薄膜的结构与缺陷ppt课件

薄膜的结构与缺陷 1 薄膜结构决定性能 薄膜的结构 薄膜缺陷 薄膜结构和组分的分析方法 2 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 薄膜的结构 薄膜的组织结构 薄膜结构 组织结构 晶体结构 表面结构 薄膜的组织结构是指薄膜的结晶形态 包括无定形结构 多晶结构 纤维结构 单晶结构 无定形结构 非晶或玻璃态结构 结构特性 近程有序 长程无序 不具备晶体的性质 亚稳态 3 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 晶态非晶态 4 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 形貌无序自旋无序 5 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 替代无序振动无序 6 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 形成无定形结构的条件 降低吸附原子的表面扩散速率 降低基片温度 引入反应气体 掺杂 常温稳定性 晶体的特性 具有固定的熔点 各向异性 特定的几何外形 7 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 多晶结构 多晶结构薄膜是指由若干大小不等 晶向不等的晶粒所构成的结构 8 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 多晶结构薄膜存在晶界 晶粒间界 晶界上存在晶格畸变 界面能 界面移动造成晶粒长大和界面平直化 空位源 杂质富集 界面特性影响多晶薄膜与输运相关的性质 9 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 10 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 纤维结构 织构 概念 纤维结构薄膜是指晶粒具有择优取向的薄膜 择优取向可以发生在薄膜生长的各个阶段 如果吸附原子具有较高的表面扩散速率 则晶粒的则优取向可以发生在薄膜形成的初期 如果吸附原子的表面扩散速率较小 初始膜层不会出现则优取向 单重纤维结构 一个方向 双重纤维结构 两个方向 11 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 多晶薄膜织构形成机理比较复杂 比体材料的织构问题复杂的多 研究工作不够深入 一般受到如下因素影响 基片性质 非晶态基片 fcc结构薄膜择优方向 111 hcp结构薄膜的择优方向 0001 bcc结构薄膜择优方向 110 单晶基片也有织构现象 硅基片沉积AlN 择优方向c轴 基片本身的织构诱导薄膜形成织构 12 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 基片温度 基片温度影响到达基片成膜原子在基片表面的粘附系数和迁移率 低温基片有利于原子表面冷凝而形成非晶态结构 提高基片温度有利于原子规则排列 形成取向良好的薄膜 例 MOCVD在 100 硅片上沉积ZnO薄膜 TS 160 时 择优方向 1010 TS 325 时 择优方向 1010 和 0001 TS 400 时 择优方向 0001 13 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 沉积速率 一般来说 沉积速率愈大 薄膜中晶粒的择优取向愈弱 沉积速率与基片温度是相互制约的两个因素 要得到择优趋向良好的薄膜 两者之间有一个最佳匹配范围 沉积速率增加时 基片温度也要相应增加 否则先到达基片的粒子由于迁移率过低影响定向排列 14 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 气体组分和压强 压强不同 基片表面上原子吸附系数和表面迁移率不同 活性反应气体的分压影响成膜速率和不同晶面的表面能 因而影响则优取向 例 离子镀膜TiNPN2 5 3x10 2Pa时 几乎所有晶粒按 200 方向取向 PN2较低时 出现较强的 111 方向取向 15 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 薄膜厚度 当薄膜较厚时 在原子的入射方向存在择优取向 例 在非晶态基片上沉积具有面心立方晶格的金属薄膜 在薄膜的起始阶段 呈 111 择优方向 当薄膜很厚时变为 110 织构 入射粒子流方向外电场方向 16 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 17 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 单晶结构 单晶结构薄膜通常用外延技术形成 形成条件 吸附原子具有较高的表面扩散速率 晶格匹配 基片表面清洁 光滑 化学稳定 晶态和非晶态的转变 18 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 19 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 薄膜的晶体结构 多数情况下 薄膜中晶粒的晶格结构与体材料相同 只是晶粒取向和晶粒尺寸不同 晶格常数也不同 原因如下 薄膜材料本身的晶格常数与基片材料晶格常数不匹配 薄膜中有较大的内应力和表面张力 20 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 表面结构 由热力学能量理论 薄膜表面平化晶粒的各向异性生长 薄膜表面粗化低温基片上 薄膜形成多孔结构 薄膜表面形成过程 A B 21 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 薄膜表面结构与显微结构有关 呈柱状颗粒和空位组合结构 柱状体几乎垂直于基片表面生长 而且上下端尺寸基本相同 平行于基片表面的层与层之间有明显的界面 大多数蒸发薄膜具有如下特点 表面结构包括外表面和内表面 22 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 薄膜晶粒织构 组织结构 模型 薄膜织构与基片温度和蒸发材料熔点温度的比值相关 气孔率减小 23 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 24 薄膜的结构和缺陷 薄膜的结构 薄膜微观结构表征 柱状体半径 内表面积 聚集密度 阅读教材 25 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 薄膜的缺陷 点缺陷 26 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 27 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 28 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 29 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 空位是热力学稳定的缺陷不同金属空位形成能不同空位浓度与空位形成能 温度密切相关 薄膜中原子空位的主要效果主要表面在晶体体积和密度上 薄膜中空位浓度在平衡浓度以上 所以它的密度比体材料小 30 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 位错 刃型位错螺型位错 混合位错 位错是薄膜中最常遇到的缺陷之一 薄膜中的位错密度 优质体单晶位错密度 强烈塑性变形晶体位错密度 31 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 形成原因 a 基体引起的位错 b 小岛的凝结 32 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 33 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 晶粒间界 34 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 35 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 层错缺陷 36 薄膜的结构和缺陷 薄膜的缺陷 37 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 薄膜结构与组分的分析方法 表面分析技术是人们为了获取表面的物理 化学等方面的信息而采用的一些实验方法和手段 38 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 39 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 40 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 41 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 X射线衍射技术 42 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 43 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 44 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 45 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 电子衍射法 比X射线衍射法更优越 1 在透射电镜中观察薄膜结构的同时进行电子衍射分析 2 波长与加速电压存在下列关系 V 1000伏后 波长小于0 37 此时 3 电子束受表面原子周围电子散射 穿透能力减弱 非常适合薄膜和表面 4 适合分析晶粒较小和膜厚较薄的薄膜 46 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 扫描电子显微镜分析 优点 1 分辨本领高 50 2 景深大 3 放大倍数连续可调 4 与X射线色谱仪或X射线能谱仪配合使用 可进行成分分析 5 可进行加热 冷却 断裂 拉伸 加电压等动态分析 6 可对样品不同部位进行分析 7 制样简单 可直接观察断口 47 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 48 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 特征X射线与原子序有莫塞莱定律 49 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 俄歇电子能谱 AES 1925年P Auger已经在Welson云室内观察到Auger电子径迹 并正确地解释了这种电子的来源 尽管当时人们已经认识到它可以成为一种成分分析的手段 但直到六十年代中期 随着超高真空系统和高效的微弱信号电子检测系统的发展 才出现了可以用于表面分析的实用Auger电子能谱仪 50 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 随着科学技术的不断发展 使Auger电子能谱仪的性能不断改进 并出现了扫描Auger电子显微术 SAM 成为微区分析的有力工具 电子计算机的引入 使Auger电子能谱仪的功能更趋完善 目前 Auger电子能谱已成为许多科学领域和工业应用中的最重要的表面分析手段之一 51 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 Auger过程 52 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 Auger过程 a KL1L3Auger跃迁 b K 1辐射跃迁 53 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 Auger跃迁 Auger跃迁的标记以空位 跃迁电子 发射电子所在的能级为基础 如初态空位在K能级 L1能级上的一个电子向下跃迁填充K空位 同时激发L3上的一个电子发射出去便记为KL1L3 一般地说 任意一种Auger过程均可用WiXpYq来表示 此处 Wi Xp和Yq代表所对应的电子轨道 54 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 Auger电子能量的半经验方法 Auger过程和能量守恒定律可以想到对于WXY过程 Auger电子的能量应为 EWXY Z EW Z EX Z EY Z A其中EW Z EX Z EY Z 是各壳中电子的结合能 A是脱出功 55 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 Perkin Elmer公司的Auger电子能谱手册 其中给出了各种原子不同系列的Auger峰位置 每种元素的各种Auger电子的能量是识别该元素的重要依据 56 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 从1967年L A Harris采用微分方法和锁定放大技术 建立第一台实用的Auger电子谱仪以来 Auger电子谱仪无论是在结构配置上 还是在性能上都有了长足的改进 Auger电子谱仪目前主要由Auger电子激发系统 电子枪 Auger电子能量分析系统 电子能量分析器 超高真空系统 数据采集和记录系统及样品清洗 剖离系统组成 57 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 电子枪 电子枪是用于激发Auger电子的装置 Auger电子的能量一般在0 2000eV之间 所以电子枪的加速电压一般在5keV以上 为了能采集Auger电子像 扫描Auger电子谱仪 SAM 的电子枪加速电压一般为10 15keV 电子枪的电子束斑直径 决定着SAM的空间分辨率 目前 商品仪器中 最小的电子束斑直径为 15nm 最大加速电压为20keV 58 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 电子能量分析器 电子能量分析器是分析电子能量的装置 是Auger电子谱仪的重要组成部分 在表面分析技术中使用的电子能量分析器都是静电型的 可分为 色散型 和 带通 减速场型 两大类 对于前者 电子在能量分析器中偏转成像 而后者是建立在拒斥场减速的基本原理之上的 在实际的应用中 有三种能量分析器最为常用 即 筒镜型能量分析器 CMA 半球性能量分析器 SDA 和Staib能量分析器 59 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 电子能量分析器 筒镜型能量分析器 CMA 的原理结构 60 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 电子能量分析器 61 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 真空系统 Auger电子谱仪都带有超高真空系统 系统的真空度一般优于6 7 10 8Pa 真空系统一般由主真空室 离子泵 升华泵 涡轮分子泵和初级泵组成 初级泵一般是机械泵或冷凝泵 62 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 数据的采集和记录目前 Auger电子谱仪的数据采集一般是以脉冲计数的形式 通过计算机采集不同能量下的Auger电子数的 用固定的数据分析处理软件进行分析 处理 并把结果输出到打印机和笔绘仪上 63 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 离子枪和预处理室离子枪是进行样品表面剖离的装置 主要用于样品的清洗和样品表层成分的深度剖层分析 一般用Ar作为剖离离子 能量在1 5keV 样品的预处理室是对样品表面进行预处理的单元 在预处理室内一般可完成清洗 断裂 镀膜 退火等一系列预处理工作 一般视用户的要求配置 64 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 65 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 Fe经轻微氧化的AES 66 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 X射线光电子能谱 XPS K Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子能谱 ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis 简称为 ESCA 这一称谓仍在分析领域内广泛使用 随着科学技术的发展 XPS也在不断地完善 目前 已开发出的小面积X射线光电子能谱 大大提高了XPS的空间分辨能力 67 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 光电效应根据Einstein的能量关系式有 h EB EK其中 为光子的频率 EB是内层电子的轨道结合能 EK是被入射光子所激发出的光电子的动能 实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系 即其中为真空能级算起的结合能 SP和 S分别是谱仪和样品的功函数 68 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 EBV与以Fermi能级算起的结合能EBF间有 69 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 70 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 二次离子质谱 SIMS SecondaryIonMassSpectrometry SIMS IonScatteringSpectroscopy ISS RutherfordBackscatteringSpectroscopy RBS 早在上个世纪30年代 Arnot等人就研究了二次离子发射现象 1949年 Herzog和Viekbock首先把二次离子发射与质谱分析结合起来 六十年代 先后发展了离子探针和直接成像质量分析器 七十年代又提出和发展了静态二次离子质谱仪 这些二次离子质谱仪的性能不断改进 使之成为一种重要的 有特色的表面分析手段 71 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射靶面后 溅射产生的二次离子而获取材料表面信息的一种方法 二次离子质谱可以分析包括氢在内的全部元素 并能给出同位素的信息 分析化合物组分和分子结构 二次离子质谱具有很高的灵敏度 还可以进行微区成分成像和深度剖面分析 一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子 分子或原子团的二次发射 即离子溅射 溅射的粒子一般以中性为主 其中有一部分带有正 负电荷 这就是二次离子 利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱 72 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 73 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 聚苯乙烯的二次离子质谱 74 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 二次离子质谱仪二次离子质谱仪至少包括主真空室 样品架及送样系统 离子枪 二次离子分析器和离子流计数及数据处理系统等五部分 75 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 二次离子质谱仪 质谱分析器二次离子分析系统早期采用磁质谱分析器 但仪器复杂 成本高 表面分析的静态SIMS中 几乎都采用四极滤质器 它没有磁场 结构简单 操作方便 成本低 飞行时间质谱计分析速度快 流通率高 可以测量高质量数的离子 而逐渐受到人们的重视 76 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 基本原理 离子溅射基本组成 真空室 离子源 质谱仪辅助组成 电子中和枪主要功能 成分分析 化合态分析分析方法 动态 静态 深度剖面 面分布应用范围 固体材料 77 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 低能电子能谱 LEED LowEnergyElectronDiffraction 78 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 1921年Davisson和Germer就研究了电子束在单晶表面的散射现象 并发现了电子的散射不是各向同性的 30年代后 人们开始了低能电子衍射方面的研究 50年代 随着超高真空技术的发展 人们识别到获得清洁表面对观察低能电子衍射图象的重要性 用LEED研究了Ti Ge Si Ni SiC等的表面原子排列 并开始研究气体在单晶表面的吸附现象 从七十年代开始 开展了LEED强度特性的理论研究 并结合计算机模拟计算 对表面结构进行研究 目前 人们已对一百多种表面结构进行了研究 得到许多表面吸附结构方面的新知识 79 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 入射电子的能量通常为20 500eV 对应的波长为0 3 0 05nm 低能电子衍射装置的原理示意图 80 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 81 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 一维衍射栅产生的散射圆锥 82 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 如果荧光屏位于电子枪的同一方 且是以衍射栅为球心的一个球面 则衍射圆锥和荧光屏的交线是一组直线 间距为r a r是荧光屏的半径 83 薄膜的结构和缺陷 薄膜结构与组分的分析方法 对于二维网格 设二维网格单元是长方形 x方向间距为a y方向的间距为b 对垂直入射的情况 在x方向发生衍射的同时 在y方向上也有类似的衍射发生 因此 对二维衍射栅 荧光屏上显示出一组点 84 薄膜的结构和缺陷 习题 思考题 薄膜结构是指那些结构 其特点是什么 蒸发薄膜微观结构随基片温度的变化如何改变 薄膜主要缺陷类型及特点 薄膜的主要分析方法有那些 基本原理是什么 85