薄膜的定義

 說(shuō)起薄膜的歷史，要追溯到一千多年以前，距今已經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的歲月， 而真正作為一門新型的薄膜科學(xué)與技術(shù)，還是近30年來(lái)的事情。時(shí)至今曰 薄膜材料巳是材料學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，它已涉及物理、化學(xué)、電子 學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科，有著十分廣泛的應(yīng)用，尤其是在國(guó)防、通訊、航空、航天、電子工業(yè)、光學(xué)工業(yè)等方面有著特殊的應(yīng)用，它巳成為材料學(xué)中最為活 躍的領(lǐng)域之一，并逐步形成為一門獨(dú)立的學(xué)科“薄膜學(xué)”。
薄膜材料可用各種單質(zhì)元素及無(wú)機(jī)化合物或有機(jī)材料來(lái)制作膜，也可用 固體、液體或氣體物質(zhì)來(lái)合成。薄膜與塊狀物體一祥，可以是單晶、多晶、 微晶、納米晶、多層膜、超晶格膜等。
在討論薄膜材料之前，首先說(shuō)明一下薄膜的定義，即什么是"薄膜” (thin film),多“薄”的膜才算薄膜？我們知道薄膜這個(gè)詞是隨著科學(xué)和技 術(shù)的發(fā)展而自然出現(xiàn)的，有時(shí)與類似的詞匯“涂層”（coating)、“層”（lay?er)、 “箔”（fbil)等有相同的意義，但有時(shí)又有些差別。人們常常是用厚度 對(duì)薄膜加以描寫，通常是把膜層無(wú)基片而能獨(dú)立成形的厚度作為薄膜厚度的 一個(gè)大致的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定其厚度約在lfim左右。隨著科技工作的不斷發(fā)展和 深人，簿膜領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ρ∧ず穸扔胁煌?。所?有時(shí)把厚度為幾十微米的膜層也稱為薄膜。從日常生活角度看，幾十微米也 是非常薄的，這和薄膜這個(gè)詞并不矛盾。
從表面科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，它研究的范圍通常是涉及材料表面幾個(gè)至幾十 個(gè)原子層，在這個(gè)范圍內(nèi)的原子和電子結(jié)構(gòu)與塊體內(nèi)部有較大差別。若涉及 原子層數(shù)量更大一些，且表面和界面特性仍起重要作用的范圍，通常是幾個(gè) 納米到幾十個(gè)微米，這也就是薄膜物理所研究的范圍。
從微電子器件的角度來(lái)說(shuō)，隨著高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，要求微電子器件 的集成度越來(lái)越髙，管芯面積愈大，器件尺寸越來(lái)越小，其發(fā)展趨勢(shì)如表2 -1-1所示，器件尺寸的縮小與發(fā)展年代呈指數(shù)關(guān)系。20世紀(jì)40年代的真 空器件是幾十厘米大小，60年代的固體器件是毫米大小，80年代的超大規(guī) 模集成電路（VIH或ULSI)中的器件是微米大小，90年代V1SI為亞微米。 2000年的分子電子器件是納米量級(jí)的。如此發(fā)展趨勢(shì)要求研究亞微米和納 米的薄膜制備技術(shù)和利用亞微米、納米結(jié)構(gòu)的薄膜制造各種功能器件。這類 薄膜包括單晶薄膜、微晶薄膜、小晶粒的多晶薄膜、納米薄膜。非晶薄膜和 有機(jī)分芋膜。當(dāng)制備分子器件時(shí)，尺寸還要縮小。這些器件的制造要求人們 懂得物理、化學(xué)、電子學(xué)和生物學(xué)等科學(xué)知識(shí)。這是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì), 因此我們必須適應(yīng)這種發(fā)展形勢(shì)，擴(kuò)展我們的知識(shí)領(lǐng)域，加強(qiáng)學(xué)科的橫向聯(lián) 系。
薄膜的制備，絕不是將塊體材料（如金屬）壓薄而成的，而是通過(guò)特殊 方法（如物理氣相沉積PVD、化學(xué)氣相沉積CVD)制備的。實(shí)際上在真空薄 膜沉積過(guò)程中，可以看成是原于量級(jí)的鑄造工藝，它是將單個(gè)原子一個(gè)一個(gè) 地凝結(jié)在襯底表面上（通過(guò)成核與生長(zhǎng)過(guò)程）形成薄膜。其原子結(jié)構(gòu)類似于 它的塊狀形式，但也發(fā)生了很大的變化，不僅存在多晶、表面、界面結(jié)構(gòu)缺 陷態(tài)及結(jié)構(gòu)的無(wú)序性，而且還有薄膜同襯底的粘附性等問題。
從基本理論上看，現(xiàn)在人們往往把塊狀固體理論的結(jié)論硬往薄膜上套 用，這是不全面的，沒有考慮到薄膜的結(jié)構(gòu)特征。薄膜結(jié)構(gòu)中的原子排列都 存在一定的無(wú)序性和一定的缺陷態(tài)，而塊狀固體理論是以原子周期性排列為 基本根據(jù)，電子在晶體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是服從布洛赫定理的，它的電子遷移率很 大。但在薄膜材料中，由于無(wú)序性和薄膜缺陷態(tài)的存在，電子在晶體中將受 到晶格原子的散射，遷移率變?。ǔ糠纸鼏尉П∧ね猓?，將使薄膜材料的 電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等性能受到很大影響。
薄膜材料科學(xué)與技術(shù)就是研究：
①如何使某一物質(zhì)（可以是塊狀、液態(tài)等物質(zhì)）能成為薄膜形狀？就是 研究該材料的制備工藝（合成）技術(shù)；
②研究該薄膜具有哪些新的特性（包括光、熱、電、磁力等方面），研 究這些特性的物理本質(zhì)；
③如何把這些薄膜材料應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是用于髙新科技領(lǐng)域。