材料表面与界面 5 图文
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• 金属中原子排列是长程有序，聚合物中结构疏
松, 大分子卷曲, 原子排列无序。两者在物化性 能上差别较大。因此，金属-聚合物分界面状 态对使用性能影响很大。
第四节 分界面
• Cu/聚酰亚胺(PI)的界面：在用蒸发方法形成
Cu/PI界面时，许多Cu原子迁移到PI中去，在 靠近PI一侧聚结，还会穿透PI到一定深度。这 表明Cu之间的结合能大于Cu和PI间的作用能， Cu和PI间不会发生明显的化学反应。
(扫描)电子显微镜照片→形貌特征
• “相”能根据形貌特征判断吗？ • “概念或原理” →多晶粒体系其界面(晶界)间的
几何特征
• 不同界面能～晶界相互角度的关系～形貌特征
←电子显微镜照片
判断是可以的条件为：热力学平衡＋完全致密
第二章表面与界面的电子过程
第二章表面与界面的电子过程
• 材料最基本的电学性能是导电率（宏观特性） • 材料的导电率实际上取决于电子在材料中的微
• Si-SiO2分界面的作用：电路中含有许多和多种半 导体晶体管或元件，元件隔离主要依靠SiO2。
• 形成过程：硅表面常会有意进行氧化，形成SiO2薄 层，从而存在着Si-SiO2分界面。
Leabharlann Baidu• Si-SiO2分界面质量：状况与器件、电路的性能、 成品率、可靠性等都有直接的关系。
第四节 分界面
Si-SiO2分界面的结构
• Cr/PI界面：Cr在PI的表面分布均匀，没有发
现Cr穿进PI中生成聚合体等情况，这表明Cr 与Pl发生了化学反应，阻止Cr往PI中扩散，Cr 与PI中链段反应形成Cr-聚合物络合体。
• 金属与聚合物的反应程度决定金属-聚合物界
面的结构。有穿透特性可增加附着力，但不利 于作为绝缘性能。
课堂讨论： 从这两张陶瓷电子显微镜形 貌照片，能判断出这两种材料是多相陶瓷 还是单相陶瓷吗？为什么？
• 层模型： • 迪安模型： • 约翰尼森模型
非晶态SiO2的结构
具有完整二维SiO2 晶格结构，厚度约
为几个原子距
较多缺陷晶态Si结构
SiO2 层 中 缺 氧 较 多，不饱和键多
界面域内有硅夹杂 物（硅岛）
第四节 分界面
4.2 金属薄膜间的分界面
• 薄膜电路或一般电路中，电路的连接采用金属
薄膜材料(导电带)。
子层。与金属接触，会有显著的镜象作用。如 金属和NiO（110）面的附着力为1.33Jm-2, 几 乎是（100）面的 1倍。
晶面上正负离子排列方式不同，会影响镜像力。
第四节 分界面
• 水在纯硅的表面是不润湿的，如果硅表面生成
一层厚于40Å 的氧化硅，就能完全润湿。并且 随氧比硅厚度的增加，硅与水的接触角而增大。
• 导电带要求：导电性好、附着力高、抗蚀、抗
氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。
• 一般一种金属是很难同样时间满足上述要求，
故采用多层金属薄膜结构。
第四节 分界面
双层导电带
• Cr-Au双层金属膜是普遍采用的薄膜导电带。 • Cr与衬底有良好的附着性，Au具有优良的导
电性，能抗蚀抗氧化，所以Cr-Au可发挥出比 较理想导电带作用。
随着氧比硅厚度的增加，缺陷(电荷)也相应
增加。经过估算，只要在表面层下有1013/cm2 量级的电荷密度，就能够完全润湿水。
晶面上缺陷程度不同，会影响镜像力。
第四节 分界面
4.5 金属-聚合物分界面
• 大规模集成电路中，有很多金属-绝缘体界面，
其中很多绝缘体是由聚合物来承担的。
• 聚合物优点是：εr为3～4(高速电路中采用), 可 以通过光刻(形成~1µm细线), 适合高速电路和 高密度封装。
• 缺点：
Cr在高温时很快往Au中扩散，使导电带电阻 增加；或生成Cr2O3，使附着性能下降。
第四节 分界面
4.3 金属-非金属分界面
• 金属-非金属分界面：金属被腐蚀或氧化形成新表面
层，金属和陶瓷间封接界面。
• 分界面的附着力和稳定性，对性能有很大的影响。
(1) 金属-非金属交界面的结构
• Ni/MgO的分界面：
材料表面与界面
第四节 分界面
第四节 分界面
关注的区域
分界面是指两个或数个凝集相的交界面。
与前述的界面差别：具有宏观二维尺寸条件下层 与层间的界面。
通常分界面有：
由氧化，腐蚀等化学作用生成的分界面(基体与表 面层的界面)
由薄膜与基板间的界面
块与块结合界面，如熔焊或粘接的界面
第四节 分界面
4.1 Si-SiO2 分界面 集成电路基板---单晶硅
界面过渡区厚度小于40nm，有NiO微晶(~10nm)存 在。
金属Ni晶粒与基板有一定的取向关系，有利于界面 能的减小，如[001]MgO//[021]Ni。
Cu/Al2O3界面
Mn3O4(110) Ag(110) Ag/Mn3O4界面
Cu/MnO界面
第四节 分界面
(2) 镜象作用与金属-非金属界面 的附着力
• 金属与非金属界面附着力的来
源有两种： 机械咬合作用 金属-非金属间发生了键合 作用
• 键合作用：
化学键力
Van der wasls色散力 镜象作用力
第四节 分界面
(a）产生镜象作用的条件
• 金属与非金属分界面两边的介电常数相差非常
大(金属εr=∞，氧化物εr≈10)。
• 非金属材料主要由离子键组成，在表面或界面
第四节 分界面
• 镜象作用力来源：
化合物中的离子电荷靠近金属而获得稳定化 离子晶体中带电的缺陷靠近其表面时，会产生
吸引作用。
• 从物理意义来说, 镜象作用反映了电荷对可极
化媒质的稳定性程度。
• 在a=2Å 时，镜象作用力仍能产生效力。距离
进一步减小时，会由于离子晶体与金属的电子 云重叠而产生巨大的排斥力。
第四节 分界面
（b）金属-非金属界面的附着
• 没有明显互扩散和反应的金属-非金属界面，
镜象作用对附着力可起着关键作用。
• NiO(100)面上正负离子交错排列，整个面呈电
中性，故当与金属接触时, 不会有明显的镜象 作用，附着力的来源主要是Van der waals作用。
• NiO(110)面上，是一层正离子层，或一层负离
中易形成带电的缺陷和杂质。
第四节 分界面
• 带电的表面吸引金属中电子偏聚在界面上，从
产生一个附加界面能Eim(镜象作用能)。
Eim
=
Q2
4ε1a
ε ε
1 1
−ε2 +ε2
•ε1和ε2为两边的介电常数分别为。ε1中存在电荷Q
距界面的距离为a。
•当金属ε2→∞, Eim是负值，能降低界面能，故产生
吸引力。
松, 大分子卷曲, 原子排列无序。两者在物化性 能上差别较大。因此，金属-聚合物分界面状 态对使用性能影响很大。
第四节 分界面
• Cu/聚酰亚胺(PI)的界面：在用蒸发方法形成
Cu/PI界面时，许多Cu原子迁移到PI中去，在 靠近PI一侧聚结，还会穿透PI到一定深度。这 表明Cu之间的结合能大于Cu和PI间的作用能， Cu和PI间不会发生明显的化学反应。
(扫描)电子显微镜照片→形貌特征
• “相”能根据形貌特征判断吗？ • “概念或原理” →多晶粒体系其界面(晶界)间的
几何特征
• 不同界面能～晶界相互角度的关系～形貌特征
←电子显微镜照片
判断是可以的条件为：热力学平衡＋完全致密
第二章表面与界面的电子过程
第二章表面与界面的电子过程
• 材料最基本的电学性能是导电率（宏观特性） • 材料的导电率实际上取决于电子在材料中的微
• Si-SiO2分界面的作用：电路中含有许多和多种半 导体晶体管或元件，元件隔离主要依靠SiO2。
• 形成过程：硅表面常会有意进行氧化，形成SiO2薄 层，从而存在着Si-SiO2分界面。
Leabharlann Baidu• Si-SiO2分界面质量：状况与器件、电路的性能、 成品率、可靠性等都有直接的关系。
第四节 分界面
Si-SiO2分界面的结构
• Cr/PI界面：Cr在PI的表面分布均匀，没有发
现Cr穿进PI中生成聚合体等情况，这表明Cr 与Pl发生了化学反应，阻止Cr往PI中扩散，Cr 与PI中链段反应形成Cr-聚合物络合体。
• 金属与聚合物的反应程度决定金属-聚合物界
面的结构。有穿透特性可增加附着力，但不利 于作为绝缘性能。
课堂讨论： 从这两张陶瓷电子显微镜形 貌照片，能判断出这两种材料是多相陶瓷 还是单相陶瓷吗？为什么？
• 层模型： • 迪安模型： • 约翰尼森模型
非晶态SiO2的结构
具有完整二维SiO2 晶格结构，厚度约
为几个原子距
较多缺陷晶态Si结构
SiO2 层 中 缺 氧 较 多，不饱和键多
界面域内有硅夹杂 物（硅岛）
第四节 分界面
4.2 金属薄膜间的分界面
• 薄膜电路或一般电路中，电路的连接采用金属
薄膜材料(导电带)。
子层。与金属接触，会有显著的镜象作用。如 金属和NiO（110）面的附着力为1.33Jm-2, 几 乎是（100）面的 1倍。
晶面上正负离子排列方式不同，会影响镜像力。
第四节 分界面
• 水在纯硅的表面是不润湿的，如果硅表面生成
一层厚于40Å 的氧化硅，就能完全润湿。并且 随氧比硅厚度的增加，硅与水的接触角而增大。
• 导电带要求：导电性好、附着力高、抗蚀、抗
氧化、焊接相容性好、抗老化性能好。
• 一般一种金属是很难同样时间满足上述要求，
故采用多层金属薄膜结构。
第四节 分界面
双层导电带
• Cr-Au双层金属膜是普遍采用的薄膜导电带。 • Cr与衬底有良好的附着性，Au具有优良的导
电性，能抗蚀抗氧化，所以Cr-Au可发挥出比 较理想导电带作用。
随着氧比硅厚度的增加，缺陷(电荷)也相应
增加。经过估算，只要在表面层下有1013/cm2 量级的电荷密度，就能够完全润湿水。
晶面上缺陷程度不同，会影响镜像力。
第四节 分界面
4.5 金属-聚合物分界面
• 大规模集成电路中，有很多金属-绝缘体界面，
其中很多绝缘体是由聚合物来承担的。
• 聚合物优点是：εr为3～4(高速电路中采用), 可 以通过光刻(形成~1µm细线), 适合高速电路和 高密度封装。
• 缺点：
Cr在高温时很快往Au中扩散，使导电带电阻 增加；或生成Cr2O3，使附着性能下降。
第四节 分界面
4.3 金属-非金属分界面
• 金属-非金属分界面：金属被腐蚀或氧化形成新表面
层，金属和陶瓷间封接界面。
• 分界面的附着力和稳定性，对性能有很大的影响。
(1) 金属-非金属交界面的结构
• Ni/MgO的分界面：
材料表面与界面
第四节 分界面
第四节 分界面
关注的区域
分界面是指两个或数个凝集相的交界面。
与前述的界面差别：具有宏观二维尺寸条件下层 与层间的界面。
通常分界面有：
由氧化，腐蚀等化学作用生成的分界面(基体与表 面层的界面)
由薄膜与基板间的界面
块与块结合界面，如熔焊或粘接的界面
第四节 分界面
4.1 Si-SiO2 分界面 集成电路基板---单晶硅
界面过渡区厚度小于40nm，有NiO微晶(~10nm)存 在。
金属Ni晶粒与基板有一定的取向关系，有利于界面 能的减小，如[001]MgO//[021]Ni。
Cu/Al2O3界面
Mn3O4(110) Ag(110) Ag/Mn3O4界面
Cu/MnO界面
第四节 分界面
(2) 镜象作用与金属-非金属界面 的附着力
• 金属与非金属界面附着力的来
源有两种： 机械咬合作用 金属-非金属间发生了键合 作用
• 键合作用：
化学键力
Van der wasls色散力 镜象作用力
第四节 分界面
(a）产生镜象作用的条件
• 金属与非金属分界面两边的介电常数相差非常
大(金属εr=∞，氧化物εr≈10)。
• 非金属材料主要由离子键组成，在表面或界面
第四节 分界面
• 镜象作用力来源：
化合物中的离子电荷靠近金属而获得稳定化 离子晶体中带电的缺陷靠近其表面时，会产生
吸引作用。
• 从物理意义来说, 镜象作用反映了电荷对可极
化媒质的稳定性程度。
• 在a=2Å 时，镜象作用力仍能产生效力。距离
进一步减小时，会由于离子晶体与金属的电子 云重叠而产生巨大的排斥力。
第四节 分界面
（b）金属-非金属界面的附着
• 没有明显互扩散和反应的金属-非金属界面，
镜象作用对附着力可起着关键作用。
• NiO(100)面上正负离子交错排列，整个面呈电
中性，故当与金属接触时, 不会有明显的镜象 作用，附着力的来源主要是Van der waals作用。
• NiO(110)面上，是一层正离子层，或一层负离
中易形成带电的缺陷和杂质。
第四节 分界面
• 带电的表面吸引金属中电子偏聚在界面上，从
产生一个附加界面能Eim(镜象作用能)。
Eim
=
Q2
4ε1a
ε ε
1 1
−ε2 +ε2
•ε1和ε2为两边的介电常数分别为。ε1中存在电荷Q
距界面的距离为a。
•当金属ε2→∞, Eim是负值，能降低界面能，故产生
吸引力。