真空与薄膜技术

1、第一章 薄膜及其特性 第一节第一节 薄膜的定义及其特性薄膜的定义及其特性 第二节第二节 薄膜材料的分类薄膜材料的分类 第三节 薄膜的形成过程 第四节 薄膜的结构特征与缺陷 第一节第一节薄膜的定义及其特性薄膜的定义及其特性 什么是什么是“薄膜薄膜”（thin film），多），多“薄薄”的的 膜才算薄膜？膜才算薄膜？ 薄膜有时与类似的词汇薄膜有时与类似的词汇“涂层涂层” （coating）、）、“层层”（layer）、）、“箔箔” （foil）等有相同的意义，但有时又有些差别。）等有相同的意义，但有时又有些差别。 通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作通常是把膜层无基片而能独立成形的厚度作 为薄

2、膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度 约在约在1m左右。左右。 mmm 薄膜的特点薄膜的特点 用料少，成本方面考虑用料少，成本方面考虑 薄膜的特点薄膜的特点 新的效应新的效应 某一维度很小、比表面积大 例：限域效应、表面和界面效应、耦合效应， 隧穿效应、极化效应 1.2 薄膜的特性薄膜的特性 薄膜的特点薄膜的特点 新的材料新的材料 容易实现多层膜容易实现多层膜 薄膜和基片的粘附性薄膜和基片的粘附性 薄膜的内应力薄膜的内应力 缺陷缺陷 1.2 薄膜的特性薄膜的特性 薄膜材料的特殊性 同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄，同块体材料相比，由于薄膜材料的厚度很薄

3、， 很容易产生很容易产生尺寸效应尺寸效应，就是说薄膜材料的物性，就是说薄膜材料的物性 会受到薄膜厚度的影响。会受到薄膜厚度的影响。 由于薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以由于薄膜材料的表面积同体积之比很大，所以 表面效应表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射很显著，表面能、表面态、表面散射 和表面干涉对它的物性影响很大。和表面干涉对它的物性影响很大。 在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和 缺陷态，对缺陷态，对电子输运性能电子输运性能也影响较大。也影响较大。 在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用，在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用， 因而就会

4、出现薄膜与基片之间的因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性粘附性和和附着附着 力力问题，以及问题，以及内应力内应力的问题。的问题。 （1）表面能级很大表面能级很大 表面能级表面能级指在固体的表面，原子周期排列的连指在固体的表面，原子周期排列的连 续性发生中断，电子波函数的周期性也受到影续性发生中断，电子波函数的周期性也受到影 响，把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆响，把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆 （T Tammamm）在）在19321932年进行了计算，得到了电子表年进行了计算，得到了电子表 面能级或称面能级或称塔姆能级塔姆能级。 像薄膜这种表面面积很大的固体，表面能级将像薄膜这种表面面积很

5、大的固体，表面能级将 会对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是会对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是 对对薄膜半导体表面电导薄膜半导体表面电导和和场效应场效应产生很大的影产生很大的影 响，从而影响半导体器件性能。响，从而影响半导体器件性能。 （2）薄膜和基片的粘附性薄膜和基片的粘附性 薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之间就薄膜是在基片之上生成的，基片和薄膜之间就 会存在着一定的相互作用，这种相互作用通常会存在着一定的相互作用，这种相互作用通常 的表现形式是的表现形式是附着附着（adhesion）。）。 薄膜的一个面附着在基片上并受到薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用约束作用， 因此薄膜

6、内容易产生应变。若考虑与薄膜膜面因此薄膜内容易产生应变。若考虑与薄膜膜面 垂直的任一断面，断面两侧就会产生相互作用垂直的任一断面，断面两侧就会产生相互作用 力，这种相互作用力称为力，这种相互作用力称为内应力内应力。 附着和内应力是薄膜极为重要的附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征固有特征。 基片和薄膜属于不同种物质，附着现基片和薄膜属于不同种物质，附着现 象所考虑的对象是二者间的象所考虑的对象是二者间的边界边界和和界界 面。面。 二者之间的相互作用能就是二者之间的相互作用能就是附着能附着能， 附着能可看成是附着能可看成是界面能界面能的一种。附着的一种。附着 能对基片能对基片-薄膜间的距离微分，

7、微分最薄膜间的距离微分，微分最 大值就是大值就是附着力附着力。 实验结果表明：实验结果表明： 在金属薄膜在金属薄膜-玻璃基片系统中，玻璃基片系统中，Au薄膜薄膜 的附着力最弱；的附着力最弱； 易氧化元素易氧化元素的薄膜，一般说来附着力的薄膜，一般说来附着力 较大；较大； 在很多情况下，对薄膜在很多情况下，对薄膜加热加热（沉积过（沉积过 程中或沉积完成之后），会使附着力以程中或沉积完成之后），会使附着力以 及附着能增加；及附着能增加； 基片经基片经离子照射离子照射会使附着力增加。会使附着力增加。 氧化物氧化物具有特殊的作用。即使对一般的金属具有特殊的作用。即使对一般的金属 来说不能牢固附着的塑料

8、等基片上也能牢固来说不能牢固附着的塑料等基片上也能牢固 附着。附着。 Si、Cr、Ti、W等易氧化（氧化物生成能大）等易氧化（氧化物生成能大） 物质的薄膜都能比较牢固地附着。物质的薄膜都能比较牢固地附着。 若在上述这些物质的薄膜上再沉积金属等，若在上述这些物质的薄膜上再沉积金属等， 可以获得附着力非常大的薄膜。可以获得附着力非常大的薄膜。 为增加附着力而沉积在中间的为增加附着力而沉积在中间的过渡层薄膜过渡层薄膜称称 为为胶粘层胶粘层（glue），合理地选择胶粘层在薄），合理地选择胶粘层在薄 膜的实际应用是极为重要的。膜的实际应用是极为重要的。 （3）薄膜中的内应力薄膜中的内应力 内应力就其原因

9、来说分为两大类，即内应力就其原因来说分为两大类，即固有应力固有应力 （或（或本征应力本征应力） 和和非固有应力非固有应力。固有应力来。固有应力来 自于薄膜中的缺陷，如位错。薄膜中非固有应自于薄膜中的缺陷，如位错。薄膜中非固有应 力主要来自薄膜对衬底的附着力。力主要来自薄膜对衬底的附着力。 由于薄膜和衬底间不同的由于薄膜和衬底间不同的热膨胀系数热膨胀系数和和晶格失晶格失 配配能够把应力引进薄膜，或者由于金属薄膜与能够把应力引进薄膜，或者由于金属薄膜与 衬底发生化学反应时，在薄膜和衬底之间形成衬底发生化学反应时，在薄膜和衬底之间形成 的金属化合物同薄膜紧密结合，但有轻微的晶的金属化合物同薄膜紧密结

10、合，但有轻微的晶 格失配也能把应力引进薄膜。格失配也能把应力引进薄膜。 一般说来，薄膜往往是在非常薄的基片上沉积的。一般说来，薄膜往往是在非常薄的基片上沉积的。 在这种情况下，几乎对所有物质的薄膜，基片都在这种情况下，几乎对所有物质的薄膜，基片都 会发生会发生弯曲弯曲。 弯曲有两种类型：一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲有两种类型：一种是弯曲的结果使薄膜成为 弯曲面的弯曲面的内侧内侧，使薄膜的某些部分与其他部分之，使薄膜的某些部分与其他部分之 间处于间处于拉伸状态拉伸状态，这种内应力称为，这种内应力称为拉应力拉应力。 另一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲的另一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲的外侧外侧，它

11、，它 使薄膜的某些部分与其他部分之间处于使薄膜的某些部分与其他部分之间处于压缩状态压缩状态， 这种内应力称为这种内应力称为压应力压应力。 如果拉应力用如果拉应力用正数正数表示，则压应力就用表示，则压应力就用负数负数表示。表示。 （4）异常结构和非理想化学计量异常结构和非理想化学计量 比特性比特性 薄膜的制法多数属于薄膜的制法多数属于非平衡状态非平衡状态的制取过的制取过 程，薄膜的结构不一定和相图相符合。程，薄膜的结构不一定和相图相符合。 规定把与相图不相符合的结构称为规定把与相图不相符合的结构称为异常结异常结 构构，不过这是一种准稳（亚稳）态结构，不过这是一种准稳（亚稳）态结构， 但由于固体的

12、粘性大，实际上把它看成稳但由于固体的粘性大，实际上把它看成稳 态也是可以的，通过加热退火和长时间的态也是可以的，通过加热退火和长时间的 放置还会慢慢地变为稳定状态。放置还会慢慢地变为稳定状态。 化合物的计量比化合物的计量比，一般来说是完全确定的。但是，一般来说是完全确定的。但是 多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。多组元薄膜成分的计量比就未必如此了。 当当Ta在在N2的放电气体中被溅射时，对应于一定的的放电气体中被溅射时，对应于一定的 N2分压，其生成薄膜分压，其生成薄膜的成分却是任意的。的成分却是任意的。) 10( xTaNx 另外，若另外，若Si或或SiO在在O2的放电中真空蒸镀或溅射，的

13、放电中真空蒸镀或溅射， 所得到的薄膜所得到的薄膜的计量比也可能是任意的。的计量比也可能是任意的。) 10( xSiOx 由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解，由于化合物薄膜的生长一般都包括化合与分解， 所以按照薄膜的生长所以按照薄膜的生长条件，其计量往往变化相当大。条件，其计量往往变化相当大。 如辉光放电法得到的如辉光放电法得到的a- HOSi xx : 1等，其等，其x 可在很大范围内变化。可在很大范围内变化。 ) 10( x 因此，把这样的成分偏离叫做因此，把这样的成分偏离叫做非理想化学计量比。非理想化学计量比。 （5）量子尺寸效应和界面隧量子尺寸效应和界面隧 道穿透效应道穿透效应 传

14、导电子的传导电子的德布罗意波长德布罗意波长，在普通金属，在普通金属 中小于中小于1nm，在金属铋（，在金属铋（Bi）中为几十）中为几十 纳米。在这些物质的薄膜中，由于电子纳米。在这些物质的薄膜中，由于电子 波的波的干涉干涉，与膜面垂直运动相关的能量，与膜面垂直运动相关的能量 将取将取分立分立的数值，由此会对电子的输运的数值，由此会对电子的输运 现象产生影响。现象产生影响。 与德布罗意波的干涉相关联的效应一般与德布罗意波的干涉相关联的效应一般 称为称为量子尺寸效应量子尺寸效应。 另外，表面中含有大量的另外，表面中含有大量的晶粒界面晶粒界面，而界面势垒，而界面势垒0 V 比电子能量比电子能量E要大

15、得多，根据量子力学知识，这些要大得多，根据量子力学知识，这些 电子有一定的几率，电子有一定的几率，穿过势垒穿过势垒，称为，称为隧道效应隧道效应。 电子穿透势垒的几率为：电子穿透势垒的几率为： EVm h a V EVE T 0 2 0 0 2 2 exp )(16 其中其中a为界面势垒的宽度。当为界面势垒的宽度。当EV 0 时，则时，则T=0，不发生隧道效应。，不发生隧道效应。 在非晶态半导体薄膜的电子导电方面和金刚石薄在非晶态半导体薄膜的电子导电方面和金刚石薄 膜的场电子发射中，都起重要作用。膜的场电子发射中，都起重要作用。 （6）容易实现多层膜容易实现多层膜 多层膜多层膜是将两种以上的不同

16、材料先后沉是将两种以上的不同材料先后沉 积在同一个衬底上（也称为积在同一个衬底上（也称为复合膜复合膜），）， 以改善薄膜同衬底间的粘附性。以改善薄膜同衬底间的粘附性。 如金刚石超硬刀具膜：如金刚石超硬刀具膜： 金刚石膜金刚石膜/TiC/WC-钢衬底钢衬底 欧姆接线膜：欧姆接线膜：Au/Al/c-BN/Ni膜膜/WC-钢钢 衬底。衬底。 多功能薄膜：多功能薄膜： 各膜均有一定的电子功能，如各膜均有一定的电子功能，如非晶非晶 硅太阳电池硅太阳电池:玻璃衬底玻璃衬底/ITO（透明导电膜）（透明导电膜） /P-SiC/i-c-Si/n-c-Si/Al和和a-Si/a-SiGe 叠层太阳电池叠层太阳电池

17、:玻璃玻璃/ITO/n-a-Si/i-a-Si/P- a-Si/n-a-Si/i-a-SiGe/P-a-Si/Al至少在至少在8 层以上，总膜厚在层以上，总膜厚在0.5微米微米左右。左右。 超晶格膜超晶格膜: 是将两种以上不同晶态物质薄膜按是将两种以上不同晶态物质薄膜按ABAB 排列相互重在一起，人为地制成排列相互重在一起，人为地制成周期性结构周期性结构后会显后会显 示出一些不寻常的物理性质。如势阱层的宽度减小示出一些不寻常的物理性质。如势阱层的宽度减小 到和载流子的德布罗依波长相当时，能带中的电子到和载流子的德布罗依波长相当时，能带中的电子 能级将被量子化，会使光学带隙变宽，这种一维超能级将

18、被量子化，会使光学带隙变宽，这种一维超 薄层周期结构就称为薄层周期结构就称为超晶格结构超晶格结构。 当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料（如当和不同组分或不同掺杂层的非晶态材料（如 非晶态半导体）也能组成这样的结构，并具有类似非晶态半导体）也能组成这样的结构，并具有类似 的量子化特性，如的量子化特性，如a-Si : H/a-Si 1-xNx : H, a- Si : H/a-Si1-xCx : H。应用薄膜制备方法，很。应用薄膜制备方法，很 容易获得各种多层膜和超晶格。容易获得各种多层膜和超晶格。 第二节第二节 薄膜材料的分类薄膜材料的分类 按化学组成分为：按化学组成分为： 无机膜、有机膜、复

19、合膜；无机膜、有机膜、复合膜； 按相组成分为：按相组成分为： 固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜；固体薄膜、液体薄膜、气体薄膜、胶体薄膜； 按晶体形态分为：按晶体形态分为： 单晶膜、多晶膜、微晶膜、单晶膜、多晶膜、微晶膜、 纳米晶膜、超晶纳米晶膜、超晶 格膜等。格膜等。 按薄膜的功能及其应用领域分为：按薄膜的功能及其应用领域分为： 电学薄膜电学薄膜 光学薄膜光学薄膜 硬质膜、耐蚀膜、润滑膜硬质膜、耐蚀膜、润滑膜 有机分子薄膜有机分子薄膜 装饰膜装饰膜 、包装膜包装膜 （1 1）电学薄膜）电学薄膜 半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介半导体器件与集成电路中使用的导电材料与介 质薄膜材料：

20、质薄膜材料：Al、Cr、Pt、Au、多晶硅、硅、多晶硅、硅 化物、化物、SiO2、Si3N4、Al2O3等的薄膜。等的薄膜。 超导薄膜：特别是近年来国外普遍重视的高温超导薄膜：特别是近年来国外普遍重视的高温 超导薄膜，例如超导薄膜，例如YBaCuO系稀土元素氧化物超系稀土元素氧化物超 导薄膜以及导薄膜以及BiSrCaCuO系和系和TlBaCuO系非稀系非稀 土元素氧化物超导薄膜。土元素氧化物超导薄膜。 薄膜太阳能电池：特别是非晶硅、薄膜太阳能电池：特别是非晶硅、CuInSe2和和 CdSe薄膜太阳电池。薄膜太阳电池。 （2 2）光学薄膜）光学薄膜 减反射膜减反射膜 例如照相机、幻灯机、投影仪、

21、电影例如照相机、幻灯机、投影仪、电影 放映机、望远镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜放映机、望远镜、瞄准镜以及各种光学仪器透镜 和棱镜上所镀的单层和棱镜上所镀的单层MgF 2薄膜和双层或多层 薄膜和双层或多层 （SiO2、ZrO2、Al2O3、TiO2等）薄膜组成的宽等）薄膜组成的宽 带减反射膜。带减反射膜。 反射膜反射膜 例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳例如用于民用镜和太阳灶中抛物面太阳 能接收器的镀铝膜；用于大型天文仪器和精密光能接收器的镀铝膜；用于大型天文仪器和精密光 学仪器中的镀膜反射镜；用于各类激光器的高反学仪器中的镀膜反射镜；用于各类激光器的高反 射率膜（反射率可达射率膜（反射率可达

22、99%以上）等等以上）等等。 （3 3）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜）硬质膜、耐蚀膜、润滑膜 硬质膜硬质膜 用于工具、模具、量具、刀具表面的用于工具、模具、量具、刀具表面的TiN、 TiC、TiB2、(Ti, Al)N、Ti(C, N)等硬质膜，以及等硬质膜，以及 金刚石薄膜、金刚石薄膜、C3N4薄膜和薄膜和c-BN薄膜。薄膜。 耐蚀膜耐蚀膜 用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍用于化工容器表面耐化学腐蚀的非晶镍 膜和非晶与微晶不锈钢膜；用于涡轮发动机叶片膜和非晶与微晶不锈钢膜；用于涡轮发动机叶片 表面抗热腐蚀的表面抗热腐蚀的NiCrAlY膜等。膜等。 润滑膜润滑膜 使用于真空、高温、低温、辐射等特殊

23、使用于真空、高温、低温、辐射等特殊 场合的场合的MoS2、MoS2-Au、MoS2Ni等固体润滑等固体润滑 膜和膜和Au、Ag、Pb等软金属膜。等软金属膜。 （4 4）有机分子薄膜）有机分子薄膜 有机分子薄膜也称有机分子薄膜也称LB（Langmuir- Blodgett）膜，它是有机物，如羧酸及）膜，它是有机物，如羧酸及 其盐、脂肪酸烷基族和染料、蛋白质等其盐、脂肪酸烷基族和染料、蛋白质等 构成的分子薄膜，其厚度可以是一个分构成的分子薄膜，其厚度可以是一个分 子层的单分子膜，也可以是多分子层叠子层的单分子膜，也可以是多分子层叠 加的多层分子膜。多层分子膜可以是同加的多层分子膜。多层分子膜可以是

24、同 一材料组成的，也可以是多种材料的调一材料组成的，也可以是多种材料的调 制分子膜，或称超分子结构薄膜。制分子膜，或称超分子结构薄膜。 （5 5）装饰膜、包装膜）装饰膜、包装膜 广泛用于灯具、玩具及汽车等交通运输工广泛用于灯具、玩具及汽车等交通运输工 具、家用电气用具、钟表、工艺美术品、具、家用电气用具、钟表、工艺美术品、 “金金”线、线、“银银”线、日用小商品等的铝膜、线、日用小商品等的铝膜、 黄铜膜、不锈钢膜和仿金黄铜膜、不锈钢膜和仿金TiN膜与黑色膜与黑色TiC膜。膜。 用于香烟包装的镀铝纸；用于食品、糖果、用于香烟包装的镀铝纸；用于食品、糖果、 茶叶、咖啡、药品、化妆品等包装的镀铝涤茶

25、叶、咖啡、药品、化妆品等包装的镀铝涤 纶薄膜；用于取代电镀或热涂纶薄膜；用于取代电镀或热涂Sn钢带的真钢带的真 空镀铝钢带等。空镀铝钢带等。 薄膜材料研究进展 薄膜材料研究进展 （1）新型半导体薄膜：GaN，SiC， ZnO，Diamond，GeSi，a-Si:H 改进工艺，降低成本，研究新的应用 （2）超硬薄膜：Diamond，c-BN，b-C3N4 BCN （3）纳米薄膜材料 （4）超晶格和量子阱薄膜 （5）无机光电薄膜材料：III-V，II-V （6）Spintronics薄膜、稀磁半导体薄膜 ZnO:Mn，GaN:Mn，GaAs:Mn （7）有机薄膜微电和光电材料（OLED) 需要提高

26、效率和可靠性 （8）High-K、Low-K材料更快的速度、 更高的集成度、更低的能耗，含氟氧 化硅、Hf02、Zr02 （9）高温超导和巨磁阻 （10）有机薄膜及有机-无机混合薄膜 （11）新型薄膜 薄膜材料研究进展 薄膜的应用举例 集成电路集成电路计算机，互联网，手机，计算机，互联网，手机，Mp3 磁记录及硬盘系统 Liquid lubricant 1-2 nm DLC 10-30 nm Magnetic coating 25-75 nm Al-Mg/10 m NiP or Glass-ceramic 0.78-1.3 mm The surface of stretched (12%) v

27、ideo tape with DLC-layer with a thickness of 30 nm. The surface of stretched (12%) video tape without DLC-layer. 超薄电视，显示器超薄电视，显示器 等离子体电视等离子体电视 液晶电视液晶电视 Ultraviolet LED 微电机系统微电机系统(MEMS)，纳电机系统，纳电机系统(NEMS) 微电机系统微电机系统(MEMS)，纳电机系统，纳电机系统(NEMS) 微电机系统微电机系统(MEMS) 纳电机系统纳电机系统(NEMS) 380 MHz 薄膜加工：薄膜加工： 第三节 薄膜的形成

28、过程 一、化学气相沉积薄膜的形成过程一、化学气相沉积薄膜的形成过程 二、真空蒸发薄膜的形成过程二、真空蒸发薄膜的形成过程 三、三、溅射薄膜的形成过程溅射薄膜的形成过程 四、四、外延薄膜的生长外延薄膜的生长 一、化学气相沉积薄膜的形成过程一、化学气相沉积薄膜的形成过程 化学气相沉积是供给基片的气体，在加化学气相沉积是供给基片的气体，在加 热和等离子体等能源作用下在气相和基热和等离子体等能源作用下在气相和基 体表面发生化学反应的过程。体表面发生化学反应的过程。 Spear在在1984年提出一个简单而巧妙的年提出一个简单而巧妙的 模型，如图模型，如图1-1所示。所示。 图图1-1为为典型典型CVD反

29、应步骤的浓度边界模反应步骤的浓度边界模 型型 图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型图5-12 典型CVD反应步骤的浓度边界模型 二、真空蒸发薄膜的形成过程二、真空蒸发薄膜的形成过程 真空蒸发薄膜的形成一般分为：真空蒸发薄膜的形成一般分为： 凝结过程凝结过程 核形成与生长过程核形成与生长过程 岛形成与结合生长过程岛形成与结合生长过程 （一）凝结过程（一）凝结过程 凝结过程凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气是从蒸发源中被蒸发的气 相原子、离子或分子入射到基体表相原子、离子或分子入射到基体表 面之后，从气相到吸附相，再到凝面之后，从气相到吸附相，再到凝

30、 结相的一个相变过程。结相的一个相变过程。 （二）（二） 薄膜的形成与生长薄膜的形成与生长 薄膜的形成与生长薄膜的形成与生长 有有三种形式三种形式，如图，如图 1 1-2所示：所示： （a）岛状生长模式）岛状生长模式 （b）层状生长模式）层状生长模式 （c）层岛结合模式）层岛结合模式 三、三、溅射薄膜的形成过程溅射薄膜的形成过程 由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有非常大由于溅射的靶材粒子到达基体表面时有非常大 的能量，所以溅射薄膜的形成过程与真空蒸发的能量，所以溅射薄膜的形成过程与真空蒸发 制膜的形成过程有很大差别。制膜的形成过程有很大差别。 同时给薄膜带来一系列的影响，除了使膜与基同时给薄膜

31、带来一系列的影响，除了使膜与基 体的体的附着力增加附着力增加以外，还会由于高能粒子轰击以外，还会由于高能粒子轰击 薄膜表面使其温度上升而改变薄膜的结构，或薄膜表面使其温度上升而改变薄膜的结构，或 使内部应力增加等，另外还可提高成核密度。使内部应力增加等，另外还可提高成核密度。 溅射薄膜常常呈现溅射薄膜常常呈现柱状结构柱状结构。这种柱状结构被。这种柱状结构被 认为是由原子或分子在基体上具有有限的迁移认为是由原子或分子在基体上具有有限的迁移 率所引起的，所以溅射薄膜的形成和生长属于率所引起的，所以溅射薄膜的形成和生长属于 有限迁移率模型。有限迁移率模型。 四、四、外延薄膜的生长外延薄膜的生长 所谓

32、所谓外延外延，是指在单晶基片上形成单晶，是指在单晶基片上形成单晶 结构的薄膜，而且薄膜的晶体结构与取结构的薄膜，而且薄膜的晶体结构与取 向都和基片的晶体结构和取向有关。向都和基片的晶体结构和取向有关。 外延生长薄膜的形成过程是一种有外延生长薄膜的形成过程是一种有方向方向 性的生长性的生长。同质外延薄膜是层状生长型。同质外延薄膜是层状生长型。 但并非所有外延薄膜都是层状生长型，但并非所有外延薄膜都是层状生长型， 也有岛状生长型。也有岛状生长型。 第四节 薄膜的结构特征与缺陷 薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着 薄膜的性能，因此对薄膜结构与缺陷的薄膜的性能，因此对

33、薄膜结构与缺陷的 研究一直是大家十分关注的问题，本节研究一直是大家十分关注的问题，本节 主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素，主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素， 以及对性能的影响。以及对性能的影响。 一、薄膜的结构一、薄膜的结构 薄膜结构可分为三种类型：薄膜结构可分为三种类型： 组织结构组织结构 晶体结构晶体结构 表面结构表面结构 （一）薄膜的组织结构（一）薄膜的组织结构 薄膜的薄膜的组织结构组织结构是指它的结晶形态。是指它的结晶形态。 分为四种类型：分为四种类型： 无定形结构无定形结构 多晶结构多晶结构 纤维结构纤维结构 单晶结构单晶结构 1 1无定形结构无定形结构 非晶态非晶态是指构成物质的原

34、子在空间的排列是一是指构成物质的原子在空间的排列是一 种长程无序、近程有序的结构。形成无定形薄种长程无序、近程有序的结构。形成无定形薄 膜的工艺条件是降低吸附原子的表面扩散速率，膜的工艺条件是降低吸附原子的表面扩散速率， 可以通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂可以通过降低基体温度、引入反应气体和掺杂 的方法实现。的方法实现。 基体温度对薄膜的结构有较大的影响。基体温基体温度对薄膜的结构有较大的影响。基体温 度高使吸附原子的动能随着增大，跨越表面势度高使吸附原子的动能随着增大，跨越表面势 垒的概率增加，容易结晶化，并使薄膜缺陷减垒的概率增加，容易结晶化，并使薄膜缺陷减 少，同时薄膜的内应力也会

35、减小，基体温度低少，同时薄膜的内应力也会减小，基体温度低 则易形成无定形结构的薄膜。则易形成无定形结构的薄膜。 2 2多晶结构多晶结构 多晶结构多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不同的晶粒随薄膜是由若干尺寸大小不同的晶粒随 机取向组成的。在薄膜形成过程中生成的小岛机取向组成的。在薄膜形成过程中生成的小岛 就具有晶体的特征。由众多小岛（晶粒）聚集就具有晶体的特征。由众多小岛（晶粒）聚集 形成的薄膜就是多晶薄膜。形成的薄膜就是多晶薄膜。 多晶薄膜存在晶粒间界。薄膜材料的晶界面积多晶薄膜存在晶粒间界。薄膜材料的晶界面积 远大于块状材料，晶界的增多是薄膜材料电阻远大于块状材料，晶界的增多是薄膜材料电阻 率比

36、块状材料电阻率大的原因之一。率比块状材料电阻率大的原因之一。 3纤维结构纤维结构 纤维结构纤维结构薄膜是指具有择优取向的薄膜。薄膜是指具有择优取向的薄膜。 在非晶态基体上，大多数多晶薄膜都倾向于显示在非晶态基体上，大多数多晶薄膜都倾向于显示 出择优取向。出择优取向。 由于（由于（111）面在面心立方结构中具有最低的表）面在面心立方结构中具有最低的表 面自由能，在非晶态基体（如玻璃）上纤维结构面自由能，在非晶态基体（如玻璃）上纤维结构 的多晶薄膜显示的择优取向是（的多晶薄膜显示的择优取向是（111）。）。 吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率，晶粒吸附原子在基体表面上有较高的扩散速率，晶粒 的择

37、优取向可发生在薄膜形成的初期。的择优取向可发生在薄膜形成的初期。 4 4单晶结构单晶结构 单晶薄膜单晶薄膜通常是利用外延工艺制造的，外延生长通常是利用外延工艺制造的，外延生长 有三个基本条件：有三个基本条件： 吸附原子必须有较高的表面扩散速率，这就应当吸附原子必须有较高的表面扩散速率，这就应当 选择合适的外延生长温度和沉积速率；选择合适的外延生长温度和沉积速率； 基体与薄膜的结晶相容性，假设基体的晶格常数基体与薄膜的结晶相容性，假设基体的晶格常数 为为a，薄膜的晶格常数为，薄膜的晶格常数为b，晶格失配数，晶格失配数m(b-a)/a, m值越小，外延生长就越容易实现，但一些实验值越小，外延生长就越容易实现，但一些实验 发现在发现在m相当大时也可实现外延生长；相当大时也可实现外延生长； 要求基体表面清洁、光滑、化学稳定性好。要求基体表面清洁、光滑、化学稳定性好。 （二）（二） 薄膜的晶体结构薄膜的晶体结构 在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结 构与其相同材料的块状晶体是相同的。构与