薄膜的结构与缺陷.ppt

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1、第四章（补充）薄膜的结构与缺陷第一节　薄膜的结构薄膜的结构因研究的对象不同分三种类型：(1)组织结构(2)晶体结构(3)表面结构薄膜的结构与缺陷一、薄膜组织结构：(1)无定形结构薄膜的组织结构是指它的结晶形态其结构分为四种类型：(2)多晶结构(3)纤维结构(4)单晶结构1.无定形结构无定形结构(也称为非晶结构或玻璃态结构)其内部原子的排列是无序的，更严格地说，是不存在长程的周期排列(在微观尺度上可能存在有序的原子团)薄膜的结构与缺陷薄膜的结构与缺陷相对于块体材料来讲，比较容易制备非晶态的薄膜这是由于薄膜的制备方法比较容易实现形成

2、非晶态结构的外部条件，即较高的过冷度和低的原子扩散能力形成无定形薄膜的工艺条件是降低吸附原子的表面扩散速率硫化物和卤化物薄膜在基体温度低于77K时可形成无定形薄膜降低表面扩散速率的方法：薄膜的结构与缺陷降低基体温度、引入反应气体和掺杂有些氧化物薄膜(如TiO2、ZrO2、Al2O3等)，基体温度在室温时有形成无定形薄膜的倾向溅射沉积W、Mo、Hf、Zr、Re膜时，加入原子百分比为1%的N2，所得的膜是非晶态在10-2～10-3Pa氧分压中蒸发铝、镓、铟和锡等超导薄膜，由于氧化层阻挡了晶粒生长而形成无定形薄膜在83%ZrO2-17

3、SiO2和67%ZrO2-33%MgO的掺杂薄膜中，由于两种沉积原子尺寸的不同也可形成无定形薄膜；薄膜的结构与缺陷2.多晶结构薄膜的结构与缺陷多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所组成用真空蒸发或阴极溅射法制备的薄膜，都是通过岛状结构生长起来，必然产生许多晶粒间界形成多晶结构在多晶薄膜中，常常出现一些块状材料未曾发现的介稳相结构在薄膜形成过程中生成的小岛就具有晶体的特征(原子有规则的排列)思考：由众多小岛聚结形成的薄膜是单晶还是多晶薄膜？薄膜的结构与缺陷讨论：晶界或晶粒间界所表现出两个的特征：多晶薄膜中不同晶粒间的交界面称为晶

4、界或晶粒间界(1)由于晶界中晶格畸变较大，因此晶界上原子的平均能量高于晶粒中内部原子的平均能量，它们的差值称为晶界能。高的晶界能量表明它有自发地向低能态转化的趋势。晶粒的长大和平直化都能减少界面面积，从而降低晶界能量。所以只要原子有足够的动能，在它迁移时就出现晶粒长大和晶界平直化的结果薄膜的结构与缺陷多晶薄膜中晶界(晶粒间界)处原子扩散问题是薄膜物理研究的一个重要内容(2)由于晶界中原子排列不规则，其中有较多的空位。当晶粒中有微量杂质时，因它要填入晶界中的空位，使系统的自由能增加要比它进入晶粒内部低。所以微量杂质原子常常富集在晶

5、界处，杂质原子沿晶界扩散比穿过晶粒要容易得多薄膜的结构与缺陷3.纤维结构纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜。根据取向方向、数量的不同又可分为单重纤维结构和双重纤维结构单重纤维结构是各晶粒只在一个方向上择优取向，有时也称为一维取向薄膜双重纤维结构是各晶粒在两个方向择优取向，二维取向薄膜类似于单晶，它具有类似单晶的性质薄膜的结构与缺陷在薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的各个阶段：在非晶态基体上，大多数多晶薄膜都倾向于显示择优取向初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段若吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率，晶粒的择优取向可发生在薄

6、膜形成的初期阶段在起始层中原子排列取决于基体表面、基体温度、晶体结构、原子半径和薄膜材料的熔点若吸附原子在基体表面上扩散速率较小，初始膜层不会出现择优取向薄膜的结构与缺陷3.单晶结构单晶结构薄膜通常是用外延工艺制备外延生长的三个基本条件：(1)吸附原子具有较高的扩散速率，所以基体温度和沉积速率就相当重要(2)基体与薄膜材料的结晶相容性。假设基体的晶格常数为a，薄膜的晶格常数为b。晶格失配数m=(b-a)/a。m值越小，外延生长越容易实现(3)要求基体表面清洁、光滑和化学稳定性好薄膜的结构与缺陷薄膜的结构与缺陷二、薄膜的晶体结构薄

7、膜的晶格常数常常和块状晶体不同薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与块状晶体是相同的，只是晶粒取向和晶粒尺寸与块状晶体不同产生晶格常数不同的两个原因：(1)薄膜材料本身的晶格常数与基体材料晶格常数不匹配(2)薄膜中有较大的内应力和表面张力薄膜的结构与缺陷由于晶格常数不匹配，在薄膜与基体的界面处晶粒的晶格发生畸变形成一种新晶格，以便和基体匹配晶格常数相差的百分比等于2%时，薄膜与基体界面处晶格畸变层的厚度为几个埃；当相差的百分比等于4%时，薄膜与基体界面处晶格畸变层的厚度为几百埃；当相差的百

8、分比大于12%时，晶格畸变达到完全不匹配的程度薄膜的结构与缺陷假设基体表面上有一个半球形的晶粒其半径为r，单位面积的表面张力为σ晶粒产生的压力为受力面积为薄膜的表面张力使薄膜晶格常数变化的情况可用理论计算说明薄膜的结构与缺陷EV：薄膜的弹性系数a：晶格常数压力强