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引言
在現(xiàn)代集成電路工藝技術(shù)中，薄膜起著主導(dǎo)作用，它在集成電路的所有通用工藝中都得到了最有成效和最重要的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，薄膜結(jié)構(gòu)的一個(gè)必不可少的標(biāo)準(zhǔn)是能否保持結(jié)構(gòu)的完整性。20 世紀(jì)以來，薄膜技術(shù)無論是在學(xué)術(shù)上還是在商業(yè)應(yīng)用中，都取得了豐碩的成果。在現(xiàn)今的集成電路中，薄膜的應(yīng)用也變得越來越重要。
一、薄膜的定義
薄膜技術(shù)的發(fā)展歷史距今已有一千多年了。古時(shí)候已經(jīng)發(fā)展并形成了裝飾品的貴金屬電鍍技術(shù)。人類在進(jìn)入 18 世紀(jì)時(shí)才從科學(xué)的角度研究薄膜，對(duì)薄膜的形成機(jī)理、薄膜生長機(jī)制和結(jié)構(gòu)等正式研究是從 19 世紀(jì)開始的，直到 19 世紀(jì)中葉，電解法、化學(xué)反應(yīng)法和真空鍍膜法的出現(xiàn)，才標(biāo)志著固體薄膜技術(shù)的制造技術(shù)逐步形成。
薄膜（Thin Film）是非常復(fù)雜并難以明確定義的概念。百度百科對(duì)薄膜的定義是“薄膜是一種薄而軟的透明薄片，是用塑料、膠粘劑、橡膠或其他材料制成的”，“薄膜材料是指厚度介于單原子到幾毫米間的薄金屬或有機(jī)物層”。這種關(guān)于薄膜的定義基本上是源于人們對(duì)薄膜這種物質(zhì)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，并不能包含所有的薄膜物質(zhì)。從物質(zhì)形態(tài)上來講，薄膜是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，由于其在厚度這一特定方向上尺寸很小，是指微觀可測量的量，而且在厚度上由于表面、界面的存在，使物質(zhì)的連續(xù)性發(fā)生中斷，從而使薄膜材料產(chǎn)生了與塊狀材料不同的獨(dú)特性能。
構(gòu)成薄膜的物質(zhì)應(yīng)當(dāng)是沒有任何限制的，從廣義上來講，薄膜就是兩個(gè)幾何學(xué)平行平面間所夾著的物質(zhì)。但是就實(shí)際應(yīng)用來看，氣體和液體薄膜的實(shí)際應(yīng)用目前并不廣泛，因此，本書中所討論的薄膜都指的是固體薄膜。薄膜的特性是以其“薄”而存在的，具體的厚度范圍是多少才能稱為薄膜，目前也沒有準(zhǔn)確的定義。隨著大規(guī)模、大容量的薄膜制作裝置逐步采用和推廣，薄膜的厚度也在逐步增大。現(xiàn)在，厚度在幾十微米的膜層也稱之為薄膜，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更厚的膜層是否還會(huì)稱為薄膜或者其他的專有名稱，還有待于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)一步討論和論證。不管今后的技術(shù)進(jìn)步和對(duì)更厚薄膜的定義和命名如何，在本書中關(guān)于薄膜的討論都定義為厚度在幾十微米的固體薄膜，進(jìn)一步來講，本書討論的薄膜技術(shù)基本上都是集成電路工藝中所涉及的半導(dǎo)體薄膜。
二、幾種薄膜的應(yīng)用
在科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異的時(shí)代，大量具有不同功能的薄膜材料得到了廣泛的應(yīng)用，薄膜作為一種重要的材料在材料科學(xué)領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位。近年來，隨著薄膜制造技術(shù)的飛速發(fā)展，各種材料的薄膜化已經(jīng)成為一種材料應(yīng)用的發(fā)展趨勢。薄膜材料種類繁多，應(yīng)用廣泛，目前常見并得到應(yīng)用的薄膜主要有：超導(dǎo)薄膜、導(dǎo)電薄膜、鐵電薄膜、電阻薄膜、半導(dǎo)體薄膜、介質(zhì)薄膜、絕緣薄膜、鈍化膜、光電薄膜等。下面介紹幾種薄膜的主要應(yīng)用。
1、超導(dǎo)薄膜：超導(dǎo)薄膜（Superconducting Thin Film）是利用蒸發(fā)、噴涂等工藝方法沉積的厚度小于 1 μm 的超導(dǎo)材料。以超導(dǎo)薄膜為基礎(chǔ)制作數(shù)字電路，比半導(dǎo)體材料制作的數(shù)字電路具有速度更快、損耗更小、容量更大的特點(diǎn)。由于超導(dǎo)薄膜沒有電阻，用它制成的天線、諧振器、濾波器、延遲線等微波通信器件具有常規(guī)材料（金、銀）等不可比擬的高靈敏度，從而成為未來電子對(duì)抗中各國軍方高度重視的一種材料。在制造超導(dǎo)體器件中，一個(gè)重要的目標(biāo)就是找到納米尺度的超導(dǎo)材料，這樣的超薄超導(dǎo)材料在超導(dǎo)體晶體管及需要更高速度的電子學(xué)中，因?yàn)楣?jié)能和超快的響應(yīng)速度而發(fā)揮重要作用。超導(dǎo)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)，發(fā)展高溫超導(dǎo)技術(shù)是 21 世紀(jì)國際高技術(shù)競爭中，保持尖端優(yōu)勢的關(guān)鍵所在。在電力、通信、國防和醫(yī)療方面的發(fā)展急需利用超導(dǎo)技術(shù)解決現(xiàn)有的關(guān)鍵問題。應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)將帶來電力方面的重大變革。在國防工藝技術(shù)方面，由于超導(dǎo)技術(shù)不可替代的特殊性和優(yōu)越性，將在超導(dǎo)電機(jī)、電磁武器、傳感器導(dǎo)航用高精度超導(dǎo)陀螺儀等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，所以提高臨界轉(zhuǎn)變溫度、臨界電流密度和改良其加工性能和工藝技術(shù)，制造出理想的、更低價(jià)格的新一代超導(dǎo)材料，成為了超導(dǎo)薄膜發(fā)展的新趨勢。
2、導(dǎo)電薄膜：導(dǎo)電薄膜是一種能實(shí)現(xiàn)特定電子功能的材料。這類薄膜分為半導(dǎo)電薄膜和導(dǎo)電薄膜。半導(dǎo)電薄膜只有半絕緣多晶硅薄膜。半導(dǎo)電薄膜主要有外延生長的硅單晶薄膜和 CVD 生長的摻雜多晶硅薄膜、半絕緣多晶硅薄膜。絕緣體薄膜主要有氧化硅薄膜、氮化硅薄膜等。金屬薄膜主要有 Al、Au、NiCr 等薄膜。另外，還有在半導(dǎo)體工藝中應(yīng)用的光刻膠薄膜。透明的導(dǎo)電薄膜是一種既能導(dǎo)電又能在可見光范圍內(nèi)具有高透明度的薄膜，主要有金屬膜系、氧化物膜系、其他化合物膜系、高分子膜系、復(fù)合膜系等。金屬膜系導(dǎo)電性能好，但是透明度差。半導(dǎo)體薄膜系列正好相反，導(dǎo)電性差，透明度高。當(dāng)前應(yīng)用和研究最為廣泛的是金屬膜系和氧化物膜系。透明導(dǎo)電薄膜主要用于光電器件的窗口材料，比較常見的透明導(dǎo)電薄膜為 ITO（錫摻雜三氧化銦）、AZO（鋁摻雜氧化鋅）等，它們的禁帶寬度大，只吸收紫外光，不吸收可見光而“透明”。最近幾年來，國內(nèi)外的研究者分別在低溫制備的設(shè)備、工藝、薄膜的表面改性、多層膜系的設(shè)計(jì)和制備工藝方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。我國在低溫，尤其在常溫下制備 ITO 薄膜方面的研究還落后于國際上其他國家，與國外相比，制備方法比較單一，這一方面是由于我國在 ITO 薄膜的研究起步較晚，另一方面是受限于先進(jìn)工藝設(shè)備的影響。ITO 導(dǎo)電薄膜可以廣泛地應(yīng)用于液晶顯示器、太陽能電池及各種光學(xué)領(lǐng)域中。
3、鐵電薄膜：鐵電薄膜是一種重要的功能性薄膜材料。具有鐵電性且厚度為幾十納米到幾微米的膜材料稱為鐵電薄膜。鐵電薄膜具有良好的鐵電性、壓電性、熱釋電性、電學(xué)及非線性光學(xué)等特性，鐵電薄膜可以廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)、集成光學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域，目前鐵電材料的研究也是國際上新型功能材料的研究熱點(diǎn)之一。鐵電薄膜的制備方法目前主要有 SOL-GEL 凝膠法、MOCVD 法、PLD 法和濺射法。鐵電薄膜主要應(yīng)用于制造各種存儲(chǔ)器材、傳感器和換能器及光電器件。鐵電薄膜的應(yīng)用前景廣闊。近年來，人們對(duì)鐵電薄膜的研究取得了可喜的進(jìn)展，但鐵電薄膜要在實(shí)際應(yīng)用中取得重大突破，還有非常多的研究工作需要去做。這些工作既包括鐵電薄膜的基礎(chǔ)性研究工作，也包括鐵電薄膜的應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作。鐵電性已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了將近個(gè)世紀(jì)，關(guān)于鐵電性的研究也取得了很大的進(jìn)展，但是與鐵電性及器件相關(guān)的新原理、新方法、新效應(yīng)和新應(yīng)用還有待進(jìn)一步深入研究和開發(fā)。
4、電阻薄膜：電阻薄膜也稱為薄膜電阻，是一種具有很高阻值精度和極低溫度系數(shù)的片式電阻器。一般這類薄膜電阻常用的材料是陶瓷基板。薄膜電阻一般是采用真空蒸鍍、直流或交流濺射、化學(xué)沉積等工藝方法，將一定電阻率材料蒸鍍于絕緣材料表面制成的膜式電阻材料。薄膜電阻的阻值精度可達(dá) ±0.05 %，溫度系數(shù)可達(dá) ±5 ppm/℃，穩(wěn)定度達(dá)到 ±0.02 %，是替代低精度的厚膜式片式電阻的理想材料。薄膜電阻可以廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)電子和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
5、半導(dǎo)體薄膜：半導(dǎo)體薄膜主要有兩種形式，非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜和多晶半導(dǎo)體薄膜。非晶態(tài)半導(dǎo)體是具有半導(dǎo)體性質(zhì)的非晶態(tài)材料。非晶態(tài)半導(dǎo)體是半導(dǎo)體的一個(gè)重要部分。通常以“非晶”或“無定形”來稱呼這種形態(tài)的晶體，這種晶體是一種不具有晶體結(jié)構(gòu)的固體。非晶態(tài)材料的原子排列不像晶體那樣規(guī)則，短程有序，長程無序。非晶態(tài)半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體具有類似的能帶結(jié)構(gòu)，也有導(dǎo)帶、價(jià)帶和禁帶。非晶態(tài)半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體相比，其中存在著大量的缺陷，這些缺陷在禁帶中引入一系列局域能級(jí)，它們對(duì)非晶態(tài)半導(dǎo)體的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)有著重要的影響。目前主要的非晶態(tài)半導(dǎo)體有兩大類：硫系玻璃和四面體鍵非晶態(tài)半導(dǎo)體。硫系玻璃的制備方法通常是利用熔體冷卻或氣相沉積，而四面體鍵非晶態(tài)半導(dǎo)體的制備方法不能用熔體冷卻的方法，只能采用薄膜沉積的方法，如蒸發(fā)、濺射或化學(xué)氣相沉積等。非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜在技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的潛力。目前非晶硅的應(yīng)用主要是太陽能電池，最近也有人員在試驗(yàn)把非晶硅場效應(yīng)晶體管應(yīng)用于液晶顯示和集成電路中。多晶半導(dǎo)體薄膜不像單晶半導(dǎo)體薄膜那樣引人關(guān)注，但是目前在工業(yè)上也有著許多重要的應(yīng)用。半導(dǎo)體集成電路行業(yè)常用的是多晶硅薄膜，它多被用來制作集成電路中的柵極、電阻、布線等一些無源元器件。多晶薄膜的制備一般采用 LPCVD、固相晶化法（SPC）、準(zhǔn)分子激光晶化法（ELA）、金屬橫向誘導(dǎo)法（MILC）和 PECVD 等方法。
6、鈍化膜：一般來講，鈍化膜主要是指在金屬表面上形成金屬氧化物或鹽類，這些物質(zhì)緊密地覆蓋在金屬表面上形成鈍化膜，一般可以采用電化學(xué)鈍化和化學(xué)鈍化，化學(xué)鈍化是利用強(qiáng)氧化劑對(duì)金屬直接作用而在金屬表面形成氧化膜。不論何種形式所形成的鈍化膜，其根本目的都是防腐。
7、光電薄膜：光電薄膜的應(yīng)用廣泛，主要包括光學(xué)膜片、光電顯示用膠帶等，光學(xué)膜片主要包括反射片、擴(kuò)散片、棱鏡片等。光電薄膜器件是 LCD 面板不可或缺的重要組成部分。
（來源：材料研究那些事兒）
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