10 第八章 薄膜的结构与缺陷

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结构薄膜择优方向[111]；hcp结构薄 膜的择优方向[0001]，bcc结构薄膜择优方向[110]。 单晶基片也有织构现象：硅基片沉积AlN，择优方向
c轴。
基片本身的织构诱导薄膜形成织构。
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，择优方向[1010] TS=325℃时，择优方向[1010]和[0001] TS=400℃时，择优方向[0001]
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沉积速率 一般来说，沉积速率愈大，薄膜中晶粒的择优取向 愈弱。 沉积速率与基片温度是相互制约的两个因素。要得 到择优趋向良好的薄膜，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
形成原因：a.基体引起的位错；b.小岛的凝结
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
晶粒间界
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
层错缺陷
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法
★ 薄膜结构与组分的分析方法
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法
X射线衍射技术
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法
电子衍射法 比X射线衍射法更优越。
（1）在透射电镜中观察薄膜结构的同时进行电子衍射分析；
扫描电子显微镜分析
优点： 1、分辨本领高（50Å） 2、景深大。 3、放大倍数连续可调。
4、与X射线色谱仪或X射线能谱仪配合使用，可进行成分 分析。
5、可进行加热、冷却、断裂、拉伸、加电压等动态分析。 6、可对样品不同部位进行分析。 7、制样简单，可直接观察断口。
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每 种 元 素 的 各 种 Auger 电 子 的 能 量 是识别该元素的重 要依据。
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从1967年L.A.Harris采用微分方法和锁定放大
技术，建立第一台实用的Auger电子谱仪以来，
Auger电子谱仪无论是在结构配置上，还是在
性能上都有了长足的改进。
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
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。 • • 单重纤维结构（一个方向） 双重纤维结构（两个方向）
择优取向可以发生在薄膜生长的各个阶段。
如果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。
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TiN PN2≻5.3x10-2 Pa时，几乎所有晶粒按[200]方向取向； PN2较低时，出现较强的[111]方向取向；
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Auger过程
(a) KL1L3 Auger 跃迁 (b) K1 辐射跃迁
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Auger跃迁
Auger 跃迁的标记以空位、 跃迁电子、发射电 子所在的能级为基础。如初态空位在K能级，L1
能级上的一个电子向下跃迁填充K空位，同时激
结构特性：近程有序、长程无序；
不具备晶体的性质； 亚稳态
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晶态
非晶态
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形貌无序
自旋无序
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替代无序
振动无序
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晶体的特性： 1. 具有固定的熔点； 2. 各向异性； 3. 特定的几何外形。 形成无定形结构的条件：降 低吸附原子的表面扩散速率。
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特征X射线与原子序有莫塞莱定律：
c

K (Z )
2d sin n
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俄歇电子能谱（AES）
1 9 2 5 年 P.Auger 已 经 在 Welson 云 室 内 观 察 到
Auger电子径迹，并正确地解释了这种电子的 来源。 尽管当时人们已经认识到它可以成为一种成分 分析的手段，但直到六十年代中期，随着超高
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分பைடு நூலகம்分析方法
电子能量分析器
电子能量分析器是分析电子能量的装置，是Auger 电子谱仪的重要组成部分。在表面分析技术中使用的电 子能量 分 析器都 是 静电型的 ，可分为 “ 色散型 ”和 “（带通）减速场型”两大类。对于前者，电子在能量 分析器中偏转成像，而后者是建立在拒斥场减速的基本 原理之上的。在实际的应用中，有三种能量分析器最为 常用，即：筒镜型能量分析器(CMA), 半球性能量分析 器(SDA)和Staib能量分析器。
手段之一。
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Auger过程
Ejected core electron Outer electron fills core level hole Transfer of excess energy
Energy source
Auger electron emitted
电压一般在5 keV以上。 为 了 能 采 集 Auger 电 子 像 ， 扫 描 Auger 电 子 谱 仪 (SAM)的电子枪加速电压一般为10~15 keV。 电子枪的电子束斑直径，决定着 SAM 的空间分辨 率。目前，商品仪器中，最小的电子束斑直径为
<15 nm，最大加速电压为20 keV。
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。 表面结构包括外表面和内表面。
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薄膜晶粒织构（组织结构）模型 薄膜织构与基片温度 TS 和蒸发材料熔点温度 Tm 的 比值 TS / Tm相关。
1. 吸附原子具有较高的表面扩散速率；
2. 晶格匹配； 3. 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；
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位错 位错是薄膜中最常遇到的缺陷之一。 薄膜中的位错密度： 10 10 / cm
12 13 2
优质体单晶位错密度：104 106 / cm2
10 12 2 10 10 / cm 强烈塑性变形晶体位错密度：

刃型位错
螺型位错， 混合位错
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
（2）波长与加速电压存在下列关系

V 1 0.97810 V

12.27
6
V>1000伏后，波长小于0.37Å，此时
L Rd

（3）电子束受表面原子周围电子散射，穿透能力减弱，非 常适合薄膜和表面
（4）适合分析晶粒较小和膜厚较薄的薄膜。
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法`
EWXY(Z) = EW(Z) EX(Z) EY(Z) A
其中EW(Z), EX(Z), EY(Z)是各壳中电子的结合 能，A 是脱出功。
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Perkin-Elmer 公 司 的 Auger 电 子 能 谱 手册，其中给出了 各种原子不同系列 的Auger峰位置。
薄膜中有较大的内应力和表面张力。
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表面结构 薄膜表面形成过程 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 B A
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薄膜表面结构与显微结构有关
大多数蒸发薄膜具有如下特点：
真空系统和高效的微弱信号电子检测系统的发
展，才出现了可以用于表面分析的实用 Auger 电子能谱仪。
薄膜的结构和缺陷—薄膜结构与组分的分析方法
随着科学技术的不断发展，使 Auger 电子能谱
仪的性能不断改进，并出现了扫描 Auger 电子
显微术(SAM), 成为微区分析的有力工具。 电子计算机的引入，使 Auger 电子能谱仪的功 能更趋完善。目前， Auger电子能谱已成为许 多科学领域和工业应用中的最重要的表面分析
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
n C exp(SV / k ) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT) N
薄膜中原子空位的主要效果主要表面在晶体体积和 密度上。薄膜中空位浓度在平衡浓度以上，所以它的密 度比体材料小。