20世纪90年代初,作者与刘德令先生等共同编译了《薄膜科学与技术手册》(上、下册)。该书内容包括薄膜基础、薄膜制备工艺、薄膜性能检测、薄膜技术的应用等,涉及薄膜科学与技术的各个方面。该书内容广泛,取材新颖,论述全面,在国内(包括在国外的中文读者)广为流传,产生了较大影响。
近20年来,薄膜技术与薄膜材料获得迅猛发展,其主要表现在下述几个方面。
首先,各类新型薄膜材料大量涌现。其中包括纳米薄膜、量子线、量子点等低维材料,高K值和低K值介质薄膜材料,大规模集成电路用Cu布线材料,巨磁电阻、厐磁电阻等磁致电阻薄膜材料,大禁带宽度的“硬电子学”半导体薄膜材料,发蓝光的光电半导体材料,高透明性低电阻率的透明导电材料,以金刚石薄膜为代表的各类超硬薄膜材料等。这些新型薄膜材料的出现,为探索材料在纳米尺度内的新现象、新规律,开发材料的新特性、新功能,提高超大规模集成电路的集成度,提高信息存储记录密度,扩大半导体材料的应用范围,提高电子元器件的可靠性,提高材料的耐磨抗蚀性等,提供了物质基础。
再者,薄膜制作和微细加工工艺不断创新。其中包括用于产业化的MBE和MOCVD技术,脉冲激光熔射,零气压溅射,高密度离子束加工,气体离化团束(GCIB)加工,反应离子束刻蚀,大规模集成电路用Cu布线的电镀,以CMP为代表的平坦化,原子、分子量级的人工组装等。这些为制备高质量外延膜,获得良好的成膜台阶覆盖度,制作特征线宽亚0.1微米的超大规模集成电路,实现MEMS和NEMS等,提供了可靠保证。
特别是,各种薄膜在高新技术中的应用更加普及。互联网中采集、处理信息及通信网络设备中,都需要数量巨大的元器件、电子回路、集成电路等,制造这些都要采用薄膜技术;在平板显示器产业中,为制作TFTLCD的薄膜三极管及各种电极,为制作PDP中的汇流电极、选址电极及MgO保护膜,为制作有机EL中的电子注入层(EIL)、电子输运层(ETL)、空穴注入层(HIL)、发光层(EML)等,也需要采用薄膜技术;在机器人各种传感器、生物芯片、CIGS太阳能电池中都离不开薄膜技术。可以说,薄膜技术和薄膜材料已成为构筑高新技术产业的基本要素。
薄膜技术与薄膜材料之所以受到人们的关注,主要基于下面几个理由。
(1) 薄膜很薄(膜厚从微米到纳米量级,后者甚至薄到几个原子层),可以看成是物质的二维形态。薄膜技术是实现器件轻薄短小化和系统集成化的有效手段。
(2) 器件的微小型化,不仅可以保持器件的原有功能并使之强化,而且,随着器件的尺寸减小乃至接近电子或其他粒子量子化运动的尺度,薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现象。薄膜(以及目前正大力开发的量子线、量子点等)技术是制备这类新型功能器件的有效手段。
(3) 薄膜气相沉积涉及从气相到固相的超急冷过程,易于形成非稳态物质及非化学计量的化合物膜层。因此,薄膜技术是探索物质秘密,制备及分析特异成分、组织及晶体结构的物质的有力手段。
(4) 由于镀料的气化方式很多(如电子束蒸发、溅射、气体源等),通过控制气氛还可以进行反应沉积,因此,可以得到各种材料的膜层;可以较方便地采用光、等离子体等激发手段,在一般条件下,即可获得在高温、高压、高能量密度下才能获得的物质。
(5) 通过基板、镀料、反应气氛、沉积条件的选择,可以对界面结构、结晶状态、膜厚等进行控制,还可制取多层膜、复合膜及特殊界面结构的膜层等;由于膜层表面精细光洁,故便于通过光刻制取电路图形;由于在LSI工艺中薄膜沉积及光刻图形等已有成熟的经验,故易于在其他应用领域中推广。
(6) 易于在成膜过程中在线检测,监测动态过程并可按要求控制生长过程,便于实现自动化。
本书正是基于上述背景和理由编写的。全书共分5部分。第1部分(第2~8章)为薄膜沉积基础,包括真空技术基础、真空泵与真空规、真空装置的实际问题、气体放电和等离子体、薄膜生长与薄膜结构、表面结构与薄膜的外延生长、薄膜沉积的共性问题等7章;第2部分(第9~12章)为薄膜制备工艺,包括真空蒸镀、离子镀和离子束沉积、溅射镀膜、化学气相沉积等4章;第3部分(第13~14章)为薄膜的微细加工,包括干法刻蚀、平坦化技术等2章;第4部分(第15~16章)为薄膜材料及薄膜材料的应用;第5部分(第17章)为薄膜的评价表征及物性测定。作为全书的引言与入门,第1章以近乎动(画)漫(画)的形式,介绍了薄膜在高新技术中的应用。
本书内容广泛,取材新颖,叙述通俗易懂,紧密联系实际,特别是针对薄膜技术与薄膜材料的最新进展和前沿应用,结合大量实例进行论述。在内容组织上,尽量做到浅、宽、新,避免针对过窄的领域,进行过深、过细的探讨。本书重点讨论有关薄膜技术与薄膜材料的基本原理、基本方法、基本工艺过程和基本应用。通过本书的学习,有助于读者掌握薄膜制备及微细加工方法,认识与微观结构相关的各种特性,了解薄膜材料及微细加工技术的最新应用。
在本书编写过程中参阅了大量国内外文献,特别是书中第5、6、7、9章的部分内容较多地引用了文献[56]、[59]、[96]、[97]等。在此向王福贞、唐伟忠、朱履冰、杨邦朝教授及有关作者表示感谢。
作者水平有限,不妥或谬误之处在所难免,恳请读者批评指正。