阳能电池 876

16.9.3 化合物薄膜太阳能电池（CIS和CIGS） 880

16.10　发光器件 884

16.10.1　发光器件的基础——发光过程 884

16.10.2　发光二极管 885

16.10.3　激光二极管 887

第17章　薄膜材料的评价表征及物性测定 890

17.1　薄膜材料评价表征的特殊性 890

17.2.2　评价表征内容 891

17.2.1　评价表征目的 891

17.2　薄膜材料评价表征方法及其选择 891

17.2.3　评价表征手段选择 892

17.3　薄膜材料的评价表征 900

17.3.1　表面形貌 900

17.3.2　结晶状态和晶体结构 901

17.3.3　微观组织和结构 903

17.3.4　元素分析 904

17.3.5　化学结合状态分析 910

17.4　相关技术和装置 910

17.4.1　输出信息及显示 910

17.4.2　装置的复合化 911

17.4.3　成膜后测试和在线测试 912

17.4.4　关联技术要素 913

17.5.1　TiN薄膜的评价表征 915

17.5 薄膜材料评价表征举例 915

17.5.2　磁性多层膜的评价表征 920

17.6　薄膜材料的物性测定 924

附录A　各种元素的温度—蒸气压特性 929

附录B　元素的电离电位 934

附录C　物理常数表 936

附录D　（新旧）常用计量单位对照与换算 937

附录E　能量换算表、压力换算表及气体的性质表 940

附录F　半导体大规模集成电路的发展预测 942

附录G　显示屏的图像分辨率等级、图像分辨率（像素数）和宽高比 943

附录H　元素周期表 944

附录I　薄膜技术与薄膜材料领域常用缩略语注释 946

参考文献 959