薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷

1、第四章第四章（補(bǔ)充）（補(bǔ)充）薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷第一節(jié)薄膜的結(jié)構(gòu)第一節(jié)薄膜的結(jié)構(gòu)薄膜的結(jié)構(gòu)因研究的對(duì)象不同分三種類(lèi)型：薄膜的結(jié)構(gòu)因研究的對(duì)象不同分三種類(lèi)型：(1) 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)(2) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)(3) 表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷一、薄膜組織結(jié)構(gòu)：一、薄膜組織結(jié)構(gòu)：(1) 無(wú)定形結(jié)構(gòu)無(wú)定形結(jié)構(gòu)薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)其結(jié)構(gòu)分為四種類(lèi)型：其結(jié)構(gòu)分為四種類(lèi)型：(2) 多晶結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)(3) 纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)(4) 單晶結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)1. 無(wú)定形結(jié)構(gòu)無(wú)定形結(jié)構(gòu)無(wú)定形結(jié)構(gòu)無(wú)定形結(jié)構(gòu)(也稱為非晶結(jié)構(gòu)或玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)也稱為非晶結(jié)構(gòu)或玻

2、璃態(tài)結(jié)構(gòu))其內(nèi)部原子的排列其內(nèi)部原子的排列是無(wú)序的，更嚴(yán)格地說(shuō)，是不存在長(zhǎng)程的周期排列是無(wú)序的，更嚴(yán)格地說(shuō)，是不存在長(zhǎng)程的周期排列(在微觀尺在微觀尺度上可能存在有序的原子團(tuán)度上可能存在有序的原子團(tuán))薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷相對(duì)于塊體材料來(lái)講，比較容易制備非晶態(tài)的薄膜相對(duì)于塊體材料來(lái)講，比較容易制備非晶態(tài)的薄膜這是由于薄膜的制備方法比較容易實(shí)現(xiàn)形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的這是由于薄膜的制備方法比較容易實(shí)現(xiàn)形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的外部條件，即較高的過(guò)冷度和低的原子擴(kuò)散能力外部條件，即較高的過(guò)冷度和低的原子擴(kuò)散能力形成無(wú)定形薄膜的工藝條件是降低吸附原子的表面擴(kuò)散速率形成無(wú)定形薄膜

3、的工藝條件是降低吸附原子的表面擴(kuò)散速率硫化物和鹵化物薄膜在基體溫度低于硫化物和鹵化物薄膜在基體溫度低于77K時(shí)可形成無(wú)定形時(shí)可形成無(wú)定形薄膜薄膜降低表面擴(kuò)散速率的方法：降低表面擴(kuò)散速率的方法：薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷降低基體溫度、引入反應(yīng)氣體和摻雜降低基體溫度、引入反應(yīng)氣體和摻雜有些氧化物薄膜有些氧化物薄膜(如如TiO2、ZrO2、Al2O3等等)，基體溫度在室，基體溫度在室溫時(shí)有形成無(wú)定形薄膜的傾向溫時(shí)有形成無(wú)定形薄膜的傾向?yàn)R射沉積濺射沉積W、Mo、Hf、Zr、Re膜時(shí)，加入原子百分比為膜時(shí)，加入原子百分比為1%的的N2，所得的膜是非晶態(tài)，所得的膜是非晶態(tài)在在10-210-3Pa氧分

4、壓中蒸發(fā)鋁、鎵、銦和錫等超導(dǎo)薄膜，氧分壓中蒸發(fā)鋁、鎵、銦和錫等超導(dǎo)薄膜，由于氧化層阻擋了晶粒生長(zhǎng)而形成無(wú)定形薄膜由于氧化層阻擋了晶粒生長(zhǎng)而形成無(wú)定形薄膜在在83%ZrO2-17SiO2和和67%ZrO2-33%MgO的摻雜薄膜中，的摻雜薄膜中，由于兩種沉積原子尺寸的不同也可形成無(wú)定形薄膜；由于兩種沉積原子尺寸的不同也可形成無(wú)定形薄膜；薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷2. 多晶結(jié)構(gòu)多晶結(jié)構(gòu)薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成用真空蒸發(fā)或陰極濺射法制備的薄膜，都是通過(guò)島狀結(jié)構(gòu)生用真空蒸發(fā)或陰極濺射法制備的薄膜，都是

5、通過(guò)島狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)起來(lái)，必然產(chǎn)生許多晶粒間界形成多晶結(jié)構(gòu)長(zhǎng)起來(lái)，必然產(chǎn)生許多晶粒間界形成多晶結(jié)構(gòu)在多晶薄膜中，常常出現(xiàn)一些塊狀材料未曾發(fā)現(xiàn)的介穩(wěn)相在多晶薄膜中，常常出現(xiàn)一些塊狀材料未曾發(fā)現(xiàn)的介穩(wěn)相結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在薄膜形成過(guò)程中生成的小島就具有晶體的特征在薄膜形成過(guò)程中生成的小島就具有晶體的特征(原子有規(guī)原子有規(guī)則的排列則的排列)思考：由眾多小島聚結(jié)形成的薄膜是單晶還是多晶薄膜？思考：由眾多小島聚結(jié)形成的薄膜是單晶還是多晶薄膜？薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷討論：晶界或晶粒間界所表現(xiàn)出兩個(gè)的特征：討論：晶界或晶粒間界所表現(xiàn)出兩個(gè)的特征：多晶薄膜中不同晶粒間的交界面稱為晶界或晶粒間界多晶薄膜中不同晶粒間

6、的交界面稱為晶界或晶粒間界(1) 由于晶界中晶格畸變較大，因此晶界上原子的平均能量由于晶界中晶格畸變較大，因此晶界上原子的平均能量高于晶粒中內(nèi)部原子的平均能量，它們的差值稱為高于晶粒中內(nèi)部原子的平均能量，它們的差值稱為晶界晶界能能。高的晶界能量表明它有自發(fā)地向低能態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。高的晶界能量表明它有自發(fā)地向低能態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。晶粒的長(zhǎng)大和平直化都能減少界面面積，從而降低晶界晶粒的長(zhǎng)大和平直化都能減少界面面積，從而降低晶界能量。所以只要原子有足夠的動(dòng)能，在它遷移時(shí)就出現(xiàn)能量。所以只要原子有足夠的動(dòng)能，在它遷移時(shí)就出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大和晶界平直化的結(jié)果晶粒長(zhǎng)大和晶界平直化的結(jié)果薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷

7、多晶薄膜中晶界多晶薄膜中晶界 (晶粒間界晶粒間界)處原子擴(kuò)散問(wèn)題是薄膜物理研究處原子擴(kuò)散問(wèn)題是薄膜物理研究的一個(gè)重要內(nèi)容的一個(gè)重要內(nèi)容(2) 由于晶界中原子排列不規(guī)則，其中有較多的由于晶界中原子排列不規(guī)則，其中有較多的空位空位。當(dāng)晶。當(dāng)晶粒中有微量雜質(zhì)時(shí)，因它要填入晶界中的空位，使系統(tǒng)粒中有微量雜質(zhì)時(shí)，因它要填入晶界中的空位，使系統(tǒng)的自由能增加要比它進(jìn)入晶粒內(nèi)部低。所以微量雜質(zhì)原的自由能增加要比它進(jìn)入晶粒內(nèi)部低。所以微量雜質(zhì)原子常常富集在晶界處，雜質(zhì)原子沿晶界擴(kuò)散比穿過(guò)晶粒子常常富集在晶界處，雜質(zhì)原子沿晶界擴(kuò)散比穿過(guò)晶粒要容易得多要容易得多薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷3. 纖維結(jié)構(gòu)纖維結(jié)構(gòu)

8、纖維結(jié)構(gòu)薄膜是晶粒具有纖維結(jié)構(gòu)薄膜是晶粒具有擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向的薄膜。根據(jù)取向方向、的薄膜。根據(jù)取向方向、數(shù)量的不同又可分為單重纖維結(jié)構(gòu)和雙重纖維結(jié)構(gòu)數(shù)量的不同又可分為單重纖維結(jié)構(gòu)和雙重纖維結(jié)構(gòu)單重纖維結(jié)構(gòu)是各晶粒只在一個(gè)方向上擇優(yōu)取向，有時(shí)也稱單重纖維結(jié)構(gòu)是各晶粒只在一個(gè)方向上擇優(yōu)取向，有時(shí)也稱為一維取向薄膜為一維取向薄膜雙重纖維結(jié)構(gòu)是各晶粒在兩個(gè)方向擇優(yōu)取向，二維取向薄膜雙重纖維結(jié)構(gòu)是各晶粒在兩個(gè)方向擇優(yōu)取向，二維取向薄膜類(lèi)似于單晶，它具有類(lèi)似單晶的性質(zhì)類(lèi)似于單晶，它具有類(lèi)似單晶的性質(zhì)薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷在薄膜中晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜生長(zhǎng)的各個(gè)階段：在薄膜中晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)

9、生在薄膜生長(zhǎng)的各個(gè)階段：在非晶態(tài)基體上，大多數(shù)多晶薄膜都傾向于顯示擇優(yōu)取向在非晶態(tài)基體上，大多數(shù)多晶薄膜都傾向于顯示擇優(yōu)取向初始成核階段、小島聚結(jié)階段和最后階段初始成核階段、小島聚結(jié)階段和最后階段若吸附原子在基體表面上有較高的擴(kuò)散速率，晶粒的擇優(yōu)取若吸附原子在基體表面上有較高的擴(kuò)散速率，晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜形成的初期階段向可發(fā)生在薄膜形成的初期階段在起始層中原子排列取決于基體表面、基體溫度、晶體結(jié)在起始層中原子排列取決于基體表面、基體溫度、晶體結(jié)構(gòu)、原子半徑和薄膜材料的熔點(diǎn)構(gòu)、原子半徑和薄膜材料的熔點(diǎn)若吸附原子在基體表面上擴(kuò)散速率較小，初始膜層不會(huì)出現(xiàn)若吸附原子在基體表面上擴(kuò)散速率較小，

10、初始膜層不會(huì)出現(xiàn)擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷3. 單晶結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)薄膜通常是用單晶結(jié)構(gòu)薄膜通常是用外延工藝外延工藝制備制備外延生長(zhǎng)的三個(gè)基本條件：外延生長(zhǎng)的三個(gè)基本條件：(1) 吸附原子具有較高的擴(kuò)散速率，所以基體溫度和沉積速率吸附原子具有較高的擴(kuò)散速率，所以基體溫度和沉積速率就相當(dāng)重要就相當(dāng)重要(2) 基體與薄膜材料的結(jié)晶相容性。假設(shè)基體的晶格常數(shù)為基體與薄膜材料的結(jié)晶相容性。假設(shè)基體的晶格常數(shù)為a，薄膜的晶格常數(shù)為薄膜的晶格常數(shù)為b。晶格失配數(shù)。晶格失配數(shù)m = (b-a)/a。 m值越小，值越小，外延生長(zhǎng)越容易實(shí)現(xiàn)外延生長(zhǎng)越容易實(shí)現(xiàn)(3) 要求基體表面清潔、光

11、滑和化學(xué)穩(wěn)定性好要求基體表面清潔、光滑和化學(xué)穩(wěn)定性好薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷二、薄膜的晶體結(jié)構(gòu)二、薄膜的晶體結(jié)構(gòu)薄膜的晶格常數(shù)常常和塊狀晶體不同薄膜的晶格常數(shù)常常和塊狀晶體不同薄膜的晶體結(jié)構(gòu)是指薄膜中各晶粒的晶型狀況薄膜的晶體結(jié)構(gòu)是指薄膜中各晶粒的晶型狀況在大多數(shù)情況下，薄膜中晶粒的晶格結(jié)構(gòu)與塊狀晶體是相同在大多數(shù)情況下，薄膜中晶粒的晶格結(jié)構(gòu)與塊狀晶體是相同的，只是晶粒取向和晶粒尺寸與塊狀晶體不同的，只是晶粒取向和晶粒尺寸與塊狀晶體不同產(chǎn)生晶格常數(shù)不同的兩個(gè)原因：產(chǎn)生晶格常數(shù)不同的兩個(gè)原因：(1) 薄膜材料本身的晶格常數(shù)與基體材料晶格常數(shù)不匹配薄膜材料本

12、身的晶格常數(shù)與基體材料晶格常數(shù)不匹配(2) 薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷由于晶格常數(shù)不匹配，在薄膜與基體的界面處晶粒的晶格發(fā)由于晶格常數(shù)不匹配，在薄膜與基體的界面處晶粒的晶格發(fā)生畸變形成一種新晶格，以便和基體匹配生畸變形成一種新晶格，以便和基體匹配晶格常數(shù)相差的百分比等于晶格常數(shù)相差的百分比等于2%時(shí)，薄膜與基體界面處晶格時(shí)，薄膜與基體界面處晶格畸變層的厚度為幾個(gè)埃；當(dāng)相差的百分比等于畸變層的厚度為幾個(gè)埃；當(dāng)相差的百分比等于4%時(shí)，薄膜時(shí)，薄膜與基體界面處晶格畸變層的厚度為幾百埃；當(dāng)相差的百分與基體界面處晶格畸變層的厚度為幾百埃；

13、當(dāng)相差的百分比大于比大于12%時(shí)，晶格畸變達(dá)到完全不匹配的程度時(shí)，晶格畸變達(dá)到完全不匹配的程度薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷rf22rS假設(shè)基體表面上有一個(gè)半球形的晶粒其半徑為假設(shè)基體表面上有一個(gè)半球形的晶粒其半徑為r，單位面積的，單位面積的表面張力為表面張力為晶粒產(chǎn)生的壓力為晶粒產(chǎn)生的壓力為受力面積為受力面積為薄膜的表面張力使薄膜晶格常數(shù)變化的情況可用理論計(jì)算說(shuō)薄膜的表面張力使薄膜晶格常數(shù)變化的情況可用理論計(jì)算說(shuō)明明薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷pEaaVVV13EV：薄膜的彈性系數(shù)：薄膜的彈性系數(shù) a： 晶格常數(shù)晶格常數(shù)rrrp/2/22壓力強(qiáng)度為：壓力強(qiáng)度為：根據(jù)虎克定律有：根據(jù)虎克

14、定律有：薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷晶格常數(shù)的變化比為晶格常數(shù)的變化比為rEaaV32晶格常數(shù)的變化比晶格常數(shù)的變化比(應(yīng)變應(yīng)變)與晶粒半徑成反比，晶粒越小晶與晶粒半徑成反比，晶粒越小晶格常數(shù)變化比越大格常數(shù)變化比越大薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷三、表面結(jié)構(gòu)三、表面結(jié)構(gòu)薄膜為了使它的總能量達(dá)到最低值，應(yīng)該有最小的表面積，薄膜為了使它的總能量達(dá)到最低值，應(yīng)該有最小的表面積，即應(yīng)該成為理想的平面狀態(tài)即應(yīng)該成為理想的平面狀態(tài)實(shí)際上這種膜是無(wú)法得到的實(shí)際上這種膜是無(wú)法得到的薄膜在沉積形成成長(zhǎng)過(guò)程中，入射到基體表面上的氣相原子薄膜在沉積形成成長(zhǎng)過(guò)程中，入射到基體表面上的氣相原子是無(wú)規(guī)律的，所以薄

15、膜表面具有一定的粗糙度是無(wú)規(guī)律的，所以薄膜表面具有一定的粗糙度薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷由于吸附原子的表面擴(kuò)散，使薄膜表面上的谷被填平，峰由于吸附原子的表面擴(kuò)散，使薄膜表面上的谷被填平，峰被削平，導(dǎo)致薄膜表面積不斷縮小，表面能逐步降低被削平，導(dǎo)致薄膜表面積不斷縮小，表面能逐步降低基體溫度較高的情況下，由于吸附原子在表面上擴(kuò)散，使基體溫度較高的情況下，由于吸附原子在表面上擴(kuò)散，使得一些低能晶面得到發(fā)展。但在表面原子的擴(kuò)散作用下，得一些低能晶面得到發(fā)展。但在表面原子的擴(kuò)散作用下，生長(zhǎng)最快的晶面能消耗那些生長(zhǎng)較慢的晶面，導(dǎo)致薄膜的生長(zhǎng)最快的晶面能消耗那些生長(zhǎng)較慢的晶面，導(dǎo)致薄膜的粗糙度進(jìn)一步增

16、大粗糙度進(jìn)一步增大薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷在基體溫度較低的情況下，吸附原子在表面上橫向運(yùn)動(dòng)的能在基體溫度較低的情況下，吸附原子在表面上橫向運(yùn)動(dòng)的能量較小，薄膜表面面積隨膜層厚度成線性增大。所得表面面量較小，薄膜表面面積隨膜層厚度成線性增大。所得表面面積較大，形成多孔結(jié)構(gòu)薄膜，這種微孔內(nèi)表面積很大，而且積較大，形成多孔結(jié)構(gòu)薄膜，這種微孔內(nèi)表面積很大，而且可延續(xù)到最低層，形成柱狀體結(jié)構(gòu)可延續(xù)到最低層，形成柱狀體結(jié)構(gòu)如果沉積薄膜的真空度較低，形成的薄膜也是多孔性的如果沉積薄膜的真空度較低，形成的薄膜也是多孔性的薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷大多數(shù)蒸發(fā)薄膜有如下特點(diǎn)：大多數(shù)蒸發(fā)薄膜有如下特點(diǎn)

17、：(1) 呈現(xiàn)柱狀顆粒和空位組合結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)柱狀顆粒和空位組合結(jié)構(gòu)(2) 柱狀體幾乎垂直于基體表面生長(zhǎng)，而且上下兩端尺寸基柱狀體幾乎垂直于基體表面生長(zhǎng)，而且上下兩端尺寸基本相同本相同(3) 平行于基體表面的層與層之間有明顯的界面。上層柱狀平行于基體表面的層與層之間有明顯的界面。上層柱狀體與下層柱狀體并不完全連續(xù)生長(zhǎng)體與下層柱狀體并不完全連續(xù)生長(zhǎng)薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷所有真空蒸發(fā)薄膜都呈柱狀體結(jié)構(gòu)所有真空蒸發(fā)薄膜都呈柱狀體結(jié)構(gòu)原子的沉積過(guò)程可分為三個(gè)過(guò)程：原子的沉積過(guò)程可分為三個(gè)過(guò)程：由于發(fā)生上述過(guò)程均受到相應(yīng)過(guò)程的激活能控制，因此薄膜由于發(fā)生上述過(guò)程均受到相應(yīng)過(guò)程的激活能控制，因此薄膜結(jié)

18、構(gòu)的形成與基體溫度結(jié)構(gòu)的形成與基體溫度Ts和蒸發(fā)材料熔點(diǎn)溫度和蒸發(fā)材料熔點(diǎn)溫度Tm的比值的比值Ts Tm密切相關(guān)密切相關(guān)(1) 氣相原子的沉積氣相原子的沉積(2) 表面的擴(kuò)散表面的擴(kuò)散(3) 薄膜內(nèi)的擴(kuò)散薄膜內(nèi)的擴(kuò)散薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷當(dāng)當(dāng)Ts Tm小于小于0.45時(shí)，薄膜就呈柱狀結(jié)構(gòu)時(shí)，薄膜就呈柱狀結(jié)構(gòu)大多數(shù)薄膜都是在區(qū)域大多數(shù)薄膜都是在區(qū)域1的基體溫度下沉積，其柱狀體直徑的基體溫度下沉積，其柱狀體直徑為幾百個(gè)為幾百個(gè) ，柱狀體之間有明顯的界面，柱狀體之間有明顯的界面薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷濺射方法制備的薄膜

19、組織可依沉積條件不同而呈現(xiàn)四種不濺射方法制備的薄膜組織可依沉積條件不同而呈現(xiàn)四種不同的組織形態(tài)同的組織形態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除了襯底溫度因素以外，濺射氣壓對(duì)薄膜實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除了襯底溫度因素以外，濺射氣壓對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)也有著顯著影響。這是因?yàn)?，濺射的氣壓越高，入射結(jié)構(gòu)也有著顯著影響。這是因?yàn)?，濺射的氣壓越高，入射到襯底上的粒子受到氣體分子的碰撞越頻繁，粒子的能量到襯底上的粒子受到氣體分子的碰撞越頻繁，粒子的能量越低越低薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷在溫度很低、氣體壓力較高的條件下，入射粒子的能量很在溫度很低、氣體壓力較高的條件下，入射粒子的能量很低。這種情況下形成的薄膜具有形態(tài)低。這種情況下形成的薄

20、膜具有形態(tài)1型的微觀組織型的微觀組織沉積組織呈現(xiàn)一種數(shù)十納米的細(xì)纖維狀的組織形態(tài)，纖維內(nèi)沉積組織呈現(xiàn)一種數(shù)十納米的細(xì)纖維狀的組織形態(tài)，纖維內(nèi)部缺陷密度很高或者就是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；纖維間的結(jié)構(gòu)明顯疏部缺陷密度很高或者就是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)；纖維間的結(jié)構(gòu)明顯疏松，存在許多納米尺度的孔洞。此種膜的強(qiáng)度很低松，存在許多納米尺度的孔洞。此種膜的強(qiáng)度很低由于溫度低，原子的表面擴(kuò)散能力有限，沉積到襯底表面的由于溫度低，原子的表面擴(kuò)散能力有限，沉積到襯底表面的原子即已失去了擴(kuò)散能力。同時(shí)，薄膜形成所需的臨界核心原子即已失去了擴(kuò)散能力。同時(shí)，薄膜形成所需的臨界核心尺寸很小，因而在薄膜的表面上，沉積粒子會(huì)不斷形成新的尺寸很小

21、，因而在薄膜的表面上，沉積粒子會(huì)不斷形成新的核心核心薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷形態(tài)形態(tài)T型的組織是介于形態(tài)型的組織是介于形態(tài)1和形態(tài)和形態(tài)2的過(guò)渡型組織。此時(shí)沉的過(guò)渡型組織。此時(shí)沉積的溫度仍然很低，沉積過(guò)程中臨界核心的尺寸仍然很小積的溫度仍然很低，沉積過(guò)程中臨界核心的尺寸仍然很小形態(tài)形態(tài)1組織向形態(tài)組織向形態(tài)T組織轉(zhuǎn)變的溫度與濺射時(shí)的氣壓有關(guān)。組織轉(zhuǎn)變的溫度與濺射時(shí)的氣壓有關(guān)。濺射氣壓越低，即入射粒子的能量越高，則發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度濺射氣壓越低，即入射粒子的能量越高，則發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度越向低溫方向移動(dòng)越向低溫方向移動(dòng)上述結(jié)果表明，入射粒子能量的提高有抑制形態(tài)上述結(jié)果表明，入射粒子能量的提高有抑

22、制形態(tài)1組織出組織出現(xiàn)，促進(jìn)形態(tài)現(xiàn)，促進(jìn)形態(tài)T組織出現(xiàn)的作用。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于組織出現(xiàn)的作用。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于濺射粒子能量的提高改善了薄膜表面原子的擴(kuò)散能量，使纖濺射粒子能量的提高改善了薄膜表面原子的擴(kuò)散能量，使纖維邊界處的組織出現(xiàn)了明顯的致密化傾向維邊界處的組織出現(xiàn)了明顯的致密化傾向薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷Ts Tm0.30.5溫度區(qū)間的形態(tài)溫度區(qū)間的形態(tài)2型的組織是原子表面擴(kuò)散型的組織是原子表面擴(kuò)散進(jìn)行得較為充分時(shí)形成的薄膜組織。此時(shí)，原子在薄膜內(nèi)部進(jìn)行得較為充分時(shí)形成的薄膜組織。此時(shí)，原子在薄膜內(nèi)部的體擴(kuò)散雖然不充分，但原子的表面擴(kuò)散能力已經(jīng)提高，已的體擴(kuò)散雖然不充分

23、，但原子的表面擴(kuò)散能力已經(jīng)提高，已經(jīng)可以進(jìn)行相當(dāng)距離的擴(kuò)散經(jīng)可以進(jìn)行相當(dāng)距離的擴(kuò)散在這種情況下，形成的組織為各個(gè)晶粒分別外延而形成的均在這種情況下，形成的組織為各個(gè)晶粒分別外延而形成的均勻的柱狀晶組織，柱狀晶的直徑隨沉積溫度的增加而增加。勻的柱狀晶組織，柱狀晶的直徑隨沉積溫度的增加而增加。晶粒內(nèi)部缺陷密度較低，晶粒邊界的致密性較好，這使得薄晶粒內(nèi)部缺陷密度較低，晶粒邊界的致密性較好，這使得薄膜具有較高的強(qiáng)度膜具有較高的強(qiáng)度薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷襯底溫度的繼續(xù)升高襯底溫度的繼續(xù)升高(Ts Tm 0.5)使得原子的體擴(kuò)散發(fā)揮重使得原子的體擴(kuò)散發(fā)揮重要作用。此時(shí)，在沉積進(jìn)行的同時(shí)，薄膜內(nèi)將

24、發(fā)生再結(jié)晶的要作用。此時(shí)，在沉積進(jìn)行的同時(shí)，薄膜內(nèi)將發(fā)生再結(jié)晶的過(guò)程，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，直至超過(guò)薄膜的厚度。薄膜的組織變過(guò)程，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，直至超過(guò)薄膜的厚度。薄膜的組織變?yōu)榻?jīng)過(guò)充分再結(jié)晶的粗大的等軸晶組織，晶粒內(nèi)部缺陷很為經(jīng)過(guò)充分再結(jié)晶的粗大的等軸晶組織，晶粒內(nèi)部缺陷很低，如圖中顯示的形態(tài)低，如圖中顯示的形態(tài)3型的薄膜組織型的薄膜組織在形態(tài)在形態(tài)2和形態(tài)和形態(tài)3型組織的情況下，襯底的溫度已經(jīng)較高，因型組織的情況下，襯底的溫度已經(jīng)較高，因而濺射氣壓或入射粒子的能量對(duì)薄膜組織的影響變得比較小而濺射氣壓或入射粒子的能量對(duì)薄膜組織的影響變得比較小了了蒸發(fā)法制備的薄膜與濺射法制備的薄膜組織相似，也可被相蒸

25、發(fā)法制備的薄膜與濺射法制備的薄膜組織相似，也可被相應(yīng)地劃分上述四種不同的組織形態(tài)。但由于在蒸發(fā)法時(shí)，入應(yīng)地劃分上述四種不同的組織形態(tài)。但由于在蒸發(fā)法時(shí)，入射粒子的能量很低，一般認(rèn)為其不易形成形態(tài)射粒子的能量很低，一般認(rèn)為其不易形成形態(tài)T型的薄膜組型的薄膜組織織薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷Ts Tm 0.15時(shí)，薄膜組織為晶帶時(shí)，薄膜組織為晶帶1型的細(xì)等軸晶，晶粒尺型的細(xì)等軸晶，晶粒尺寸只有寸只有520 nm，組織中孔洞較多，組織較為疏松組織中孔洞較多，組織較為疏松 0.15 Ts Tm 0.3 時(shí)，薄膜組織為晶帶時(shí)，薄膜組織為晶帶T型，其特點(diǎn)是在型，其特點(diǎn)是在細(xì)晶粒的包圍下出現(xiàn)了部分直徑約

26、為細(xì)晶粒的包圍下出現(xiàn)了部分直徑約為50 nm尺寸稍大的晶粒尺寸稍大的晶粒Ts Tm 0.3 0.5時(shí)，晶帶時(shí)，晶帶2型的組織開(kāi)始出現(xiàn)型的組織開(kāi)始出現(xiàn) 0. 5 Ts Tm 以后以后，薄膜組織變?yōu)榫?，薄膜組織變?yōu)榫?型的粗大的等軸晶型的粗大的等軸晶組織組織薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷第二節(jié)薄膜的缺陷第二節(jié)薄膜的缺陷薄膜的體內(nèi)晶體缺陷和一般晶體的缺陷相同薄膜的體內(nèi)晶體缺陷和一般晶體的缺陷相同薄膜的表面和界面會(huì)出現(xiàn)和體缺陷不同的缺陷薄膜的表面和界面會(huì)出現(xiàn)和體缺陷不同的缺陷(如表面點(diǎn)如表面點(diǎn)缺陷缺陷)晶體缺陷是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域晶體缺陷是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生

27、偏差的區(qū)域薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷晶體缺陷的類(lèi)型：晶體缺陷的類(lèi)型：(1) 點(diǎn)缺陷：它在三維空間各方向上尺寸都很小，也稱為零點(diǎn)缺陷：它在三維空間各方向上尺寸都很小，也稱為零維維 缺陷如空位、間隙原子和異類(lèi)原子等缺陷如空位、間隙原子和異類(lèi)原子等(2) 線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷，主線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷，主要要 是位錯(cuò)是位錯(cuò) (3) 面缺陷：它空間一個(gè)方向尺寸很小，另外兩個(gè)方向上尺面缺陷：它空間一個(gè)方向尺寸很小，另外兩個(gè)方向上尺寸寸 較大的缺陷，如晶界、相界和表面等較大的缺陷，如晶界、相界和表面等一、點(diǎn)缺陷一、點(diǎn)缺陷1. 點(diǎn)缺陷的類(lèi)型點(diǎn)缺陷的類(lèi)型(a

28、) 肖特基肖特基(Schottky)缺陷缺陷 (b) 弗侖克爾弗侖克爾(Frenkel)缺陷缺陷 (c) 雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷 薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷2. 薄膜中的點(diǎn)缺陷薄膜中的點(diǎn)缺陷當(dāng)沉積速率很高、基板溫度較低時(shí)，就可能在薄膜中產(chǎn)生高當(dāng)沉積速率很高、基板溫度較低時(shí)，就可能在薄膜中產(chǎn)生高濃度的空位缺陷濃度的空位缺陷薄膜中存在原子空位的效果主要表現(xiàn)在晶體的體積和密度薄膜中存在原子空位的效果主要表現(xiàn)在晶體的體積和密度上。一個(gè)空位可使晶體體積大約減小二分之一的原子體積上。一個(gè)空位可使晶體體積大約減小二分之一的原子體積薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜中空位濃度在平衡濃度以上，所以它的密度比塊

29、狀小，薄膜中空位濃度在平衡濃度以上，所以它的密度比塊狀小，而且空位濃度隨著時(shí)間的增加而減小而且空位濃度隨著時(shí)間的增加而減小在薄膜中點(diǎn)缺陷約占百分之幾個(gè)原子。在點(diǎn)缺陷中數(shù)量最在薄膜中點(diǎn)缺陷約占百分之幾個(gè)原子。在點(diǎn)缺陷中數(shù)量最多多的是原子空位的是原子空位薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷在真空蒸發(fā)過(guò)程中溫度的急劇變化會(huì)在薄膜中產(chǎn)生很多點(diǎn)缺在真空蒸發(fā)過(guò)程中溫度的急劇變化會(huì)在薄膜中產(chǎn)生很多點(diǎn)缺陷陷薄膜點(diǎn)缺陷對(duì)電阻率產(chǎn)生較大的影響薄膜點(diǎn)缺陷對(duì)電阻率產(chǎn)生較大的影響二、線缺陷二、線缺陷(位錯(cuò)位錯(cuò))晶體中的位錯(cuò)類(lèi)型有刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)和混合位錯(cuò)晶體中的位錯(cuò)類(lèi)型有刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)和混合位錯(cuò)1. 線缺陷線缺陷(位

30、錯(cuò)位錯(cuò))的類(lèi)型的類(lèi)型薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷位錯(cuò)是薄膜中最普遍存在的缺陷，其密度約為位錯(cuò)是薄膜中最普遍存在的缺陷，其密度約為10121013/cm2位錯(cuò)在塊狀優(yōu)質(zhì)晶體中，其密度約為位錯(cuò)在塊狀優(yōu)質(zhì)晶體中，其密度約為104106/cm2位錯(cuò)在發(fā)生強(qiáng)烈塑性形變的晶體中，其密度約為位錯(cuò)在發(fā)生強(qiáng)烈塑性形變的晶體中，其密度約為10101012/cm2在薄膜中引起位錯(cuò)的原因：在薄膜中引起位錯(cuò)的原因：薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷(1) 基體引起的位錯(cuò)基體引起的位錯(cuò) 如果薄膜和基體之間有晶格失配的位錯(cuò)，則在生長(zhǎng)單層的擬如果薄膜和基體之間

31、有晶格失配的位錯(cuò)，則在生長(zhǎng)單層的擬似性結(jié)構(gòu)時(shí)就會(huì)有位錯(cuò)產(chǎn)生。如果在基體上有位錯(cuò)，那么在似性結(jié)構(gòu)時(shí)就會(huì)有位錯(cuò)產(chǎn)生。如果在基體上有位錯(cuò)，那么在基體上形成的薄膜就會(huì)因基體的位錯(cuò)而引起位錯(cuò)基體上形成的薄膜就會(huì)因基體的位錯(cuò)而引起位錯(cuò)薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷(2) 小島的聚結(jié)小島的聚結(jié) 薄膜中產(chǎn)生位錯(cuò)的主要原因都來(lái)自小島的長(zhǎng)大和聚結(jié)。在多薄膜中產(chǎn)生位錯(cuò)的主要原因都來(lái)自小島的長(zhǎng)大和聚結(jié)。在多數(shù)的小島中其結(jié)晶方向都是任意的。特別是兩個(gè)晶體方向稍數(shù)的小島中其結(jié)晶方向都是任意的。特別是兩個(gè)晶體方向稍有不同的兩個(gè)小島相互聚結(jié)成長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生以位錯(cuò)形式小有不同的兩個(gè)小島相互聚結(jié)成長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生以位錯(cuò)形式小傾斜

32、角晶粒晶界傾斜角晶粒晶界薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷三、面缺陷三、面缺陷面缺陷有晶界、相界、表面、堆積層錯(cuò)等面缺陷有晶界、相界、表面、堆積層錯(cuò)等薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷1. 晶粒間界晶粒間界薄膜中含有許多小晶粒，與塊狀材料相比，薄膜的晶粒間界薄膜中含有許多小晶粒，與塊狀材料相比，薄膜的晶粒間界面積較大面積較大思考：為什么薄膜材料的電阻率比塊體材料的電阻率大？思考：為什么薄膜材料的電阻率比塊體材料的電阻率大？薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷晶粒尺寸隨沉積速率

33、的變化關(guān)系不像上述因素那么明顯晶粒尺寸隨沉積速率的變化關(guān)系不像上述因素那么明顯當(dāng)退火熱處理在退火溫度下沉積的薄膜時(shí)，晶粒增大的效果當(dāng)退火熱處理在退火溫度下沉積的薄膜時(shí)，晶粒增大的效果則不顯著則不顯著在高于沉積溫度下進(jìn)行退火熱處理可以改變晶粒尺寸。退火在高于沉積溫度下進(jìn)行退火熱處理可以改變晶粒尺寸。退火溫度越高，晶粒尺寸越大。熱處理較厚的膜這種效果越明顯溫度越高，晶粒尺寸越大。熱處理較厚的膜這種效果越明顯真空蒸發(fā)鍍膜中存在的另一種重要的面缺陷是層錯(cuò)缺陷真空蒸發(fā)鍍膜中存在的另一種重要的面缺陷是層錯(cuò)缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷第三節(jié)薄膜的其他問(wèn)題第三節(jié)薄膜的其他問(wèn)題1. 成分的偏析成分的偏析

34、薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷Si基片上蒸發(fā)鍍膜基片上蒸發(fā)鍍膜400 的的Ti膜，然后再沉積厚度為膜，然后再沉積厚度為100200 的的Mo膜。膜。 Mo膜只沉積到膜只沉積到Ti膜的一部分，另一部分是裸露膜的一部分，另一部分是裸露的的Ti膜，最后將樣品在膜，最后將樣品在N2(或或He) + H2(8 10%)中中590退退火火30分鐘分鐘薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷密度是物理結(jié)構(gòu)的重要參量，通常它是用測(cè)量每單位面積密度是物理結(jié)構(gòu)的重要參量，通常它是用測(cè)量每單位面積和相應(yīng)的厚度的質(zhì)量確定的和相應(yīng)的厚度的質(zhì)量確定的2. 薄膜的密度薄膜的密度若薄膜是不連續(xù)的或多

35、空洞疏松的，則其密度低于塊體值若薄膜是不連續(xù)的或多空洞疏松的，則其密度低于塊體值一般情況下，薄膜的厚度越小，其密度也越??；當(dāng)厚度越一般情況下，薄膜的厚度越小，其密度也越??；當(dāng)厚度越來(lái)越大時(shí)，其密度值逐漸接近塊體值來(lái)越大時(shí)，其密度值逐漸接近塊體值薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜在制成后會(huì)十分緩慢的變化，變化的起因在于薄膜制薄膜在制成后會(huì)十分緩慢的變化，變化的起因在于薄膜制備過(guò)程的急速冷卻而包含各種各樣的缺陷、變形等等備過(guò)程的急速冷卻而包含各種各樣的缺陷、變形等等3. 薄膜的經(jīng)時(shí)變化薄膜的經(jīng)時(shí)變化使用薄膜時(shí)，一般要求經(jīng)時(shí)變化越小越好使用薄膜時(shí)，一般要求經(jīng)時(shí)變化越

36、小越好要研究薄膜各種制備條件要研究薄膜各種制備條件膜越薄，經(jīng)時(shí)變化越大膜越薄，經(jīng)時(shí)變化越大薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷從圖中能得出什么結(jié)論？對(duì)我們有何啟發(fā)？從圖中能得出什么結(jié)論？對(duì)我們有何啟發(fā)？在薄膜制備以后如果在高溫下放置數(shù)小時(shí)在薄膜制備以后如果在高溫下放置數(shù)小時(shí)(取決于膜和基體取決于膜和基體材料材料)，往往會(huì)使以后的變化比較小，這種處理稱為老化，往往會(huì)使以后的變化比較小，這種處理稱為老化薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷非晶態(tài)薄膜是處于一種熱力學(xué)非平衡狀態(tài)，或某種亞穩(wěn)非晶態(tài)薄膜是處于一種熱力學(xué)非平衡狀態(tài)，或某種亞穩(wěn)態(tài)，這種體系具有較高能量，在退火處理或其他作用的影態(tài)，這種體系具有較高能量

37、，在退火處理或其他作用的影響下，這種體系將釋放能量而向晶態(tài)轉(zhuǎn)化響下，這種體系將釋放能量而向晶態(tài)轉(zhuǎn)化4. 晶態(tài)與非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化晶態(tài)與非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化在外界作用下，比如加熱或離子轟擊，將使晶態(tài)薄膜轉(zhuǎn)化在外界作用下，比如加熱或離子轟擊，將使晶態(tài)薄膜轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)薄膜為非晶態(tài)薄膜薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷4. 1 晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化在用高能離子注入進(jìn)行表層處理或材料的摻雜過(guò)程中，有在用高能離子注入進(jìn)行表層處理或材料的摻雜過(guò)程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象時(shí)會(huì)發(fā)生晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象出現(xiàn)上述轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的原因在于具有較高能量的粒子注入薄出現(xiàn)上述轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的原因在于具有較高能量的粒子注入

38、薄膜中，使晶體原子之間的價(jià)鍵遭到破壞，原子排列受到擾膜中，使晶體原子之間的價(jià)鍵遭到破壞，原子排列受到擾動(dòng)，結(jié)果形成了原子排列的無(wú)序狀態(tài)動(dòng)，結(jié)果形成了原子排列的無(wú)序狀態(tài)薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷通常，無(wú)定形化程度，或無(wú)定形范圍的延展，是劑量或成通常，無(wú)定形化程度，或無(wú)定形范圍的延展，是劑量或成分的函數(shù)分的函數(shù)薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷薄膜的結(jié)構(gòu)與缺陷4. 2 非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)化非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)化沉積的無(wú)定形薄膜，在一定溫度下退火，或用一定能量沉積的無(wú)定形薄膜，在一定溫度下退火，或用一定能量的激光退火，可能使其向晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，成為多晶薄膜，的激光退火，可能使其向晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，成為多晶薄膜，甚至是準(zhǔn)單晶薄膜甚至是準(zhǔn)單晶薄