薄膜的结构与缺陷ppt课件
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13
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。
14
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
wenku.baidu.com
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。
9
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
10
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。
30
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
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： 1012 1013 / cm2 优质体单晶位错密度：104 106 / cm2 强烈塑性变形晶体位错密度：1010 1012 / cm2
薄膜的结构与缺陷
1
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
2
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
★ 薄膜的结构
薄膜结构：组织结构、晶体结构、表面结构
薄膜的组织结构 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
比值 TS / Tm相关。
气孔率减小
23
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
24
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
25
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
★ 薄膜的缺陷
点缺陷
26
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
27
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
基片本身的织构诱导薄膜形成织构。
12
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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薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
29
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
n C N exp(SV / k) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT)
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。
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：
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。
22
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
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。
20
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
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
21
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
11
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。
薄膜厚度 当薄膜较厚时，在原子的入射方向存在择优取向。 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]择优方向；当薄膜很厚
时变为[110]织构。 入射粒子流方向 外电场方向
16
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
17
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：
3
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
晶态
非晶态
4
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
形貌无序
自旋无序
5
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
替代无序
振动无序
6
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
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。
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；
15
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
1. 降低基片温度；
2. 引入反应气体；
3. 掺杂。
常温稳定性。
7
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。
8
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；
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
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
19
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。
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
wenku.baidu.com
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。
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
10
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。
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
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： 1012 1013 / cm2 优质体单晶位错密度：104 106 / cm2 强烈塑性变形晶体位错密度：1010 1012 / cm2
薄膜的结构与缺陷
1
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
2
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
★ 薄膜的结构
薄膜结构：组织结构、晶体结构、表面结构
薄膜的组织结构 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
比值 TS / Tm相关。
气孔率减小
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
24
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
25
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
★ 薄膜的缺陷
点缺陷
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
27
薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
基片本身的织构诱导薄膜形成织构。
12
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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薄膜的结构和缺陷——薄膜的缺陷
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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
n C N exp(SV / k) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT)
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。
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：
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。
22
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
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。
20
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
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
21
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
11
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。
薄膜厚度 当薄膜较厚时，在原子的入射方向存在择优取向。 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]择优方向；当薄膜很厚
时变为[110]织构。 入射粒子流方向 外电场方向
16
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
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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：
3
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
晶态
非晶态
4
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
形貌无序
自旋无序
5
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
替代无序
振动无序
6
薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
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。
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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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
1. 降低基片温度；
2. 引入反应气体；
3. 掺杂。
常温稳定性。
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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。
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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；
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
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薄膜的结构和缺陷——薄膜的结构
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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：