薄膜的結(jié)構(gòu)特征和缺陷.ppt

1、薄膜的結(jié)構(gòu)特征與缺陷,薄膜的結(jié)構(gòu)和缺陷在很大程度上決定著薄膜的性能，主要討論影響薄膜結(jié)構(gòu)與缺陷的因素，以及對(duì)性能的影響。,一、薄膜的結(jié)構(gòu) 薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)，薄膜結(jié)構(gòu)可分為三種類型： 1、組織結(jié)構(gòu) 2、晶體結(jié)構(gòu) 3、表面結(jié)構(gòu),1、薄膜的組織結(jié)構(gòu) (1)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。 從原子排列情況來(lái)看它是一種近程有序、遠(yuǎn)程無(wú)序的結(jié)構(gòu)，只有少數(shù)原子排列是有秩序的，顯示不出任何晶體的性質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)稱為非晶結(jié)構(gòu)或玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)。 形成非晶薄膜的工藝條件是降低吸附原子的表面擴(kuò)散速率?？梢酝ㄟ^(guò)降低基體溫度、引入反應(yīng)氣體和摻雜等的方法制成非晶薄膜。,(2)多晶結(jié)構(gòu)。 多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成。在

2、薄膜形成過(guò)程中生成的小島就具有晶體的特征(原子有規(guī)則的排列)。由眾多小島聚結(jié)形成的薄膜就是多晶薄膜。 用真空蒸發(fā)法或陰極濺射法制成的薄膜，都是通過(guò)島狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)起來(lái)的，所以必然產(chǎn)生許多晶粒間界，從而形成多晶結(jié)構(gòu)。,(3)纖維結(jié)構(gòu)。 纖維結(jié)構(gòu)薄膜是晶粒具有擇優(yōu)取向的薄膜，根據(jù)取向方向、數(shù)量的不同分為單重纖維結(jié)構(gòu)和雙重纖維結(jié)構(gòu)。 生長(zhǎng)在薄膜中晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜生長(zhǎng)的各個(gè)階段：初始成核階段、小島聚結(jié)階段和最后階段。,(4)單晶結(jié)構(gòu)。 單晶結(jié)構(gòu)薄膜通常是用外延工藝制造的。外延生長(zhǎng)需要滿足三個(gè)基本的條件。 a、吸附原子必須有較高的表面擴(kuò)散速率，所以基體溫度和沉積速率就相當(dāng)重要。在一定的蒸發(fā)速率條件

3、下，大多數(shù)基體和薄膜之間都存在著發(fā)生外延生長(zhǎng)的最低溫度，即外延生長(zhǎng)溫度。 b、基體與薄膜材料的結(jié)晶相溶性。 c、基體表面清潔、光滑和化學(xué)穩(wěn)定性好。 滿足以上三個(gè)基本條件，才能制備結(jié)構(gòu)完整的單晶薄膜。,2、薄膜的晶體結(jié)構(gòu) 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)是指薄膜中各晶粒的晶型狀況。晶體的主要特征是其中原了有規(guī)則的排列。在大多數(shù)情況下，薄膜中晶粒的晶格結(jié)構(gòu)與塊狀晶體是相同的，只是晶粒取向和晶粒 尺寸與塊狀晶體不同。除了晶體類型之外，薄膜中晶粒的晶格常數(shù)也常常和塊狀晶體不同。 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：一是薄膜材料本身的晶格常數(shù)與基體材料晶格常數(shù)不匹配，二 是薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力。,3、薄膜的表面結(jié)構(gòu) 在薄

4、膜的沉積、形成、成長(zhǎng)過(guò)程中，入射到基體表面上的氣相原子是無(wú)規(guī)律的，所以薄膜表面都有一定的粗糙度。粗糙度對(duì)光學(xué)性能影響較大。 由于薄膜的表面結(jié)構(gòu)和構(gòu)成薄膜整體的微型體密切相關(guān)，在基體溫度和真空度較低時(shí)，容易出現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)。 所有真空蒸發(fā)薄膜都呈現(xiàn)柱狀體結(jié)構(gòu)，濺射薄膜的柱狀結(jié)構(gòu)是由一個(gè)方向來(lái)的濺射粒子流在吸附原子表面擴(kuò)散速率很小的情況下凝聚形成的。,二、薄膜的缺陷,所有在塊狀晶體材料中可能出現(xiàn)的各類晶格缺陷在薄膜中也都可能出現(xiàn)。但是由于薄膜及其成膜過(guò)程的特殊性，因而薄膜中缺陷的形成原因和分布等也表現(xiàn)出一定的持續(xù)性，特別是其數(shù)量一般都大大超過(guò)塊狀材料。 與此同時(shí)，薄膜中的晶格常數(shù)也與材料塊狀時(shí)的值有較

5、大的差別。 薄膜的缺陷可以分為以下三種類型 1、點(diǎn)缺陷 2、線缺陷 3、薄膜的晶界與層錯(cuò),1、薄膜的點(diǎn)缺陷 晶體中晶格排列出現(xiàn)的缺陷如果只涉及單個(gè)晶格則稱為點(diǎn)缺陷。當(dāng)沉積速率很高、基片濕度較低時(shí)，到達(dá)基片表面的原子來(lái)不及完整地排列就被后來(lái)的原子層所覆蓋，這樣就可能在薄膜中產(chǎn)生高濃度的空位缺陷。 點(diǎn)缺陷的典型構(gòu)型是空位和填隙原子。逃離原位的原子或躍遷到晶體表面的 正常位置，形成 Schottky 缺陷，或會(huì)跳進(jìn)晶格原子之間的間隙里形成 Frenkcl 缺陷。這兩種缺陷均為本征點(diǎn)缺陷。,2、薄膜的線缺陷。 位錯(cuò)是晶態(tài)薄膜中最普遍存在的一種線性缺陷，是薄膜中最常遇到的缺陷之一，它是晶格結(jié)構(gòu)中一種“線型”的不完整結(jié)構(gòu)。 薄膜中的位錯(cuò)大部分從薄膜表面伸向基體表面，并在位錯(cuò)周?chē)a(chǎn)生畸變。引起薄膜位錯(cuò)的原因很多。在薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中，最初階段基片上的晶核和孤立的小扇形狀和結(jié)晶取向是隨機(jī)的。但是在聚結(jié)階段，當(dāng)兩個(gè)小島相遇時(shí)，如果它們的位向有輕微差別，在結(jié)合處將形成位錯(cuò)。,3、薄膜的面缺陷 （1）晶界 晶界和塊狀材料相似，薄膜中各晶粒之間由于相