薄膜的结构与缺陷-15-2012.ppt

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1、薄膜的结构与缺陷薄膜结构决定性能★薄膜的结构★薄膜缺陷★薄膜结构和组分的分析方法薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构★薄膜的结构薄膜的组织结构薄膜结构：组织结构、晶体结构、表面结构薄膜的组织结构是指薄膜的结晶形态，包括无定形结构、多晶结构、纤维结构、单晶结构。无定形结构（非晶或玻璃态结构）结构特性：近程有序、长程无序；不具备晶体的性质；亚稳态薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构晶态非晶态薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构替代无序振动无序薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构形成无定形结构的条件：降低吸附原子的表面扩散速率。降低

2、基片温度；引入反应气体；掺杂。常温稳定性。晶体的特性：具有固定的熔点；各向异性；特定的几何外形。薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构多晶结构多晶结构薄膜是指由若干大小不等，晶向不等的晶粒所构成的结构。薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构多晶结构薄膜存在晶界（晶粒间界）晶界上存在晶格畸变；界面能：界面移动造成晶粒长大和界面平直化；空位源：杂质富集；界面特性影响多晶薄膜与输运相关的性质。薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构纤维结构（织构）概念：纤维结构薄膜是指晶粒具有择优取向的薄膜。择优取向可以发生在薄膜生长的各个阶段。如果

3、吸附原子具有较高的表面扩散速率，则晶粒的则优取向可以发生在薄膜形成的初期。如果吸附原子的表面扩散速率较小，初始膜层不会出现则优取向。单重纤维结构（一个方向）双重纤维结构（两个方向）薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构多晶薄膜织构形成机理比较复杂，比体材料的织构问题复杂的多，研究工作不够深入。一般受到如下因素影响：基片性质非晶态基片：fcc结构薄膜则优方向[111]；hcp结构薄膜的则优方向[0001]，bcc结构薄膜则优方向[110]。单晶基片也有织构现象：硅基片沉积AlN，则优方向c轴。基片本身的织构诱导薄

4、膜形成织构。薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构基片温度基片温度影响到达基片成膜原子在基片表面的粘附系数和迁移率。低温基片有利于原子表面冷凝而形成非晶态结构。提高基片温度有利于原子规则排列，形成取向良好的薄膜。例：MOCVD在（100）硅片上沉积ZnO薄膜，TS=160℃时，则优方向[1010]TS=325℃时，则优方向[1010]和[0001]TS=400℃时，则优方向[0001]薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构沉积速率一般来说，沉积速率愈大，薄膜中晶粒的则优取向愈弱。沉积速率与基片温度是相互制约的两个因素。

5、要得到则优趋向良好的薄膜，两者之间有一个最佳匹配范围。沉积速率增加时，基片温度也要相应增加，否则先到达基片的粒子由于迁移率过低影响定向排列。薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构气体组分和压强压强不同，基片表面上原子吸附系数和表面迁移率不同；活性反应气体的分压影响成膜速率和不同晶面的表面能，因而影响则优取向。例：离子镀膜TiNPN2≻5.3x10-2Pa时，几乎所有晶粒按[111]方向取向；PN2较低时，出现较强的[111]方向取向；薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构薄膜厚度当薄膜较厚时，在原子的入射方向存在则优取

6、向。例：在非晶态基片上沉积具有面心立方晶格的金属薄膜。在薄膜的起始阶段，呈[111]则优方向；当薄膜很厚时变为[110]织构。入射粒子流方向外电场方向薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构单晶结构单晶结构薄膜通常用外延技术形成。形成条件：吸附原子具有较高的表面扩散速率；晶格匹配；基片表面清洁、光滑、化学稳定。晶态和非晶态的转变薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构薄膜的晶体结构多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸不同，晶格常数也

7、不同。原因如下：薄膜材料本身的晶格常数与基片材料晶格常数不匹配；薄膜中有较大的内应力和表面张力。薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构表面结构由热力学能量理论，薄膜表面平化晶粒的各向异性生长，薄膜表面粗化低温基片上，薄膜形成多孔结构薄膜表面形成过程AB薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构薄膜表面结构与显微结构有关呈柱状颗粒和空位组合结构；柱状体几乎垂直于基片表面生长，而且上下端尺寸基本相同；平行于基片表面的层与层之间有明显的界面。大多数蒸发薄膜具有如下特点：表面结构包括外表面和内表面。薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构薄

8、膜晶粒织构（组织结构）模型薄膜织构与基片温度和蒸发材料熔点温度的比值相关。气孔率减小薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构薄膜微观结构表征（柱状体半径、内表面积、聚集密度）阅读教材薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷★薄膜的缺陷点缺陷薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷空位是热力学稳定的缺陷不同金属空位形成能不同空位浓度与空位形成能、温度密切相关薄膜中原子空位的主要效果主