功能材料学教案-第17章功能薄膜材料和新型功能材料 .pdfVIP

第17章功能薄膜材料

大家知道，薄膜材料一般是指物体的三维尺度中有一个很小（基本上在微米甚至纳米量

级），而另外两个比较大的材料，它是一种特殊形态的材料。而功能薄膜材料则是指那些在

电、磁、光、热等方面具有某些特定性能的薄膜材料，如导电薄膜、光学薄膜、磁性薄膜等。

与块体材料相比，薄膜材料，在结构和性能上具有很多独特之处，能够实现块体材料无法实

现的一些功能。因此，薄膜材料在高科技领域具有十分重要的地位。

20世纪70年代以来，薄膜材料和薄膜技术得到了突飞猛进的发展，无论在学术研究上

还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。各种具有新结构、新功能的薄膜材料的应用，对国

民经济的发展起到了巨大的推动作用。在这一章中，我们介绍一些重要的功能薄膜材料。

17.2导电薄膜

导电薄膜在集成电路中的应用十分广泛。它可用作薄膜电阻器的接触端子、薄膜电容器

的上下电极、薄膜电感器的导电带和引出端头，也可用作元器件之间的互连线等等。在集成

电路中，导电薄膜所占的面积比例与其他薄膜相比是很大的，而且随着电路集成度的不断提

高和薄膜多层互连基板的应用，其所占的面积比例不断增大。因此，导电薄膜的性能对于提

高电路的集成度和工作性能均有很大的影响。下面我们介绍几种常见的导电薄膜。

金属导电薄膜

金属薄膜按其熔点高低可分为低熔点薄膜和高熔点薄膜两类。

1．低熔点金属薄膜。

在低熔点金属薄膜中，主要有Au，Ag，Cu和Al膜。其中，对Al膜的研究和应用较

多。通常采用真空蒸镀法制作Al膜，所用原材料纯度在％以上，蒸镀时的真空度高于

-3

5×10Pa。由于Al易与W，Mo，Ta等元素生成低熔点合金，故蒸发铝使一般不使用W，

Mo，Ta做坩埚。在集成电路工艺中，主要采用溅射法制备Al膜。

2．高熔点金属薄膜。

高熔点金属薄膜是指V，Nb，Zr，Ti，Ta,，Cr，Mo和W等高熔点金属薄膜。制造高

熔点金属薄膜，主要是为满足高集成度电子元器件对电极材料的要求。通常可选用电子束蒸

发、溅射和化学气相沉积等方法来制备高熔点金属薄膜。采用上述方法在二氧化硅薄膜表面

所形成的W，Mo等高熔点金属薄膜，一般为多晶结构，薄膜多呈柱状结晶结构，晶粒尺寸

随基板温度和热处理温度的升高而增大，同时薄膜的电阻率会逐渐变小。

复合导电薄膜

金膜的导电性和稳定性一般都很好，是一种优良的导电薄膜。但金与微晶玻璃、陶瓷等

基体的附着性很差。因此，用金膜作为导电薄膜时，一般须先沉积一层其他金属底层，然后

再沉积金，即形成一种复合导电薄膜。所以，复合导电薄膜在结构上主要包括金属底层和上

面的导电金属层两部分。金属底层主要起粘附作用，使上层的导电薄膜能牢固地附着于基体

上，而上层的导电薄膜则主要起导电作用。

由于复合导电薄膜的组分至少包括两种或两种以上金属。因此在制备这种薄膜时，不能

采用单蒸发源蒸镀或单靶溅射，而必须采用两到三个蒸发源按顺序蒸发或者采用多金属靶按

顺序溅射的方法，才能获得所需要的复合导电薄膜。

Cr-Au薄膜和NiCr-Au薄膜是目前用得最多的复合导电薄膜。主要用作电阻的端头电极、

电子元件的互连线、单层薄膜电感器和薄膜电容器的上电极等。

多晶硅薄膜

重掺杂的多晶硅薄膜是替代Al膜作为集成电路的栅电极和互连线的薄膜材料。多晶硅

薄膜经氧化处理后，可在其表面生成优良的SiO薄膜，容易得到高纯度的膜层。利用不同

2

掺杂成分既可形成n型半导体，又可形成p型半导体，改变掺杂浓度还可改变膜层的电阻率。

制备多晶硅薄膜的方法很多，如真空蒸发、溅射、电化学沉积、化学气相沉积、分子束

外延等，都可用来沉积多晶硅薄膜。

在结构上，多晶硅薄膜是由许多无规则取向的小晶粒组成的。在一定条件下，存在着一

个主要的生长晶向，也就是具有择优取向。多晶硅薄膜的择优取向与沉积温度及以后的热处

理温度密切相关。

非掺杂多晶硅薄膜的电阻率很高，可达105Ω·cm，如掺杂浓度在1019cm-3以上，其电阻

-23Ω·cm）相近了。但多晶硅薄膜的导电性质与单晶硅的有

率就与单晶硅的电阻率（10