第4章-薄膜的形核与生长教案.pptVIP

* * * * * * * * * * * * * * * 五、关于低温抑制型薄膜生长的小结： 1、沉积粒子入射能量?、入射角分布? ? 有助于获得 T 型组织 ? 薄膜孔洞率?、致密度?； 2、此类薄膜的内部孔洞一般不可避免 ? 薄膜中有大量空位和孔洞； 3、薄膜厚度? ? 薄膜致密度?、且趋近于一极限值 (该极限值薄膜材料的理论密度！) 原因：沉积初期点阵无序度更高、孔洞/空位/杂质/气体含量更高 ? 致密度? 4、金属薄膜相对密度较高，一般≥95 %； 化合物薄膜形成有序点阵结构更难，致密度较低，其相对密度一般在70 %左右； ?Ts ? 两类薄膜的致密度均可改善！ 5、沉积缺陷强烈影响性能：? 形成各向异性、?扩散系数、缺陷能? ? 再结晶和晶粒长大倾向? 课后作业： 1、溅射薄膜主要有哪四种结构形态？根据Thornton模型图示说明其形成条件、形成特点、组织、性能和表面形貌特征。 2、画出低温抑制型薄膜生长时，沉积原子入射方向角? 在0-89o之间变化时，其纤维状结构的生长角? 随? 的变化规律曲线，并依据该曲线分析? 在什么范围时，纤维结构的生长方向与入射来流的方向出入较小、何时出入最大？ 4 薄膜的形核与生长 4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长) 4.4.2 低温抑制型薄膜的生长形成机制与特点 机制：Ts 较高 ? 扩散充分 ? 原子迁移距离?? ? 孔洞数目? ? 沿膜厚方向柱状晶直径不断? ? 一稳定值 特点：1、扩散作用显著：组织 | 微细纤维组织 柱状晶 等轴晶 2、表面形貌：由 “阴影效应 + 统计涨落” 造成的拱形形貌 ? 充分晶体生长形成的晶体学平面； 3、更高温度下：再结晶充分 ? 晶界移动 ? 晶粒尺寸与膜厚接近 ? 粗大等轴晶！ 4.4.4 非晶薄膜 一、非晶薄膜的形成条件： 1、温度条件：过冷度??、原子扩散能力?? ！ 制备薄膜时易满足 ? 非晶薄膜易制备、大块难获得！ 2、成分条件：金属难、非金属单质/合金/化合物相对容易！ ? 金属：金属键方向性弱 ? 易配位 ? 抑制原子有序排布需 ?T ?? ? 难！ ? 合金/化合物：空间结构复杂 ? 不易有序排布； 异质组元相互作用强 ? 不易扩散 ? 抑制有序排布容易！ ? 非金属单质 ：共价键相互作用强 ? 不易扩散； (Si、Ge、C等) 晶态/非晶态自由能差小 ? 不需很大?T ? 易非晶化！ 二、非晶薄膜的生长模式及结构特点 (如右图所示)： 1、生长模式：低温抑制型纤维生长； 2、结构特点：“纳米纤维＋微米级纤维＋宏观柱状结构” 三层次微观结构特征！ 4 薄膜的形核与生长 4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长) 4.4.3 高温热激活型薄膜生长 非晶薄膜的三级纤维结构示意图 课本 P191 图5.19 一、概述： 1、影响薄膜结合强度的两个主要因素： 1）薄膜的内应力； 2）膜基界面的结合状态。 2、内应力的不良作用 (如右图所示) ： 1）拉应力过高：薄膜局部开裂、脱落 (右图 a )； 2）压应力过高：薄膜局部起皱、剥落 (右图 b )。 3、内应力与薄膜变形量的定量表征 (Stoney方程)： 式中：Es — 基体弹性模量；Ef — 薄膜弹性模量；ds — 基片厚度；df — 膜厚；?s — 基体的泊松比； r — 薄膜在内应力作用下弯曲变形形成的曲率半径。 4、薄膜内应力的主要来源： 1）热应力 ?th：薄膜与基片间的热变形能力不同所致； 2）生长应力 (本征应力) ?in：沉积薄膜时，因化学成分、微观结构、缺陷数目等的变化造成体积错配或 点阵错配而形成的应力。 4 薄膜的形核与生长 4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长) 4.4.5 薄膜的内应力 (a) 拉应力过高； (b) 压应力过高 内应力过高造成的薄膜脱落现象(课本 P215 图5.39) 二、热应力?th： 1、起因：温度变化时，薄膜与基片间因热膨胀系数差（双金属效应）引起的应变差 ?f 所致。 2、定量表征：ds df 时成立： 式中：?? — 膜、基材料热膨胀系数之差 (?f - ?s)； ?T — 沉积过程温差 (沉积温度-环境温度)；