薄膜材料与技术（全套课件）下.pptx

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r*,Ts/Tm仍较低、n*,PEk规律：

P原因：

Ek,沉积粒子表面扩散能力,EkIT的转变温度,表面扩散能力,薄膜结构（非外延式薄膜生长）薄膜的典型组织结构与出现条件二、低温抑制型生长组织：

2、T型组织（Transition）：

致密纤维状微晶形成条件：

Ts/Tm仍较低（0.10.3）、气压P较低形成特点：

介于I型和II型之间的过渡型生长；,纤维边界致密化抑制I型、促进T型组织产生组织特点：

仍为直径数十nm的细纤维束状结构；纤维内部缺陷密度仍然较高；纤维边界致密化，纤维间孔洞基本消失。

性能特点：

薄膜强度较I型显著表面形貌特点：

表面基本平直、起伏很小。

Thornton的SZM模型（StructureZonemodel）,4薄膜的形核与生长,r*,T、n*有所降低晶粒粗大化；,表面扩散充分。

组织特点：

各个晶粒分别生长获得均匀柱状晶，且Ts/Tm柱状晶的直径；柱状晶晶粒内缺陷密度较低；晶界致密度高。

性能特点：

薄膜结晶较完整、强度较高表面形貌特点：

呈现出晶体学平面特征。

薄膜结构（非外延式薄膜生长）薄膜的典型组织结构与出现条件三、高温热激活型生长组织：

1、II型组织：

柱状晶特征形成条件：

Ts/Tm较高（0.3-0.50.7-0.8）形成特点：

Ts/Tm较高、热激活作用Ek作用（可忽略）；,4薄膜的形核与生长,Thornton的SZM模型（StructureZonemodel）,r*,T、n*晶粒更粗大；,薄膜结构（非外延式薄膜生长）薄膜的典型组织结构与出现条件三、高温热激活型生长组织：

2、III型组织：

再结晶形成的粗大等轴晶形成条件：

Ts/Tm很高（0.7-0.8）形成特点：

沉积温度很高，Ek影响可完全忽略；,表面扩散充分、体扩散活跃、充分再结晶。

组织特点：

经历充分再结晶的粗大等轴晶；晶内缺陷密度很低。

性能特点：

薄膜结晶非常完整、强度较高。

表面形貌特点：

呈现出粗大的晶体学平面特征。

Thornton的SZM模型（StructureZonemodel）,4薄膜的形核与生长,3、I型和T型薄膜组织在沉积形成过程中，原子热扩散能力不足称为低温抑制型生长；II型和III型薄膜组织在沉积形成过程中，原子热扩散充分激活称为高温热激活型生长。

薄膜结构（非外延式薄膜生长）薄膜的典型组织结构与出现条件四、关于ThorntonSZM模型的讨论：

1、在形成I、T型组织时：

Ts较低热扩散不足；Ek是沉积粒子表面扩散的主要驱动力；形成II、III型组织时：

Ts较高热扩散占优；P、Ek对扩散和组织的影响较小。

2、类似地，蒸发/离子镀方法沉积的薄膜也可能获得这4种类型的组织，区别在于：

蒸发时Ek不易形成T型组织；蒸发获得同类型薄膜组织需更高Ts；离子镀时气相粒子的Ek更高更易形成T型组织T型区扩大！

与蒸发/溅射相比，离子镀获得同型薄膜组织所需的Ts更低。

4薄膜的形核与生长,Thornton的SZM模型（StructureZonemodel）,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一、纤维状薄膜结构的形成特点及形貌特征：

1、形成特点：

SZM模型：

Ts较低不同方法制备的薄膜多呈纤维状结构；沉积原子在入射到基片表面后，未及发生充分的表面扩散，就被后续沉积原子不断覆盖；3）“大量晶核竞争生长”+“原子扩散能力有限”共同作用结果。

2、形貌特点：

薄膜由相互平行生长的较致密纤维组织组成，纤维间被相对较疏松的边界所包围；纤维组织边界致密度低，结合强度低，薄弱而易于开裂；断面形貌因上一个特点而表现出明显的束状纤维特征；纤维生长的方向角与粒子入射方向角满足正切关系：

因此成立：

（纤维生长角）（沉积粒子入射角）；纤维截面形状由,可见：

纤维的形状、尺寸、生长角均与沉积粒子入射角相关！

4薄膜的形核与生长,蒸发沉积纯Al膜时纤维生长方向与入射粒子流方向间的关系（课本P182图5.10）,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二、沉积堆叠过程的数值模拟结果分析：

薄膜致密度，且始终成立；Ts薄膜致密度；“沉积原子入射方向被屏蔽”+“入射原子扩散能力不足”，是薄膜中孔洞数量、致密度的主要原因。

原子表面扩散能力较低沉积位置即入射粒子着陆位置；入射原子能量较低时，决定薄膜结构的最主要因素是；）入射原子到达基片的统计涨落沉积过程的阴影遮挡效应使具有纤维状结构的薄膜内部多缺陷、孔洞，表面粗糙化。

三、一维统计涨落模型（课本P184图5.12）：

设入射原子到达基片表面几率成随机分布，则膜厚的均方差满足：

式中：

a每层原子形成的膜厚；薄膜平均原子层数。

可见：

统计性涨落与原子扩散的作用相反：

前者薄膜粗糙度、后者薄膜粗糙度薄膜厚度薄膜粗糙度。

4薄膜的形核与生长,o，TsKo，TsKNi薄膜沉积过程数值模拟结果课本P183图5.11,四、阴影效应的作用：

对垂直入射粒子的遮档作用（图1）；对倾斜入射粒子的遮挡作用（图2）；遮挡作用在沉积粒子具有一定入射角分布时更严重！

结果：

T型组织出现在更高温度！

入射原子的凝聚系数较低时，部分抵消阴影效应（图3）：

入射原子迁移（表面扩散）后才形成沉积相当于提高基片温度有助于消除孔洞入射粒子能量较高（图4）：

发射类似再溅射的现象！

入射粒子自身可迁移,与表面原子碰撞传递动能造成其它表面原子迁移相当于提高基片温度薄膜致密化！

5）基片形状复杂度的影响（图5）：

孔外及孔壁处：

可形成沉积的分布宽阴影效应严重获得疏松I型结构几率大！

孔底部：

入射粒子流方向集中更易得到致密T型结构但沉积速率、膜厚！

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,阴影效应的作用机制示意图课本P185-186图5.13-5.14,1,2,3,4,5,4.4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-o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,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,2、表面形貌：

由“阴影效应+统计涨落”造成的拱形形貌,等轴晶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4.4.4非晶薄膜一、非晶薄膜的形成条件：

晶界移动晶粒尺寸与膜厚接近粗大等轴晶！

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！

、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：

、生长模式：

低温抑制型纤维生长；,、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5.19,4.4薄膜结构（非外延式薄膜生长）4.4.5薄膜的内应力一、概述：

1、影响薄膜结合强度的两个主要因素：

薄膜的内应力；膜基界面的结合状态。

2、内应力的不良作用（如右图所示）：

拉应力过高：

薄膜局部开裂、脱落（右图a）；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）：

内应力过高造成的薄膜脱落现象（课本P215图5.39）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：

热应力th：

薄膜与基片间的热变形能力不同所致；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,（a）拉应力过高；（b）压应力过高,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：

dsdf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）；Ef膜材料的弹性模量；f膜材料的泊松比。

3、讨论：

1）形成热应力的条件：

薄膜与基片材料不同沉积过程温度变化T,；。

均不可避免膜内一定存在热应力！

2）热应力为压应力的条件（压应力下，薄膜具有更高的疲劳抗力）：

由于一般制备薄膜时，沉积温度均高于环境温度T始终成立；这就要求时，热应力才处于压应力状态f-s要求薄膜热膨胀系数基片热膨胀系数！

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,三、本征应力,in：

1、起因：

低温薄膜沉积、高能粒子轰击、气体和杂质原子夹杂、较大的温度梯度、大量缺陷和孔洞、亚稳相和非晶态相的产生等均有可能造成薄膜化学成分、微观结构和缺陷数目及形态发生显著变化，进而形成体积错配或晶格畸变导致的薄膜内应力。

2、化学成分的影响：

化学反应进行使异质分子、原子进入或脱离薄膜导致内应力的产生。

形成压应力，如：

热氧化制备TiO2薄膜：

TiTiO2异质氧原子进入薄膜！

形成拉应力，如：

CVD沉积Si3N4薄膜形成中不断有HCl、H2、NH3逸出！

反应产物进入薄膜反应产物脱离薄膜3、微观结构的影响：

1）回复相变：

沉积初期原子表面扩散不充分，得到低有序度亚稳结构；沉积完成后，膜内原子还可能通过扩散完成“亚稳稳态”、“无序松散致密有序”的回复相变过程，相变产物体积形成压应力；体积形成拉应力。

2）岛状晶核合并：

沉积初期，独立岛状核心间作用力小核间距较大应力状态松弛；随沉积进行，核长大并靠近表面原子互相吸引产生拉应力；,完全形成连续薄膜时，拉应力达到峰值此后膜内拉应力再次。

3）热收缩：

薄膜内存在温度梯度表面温度高、膜内温度低膜内产生拉应力！

4）晶格失配：

薄膜在形成过程中，由于高能粒子轰击等原因，其晶格畸变程度变化,形成内应力！

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,薄膜组织由I型T型,表面原子扩散能力,膜内拉应力2、沉积温度（Ts/Tm）不易松弛3、溅射气压P进一步Ek,膜内孔洞数量,、-,膜内出现压应力且不断,4.4薄膜结构（非外延式薄膜生长）4.4.5薄膜的内应力四、溅射参数对薄膜内应力的影响：

如右图所示：

1、溅射气压P入射粒子能量Ek,4、基片负偏压UsEk课后作业：

-,图示说明溅射气体压力、沉积温度及基片负偏压等工艺参数对溅射薄膜的内应力状态及水平的影响规律，分析怎样才能获得较致密的T型薄膜组织同时获得适度的膜内压应力状态。

4薄膜的形核与生