真空与薄膜技术.ppt

第一章 薄膜及其特性 第一节 薄膜的定义及其特性 第二节 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???? 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。 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。 （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（亚稳）态结构，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放置还会慢慢地变为稳定状态。 （5）量子尺寸效应和界面隧道穿透效应 传导电子的德布罗意波长，在普通金属中小于1nm，在金属铋（Bi）中为几十纳米。在这些物质的薄膜中，由于电子波的干涉，与膜面垂直运动相关的能量将取分立的数值，由此会对电子的输运现象产生影响。 与德布罗意波的干涉相关联的效应一般称为量子尺寸效应。 （6）容易实现多层膜 多层膜是将两种以上的不同材料先后沉积在同一个衬底上（也称为复合膜），以改善薄膜同衬底间的粘附性。 如金刚石超硬刀具膜： 金刚石膜/TiC/WC-钢衬底 欧姆接线膜：Au/Al/c-BN/Ni膜/WC-钢衬底。 多功能薄膜： 各膜均有一定的电子功能，如非晶硅太阳电池: