第九讲_薄膜材料的组织结构(2)

1、n 首先，薄膜与基底常属于不同的材料；其次，薄膜的沉积过程往往又要在较高的温度、非平衡的条件下进行。因此，薄膜材料的一个特殊问题是薄膜中普遍存在的应力n 薄膜应力的分布一般来说是不均匀的。但由于薄膜应力问题的复杂性，薄膜应力多是指薄膜在断面上的应力的平均值n 薄膜中总存在应力。它被称为内应力或残余应力，其数值随材料、制备技术的不同而不同，甚至可达100-10000kg/mm2 (0.1-10GPa)数量级应力造成薄膜破坏的情况(a) 拉应力 (b) 压应力Image of a telephone cord buckle on a film. After cutting the film, th

2、e buckle geometry and the discontinuity reveal film stress relaxation.应力造成薄膜破坏的一个实例n 薄膜中存在应力的一个最直接的结果是其在薄膜中要引起相应的应变，因而可以用多种方法对其进行测量（例如用X-射线衍射的方法）n 最直观的薄膜应力测量方法是由测量薄膜的曲率变化计算薄膜中应力的方法，即应用定量描述薄膜应力-形变关系的斯通利（Stoney）方程（1909）n Stony 方程的三点基本假设：n Stony 方程的推导方法：u 薄膜的厚度远远小于衬底的厚度，dfds。因此，与厚度很小的薄膜相比，衬底的应变很小u 薄膜中的

3、应力是均匀分布的u 衬底内的应力为线性分布的u 应用由薄膜、衬底二者组成的材料体系满足合力 F 、合力矩 M 各自为零的平衡条件Stony 薄膜应力模型 模型的三点基本假设:n 薄膜的厚度远小于衬底的厚度n 薄膜中的应力均匀分布n 衬底内的应力呈线性分布薄膜厚度很小， 则衬底应变很小薄膜内应力均匀分布衬底内应力线性分布 体系表现出 的曲率半径u 式中的负号表明，在系统的曲率半径 r 为正（即薄膜上表面向上凸出）时，薄膜中的应力为压应力；否则，应力为拉应力fss2sf() E drd6 1n 由模型推导出求薄膜应力的 Stony 方程：n 由测量得到薄膜弯曲的曲率半径，即可根据材料特性和薄膜厚度

4、，计算得出薄膜中的应力f 薄膜s 衬底E 弹性模量d 厚度 泊松比r 曲率半径薄膜应力的激光动态监测法 薄膜的曲率可用光学的方法很方便地予以监测；用监测沉积过程中薄膜对激光束的反射角变化的方法，可实现对薄膜应力的动态监测 n 薄膜应力产生的原因很复杂，但通常可被视为它是以下两类应力之和：n 这两类应力是u 热应力 th：由于薄膜与衬底材料热膨胀系数的差别和温度的变化共同引起的应力u 生长应力 in：由于薄膜生长过程的不平衡性或薄膜所特有的微观结构所导致的应力，又被称为内秉应力（或本征应力）inthn 薄膜与衬底一般属于不同的材料，它们的线膨胀系数一般总存在差别n 薄膜的沉积过程一般又是在比较高

5、的温度下进行的。因而，若在薄膜沉积后有温度的变化，则薄膜与衬底两者将有不同的热涨冷缩倾向n 由于薄膜与衬底在界面处相互制约，因而薄膜与衬底中将各自产生应变，并诱发应力n 这部分由薄膜与衬底材料线膨胀系数不同和温度变化共同引起的薄膜应力被称为热应力n 由上述的定义，即可求出薄膜中形成的热应力n 若衬底的厚度远大于薄膜的厚度，则衬底应变可被忽略。此时，热应力造成的应变为fsf()dTTfffTE1n 由此，热应力的计算公式为f 薄膜s 衬底 线膨胀系数T 温度 泊松比E 弹性模量n 温度变化、薄膜-衬底热膨胀系数的差别是薄膜热应力产生的原因。因而，只要薄膜与衬底的材料不同，且在薄膜制备以后存在温度

6、的变化，热应力就是不可避免的。并且，薄膜-衬底系统的任何温度变化都会产生热应力n 薄膜与衬底材料性质的差别越大，沉积温度与使用温度差别越大，则热应力也越大，并可能因此导致薄膜的破坏n 例如，在 1000C 对钢表面进行 TiC 涂层后，涂层内会在降温过程中产生压应力，其数值约为 =160kg/mm2n 薄膜的生长应力：由于薄膜生长过程、其微观结构的非平衡性所导致出现的薄膜应力n 薄膜材料的沉积过程涉及到各种非平衡的过程： 它们都造成薄膜材料的组织状态偏离平衡态，并因此在薄膜中留下应力。由此也可以理解，薄膜应力的分布也应是不均匀的u 较低的薄膜沉积温度u 高能粒子的轰击u 气体和杂质原子的混入u

7、 大量缺陷和孔洞的存在u 亚稳相、甚至非晶态相的形成u 薄膜组织的不断演变等n 在实验中，尚不能测量薄膜中的生长应力，即不能依靠实验将薄膜的生长应力直接测量出来n 通常，薄膜中生长应力需采用如下的方法确定：u 根据薄膜和衬底的热膨胀系数、薄膜的沉积温度和最终温度计算求出热应力u 再根据公式 从实验测出的总应力中减去热应力的部分，即得出薄膜的生长应力inth生长应力的产生与薄膜的沉积过程有关，其机制十分复杂。按其作用机理，薄膜生长应力的影响因素常被归纳为以下三个类别：n 化学成分方面的原因n 微观结构方面的原因n 粒子轰击过程方面的影响n 薄膜的沉积过程往往是非平衡的。在薄膜沉积的同时或以后，薄

8、膜内部还可能发生某种化学反应的过程，并在薄膜中诱发应力，如n 有杂质原子溶入薄膜的情况。如混杂在薄膜晶格内的惰性气体杂质、溶解在活泼金属中的氧原子等，都会使薄膜内出现压应力n 有原子、原子团扩散、离开薄膜的情况。如 PECVD 方法沉积的 Si3N4 薄膜中，会由于沉积产物中释放出 NH3 气分子，薄膜内部原子密度变化，从而产生相应的拉应力n 薄膜的沉积过程往往是非平衡的。所形成的不同的微观结构又会导致薄膜中产生不同的应力n 并且，存在着多种描述薄膜生长应力的微观结构模型u 薄膜结构的回复模型：沉积时，原子在表面扩散的时间不够长，不足以使其在能量最低的位置上安顿下来，即沉积形成的是有序程度较低

9、的亚稳结构，其内部还可能发生原子扩散的过程。沉积后，亚稳态的结构将发生相变、有序化、回复等微观过程。孔穴、空洞缺陷的消失、原子排列的有序化等会导致薄膜体积的收缩、结构的致密化，使薄膜中产生拉应力u 岛状晶核合并的模型：薄膜沉积初期，孤立的岛状核心间并不产生较大的作用力；随着岛状晶核逐渐长大和接近，其间相互吸引，薄膜内产生拉应力，并在岛状结构演变为连续薄膜时拉应力达到最大值；在连续薄膜形成后，薄膜中的拉应力将有所降低。即形态 1 型的薄膜不会产生很大的拉应力，因为纤维间存在的大量空洞使应力发生松弛；形态 T 和形态 2 型组织的致密性高于形态 1 型的组织，晶粒两侧原子相互吸引，使薄膜中产生一定

10、的拉应力；形态 3 型的组织发生了再结晶，薄膜中的拉应力水平下降。u n 粒子对薄膜的轰击将通过改变薄膜的组织而影响薄膜中的应力n 在衬底温度较低、沉积粒子能量很低的情况下，薄膜组织中往往含有相当数量的孔洞，这导致薄膜中产生一定水平的拉应力n 粒子的轰击会导致薄膜产生压应力。其原因与薄膜受到高能量粒子轰击时，动量传递过程使薄膜内产生注入缺陷、间隙原子、气体杂质、孔洞减少、孔洞附近的原子相互接近、薄膜内原子间距减小、组织致密化效应有关薄膜组织、气压、温度、偏压对薄膜应力的影响 所有非平衡的薄膜沉积因素都影响薄膜的生长应力n 不同薄膜组织中，形态 1 时拉应力较小，但形态 2 时拉应力增加n 沉积

11、温度低时，表面原子扩散不足，薄膜的组织致密性较低，薄膜中的拉应力不易得到松弛n 随着溅射气压的降低，入射粒子的能量增加，薄膜组织由形态 1型、2 型向 T 型转变，孔洞减少，因而拉应力上升；气压再降低，轰击粒子的能量增加，使拉应力转为压应力n 在薄膜上施加负偏压将使轰击表面的粒子能量更高，薄膜中压应力的效应更为显著薄膜组织、压力、温度、偏压对薄膜应力的影响 划痕之下, 薄膜脱落, 说明薄膜附着力是与薄膜应力并重的、最重要的薄膜性能之一n 薄膜附着力：它指的是薄膜与衬底在化学键合力或物理咬合、吸附力作用之下的结合强度n 将薄膜从其衬底上脱离所需的外力或能量的大小就代表了薄膜与衬底之间附着力的高低

12、n 薄膜附着力既重要，其规律又较为复杂u 它既取决于薄膜、衬底材料体系的界面能量u 还取决于薄膜的沉积方法、界面状态；后者通过元素的反应、扩散，薄膜应力、界面杂质的存在、界面存在的缺陷等影响薄膜的附着力n 为了说明薄膜附着力问题的复杂性，可估计一下薄膜附着力的数量级n 从能量的角度，将薄膜从衬底上剥离下来所作的功即是薄膜的附着力，它应等于薄膜与衬底间的界面能减去新生成的表面能,即n 若薄膜界面处每对原子间的作用能取估计值0.1-1eV，这将相当于薄膜界面的附着力可达到500-5000kg/mm2的水平。实际上，薄膜与衬底间附着力的典型数值最多只有此数值的1/10-1/100W fsfsf 薄膜

13、s 衬底n 为此，需要详细地了解薄膜与衬底间的界面n 笼统地讲，薄膜与衬底之间存在的界面可以指薄膜与衬底之间的理想分界面，也可以指薄膜与衬底之间客观存在着的一个物质薄层n 薄膜与衬底间的界面可分为以下四种类型:u 突变型的界面u 形成化合物的界面u 合金型的扩散界面 u 机械咬合的界面四类薄膜界面形态的示意图u 突变型的界面u 形成化合物的界面u 合金型的扩散界面 u 机械咬合的界面n 突变型的界面突变型的界面 界面两侧原子缺少相互间的扩散。此时，若物质的类型在界面处也发生突变，则界面缺少化学键合，且形成应力集中，附着力较差n 形成化合物的界面形成化合物的界面 界面两侧原子间作用力较强并形成化

14、合物。由于化合物的脆性一般较大，且化合物形成时伴随有较大的体积变化，因而界面上存在着应力集中。当化合物层较薄时，界面的附着力有所提高；当化合物层较厚时，界面附着力反而下降n 合金型的扩散界面合金型的扩散界面 界面两侧元素间相互扩散、形成合金层，界面成分呈现梯度变化。此种界面一般均具有很好的附着力。在较高能量离子的轰击下，界面原子也会发生动态混合现象，形成假合金层，提高薄膜的附着力n 机械咬合的界面机械咬合的界面 界面粗糙度较大，虽界面元素间没有明显的相互扩散与键合，但界面两侧物质以凸凹不平的表面相互咬合，则附着力取决于界面的形态和界面应力。界面粗糙度高时，附着力会较好除界面形态因素外，薄膜附着

15、力还可被分为涉及了三种不同的机理：(1)机械结合 由于界面两侧凹凸不平而形成相互交错的咬合。在纯粹机械结合的情况下，薄膜的附着力一般较低。此时，适当提高界面的粗糙度可加大接触面积，提高薄膜的附着力(2) 物理结合 薄膜与基底之间由于范德瓦尔斯力而结合在一起。这种作用力起源于原子间短程的相互吸引。 因而随着界面两侧物质间距的增加, 附着力将迅速降低。但即使是只依靠这种作用力，仍会形成很强的薄膜附着力(3) 化学键合 界面两侧的原子间形成相互的化学键合。化学键的形成对提高薄膜的附着力具有重要的贡献。若界面两侧原子能够形成化学键合，则薄膜的附着能将可能达到每对原子1-10eV的数量级u 上述三种机理

16、或单独，或共同决定着薄膜与衬底间附着力的大小u 而多数薄膜的附着力的机制一般也不能确切地知道，例如下列的材料体系：n 玻璃 - 氧化物薄膜： 光学薄膜n 钢铁 氮化物薄膜： 防护涂层n 硅 Ta-Si化合物： 电路导线n 高分子材料 - Al： 气密性薄膜n 金刚石薄膜-硬质合金： 耐磨涂层薄膜-衬底材料的组合：n 不同薄膜-衬底材料的组合对附着力有着最大的影响n 键合类型差别大、浸润性差的物质之间不易形成较强的键合，如Au在SiO2上的附着力就较差n 具有相近化学键合类型、互溶性好、还有可以形成化合物的元素之间可以形成较强的附着力。如Au就可以在Cu基底上形成良好的附着。但较厚、较脆的界面化

17、合物也会导致界面附着性能的恶化界面微观环境的改善 过渡层：n 原子间作用力的范围小于一个纳米，因而界面上很少的，甚至是一个原子层的杂质，就足以改变薄膜的附着力。它既可以阻碍薄膜与衬底的直接键合，降低附着力，也可以通过促进其间的键合而提高附着力n 在前者的情况下，可采取溅射、烘烤的方法对衬底表面进行清理；而后者则象人们在Au-玻璃之间沉积10nm厚的Cr，由于Au与Cr的浸润性较好，而Cr与玻璃之间可形成Cr-O、Cr-Si键合，因此这样的组合可以大大提高薄膜的附着力粒子轰击条件:n 各种物理手段中最常用的方法即是在薄膜沉积之前,采用高能粒子轰击衬底表面的方法n 高能粒子的轰击尤其可以减少表面污

18、染，形成薄膜-衬底表面直接结合所需的洁净界面 其他粒子，如电子、光子对衬底的轰击也有类似的作用；高温处理也可产生类似的效果n 高能粒子的轰击可提高表面原子的扩散能力，有利于其形成有效的界面键合，形成扩散层沉积温度:n 沉积温度主要通过影响界面形态、元素分布而影响薄膜的附着力n 在较低温度下沉积的薄膜，机械的附着与范德瓦尔斯引力的结合将起主要作用，附着力较低，剥离薄膜的功大致只有0.1eV/原子的水平n 由于附着力随界面原子间距的增加而迅速降低。在沉积温度较高、界面发生明显的扩散构成化学键合的情况下，界面附着力可以达到110eV/原子的水平应力等的作用：n 界面附近积聚的应力，包括热应力和生长应

19、力，都对薄膜的附着力有着极大的影响；调整工艺，降低薄膜应力具有重要作用n 在界面处有意形地成所谓的成分梯度会提高界面附着力，其最主要的机理涉及u 界面两侧物质原子间的键合数的提高u 界面应力的缓解u 界面污染物的分散u 防止界面裂痕沿界面的扩展等u热障涂层是为保护机械部件免受高强度的热流冲击所设计的耐热性好、热导率低的涂层材料u热障涂层最主要的用途是各种航空发动机、发电机组涡轮叶片的热防护。由于它可提高上述部件的使用温度，因而可有效地改善其效率u热喷涂 ZrO2 热障涂层具有多孔性组织，有效降低了涂层的热导率。但这类涂层易由于热疲劳而导致涂层剥落u电子束蒸镀 ZrO2 可由于形成柱状形态的涂层

20、组织使应力问题得到缓解，但其空隙率又相对较低，热导率偏高例一： 低热导率的多孔热障涂层，TBCu热障涂层的厚度应达到数百微米，因而需要选用高速的沉积方法u为此，研究了使用电子束蒸镀方法的掠角沉积法，即利用控制涂层沉积方向的方法，在部件上沉积空隙率高、热导率较低的涂层u测量数据表明，如此制备的热障陶瓷涂层的热导率可比普通陶瓷涂层降低 80% 以上 低热导率热障涂层的制备方法热障涂层掠角真空蒸镀法的示意图 衬底与蒸发源间的相对方位可依靠改变方位角 予以调整K.D. Harris et al.Surface and Coatings Technology 138(2001)185191D.A. Gi

21、sh et al. / Photonics and Nanostructures Fundamentals and Applications 28 4 (2006) 2329电子束蒸镀 多孔热障涂层的断面组织在较大倾角（ 80）的情况下，阴影效应使涂层中生成多孔结构，并可产生螺旋状结构。这可使其相对密度只达到致密涂层的15% 多孔热障涂层的表面形态掠角蒸镀法获得的两种热障涂层的表面形貌。图（b）是在多孔涂层表面覆盖一层致密涂层后的表面形貌，这可进一步降低气体的导热率 多孔热障涂层的断面组织致密与疏松层相间的涂层结构具有以下优点u 柱状结构可缓解热应力，使涂层保持舒缓热应力的能力u 封闭型的孔洞

22、结构有助于降低涂层的导热率多孔热障涂层的低热导率陶瓷热障涂层的模拟结果（a）涂层的结构模型 (c) 涂层密度与温度的分布涂层的室温热导率为 0.0005-0.0008 cm2/s，只有致密涂层的 9-15%疏松层致密层uMn 拥有四种不同的同素异构体；理论计算表明，bcc 结构的 -Mn 将可能具有强磁性u但一般情况下，-Mn 只存在于高于 1406 K 的高温下；在这样高的温度下， Mn 将不可能保持其强磁性u另一方面，在 bcc 结构的 W、Fe 等衬底上，可以形成亚稳态的 -Mn。这利用了 W 等点阵常数与 -Mn 的点阵常数相近的特点，达到使 -Mn 的晶体结构稳定化的目的例二： W(

23、110) 衬底上 Mn 薄膜的外延生长u为此，在 10-11Torr 的超高真空环境中研究了在室温下，(110)W 衬底上 Mn 的外延行为u使用倾斜角度小于2% 的 (110)W 单晶作为 Mn 薄膜生长的衬底u使用电子束方法蒸发 W 坩埚中的 MnuMn 薄膜的沉积速率为 0.4 原子层/分钟，薄膜沉积的温度为室温u在真空中，恒电流模式下， STM 测量薄膜的表面形貌；测量条件：U = +0.2 V，I = 0.2 nA W(110) 衬底上 Mn 薄膜的外延生长(a) clean W(110) substrate and after deposition of (b) 0.4 ML, (

24、c) 0.6 ML, (d) 0.8 ML Mn STM 获得的 W(110) 上 Mn 薄膜的外延图象台阶W原子面扫描线001方向单原子层岛，密度 200个/m2第二原子层形核核心长大(e) 1.0 ML, (f ) 1.3 ML, (g) and (m) 5.7 ML Mn. The Mn clusters are areas where the crystal structure changes and misfit strain is relaxedSTM 获得的 W(110) 上 Mn 薄膜的外延图象Mn原子团形核Mn原子团形核Mn原子团长大Mn原子团合并(a)1.3 ML, (e)

25、 3.5 ML and ( j) 6.5 ML. Strain relaxed island formation is evidencedSTM 获得的 W(110) 上 Mn 薄膜的外延图象Mn原子层Mn原子团Mn原子团合并W substrate and Mn layers are differently colored. Notice the height difference when the number of Mn layers is increasedSTM 获得的 W(110) 上 Mn 薄膜的外延层高度扫描单原子层单原子层Mn原子团Mn原子团The diffuse backgr

26、ound increases in LEED, indicating pseudomorphic growth at low ML coverage and poor medium range order at higher LM coverage LEED 得出的 Mn 薄膜点阵常数的变化relaxed lattice parameterMn submonolayer film grown on W(110) with an average terrace width of about 25 nm. Due to high diffusivity of Mn, Mn undergoes st

27、ep-flow growth this time. 倾斜 W(110) 衬底上 Mn 薄膜的外延模式M. Bode et al. / Surface Science 432 (1999) 820u在 W(110) 单晶衬底上，初始沉积下来的 Mn 原子将是外延态的、bcc 结构的 -Mn。这些外延态的 -Mn 将沿着 W 的 001 方向形成拉长形的小岛。u在沉积层数增加以后，薄膜的形态将从层状外延态转变为岛状聚集态。此时，Mn 外延层结构将通过层状-岛状模式的转变使应变得到松弛。结论：W(110) 衬底上 Mn 薄膜的外延模式u电子束蒸发方法具有薄膜沉积面积大、效率高、适用于大规模生产、过程

28、环保等特点，已被应用于防护涂层、光学薄膜、热障涂层等技术领域u在热蒸发法中，蒸发粒子的能量低，沉积粒子的扩散能力不足。这导致沉积的薄膜易受到阴影效应的影响，形成柱状结构、薄膜疏松、硬度偏低、抗蚀性差、附着力不足u通过改用离子镀技术，可显著改善薄膜的结构与性能；但其等离子体的密度一定要满足电子束蒸发方法高速率、大面积的特点例三： 离子镀薄膜的微观结构与性能u采用电弧技术可以产生高密度的等离子体，可大大提高蒸发物质的离化率，从而使到达衬底表面的离子流密度达到50-400mA/cm2的高水平，远高于其他的辉光等离子体激发手段u通过纯金属 Ti 以及化合物 Al2O3 两个薄膜制备的实例，说明了电弧类

29、的离子镀技术在制备高质量薄膜材料方面的优越性离子镀薄膜的微观结构与性能无弧斑电弧离子镀技术S. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245u一种离子镀技术使用无弧斑电弧 (SAD) 活化法uSAD 技术以蒸发坩埚为阴极，以辅助极为维持电弧的阳极，避免了直接使用蒸发物质作阳极时的物质喷溅u典型的电弧参数为 40V600-2000Au薄膜的沉积速率可达 0.1-1.0 m/s等离子体活化极比较：活化反应离子镀时的情况3 活化极活化极1 等离子体2 基体4 反应气体5 原子射流6 差压板7 蒸发源8 真空室S

30、. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245无弧斑电弧离子镀技术与普通电子束蒸发技术获得的 Ti 涂层组织的比较u 无等离子体活化时，涂层为纤维状结构，表面粗糙，结构疏松u 有等离子体活化时，薄膜厚度减小，涂层纤维状结构特征消失，结构致密，表面平整沉积温度：220C；I =600A,U = 0Vu 在等离子体活化的情况下，SO2 防腐所需的 Ti 涂层厚度减小u 当活化电弧电流增加、施加衬底偏压时，涂层防腐性能可进一步提高u 涂层性能改善的原因在于涂层结构的致密化S. Schiller et al.

31、/ Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245无弧斑电弧离子镀技术与普通电子束蒸发技术获得的 Ti 涂层的抗蚀性比较偏压：-50V偏压：0VS. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245空心阴极电弧离子镀技术u第二种离子镀技术使用空心阴极电弧 (HAD) 活化方法u典型的电弧参数为 15V300Au薄膜的沉积速率可达 0.05-0.1 m/sS. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology

32、125 (2000) 240245空心阴极电弧离子镀技术与普通电子束蒸发技术获得的 Al2O3 涂层组织的比较沉积温度：500Cu 无等离子体活化时，涂层元素比 Al:O = 0.55-0.57(含有多余的氧)，涂层为纤维状结构，表面粗糙，结构疏松u 有等离子体活化时，薄膜结构显著致密化，涂层元素比Al:O = 0.66-0.7(接近于2:3)，纤维状结构特征消失，表面平整S. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245空心阴极电弧离子镀、普通电子束蒸发技术沉积的 Al2O3 涂层硬度的温度依赖性u 等

33、离子体活化大大提高了薄膜的硬度，其原因是其结构的致密化，以及涂层更易于形成晶体相形成晶体相S. Schiller et al. / Surface and Coatings Technology 125 (2000) 240245空心阴极电弧离子镀、普通电子束蒸发技术沉积的 Al2O3 涂层抗蚀性的沉积温度依赖性u 等离子体活化大大提高了涂层在 60C 热磷酸中的抗蚀能力沉积温度：650C例四： SAW应用的ZnO外延薄膜的MOCVD生长u 无线通讯技术需要向更高的频段发展u 而高频段适用的高性能 SAW 滤波器则是上述技术发展的关键u 与单晶器件相比，薄膜器件的损耗和成本会更低、且更容易实现

34、小型化u ZnO 具有高的压电耦合系数，是制造 SAW 器件的理想材料u 蓝宝石的声速高、损耗小，是高频段 SAW 的理想衬底材料 ZnO薄膜的制备方法u ZnO 薄膜的制备方法包括激光蒸发、溅射、MOCVD、分子束外延等u ZnO 薄膜的质量是制造高品质 SAW 的关键。溅射法虽然是制备多晶 ZnO 薄膜最常用的方法，但高质量的单晶外延 ZnO 薄膜可使 SAW 具有高的压电耦合系数u MOCVD 方法是制备 ZnO 外延单晶薄膜的理想方法u 利用 MOCVD 技术，沉积了高质量的 ZnO 外延薄膜，研究了其微观结构以及 SAW 特性uN.W. Emanetoglu et al. / Mat

35、erials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252外延 ZnO 薄膜的 MOCVD 制备装置MOCVD 外延 ZnO 薄膜的制备方法u 使用(11-20) 取向的蓝宝石作为 ZnO 的外延衬底，二甲基锌 (DEZn) 和O2 作为沉积气体u 为抑制气相反应造成颗粒物污染，采用了DEZn、O2 分别以及分散输入、 N2 稀释等方法u 衬底以 200-600 转/分的速度旋转，以改善薄膜厚度的均匀性u 沉积温度为 250-650C，气体压力 50 Torr u DEZn 源保持在 10C 的温度，以Ar 作为载气；ZnO 薄膜的沉积

36、速度为 1.0-10m/h，薄膜的厚度约 0.2-2.0 muN.W. Emanetoglu et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252Si上不同温度下沉积的ZnO薄膜的X-射线衍射谱u 在 Si 衬底上，ZnO 薄膜为（0001）取向u 400C 沉积温度时，ZnO 薄膜的 X-射线衍射强度最大u 低温时，原子在沉积表面的扩散不充分；高温时，气相反应过于剧烈，薄膜表面粗糙，结晶质量下降 0002 衍射峰 400CuN.W. Emanetoglu et al. / Materials Scienc

37、e in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252u ZnO 外延薄膜具有 (11-20) 取向u 薄膜外延取向关系为 (11-20) ZnO/(01-12) Al2O3 1-100 ZnO/11-20 Al2O3400C 沉积的ZnO外延薄膜的X-射线衍射谱-2 曲线 回摆曲线 FWHM 0.25uN.W. Emanetoglu et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252ZnO外延薄膜的SEM-TEM象u 外延界面含有以一定间隔配置的位错u 并存在相隔 2

38、.5-3nm 的应变区 0001 方向界面 ZnOAl2O3uN.W. Emanetoglu et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 247252ZnO薄膜SAW器件和测试系统n 以光刻方法沿 ZnO0001 方向制备了叉指电极n SAW器件参数：u SAW 波长： 10m u ZnO 薄膜厚度： 1.5mu Al 电极厚度： 200nmuN.W. Emanetoglu et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 2 (1999) 24725

39、2ZnO外延薄膜SAW的频谱特性测量发现，SAW 器件的中心频率为 406MHz 和576MHz，分别属于 Rayleigh 波与 Sezawa 波，其对应的波速分别等于 4060m/s 和 5760m/s例五： 离子注入法改善Cu/polyimide薄膜的附着力u 微电子技术（如 flexible printed circuits，FPC）的进步需要发展 Cu/polyimide (聚西亚氨胺铵) 薄膜体系u Cu/polyimide 体系需要克服薄膜附着力的难题u 提高附着力时，倾向于采用干法（物理方法） 其机理涉及: 引入特定的功能团 改变表面的形貌 形成成分逐渐过渡的界面u 离子注入/薄膜沉积方法可用于上述目的u 预清洗 u 预沉积J.H. Hong et al. / Surface & Coatings Technology 201 (2006) 197202离子注入法改善Cu/polyimide薄膜附着力的方法J.H. Hong et al. / Surface & Coatings Technology 201 (2006) 197202u 离子注入 u 薄膜沉积离子注入法改善Cu/polyimide薄膜附着力的方法J.H. Hong et al. / Surface & Coatings Technology