薄膜的結(jié)構(gòu)特征和缺陷

薄膜的結(jié)構(gòu)特征和缺陷第一頁，共十二頁，2022年，8月28日一、薄膜的結(jié)構(gòu)

薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)，薄膜結(jié)構(gòu)可分為三種類型：1、組織結(jié)構(gòu)2、晶體結(jié)構(gòu)3、表面結(jié)構(gòu)第二頁，共十二頁，2022年，8月28日1、薄膜的組織結(jié)構(gòu)(1)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。從原子排列情況來看它是一種近程有序、遠(yuǎn)程無序的結(jié)構(gòu)，只有少數(shù)原子排列是有秩序的，顯示不出任何晶體的性質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)稱為非晶結(jié)構(gòu)或玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)。形成非晶薄膜的工藝條件是降低吸附原子的表面擴(kuò)散速率?？梢酝ㄟ^降低基體溫度、引入反應(yīng)氣體和摻雜等的方法制成非晶薄膜。第三頁，共十二頁，2022年，8月28日(2)多晶結(jié)構(gòu)。多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成。在薄膜形成過程中生成的小島就具有晶體的特征(原子有規(guī)則的排列)。由眾多小島聚結(jié)形成的薄膜就是多晶薄膜。用真空蒸發(fā)法或陰極濺射法制成的薄膜，都是通過島狀結(jié)構(gòu)生長起來的，所以必然產(chǎn)生許多晶粒間界，從而形成多晶結(jié)構(gòu)。第四頁，共十二頁，2022年，8月28日(3)纖維結(jié)構(gòu)。纖維結(jié)構(gòu)薄膜是晶粒具有擇優(yōu)取向的薄膜，根據(jù)取向方向、數(shù)量的不同分為單重纖維結(jié)構(gòu)和雙重纖維結(jié)構(gòu)。

生長在薄膜中晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜生長的各個(gè)階段：初始成核階段、小島聚結(jié)階段和最后階段。第五頁，共十二頁，2022年，8月28日(4)單晶結(jié)構(gòu)。單晶結(jié)構(gòu)薄膜通常是用外延工藝制造的。外延生長需要滿足三個(gè)基本的條件。a、吸附原子必須有較高的表面擴(kuò)散速率，所以基體溫度和沉積速率就相當(dāng)重要。在一定的蒸發(fā)速率條件下，大多數(shù)基體和薄膜之間都存在著發(fā)生外延生長的最低溫度，即外延生長溫度。b、基體與薄膜材料的結(jié)晶相溶性。c、基體表面清潔、光滑和化學(xué)穩(wěn)定性好。滿足以上三個(gè)基本條件，才能制備結(jié)構(gòu)完整的單晶薄膜。第六頁，共十二頁，2022年，8月28日2、薄膜的晶體結(jié)構(gòu)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)是指薄膜中各晶粒的晶型狀況。晶體的主要特征是其中原了有規(guī)則的排列。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。除了晶體類型之外，薄膜中晶粒的晶格常數(shù)也常常和塊狀晶體不同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：一是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，二是薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力。

第七頁，共十二頁，2022年，8月28日3、薄膜的表面結(jié)構(gòu)

在薄膜的沉積、形成、成長過程中，入射到基體表面上的氣相原子是無規(guī)律的，所以薄膜表面都有一定的粗糙度。粗糙度對光學(xué)性能影響較大。由于薄膜的表面結(jié)構(gòu)和構(gòu)成薄膜整體的微型體密切相關(guān)，在基體溫度和真空度較低時(shí)，容易出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)。所有真空蒸發(fā)薄膜都呈現(xiàn)柱狀體結(jié)構(gòu)，濺射薄膜的柱狀結(jié)構(gòu)是由一個(gè)方向來的濺射粒子流在吸附原子表面擴(kuò)散速率很小的情況下凝聚形成的。第八頁，共十二頁，2022年，8月28日二、薄膜的缺陷所有在塊狀晶體材料中可能出現(xiàn)的各類晶格缺陷在薄膜中也都可能出現(xiàn)。但是由于薄膜及其成膜過程的特殊性，因而薄膜中缺陷的形成原因和分布等也表現(xiàn)出一定的持續(xù)性，特別是其數(shù)量一般都大大超過塊狀材料。與此同時(shí)，薄膜中的晶格常數(shù)也與材料塊狀時(shí)的值有較大的差別。薄膜的缺陷可以分為以下三種類型1、點(diǎn)缺陷2、線缺陷3、薄膜的晶界與層錯(cuò)第九頁，共十二頁，2022年，8月28日1、薄膜的點(diǎn)缺陷晶體中晶格排列出現(xiàn)的缺陷如果只涉及單個(gè)晶格則稱為點(diǎn)缺陷。當(dāng)沉積速率很高、基片濕度較低時(shí)，到達(dá)基片表面的原子來不及完整地排列就被后來的原子層所覆蓋，這樣就可能在薄膜中產(chǎn)生高濃度的空位缺陷。

點(diǎn)缺陷的典型構(gòu)型是空位和填隙原子。逃離原位的原子或躍遷到晶體表面的正常位置，形成Schottky缺陷，或會(huì)跳進(jìn)晶格原子之間的間隙里形成Frenkcl缺陷。這兩種缺陷均為本征點(diǎn)缺陷。

第十頁，共十二頁，2022年，8月28日

2、薄膜的線缺陷。

位錯(cuò)是晶態(tài)薄膜中最普遍存在的一種線性缺陷，是薄膜中最常遇到的缺陷之一，它是晶格結(jié)構(gòu)中一種“線型”的不完整結(jié)構(gòu)。薄膜中的位錯(cuò)大部分從薄膜表面伸向基體表面，并在位錯(cuò)周圍產(chǎn)生畸變。引起薄膜位錯(cuò)的原因很多。在薄膜生長過程中，最初階段基片上的晶核和孤立的小扇形狀和結(jié)晶取向是隨機(jī)的。但是在聚結(jié)階段，當(dāng)兩個(gè)小島相遇時(shí)，如果它們的位向有輕微差別，在結(jié)合處將形成位錯(cuò)。第十一頁，共十二頁，2022年，8月28日3、薄膜的面缺陷（1）晶界晶界和塊狀材料相似，薄膜中各晶粒之間由于相對取向的不同出現(xiàn)了