薄膜的基本性质

• （5）杂质效应 • 在沉积薄膜时，环境气氛对内应力的影响较大，真空室内的残余
气体进入薄膜中将产生压应力。
• 由于晶粒间界的扩散作用，即使在低温下也可产生杂质扩散从而
形成压应力。
• （6）原子、离子埋入效应 • 对于溅射薄膜、膜内常有压应力存在。一方面由于溅射原子由
10eV左右的能量，在形成薄膜时可能形成空位或填隙原子等缺陷 使薄膜体积增大；另一方面，反溅射过程中的加速离子或加速的 中性原子常以1～102eV(甚至更高）的能量冲击薄膜，它们除了 作为杂质被薄膜捕获外，薄膜表面原子向内部移动埋入导致薄膜 体积增大，从而在薄膜中形成内应力。这种内应力是由原子、离 子埋入引起的，因而称原子、离子的埋入效应。
的大小因制作工艺条件的不同而不同。
• 应力为正表示拉伸应力，膜本身有收缩趋势；应力为负表
示压缩应力，膜本身有伸展的趋势。
• 在绝大多数场合下，蒸镀膜中存在拉伸应力，溅射膜中存
在压缩应力
1.内应力形成的原因
• 对于内应力的原因许多人进行了大量研究，
提出了各种理论模型。因此应力现象比较 复杂，很难用一种机理进行说明。目前对 内应力的成因有如下一些理论：
核电阻温度系数也会变化。膜越薄，这种变化就越显著激 烈。可以理解为，这是由于接近岛状或者海峡结构的薄膜 其粒子在基片上的再蒸发、重排、氧化等而引起化学变化 的缘故。在膜较厚时也会由于晶格缺陷的变化而发生不可 逆的变化。对于薄膜来说，TCR和电阻率对于温度的可逆变 化只是在某一限定范围之内的，与整块材料完全不同的。
• （2）提高基体温度 • 在沉积薄膜时提高基体温度，有利于薄膜与基体间原子的相
互扩散，而且会加速化学反应，从而有利于形成扩散附着和 化学键附着，使粘附力增大。但基体温度过高，会使薄膜晶 粒粗大，增加膜中的热应力，从而影响薄膜的其它性能。因 此，在提高基体温度时应作全面考虑。
• （3）制造中间过渡层 • 当基体和薄膜的热膨胀系数相差较大时将产生很大的热应
• ①简单附着； • ②扩散附着； • ③通过中间层附着； • ④宏观效应附着。
附着的四种类型示意图
简单附着 通过中间层附着
扩散附着 宏观效应附着
• （1）简单附着时，薄膜和基体之间存在一个很清楚的
分界面。这种附着是由两个接触面相互吸引形成的。当 两个不相似或不相容的表面相互接触时就易形成这种附 着。
第二节 薄膜的力学性能
• 薄膜大都是附着在各种基体上，因而薄膜和基体之间的附
着性能将直接影响到薄膜的各种性能，附着性不好的薄膜 无法使用。
• 薄膜在制造过程中，其结构受工艺条件的影响很大，薄膜
内部产生一定的应力。基体材料与薄膜材料之间的热膨胀 系数的不同，也会使薄膜产生应力，过大的内应力将使薄 膜卷曲或开裂导致失败。
电子必须以某种方法通过微晶体之间的空间，因此，在膜 层较薄时，电阻率是非常大的。当膜厚增加达到数百埃， 电阻率就会急剧地减小；但是，因晶粒界面的接触电阻起 很大的作用，所以和整块材料时相比，电阻率还是要大的 多。晶粒界面上会吸附气体，发生氧化，当这些地方为半 导体时，甚至会出现随温度的升高电阻减小的情况。
• （4）通过宏观效应的附着包括机械锁合和双电层吸引等。机
械锁合是一种宏观的机械作用。当基体表面比较粗糙，有各种 微孔或微裂纹时，在薄膜形成过程中，入射到基体表面上的气 相原子便进入到粗糙表面的各种缺陷、微孔或裂缝中形成这种 宏观机械锁合。如果基体表面上各种微缺陷分布均匀适当，通 过机械锁合作用可提高薄膜的附着性能。
三、薄膜的密度
• 一般说来，薄膜的密度要比整块材料的密
度低。因此，同样重量的膜也比整块材料 的膜要厚些。也可以说，这是由于某种程 度的粗糙性造成的。
• 在以测定重量来计算膜厚的情况下，有必
要预先测定出密度来。
四、经时变化
• 薄膜在制成后也会十分缓慢地变化，这跟普通金属那样经
过充分地退火除去了各种各样的缺陷是不同的。薄膜在制 造时由于急速地冷却而包含有各种各样的缺陷、变形等等， 这是它变化的起因。在使用薄膜时，一般要求经时变化越 小越好。为此，就要研究各种各样的制造条件。膜越薄， 经时变化越大。这种经时变化，一般在初期比较剧烈。因 此，在薄膜做成以后，如果在高温下放置数小时（按膜和 基片材料而有所不同），则往往会使以后的变化比较小， 我们把这种处理称为老化。
第二章 薄膜的性质
在以固体电路为中心的电子学领域中，以及在分子束 外延膜等有应用前途的光电子学领域中，单晶膜起着 重要的作用。但是常用的还是以多晶膜为多。这里， 叙述有关薄膜的基本性质。
一、导电性
金属的导电性是由于金属内部的自由电子逆电场方 向流动造成的。电子在与电场相反的方向上被加速， 但又由于与晶格碰撞而失去这之前从电场中得到的 能量，这样就限制了它的速度。它与晶格碰撞会使 温度升高，而晶格的热振动越是剧烈，碰撞的机会 也就越多，这就是金属的电阻值随着温度的升高而 增大（具有正温度系数）的主要原因。
电介质膜
• 电介质多数是化合物，由它们制备的薄膜是作为
绝缘体使用的，但其中包含的缺陷比金属膜要多 得多，且组成成分得差异也很大，因此，在多数 场合下，绝缘性和介电特性都比整块材料要差。 为了除去这些缺陷，在薄膜制成之后，需要进行 热处理。
• 从制法上来说，溅射方法容易得到电介质膜。将
电介质直接进行溅射时，可得到100～200nm/s的 沉积速率。也可以利用其它的反应性溅射来制造 电介质膜。
• （7）表面张力（表面能） • 在薄膜沉积过程中，由于小岛的合并或晶粒的合并引起表面张力
的变化，从而引起膜内应力的变化。
2、 内应力的测量
• 内应力的测量方法有： • ①悬壁梁法； • ②弯盘法； • ③X射线衍射法； • ④激光拉曼法。
3、 内应力与薄膜的物理性能
• （1）内应力引起磁各向异性，内应力是
• （1）热应力（热收缩效应）沉积过程中，薄膜由
高温冷却到周围环境温度过程中原子逐渐变成不能 移动的状态，这种热收缩就是产生内应力的原因。 由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，加之沉积过程 的温差，故薄膜产生一附加应力，使薄膜和基体的 结合发生变形，这个应力称为热应力。因此，在选 择基体时应尽量选择热膨胀系数与薄膜热膨胀系数 相近的材料。
• 所以在各种应用领域中，薄膜的附着力与内应力都是首先
要研究的课题。
一、薄膜的粘附力
• 薄膜的附着性能在很大程度上决定了薄膜
应用的可能性和可靠性，这是在薄膜制造 过程中普遍关心的问题。
1. 附着现象：
• 从宏观上看，附着就是薄膜和基体表面相
互作用将薄膜粘附在基体上的一种现象。 薄膜的附着可分为四种类型：
• （5）热处理 • 沉积薄膜后进行适当的热处理，如经过热退火处理消除缺
陷产生的应力或增加相互扩散来提高粘附力。
• （6）晶格匹配 • 由于基体与薄膜的晶格失配，将产生热应力，因而尽量选择基
体和薄膜材料的晶格结构相近的材料作为基体，可以提高粘附 力。
• （3）通过中间层的附着是在薄膜和基体之间形成一种化合物
中间层（一层或多层），薄膜再通过这个中间层与基体间形成 牢固的附着。这种中间层可能是一种化合物的薄层，也可能是 含有多种化合物的薄膜。其化合物可能是由薄膜与基体两种材 料形成的化合物，也可能是与真空室内环境气氛形成的化合物， 或者两种情况都有。由于薄膜和基体之间由这样一个中间层， 所以两者之间形成的附着就没有单纯的界面。
二、薄膜的内应力
• 用通常方法加工的各种零件是在良好的热平衡状态下制造
的。即使如此，仍然会存在一定程度的残余应力。
• 多数薄膜不是在热平衡状态下制造的，而是从岛状构造开
始合成一体生长而成的。各个岛或是固体，或是液体，都 不是在热平衡状态下充分地合成一体的，合成一体后也不 可能是充分退火态的。
• 在真空中制成的薄膜，可以肯定会残留一定的内应力。它
• 由上可以看出，附着或结合的全部现象实质上都是建立在原子
间电子的交互作用的基础上。
2.附着表征
• 黏附力或者结合能的测定可分为两大类。
一类是机械法，另一类是形核法。
• 机械法大致有：①划痕试验法；②拉力试
验法；③剥离试验法；④磨损法；⑤离心 力试验法；⑥弯曲法；⑦碾压法；⑧锤击 法；⑨压痕法；⑩气泡法等。
通过磁致伸缩现象向薄膜提供能量的。而 且还对薄膜的磁性能产生影响。
• （2）内应力引起超导点的变化，如引起
Pb膜超导点的下降。
3.提高粘附力的途径
• （1）对基体进行清洁处理 • 基体的表面状态对粘附力的影响很大，如果表面有一层污染
层，将使薄膜不能与基体直接接触，范德华力大大减弱，扩 散附着也不可能，从而附着性能极差，解决的方法是对基体 进行严格清洗，还可用离子轰击法进行处理。
• 基片温度对薄膜的内应力影响也很大，因为基片的
温度直接影响吸附原子基片表面的迁移能力，从而 影响薄膜的结构、晶粒的大小、缺陷的数量和分布， 而这些都与内应力大小有关。
• （2）相变效应 • 薄膜的形成过程实际上也是一个相变过程，即由气相变为液
相再变为固相。这种相变肯定带来体积上的变化，产生内应 力。
• 单晶膜是在高温下生成的，没有晶粒界面的问题，所以一
般说来电阻率小些。如果蒸镀和溅射比较，溅射的膜由于 核的密度较高，电阻率也较小些。
导电性
• 膜厚远远大于平均自由程 • 随着膜厚增加，薄膜的电阻率会接近整块
材料的值，但一般仍要比整块的值大一些。 这是由于微晶粒之间的接触电阻核晶体中 存在的晶格缺陷的密度大于整块材料的这 两个因素加起来造成的。
五、电介质膜
• 电介质是不显示电导性的绝缘体的总称。在绝缘
体内晶格的周围存在着电子云，其内部没有自由 运动的电子。如果施加外电场，离子和电子云的 位置会发生位移，产生极化。在导体中是不存在 电场的，与此相反，在绝缘体中，因介电常数有 限，从而能产生有限电场，并且，绝缘体会发生 介电感应现象，这就是所谓“电介质”名称的含 义。与极化有关的压电性和热电性都是这类材料 的重要性质。