《薄膜结构》PPT课件

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1、第六节薄膜的结构组织结构晶体结构表面结构薄膜的组织结构可以分成四种：非晶态结构、多晶结构、单晶结构和纤维结构。非晶态结构薄膜的非晶态结构又称为无定型结构。从原子排列情况来看它是一种近程有序结构。就是在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。这种结构显示不出任何晶体的性质。组织结构非晶态薄膜形成的首要条件是要急剧冷却，使薄膜的正常的结晶过程无法进行，造成沉积原子随机地、无序地堆积。一般如果在原子沉积过程中的急冷效应达时，就有可能得到非晶态的薄膜。真空蒸发、高速溅射、等离子体激活的化学

2、气相沉积和离子束混杂等工艺都是制备非晶态薄膜常用的技术。在实际制备非晶态薄膜的装置中，基片温度必须低于某一临界温度。例如，Si，Ge等元素，在室温条件下进行蒸镀时也会形成非晶态；在PECVD工艺中，甚至在左右仍能得到非晶态。而V，Bi等元素在蒸镀时必须冷却到液氦温度附近的基片上，才得到非晶态。为了消除非晶态薄膜中的非晶态缺陷（空隙、悬空键等），得到完全的非晶态薄膜，必须进行退火处理。由于非晶态薄膜时处于亚稳状态，如果加热到某一温度以上就会发生结晶化，所以，退火处理必须在结晶化温度以下进行。经退火后的完全非晶态的薄

3、膜电阻率会增大。当电阻率符合和呈直线关系时，表面退火已达消除非晶缺陷的目的。目前已经能够得到的非晶态物质有：Be、Y、Ti、V、Nb、Ta、Cr、W、Mn、Re、Ni、Co、Pd、Ga、C、Si、Ge、Sb、Bi、As、Se和Te，以及一系列合金。非晶态结构薄膜在环境温度下是稳定的。它不是具有不规则的网络结构，就是具有随机密堆积的结构。可以认为，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存在着连续不断的、严格的缺乏长程有序性。用衍射法研究时，这种结构在X射线衍射谱图中呈现很宽的漫散

4、射峰，在电子衍射图中则显示出很宽的弥散形光环。非晶态物质具有优良的物理、机械性能。近年来，已制成了非晶态的磁性材料、非晶超导材料、非晶半导体材料和非晶光电材料等等。非晶态薄膜在现代科学技术的各领域中将发挥越来越大的作用。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。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）。由众多小岛聚结形成薄膜就是多晶薄膜。用真空蒸发法或阴极溅射法制成的薄膜，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。多晶薄膜中不同晶粒间的交界面称为晶界或晶粒间界。

5、晶界中的原子排列状态，实际上是从一侧晶粒内的原子排列状态向另一侧晶粒内原子排列状态过渡的中间结构。因此，晶界是一种“面型”的不完整结构。从而显示出一系列与晶粒内部不同的特征。（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。晶粒的长大和晶界平直化都能减少晶界面积，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。（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

6、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自由能低。所以微量杂质原子常常富集在晶界处，杂质原子沿晶界扩散比穿过晶粒要容易得多。单晶结构单晶薄膜是整个薄膜各部分结晶位向都相同的晶体薄膜。制备单晶是一项特殊的技术，一般统称为外延技术，所以以单晶膜有时又称为外延膜。制备单晶膜可以用真空蒸镀、高频溅射、化学气相沉积和分子束外延等方法。对于单晶薄膜的电子显微镜观察发现，单晶膜也并非只是一个完整的晶粒，而是尺寸为数微米、取向大致相同的晶粒的集合体。在影响单晶膜形成的各个条件之中，最重要的是基底物质的种

7、类、基底温度、蒸镀速度和基底是否有污染等等。基底物质的影响可以用失配度m来表示。失配度m可以表示为:其中，a为薄膜的晶格常数；b为基底的晶格常数。当m=0时，相当于发生同质外延。失配度m只是表示蒸镀物质和基底无视结晶类似性的一个指标。但曾一度片面地认为，m越小就越容易引起外延。随着研究的深入，已经发现，m大时也可产生外延。所以，m和外延的关系并不是很简单的。要得到单晶膜，必须使基底保持在某个临界温度以上，一般把这个温度称为外延温度。需要有外延温度的原因是，在这温度以上能保证沉积原子有足够的条件徙动、扩散到表面上稳

8、定的位置，排列到晶体格点中去。外延温度不仅取决于基底和薄膜材料的组合，而且还取决于基底表面是否有污染。例如在空气中解理的Nacl晶体的（100）面上蒸镀金属的外延温度要比在真空中解理的高出100-200K左右，原因就是在空气中解理的Nzcl面上有污染存在。表2-3是一些薄膜和单晶基底组合时的失配度和外延温度的数据。实际上，外延温度不仅和物质的种类和有否污染有关，而且还和蒸