第八章 薄膜的结构与缺陷

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薄膜的结构特征和缺陷

薄膜的结构特征和缺陷

高分子薄膜
如聚乙烯膜、聚丙烯膜等, 具有良好的柔韧性和加工 性,广泛应用于包装、印 刷等领域。
PART 02
薄膜结构特征分析
表面形貌与粗糙度
表面形貌
薄膜表面通常呈现出不同的形貌特征,如平滑、粗糙、颗粒状等。这些形貌特 征受到制备工艺、材料性质等因素的影响。
粗糙度
粗糙度是描述薄膜表面不平整程度的参数,常用算术平均粗糙度(Ra)或均方 根粗糙度(Rq)来表示。粗糙度对薄膜的光学、电学等性能有重要影响。
WENKU
REPORTING
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度、湿度和化学物质等,导致结构和性能的不稳定。
缺陷控制难题
02
薄膜中常常存在各种缺陷,如空位、杂质、位错等,这些缺陷
对薄膜的性能产生严重影响,而控制缺陷的难度较大。
大面积制备技术瓶颈
03
目前薄膜的制备技术难以实现大面积、高质量薄膜的制备,限
制了薄膜材料在实际应用中的推广。
未来发展趋势预测
新型薄膜材料的开发
01
晶界
不同晶粒之间的界面,由于晶粒取向不同而形成面缺陷。晶界可能是由
于晶体生长过程中的形核、长大等因素导致。
02
相界
不同相之间的界面,由于相结构或化学成分不同而形成面缺陷。相界可
能是由于薄膜制备过程中的成分偏析、热处理等因素造成。
03
面缺陷对薄膜性能的影响
可能导致薄膜力学性能降低、耐腐蚀性变差等。
2
精确控制沉积速率、温度、压力等关键工艺参数, 以确保薄膜具有所需的结构和性能。
3
采用先进的工艺控制技术,如实时监测与反馈调 整,确保制备过程的稳定性和可重复性。
优化原材料质量和纯度
选用高纯度、高质量的原材料, 以减少杂质和缺陷的引入。

第八讲薄膜材料的组织结构

第八讲薄膜材料的组织结构

薄膜沉积过程的概述
薄膜会形成特有的组织形态,它取决于其生长 过程的两个阶段:新相的形核、薄膜的生长
形核时:气态原子、分子在衬底表面开始凝聚
形成一些细小、可运动的原子团 “岛” 小岛不断接受新的原子,合并而长大 新的表面又会形成新的小岛
这一合并的过程一般要到薄膜的厚度达到数十 纳米以上时才告结束
然, 此时动力学因素不应是限制性因素
控制薄膜形核率的方法
有两种极端的情况,第一种极端情况
要获得晶粒细小、表面平整、均匀的多晶薄膜 ,即要提高 n*,减小 r*
热力学方面:在薄膜的形核阶段,提高气相的 过饱和度,大幅度降低 G* 而提高 n*, 使 r* 小到只含有少量的原子
动力学方面:降低沉积温度,抑制原子和小 核心的扩散,抑制晶核的长大,冻结细晶粒 组织
有合适的形核表面 有驱动力 —— 相变自由能 GV
GVkTlnppVkTlnJJV
其中pv和p是凝结相的平衡蒸气压和实际压力,Jv和J是凝结 相的蒸发通量和沉积通量,是原子体积,上式还可写成
kT GVln(1S)
其中,S 是气相的过饱和度。当气相存在过饱和现象时, GV<0,它就是新相形核的驱动力
薄膜结构形成过程中,原子的沉积过程可粗分 为三个微观过程 气相原子的沉积 原子在薄膜表面的扩散 原子在薄膜内部的扩散
薄膜的生长模式可分为外延、非外延式生长两 种。其中,非外延式的薄膜生长模式导致四种 典型的薄膜组织形态
四种典型的薄膜组织形态的决定因素
薄膜形成的过程均受相应过程的激活能控制。 因此,薄膜结构的形成将与沉积时的衬底温度
G.H. Gilmer et al. /
C开o始mp时ut,ati每on个al 原Ma子te的ria能ls 量有所降低

《薄膜物理与技术》课程教学大纲

《薄膜物理与技术》课程教学大纲

《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码:ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称:Thin film physics and technology课程性质:选修课程学分数:1.5课程学时数:24授课对象:新能源材料与器件专业本课程的前导课程:《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。

其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法,包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。

同时介绍了薄膜的形成,薄膜的结构与缺陷,薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。

通过本课程的讲授,使学生在薄膜物理基础部分,懂得薄膜形成物理过程及其特征,薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。

在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。

二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术,了解其它一些成膜技术。

学会对不同需求的薄膜,应选用不同的制膜技术。

了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。

理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象,了解薄膜结构及分析方法,理解薄膜材料的一些基本特性,为薄膜的应用打下良好的基础。

以下分章节介绍:第一章真空技术基础课程教学内容:真空的基础知识及真空的获得和测量。

课程重点、难点:真空获得的一些手段及常用的测量方法。

课程教学要求:掌握真空、平均自由程的概念,真空各种单位的换算,平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式,高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。

理解蒸汽、理想气体的概念,余弦散射率,真空中气体的来源,机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。

了解真空的划分,气体的流动状态的划分,气体分子的速度分布,超高真空泵的工作原理。

第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容:真空蒸发原理,蒸发源的蒸发特性及膜厚分布,蒸发源的类型,合金及化合物的蒸发,膜厚和淀积速率的测量与监控。

薄膜的结构与缺陷

薄膜的结构与缺陷

总结词
薄膜在电子器件领域的应用广泛,包括集成电路、显示器、 太阳能电池等。
详细描述
薄膜材料具有优异的电学、光学和机械性能,能够提高电子 器件的效率、稳定性和可靠性。例如,在集成电路中,薄膜 可以作为导电层、绝缘层和介质层,实现高速、低功耗的电 路传输。
光学器件领域
总结词
薄膜在光学器件领域的应用主要涉及反射、折射、滤光等功能。
点缺陷
定义
点缺陷是指薄膜中仅有一个或几个原子尺度的缺陷。
形成原因
在薄膜制备过程中,由于原子或分子的迁移率低,导致某些位置上 的原子或分子无法到达预期位置,从而形成点缺陷。
影响
点缺陷的存在会影响薄膜的物理和化学性质,如导电性、光学性能 等。
线缺陷
定义
线缺陷是指沿某一特定方向延伸的缺陷,如位错、晶界等。
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薄膜的结构与缺陷
目录
• 薄膜的简介 • 薄膜的结构 • 薄膜的缺陷 • 薄膜的制备方法 • 薄膜的检测与表征 • 薄膜的应用与展望
01
薄膜的简介
薄膜的定义
薄膜是指在固体表面上的一个薄层, 其厚度通常在纳米到微米级别。
薄膜的特性与基底材料、制备工艺、 环境条件等多种因素有关。
薄膜的分类
根据材料分类
影响
面缺陷的存在会影响薄膜的光学性能和表面平整度,如反射率、透光 率等。
04
薄膜的制备方法
物理气相沉积法
01
真空蒸发沉积
利用加热蒸发材料,使其原子或分子从蒸发源中逸出,并在基底表面凝
结成膜的方法。
02
子或分子被溅射出来并在基底表面
沉积成膜的方法。
03
离子镀

10 第八章 薄膜的结构与缺陷

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]
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

薄膜的结构与缺陷

薄膜的结构与缺陷

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原因:
① 晶格常数不匹配
晶格常数失配数 m=(b-a)/a
当m≈2%时,晶格畸变层厚度为n个Å 当m≈4%时,晶格畸变层厚度可达几百Å
当m>12%时,晶格畸变到完全不匹配
② 薄膜中有较大的内应力和表面张力
简单理论计算:
设基体表面一个半球形晶粒,半径为r,单位长度表面自 由能为σ 。表面张力作用对晶粒产生的压力 f 为
(8-3)
说明晶格常数变化比(即应变)
a a
与半径
r
成反比,
r 越小, a 越大。说明薄膜中晶格常数不同于
块状材料a的晶格常数。
③ 热胀系数不同
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三、薄膜的表面结构
1、表面形态
(1) 不连续膜(岛状、颗粒),一般厚度较小,50Å以下。 (2) 多孔网状膜
(3) 连续状膜
热力学能量理论分析:理想的薄膜表面应具有最小表面积,
才能使其总能量达到最低值,但实际上是不可能的。
实际情况:
◆ 薄膜的表面具有一定的粗糙度,厚度在各处不均匀。
若薄膜的平均厚度为d,它按无规则变量的泊松几率分布,
由此可得到膜厚的平均偏离值 d d
薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。
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A、硫化物和卤化物薄膜在基体温度低于77K时可形 成无定形薄膜。
B、10-2~10-3Pa氧分压中蒸发铝、镓、铟等超导薄 膜,由于氧化层阻挡晶粒生长而形成无定形薄膜。
C、83%ZrO2 -17%SiO2的掺杂薄膜中,由于两种沉
201积9/10原/15 子尺寸的不同也可形成无定形薄膜。
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2.多晶结构

薄膜的结构与缺陷

薄膜的结构与缺陷
由于晶粒生长倾向于入射方向,高起的晶粒遮住了 相邻的晶粒使继续入射的原子达不到,使薄膜表面凹凸 不平,内部出现大缺陷。(见示意图)
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薄膜表面结构与构成薄膜整体的内部结构相关, 因此应研究薄膜内部结构。
2、内部结构
由于薄膜表面结构和构成薄膜整体的微型体状密 切相关,大多数蒸发薄膜具有下述特点:
形成无定形薄膜的工艺条件:
降低吸附原子的表面扩散速率(通过降低基体温度Ts、引 入反应气体和搀杂方法实现),使原子扩散速率降低到凝结 在本身射点及入射点附近。
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二.薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。
◆ 晶体的主要特征是其中原子有规则的排列。 ◆ 由于晶体结构具有对称性,可以用三维空间中的三个矢 量a’、b’ 、c’ 以及对应的夹角α、β、γ来描述。
四、层错缺陷
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在真空蒸发薄膜中存在层错缺陷,由原子错排 产生,
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在完整的面心立方晶体中应以ABC顺序堆垛,每三层一个 反复,周而复始,ABCABC……(若在原子排列中缺少某 一层,如A层),则为ABC BC ABC,于是产生了层错。
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◆ 若薄膜的平均厚度为d,它按无规则变量的泊松 几率分布,由此可得到膜厚的平均偏离值 d d
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1—在N2气压为133.3Pa下淀积的;2—在高真空下淀积的 14
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◆ 薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。但由于
入射原子沉积到基体表面上之后,释放出能量就吸附在 基体表面上。然后依靠横向扩散能量在表面上作扩散, 占据表面上的一些空位,使薄膜表面上的谷被填平,峰 被削平,导致薄膜表面面积不断缩小,表面能逐步降低。

第八章-薄膜的结构与缺陷

第八章-薄膜的结构与缺陷
表面积随膜厚成线性 增大,表明薄膜是多 孔结构,能吸附气体 的内表面积很大。
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原因解释: 阴影效应 在沉积过程中,基片表面优先生长出许
多峰状微小晶粒,由于阴影效果,遮住了相邻的 晶粒使继续入射的原子达不到其表面,使薄膜表 面凹凸不平,内部出现大缺陷。
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若沉积薄膜时真空度较低,由于残余气压过高, 入射的气相原子和残余气体分子相碰撞,先在 气相中凝结成烟尘,然后再到达基体表面沉积 形成薄膜。由于这种薄膜由微粒松散堆积而成, 也是多孔性的。
看作区域1 在Ts/Tm 值为0时在非常光滑基体上形 成的极限形式。是区域1结构中晶粒尺寸小到难 以分辨时呈现的纤维结构。 当入射气相粒子流垂直入射沉积在较光滑、均匀 的基体表面上时,在吸附原子的表面扩散速率足 够大时,可形成接近区域1 的结构。
特点:晶粒间界致密,机械性能好。
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区域 2 在基体温度较大,或沉积吸附原子在基
扩散到表面上稳定的位置,排列到晶体格点中去。 外延温度不仅取决于基底与薄膜材料的组合还取决
于基底表面是否有污染,以及蒸镀速度。
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二.薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。 ◆ 在大多数情况下,薄膜中晶粒的晶格结构与块 状晶体是相同的。(7个晶系14 种布拉非格子)
◆不同之处:
晶粒择优取向薄膜(包括锥形结构、纤维结构和柱 状结构)
在多晶薄膜中,常常出现一些块状材料中未曾发 现的介稳相结构。
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晶界:多晶薄膜中不同晶粒间的交界面,具有与晶 粒内部不同的特征。 晶界特点: ①由于晶界中晶格畸变较大,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。 ②由于晶界中原子排列不规则,其中有较多的空位。 微量杂质原子常富集在晶界处,杂质原子沿晶界 扩散比穿过晶粒要容易。

薄膜的结构特征和缺陷

薄膜的结构特征和缺陷

3、薄膜的表面结构 在薄膜的沉积、形成、成长过程中,入射到基体表 面上的气相原子是无规律的,所以薄膜表面都有一定的 粗糙度。粗糙度对光学性能关,在基体温度和真空度较低时,容易出现多孔结构。 所有真空蒸发薄膜都呈现柱状体结构,溅射薄膜的 柱状结构是由一个方向来的溅射粒子流在吸附原子表面 扩散速率很小的情况下凝聚形成的。
薄膜的结构特征与缺陷
薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着薄膜的性能, 主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素,以及对性能的影 响。
一、薄膜的结构 薄膜的组织结构是指它的结晶形态,薄膜结 构可分为三种类型: 1、组织结构 2、晶体结构 3、表面结构
1、薄膜的组织结构 (1)非晶态结构。 从原子排列情况来看它是一种近程有序、远程 无序的结构,只有少数原子排列是有秩序的,显示 不出任何晶体的性质,这种结构称为非晶结构或玻 璃态结构。 形成非晶薄膜的工艺条件是降低吸附原子的表 面扩散速率。可以通过降低基体温度、引入反应气 体和掺杂等的方法制成非晶薄膜。
(2)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的 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的,所以必然产生许多晶粒 间界,从而形成多晶结构。
(3)纤维结构。 纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜,根据取 向方向、数量的不同分为单重纤维结构和双重纤维结构。 生长在薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的 各个阶段:初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。
(4)单晶结构。 单晶结构薄膜通常是用外延工艺制造的。外延生长 需要满足三个基本的条件。 a、吸附原子必须有较高的表面扩散速率,所以基体温 度和沉积速率就相当重要。在一定的蒸发速率条件下, 大多数基体和薄膜之间都存在着发生外延生长的最低温 度,即外延生长温度。 b、基体与薄膜材料的结晶相溶性。 c、基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。 满足以上三个基本条件,才能制备结构完整的单晶薄膜。

真空镀膜技术_第13章: 薄膜的结构与缺陷

真空镀膜技术_第13章: 薄膜的结构与缺陷
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。
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) 阅教材
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。
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
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
XRD(X射线衍射)是目前研究晶体结构(如原子或离子及其基团的种类和位 置分布,晶胞形状和大小等)最有力的方法。 XRD 特别适用于晶态物质的物相分析。晶态物质组成元素或基团如不相同或 其结构有差异,它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以 至衍射峰的形状上就显现出差异。因此,通过样品的X射线衍射图与已知的晶 态物质的X射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴 定;通过对样品衍射强度数据的分析计算,可以完成样品物相组成的定量分 析。XRD还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向(材料的织构)...等等, 应用面十分普遍、广泛。

薄膜的缺陷

薄膜的缺陷

薄膜的组织结构是指它的结晶形态.分为四种类型;非晶态结构、多品结构、纤维结构和单晶结构。

(1)非晶态结构。

从原子排列情况来看它是一种近程有序结沟,只有少数原子排列是有秩序的,显示不出任何晶体的性质,这种结构称为非晶结构或玻璃态结构。

形成非晶薄膜的工艺条件是降低吸附原子的表面扩散速率。

可以通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂的方法实现上述条件。

(2)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的薄膜就是多晶薄膜。

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的,所以必然产生许多晶粒间界,形成多晶结构。

(3)纤维结构。

纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜,根据取向方向、数量的不同分为单重纤维结构和双重纤维结构。

前者是各晶粒只在一个力向上择优取向,后者则在两个方向上有择优取向。

有时前者称为一维取向薄膜,后者称为二维取向薄膜。

沿C轴择优取向AlN膜的结构在玻璃基体上的的A1N压电薄膜是纤维结构薄膜的典型代表。

生长在薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的各个阶段:初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。

若吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率,晶粒的择优取向可发今年薄膜形成的初期阶段。

在起始层中原了排列取决于基体表面、基体温度、晶体结构、原子半径和薄膜材料的熔点。

如果吸附原于的表面扩散速率较小,初始膜层不会产生择优取向,当膜层层较厚时则形成强烈的对着蒸发源方向的取向。

晶粒向蒸发源的倾斜程度依赖于基体温度、气相原于入射角度和沉积速率等。

(4)单晶结构。

单晶结构薄膜通常是用外延工艺制造的。

外延生长的第一个基本条件是吸附原子必须有较高的表面扩散速率.所以基体温度和沉积速率就相当重要。

在一定的蒸发速率条件下,大多数基体和薄膜之间都存在着发生外延生长的最低温度,即外延生长温度。

第二个基本条件是基体与薄膜材料的结晶相溶性。

薄膜的结构与缺陷课件

薄膜的结构与缺陷课件
生长速度
薄膜的生长速度也会影响缺陷的形成。如果生长速度过快,会导致 原子或分子的堆积不均匀,从而形成缺陷。
应力
在薄膜形成过程中,由于应力的作用,会导致原子或分子的错位,从 而形成缺陷。
生长条件的影响
温度
温度是影响薄膜缺陷形成的重要因素。在高温下,原子或 分子的活动能力增强,容易发生迁移和错位,从而形成缺 陷。
表面能差异
薄膜表面的原子或分子的排列与体内不同,导致表面能差异,这种 差异会导致原子或分子的迁移,从而形成缺陷。
相变
薄膜在形成过程中,可能会发生相变,即晶体结构的变化,这种变 化会导致原子或分子的重新排列ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ从而形成缺陷。
动力学因素
扩散
在薄膜形成过程中,原子或分子的扩散速度会影响缺陷的形成。如 果扩散速度过快,会导致原子或分子的分布不均匀,从而形成缺陷 。
扫描电子显微镜检测
总结词
扫描电子显微镜可以提供高分辨率的表面形貌图像,能够观察到薄膜表面的微观 结构。
详细描述
扫描电子显微镜利用电子束扫描薄膜表面,通过收集二次电子和背散射电子信号 ,生成高分辨率的表面形貌图像。通过观察图像,可以了解薄膜表面的微观结构 、颗粒大小和分布等信息。
原子力显微镜检测
总结词
影响
点缺陷的存在会影响薄膜 的物理和化学性质,如导 电性、光学性能等。
线缺陷
定义
影响
在薄膜中,沿着某一方向出现连续的 不规则排列现象。
线缺陷的存在会对薄膜的力学性能产 生影响,如强度、韧性等。
形成原因
在薄膜制备过程中,由于温度梯度或 化学反应速率的不均匀性,导致沿某 一方向出现连续的不规则排列。
面缺陷
通过掺杂或合金化,改变薄膜的成分和结构,提高其性能。

薄膜物理与技术

薄膜物理与技术

薄膜物理与技术薄膜物理与技术Physics and Technology of Thin Films课程编号:07370110学分:2学时:30(其中:讲课学时: 30 实验学时:0 上机学时:0)先修课程:⼤学物理,普通化学适⽤专业:⽆机⾮⾦属材料⼯程(光电材料与器件)教材:《薄膜物理与技术》,杨邦朝,王⽂⽣主编,电⼦科技⼤学出版社,1994年1⽉第1版开课学院:材料科学与⼯程学院⼀.课程的性质与任务薄膜科学是现代材料科学中及其重要且发展⾮常迅速的⼀个分⽀,已成为微电⼦学、固体发光、光电⼦学等新兴交叉学科的材料基础,同时薄膜科学研究成果转化为⽣产⼒的速度愈来愈快,国内外对从事薄膜研发和⽣产的⼈才需求也⽇益强劲。

本门课程就是为适应学科发展,学⽣适应市场需求⽽设置的专业课程。

课程的基本任务是:1、基本掌握各种成膜技术的基本原理和⽅法;2、了解并初步掌握薄膜的形成、结构与缺陷,薄膜的电学、⼒学、半导体、磁学等物理性质。

⼆.课程的基本内容及要求第⼀章真空技术基础1、教学内容(1)真空的基本知识(2)稀薄⽓体的基本性质(3)真空的获得及测量2、教学要求理解真空的基本知识和稀薄⽓体的基本性质,掌握真空的获得、主要⼿段和真空度策略⽅法,了解实⽤真空系统。

第⼆章真空蒸发镀膜1、教学内容(1)真空蒸发原理(2)蒸发源的蒸发特性及膜厚分布(3)蒸发源的类型(4)合⾦及化合物的蒸发(5)膜厚和沉积速率的测量与监控2、教学要求掌握真空蒸发原理,掌握真空镀膜的特点和蒸发过程,理解饱和蒸汽压和蒸发源的发射特性,熟练掌握蒸发速率、薄膜厚度的测量和控制,了解蒸发镀膜的常⽤⽅法(电阻加热和电⼦束加热),了解合⾦膜及化合物摸的蒸镀。

第三章溅射镀膜1、教学内容(1)溅射镀膜的特点和基本原理(2)溅射镀膜的类型2、教学要求掌握溅射镀膜的基本原理和特点,理解表征溅射特性的参量及其影响因素,了解溅射机理及溅射镀膜的各种类型第四章离⼦镀膜1、教学内容(1)离⼦镀的原理和特点(2)离⼦轰击的作⽤(3)离⼦镀的类型2、教学要求掌握离⼦镀的基本原理和特点,理解离⼦轰击的作⽤,了解离⼦镀的类型。

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晶粒择优取向薄膜(包括锥形结构、纤维结构和柱 状结构)
在多晶薄膜中,常常出现一些块状材料中未曾发 现的介稳相结构。
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晶界:多晶薄膜中不同晶粒间的交界面,具有与晶 粒内部不同的特征。 晶界特点: ①由于晶界中晶格畸变较大,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。 ②由于晶界中原子排列不规则,其中有较多的空位。 微量杂质原子常富集在晶界处,杂质原子沿晶界 扩散比穿过晶粒要容易。
阴极溅射时,若工作气体压力较高或转动基板 ,也会 促进区域1的成长。
区域1的形成因素:
膜层表面粗糙度、初始生长的晶核形状、不均匀基体上 的择优成核、基体表面粗糙度和薄膜择优取向生长等。
特点:由空间隔开的锥状晶粒组成的多孔结构,内部结
构不分明,位错密度较高。
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区域 T 由紧密堆积的纤维状晶粒组成的结构,可
看作区域1 在Ts/Tm 值为0时在非常光滑基体上形 成的极限形式。是区域1结构中晶粒尺寸小到难 以分辨时呈现的纤维结构。 当入射气相粒子流垂直入射沉积在较光滑、均匀 的基体表面上时,在吸附原子的表面扩散速率足 够大时,可形成接近区域1 的结构。
特点:晶粒间界致密,机械性能好。
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区域 2 在基体温度较大,或沉积吸附原子在基
r
2VW f1 W FW f1' f
形成薄膜微观结构的柱状晶粒不完全是圆柱体,可 能是圆锥形柱体或抛物形柱体。
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(2) 柱状体表面积
S (Zi 2 ri2 )
f
α表示高度与半径之比。
聚集密度较大的薄膜,内表面积较小。
(3)聚集密度
P
薄膜中固体部分的体积(柱体) 薄膜的总体积( 柱体+空隙)
❖ 如果温度继续升高,由柱状晶粒尺寸随凝结温度 升高而增大,其结构变成等轴晶形貌即区域3。
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❖ 在区域2中晶粒生长的活化能相当于表面扩散活 化能。产生区域3晶粒的活化能则相当于体积自 扩散的活化能。
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➢ 表征薄膜微观结构的物理参数
柱状体半径 柱状体内表面积 聚集体密度
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(1)柱状体半径
◆ 基体温度较低时,易发生吸附原子在表面横向扩散 能量较小,所得表面积较大,易形成多孔结构薄膜。 微孔内表面积很大,可延续到最低层,与微观结构中 的柱状体结构一致。
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多孔结构实验验证:当入射原子在基片上的表面运 动能力很小时,所成薄膜的表面积很大。薄膜的 表面积随膜厚成线性增大,以致较厚的薄膜的实 有面积与几何面积之比可能大于100。
1、晶粒取向和晶粒尺寸不同。 2、晶格常数不同。
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原因:
① 晶格常数不匹配
当m≈2%时,晶格畸变层厚度为n个Å 当m≈4%时,晶格畸变层厚度可达几百Å 当m>12%时,晶格畸变到完全不匹配
② 薄膜中有较大的内应力和表面张力
简单理论分析:
设基体表面一个半球形晶粒,半径为r,单位长度 表面自由能为σ。表面张力作用对晶粒产生的压力
体表面上扩散速率较大的情况下形成的无孔洞区。 定义为生长过程是由吸附原子的表面扩散所支配 的Ts/Tm范围。它是由晶粒间界特别致密的柱 状晶粒所组成。 位错主要存在于晶粒间界区域。 随着Ts/Tm值的增大,晶粒尺寸也不断增大。 当Ts/Tm值较高时,晶粒尺寸可以超过膜层厚 度导致膜层表面呈现凸凹不平。
❖ 在低温时,由于吸附原子表面扩散速率减小,成 核数目有限,容易生长成锥状晶粒结构。这种结 构不致密,在锥状晶粒之间有直径可达几百埃的 纵向气孔。这种结构称为葡萄状结构(区域1), 其位错密度高,残余应力大。
❖ 随着基体温度升高,吸附原子表面扩散速率增大, 结构形貌转移到T区。形成晶粒间界较模糊的紧 密堆积纤维状晶粒结构。然后可转变为相当于区 域2的完全致密的柱状晶体结构。
实际的薄膜,P=0.75~0.95,只有离子镀、溅射或 离子辅助等技术制备的薄膜才能接近1。 聚集密度一般随膜厚、基板温度、蒸发速率和真空 度的提高而增加。
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§8-2 薄膜的缺陷
在薄膜生长和形成过程中,各种缺陷都会进入 到薄膜中。这些缺陷对薄膜性能有重要影响,是导 致其与块材性能差异的重要原因。这些缺陷的出现 与薄膜制造工艺密切相关。
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修正后的结构区域模型
同时考虑了Ts/Tm 和 工作气体压力因素
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区域 1 Ts/Tm较低,吸附原子表面扩散不足以克服阴影效
果时薄膜形成生长的区域。
随着Ts/Tm值的增加,柱状体截面直径增大,使正在 生长的表面高处比低谷处能接收更多的入射气相原子, 阴影效果促使晶粒间界变得稀疏。当入射气相原子倾斜 入射时现象更明显。
块状材料a的晶格常数。
③ 热胀系数不同
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三、薄膜的表面结构
薄膜的表面结构受多种因素的影响,其中影响 最大的是基片温度及其表面粗糙度、真空室气压和 薄膜的晶体结构。
热力学能量理论分析:
为能使薄膜总能量达到最低值,理想的薄膜表面应 具有最小表面积。
实际情况:
◆ 薄膜的表面具有一定的粗糙度,厚度在各处不均 匀。薄膜的表面积随着其厚度的平方根值而增大。
类无定形
由无序排列的极其微小(<2nm)的晶粒组成,其X射 线和电子束的衍射图像发生严重弥散而类似于无定 形结构。
如:高熔点金属薄膜、高熔点非金属化合物薄膜、碳、
硅、锗的某些化合物薄膜,两个不相容材料的共沉
薄膜。
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特点: ◆无定形结构薄膜在环境温度下是稳定的。
◆不规则的网络结构(玻璃态) 主要出现在氧化物薄膜、元素半导体薄膜和硫化物薄 膜中; 随机密堆积的结构 主要出现在合金薄膜之中。 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缺乏连续的长程有序 性。
b、基体与薄膜材料的结晶相容性。
晶格失配数 m=(b-a)/a ,m值越小,一般
地说其外延生长就越容易实现。
C、基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。
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外延温度:要得到单晶膜,基底必须保持的最低临 界温度。
需要外延温度的原因: 在这温度以上能保证沉积原子有足够的条件迁徙,
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纤维结构
纤维结构薄膜 是晶粒具有择优取向的薄膜。
◆ 根据取向方向数量的不同分为: 单重纤维结构 双重纤维结构
单重纤维结构:晶粒只在一个方向上择优取向, 有时称为一维取向薄膜。
双重纤维结构:在两个方向上有择优取向,有 时称为二维取向薄膜。
◆在非晶态基体上,大多数多晶薄膜都倾向于显示 出择优取向。
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f为
f 2 r •
承受压力的面积 S r2
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压力强度 P f / S 2 r /( r2 ) 2 / r
由虎克定律
VV 3 Va 1 P V a EV
EV — 薄膜弹性系入2小)格式,常V数a 变越化a大比。(说即 明3应E薄变V 膜)• Vr中aa晶与格半常径数r不成同反于比,
在基体温度较低时,也易出现这种多孔性结构, 是因为入射微粒或原子在基片上淀积以后,难 以发生表面扩散和重新排列。
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由于薄膜表面结构和构成薄膜整体的微型体状密切
相关,大多数蒸发薄膜具有下述特点:
(1)呈现柱状颗粒和空位组合结构; (2)柱状体几乎垂直于基体表面生长,而且上下两
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区域 3 再结晶区,体内扩散对膜层最终结构起主
要影响的Ts/Tm区。 由纯金属膜形成的等晶轴区域3的Ts/Tm值大约 为0.5左右。 出现再结晶时的Ts/Tm值由所存贮的转换能决定。 块状材料的再结晶大约在Ts/Tm大于0.33时出现 。 溅射薄膜通常都是柱状晶粒的形貌。
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薄膜微观结构总结:
表面积随膜厚成线性 增大,表明薄膜是多 孔结构,能吸附气体 的内表面积很大。
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原因解释: 阴影效应 在沉积过程中,基片表面优先生长出许
多峰状微小晶粒,由于阴影效果,遮住了相邻的 晶粒使继续入射的原子达不到其表面,使薄膜表 面凹凸不平,内部出现大缺陷。
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若沉积薄膜时真空度较低,由于残余气压过高, 入射的气相原子和残余气体分子相碰撞,先在 气相中凝结成烟尘,然后再到达基体表面沉积 形成薄膜。由于这种薄膜由微粒松散堆积而成, 也是多孔性的。
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薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的各个阶 段:初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。
◆ 若吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率,晶 粒的择优取向可发生在薄膜形成的初期阶段。
在起始层中原子排列取决于基体表面、基体温度、 晶体结构、原子半径和薄膜材料的熔点。
◆ 如果吸附原子的表面扩散速率小,初始膜层不会 产生择优取向。
第八章 薄膜的结构与缺陷
§8-1 薄膜的结构 §8-2 薄膜的缺陷 §8-3 薄膜结构和组织的分析方法
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薄膜的结构与缺陷在一定程度上决定着 薄膜的性能,因此对薄膜结构与缺陷的研 究一直是大家十分关注的问题。
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§8-1 薄膜的结构
薄膜结构因研究对象不同可分为三种类型:
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◆ 由于入射原子沉积到基体表面上之后,依靠横向扩 散能量在表面上作扩散,占据表面上的一些空位,使 薄膜表面上的谷被填平,峰被削平,导致薄膜表面面 积不断缩小,表面能逐步降低。
◆由于吸附原子在表面上扩散,还能使一些低能晶面 (低指数晶面)得到发展。在基体温度较高时,生长最 快的晶面能消耗生长较慢的晶面,导致薄膜的粗糙度 进一步增大。此种结构常在基体温度较高情况出现。
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