《薄膜的结构与缺陷》PPT课件

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1、1第八章薄膜的结构与缺陷2021/10/61§8-1薄膜的结构§8-2薄膜的缺陷§8-3薄膜结构和组织的分析方法2薄膜的结构与缺陷在一定程度上决定着薄膜的性能，因此对薄膜结构与缺陷的研究一直是大家十分关注的问题。2021/10/623§8-1薄膜的结构薄膜结构因研究对象不同可分为三种类型：组织结构、晶体结构、表面结构。一．薄膜的组织结构指它的结晶形态。无定形结构多晶结构（包括纤维结构）单晶结构31．无定形结构(非晶结构或玻璃态结构)无定形近程有序，长程无序，2～3个原子距离内原子排列是有秩序的，大于这个距离其排列是杂乱无规则的。如：非晶半导体薄膜、非晶稀土-过渡金属磁光薄膜，某些阳极氧化

2、膜类无定形由无序排列的极其微小（<2nm）的晶粒组成，其X射线和电子束的衍射图像发生严重弥散而类似于无定形结构。如：高熔点金属薄膜、高熔点非金属化合物薄膜、碳、硅、锗的某些化合物薄膜，两个不相容材料的共沉薄膜。45◆无定形结构薄膜在环境温度下是稳定的。两种结构：不规则的网络结构（玻璃态）主要出现在氧化物薄膜、元素半导体薄膜和硫化物薄膜中。随机密堆积的结构主要出现在合金薄膜之中。◆不规则的网络结构是两种互相贯通的随机密堆积结构组成的。这些随机结构的特征是缺乏连续的长程有序性。◆在x射线衍射谱图中，呈现很宽的漫散射峰，在电子衍射图中显示出很宽的弥散性光环。6形成无定形薄膜的工艺条件：降低吸附

3、原子的表面扩散速率。方法：降低基体温度Ts、引入反应气体和掺杂。实例：A、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。B、10-2~10-3Pa氧分压中蒸发铝、镓、铟等超导薄膜，由于氧化层阻挡晶粒生长而形成无定形薄膜。C、83%ZrO2-17%SiO2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。2021/10/6672.多晶结构多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所组成。晶粒尺寸一般在10-100nm，亦称为微晶薄膜（如低熔点金属薄膜）。晶粒特别小（<10nm）的薄膜，称为超微粒薄膜。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），由众多小

4、岛聚结形成薄膜就是多晶薄膜。真空蒸发与溅射法制成的薄膜多属于这种结构。分类：按微晶的排列情况：无序多晶薄膜（包括多熔点金属薄膜）晶粒择优取向薄膜（包括锥形结构、纤维结构和柱状结构）2021/10/67在多晶薄膜中，常常出现一些块状材料中未曾发现的介稳相结构。例如在ZrO2薄膜中常存在着介稳四方相。当四方相朝单斜相转变时伴随有4％的体积膨胀。在ZrO2中掺入Y2O3后可防止介稳相产生而形成稳定的立方相。形成介稳相的原因可能是沉积工艺条件、基体、杂质、电场和磁场等引起的。但通过退火热处理可使介稳相转变成稳定的正常结构。8晶界：多晶薄膜中不同晶粒间的交界面称为晶粒间界，或称晶界。具有与晶粒内部

5、不同的特征。晶界特点：①由于晶界中晶格畸变较大，晶界上原子的平均能量高于晶粒内部原子的平均能量，它们的差值称为晶界能。②由于晶界中原子排列不规则，其中有较多的空位。微量杂质原子常富集在晶界处，杂质原子沿晶界扩散比穿过晶粒要容易。多晶薄膜中晶粒间界原子扩散的研究方法包括建立解析数学模型和实验技术。9103．纤维结构纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜。『属于这种结构的有各种压电微晶薄膜』◆根据取向方向、数量的不同分为:单重纤维结构双重纤维结构。单重纤维结构：晶粒只在一个方向上择优取向，有时称为一维取向薄膜。双重纤维结构：在两个方向上有择优取向，有时称为二维取向薄膜。◆在非晶态基体上，大多数

6、多晶薄膜都倾向于显示出择优取向。◆薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的各个阶段：初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。2021/10/61011◆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。◆如果吸附原子的表面扩散速率小，初始膜层不会产生择优取向。◆当膜层较厚时,则形成强烈的对着蒸发源方向的取向。晶粒向蒸发源的倾斜程度依赖于基体温度、气体原子入射角度和沉积速率等。2021/10/611124．单晶结构原子高度有序排列。单晶结构薄膜多由外延工艺制作。外延生长单晶薄膜条件：

7、a、吸附原子必须有较高的表面扩散速率，因此沉积速率和基体温度Ts是重要因素。b、基体与薄膜材料的结晶相容性。晶格失配数m=(b-a)/a，m值越小，一般地说其外延生长就越容易实现。C、基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。2021/10/612132021/10/613外延温度：要得到单晶膜，基底必须保持的最低临界温度。需要外延温度的原因：在这温度以上能保证沉积原子有足够的条件迁徙，扩散到表面上稳定的位置，排列到晶体格点中去。外延温度不