材料表面薄膜技術(shù)

1、材料表面薄膜技術(shù)：楊烈宇。P253-260Piezoresistance and electrical resistivity of Pd, Au, and Cu films:電子隧道效應(yīng)與表面粗糙度對薄膜電阻的影響。mean free path and effective density of conduction electeonsin polycrystalline metal filmsd電子自由程對多晶金屬電阻 率的影響。The electrical conductivity of thin metal films with very smooth surfaces具有光滑表面的金屬

2、薄膜的電導(dǎo)率（1）金屬薄膜電阻率與表面粗糙度、殘余應(yīng)力的關(guān)系唐武1，鄧龍江1，徐可為2, Jian Lu3（1 .電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都610054）（2 .西安交通大學(xué)，陜西西安710049）薄膜表面的粗糙度可通過原子力顯微鏡測量，殘余應(yīng)力采 用光學(xué)干涉的方法測定。電阻率與表面粗糙度的關(guān)系：隨著表面粗糙度的增加薄膜的電阻率一直在增加，有關(guān)薄膜表面散射對薄膜電導(dǎo)的影響，已經(jīng)有很多人作過研究，目前認(rèn)為比較符合實際情況 的是法奇斯（Fuchs）.桑德海默爾（Sondheimer）理論。由 桑德海默爾推導(dǎo)的薄膜電阻率的表達(dá)式很繁，當(dāng)t2 時，在應(yīng)用上可取近似表達(dá)式：式

3、中.外為塊體材料電阻率，A為電子平均自由程， /為薄膜厚度0由式（1）可見，當(dāng)= 丈時，0比風(fēng)增 加約40%： t = QA時寸pf增加約4%口因此對較薄的 薄膜，表面散射對薄膜電導(dǎo)的影響不可低估。式（1）是假設(shè)電子在薄膜表面完全漫反射所得的 結(jié)果，對于有一部分電子在表面產(chǎn)生鏡面反射的情況, 式（1）應(yīng)修正為：P”】+*（ ）-般的金屬電子自由程大概為表1金鷹電子平均自由程 墮 TbeT噸切path of metal 祀段ctroiaMcuLMean fkee paib of m#tal 可些tro口Jnm Resistivity at RT/-200 r0T100 1C10&UcmLi95.

4、511.379&.55Na187,033,52334.3K133.fi37.624 06.1Cu296,542.129.41.69Ag242.357.540 5L47Au153.04Q.629J2.44Ni13.30.07.24Co】3.0，991Fe275.522,015.68.85Pt72.0JLO7.99用在50C時大概20-30,鎳鎘或者康銅，當(dāng)厚度T=10，即厚度為300nm時，根據(jù)上式計算得：加約40%： t = QA時，pf增加約4%。因此對較薄的 薄膜，表面散射對薄膜電導(dǎo)的影響不可低估式（1）是假設(shè)電子在薄膜表面完全漫反射所得的 結(jié)果，對于有一部分電子在表面產(chǎn)生鏡面反射的情況，

5、 式（1）應(yīng)修正為；為=岳】+普。一）（2）反射所占比例為P,漫反射所占比例為（1-P），對于同樣的 薄膜，改善表面光滑程度，可以使薄膜電阻率降低。事實上，在研究對象中，薄膜的厚度己經(jīng)是電子 平均自由程的10倍以上，按照F-S理論.此時薄膜電 阻率的增加是很小的,似乎不足以引起根本性的改變， 但實驗結(jié)果顯示，簿膜電阻率隨看表面粗植度的增加 而增大，可能的解釋是由于薄膜的生長結(jié)構(gòu)所造成 圖2為磁控滋射Au薄膜的三雄原子力顯微鏡形貌。 可見，磁控濺射Au膜均星柱狀晶結(jié)構(gòu)生長，在垂直 于薄膜表面方向顆粒尺寸參差不齊，縱向不同高度以 及橫向不同尺寸的顆粒導(dǎo)致了不同的薄膜表面粗糙 度，從而影響電子在薄膜

6、中的輸運導(dǎo)致薄膜電阻率 的變化.表而高低起伏越大，粗糙度值就越大，電子與之碰撞的幾率 就越多，在電場方向降低的傳輸速度就加快，導(dǎo)致薄膜電導(dǎo) 率下降，相應(yīng)電阻率升高。也就是說，表而粗糙度越大，薄 膜電阻率將增大Burnett12】等人對濺射Cu膜研究發(fā)現(xiàn)，隨殘余拉應(yīng)力增加，薄膜電阻率增大；研究認(rèn)為，電阻率與殘余應(yīng)力之間的這種對應(yīng)關(guān)系，可能和薄膜的品體取向有關(guān)。從前期研究中已經(jīng)知道，對而心立方金屬，薄膜殘余應(yīng)力與品體取向有內(nèi)在的聯(lián)系【161。薄膜殘余拉應(yīng)力隨(111)取向增強而增 大。薄膜中電阻率的產(chǎn)生與電子.品格、電子雜質(zhì)、 電子.品界、電子一表面的碰撞有關(guān)，這就必然會涉及 到品界、品格和表面的

7、狀態(tài)。對應(yīng)于表面能，密排面 (111)對應(yīng)的表面能最??；對應(yīng)于應(yīng)變能，(111)取向的 品粒中應(yīng)變能密度最大。也就是說，隨著殘余拉應(yīng)力 的增加，薄膜(111)取向呈增強的態(tài)勢。此時，薄膜中 應(yīng)變能集聚越多，導(dǎo)致品粒變形越厲害，品界扭曲程 度增加，品界對電子造成的散射就會越顯著，薄膜電 阻率相應(yīng)增大。Tseng171等人對A1和W膜的研究進(jìn) 步證實了上述結(jié)果。(2)陶瓷基體表面粗糙度對Ni-Cr薄膜換能元性能的影響 王廣海，李國新，焦清介(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081) :隨著基底粗糙度的增大，薄膜顆粒度增大，結(jié)構(gòu)缺 陷增多，電阻率增大，Ni. cr薄膜附著力變大

8、；基底粗糙度 不同的樣品隨著刺激量的增大，爆發(fā)時間的差別逐漸縮小，t基片表面粗糙度分析I. 1基片預(yù)處理 選擇陶瓷片(青1： O, 95%)作為摹體材料前 先將陶瓷摹體分別#l摩、拋光處理.得到3種小11粗 糙鷹的陶瓷基底，即：地光基底、粗磨基底、原始束處 理贛底，然后進(jìn)行超聲波清洗。凡體班撩如下：1）將基片放人洗浩液中浸泡15 mi,i.眥去蹤坫 片在拋光和打暗過程中帶來的表晰油脂的污染：2）取出基片，用大量上離子水漂洗.以擊障喪 而殘留的洗沽淑；3）在灑精邗乙醚（2。1）的混臺液中越聲波清洗；4）用高壓氨氣吹基片。饞個操作過程中要旌免用手商接接牲基片金屬電阻形成的根源是自由電子發(fā)生碰撞，從

9、而失去了從外 電場霍德爾的定向速度，這種碰撞可能發(fā)生于電子-品格 電子-雜志、電子-品界、電子-表面，在塊體材料中，電子- 表而碰撞的次數(shù)在總的碰撞次數(shù)中所占比率較小，可以胡 烈，因而塊體材料的電阻率與物體尺寸無關(guān)。對薄膜,當(dāng)其表面特征尺寸可與該溫度下 包子自由程相當(dāng)時佻子一薄膜的表面碰撞為非鏡 耐反射 即S射方向與人射h向無關(guān)，亦即漫反 時），電陽率就會隨表面狀態(tài)改變10有關(guān)海膜表 面反射對薄膜電導(dǎo)的影響,已經(jīng)有很多人做過研究, 【I前認(rèn)為比較符合實際情況的是法奇斯一槃德海默爾 理論，由此理治推導(dǎo)的薄膜電陽率公式可以簡化為式中;P，為塊體材料電陽率；人為電子平均臼由程/ 為薄膜薄度由（2）式可電：當(dāng)U時血%增 加約40們在研究對象中Ni-Cr薄膜叩度為】合金平均電Tf! ill程在室溫下約為13按照法奇期一桑德海默爾理論、表面散射對電阻率的 影響很小