表面工程技術(shù)5薄膜的生長(zhǎng)和性能

1、§5薄膜的生長(zhǎng)和性能§5.1 薄膜的生長(zhǎng)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程一般分為成膜粒子的凝結(jié)過(guò)程、核的形成與長(zhǎng)大過(guò)程、島的形成與合并生長(zhǎng)過(guò)程。一、凝結(jié)過(guò)程包括吸附、表面擴(kuò)散和凝結(jié)等過(guò)程。凝結(jié)過(guò)程是簿膜生長(zhǎng)的第一階段。在氣相鍍膜中，凝結(jié)過(guò)程是氣相原子、離子或分子入射到襯底表面后，氣相吸附相凝結(jié)相的一個(gè)相變過(guò)程。1、吸附過(guò)程固體表面的不飽和鍵或懸掛鍵具有吸引外來(lái)原子或分子的能力，即吸附。表面自由能；吸附力；吸附能。物理吸附；化學(xué)吸附。解吸；解吸能。（1）吸附過(guò)程中的能量變化關(guān)系當(dāng)入射到基體表面的氣相原子動(dòng)能較小時(shí)，處于物理吸附狀態(tài)，其吸附能用Qp表示。當(dāng)這種氣相原子動(dòng)能較大、但小于或等于Ea時(shí)

2、則可產(chǎn)生化學(xué)吸附。達(dá)到完全化學(xué)吸附時(shí)，這種氣相原子釋放出能量Ed。Ed與Ea的差值Qc稱為化學(xué)吸附熱，Ea稱為激活能，由此可以看出化學(xué)吸附是一種激活過(guò)程。因?yàn)镼c > Qp，所以只有動(dòng)能較大的氣相原子才能和基體表面產(chǎn)生化學(xué)吸附。當(dāng)化學(xué)吸附的原子獲得的動(dòng)能大于Ed時(shí)，它將不再被基體表面吸附，通過(guò)再蒸發(fā)或解吸而轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，因此Ed又稱為解吸能。（2）吸附原子在表面的平均停留時(shí)間吸附的氣相原子在基體表面上的平均停留時(shí)間a與解吸能Ed之間的關(guān)系為：式中0是單層原子的振動(dòng)周期，數(shù)值大約為10-1410-12秒，k是玻耳茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。在室溫下，不同解吸能Ed與平均停留時(shí)間a的關(guān)系如下表?？?/p>

3、以看出，當(dāng)Ed大于20kcal/mol時(shí)，a值急劇增長(zhǎng)到超過(guò)通常的實(shí)驗(yàn)時(shí)間。Ed (kcalmol)a (s)Ed (kcalmol)a (s)2.56.6×10-12203.8×1054.4×10-10251.7×105101.6×10-6307.3×108158.5×10-32、表面擴(kuò)散過(guò)程（1）擴(kuò)散過(guò)程吸附原子在表面上停留期間，便失去了在表面法線方向的動(dòng)量，只具有與表面水平方向相平行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量。依靠這種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，吸附原子在表面上作不同方向的表面擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。下圖是吸附原子表面擴(kuò)散示意圖。ED為表面擴(kuò)散能，是表面吸附原子進(jìn)

4、行擴(kuò)散時(shí)需要克服的阻力能量。可以看到表面擴(kuò)散能ED比解吸能Ed小得多，大約是。（2）平均表面擴(kuò)散時(shí)間吸附原子在一個(gè)吸附位置上的停留時(shí)間稱為平均表面擴(kuò)散時(shí)間，D。它和表面擴(kuò)散能ED之間的關(guān)系是：式中是表面原子沿表面水平方向振動(dòng)的周期，大約為10-1310-12秒。k是玻耳茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度。一般認(rèn)為。（3）平均表面擴(kuò)散距離吸附原子在表面停留時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所移動(dòng)的距離（從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的間隔）稱為平均表面擴(kuò)散距離，并用表示，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中D是表面擴(kuò)散系數(shù)。若用a0表示相鄰吸附位置的間隔，則表面擴(kuò)散系數(shù)定義為：。這樣，平均表面擴(kuò)散距離可表示為：3、凝結(jié)過(guò)程（1）擴(kuò)散是形成凝結(jié)的必要條

5、件在表面擴(kuò)散過(guò)程中，單個(gè)吸附原子間相互碰撞形成原子對(duì)或小原子團(tuán)之后其能量進(jìn)一步下降，才能產(chǎn)生凝結(jié)。凝結(jié)后的原子不再容易發(fā)生解吸或擴(kuò)散。在研究薄膜生長(zhǎng)過(guò)程時(shí)所說(shuō)的凝結(jié)就是指吸附原子結(jié)合成原子對(duì)或小原子團(tuán)之后進(jìn)一步長(zhǎng)大成穩(wěn)定核的過(guò)程。吸附原子的表面擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是形成凝結(jié)的必要條件。從公式看出，Ed和ED值的大小對(duì)凝結(jié)過(guò)程有較大影響：表面擴(kuò)散能ED越大，擴(kuò)散越困難，平均擴(kuò)散距離也越短，吸附原子不易相遇而形成原子對(duì)，因此不易凝結(jié)。解吸能Ed越大，吸附原子在表面上停留時(shí)間越長(zhǎng)，則平均擴(kuò)散距離也越長(zhǎng)。這對(duì)形成凝結(jié)過(guò)程非常有利。（2）吸附原子發(fā)生凝結(jié)的捕獲截面假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)沉積在單位基體表面上的原子數(shù)（碰撞平率

6、）為J（個(gè)/cm2·s），吸附原子在表面的平均停留時(shí)間為a，那么單位基體表面上的吸附原子數(shù)n1為：吸附原子表面擴(kuò)散時(shí)間為D，它在基體表面上的擴(kuò)散遷移頻度f(wàn)D為：假設(shè)，則吸附原子在基體表面停留時(shí)間內(nèi)所遷移的次數(shù)為：一個(gè)吸附原子在這樣的遷移中與其它吸附原于相碰撞就可形成原子對(duì)。這個(gè)原子的捕獲截面SD定義為：SDN/n0式中n0是襯底表面單位面積上的吸附位置數(shù)，則所有原子的總捕獲界面為：因此，總的捕獲截面與吸附原子數(shù)n1、吸附位置數(shù)n0、解吸能Ed及表面擴(kuò)散能ED有關(guān)。討論：1）若Sl，即小于單位面積，在每個(gè)吸附原子的捕獲截面內(nèi)只有一個(gè)原子，故不能形成原子對(duì)，也就不發(fā)生凝結(jié)。2）若lS2，

7、則發(fā)生部分凝結(jié)。在這種情況下，平均地說(shuō)，吸附原子在其捕獲范圍內(nèi)有一個(gè)或二個(gè)吸附原子。在這些面積內(nèi)會(huì)形成原子對(duì)或三原子團(tuán)。其中一部分吸附原子在渡過(guò)停留時(shí)間后又可能置新蒸發(fā)掉。3）若S2，平均地說(shuō)，在每個(gè)吸附原子捕獲面積內(nèi)，至少有兩個(gè)吸附原子。因此所有的吸附原子都可結(jié)合為原子對(duì)或更大的原子團(tuán)，從而達(dá)到完全凝結(jié)，由吸附相轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)相。（3）描述吸附原子凝結(jié)的物理量在研究凝結(jié)過(guò)程中通常使用的物理參數(shù)有凝結(jié)系數(shù)、粘附系數(shù)和熱適應(yīng)系數(shù)。凝結(jié)系數(shù)完全凝結(jié)在基體表面的氣相原子數(shù)與入射到基體表面上的總氣相原子數(shù)之比稱為凝結(jié)系數(shù)，用ac表示。粘附系數(shù)當(dāng)基體表面上已經(jīng)存在著凝結(jié)原子時(shí)，再凝結(jié)的氣相原子數(shù)與入射到基體

8、表面上的總氣相原子數(shù)之比稱為粘附系數(shù)，用as表示：式中J是入射到基片表面氣相原子總數(shù)，n是在t時(shí)間內(nèi)基體表面上存在的原于數(shù)。在t趨近于零時(shí)acas。熱適應(yīng)系數(shù)表征入射氣相原子與基體表面碰撞時(shí)相互交換能量程度的物理量稱為熱適應(yīng)系數(shù)，并用a表示：式中Ti、T和Ts分別表示入射氣相原子、再蒸發(fā)原子和基體的溫度。吸附原子在表面停留期間，若和基片能量交換充分、到達(dá)熱平衡（TTs），al，表示完全適應(yīng)；如果TsTTi時(shí)，a1表示不完全適應(yīng)；若TTi，則入射氣相原子與基體完全沒(méi)有熱交換，氣相原子全反射回來(lái)，a0，表示完全不適應(yīng)。二、核的形成與長(zhǎng)大過(guò)程核形成與生長(zhǎng)的物理過(guò)程可用下圖說(shuō)明。有四個(gè)步驟：（1）氣相

9、原子吸附；（2）吸附原子凝結(jié)：吸附原子在擴(kuò)散過(guò)程中發(fā)生凝結(jié)，形成原子對(duì)或小原子團(tuán)；（3）穩(wěn)定核的形成：小原子團(tuán)和其它吸附原子發(fā)生碰撞，可能發(fā)生兩個(gè)效應(yīng)：二者進(jìn)行結(jié)合、使原子團(tuán)長(zhǎng)大；碰撞使小原子團(tuán)釋放一個(gè)原子、原子團(tuán)減小。這兩個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行。一旦原子團(tuán)中的原子數(shù)超過(guò)某一臨界值，原子團(tuán)進(jìn)一步與其他吸附原子碰撞結(jié)合的趨勢(shì)就會(huì)明顯大于碰撞釋放原子的趨勢(shì)，從而使原子團(tuán)只朝長(zhǎng)大方向發(fā)展，形成穩(wěn)定的原子團(tuán)。含有臨界原于數(shù)的原于團(tuán)稱為臨界核，小于臨界核的原子團(tuán)是不穩(wěn)定的，大于臨界核的原子團(tuán)是穩(wěn)定的，穩(wěn)定的原于團(tuán)稱為穩(wěn)定核。（4）穩(wěn)定核進(jìn)一步捕獲其它吸附原子，或者直接與入射氣相原子相結(jié)合，進(jìn)一步長(zhǎng)大，成為小島。

10、薄膜的生長(zhǎng)是從成核開(kāi)始的。當(dāng)母相整個(gè)體積的元素在化學(xué)、能量和結(jié)構(gòu)上都相同時(shí)，核形成過(guò)程在均勻相中進(jìn)行，則稱為均勻成核。即，介質(zhì)體系內(nèi)各處的成核概率相等，各處質(zhì)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)形成新相，這要克服相當(dāng)大的表面能位壘（形核功大），即需要相當(dāng)大的過(guò)冷卻度才能成核。若在非均勻相或不同相中進(jìn)行，則稱為非均勻成核。即，由于體系中已經(jīng)存在某種不均勻性，例如懸浮的雜質(zhì)微粒，容器壁上凹凸不平等，它們都有效地降低了表面能成核時(shí)的位壘（形核功?。?，優(yōu)先在這些具有不均勻性的地點(diǎn)形成晶核。因之在過(guò)冷卻度很小時(shí)亦能局部地成核。對(duì)于核形成與生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究工作大多數(shù)使用透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）

11、在線觀察進(jìn)行研究。也可采用場(chǎng)電子顯微鏡（FEM）和場(chǎng)離子顯微鏡（FIM）)進(jìn)行研究。（補(bǔ)充一些照片）三、薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程和生長(zhǎng)模式1、生長(zhǎng)過(guò)程薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程是指形成穩(wěn)定核之后的過(guò)程。如圖所示，在穩(wěn)定核形成以后，薄膜的形成過(guò)程可分為四個(gè)主要階段：（1）島狀階段在透射電子顯微鏡觀察過(guò)的薄膜形成過(guò)程照片中，能觀測(cè)到最小核的尺寸約為2030Å左右。在核進(jìn)一步長(zhǎng)大變成小島過(guò)程中，平行于基體表面方向的生長(zhǎng)速度大于垂直方向的生長(zhǎng)速度。當(dāng)核與吸附原子間的結(jié)合能大于吸附原子與基體的吸附能時(shí)，就可形成三維的小島。（2）聯(lián)并階段隨著島不斷長(zhǎng)大，島間距離逐漸減小，最后相鄰小島可互相聯(lián)結(jié)合并為一個(gè)大島。這就是島

12、的聯(lián)并。初始階段，小島聯(lián)并的很快，聯(lián)并后的一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，新島繼續(xù)改變它的形狀，所以在聯(lián)并時(shí)和聯(lián)并后，新島面積不斷變化。小島聯(lián)并長(zhǎng)大后，基體表面占據(jù)的面積減小，表面能降低?；w表面上未被覆蓋的地方也可再次成核?；w溫度對(duì)島的聯(lián)并起著重要作用。（3）溝道（迷津）階段島聯(lián)并之后，新島進(jìn)一步長(zhǎng)大，在此過(guò)程中新島變?yōu)閳A形的傾向減小，只有在新島進(jìn)一步聯(lián)并的地方才繼續(xù)發(fā)生較大的變形。當(dāng)島的分布達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，基體表面被覆蓋的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未被覆蓋的面積，形成種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中不規(guī)則的分布著寬度為50200Å的溝道（迷津）。隨著沉積的繼續(xù)進(jìn)行，在溝道中會(huì)發(fā)生二次或三次成核。當(dāng)核長(zhǎng)大到與溝道邊

13、緣接觸時(shí)就聯(lián)并到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜上。在某些地方，溝道被聯(lián)并為橋，并以類似液體的形式很快地被填穴，從而使大多數(shù)溝渠很快被消除，薄膜由溝渠狀變?yōu)橛行】锥吹倪B續(xù)狀結(jié)構(gòu)。在這些小孔洞處再發(fā)生二次或三次成核。有些核直接與薄膜聯(lián)并在一起，有些核長(zhǎng)大后形成小島（二次小島），這些小島再聯(lián)并列薄膜上。因?yàn)楹嘶驆u的聯(lián)并都有類似液體的特點(diǎn)。這種特性能使溝渠和孔洞很快消失。最后消除表面曲率大的區(qū)域，使薄膜的總表面自由能達(dá)到最小。4）連續(xù)薄膜階段在溝道和孔洞消除之后，入射到基體表而上的氣相原子便只能吸附在薄膜上，通過(guò)聯(lián)并作用而形成不同結(jié)構(gòu)的薄膜。有些薄膜在島的聯(lián)并階段，小島的取向就發(fā)生顯著變化。對(duì)于外延薄膜的形成，其小島

14、的取向相當(dāng)重要。在形成多晶薄膜時(shí)，除了在外延膜中小島聯(lián)并時(shí)必須有相互一定的取向之外，在聯(lián)并時(shí)還出現(xiàn)一些再結(jié)晶現(xiàn)象，以致薄膜中的晶粒大于初始核之間的距離。即使基體處在室溫條件下，也有相當(dāng)?shù)脑俳Y(jié)晶發(fā)生。每個(gè)晶粒大約包括有100個(gè)或更多的初始核區(qū)域。由此看出，薄膜中晶粒尺寸的大小取決于核或島聯(lián)并時(shí)的再結(jié)晶過(guò)程，而不取決于初始核的密度。2、生長(zhǎng)模式（1）島狀（VolmerWeber）型Al、Ag膜上述薄膜生長(zhǎng)過(guò)程，在此模式中表現(xiàn)最完整、最顯著（成核小島網(wǎng)絡(luò)連續(xù)膜）。當(dāng)沉積原子的相互作用遠(yuǎn)大于沉積原子與襯底的相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生島狀生長(zhǎng)。薄膜表面粗糙（2）層狀（FrankVan der Merwe）型蒸發(fā)的

15、單原子或單分子一層一層地推積一起而形成膜。當(dāng)沉積原子與襯底原子間的相互作用較強(qiáng)，并大于沉積原子間的結(jié)合力時(shí)，就可能形成層狀生長(zhǎng)，即由二維的薄層堆積而形成的薄膜生長(zhǎng)。理想的外延生長(zhǎng)生長(zhǎng)（epitexy）即屬于此。3）層島結(jié)合（StrankiKrastanov）型：沉積原子與襯底表面原子間的相互作用雖然很強(qiáng)，但沉積原子的凝聚能很大時(shí)，會(huì)發(fā)生面層上的成核生長(zhǎng)。特點(diǎn)：先在襯底上形成與襯底結(jié)構(gòu)相同的單層膜，然后在單層膜上發(fā)生島狀生長(zhǎng)。Ge上蒸鍍Cd；Si上蒸鍍Bi、Ag。§5.2 薄膜的結(jié)構(gòu)和成分薄膜的結(jié)構(gòu)與成分在一定程度上決定著薄膜的性能，因此對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)與成分的研究一直是大家十分關(guān)注的問(wèn)題。

16、一、結(jié)構(gòu)薄膜結(jié)構(gòu)因研究對(duì)象不同可分為三種類型：組織結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)。1、組織結(jié)構(gòu)薄膜的組織結(jié)構(gòu)是指它的結(jié)晶形態(tài)。無(wú)定形（非晶）結(jié)構(gòu)、多晶結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)構(gòu)和單晶結(jié)構(gòu)。（1）無(wú)定形結(jié)構(gòu)定義：從原子排列情況來(lái)看無(wú)定形結(jié)構(gòu)是一種近程有序結(jié)構(gòu)，只是在23個(gè)原子間距離內(nèi)原子排列是有序的，大于這個(gè)距離其排列是雜亂無(wú)規(guī)則的。這種結(jié)構(gòu)顯示不出任何晶體的性質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)有時(shí)稱為非晶結(jié)構(gòu)或玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)。形成條件：形成無(wú)定形薄膜的工藝條件是降低吸附原子的表面擴(kuò)散速率?？梢酝ㄟ^(guò)降低基體溫度、引入反應(yīng)氣體和摻雜實(shí)現(xiàn)上述條件。例：對(duì)于硫化物和鹵化物簿膜在基體溫度低于77K時(shí)可形成無(wú)定形薄膜。有些氧化物薄膜（如TiO2、Z

17、rO2、Al2O3等）基體溫度在室溫時(shí)都可形成無(wú)定形薄膜。引入反應(yīng)性氣體的實(shí)例是：在10-210-3Pa氧分壓中蒸發(fā)Al、Ga、In和Sn等超導(dǎo)薄膜，由于氧化層阻擋了晶粒生長(zhǎng)而形成無(wú)定形薄膜。在83ZrO217SiO2和67ZrO233MgO的摻雜薄膜中，由于兩種沉積原子尺寸的不同也可形成無(wú)定形簿膜。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：l 無(wú)定形結(jié)構(gòu)薄膜在環(huán)境溫度下是穩(wěn)定的。l 無(wú)定形結(jié)構(gòu)薄膜具有不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(玻璃態(tài))，如：氧化物薄膜、元素半導(dǎo)體薄膜、硫化物薄膜等；或者具有隨機(jī)密堆積的結(jié)構(gòu)，如：合金薄膜。l 用衍射法研究時(shí)，這種結(jié)構(gòu)在X射線衍射譜圖中呈現(xiàn)很寬的漫散射峰，在電子衍射圖中則顯示出很寬的彌散形光環(huán)。（2）

18、多晶結(jié)構(gòu)定義：多晶結(jié)構(gòu)薄膜是由若干尺寸大小不等的晶粒所組成。形成在薄膜形成過(guò)程中生成的小島就具有晶體的特征（原子有規(guī)則的排列）。由眾多小島聚結(jié)形成薄膜就是多晶薄膜。用真空蒸發(fā)法或陰極濺射法制成的薄膜，大多是通過(guò)島狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)起來(lái)，必然產(chǎn)生許多晶粒間界形成多晶結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：多晶薄膜中不同晶粒間的交界面稱為晶界或晶粒間界。晶界中的原子排列狀態(tài)，實(shí)際上是從一種晶粒內(nèi)的原子排列狀態(tài)向另一種晶粒內(nèi)原子排列狀態(tài)過(guò)渡的中間結(jié)構(gòu)。因此，晶界是一種“面型”的不完整結(jié)構(gòu)。從而顯示出一系列與晶粒內(nèi)部不同的特征。（3）纖維結(jié)構(gòu)定義：纖維結(jié)構(gòu)薄膜是晶粒具有擇優(yōu)取向的薄膜。根據(jù)取向方向、數(shù)量的不同又分為單重纖維結(jié)構(gòu)和雙重

19、纖維結(jié)構(gòu)。形成：在薄膜中晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜生長(zhǎng)的各個(gè)階段：成核階段、小島聚集階段和最后階段。若吸附原子在基體表面上有較高的擴(kuò)散速率，晶粒的擇優(yōu)取向可發(fā)生在薄膜形成的初期階段。在起始層中原子排列取決于基體表面、基體溫度、晶體結(jié)構(gòu)、原子半徑和薄膜材料的熔點(diǎn)。如果吸附原子的擴(kuò)散速率較小，初始膜層會(huì)發(fā)生擇優(yōu)取向。當(dāng)膜層較厚時(shí)則形成強(qiáng)烈的對(duì)對(duì)著蒸發(fā)源方向的取向。晶粒向蒸發(fā)源的傾斜程度依賴于基體溫度、氣相原子入射角度和沉積速率等。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：?jiǎn)沃乩w維結(jié)構(gòu)中，各晶粒只在一個(gè)方向上擇優(yōu)取向，又稱為一維取向薄膜。具有二維同性一維異性的特點(diǎn)。雙重纖維結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上有擇優(yōu)取向，又稱為二維取向薄膜。在結(jié)構(gòu)上

20、類似于單晶，它具有類似單晶的各向異性。例：在非晶態(tài)基體上（如玻璃上），大多數(shù)多晶薄膜都傾向于顯示出擇優(yōu)取向。（4）單晶結(jié)構(gòu)單晶結(jié)構(gòu)薄膜通常是用外延工藝制造。外延生長(zhǎng)的條件：是吸附原子必須有較高的表面擴(kuò)散速率，所以基體溫度和沉積速率就相當(dāng)重要。在一定的蒸發(fā)速率條件下，大多數(shù)基體和薄膜之間都存在著發(fā)生外延生長(zhǎng)的最低溫度，即外延生長(zhǎng)溫度。是基體與薄膜材料的結(jié)晶相溶性。假設(shè)基體的晶格常數(shù)為a，薄膜的晶格常數(shù)為b，晶格失配數(shù)m(b-a)/a。m值越小，一般地說(shuō)其外延生長(zhǎng)就越容易實(shí)現(xiàn)。是要求基體表面清潔、光滑和化學(xué)穩(wěn)定性好。2、晶體結(jié)構(gòu)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)是指薄膜中各晶粒的晶型狀況。晶體的主要特征是組成原子有規(guī)

21、則的排列。晶體學(xué)原理：由于晶體結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，可以用三維空間中的三個(gè)矢量a、b和c；以及對(duì)應(yīng)的夾角、來(lái)描述。其中a、b和c是晶格在三維空間中的基本平移量，稱為晶格常數(shù)。薄膜的晶體結(jié)構(gòu)特征：在大多效情況下薄膜中晶粒的晶格結(jié)構(gòu)與塊狀晶體是相同的。只是晶粒取向和晶粒尺寸與塊狀晶體不同。除了晶體類型之外，薄膜中晶粒的晶格常數(shù)也常常和塊狀晶體不同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：薄膜材料本身的晶格常數(shù)與基體材料晶格常效不匹配。由于晶格常數(shù)不匹配，在薄膜與基體的界面處晶粒的晶格發(fā)生畸變形成一種新晶格，以便和基體相匹配。若薄膜與基體的結(jié)合能較大，晶格常數(shù)相差的百分比(af-as)/af近似等于2%時(shí)（af和as分

22、別代表薄膜材料本身和基體的晶格常數(shù)），薄膜與基體界面處晶格畸變層的厚度為幾個(gè)Å；當(dāng)相差百分比為4%左右時(shí)，畸變層厚度可達(dá)幾百Å。當(dāng)相差百分比大于12%時(shí)，晶格畸變達(dá)到完全不匹配的程度。晶格常數(shù)的變化比(即應(yīng)變)與晶粒半徑成反比，就是晶粒越小晶格常數(shù)變化比越大。薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力。3、表面結(jié)構(gòu)從熱力學(xué)能量理論分析，薄膜為了使它的總能量達(dá)到最低值，應(yīng)該有最小的表面積，即應(yīng)該成為理想的平面狀態(tài)。實(shí)際上這種薄膜是無(wú)法得到的。因?yàn)樵诒∧さ某练e過(guò)程中，入射到基體表面上的氣相原子是無(wú)規(guī)率性的，所以薄膜表面都有一定的粗糙度。入射氣相原子沉積到基體表面上之后，釋放出再蒸發(fā)的能量就

23、吸附在基休表面上。然后依靠橫向擴(kuò)散能量在表面上作擴(kuò)散，占據(jù)表面上的一些空位。正是由于吸附原子在表面上擴(kuò)散，才使薄膜表面上的谷被填平，峰被削平，導(dǎo)致薄膜表面面積不斷縮小。表面能被降低。二、成分組成薄膜的各元素。雜質(zhì)是需要盡量控制的成分。三、薄膜結(jié)構(gòu)和成分的分析方法結(jié)構(gòu)：衍射分析（XRD、電子衍射）：分析晶體結(jié)構(gòu)； 顯微分析：光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡（掃描電鏡、透射電鏡）、原子力顯微鏡、掃描探針顯微鏡，分析顯微結(jié)構(gòu)。成分：XPS、UPS、AES、二次離子質(zhì)譜等。§5.3 薄膜的性質(zhì)由于薄膜材料的不同，各種薄膜（如金屬膜、介質(zhì)膜、半導(dǎo)體膜、硬質(zhì)膜等）都有各自不同的性質(zhì)，如力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、

24、電學(xué)性質(zhì)、介電性質(zhì)等。其中力學(xué)性質(zhì)是各類薄膜都應(yīng)具有的性質(zhì)。薄膜的力學(xué)性質(zhì)中包括有附著性能、應(yīng)力性質(zhì)、彈性性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度等。一、薄膜的附著性能1、定義附著：從宏觀角度看，就是將薄膜粘附在基體上、與基體相互結(jié)合的一種現(xiàn)象。附著性直接影響到薄膜在基體上存在的耐久性及耐磨性有關(guān)系。薄膜在基體上附著的牢固性因薄膜材料和基體材料的不同而不同。例如室溫下在微晶玻璃基體上用真空蒸發(fā)法沉積Au膜時(shí)，它的附著性較差，用手輕輕一摸Au腹就會(huì)脫落；對(duì)基體加熱到不同溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，Au膜的附著性能無(wú)顯著改進(jìn)。若在沉積Au膜之前，在一定溫度的基體上沉積Cr膜，然后在Cr膜上面再沉積Au膜，Au膜的附著性就有很大提高。易氧

25、化的金屬膜的附著性能比難氧化的金屬膜的要好得多。2、附著類型（1）簡(jiǎn)單附著見(jiàn)下圖（a)。特點(diǎn)：薄膜和基片間形成一個(gè)很清楚的界面（突變界面）。形成：由于兩個(gè)接觸面間的相互吸引作用而產(chǎn)生的附著，當(dāng)兩個(gè)不相似或不相容的表面相互接觸時(shí)就容易形成這種附著。（2）擴(kuò)散附著兩個(gè)固體間相互擴(kuò)散或溶解而導(dǎo)致在薄膜和基片間形成一個(gè)漸變界面（即在它們之間沒(méi)有一個(gè)清楚的分界面）?？梢酝ㄟ^(guò)基片加熱、離子注入、離子轟擊等方法實(shí)現(xiàn)這種附著，共同基礎(chǔ)都是要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散。用同樣的材料制得的濺射薄膜比蒸發(fā)薄膜附著率高就是因?yàn)橛捎跒R射粒子的動(dòng)能較大，從而發(fā)生了較多的擴(kuò)散。（3）中間層附著通過(guò)在薄膜與基片間形成一個(gè)化合物中間層而產(chǎn)生附著

26、。中間層可能為一種化合物薄層，也可能是含多種化合物的薄層；化合物可能是薄膜與基片兩種材料所形成的，也可能是與環(huán)境氣氛所形成的；沒(méi)有一個(gè)單純的分界面；中間層常含有氧化物和氮化物。反應(yīng)蒸鍍、反應(yīng)濺射、蒸發(fā)或?yàn)R射過(guò)渡層、表面摻雜。（4）機(jī)械鎖合機(jī)械鎖合是一種宏觀的機(jī)械作用。當(dāng)基片上有微孔或微裂縫時(shí)，在沉積過(guò)程中就會(huì)有入射原子進(jìn)入這類微孔或微裂縫中，形成薄膜與基片間的機(jī)械鎖合。當(dāng)外力要使薄膜剝離時(shí)，薄膜中的A起著阻礙作用。如果基片上的微孔或微裂縫分布適當(dāng)，依靠這種鎖定作用，能顯著改變薄膜的附著性能。3、附著機(jī)理從微觀考慮，附著的機(jī)理是吸附。（1）物理吸附物理吸附由范德華力和靜電力產(chǎn)生。范德華力：是由兩

27、種物質(zhì)互相極化產(chǎn)生的。0.040.4eV因?yàn)樵诒∧げ牧虾突w材料中大部分都沒(méi)有具有永久偶極矩的極性分子，所以趨向力和誘導(dǎo)力的作用都很小，但普遍存在著可產(chǎn)生瞬時(shí)偶極矩的原子，所以在原子與原子之間，材料與材料之間普遍存在著色散力。因此，在簿膜與基體之間的附著是普遍存在的范德華力中的色散力在起作用。靜電力：就是雙電層吸引力，由于薄膜和基體材料的功函數(shù)不同，當(dāng)兩者相互接觸時(shí)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，電荷層起著把薄膜與基體拉緊的作用。靜電力的吸引能量與范德華力基本相近。兩者的差異表現(xiàn)在：范德華力是一種短程力，當(dāng)吸附原子間的距離略有增大時(shí)，它便迅速趨向于零，因此靠范德華力來(lái)實(shí)現(xiàn)薄膜與基體的附著時(shí)，其附著性較差。靜電力

28、則相反，它是一種長(zhǎng)程力，即使薄膜和基體之間有微小位移，其吸引力也不會(huì)有較大變化。因此雖然靜電力數(shù)值小些，但它對(duì)附著力的貢獻(xiàn)卻較大。（2）化學(xué)吸附化學(xué)吸附：是薄膜與基體之間形成化學(xué)鍵結(jié)合力產(chǎn)生的一種吸附。產(chǎn)生化學(xué)鍵的原因是有些價(jià)電子不再為原來(lái)的原子所獨(dú)有，而是從一個(gè)原于轉(zhuǎn)移列另一個(gè)原子上。化學(xué)鍵吸引力是一種短程力，但數(shù)值上卻比范德華力和靜電力大得多。在薄膜與基體之間并不是普遍地存在化學(xué)吸附，只有在它們之間的界面上產(chǎn)生化學(xué)鍵形成化合物時(shí)才能形成化學(xué)鍵結(jié)合，由此看出，要使薄膜在基體上有牢固的附著性必須在它們之間產(chǎn)生化學(xué)鍵。化學(xué)吸附的吸附能在0.410eV范圍。（3）附著能/附著力（結(jié)合力）附著能：準(zhǔn)

29、靜態(tài)地分開(kāi)單位附著面所做的功，用E表示。附著力：準(zhǔn)靜態(tài)地分開(kāi)單位附著面所需的力，用fad表示。由于附著現(xiàn)象是出現(xiàn)在兩種材料的表面上，因此它不但與基體和薄膜各自的表面自由能s及f有關(guān)，而且還和薄膜與基體間的界面自由能sf有關(guān)。附著能E可表示如下：EsfsfE的取值可正可負(fù)，表示附著力fad是斥力或是引力。具有高表面自由能的相同材料，高熔點(diǎn)金屬，其fad最大，具有低表面自由能的材料其fad最小。界面自由能sf隨兩種材料的原子種類、原子間距和鍵合特征等差別的增大而增大。因此界面自由能sf和附著力fad按下列順序減小：相同材料（sf0）、固溶體、具有不同類型鍵合的難溶材料。兩個(gè)相似或相容的表面接觸時(shí)，

30、由于界面自由能sf很小，所以附著能大。兩個(gè)完全不相似或不相容的表面接觸時(shí)，界面自由能sf較大，附著能小。4、附著力的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中可用兩種不同的途徑去測(cè)量涂層的附著情況： 以力的形式：涂層附著力（結(jié)合力）。 以能量或功的形式：附著能。（1）劃痕試驗(yàn)法（Scratch test）在所有實(shí)用的膜/基界面結(jié)合強(qiáng)度檢驗(yàn)方法中，尤其是硬質(zhì)薄膜/基體界面結(jié)合強(qiáng)度的檢驗(yàn)方法中，僅劃痕檢驗(yàn)法得到廣泛的應(yīng)用，已被世界多數(shù)國(guó)家所采用，國(guó)內(nèi)也已陸續(xù)引進(jìn)、研制和生產(chǎn)了多種劃痕試驗(yàn)機(jī)。中科院蘭州化學(xué)物理研究所和大連理工大學(xué)起草制定了氣相沉積薄膜與基體附著力的劃痕實(shí)驗(yàn)法（JB/ T85541997）于1998年1月開(kāi)始實(shí)施。

31、劃痕法是采用金剛石劃針（Diamond Stylus）（劃針錐角120°、劃針尖端曲率半徑0.2mm）在薄膜表面以一定速度劃過(guò)，同時(shí)作用在壓頭上的垂直載荷L不斷增加，增加的方式有兩種：步近式和連續(xù)式。當(dāng)L達(dá)到一定值時(shí)薄膜與基體開(kāi)始剝離，此時(shí)脆性薄膜會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)且連續(xù)波動(dòng)的聲發(fā)射信號(hào)。薄膜從基體剝落的最小載荷稱為臨界載荷Lc，聲發(fā)射峰出現(xiàn)波動(dòng)的起始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷值即為被測(cè)膜材料從基體脫落的臨界載荷Lc。以臨界載荷Lc作為薄膜結(jié)合強(qiáng)度的度量。全塑性壓痕理論：A：是涂層單位面積的剪切強(qiáng)度KA：常數(shù)，0.21.0HV：基體硬度（kg/mm2）R：針尖半徑（mm）A：劃痕的半寬度Lc：臨界載荷全

32、塑性理論對(duì)很多結(jié)合是不適用的。用彈塑性行為進(jìn)行修正： 但實(shí)驗(yàn)表明實(shí)際情況更為復(fù)雜。劃痕試驗(yàn)法廣泛應(yīng)用于測(cè)量硬質(zhì)薄膜的附著力。影響因素：基體硬度：一般來(lái)說(shuō)LC隨基體硬度HV增加有所提高。涂層結(jié)合力的比較必須要求基體硬度相近。涂層厚度：涂層硬度、加載速率。（2）壓痕法（Indentation Test）用壓痕法可以估算涂層與基體間的界面結(jié)合力。壓痕試驗(yàn)在硬度計(jì)上即可進(jìn)行。當(dāng)載荷不大時(shí)，涂層與基體一起變形；當(dāng)載荷足夠大時(shí)，涂層與基體界面上產(chǎn)生橫向（周向）裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定階段后會(huì)使涂層脫落，能夠觀察到涂層破壞的最小載荷稱之為臨界載荷Pcr。，薄膜結(jié)合力用臨界載荷Pcr來(lái)衡量。與LC相比，Pcr對(duì)硬

33、度不敏感。這種方法較早時(shí)用來(lái)定性分析，現(xiàn)在已不太使用；現(xiàn)在主要用來(lái)測(cè)量薄膜的硬度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)。測(cè)量結(jié)果通過(guò)載荷及壓入深度曲線計(jì)算得出，無(wú)需應(yīng)用顯微鏡觀測(cè)壓痕面積。通常帶有原子力顯微鏡成像系統(tǒng)。（3）拉力試驗(yàn)法（Pull test）在薄膜上施加一垂直力，直接把膜從基體上剝離的方法。測(cè)出的拉力除了從基體剝離薄膜所需的力外，還應(yīng)考慮圓柱體和薄膜接觸的邊緣處被拉破時(shí)所需的力，如果鍍膜較厚而圓柱體端截面積又較小時(shí)，此力不可以忽略。當(dāng)薄膜的彈性模量（Ef）遠(yuǎn)大于基體的（ES）時(shí)，附著力f為：當(dāng)基體的彈性模量（ES）遠(yuǎn)大于薄膜的（Ef）時(shí)，附著力f為：sf是界面自由能，R是圓柱半徑，t是薄膜厚度，為

34、泊松比。（4）剝離試驗(yàn)法（Peel test）把膠帶貼到薄膜面上，再將膠帶剝離，觀察膠帶上鍍膜的多少和殘留在基體上膜的多少來(lái)定性給出粘附力的大小膠帶法。在膠帶法基礎(chǔ)上發(fā)展為剝離法：用一與基體法向成角度的力拉引膠帶進(jìn)行剝離。假定：（1）膜相當(dāng)厚；（2）用一靜力F從基體上慢慢剝離膜。被剝離的鍍膜長(zhǎng)為a，寬為b，厚度為t。當(dāng)膜被剝離時(shí)，基體上的表面能將增加uS：sf：界面自由能。F引起系統(tǒng)位能增加部分up應(yīng)等于F在位移方向分量和位移L的乘積：另外，在剝離膜時(shí)將引起膜彈性伸長(zhǎng)產(chǎn)生彈性能：力F所做總功：E較大時(shí)可忽略，則得：若=0，即垂直剝離，F(xiàn)=bsf，單位長(zhǎng)度粘附力。缺點(diǎn)：必須選擇適當(dāng)?shù)恼辰訋А?、

35、提高結(jié)合力的途徑保證基體表面的清潔度。這樣在鍍膜時(shí)將不至被污染而形成一弱的界面區(qū)獲得過(guò)渡層（通過(guò)擴(kuò)散等）造成中間化合物層，注意不使膜和基體間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化使基體表面粗糙（如離子轟擊），擴(kuò)大薄膜和基體的接觸面積，增強(qiáng)機(jī)械連結(jié)。二、薄膜的內(nèi)應(yīng)力1、定義：在材料內(nèi)部單位面積上的垂直作用力稱為應(yīng)力，一般用表示。應(yīng)力的單位通常采用N/m2。如果這種應(yīng)力是由于薄膜受外力作用引起的則稱為外應(yīng)力；如果它是由薄膜本身的結(jié)構(gòu)缺陷等原因引起的則稱為內(nèi)應(yīng)力。2、內(nèi)應(yīng)力的組成及來(lái)源（1）內(nèi)應(yīng)力T分為：熱應(yīng)力（thermal stress）th 和 本征應(yīng)力（intrinsic stress）in（2）熱應(yīng)力：E

36、f、f、f為薄膜的楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)；s為基體熱膨脹系數(shù)，TD為沉積溫度，TM為測(cè)量應(yīng)力時(shí)溫度。熱應(yīng)力（thermal stress）th：薄膜和基體的熱膨脹系數(shù)不同引起（3）本征應(yīng)力：由其他諸多因素引起的應(yīng)力。原子間的結(jié)合：如殘余氣體的存在或化學(xué)反應(yīng)；鍍膜和基體間點(diǎn)陣間距的不同；點(diǎn)陣常數(shù)和微晶大小的關(guān)系孤立小島無(wú)應(yīng)力，連續(xù)膜，結(jié)合加強(qiáng)；再結(jié)晶過(guò)程；晶粒長(zhǎng)大，小晶粒晶界消失張應(yīng)力；結(jié)晶溫度以下的冷卻、熱收縮產(chǎn)生應(yīng)力；微觀空穴和位錯(cuò)的特殊排列空穴和位錯(cuò)的消失引起體積收縮產(chǎn)生應(yīng)力相變過(guò)程。薄膜中存在的各種缺陷是產(chǎn)生本征應(yīng)力的主要原因。這些缺陷一般都是非平衡缺陷，故有自行消失的傾向。（4）

37、內(nèi)應(yīng)力隨溫度的變化3、薄膜內(nèi)應(yīng)力的特點(diǎn)用真空蒸發(fā)、陰極濺射等氣相沉積制作的薄膜中都或多或少的存在有內(nèi)應(yīng)力，其最大值可達(dá)109N/m2。它的大小主要由薄膜和基體材料，以及制備工藝條件（如襯底溫度等）有關(guān)。在測(cè)量方面因?yàn)槭芨鞣N條件限制，欲測(cè)量薄膜中任意斷面上的應(yīng)力是相當(dāng)困難的。所以實(shí)際測(cè)量時(shí)就只測(cè)量與基體表面垂直斷面上的內(nèi)應(yīng)力。另外，在薄膜厚度方向上內(nèi)應(yīng)力分布均勻性的測(cè)量也相當(dāng)困難。因此通常所說(shuō)的內(nèi)應(yīng)力是忽略膜厚方向的分布不均勻性的一種平均值。4、內(nèi)應(yīng)力的分類：張應(yīng)力；壓應(yīng)力（1）張應(yīng)力（tensile stress）：由于某種原因（如薄膜發(fā)生相變、退火時(shí)薄膜內(nèi)的缺陷消除等），使薄膜體積減小，薄膜

38、發(fā)生收縮，但由于襯底的限制，對(duì)薄膜產(chǎn)生向外拉伸的力，此力稱張應(yīng)力。在張應(yīng)力狀態(tài)下，薄膜在平行表面方向有收縮的趨勢(shì)，使薄膜有向內(nèi)側(cè)發(fā)生凹面彎曲。張應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)薄膜的彈性，則會(huì)使薄膜開(kāi)裂、剝離。（2）壓應(yīng)力（compressive stress）由于某種原因，使薄膜體積增大，薄膜發(fā)生伸展，但由于襯底的限制，對(duì)薄膜產(chǎn)生向內(nèi)壓縮的力，此力稱壓應(yīng)力。在壓應(yīng)力狀態(tài)下，薄膜在平行表面方向有擴(kuò)張趨勢(shì)，使鍍膜有向外側(cè)發(fā)生凸面彎曲。壓應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)薄膜的彈性，則會(huì)使薄膜鼓泡、卷曲。在數(shù)學(xué)上，張應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。5、內(nèi)應(yīng)力的測(cè)量：（1）直接測(cè)量法：通過(guò)測(cè)量由應(yīng)力引起的應(yīng)變，計(jì)算出應(yīng)力的大小、狀態(tài)；包括：測(cè)

39、量鍍膜基體的變形：懸臂梁法、圓盤(pán)法；測(cè)量薄膜點(diǎn)陣常數(shù)的變化：X射線衍射法（2）間接測(cè)量法：通過(guò)測(cè)量由應(yīng)力引起的某些物理性能的變化計(jì)算出應(yīng)力小、狀態(tài)。X射線衍射法（參考X射線衍射學(xué)）布拉格方程：，d0：晶面間距直接測(cè)出薄膜由內(nèi)應(yīng)力引起的點(diǎn)陣常數(shù)的變化（應(yīng)變），然后根據(jù)其他力學(xué)參數(shù)計(jì)算出應(yīng)力的大小和狀態(tài)。：應(yīng)力；：應(yīng)變。E、分別為楊氏模量和泊松比；d：有應(yīng)力時(shí)的晶面間距，d0：無(wú)應(yīng)力時(shí)的晶面間距。一般情況下垂直膜面方向應(yīng)力為0。2sin2法：方位角，即產(chǎn)生衍射的晶面發(fā)線與材料（薄膜）表面發(fā)線之間的夾角。2：衍射線與入射線之間的夾角。就是測(cè)量不同方位相同指數(shù)晶面的衍射，由角的變化計(jì)算出晶面間距d的變

40、化，再計(jì)算出應(yīng)力。K稱為X射線應(yīng)力常數(shù)，單位為MPa/( )，0為無(wú)應(yīng)力時(shí)衍射角。懸臂梁法基于測(cè)基體的形變，利用懸臂梁末端撓度計(jì)算應(yīng)力。l：懸臂梁的長(zhǎng)度；Es：襯底的楊氏模量；s：襯底泊松比。懸臂梁要求：長(zhǎng)比寬大315倍。關(guān)鍵：在于測(cè)定懸臂梁自由端的位移（撓度）或懸臂梁的曲率半徑。靈敏度依賴于觀察懸臂梁彎曲的探測(cè)系統(tǒng)。目前常用電感法與電容法電容法：在3cm長(zhǎng)基片上，應(yīng)力靈敏度可達(dá)0.2×105Pacm-2/1000Å，能夠感應(yīng)3×10-10cm的位移。電感法：對(duì)于3cm長(zhǎng)、0.015cm厚的基片，探測(cè)應(yīng)力的靈敏度可達(dá)105Pa cm-2/1000

41、7;。優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在鍍膜的沉積過(guò)程中連續(xù)測(cè)量梁的撓度，計(jì)算應(yīng)力，可獲得應(yīng)力沿厚度分布的信息。圓盤(pán)法通過(guò)觀察沉積膜一面的圓盤(pán)中心位移來(lái)測(cè)量鍍膜的內(nèi)應(yīng)力關(guān)鍵：如何測(cè)量圓盤(pán)的形變干涉條紋法（牛頓環(huán)法）把樣品置于光學(xué)平面上，通過(guò)單色光照射測(cè)量牛頓環(huán)半徑，從而獲得圓盤(pán)的曲率半徑：Dm、Dn分別是級(jí)數(shù)為m和n的牛頓環(huán)直徑，為單色光波長(zhǎng)。ds、df為基體和薄膜的厚度，Rs1、Rs2分別為基體沉積薄膜前后中心處的曲率半徑，Es：襯底的楊氏模量；s：襯底泊松比。還可以用表面輪廓儀測(cè)量曲率半徑。§5.4 薄膜的厚度一、膜厚的分類1、薄膜的厚度：幾何厚度：是指兩個(gè)完全平整的平行平面之間的距離。

42、理想的薄膜厚度是指薄膜/基片界面和薄膜表面之間的距離。薄膜厚度的特點(diǎn)：（1）既是一個(gè)宏觀概念，又是微觀實(shí)體的線度。由于薄膜僅在厚度方向是微觀或介觀的，其他的兩維方向具有宏觀大小。所以，表示薄膜的形狀，一定要用宏觀方法，即采用長(zhǎng)、寬、厚的方法。因此，從這個(gè)意義上講，膜厚既是一個(gè)宏觀概念，又是微觀實(shí)體的線度。（2）膜厚的定義應(yīng)根據(jù)測(cè)量的方法和目的來(lái)決定。由于實(shí)際上存在的表面是不平整和不連續(xù)的，而且薄膜內(nèi)部還可能存在針孔、雜質(zhì)、晶格缺陷和表面吸附分子等，所以要嚴(yán)格定義和精確測(cè)量薄膜的厚度實(shí)際上是比較因難的。膜厚的定義應(yīng)根據(jù)測(cè)量的方法和目的來(lái)決定。因此，同一薄膜，使用不同的測(cè)量方法將得到不同的結(jié)果，即

43、不同的厚度。經(jīng)典模型認(rèn)為物質(zhì)的表面并不是一個(gè)抽象的幾何概念。而是由剛性球的原子(分子)緊密排列而成，是實(shí)際存在的一個(gè)物理概念。2、薄膜厚度的分類（1）薄膜的表面和界面下圖是實(shí)際表面G和平均表面P的示意圖。平均表面是指表面原子所有的點(diǎn)到這個(gè)面的距離的代數(shù)和等于零，平均表面是一個(gè)幾何概念；基片與薄膜接觸的一側(cè)的平均表面稱為基片表面，SS；薄膜上不與基片接觸的那一側(cè)表面的平均表面稱為薄膜形狀表面，ST。將所測(cè)量的薄膜原子重新排列，使其密度與塊體材料相同、且均勻分布在基片表面上，這時(shí)的平均表面稱為薄膜的質(zhì)量等價(jià)表面，SM。根據(jù)測(cè)量薄膜的物理性質(zhì)，將薄膜等效為長(zhǎng)度和寬度與薄膜相同的塊狀材料，這時(shí)所得的平

44、均表面稱為薄膜的物性等價(jià)表面，SP。（2）薄膜的厚度（1）形狀膜厚dT：是SS和ST面之間的距離。形狀膜厚是最接近于直觀形式的膜厚，通常以mm為單位。dT只與表面原子(分子)有關(guān)，并且包含著薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。（2）質(zhì)量膜厚dM：是SS和SM面之間的距離。質(zhì)量膜厚dM反映了薄膜中包含物質(zhì)的多少，通常以mg/cm2為單位，它消除了薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響（如缺陷、針孔、變形等）。（3）物性膜厚dP：是SS和SP面之間的距離。物性膜厚dP在實(shí)際使用上較有用、而且比較容易測(cè)量，它與薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)無(wú)直接關(guān)系，主要取決于薄膜的性質(zhì)(如電阻率、透射率)。三種定義的膜厚往往滿足下列不等式：dTdMdP。二

45、、膜厚的測(cè)量由于實(shí)際表面的不平整性，以及薄膜不可避免有各種缺陷、雜質(zhì)和吸附分子等存在，所以不論用哪種方法來(lái)定義和測(cè)量膜厚，都包含著平均化的統(tǒng)計(jì)概念，而且所得膜厚的平均值是包括了雜質(zhì)、缺陷以及吸附分子在內(nèi)的薄膜的厚度值。三種膜厚的測(cè)試方法下表所示。膜厚定義測(cè)試手段測(cè)試方法形狀膜厚機(jī)械方法光學(xué)方法其他方法觸針?lè)?，測(cè)微計(jì)法多次反射干涉法，雙光線干涉法電子顯微鏡法質(zhì)量膜厚質(zhì)量測(cè)定法原子數(shù)測(cè)定法化學(xué)天平法，微量天平法，扭力天平法，石英晶體振蕩法比色法、X射線熒光法，離子探針?lè)?、放射性分析法物性膜厚電學(xué)方法光學(xué)方法電阻法，電容法、渦流法、電壓法干涉法、橢圓偏振法、光吸收法在形狀膜厚的測(cè)量方法中，觸計(jì)法和干涉法最常用，由它們所確定的膜厚確實(shí)是由表面形狀所決定。在質(zhì)量膜厚測(cè)定中，天平法最常用，但難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。因此多采用石英晶體振蕩法代替。一般說(shuō)來(lái)，只要薄膜的物理性質(zhì)隨厚度變化，都能用于物性厚度的測(cè)量。由于這種方法的靈敏度高、測(cè)試容易和比較直觀等，所以電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)的膜厚測(cè)量方法應(yīng)用最廣泛。一些方法只能用于薄膜形成以后的測(cè)量（離線），而另一些方法則可在薄膜形成的實(shí)際過(guò)程中監(jiān)控其膜厚的變化。通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)薄膜的生長(zhǎng)厚度，就能用這些監(jiān)控膜厚的方法來(lái)測(cè)定薄膜的淀積速率（在線，如石英晶體振蕩法等）。（1）微量天平法這個(gè)方法是建立在直接測(cè)定基片上薄膜質(zhì)量的基礎(chǔ)之上。所使用的天平必須滿足專門(mén)的要