第5章无机薄膜材料与制备技术---1分解.ppt

第四章 无机薄膜材料与制备技术 4.1 薄膜及其特性 一、 薄膜的定义及其特性 二、 薄膜材料的分类 三、 薄膜的结构特征与缺陷 四、 薄膜和基片 一、??? 薄膜的定义及其特性 什么是“薄膜”（thin film），多“薄”的膜才算薄膜？ 薄膜有时与类似的词汇“涂层”（coating）、“层”（layer）、“箔”（foil）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为薄膜厚度的一个大致的标准，规定其厚度约在1μm左右。 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，很容易产生尺寸效应，就是说薄膜材料的物性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，所以表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射和表面干涉对它的物性影响很大。 在薄膜材料中还包含有大量的表面晶粒间界和缺陷态，对电子输运性能也影响较大。 在基片和薄膜之间还存在有一定的相互作用，因而就会出现薄膜与基片之间的粘附性和附着力问题，以及内应力的问题。 （1）表面能级很大 表面能级指在固体的表面，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响，把表面考虑在内的电子波函数已由塔姆（Tamm）在1932年进行了计算，得到了电子表面能级或称塔姆能级。 像薄膜这种表面面积很大的固体，表面能级将会对膜内电子输运状况有很大的影响。尤其是对薄膜半导体表面电导和场效应产生很大的影响，从而影响半导体器件性能。 （2）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附着（adhesion）。 薄膜的一个面附着在基片上并受到约束作用，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力，这种相互作用力称为内应力。 附着和内应力是薄膜极为重要的固有特征。 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边界和界面。 二者之间的相互作用能就是附着能，附着能可看成是界面能的一种。附着能对基片-薄膜间的距离微分，微分最大值就是附着力。 实验结果表明： ①在金属薄膜-玻璃基片系统中，Au薄膜的附着力最弱； ②易氧化元素的薄膜，一般说来附着力较大； ③在很多情况下，对薄膜加热（沉积过程中或沉积完成之后），会使附着力以及附着能增加； ④基片经离子照射会使附着力增加。 一般来说，表面能是指建立一个新的表面所需要的能量。 金属是高表面能材料，而氧化物是低表面能材料。 表面能的相对大小决定一种材料是否和另一种材料相湿润并形成均匀黏附层。 具有非常低表面能的材料容易和具有较高表面能的材料相湿润。反之，如果淀积材料具有较高表面能，则它容易在具有较低表面能衬底上形成原子团（俗称起球）。 氧化物具有特殊的作用。即使对一般的金属来说不能牢固附着的塑料等基片上也能牢固附着。 Si、Cr、Ti、W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。 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。 为增加附着力而沉积在中间的过渡层薄膜称为胶粘层（glue），合理地选择胶粘层在薄膜的实际应用是极为重要的。 （3）薄膜中的内应力 内应力就其原因来说分为两大类，即固有应力（或本征应力） 和非固有应力。固有应力来自于薄膜中的缺陷，如位错。薄膜中非固有应力主要来自薄膜对衬底的附着力。 由于薄膜和衬底间不同的热膨胀系数和晶格失配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的金属化合物同薄膜紧密结合，但有轻微的晶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。在这种情况下，几乎对所有物质的薄膜，基片都会发生弯曲。 弯曲有两种类型：一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲面的内侧，使薄膜的某些部分与其他部分之间处于拉伸状态，这种内应力称为拉应力。 另一种是弯曲的结果使薄膜成为弯曲的外侧，它使薄膜的某些部分与其他部分之间处于压缩状态，这种内应力称为压应力。 如果拉应力用正数表示，则压应力就用负数表示。 真空蒸镀膜层的应力值情况比较复杂。 在溅射成膜过程中，薄膜的表面经常处于高速离子以及中性粒子的轰击之下，在其他参数相同的条件下，放电气压越低，这些高速粒子的能量越大。与薄膜相碰撞的高速粒子会把薄膜中的原子从阵点位置碰撞离位，并进入间隙位置，产生钉扎效应（pinning effect）。 或者这些高速粒子自己进入晶格之中。这些都是产生压应力的原因。因此，溅射薄膜中的内应力与溅射条件的关系很密切。 （4）异常结构和非理想化学计量比特性 薄膜的制法多数属于非平衡状态的制取过程，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异常结构，不过这是一种准稳（亚