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薄膜結構缺陷有哪些

關鍵詞:

薄膜結構

時間:2013-05-06來源:高溫膠帶 點擊:101316次

摘要:由于薄膜制備方法多種多祥,而不同制膜方法所獲得的薄膜結構也隨之不 同。在薄膜的生長過程中還存在有大量的晶格缺陷態和局部的內應力。

由于薄膜制備方法多種多祥,而不同制膜方法所獲得的薄膜結構也隨之不 同。如用分子束外延法(MBE)和有機金屬氧化物化學氣相沉積法(MOCVD) 所制備的薄膜接近單晶膜,而用其他方法,如濺射法、蒸發法、微波法、熱
絲法等制作的薄膜,有不少的多晶和微晶,其中也含有一定的非晶態膜。在 薄膜的生長過程中還存在有大量的晶格缺陷態和局部的內應力。
薄膜生成時的基板溫度越低,薄膜中的點缺陷,特別是空位的密度越 大,有的達到O.lat.%。由于空位密度非常大,而且由于雜質和應變的存 在,薄膜內空位的狀態不一定是確定的,因此空位的產生、消失和移動的激 活能分布在能譜上的跨越是相當寬的。例如,薄膜的溫度即使保持在室溫, 但慢慢消失的空位仍然是存在的。這意味著,受空位影響的物質,例如電導 率等,會隨著時間而發生變化。如此,空位的存在和物性的不穩定性密切相 關。
空位在產生、移動的過程中,由于和其他空位合并會生長成大的空位。 由2個、3個單空位合并而形成的空位稱為雙空位和三空位。更大尺寸的空 位稱為空洞,多見于由PVD法制作的無機化合物薄膜中。
點缺陷的另一種類型是雜質。在薄膜的生成過程中,雜質多數是由周圍 環境氣氛混入薄膜之中的。特別是在濺射鍍膜法中,放電氣體混入膜層的量 很大。如果在基片上加負偏壓,就會促進放電氣體向薄膜中混人。實驗結杲 表明,對于Ar、Kr等惰性氣體,混人量(at.%)可達百分之幾,氧等活性 氣體可達10at.%。在高溫下,大部分惰性氣體會通過擴散越過薄膜表面而 釋放掉。另外,薄膜中的氣體是否以點缺陷的形式存在還沒有確實的證據, 也可能形成空洞,也可能存在于晶粒邊界。
和點缺陷相比,薄膜中也存在有大量的位錯。實驗結果表明:薄膜中的 位錯容易發生在島狀膜的凝結過程,最大位錯密度為10lc>Cm_2左右,位錯容 易發生相互纏繞現象,不可螺旋位錯能貫通至薄膜表面。位錯穿過表面的部 分,在表面上產生運動所需的能量很高,從而處于所謂釘扎狀態。因此,和 大塊材料中的位錯相比,薄膜中的位錯相對來說難于運動,在力學、熱力學 上是較為穩定的,由此薄膜的抗拉強度比大塊材料要略高一些。而且,位錯 也難于通過退火來消除,與位錯相關的內耗也難于通過加熱而發生變化。
薄膜在與它自身不同的物質上生成時,多數要發生成核過程。在通常的 情況下,基片上的點缺陷、線缺陷、吸附物、生成薄膜的原子發生碰撞形成 的原子對等都會成為形核的核心,再由這些晶核生長而成為薄膜的晶粒。一 般情況下,由于晶核的數量非常大,所以薄膜中的晶粒和大塊材料中的晶粒 相比要小些。假如薄膜生成時的溫度升高,由于晶粒長大和再結晶等引起原子重新排布,從而使晶粒的尺寸也會增加。但由于薄膜中比大塊材料中的雜 質多,會妨礙上述原子的重新排布,所以一般說來,薄膜中的晶粒達不到大 塊材料中晶粒的大小。薄膜中晶粒的大小,最大也只不過和膜層的厚度相 近。因此薄膜中的晶界多,這種情況對物性造成的影響能引起電導率增加、 原子擴散系數增加等。
除了上述缺陷之外,在薄膜中還發現了層錯四面體、位錯環等幾種不同 特征的缺陷。

 

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