F5性质第二部分薄膜物理与技术第四章.ppt

较小 （5）热处理可减小内应力；但过高温度，内应力可
能回升（因为缺陷减少，体积减小，应力增加）
3、内应力产生的原因 （1）薄膜和基片热膨胀系数不同 （2）结晶温度以下的冷却和热收缩 （3）相变过程（液→固；非晶→结晶） （4）薄膜——基片晶格失配 （5）小岛合并 （6）杂质影响
三、薄膜的硬度
1、定义
8me
h3B2
eb KT
BKT sin(BKT
)
exp(
A
1 2
)
exp
W KT
其中，b为小岛间距（Å）
Φ---隧道区域内功函数平均值 A= 4s
h 2m
B=
A
1
2 2
M——电子质量 S为小岛间的有效间距 热能 W e2 1 1
4 0 r s 2r
r为发射电子的小岛的半径
二、连续薄膜的电学性质
1、附着机理
三种附着机理：
•范德华力,化学键力, 薄膜——基片间静电引力 （1）范德华力：薄膜及衬底原子相互极化产生 包括： 定向力（0.2eV）：永久偶极子之间的相互作用力 诱导力（0.02eV）：永久偶极子与感应偶极子间的相互作用力 色散力（0.4eV）：电子绕原子核运动时所生的瞬时偶极矩相
互作用力 特点： •与静电引力相比，范德华力是短程力 •与化学键相比，范德华力是长程力
薄膜和基片的费米能级不同，紧密接触后发 生电子转移。
2、影响附着力的因素 •膜料与基片的组合
有些材料需对其活化，如离子轰击以提高其表面能、 衬底加温或制备过渡层。
•基片表面污染，导致表面化学键饱和，使附着差 •基片温度的影响 温度高——利于原子扩散，形成扩散附着和形成中间
化合物
温度过高——晶粒变粗会影响附着 •溅射或离子束辅助沉积的膜比蒸发沉积膜附着好
3、提高附着力的方法 （1）严格清洗基片 （2）蒸镀膜前真空中离子轰击处理 （3）适当提高基片温度 （4）制备中间过渡层 （5）用溅射法 （6）离子束轰击薄膜 4、薄膜附着力的测量方法
•拉张法 •胶带剥离法 •划痕法 •超声波法
二、薄膜的内应力
1、物理意义（定义） 薄膜内部任一截面单位面积所受的另一侧所 施加的作用力称应力.
§2 薄膜的电学性质
着重研究： •电阻率ρ、电导率σ的大小 •薄膜成份对ρ、σ的影响 •掺杂、杂质、缺陷的影响 •环境温度、热处理的影响 •电场的影响
一、不连续薄膜的导电性质 •不连续膜：孤立小岛构成的薄膜 1、三种典型研究实例 ——由ρ或σ与d、T、E的关系发现薄膜的某些电
学现象 （1）Rs-d关系： 如图：
～ 如图：不同膜厚Pt膜电导率——温度关系
结果表明：
1
•在250~300k范围内，lnσ与 T 有很好的线性关系
• T高时，σ也高；膜越薄，T对σ的影响越大
揭示：导电机理与热激活有关
（3）Ni膜σ~ E的关系 如图：不同T下，σ~ E的关系
结果显示： •室温下，σ随E变化不明显 •低温下，有明显变化 •低温下σ~ E关系是非线性的 说明：导电具有肖特基效应 以上研究方法也可用于半导体膜、功能材料薄膜
两种理论解释模型：
（1）热电子发射模型 小岛受热后，电子动能的垂直分量大于金属材料功 函数时，电子脱离金属表面发射到真空中，被另一 小岛俘获，产生电导。
热电子发射产生的电导表达式如下；
其中，
t
4me 2 k
3h3Βιβλιοθήκη bTexp[(e2
2 0b) / KT
]
h——普朗克常数；m——电子质量
Φ——功函数；b——小岛间距（Å）
•微观结构比不连续膜致密得多 •微观缺陷比块材多 1、连续薄膜导电性质的特点 （1）ρ与膜厚有关；温度越低受膜厚影响越大 （2）ρ随膜厚增大而减小，并趋于稳定值 （3）薄膜的ρ大于块材的 （4）ρ与制备工艺有关 2、原因 •薄膜内缺陷浓度大大超过块材的 •表面散射效应
膜厚d=10~100Å，Au膜Rs的变化
可见： • Rs随膜厚增加而减小（10Å时达1013Ω） • 70Å时，Rs突然大降——表明由不连续成为
连续膜 进一步研究ρ~T关系知： •连续薄膜具金属的温度特性（T上升，ρ上升） •不连续薄膜具半导体温度特性（T上升，ρ下降）
1 （2）ln ～ T 关系：
研究
2、不连续金属膜的特点 （1）ρ很大，且随d变化显著 （2）ρ与T有关，温度系数为负值 （3）电场低时，呈欧姆性导电，电场高时，呈
非欧姆性导电
（4）高电场下，有电子发射或光发射现象
3、不连续膜的导电机理 •由孤立小岛构成，却显一定导电能力 •导电能力与温度有关 暗示：不连续薄膜的电导论与热激活有关
外应力——薄膜受外力作用而产生的应力 内应力——薄膜本身的原因所引起的应力
2、内应力相关的实验现象
（1）蒸发过程中自然升温引起的热应力可忽略 （2）基片处室温制膜后剧冷或加热到某温度以上；
基片加温制膜后冷却，引起的应有时不能忽略 （3）化合物薄膜的应力比金属膜的应力小1~3数量级 （4）小于500Å，内应力大些，大于1000Å后，应力
（2）化学键力：薄膜——基片之间形成化学键 的结合力
包括： 离子键、共价键、金属键 化学键力的产生机制： 价电子发生转移，形成化学键
•化学键力属短程力
•化学键能1.2~11eV
（3）薄膜——基片间的静电引力
•须在界面两边积累空间电荷，或扩散的原子带 有异号电荷才会有静电引力
•静电引力形成的原因：
薄膜材料相对于另一种物质的抗摩擦、抗刻划、抗形 变的能力。
2、硬度的测量方法
金刚石压头，加一定重量压试样，根据被测试样上压 痕大小来判断硬度。（压头形状不同，所得结果不 同）。
（1）硬度的几种名称 •维氏（Vickers）硬度（136度） •库氏（Knoop）硬度（172.5度） •布氏（Brinell）硬度
第二部分第4章 薄膜的基本性质
着重介绍有关薄膜的普遍特性的研究方法
§1. 薄膜的力学性质
主要有：附着、应力、硬度、弹性模量和摩擦系数等 着重学习：
附着、应力、硬度
一、薄膜的附着
•定义：薄膜和基片相互作用使薄膜粘附在基片上的一种现象。 •重要性：很大程度上决定了薄膜器件的稳定性、可靠性和实用。 •附着的好坏主要取决于薄膜生长的初始阶段。
K——玻尔兹曼常数；ε0——介电常数。
（2）热激活隧道效应模型
•金属小岛间产生势垒，电子能量低于势垒高度， 据量子力学的隧道效应，电子存在从一个中 性小岛跃迁到另一小岛的几率，而产生电导。
•电子的移动使小岛带电，产生库仑作用力，故 与一般隧道效应不同，电导率与温度有关。
——只有热激活的电子才能克服库的作用力而 穿过隧道，此模型导出的公式：