材料表面薄膜技术

1、材料表面薄膜技术：杨烈宇。P253-260Piezoresistance and electrical resistivity of Pd, Au, and Cu films:电子隧道效应与表面粗糙度对薄膜电阻的影响。mean free path and effective density of conduction electeonsin polycrystalline metal filmsd电子自由程对多晶金属电阻 率的影响。The electrical conductivity of thin metal films with very smooth surfaces具有光滑表面的金属

2、薄膜的电导率（1）金属薄膜电阻率与表面粗糙度、残余应力的关系唐武1，邓龙江1，徐可为2, Jian Lu3（1 .电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都610054）（2 .西安交通大学，陕西西安710049）薄膜表面的粗糙度可通过原子力显微镜测量，残余应力采 用光学干涉的方法测定。电阻率与表面粗糙度的关系：随着表面粗糙度的增加薄膜的电阻率一直在增加，有关薄膜表面散射对薄膜电导的影响，已经有很多人作过研究，目前认为比较符合实际情况 的是法奇斯（Fuchs）.桑德海默尔（Sondheimer）理论。由 桑德海默尔推导的薄膜电阻率的表达式很繁，当t2 时，在应用上可取近似表达式：式

3、中.外为块体材料电阻率，A为电子平均自由程， /为薄膜厚度0由式（1）可见，当= 丈时，0比风增 加约40%： t = QA时寸pf增加约4%口因此对较薄的 薄膜，表面散射对薄膜电导的影响不可低估。式（1）是假设电子在薄膜表面完全漫反射所得的 结果，对于有一部分电子在表面产生镜面反射的情况, 式（1）应修正为：P”】+*（ ）-般的金属电子自由程大概为表1金鹰电子平均自由程 堕 TbeT吨切path of metal 祀段ctroiaMcuLMean fkee paib of m#tal 可些tro口Jnm Resistivity at RT/-200 r0T100 1C10&UcmLi95.

4、511.379&.55Na187,033,52334.3K133.fi37.624 06.1Cu296,542.129.41.69Ag242.357.540 5L47Au153.04Q.629J2.44Ni13.30.07.24Co】3.0，991Fe275.522,015.68.85Pt72.0JLO7.99用在50C时大概20-30,镍镉或者康铜，当厚度T=10，即厚度为300nm时，根据上式计算得：加约40%： t = QA时，pf增加约4%。因此对较薄的 薄膜，表面散射对薄膜电导的影响不可低估式（1）是假设电子在薄膜表面完全漫反射所得的 结果，对于有一部分电子在表面产生镜面反射的情况，

5、 式（1）应修正为；为=岳】+普。一）（2）反射所占比例为P,漫反射所占比例为（1-P），对于同样的 薄膜，改善表面光滑程度，可以使薄膜电阻率降低。事实上，在研究对象中，薄膜的厚度己经是电子 平均自由程的10倍以上，按照F-S理论.此时薄膜电 阻率的增加是很小的,似乎不足以引起根本性的改变， 但实验结果显示，簿膜电阻率随看表面粗植度的增加 而增大，可能的解释是由于薄膜的生长结构所造成 图2为磁控滋射Au薄膜的三雄原子力显微镜形貌。 可见，磁控溅射Au膜均星柱状晶结构生长，在垂直 于薄膜表面方向颗粒尺寸参差不齐，纵向不同高度以 及横向不同尺寸的颗粒导致了不同的薄膜表面粗糙 度，从而影响电子在薄膜

6、中的输运导致薄膜电阻率 的变化.表而高低起伏越大，粗糙度值就越大，电子与之碰撞的几率 就越多，在电场方向降低的传输速度就加快，导致薄膜电导 率下降，相应电阻率升高。也就是说，表而粗糙度越大，薄 膜电阻率将增大Burnett12】等人对溅射Cu膜研究发现，随残余拉应力增加，薄膜电阻率增大；研究认为，电阻率与残余应力之间的这种对应关系，可能和薄膜的品体取向有关。从前期研究中已经知道，对而心立方金属，薄膜残余应力与品体取向有内在的联系【161。薄膜残余拉应力随(111)取向增强而增 大。薄膜中电阻率的产生与电子.品格、电子杂质、 电子.品界、电子一表面的碰撞有关，这就必然会涉及 到品界、品格和表面的

7、状态。对应于表面能，密排面 (111)对应的表面能最小；对应于应变能，(111)取向的 品粒中应变能密度最大。也就是说，随着残余拉应力 的增加，薄膜(111)取向呈增强的态势。此时，薄膜中 应变能集聚越多，导致品粒变形越厉害，品界扭曲程 度增加，品界对电子造成的散射就会越显著，薄膜电 阻率相应增大。Tseng171等人对A1和W膜的研究进 步证实了上述结果。(2)陶瓷基体表面粗糙度对Ni-Cr薄膜换能元性能的影响 王广海，李国新，焦清介(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081) :随着基底粗糙度的增大，薄膜颗粒度增大，结构缺 陷增多，电阻率增大，Ni. cr薄膜附着力变大

8、；基底粗糙度 不同的样品随着刺激量的增大，爆发时间的差别逐渐缩小，t基片表面粗糙度分析I. 1基片预处理 选择陶瓷片(青1： O, 95%)作为摹体材料前 先将陶瓷摹体分别#l摩、抛光处理.得到3种小11粗 糙鹰的陶瓷基底，即：地光基底、粗磨基底、原始束处 理赣底，然后进行超声波清洗。凡体班撩如下：1）将基片放人洗浩液中浸泡15 mi,i.眦去踪坫 片在抛光和打暗过程中带来的表晰油脂的污染：2）取出基片，用大量上离子水漂洗.以击障丧 而残留的洗沽淑；3）在洒精邗乙醚（2。1）的混台液中越声波清洗；4）用高压氨气吹基片。馋个操作过程中要旌免用手商接接牲基片金属电阻形成的根源是自由电子发生碰撞，从

9、而失去了从外 电场霍德尔的定向速度，这种碰撞可能发生于电子-品格 电子-杂志、电子-品界、电子-表面，在块体材料中，电子- 表而碰撞的次数在总的碰撞次数中所占比率较小，可以胡 烈，因而块体材料的电阻率与物体尺寸无关。对薄膜,当其表面特征尺寸可与该温度下 包子自由程相当时佻子一薄膜的表面碰撞为非镜 耐反射 即S射方向与人射h向无关，亦即漫反 时），电阳率就会随表面状态改变10有关海膜表 面反射对薄膜电导的影响,已经有很多人做过研究, 【I前认为比较符合实际情况的是法奇斯一槃德海默尔 理论，由此理治推导的薄膜电阳率公式可以简化为式中;P，为块体材料电阳率；人为电子平均臼由程/ 为薄膜薄度由（2）式可电：当U时血%增 加约40们在研究对象中Ni-Cr薄膜叩度为】合金平均电Tf! ill程在室温下约为13按照法奇期一桑德海默尔理论、表面散射对电阻率的 影响很小