1、第四章第四章（補充）（補充）薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷第一節薄膜的結構第一節薄膜的結構薄膜的結構因研究的對象不同分三種類型：薄膜的結構因研究的對象不同分三種類型：(1) 組織結構組織結構(2) 晶體結構晶體結構(3) 表面結構表面結構薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷一、薄膜組織結構：一、薄膜組織結構：(1) 無定形結構無定形結構薄膜的組織結構是指它的結晶形態薄膜的組織結構是指它的結晶形態其結構分為四種類型：其結構分為四種類型：(2) 多晶結構多晶結構(3) 纖維結構纖維結構(4) 單晶結構單晶結構1. 無定形結構無定形結構無定形結構無定形結構(也稱為非晶結構或玻璃態結構也稱為非晶結構或玻

2、璃態結構)其內部原子的排列其內部原子的排列是無序的，更嚴格地說，是不存在長程的周期排列是無序的，更嚴格地說，是不存在長程的周期排列(在微觀尺在微觀尺度上可能存在有序的原子團度上可能存在有序的原子團)薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷相對于塊體材料來講，比較容易制備非晶態的薄膜相對于塊體材料來講，比較容易制備非晶態的薄膜這是由于薄膜的制備方法比較容易實現形成非晶態結構的這是由于薄膜的制備方法比較容易實現形成非晶態結構的外部條件，即較高的過冷度和低的原子擴散能力外部條件，即較高的過冷度和低的原子擴散能力形成無定形薄膜的工藝條件是降低吸附原子的表面擴散速率形成無定形薄膜

3、的工藝條件是降低吸附原子的表面擴散速率硫化物和鹵化物薄膜在基體溫度低于硫化物和鹵化物薄膜在基體溫度低于77K時可形成無定形時可形成無定形薄膜薄膜降低表面擴散速率的方法：降低表面擴散速率的方法：薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷降低基體溫度、引入反應氣體和摻雜降低基體溫度、引入反應氣體和摻雜有些氧化物薄膜有些氧化物薄膜(如如TiO2、ZrO2、Al2O3等等)，基體溫度在室，基體溫度在室溫時有形成無定形薄膜的傾向溫時有形成無定形薄膜的傾向濺射沉積濺射沉積W、Mo、Hf、Zr、Re膜時，加入原子百分比為膜時，加入原子百分比為1%的的N2，所得的膜是非晶態，所得的膜是非晶態在在10-210-3Pa氧分

4、壓中蒸發鋁、鎵、銦和錫等超導薄膜，氧分壓中蒸發鋁、鎵、銦和錫等超導薄膜，由于氧化層阻擋了晶粒生長而形成無定形薄膜由于氧化層阻擋了晶粒生長而形成無定形薄膜在在83%ZrO2-17SiO2和和67%ZrO2-33%MgO的摻雜薄膜中，的摻雜薄膜中，由于兩種沉積原子尺寸的不同也可形成無定形薄膜；由于兩種沉積原子尺寸的不同也可形成無定形薄膜；薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷2. 多晶結構多晶結構薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷多晶結構薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成多晶結構薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成用真空蒸發或陰極濺射法制備的薄膜，都是通過島狀結構生用真空蒸發或陰極濺射法制備的薄膜，都是

5、通過島狀結構生長起來，必然產生許多晶粒間界形成多晶結構長起來，必然產生許多晶粒間界形成多晶結構在多晶薄膜中，常常出現一些塊狀材料未曾發現的介穩相在多晶薄膜中，常常出現一些塊狀材料未曾發現的介穩相結構結構在薄膜形成過程中生成的小島就具有晶體的特征在薄膜形成過程中生成的小島就具有晶體的特征(原子有規原子有規則的排列則的排列)思考：由眾多小島聚結形成的薄膜是單晶還是多晶薄膜？思考：由眾多小島聚結形成的薄膜是單晶還是多晶薄膜？薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷討論：晶界或晶粒間界所表現出兩個的特征：討論：晶界或晶粒間界所表現出兩個的特征：多晶薄膜中不同晶粒間的交界面稱為晶界或晶粒間界多晶薄膜中不同晶粒間

6、的交界面稱為晶界或晶粒間界(1) 由于晶界中晶格畸變較大，因此晶界上原子的平均能量由于晶界中晶格畸變較大，因此晶界上原子的平均能量高于晶粒中內部原子的平均能量，它們的差值稱為高于晶粒中內部原子的平均能量，它們的差值稱為晶界晶界能能。高的晶界能量表明它有自發地向低能態轉化的趨勢。高的晶界能量表明它有自發地向低能態轉化的趨勢。晶粒的長大和平直化都能減少界面面積，從而降低晶界晶粒的長大和平直化都能減少界面面積，從而降低晶界能量。所以只要原子有足夠的動能，在它遷移時就出現能量。所以只要原子有足夠的動能，在它遷移時就出現晶粒長大和晶界平直化的結果晶粒長大和晶界平直化的結果薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷

7、多晶薄膜中晶界多晶薄膜中晶界 (晶粒間界晶粒間界)處原子擴散問題是薄膜物理研究處原子擴散問題是薄膜物理研究的一個重要內容的一個重要內容(2) 由于晶界中原子排列不規則，其中有較多的由于晶界中原子排列不規則，其中有較多的空位空位。當晶。當晶粒中有微量雜質時，因它要填入晶界中的空位，使系統粒中有微量雜質時，因它要填入晶界中的空位，使系統的自由能增加要比它進入晶粒內部低。所以微量雜質原的自由能增加要比它進入晶粒內部低。所以微量雜質原子常常富集在晶界處，雜質原子沿晶界擴散比穿過晶粒子常常富集在晶界處，雜質原子沿晶界擴散比穿過晶粒要容易得多要容易得多薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷3. 纖維結構纖維結構

8、纖維結構薄膜是晶粒具有纖維結構薄膜是晶粒具有擇優取向擇優取向的薄膜。根據取向方向、的薄膜。根據取向方向、數量的不同又可分為單重纖維結構和雙重纖維結構數量的不同又可分為單重纖維結構和雙重纖維結構單重纖維結構是各晶粒只在一個方向上擇優取向，有時也稱單重纖維結構是各晶粒只在一個方向上擇優取向，有時也稱為一維取向薄膜為一維取向薄膜雙重纖維結構是各晶粒在兩個方向擇優取向，二維取向薄膜雙重纖維結構是各晶粒在兩個方向擇優取向，二維取向薄膜類似于單晶，它具有類似單晶的性質類似于單晶，它具有類似單晶的性質薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷在薄膜中晶粒的擇優取向可發生在薄膜生長的各個階段：在薄膜中晶粒的擇優取向可發

9、生在薄膜生長的各個階段：在非晶態基體上，大多數多晶薄膜都傾向于顯示擇優取向在非晶態基體上，大多數多晶薄膜都傾向于顯示擇優取向初始成核階段、小島聚結階段和最后階段初始成核階段、小島聚結階段和最后階段若吸附原子在基體表面上有較高的擴散速率，晶粒的擇優取若吸附原子在基體表面上有較高的擴散速率，晶粒的擇優取向可發生在薄膜形成的初期階段向可發生在薄膜形成的初期階段在起始層中原子排列取決于基體表面、基體溫度、晶體結在起始層中原子排列取決于基體表面、基體溫度、晶體結構、原子半徑和薄膜材料的熔點構、原子半徑和薄膜材料的熔點若吸附原子在基體表面上擴散速率較小，初始膜層不會出現若吸附原子在基體表面上擴散速率較小，

10、初始膜層不會出現擇優取向擇優取向薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷3. 單晶結構單晶結構單晶結構薄膜通常是用單晶結構薄膜通常是用外延工藝外延工藝制備制備外延生長的三個基本條件：外延生長的三個基本條件：(1) 吸附原子具有較高的擴散速率，所以基體溫度和沉積速率吸附原子具有較高的擴散速率，所以基體溫度和沉積速率就相當重要就相當重要(2) 基體與薄膜材料的結晶相容性。假設基體的晶格常數為基體與薄膜材料的結晶相容性。假設基體的晶格常數為a，薄膜的晶格常數為薄膜的晶格常數為b。晶格失配數。晶格失配數m = (b-a)/a。 m值越小，值越小，外延生長越容易實現外延生長越容易實現(3) 要求基體表面清潔、光

11、滑和化學穩定性好要求基體表面清潔、光滑和化學穩定性好薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷二、薄膜的晶體結構二、薄膜的晶體結構薄膜的晶格常數常常和塊狀晶體不同薄膜的晶格常數常常和塊狀晶體不同薄膜的晶體結構是指薄膜中各晶粒的晶型狀況薄膜的晶體結構是指薄膜中各晶粒的晶型狀況在大多數情況下，薄膜中晶粒的晶格結構與塊狀晶體是相同在大多數情況下，薄膜中晶粒的晶格結構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的，只是晶粒取向和晶粒尺寸與塊狀晶體不同產生晶格常數不同的兩個原因：產生晶格常數不同的兩個原因：(1) 薄膜材料本身的晶格常數與基體材料晶格常數不匹配薄膜材料本

12、身的晶格常數與基體材料晶格常數不匹配(2) 薄膜中有較大的內應力和表面張力薄膜中有較大的內應力和表面張力薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷由于晶格常數不匹配，在薄膜與基體的界面處晶粒的晶格發由于晶格常數不匹配，在薄膜與基體的界面處晶粒的晶格發生畸變形成一種新晶格，以便和基體匹配生畸變形成一種新晶格，以便和基體匹配晶格常數相差的百分比等于晶格常數相差的百分比等于2%時，薄膜與基體界面處晶格時，薄膜與基體界面處晶格畸變層的厚度為幾個埃；當相差的百分比等于畸變層的厚度為幾個埃；當相差的百分比等于4%時，薄膜時，薄膜與基體界面處晶格畸變層的厚度為幾百埃；當相差的百分與基體界面處晶格畸變層的厚度為幾百埃；

13、當相差的百分比大于比大于12%時，晶格畸變達到完全不匹配的程度時，晶格畸變達到完全不匹配的程度薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷rf22rS假設基體表面上有一個半球形的晶粒其半徑為假設基體表面上有一個半球形的晶粒其半徑為r，單位面積的，單位面積的表面張力為表面張力為晶粒產生的壓力為晶粒產生的壓力為受力面積為受力面積為薄膜的表面張力使薄膜晶格常數變化的情況可用理論計算說薄膜的表面張力使薄膜晶格常數變化的情況可用理論計算說明明薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷pEaaVVV13EV：薄膜的彈性系數：薄膜的彈性系數 a： 晶格常數晶格常數rrrp/2/22壓力強度為：壓力強度為：根據虎克定律有：根據虎克

14、定律有：薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷晶格常數的變化比為晶格常數的變化比為rEaaV32晶格常數的變化比晶格常數的變化比(應變應變)與晶粒半徑成反比，晶粒越小晶與晶粒半徑成反比，晶粒越小晶格常數變化比越大格常數變化比越大薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷三、表面結構三、表面結構薄膜為了使它的總能量達到最低值，應該有最小的表面積，薄膜為了使它的總能量達到最低值，應該有最小的表面積，即應該成為理想的平面狀態即應該成為理想的平面狀態實際上這種膜是無法得到的實際上這種膜是無法得到的薄膜在沉積形成成長過程中，入射到基體表面上的氣相原子薄膜在沉積形成成長過程中，入射到基體表面上的氣相原子是無規律的，所以薄

15、膜表面具有一定的粗糙度是無規律的，所以薄膜表面具有一定的粗糙度薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷由于吸附原子的表面擴散，使薄膜表面上的谷被填平，峰由于吸附原子的表面擴散，使薄膜表面上的谷被填平，峰被削平，導致薄膜表面積不斷縮小，表面能逐步降低被削平，導致薄膜表面積不斷縮小，表面能逐步降低基體溫度較高的情況下，由于吸附原子在表面上擴散，使基體溫度較高的情況下，由于吸附原子在表面上擴散，使得一些低能晶面得到發展。但在表面原子的擴散作用下，得一些低能晶面得到發展。但在表面原子的擴散作用下，生長最快的晶面能消耗那些生長較慢的晶面，導致薄膜的生長最快的晶面能消耗那些生長較慢的晶面，導致薄膜的粗糙度進一步增

16、大粗糙度進一步增大薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷在基體溫度較低的情況下，吸附原子在表面上橫向運動的能在基體溫度較低的情況下，吸附原子在表面上橫向運動的能量較小，薄膜表面面積隨膜層厚度成線性增大。所得表面面量較小，薄膜表面面積隨膜層厚度成線性增大。所得表面面積較大，形成多孔結構薄膜，這種微孔內表面積很大，而且積較大，形成多孔結構薄膜，這種微孔內表面積很大，而且可延續到最低層，形成柱狀體結構可延續到最低層，形成柱狀體結構如果沉積薄膜的真空度較低，形成的薄膜也是多孔性的如果沉積薄膜的真空度較低，形成的薄膜也是多孔性的薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷大多數蒸發薄膜有如下特點：大多數蒸發薄膜有如下特點

17、：(1) 呈現柱狀顆粒和空位組合結構呈現柱狀顆粒和空位組合結構(2) 柱狀體幾乎垂直于基體表面生長，而且上下兩端尺寸基柱狀體幾乎垂直于基體表面生長，而且上下兩端尺寸基本相同本相同(3) 平行于基體表面的層與層之間有明顯的界面。上層柱狀平行于基體表面的層與層之間有明顯的界面。上層柱狀體與下層柱狀體并不完全連續生長體與下層柱狀體并不完全連續生長薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷所有真空蒸發薄膜都呈柱狀體結構所有真空蒸發薄膜都呈柱狀體結構原子的沉積過程可分為三個過程：原子的沉積過程可分為三個過程：由于發生上述過程均受到相應過程的激活能控制，因此薄膜由于發生上述過程均受到相應過程的激活能控制，因此薄膜結

18、構的形成與基體溫度結構的形成與基體溫度Ts和蒸發材料熔點溫度和蒸發材料熔點溫度Tm的比值的比值Ts Tm密切相關密切相關(1) 氣相原子的沉積氣相原子的沉積(2) 表面的擴散表面的擴散(3) 薄膜內的擴散薄膜內的擴散薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷當當Ts Tm小于小于0.45時，薄膜就呈柱狀結構時，薄膜就呈柱狀結構大多數薄膜都是在區域大多數薄膜都是在區域1的基體溫度下沉積，其柱狀體直徑的基體溫度下沉積，其柱狀體直徑為幾百個為幾百個 ，柱狀體之間有明顯的界面，柱狀體之間有明顯的界面薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷濺射方法制備的薄膜

19、組織可依沉積條件不同而呈現四種不濺射方法制備的薄膜組織可依沉積條件不同而呈現四種不同的組織形態同的組織形態實驗結果表明，除了襯底溫度因素以外，濺射氣壓對薄膜實驗結果表明，除了襯底溫度因素以外，濺射氣壓對薄膜結構也有著顯著影響。這是因為，濺射的氣壓越高，入射結構也有著顯著影響。這是因為，濺射的氣壓越高，入射到襯底上的粒子受到氣體分子的碰撞越頻繁，粒子的能量到襯底上的粒子受到氣體分子的碰撞越頻繁，粒子的能量越低越低薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷在溫度很低、氣體壓力較高的條件下，入射粒子的能量很在溫度很低、氣體壓力較高的條件下，入射粒子的能量很低。這種情況下形成的薄膜具有形態低。這種情況下形成的薄

20、膜具有形態1型的微觀組織型的微觀組織沉積組織呈現一種數十納米的細纖維狀的組織形態，纖維內沉積組織呈現一種數十納米的細纖維狀的組織形態，纖維內部缺陷密度很高或者就是非晶態結構；纖維間的結構明顯疏部缺陷密度很高或者就是非晶態結構；纖維間的結構明顯疏松，存在許多納米尺度的孔洞。此種膜的強度很低松，存在許多納米尺度的孔洞。此種膜的強度很低由于溫度低，原子的表面擴散能力有限，沉積到襯底表面的由于溫度低，原子的表面擴散能力有限，沉積到襯底表面的原子即已失去了擴散能力。同時，薄膜形成所需的臨界核心原子即已失去了擴散能力。同時，薄膜形成所需的臨界核心尺寸很小，因而在薄膜的表面上，沉積粒子會不斷形成新的尺寸很小

21、，因而在薄膜的表面上，沉積粒子會不斷形成新的核心核心薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷形態形態T型的組織是介于形態型的組織是介于形態1和形態和形態2的過渡型組織。此時沉的過渡型組織。此時沉積的溫度仍然很低，沉積過程中臨界核心的尺寸仍然很小積的溫度仍然很低，沉積過程中臨界核心的尺寸仍然很小形態形態1組織向形態組織向形態T組織轉變的溫度與濺射時的氣壓有關。組織轉變的溫度與濺射時的氣壓有關。濺射氣壓越低，即入射粒子的能量越高，則發生轉變的溫度濺射氣壓越低，即入射粒子的能量越高，則發生轉變的溫度越向低溫方向移動越向低溫方向移動上述結果表明，入射粒子能量的提高有抑制形態上述結果表明，入射粒子能量的提高有抑

22、制形態1組織出組織出現，促進形態現，促進形態T組織出現的作用。產生這種現象的原因在于組織出現的作用。產生這種現象的原因在于濺射粒子能量的提高改善了薄膜表面原子的擴散能量，使纖濺射粒子能量的提高改善了薄膜表面原子的擴散能量，使纖維邊界處的組織出現了明顯的致密化傾向維邊界處的組織出現了明顯的致密化傾向薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷Ts Tm0.30.5溫度區間的形態溫度區間的形態2型的組織是原子表面擴散型的組織是原子表面擴散進行得較為充分時形成的薄膜組織。此時，原子在薄膜內部進行得較為充分時形成的薄膜組織。此時，原子在薄膜內部的體擴散雖然不充分，但原子的表面擴散能力已經提高，已的體擴散雖然不充分

23、，但原子的表面擴散能力已經提高，已經可以進行相當距離的擴散經可以進行相當距離的擴散在這種情況下，形成的組織為各個晶粒分別外延而形成的均在這種情況下，形成的組織為各個晶粒分別外延而形成的均勻的柱狀晶組織，柱狀晶的直徑隨沉積溫度的增加而增加。勻的柱狀晶組織，柱狀晶的直徑隨沉積溫度的增加而增加。晶粒內部缺陷密度較低，晶粒邊界的致密性較好，這使得薄晶粒內部缺陷密度較低，晶粒邊界的致密性較好，這使得薄膜具有較高的強度膜具有較高的強度薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷襯底溫度的繼續升高襯底溫度的繼續升高(Ts Tm 0.5)使得原子的體擴散發揮重使得原子的體擴散發揮重要作用。此時，在沉積進行的同時，薄膜內將

24、發生再結晶的要作用。此時，在沉積進行的同時，薄膜內將發生再結晶的過程，晶粒開始長大，直至超過薄膜的厚度。薄膜的組織變過程，晶粒開始長大，直至超過薄膜的厚度。薄膜的組織變為經過充分再結晶的粗大的等軸晶組織，晶粒內部缺陷很為經過充分再結晶的粗大的等軸晶組織，晶粒內部缺陷很低，如圖中顯示的形態低，如圖中顯示的形態3型的薄膜組織型的薄膜組織在形態在形態2和形態和形態3型組織的情況下，襯底的溫度已經較高，因型組織的情況下，襯底的溫度已經較高，因而濺射氣壓或入射粒子的能量對薄膜組織的影響變得比較小而濺射氣壓或入射粒子的能量對薄膜組織的影響變得比較小了了蒸發法制備的薄膜與濺射法制備的薄膜組織相似，也可被相蒸

25、發法制備的薄膜與濺射法制備的薄膜組織相似，也可被相應地劃分上述四種不同的組織形態。但由于在蒸發法時，入應地劃分上述四種不同的組織形態。但由于在蒸發法時，入射粒子的能量很低，一般認為其不易形成形態射粒子的能量很低，一般認為其不易形成形態T型的薄膜組型的薄膜組織織薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷Ts Tm 0.15時，薄膜組織為晶帶時，薄膜組織為晶帶1型的細等軸晶，晶粒尺型的細等軸晶，晶粒尺寸只有寸只有520 nm，組織中孔洞較多，組織較為疏松組織中孔洞較多，組織較為疏松 0.15 Ts Tm 0.3 時，薄膜組織為晶帶時，薄膜組織為晶帶T型，其特點是在型，其特點是在細晶粒的包圍下出現了部分直徑約

26、為細晶粒的包圍下出現了部分直徑約為50 nm尺寸稍大的晶粒尺寸稍大的晶粒Ts Tm 0.3 0.5時，晶帶時，晶帶2型的組織開始出現型的組織開始出現 0. 5 Ts Tm 以后以后，薄膜組織變為晶帶，薄膜組織變為晶帶3型的粗大的等軸晶型的粗大的等軸晶組織組織薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷第二節薄膜的缺陷第二節薄膜的缺陷薄膜的體內晶體缺陷和一般晶體的缺陷相同薄膜的體內晶體缺陷和一般晶體的缺陷相同薄膜的表面和界面會出現和體缺陷不同的缺陷薄膜的表面和界面會出現和體缺陷不同的缺陷(如表面點如表面點缺陷缺陷)晶體缺陷是指實際晶體中與理想的點陣結構發生偏差的區域晶體缺陷是指實際晶體中與理想的點陣結構發生

27、偏差的區域薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷晶體缺陷的類型：晶體缺陷的類型：(1) 點缺陷：它在三維空間各方向上尺寸都很小，也稱為零點缺陷：它在三維空間各方向上尺寸都很小，也稱為零維維 缺陷如空位、間隙原子和異類原子等缺陷如空位、間隙原子和異類原子等(2) 線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷，主線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，也稱為一維缺陷，主要要 是位錯是位錯 (3) 面缺陷：它空間一個方向尺寸很小，另外兩個方向上尺面缺陷：它空間一個方向尺寸很小，另外兩個方向上尺寸寸 較大的缺陷，如晶界、相界和表面等較大的缺陷，如晶界、相界和表面等一、點缺陷一、點缺陷1. 點缺陷的類型點缺陷的類型(a

28、) 肖特基肖特基(Schottky)缺陷缺陷 (b) 弗侖克爾弗侖克爾(Frenkel)缺陷缺陷 (c) 雜質缺陷雜質缺陷 薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷2. 薄膜中的點缺陷薄膜中的點缺陷當沉積速率很高、基板溫度較低時，就可能在薄膜中產生高當沉積速率很高、基板溫度較低時，就可能在薄膜中產生高濃度的空位缺陷濃度的空位缺陷薄膜中存在原子空位的效果主要表現在晶體的體積和密度薄膜中存在原子空位的效果主要表現在晶體的體積和密度上。一個空位可使晶體體積大約減小二分之一的原子體積上。一個空位可使晶體體積大約減小二分之一的原子體積薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜中空位濃度在平衡濃度以上，所以它的密度比塊

29、狀小，薄膜中空位濃度在平衡濃度以上，所以它的密度比塊狀小，而且空位濃度隨著時間的增加而減小而且空位濃度隨著時間的增加而減小在薄膜中點缺陷約占百分之幾個原子。在點缺陷中數量最在薄膜中點缺陷約占百分之幾個原子。在點缺陷中數量最多多的是原子空位的是原子空位薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷在真空蒸發過程中溫度的急劇變化會在薄膜中產生很多點缺在真空蒸發過程中溫度的急劇變化會在薄膜中產生很多點缺陷陷薄膜點缺陷對電阻率產生較大的影響薄膜點缺陷對電阻率產生較大的影響二、線缺陷二、線缺陷(位錯位錯)晶體中的位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯晶體中的位錯類型有刃型位錯、螺型位錯和混合位錯1. 線缺陷線缺陷(位

30、錯位錯)的類型的類型薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷位錯是薄膜中最普遍存在的缺陷，其密度約為位錯是薄膜中最普遍存在的缺陷，其密度約為10121013/cm2位錯在塊狀優質晶體中，其密度約為位錯在塊狀優質晶體中，其密度約為104106/cm2位錯在發生強烈塑性形變的晶體中，其密度約為位錯在發生強烈塑性形變的晶體中，其密度約為10101012/cm2在薄膜中引起位錯的原因：在薄膜中引起位錯的原因：薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷(1) 基體引起的位錯基體引起的位錯 如果薄膜和基體之間有晶格失配的位錯，則在生長單層的擬如果薄膜和基體之間

31、有晶格失配的位錯，則在生長單層的擬似性結構時就會有位錯產生。如果在基體上有位錯，那么在似性結構時就會有位錯產生。如果在基體上有位錯，那么在基體上形成的薄膜就會因基體的位錯而引起位錯基體上形成的薄膜就會因基體的位錯而引起位錯薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷(2) 小島的聚結小島的聚結 薄膜中產生位錯的主要原因都來自小島的長大和聚結。在多薄膜中產生位錯的主要原因都來自小島的長大和聚結。在多數的小島中其結晶方向都是任意的。特別是兩個晶體方向稍數的小島中其結晶方向都是任意的。特別是兩個晶體方向稍有不同的兩個小島相互聚結成長時，就會產生以位錯形式小有不同的兩個小島相互聚結成長時，就會產生以位錯形式小傾斜

32、角晶粒晶界傾斜角晶粒晶界薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷三、面缺陷三、面缺陷面缺陷有晶界、相界、表面、堆積層錯等面缺陷有晶界、相界、表面、堆積層錯等薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷1. 晶粒間界晶粒間界薄膜中含有許多小晶粒，與塊狀材料相比，薄膜的晶粒間界薄膜中含有許多小晶粒，與塊狀材料相比，薄膜的晶粒間界面積較大面積較大思考：為什么薄膜材料的電阻率比塊體材料的電阻率大？思考：為什么薄膜材料的電阻率比塊體材料的電阻率大？薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷晶粒尺寸隨沉積速率

33、的變化關系不像上述因素那么明顯晶粒尺寸隨沉積速率的變化關系不像上述因素那么明顯當退火熱處理在退火溫度下沉積的薄膜時，晶粒增大的效果當退火熱處理在退火溫度下沉積的薄膜時，晶粒增大的效果則不顯著則不顯著在高于沉積溫度下進行退火熱處理可以改變晶粒尺寸。退火在高于沉積溫度下進行退火熱處理可以改變晶粒尺寸。退火溫度越高，晶粒尺寸越大。熱處理較厚的膜這種效果越明顯溫度越高，晶粒尺寸越大。熱處理較厚的膜這種效果越明顯真空蒸發鍍膜中存在的另一種重要的面缺陷是層錯缺陷真空蒸發鍍膜中存在的另一種重要的面缺陷是層錯缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷第三節薄膜的其他問題第三節薄膜的其他問題1. 成分的偏析成分的偏析

34、薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷Si基片上蒸發鍍膜基片上蒸發鍍膜400 的的Ti膜，然后再沉積厚度為膜，然后再沉積厚度為100200 的的Mo膜。膜。 Mo膜只沉積到膜只沉積到Ti膜的一部分，另一部分是裸露膜的一部分，另一部分是裸露的的Ti膜，最后將樣品在膜，最后將樣品在N2(或或He) + H2(8 10%)中中590退退火火30分鐘分鐘薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷密度是物理結構的重要參量，通常它是用測量每單位面積密度是物理結構的重要參量，通常它是用測量每單位面積和相應的厚度的質量確定的和相應的厚度的質量確定的2. 薄膜的密度薄膜的密度若薄膜是不連續的或多

35、空洞疏松的，則其密度低于塊體值若薄膜是不連續的或多空洞疏松的，則其密度低于塊體值一般情況下，薄膜的厚度越小，其密度也越小；當厚度越一般情況下，薄膜的厚度越小，其密度也越小；當厚度越來越大時，其密度值逐漸接近塊體值來越大時，其密度值逐漸接近塊體值薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷薄膜在制成后會十分緩慢的變化，變化的起因在于薄膜制薄膜在制成后會十分緩慢的變化，變化的起因在于薄膜制備過程的急速冷卻而包含各種各樣的缺陷、變形等等備過程的急速冷卻而包含各種各樣的缺陷、變形等等3. 薄膜的經時變化薄膜的經時變化使用薄膜時，一般要求經時變化越小越好使用薄膜時，一般要求經時變化越

36、小越好要研究薄膜各種制備條件要研究薄膜各種制備條件膜越薄，經時變化越大膜越薄，經時變化越大薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷從圖中能得出什么結論？對我們有何啟發？從圖中能得出什么結論？對我們有何啟發？在薄膜制備以后如果在高溫下放置數小時在薄膜制備以后如果在高溫下放置數小時(取決于膜和基體取決于膜和基體材料材料)，往往會使以后的變化比較小，這種處理稱為老化，往往會使以后的變化比較小，這種處理稱為老化薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷非晶態薄膜是處于一種熱力學非平衡狀態，或某種亞穩非晶態薄膜是處于一種熱力學非平衡狀態，或某種亞穩態，這種體系具有較高能量，在退火處理或其他作用的影態，這種體系具有較高能量

37、，在退火處理或其他作用的影響下，這種體系將釋放能量而向晶態轉化響下，這種體系將釋放能量而向晶態轉化4. 晶態與非晶態的轉化晶態與非晶態的轉化在外界作用下，比如加熱或離子轟擊，將使晶態薄膜轉化在外界作用下，比如加熱或離子轟擊，將使晶態薄膜轉化為非晶態薄膜為非晶態薄膜薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷4. 1 晶態向非晶態的轉化晶態向非晶態的轉化在用高能離子注入進行表層處理或材料的摻雜過程中，有在用高能離子注入進行表層處理或材料的摻雜過程中，有時會發生晶態向非晶態轉化的現象時會發生晶態向非晶態轉化的現象出現上述轉化現象的原因在于具有較高能量的粒子注入薄出現上述轉化現象的原因在于具有較高能量的粒子注入

38、薄膜中，使晶體原子之間的價鍵遭到破壞，原子排列受到擾膜中，使晶體原子之間的價鍵遭到破壞，原子排列受到擾動，結果形成了原子排列的無序狀態動，結果形成了原子排列的無序狀態薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷通常，無定形化程度，或無定形范圍的延展，是劑量或成通常，無定形化程度，或無定形范圍的延展，是劑量或成分的函數分的函數薄膜的結構與缺陷薄膜的結構與缺陷4. 2 非晶態向晶態的轉化非晶態向晶態的轉化沉積的無定形薄膜，在一定溫度下退火，或用一定能量沉積的無定形薄膜，在一定溫度下退火，或用一定能量的激光退火，可能使其向晶態結構轉變，成為多晶薄膜，的激光退火，可能使其向晶態結構轉變，成為多晶薄膜，甚至是準單晶薄膜甚至是準單晶薄