薄膜的结构特征和缺陷.ppt

薄膜的结构特征与缺陷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性能，薄膜的结构和缺陷在很大程度上决定着薄膜的性能，主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素，以及对性能的影主要讨论影响薄膜结构与缺陷的因素，以及对性能的影响。响。一、一、薄膜的结构薄膜的结构 薄膜的组织结构是指它的结晶形态薄膜的组织结构是指它的结晶形态，薄膜结构薄膜结构可分为三种类型：可分为三种类型：1 1、组织结构组织结构 2 2、晶体结构晶体结构 3 3、表面结构表面结构 1、薄膜的组织结构(1)非晶态结构。从原子排列情况来看它是一种近程有序、远程无序的结构，只有少数原子排列是有秩序的，显示不出任何晶体的性质，这种结构称为非晶结构或玻璃态结构。形成非晶薄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等的方法制成非晶薄膜。(2)多晶结构。多晶结构薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所组成。在薄膜形成过程中生成的小岛就具有晶体的特征(原子有规则的排列)。由众多小岛聚结形成的薄膜就是多晶薄膜。用真空蒸发法或阴极溅射法制成的薄膜，都是通过岛状结构生长起来的，所以必然产生许多晶粒间界，从而形成多晶结构。(3)纤维结构。结构。纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜，根据取纤维结构薄膜是晶粒具有择优取向的薄膜，根据取向方向、数量的不同分为单重纤维结构和双重纤维结构向方向、数量的不同分为单重纤维结构和双重纤维结构。生长在薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的生长在薄膜中晶粒的择优取向可发生在薄膜生长的各个阶段：初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。各个阶段：初始成核阶段、小岛聚结阶段和最后阶段。(4)单晶结构。单晶结构。单晶结构薄膜通常是用外延工艺制造的。外延生长单晶结构薄膜通常是用外延工艺制造的。外延生长需要满足三个基本的条件。需要满足三个基本的条件。a a、吸附原子必须有较高的表面扩散速率吸附原子必须有较高的表面扩散速率，所以基体温所以基体温度和沉积速率就相当重要。在一定的蒸发速率条件下，度和沉积速率就相当重要。在一定的蒸发速率条件下，大多数基体和薄膜之间都存在着发生外延生长的最低温大多数基体和薄膜之间都存在着发生外延生长的最低温度，即外延生长温度。度，即外延生长温度。b b、基体与薄膜材料的结晶相溶性基体与薄膜材料的结晶相溶性。c c、基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。基体表面清洁、光滑和化学稳定性好。满足以上三个基本条件，才能制备结构完整的单晶薄膜。满足以上三个基本条件，才能制备结构完整的单晶薄膜。2、薄膜的晶体结构薄膜的晶体结构 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。晶体薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。晶体的主要特征是其中原了有规则的排列。在大多数情况下，的主要特征是其中原了有规则的排列。在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与块状晶体是相同的，只是晶粒取薄膜中晶粒的晶格结构与块状晶体是相同的，只是晶粒取向和晶粒向和晶粒 尺寸与块状晶体不同。除了晶体类型之外，薄膜尺寸与块状晶体不同。除了晶体类型之外，薄膜中晶粒的晶格常数也常常和块状中晶粒的晶格常数也常常和块状晶晶体不同。体不同。产生这种现象的原因有两个产生这种现象的原因有两个：一是薄膜材料本身的晶一是薄膜材料本身的晶格常数与基体材料晶格常数不匹配格常数与基体材料晶格常数不匹配，二二 是薄膜中有较大的是薄膜中有较大的内应力和表面张力内应力和表面张力。3、薄膜的表面结构薄膜的表面结构 在薄膜的沉积、形成、成长过程中，入射到基体表在薄膜的沉积、形成、成长过程中，入射到基体表面上的气相原子是无规律的，所以薄膜表面都有一定的面上的气相原子是无规律的，所以薄膜表面都有一定的粗糙度。粗糙度。粗糙度对光学性能影响较大。由于薄膜的表面结构和构成薄膜整体的微型体密切相关，在基体温度和真空度较低时，容易出现多孔结构。所有真空蒸发薄膜都呈现柱状体结构，溅射薄膜的柱状结构是由一个方向来的溅射粒子流在吸附原子表面扩散速率很小的情况下凝聚形成的。二、薄膜的缺陷薄膜的缺陷 所有在块状晶体材料中可能出现的各类晶格缺陷在所有在块状晶体材料中可能出现的各类晶格缺陷在薄膜中也都可能出现。但是由于薄膜及其成膜过程的特薄膜中也都可能出现。但是由于薄膜及其成膜过程的特殊性，因而薄膜中缺陷的形成原因和分布等也表现出一殊性，因而薄膜中缺陷的形成原因和分布等也表现出一定的持续性定的持续性，特别是其数量特别是其数量一一般都大大超过块状材料。般都大大超过块状材料。与此同时，与此同时，薄膜中的晶格常数也与材料块状时的值有较薄膜中的晶格常数也与材料块状时的值有较大的差别。大的差别。薄膜的缺陷可以分为以下三种类型 1、点缺陷 2、线缺陷 3、薄膜的晶界与层错1、薄膜的点缺陷薄膜的点缺陷 晶体中晶格排列出现的缺陷如果只涉及单个晶格则称晶体中晶格排列出现的缺陷如果只涉及单个晶格则称为点缺陷为点缺陷。当沉积速率很高、基片湿度较低时，到达基片当沉积速率很高、基片湿度较低时，到达基片表面的原子来不及完整地排列就被后来的原子层所覆盖，表面的原子来不及完整地排列就被后来的原子层所覆盖，这样就可能在薄膜中产生高浓度的空位缺陷。这样就可能在薄膜中产生高浓度的空位缺陷。点点缺陷的典型构型是缺陷的典型构型是空空位和填隙原子。逃离原位的原位和填隙原子。逃离原位的原子或跃迁到晶体表面的子或跃迁到晶体表面的 正常位置，形成正常位置，形成 Schottky 缺陷，缺陷，或会跳进晶格原子之间的间隙里形成或会跳进晶格原子之间的间隙里形成 Frenkcl 缺陷。这两缺陷。这两种缺陷均为本征点缺陷。种缺陷均为本征点缺陷。2 2、薄膜薄膜的的线缺陷线缺陷。位错是晶态薄膜中最普遍存在的一种线性位错是晶态薄膜中最普遍存在的一种线性缺缺陷，是陷，是薄膜中最常遇到的缺陷之一，它是晶格结构中一种薄膜中最常遇到的缺陷之一，它是晶格结构中一种“线线型型”的不完整结构。的不完整结构。薄膜中的位错大部分从薄膜表面伸向基体表面，并薄膜中的位错大部分从薄膜表面伸向基体表面，并在位错周围产生畸变。引起薄膜位错的原在位错周围产生畸变。引起薄膜位错的原因因很多。在薄很多。在薄膜生长过程中，最初阶段基片上的晶核和孤立的小扇形膜生长过程中，最初阶段基片上的晶核和孤立的小扇形状和结晶取向是随机的。但是在聚结阶段状和结晶取向是随机的。但是在聚结阶段，当两个小岛当两个小岛相遇时，如果它们的位向有轻微差别，在结合处将形成相遇时，如果它们的位向有轻微差别，在结合处将形成位错。位错。3 3、薄膜的面缺陷、薄膜的面缺陷 （1）晶界）晶界 晶界和块状材料相似，薄膜中各晶粒之间由于相对晶界和块状材料相似，薄膜中各晶粒之间由于相对取向的不同出现了晶界，因此取向的不同出现了晶界，因此晶晶界是把结构相同但位向界是把结构相同但位向不同的两个晶粒分隔开来的一个面缺陷。不同的两个晶粒分隔开来的一个面缺陷。（2）层错层错 层错是层错是在薄膜的生长过程中由于晶面的正常堆垛次在薄膜的生长过程中由于晶面的正常堆垛次序遭到破坏而出现的晶格缺陷序遭到破坏而出现的晶格缺陷。