薄膜物理-(12)市賽課一等獎全省微課優(yōu)質課特等獎PPT課件省名師優(yōu)質課賽課獲獎課件市賽課一等獎課件

第七章薄膜結構與缺點第一節(jié)薄膜結構薄膜結構因研究對象不一樣分三種類型：(1)組織結構(2)晶體結構(3)表面結構1/70薄膜結構與缺點一、薄膜組織結構：(1)無定形結構薄膜組織結構是指它結晶形態(tài)其結構分為四種類型：(2)多晶結構(3)纖維結構(4)單晶結構2/701.無定形結構無定形結構(也稱為非晶結構或玻璃態(tài)結構)其內部原子排列是無序，更嚴格地說，是不存在長程周期排列(在微觀尺度上可能存在有序原子團)薄膜結構與缺點3/70薄膜結構與缺點相對于塊體材料來講，比較輕易制備非晶態(tài)薄膜這是因為薄膜制備方法比較輕易實現形成非晶態(tài)結構外部條件，即較高過冷度和低原子擴散能力4/70形成無定形薄膜工藝條件是降低吸附原子表面擴散速率硫化物和鹵化物薄膜在基體溫度低于77K時可形成無定形薄膜降低表面擴散速率方法：薄膜結構與缺點降低基體溫度、引入反應氣體和摻雜有些氧化物薄膜(如TiO2、ZrO2、Al2O3等)，基體溫度在室溫時有形成無定形薄膜傾向濺射沉積W、Mo、Hf、Zr、Re膜時，加入原子百分比為1%N2，所得膜是非晶態(tài)5/70在10-2～10-3Pa氧分壓中蒸發(fā)鋁、鎵、銦和錫等超導薄膜，因為氧化層阻擋了晶粒生長而形成無定形薄膜在83%ZrO2-17SiO2和67%ZrO2-33%MgO摻雜薄膜中，因為兩種沉積原子尺寸不一樣也可形成無定形薄膜；薄膜結構與缺點6/702.多晶結構薄膜結構與缺點多晶結構薄膜是由若干尺寸大小不等晶粒所組成7/70用真空蒸發(fā)或陰極濺射法制備薄膜，都是經過島狀結構生長起來，必定產生許多晶粒間界形成多晶結構在多晶薄膜中，經常出現一些塊狀材料未曾發(fā)覺介穩(wěn)相結構在薄膜形成過程中生成小島就含有晶體特征(原子有規(guī)則排列)思索：由眾多小島聚結形成薄膜是單晶還是多晶薄膜？薄膜結構與缺點8/70討論：晶界或晶粒間界所表現出兩個特征：多晶薄膜中不一樣晶粒間交界面稱為晶界或晶粒間界(1)因為晶界中晶格畸變較大，所以晶界上原子平均能量高于晶粒中內部原子平均能量，它們差值稱為晶界能。高晶界能量表明它有自發(fā)地向低能態(tài)轉化趨勢。晶粒長大和平直化都能降低界面面積，從而降低晶界能量。所以只要原子有足夠動能，在它遷移時就出現晶粒長大和晶界平直化結果薄膜結構與缺點9/70多晶薄膜中晶界(晶粒間界)處原子擴散問題是薄膜物理研究一個主要內容(2)因為晶界中原子排列不規(guī)則，其中有較多空位。當晶粒中有微量雜質時，因它要填入晶界中空位，使系統(tǒng)自由能增加要比它進入晶粒內部低。所以微量雜質原子經常富集在晶界處，雜質原子沿晶界擴散比穿過晶粒要輕易得多薄膜結構與缺點10/703.纖維結構纖維結構薄膜是晶粒含有擇優(yōu)取向薄膜。依據取向方向、數量不一樣又可分為單重纖維結構和雙重纖維結構單重纖維結構是各晶粒只在一個方向上擇優(yōu)取向，有時也稱為一維取向薄膜雙重纖維結構是各晶粒在兩個方向擇優(yōu)取向，二維取向薄膜類似于單晶，它含有類似單晶性質薄膜結構與缺點11/70在薄膜中晶粒擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜生長各個階段：在非晶態(tài)基體上，大多數多晶薄膜都傾向于顯示擇優(yōu)取向初始成核階段、小島聚結階段和最終階段若吸附原子在基體表面上有較高擴散速率，晶粒擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜形成早期階段在起始層中原子排列取決于基體表面、基體溫度、晶體結構、原子半徑和薄膜材料熔點若吸附原子在基體表面上擴散速率較小，初始膜層不會出現擇優(yōu)取向薄膜結構與缺點12/703.單晶結構單晶結構薄膜通常是用外延工藝制備外延生長三個基本條件：(1)吸附原子含有較高擴散速率，所以基體溫度和沉積速率就相當主要(2)基體與薄膜材料結晶相容性。假設基體晶格常數為a，薄膜晶格常數為b。晶格失配數m=(b-a)/a。m值越小，外延生長越輕易實現(3)要求基體表面清潔、光滑和化學穩(wěn)定性好薄膜結構與缺點13/70薄膜結構與缺點14/70二、薄膜晶體結構薄膜晶格常數經常和塊狀晶體不一樣薄膜晶體結構是指薄膜中各晶粒晶型情況在大多數情況下，薄膜中晶粒晶格結構與塊狀晶體是相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸與塊狀晶體不一樣產生晶格常數不一樣兩個原因：(1)薄膜材料本身晶格常數與基體材料晶格常數不匹配(2)薄膜中有較大內應力和表面張力薄膜結構與缺點15/70因為晶格常數不匹配，在薄膜與基體界面處晶粒晶格發(fā)生畸變形成一個新晶格，方便和基體匹配晶格常數相差百分比等于2%時，薄膜與基體界面處晶格畸變層厚度為幾個埃；當相差百分比等于4%時，薄膜與基體界面處晶格畸變層厚度為幾百埃；當相差百分比大于12%時，晶格畸變到達完全不匹配程度薄膜結構與缺點16/70假設基體表面上有一個半球形晶粒其半徑為r，單位面積表面張力為σ晶粒產生壓力為受力面積為薄膜表面張力使薄膜晶格常數改變情況可用理論計算說明薄膜結構與缺點17/70EV：薄膜彈性系數

a：晶格常數壓力強度為：依據虎克定律有：薄膜結構與缺點18/70晶格常數改變比為晶格常數改變比(應變)與晶粒半徑成反比，晶粒越小晶格常數改變比越大薄膜結構與缺點19/70三、表面結構薄膜為了使它總能量到達最低值，應該有最小表面積，即應該成為理想平面狀態(tài)實際上這種膜是無法得到薄膜在沉積形成成長過程中，入射到基體表面上氣相原子是無規(guī)律，所以薄膜表面含有一定粗糙度薄膜結構與缺點20/70因為吸附原子表面擴散，使薄膜表面上谷被填平，峰被削平，造成薄膜表面積不?？s小，表面能逐步降低基體溫度較高情況下，因為吸附原子在表面上擴散，使得一些低能晶面得到發(fā)展。但在表面原子擴散作用下，生長最快晶面能消耗那些生長較慢晶面，造成薄膜粗糙度深入增大薄膜結構與缺點21/70在基體溫度較低情況下，吸附原子在表面上橫向運動能量較小，薄膜表面面積隨膜層厚度成線性增大。所得表面面積較大，形成多孔結構薄膜，這種微孔內表面積很大，而且可延續(xù)到最低層，形成柱狀體結構假如沉積薄膜真空度較低，形成薄膜也是多孔性薄膜結構與缺點22/70大多數蒸發(fā)薄膜有以下特點：(1)展現柱狀顆粒和空位組合結構(2)柱狀體幾乎垂直于基體表面生長，而且上下兩端尺寸基本相同(3)平行于基體表面層與層之間有顯著界面。上層柱狀體與下層柱狀體并不完全連續(xù)生長薄膜結構與缺點全部真空蒸發(fā)薄膜都呈柱狀體結構23/70原子沉積過程可分為三個過程：因為發(fā)生上述過程均受到對應過程激活能控制，所以薄膜結構形成與基體溫度Ts和蒸發(fā)材料熔點溫度Tm比值Ts／Tm親密相關(1)氣相原子沉積(2)表面擴散(3)薄膜內擴散薄膜結構與缺點24/70薄膜結構與缺點當Ts／Tm小于0.45時，薄膜就呈柱狀結構大多數薄膜都是在區(qū)域1基體溫度下沉積，其柱狀體直徑為幾百個?，柱狀體之間有顯著界面25/70薄膜結構與缺點26/70薄膜結構與缺點濺射方法制備薄膜組織可依沉積條件不一樣而展現四種不同組織形態(tài)試驗結果表明，除了襯底溫度原因以外，濺射氣壓對薄膜結構也有著顯著影響。這是因為，濺射氣壓越高，入射到襯底上粒子受到氣體分子碰撞越頻繁，粒子能量越低27/70薄膜結構與缺點在溫度很低、氣體壓力較高條件下，入射粒子能量很低。這種情況下形成薄膜含有形態(tài)1型微觀組織沉積組織展現一個數十納米細纖維狀組織形態(tài)，纖維內部缺點密度很高或者就是非晶態(tài)結構；纖維間結構顯著疏松，存在許多納米尺度孔洞。此種膜強度很低因為溫度低，原子表面擴散能力有限，沉積到襯底表面原子即已失去了擴散能力。同時，薄膜形成所需臨界關鍵尺寸很小，因而在薄膜表面上，沉積粒子會不停形成新關鍵28/70薄膜結構與缺點形態(tài)T型組織是介于形態(tài)1和形態(tài)2過渡型組織。此時沉積溫度依然很低，沉積過程中臨界關鍵尺寸依然很小形態(tài)1組織向形態(tài)T組織轉變溫度與濺射時氣壓相關。濺射氣壓越低，即入射粒子能量越高，則發(fā)生轉變溫度越向低溫方向移動上述結果表明，入射粒子能量提升有抑制形態(tài)1組織出現，促進形態(tài)T組織出現作用。產生這種現象原因在于濺射粒子能量提升改進了薄膜表面原子擴散能量，使纖維邊界處組織出現了顯著致密化傾向29/70薄膜結構與缺點Ts／Tm＝0.3~0.5溫度區(qū)間形態(tài)2型組織是原子表面擴散進行得較為充分時形成薄膜組織。此時，原子在薄膜內部體擴散即使不充分，但原子表面擴散能力已經提升，已經能夠進行相當距離擴散在這種情況下，形成組織為各個晶粒分別外延而形成均勻柱狀晶組織，柱狀晶直徑隨沉積溫度增加而增加。晶粒內部缺點密度較低，晶粒邊界致密性很好，這使得薄膜含有較高強度30/70薄膜結構與缺點襯底溫度繼續(xù)升高(Ts／Tm>0.5)使得原子體擴散發(fā)揮重要作用。此時，在沉積進行同時，薄膜內將發(fā)生再結晶過程，晶粒開始長大，直至超出薄膜厚度。薄膜組織變?yōu)榻涍^充分再結晶粗大等軸晶組織，晶粒內部缺點很低，如圖中顯示形態(tài)3型薄膜組織在形態(tài)2和形態(tài)3型組織情況下，襯底溫度已經較高，因而濺射氣壓或入射粒子能量對薄膜組織影響變得比較小了蒸發(fā)法制備薄膜與濺射法制備薄膜組織相同，也可被相應地劃分上述四種不一樣組織形態(tài)。但因為在蒸發(fā)法時，入射粒子能量很低，普通認為其不易形成形態(tài)T型薄膜組織31/70薄膜結構與缺點Ts／Tm＜

0.15時，薄膜組織為晶帶1型細等軸晶，晶粒尺寸只有5～20nm，組織中孔洞較多，組織較為疏松0.15＜

Ts／Tm＜0.3

時，薄膜組織為晶帶T型，其特點是在細晶粒包圍下出現了部分直徑約為50nm尺寸稍大晶粒Ts／Tm

＝

0.3～0.5時，晶帶2型組織開始出現0.5＜

Ts／Tm以后，薄膜組織變?yōu)榫?型粗大等軸晶組織32/70薄膜結構與缺點第二節(jié)薄膜缺點薄膜體內晶體缺點和普通晶體缺點相同薄膜表面和界面會出現和體缺點不一樣缺點(如表面點缺點)晶體缺點是指實際晶體中與理想點陣結構發(fā)生偏差區(qū)域33/70薄膜結構與缺點晶體缺點類型：(1)點缺點：它在三維空間各方向上尺寸都很小，也稱為零維缺點如空位、間隙原子和異類原子等(2)線缺點：在兩個方向上尺寸很小，也稱為一維缺點，主要是位錯

(3)面缺點：它空間一個方向尺寸很小，另外兩個方向上尺寸較大缺點，如晶界、相界和表面等34/70一、點缺點1.點缺點類型(a)肖特基(Schottky)缺點(b)弗侖克爾(Frenkel)缺點(c)雜質缺點薄膜結構與缺點35/702.薄膜中點缺點當沉積速率很高、基板溫度較低時，就可能在薄膜中產生高濃度空位缺點薄膜中存在原子空位效果主要表現在晶體體積和密度上。一個空位可使晶體體積大約減小二分之一原子體積薄膜結構與缺點薄膜中空位濃度在平衡濃度以上，所以它密度比塊狀小，而且空位濃度伴隨時間增加而減小36/70在薄膜中點缺點約占百分之幾個原子。在點缺點中數量最多是原子空位薄膜結構與缺點在真空蒸發(fā)過程中溫度急劇改變會在薄膜中產生很多點缺陷薄膜點缺點對電阻率產生較大影響37/70二、線缺點(位錯)晶體中位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯1.

線缺點(位錯)類型薄膜結構與缺點38/70薄膜結構與缺點39/70薄膜結構與缺點40/70位錯是薄膜中最普遍存在缺點，其密度約為1012～1013/cm2位錯在塊狀優(yōu)質晶體中，其密度約為104～106/cm2位錯在發(fā)生強烈塑性形變晶體中，其密度約為1010～1012/cm2在薄膜中引發(fā)位錯原因：薄膜結構與缺點(1)基體引發(fā)位錯假如薄膜和基體之間有晶格失配位錯，則在生長單層擬似性結構時就會有位錯產生。假如在基體上有位錯，那么在基體上形成薄膜就會因基體位錯而引發(fā)位錯41/70薄膜結構與缺點(2)小島聚結薄膜中產生位錯主要原因都來自小島長大和聚結。在多數小島中其結晶方向都是任意。尤其是兩個晶體方向稍有不一樣兩個小島相互聚結成長時，就會產生以位錯形式小傾斜角晶粒晶界42/70薄膜結構與缺點43/70薄膜結構與缺點44/70薄膜結構與缺點45/70三、面缺點面缺點有晶界、相界、表面、堆積層錯等薄膜結構與缺點46/70薄膜結構與缺點47/70薄膜結構與缺點1.

晶粒間界薄膜中含有許多小晶粒，與塊狀材料相比，薄膜晶粒間界面積較大思索：為何薄膜材料電阻率比塊體材料電阻率大？48/70薄膜結構與缺點晶粒尺寸隨沉積速率改變關系不像上述原因那么顯著當退熾熱處理在退火溫度下沉積薄膜時，晶粒增大效果則不顯著在高于沉積溫度下進行退熾熱處理能夠改變晶粒尺寸。退火溫度越高，晶粒尺寸越大。熱處理較厚膜這種效果越顯著真空蒸發(fā)鍍膜中存在另一個主要面缺點是層錯缺點49/70薄膜結構與缺點第三節(jié)薄膜其它問題1.

成份偏析50/70薄膜結構與缺點Si基片上蒸發(fā)鍍膜400?Ti膜，然后再沉積厚度為100～200?Mo膜。Mo膜只沉積到Ti膜一部分，另一部分是裸露Ti膜，最終將樣品在N2(或He)+H2(8～

10%)中590℃退火30分鐘51/70薄膜結構與缺點52/70薄膜結構與缺點密度是物理結構主要參量，通常它是用測量每單位面積和對應厚度質量確定2.

薄膜密度若薄膜是不連續(xù)或多空洞疏松，則其密度低于塊體值普通情況下，薄膜厚度越小，其密度也越小；當厚度越來越大時，其密度值逐步靠近塊體值53/70薄膜結構與缺點54/70薄膜結構與缺點薄膜在制成后會十分遲緩改變，改變起因在于薄膜制備過程急速冷卻而包含各種各樣缺點、變形等等3.

薄膜經時改變使用薄膜時，普通要求經時改變越小越好要研究薄膜各種制備條件膜越薄，經時改變越大55/70薄膜結構與缺點從圖中能得出什么結論？對我們有何啟發(fā)？在薄膜制備以后假如在高溫下放置數小時(取決于膜和基體材料)，往往會使以后改變比較小，這種處理稱為老化56/70薄膜結構與缺點非晶態(tài)薄膜是處于一個熱力學非平衡狀態(tài)，或某種亞穩(wěn)態(tài)，這種體系含有較高能量，在退火處理或其它作用影響下，這種體系將釋放能量而向晶態(tài)轉化4.

晶態(tài)與非晶態(tài)轉化在外界作用下，比如加熱或離子轟擊，將使晶態(tài)薄膜轉化為非晶態(tài)薄膜57/70薄膜結構與缺點4.

1晶態(tài)向非晶態(tài)轉化在用高能離子注入進行表層處理或材料摻雜過程中，有時會發(fā)生晶態(tài)向非晶態(tài)轉化現象出現上述轉化現象原因在于含有較高能量粒子注入薄膜中，使晶體原子之間價鍵遭到破壞，原子排列受到擾動，結果形成了原子排列無序狀態(tài)58/70薄膜結構與缺點通常，無定形化程度，或無定形范圍延展，是劑量或成分函數59/70薄膜結構與缺點4.

2非晶態(tài)向晶態(tài)轉化沉積無定形薄膜，在一定溫度下退火，或用一定能量激光退火，可能使其向晶態(tài)結構轉變，成為多晶薄膜，甚至是準單晶薄膜60/70薄膜結構與缺點5.非晶薄