薄膜的结构与缺陷教学提纲

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薄膜就是多晶薄膜。 真空蒸发与溅射法制成的薄膜多属于这种结构。
分类：
按微晶的排列情况：
无序多晶薄膜（包括多熔点金属薄膜）
晶粒择优取向薄膜（包括锥形结构、纤维结构和柱状结构）
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❖ 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。
❖ 例如在ZrO2薄膜中常存在着介稳四方相。当四 方相朝单斜相转变时伴随有4％的体积膨胀。
❖ 在ZrO2中掺入Y2O3后可防止介稳相产生而形成 稳定的立方相。
❖ 形成介稳相的原因可能是沉积工艺条件、基体、 杂质、电场和磁场等引起的。
❖ 但通过退火热处理可使介稳相转变成稳定的正常 结构。
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晶界：多晶薄膜中不同晶粒间的交界面称为晶粒间 界，或称晶界。具有与晶粒内部不同的特征。
组织结构、晶体结构、表面结构。 一．薄膜的组织结构
指它的结晶形态。
无定形结构 多晶结构（包括纤维结构） 单晶结构
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◆无定形结构薄膜在环境温度下是稳定的。 两种结构： 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。
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
f 2r•
承受压力的面积 S r2
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压力强度 P f/S 2r/(r2 ) 2/r(8-1)
其中a、b、c是晶格在三维空间中的基本平移量，称为
晶格常数。
◆ 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：
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
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
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，
◆ 在x 射线衍射谱图中，呈现很宽的漫散射峰，在电 子衍射图中显示出很宽的弥散性光环。
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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。
方法：
降低基体温度Ts、引入反应气体和掺杂。 实例：
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。
◆当膜层较厚时,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、 气体原子入射角度和沉积速率等。
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4．单晶结构
原子高度有序排列。单晶结构薄膜多由外 延工艺制作。
外延生长单晶薄膜条件：
a、吸附原子必须有较高的表面扩散速率，因此 沉积速率和基体温度 Ts 是重要因素。
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：
纤维结构薄膜 是晶粒具有择优取向的薄膜。
『属于这种结构的有各种压电微晶薄膜』
◆ 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。
◆ 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。
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◆ 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。
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。
多晶薄膜中晶粒间界原子扩散的研究方法包括建立 解析数学模型和实验技术。
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3．纤维结构
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。
◆ 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。
C、83%ZrO2 -17%SiO2的掺杂薄膜中，由于两种沉
202积0/8/原13 子尺寸的不同也可形成无定形薄膜。
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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。
晶粒尺寸一般在10-100nm，亦称为微晶薄膜（如低熔点 金属薄膜）。晶粒特别小（<10nm）的薄膜，称为超微粒 薄膜。
由虎克定律
V 3 a 1 P V a EV
(8-2)
EV — 薄膜弹性系数
将式(8-1)Байду номын сангаас代入式 (8-2)
a 2
a 3EV • r
(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。