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薄膜结构缺陷有哪些

关键词:

薄膜结构

时间:2013-05-06来源:高温胶带 点击:10843次

摘要:由于薄膜制备方法多种多祥,而不同制膜方法所获得的薄膜结构也随之不 同。在薄膜的生长过程中还存在有大量的晶格缺陷态和局部的内应力。

由于薄膜制备方法多种多祥,而不同制膜方法所获得的薄膜结构也随之不 同。如用分子束外延法(MBE)和有机金属氧化物化学气相沉积法(MOCVD) 所制备的薄膜接近单晶膜,而用其他方法,如溅射法、蒸发法、微波法、热
丝法等制作的薄膜,有不少的多晶和微晶,其中也含有一定的非晶态膜。在 薄膜的生长过程中还存在有大量的晶格缺陷态和局部的内应力。
薄膜生成时的基板温度越低,薄膜中的点缺陷,特别是空位的密度越 大,有的达到O.lat.%。由于空位密度非常大,而且由于杂质和应变的存 在,薄膜内空位的状态不一定是确定的,因此空位的产生、消失和移动的激 活能分布在能谱上的跨越是相当宽的。例如,薄膜的温度即使保持在室温, 但慢慢消失的空位仍然是存在的。这意味着,受空位影响的物质,例如电导 率等,会隨着时间而发生变化。如此,空位的存在和物性的不稳定性密切相 关。
空位在产生、移动的过程中,由于和其他空位合并会生长成大的空位。 由2个、3个单空位合并而形成的空位称为双空位和三空位。更大尺寸的空 位称为空洞,多见于由PVD法制作的无机化合物薄膜中。
点缺陷的另一种类型是杂质。在薄膜的生成过程中,杂质多数是由周围 环境气氛混入薄膜之中的。特别是在溅射镀膜法中,放电气体混入膜层的量 很大。如果在基片上加负偏压,就会促进放电气体向薄膜中混人。实验结杲 表明,对于Ar、Kr等惰性气体,混人量(at.%)可达百分之几,氧等活性 气体可达10at.%。在高温下,大部分惰性气体会通过扩散越过薄膜表面而 释放掉。另外,薄膜中的气体是否以点缺陷的形式存在还没有确实的证据, 也可能形成空洞,也可能存在于晶粒边界。
和点缺陷相比,薄膜中也存在有大量的位错。实验结果表明:薄膜中的 位错容易发生在岛状膜的凝结过程,最大位错密度为10lc>Cm_2左右,位错容 易发生相互缠绕现象,不可螺旋位错能贯通至薄膜表面。位错穿过表面的部 分,在表面上产生运动所需的能量很高,从而处于所谓钉扎状态。因此,和 大块材料中的位错相比,薄膜中的位错相对来说难于运动,在力学、热力学 上是较为稳定的,由此薄膜的抗拉强度比大块材料要略高一些。而且,位错 也难于通过退火来消除,与位错相关的内耗也难于通过加热而发生变化。
薄膜在与它自身不同的物质上生成时,多数要发生成核过程。在通常的 情况下,基片上的点缺陷、线缺陷、吸附物、生成薄膜的原子发生碰撞形成 的原子对等都会成为形核的核心,再由这些晶核生长而成为薄膜的晶粒。一 般情况下,由于晶核的数量非常大,所以薄膜中的晶粒和大块材料中的晶粒 相比要小些。假如薄膜生成时的温度升高,由于晶粒长大和再结晶等引起原子重新排布,从而使晶粒的尺寸也会增加。但由于薄膜中比大块材料中的杂 质多,会妨碍上述原子的重新排布,所以一般说来,薄膜中的晶粒达不到大 块材料中晶粒的大小。薄膜中晶粒的大小,最大也只不过和膜层的厚度相 近。因此薄膜中的晶界多,这种情况对物性造成的影响能引起电导率增加、 原子扩散系数增加等。
除了上述缺陷之外,在薄膜中还发现了层错四面体、位错环等几种不同 特征的缺陷。

 

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