第八讲_薄膜材料的组织结构(1).ppt

1、第八讲,薄膜材料的微观组织 Microstructures of thin films,提 要,薄膜的形核理论 连续薄膜的形成 薄膜微观结构的形成 非晶薄膜、薄膜织构和外延薄膜 薄膜的应力和附着力,(111) NaCl晶面上Ag的形核和薄膜生长过程,图中的数字指薄膜的名义厚度,薄膜非自发形核核心的示意图,薄膜一定是经由非自发形核过程凝结出的新物质，即形核阶段一定是薄膜形成过程的第一个阶段,WYNBLATT: INTERFACIAL SEGREGATION Acta mater. 48 (2000) 44394447,SiC 衬底上形成的Au-1at%Ge 核心,使薄膜核心成长的物质来源于沉积来

2、和扩散来的原子,薄膜沉积过程的概述,薄膜会形成特有的组织形态，它取决于其生长过程的两个阶段：新相的形核、薄膜的生长,形核时：气态原子、分子在衬底表面开始凝聚 形成一些细小、可运动的原子团 “岛” 小岛不断接受新的原子，合并而长大 新的表面又会形成新的小岛 这一合并的过程一般要到薄膜的厚度达到数十纳米以上时才告结束 孤立的小岛相互连接成片，但仍留下一些孤立的孔洞和沟道,薄膜沉积初期生长的三种模式,Volmer-Weber (VW 模式),Frank-van der Merwe (FM 模式),Stranski-Krastanov (SK 模式),岛状生长 (Volmer-Weber) 模式：在薄

3、膜沉积时，总是形成三维的新相核心 岛状核心的形成表明，被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；前者倾向于自己相互键合起来 层状生长 (Frank-van der Merwe) 模式：薄膜从开始起即采取二维铺展开的生长模式 这表明，被沉积物质与衬底之间的浸润性很好，被沉积物质更倾向于与衬底原子相键合；同时，后沉积下的原子也倾向于一层一层地接续生长。这时，已没有意义十分明确的形核阶段出现,薄膜沉积初期生长的三种模式,层状-岛状 (Stranski-Krastanov) 生长模式：在最开始的 1-2 个原子层的层状生长之后，生长模式从层状模式转为岛状模式 这种模式转变的机制较复杂，但其本质是薄膜生长过程中

4、各种能量的相互消长,比如,外延时晶格常数并不匹配，应变能逐渐积累；随后发生应变能的松弛 在表面能较高的晶面发生层状外延后，为降低表面能，转变为低能面的生长 在 Si 上生长 GaAs 时，Si 所需要的三个键合电子被As 的五个外层电子所满足，且剩余一对电子，使表面不再倾向于接受其他原子，即吸附了As 原子的Si(111) 表面已被钝化,薄膜沉积初期生长的三种模式,原子转移到薄膜表面时，原子的能量相对增加，则它们倾向于聚集成岛，以降低其能量,原子从体材料转移到薄膜中时 其自由能的变化量随原子层数 N 的变化,G.H. Gilmer et al. / Computational Material

5、s Science 12 (1998) 354380, 开始时，每个原子的能量有所降低,每个原子的能量都有所增加 ,原子的能量转为增加 ,原子的能量相对不变 ,岛状生长,层状生长,一般，在薄膜沉积初期，要经历非自发形核阶段 非自发形核要有两个条件: 有合适的形核表面 有驱动力 相变自由能 GV,薄膜核心的形成,其中pv和p是凝结相的平衡蒸气压和实际压力，Jv和J是凝结相的蒸发通量和沉积通量，是原子体积,上式还可写成,其中，S 是气相的过饱和度。当气相存在过饱和现象时，GV0，它就是新相形核的驱动力,薄膜形核过程的示意图,J Jv ? 蒸发或凝结,J 是欲凝结物质的沉积通量 讨论：PVD、CVD

6、两种不同情况下，薄膜核心形成时体自由能变化表达式的具体情形,形成一个新相核心时，系统总的自由能变化为,临界核心的半径为,复习：非自发形核理论的要点,形成临界核心时，系统的自由能变化,形成的临界核心的面密度，或形核率,ns为一个相应的常数,薄膜形核自由能变化随核心半径的变化,曲线 2 时,气相的过饱和度 S 大于曲线 1 时 形核驱动力越大, 则临界核心的半径越小,即，在薄膜形核时，决定形核驱动力的主要因素是？,薄膜沉积速率 R，衬底温度 T 是影响薄膜沉积过程和薄膜组织的两个最重要的因素 薄膜沉积速率增加、物质沉积通量 J 或气相压力 p上升时，G*将降低，而n*将迅速增加，即薄膜沉积速率增加

7、可提高形核率,温度T -沉积速率R 对薄膜形核率的影响,温度降低时，新相平衡蒸气压pv 降低，G*降低，且吸附原子脱附几率降低，这均使n*增加；即降低温度可提高形核率,但，温度对 n* 的影响还需动力学方面的考虑：低温时化学反应的速率可能剧烈降低，造成 CVD 薄膜的形核率反而降低,(111)NaCl 上, Cu薄膜的组织与 温度及沉积速率间的关系,控制因素： 沉积速率或气相过饱和度 沉积的温度,单晶薄膜,多晶薄膜,T/Tm=0.39 ,T/Tm=0.51 ,例：Si 薄膜沉积组织随 Si 过饱和度的演变,200C, PECVD时，Si 薄膜的形态随气相过饱和度 SiH4/H2 增加而变化：形

8、核率增加，晶粒度减小。当然, 此时动力学因素不应是限制性因素,A.V. Shah et al. / Solar Energy Materials & Solar Cells 78 (2003) 469491,Amorphous,microcrystalline,columns,控制薄膜形核率的方法,要获得晶粒细小、表面平整、均匀的多晶薄膜，即要提高 n*，减小 r*,有两种极端的情况，第一种极端情况,热力学方面：在薄膜的形核阶段,提高气相的过饱和度，大幅度降低 G* 而提高 n*, 使 r* 小到只含有少量的原子 动力学方面：降低沉积温度，抑制原子和小核心的扩散，抑制晶核的长大，冻结细晶粒组织

9、 其他措施：还可采用离子轰击等方法，促进形成大量的新相形核地点，抑制岛状核心呈三维充分发展,热力学方面：需要严格控制气相的过饱和度，使其不要过高，使新相的核心只在特定的位置上可控地形成 动力学方面：提高沉积温度，使被沉积物质的原子有充分的扩散时间，到达少量的形核位置处 其他措施：可有意识地只提供少量核心形成的有利位置,要获得粗大晶粒，甚至是单个晶粒的外延薄膜即要降低 n*，提高 r*,第二种极端情况,控制薄膜形核率的方法,薄膜沉积过程中新相的形核地点,薄膜沉积时，核心的形核地点倾向为衬底的某些局部位置，如 这些地点或可降低薄膜与衬底间的界面能，或可降低使原子发生键合时所需的激活能 因此，薄膜形

10、核的过程在很大程度上还取决于衬底表面能够提供的形核位置的特性和数量,晶体缺陷 原子层构成的台阶 杂质原子处等,连续薄膜的形成过程,形核初期形成的孤立核心将随着时间的推移而长大。在此过程中，它们除了要吸纳单个的气相原子和表面扩散来的原子外，还会经过核心间的相互吞并过程，逐渐形成结构连续的薄膜 核心相互吞并的机制有三种：,奥斯瓦尔多（Ostwald）吞并过程 （气相转移机制） 熔结过程 （表面扩散机制） 原子团的迁移 （热运动机制）,(a) Ostwald吞并 (b) 熔结 (c) 原子团的迁移,连续薄膜的形成过程,热运动机制,气相转移机制,表面扩散机制,连续薄膜的形成过程,奥斯瓦尔多（Ostwa

11、ld）吞并过程,较大的核心将吞并较小的核心而长大，其驱动力为岛状颗粒要降低自身的表面自由能 由吉布斯-辛普森(Gibbs-Thomson)关系: 小核心中的原子将具有较高的活度a，因而其平衡蒸气压将较高。因此，小核心中的原子会蒸发，而大核心则会吸纳蒸发来的原子,熔结过程 熔结是两个相互接触的核心相互吞并的过程。在很短的时间内，两个相邻的核心从形成直接接触，直到完成相互吞并的过程。降低表面能的趋势仍是过程的驱动力。表面扩散机制对熔结过程可能有重要的贡献 原子团的迁移 在衬底上，由相当数量原子组成的原子团在热激活作用下具有相当的运动能力，其运动将使其相互碰撞、合并,连续薄膜的形成过程,400C时,

12、 MoS2衬底上Au核心的相互吞并,a0s；b0.06s；c0.18s； d0.50s； e1.06s；f6.18s,四种典型的薄膜组织形态,在薄膜形核、核心合并过程之后，即开始了薄膜的生长过程，最后形成相应的薄膜结构 薄膜结构形成过程中，原子的沉积过程可粗分为三个微观过程 薄膜的生长模式可分为外延、非外延式生长两种。其中，非外延式的薄膜生长模式导致四种典型的薄膜组织形态,气相原子的沉积 原子在薄膜表面的扩散 原子在薄膜内部的扩散,四种典型的薄膜组织形态的决定因素,薄膜形成的过程均受相应过程的激活能控制。因此，薄膜结构的形成将与沉积时的衬底温度 T、沉积粒子自身的能量 E 密切相关： 温度：它

13、通过约化温度Ts/Tm影响薄膜的组织 沉积粒子的能量：蒸发法、CVD法时，粒子具有较低的能量；溅射法、离子镀法时，粒子具有较高的能量；气压通过影响沉积粒子的分子碰撞过程，影响粒子的能量,温度和气压对溅射薄膜组织的影响,溅射制备的薄膜随沉积条件而呈现四种典型的组织形态,蒸发法时的情况？ ,四种典型的薄膜组织形态,随沉积温度T、沉积原子能量E 的不同，薄膜可形成四种不同的微观结构, 温度提高,粒子能量变化 ,形态 1 型的薄膜组织,形态 1 型的组织形成于温度很低 (T/Tm0.3)、压力较高，入射粒子能量很低的条件下,由于温度低，原子的表面扩散能力有限，沉积后的原子即已失去扩散能力 薄膜形核所需

14、的临界核心尺寸很小；在薄膜表面上，不断形成新的核心,形态 1 型的薄膜组织,表现为数十纳米直径的细纤维状的组织形态 纤维内部缺陷密度高，或甚至就是非晶态 纤维间结构较疏松，存在许多纳米尺度的孔洞 薄膜的强度较低 随薄膜厚度增加，细纤维状组织进一步发展为锥状形态，其间夹杂有尺寸较大的孔洞，而薄膜表面则呈现出拱形形貌,形态 T 型的组织也形成于较低的温度下(T/Tm0.3) ，但气压较低，沉积原子具有相当的能量，抑制了形态 1 型组织，促进形态 T 型组织的出现,形态 T 型的薄膜组织,沉积温度仍较低，临界核心的尺寸仍很小 粒子能量的提高改善了原子的表面扩散能力,虽然薄膜仍保持了细纤维状的组织特征

15、，纤维内缺陷密度较高，但高能量粒子的溅射效应使纤维边界明显地较为致密，纤维间的孔洞减少 拱形的表面形貌特征消失 薄膜的强度较形态 1 时显著提高,形态 T 型的薄膜组织,形态 2 型的薄膜组织形成于Ts/Tm=0.30.5的温度区间,形态 2 型的薄膜组织,原子的表面扩散进行得较为充分，已可进行相当距离的扩散 原子的体扩散仍不充分,此时，各晶粒分别外延而形成的均匀的柱状晶组织，柱状晶的直径随沉积温度的增加而增加 晶粒内部缺陷密度较低，晶粒边界的致密性较好；各晶粒的表面开始呈现出晶体学平面所特有的形貌 薄膜具有较高的强度,形态 2 型的薄膜组织,形态 3 型的薄膜组织,形态3型的薄膜组织形成于T

16、s/Tm0.5的温度区间,温度的升高使原子的体扩散开始变得很充分 薄膜沉积时，薄膜内已在发生再结晶过程,形态 3 型的薄膜组织,薄膜的组织变为经过充分再结晶的粗大的等轴晶组织，晶粒较大，直至可超过薄膜的厚度 晶粒内部缺陷密度很低，晶界趋于完整 在形成形态 2 、形态 3 型组织的情况下，衬底温度已经较高，因而溅射气压或入射粒子能量对薄膜组织的影响已变得比较小,蒸发法制备的薄膜与溅射沉积的薄膜相似，也具有相应的四种不同的薄膜组织形态 但蒸发法时，沉积原子的能量很低，一般不易形成形态 T 型的薄膜组织 同时，与溅射法时相比，蒸发法获得同样形态的组织的温度区间也要稍高一些,蒸发法制备的薄膜典型的组织

17、形态,在形态 1 和形态 T 型低温薄膜沉积组织的形成过程中，原子的扩散能力不足，因而这两类生长又被称之为 低温抑制型生长 与此相对应，形态 2 型和形态 3 型的生长被称之为 高温热激活型生长。因为在相应的薄膜生长过程中，温度已经比较高，原子的热扩散能力已经逐渐重要起来,低温抑制型和高温热激活型的薄膜生长,低温抑制型的薄膜生长,低温下生长的薄膜呈一种纤维状的组织，它由疏松、多孔洞的边界包围下的相互平行生长的较为致密的纤维状组织所组成 在断面上，纤维状的组织表现得最为明显：纤维状组织的边界处密度较低，结合强度较弱，最容易发生破坏 纤维状组织的生长方向与粒子的入射方向近似满足正切夹角关系,它表明

18、，纤维状生长与沉积时原子入射的方向性有关,Al薄膜的纤维生长方向与蒸发粒子方向间的关系,低温抑制型薄膜沉积过程的特点： 模拟的假设； 模拟的结果：,数值模拟一： 低温抑制型薄膜生长时的温度效应,入射原子在沉积后的表面扩散能力低 原子入射沉积过程受阴影效应影响 衬底处于某一温度T，蒸发原子以角度 无规入射，沉积后的原子可经热激活扩散 “调整其位置到最近邻位置”，使近邻配位数达到最大 随入射角 增加，薄膜中孔洞的数量增加，密度下降，且纤维生长方向角 小于； 随温度提高，薄膜密度上升,模拟得出的 Ni 薄膜在不同温度下的纤维状组织,沉积速率:1nm/s,显微孔洞 ,Ts/Tm0.20,Ts/Tm0.

19、24,模拟的假设； 模拟的结果：,数值模拟二： 低温抑制型生长时沉积粒子的能量效应,衬底温度 T = 0 入射粒子具有一定的动能 Et，其数值以其与吸附原子的脱附能 Ec 的比值来表示，即入射原子有一定的表面扩散能力，它可依其具有的能量而进行一定的扩散 Et/Ec=0.02时，相当于热蒸发的情况；Et/Ec=1.5时，相当于溅射的情况 (两者相差约100倍) 高能粒子可抑制 1 型组织出现 粒子垂直入射、使其具有较窄的入射角分布，可以减低阴影效应影响,不同能量的入射粒子对薄膜组织的影响,不同能量的入射粒子对薄膜组织的影响 (a)Et/Ec=0.02 (b) Et/Ec=0.5 (c) Et/E

20、c=1.5, 纤维的边界？,薄膜的粗糙度首先来源于沉积过程的统计性涨落 当薄膜的厚度与其粗糙度达到一定水平之后，阴影效应开始表现出其效应,低温抑制型生长过程导致的薄膜粗糙度,低温时，造成薄膜表面较为粗糙的原因有两个： 薄膜粒子沉积过程的统计性涨落 薄膜沉积过程造成的阴影效应 即：,描述薄膜粗糙表面形成的统计学涨落模型,薄膜的粗糙度随着薄膜厚度的增加而增加： a: 一原子层的厚度， N: 原子层数,低温抑制型薄膜沉积时的阴影效应,在薄膜已具有一定的粗糙度之后,先沉积的物质会对后沉积的物质形成阴影效应,溅射法（阴影部分）与蒸镀法（虚线部分） 沉积的薄膜的表面轮廓的比较,阴影效应的显现 , 形成显微

21、空洞,垂直入射粒子在纤维壁上的沉积造成进一步的阴影效应 倾斜入射的粒子易感受到阴影效应的影响 凝聚系数较小的入射基团的沉积降低阴影效应的影响 高能基团的沉积、再溅射效应降低阴影效应的影响,低温抑制型薄膜沉积时阴影效应 (四种情况),一个垂直入射到薄膜表面的粒子随意地占据了纤维状组织中的一个沉积位置，构成了对于薄膜内部的遮掩 倾斜入射的粒子将不能有效地填充到纤维状组织的孔洞中，即当沉积粒子有一定的入射角度分布时，阴影效应将会变得更为严重 在CVD的情况下，若入射粒子的凝聚系数Sc较低时，可以部分抵消沉积过程中阴影效应的不利影响 在有高能粒子参与的薄膜沉积过程中，粒子不仅自己具有较高的迁移几率，而

22、且会将动量传递给薄膜表面的其他原子，出现所谓的再溅射现象，抵消阴影效应的影响,低温抑制型薄膜沉积时阴影效应的四种情况,低温抑制型沉积组织在深孔内外形成的差异,衬底的形状也会影响纤维状薄膜组织的形态。如在溅射沉积时，在孔外及在孔壁上，组织为疏松的纤维状组织；在孔的底部，组织为较为致密的形态T型的组织，因为在这里，入射原子的方向受到了孔壁的限制而较为一致,低温抑制型沉积组织在深孔内外形成的差异,讨论题：在溅射法薄膜沉积时，在孔外及孔内，薄膜组织为什么会出现显著的差别？,薄膜中不可避免地存在着孔洞与空位，因此薄膜密度低于相应的体材料。相互独立或连通的孔洞主要聚集在晶粒边界附近。在晶粒内部，也含有大量

23、空位。在金属薄膜中，空位的浓度可高达10-2。 金属薄膜的相对密度一般要高于陶瓷等化合物材料薄膜的相对密度 薄膜的强度较低,低温沉积薄膜的密度和缺陷效应,Au 膜中显微孔洞在晶粒内的分布情况,欠聚焦状态下拍摄到的 Au 膜中显微孔洞在晶粒内的分布情况,低温沉积薄膜的细纤维态的结构特性与其热稳定性,低温沉积获得的细纤维态的薄膜结构和纤维之间的大量显微缺陷对薄膜的性能有着重要的影响,薄膜的性能（力学、热学、磁学、电学性能等）均呈现各向异性 薄膜中元素的扩散系数偏大，微观结构欠稳定，存在着再结晶和晶粒迅速长大的倾向等,当沉积温度升高，原子扩散得以充分进行时，薄膜形貌将发生显著变化：孔洞逐渐消失，薄膜

24、组织逐渐转变为柱状晶形态 由于原子的扩散距离随温度的上升呈指数形式的增加，因而薄膜微观组织形态的转变发生在 0.3Tm 附近很小的一个温度区间内,高温热激活型的薄膜生长,数值模拟三： 模拟得出的 Ni 薄膜在不同温度下的薄膜组织,温度变化不大,Ts/Tm0.26,Ts/Tm0.24,沉积速率:1nm/s,纤维状组织特征消失，密度提高,纤维状组织特征，密度提低,Ni 薄膜相对密度与沉积速率 R 的相关性,但，薄膜相对密度（与细纤维态组织中的孔洞数量成反比）还随沉积速率 R 的提高而降低，因为显微孔洞会因原子来不及扩散而增加 即，沉积速率 R 也在影响薄膜的微观组织,=45,T,在断面上，高温沉积

25、的薄膜开始呈现出柱状晶的形貌 除衬底表面附近有一层细晶粒的形核层以外，沿薄膜厚度方向上柱状晶的直径逐渐增加，最后达到一个稳定值 不仅薄膜的内部组织会随着沉积温度发生变化，而且其表面形貌也会随之产生变化，即从低温的拱形表面形貌变化为由晶体学平面构成的多晶形貌,高温热激活型生长形成的柱状晶形态,模拟得出的CVD金刚石膜的柱状晶组织,密度较高状晶边界,晶体学面,细密的薄膜核心,数值模拟四：,柱状晶,Cu薄膜柱状晶形态的生长,数值模拟五：,Z. Wang et al. / Surface Science 450 (2000) 5163 J.B. Adams et al. / Thin Solid Fi

26、lms 365 (2000) 201210 Computational Materials Science 31 (2004) 317328Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 10 (2002) 381401,Schematic of major diffusion events of Cu on Cu (100),Diffusion and deposition events in the model,数值模拟五：,Deposition and diffusion events on and between different facets were assu

27、med.,Diffusion activation energies for Cu on Cu(100),数值模拟五：,Similar diffusion activation energy values were assumed for (110) and (111) facets,Activation energies for diffusions between facets,数值模拟五：,The assumptions made in the modelling,数值模拟五：,Cu薄膜柱状晶形态的生长核心,数值模拟五：,Equilibrated surface and cross-se

28、ctional profile of a Cu (100) facet of the size of 62.5nm62.5nm. The temperature is 350 K, the deposition rate is 200 monolayer/s, and the coverage is 15 monolayers,Cu薄膜柱状晶形态的生长,数值模拟五：,Columnar structure of a Cu film. Red for 100, green for 110, blue for 111, and cyan for grain boundary. (a) Initial

29、 nuclei. (b) Grown for 30s at 10 atoms/nm s.,Cu薄膜柱状晶形态的生长,数值模拟五：,(a) SEM micrographs of a Cu film and (b) a cross-section simulated for deposition at 150C.,非晶体薄膜的沉积,在制备薄膜材料时，容易获得非晶态的结构。因为薄膜制备时容易获得形成非晶态结构所需的外部条件，即高过冷度和低的原子扩散能力 高沉积速率、低衬底温度都可显著提高薄膜的形核率，而同样的条件也正是提高过冷度、抑制原子扩散、形成非晶结构的条件 除制备条件外，材料形成非晶的能力还取

30、决于薄膜的成分：,纯金属不容易形成非晶态结构 合金、化合物形成非晶态结构的倾向相对较高 Si、Ge、C、S等共价键合的元素形成非晶态结构的倾向很大,溅射非晶 Ge 薄膜内各层次的纤维状形态和其示意图,非晶态薄膜也呈现出细纤维状的生长模式。如低温沉积的 Si、SiO2 等都会呈现纳米尺度的、显微尺度的以及宏观尺度的三个层次的纤维状形貌,30%Au-70%Co 合金薄膜的显微组织,(a) 80K 沉积态 (b) 470K 退火态 (c) 650K 退火态,沉积态的薄膜为非晶态结构 470K 退火后，薄膜转变为 fcc的微晶结构 650K 退火后，薄膜又转变为稳定的 Co、Au 两相结构,Co-38

31、%Au 合金薄膜的电阻率随温度的变化曲线,在温度提高时，薄膜的电阻率在420K、550K各出现一次不可逆的变化，它们分别与薄膜结构的两次变化相对应,薄膜织构及其形成,晶态薄膜经常具有一定的织构倾向，例如在 ZnO 薄膜的情况下，就很容易得到如下图所示的织构,ZnO 薄膜织构的特点：在垂直平面的方向上，有一定的取向；但在平面内，晶粒取向是混乱的,薄膜织构及其形成,在很多情况下，也希望薄膜具有某种特定的织构，以提高薄膜所具有的性能。如： 有两种方法可以获得具有织构的薄膜,利用晶体生长速度的各向异性 多晶薄膜 利用薄膜的外延技术 单晶薄膜,振动方向平行于薄膜法线方向的ZnO 薄膜多希望使压电系数较高

32、的 0001 方向垂直于薄膜平面，即形成 (0001) 织构 多晶金刚石薄膜多希望获得（110）织构，以获得高的介电和光学性能,晶体的表面能在各个方向上是不一样的，即它具有各向异性,薄膜织构的形成 晶体生长速度的各向异性,一种可能：原子密度小的非密排面表面能最高，而密排面的表面能较低；另一种可能：其他因素，如原子间键合的类型和方向性、表面异类原子的吸附等也影响表面能的方向性 在薄膜沉积过程中，原子最容易被表面能较高的表面所吸引，因而非密排面的沉积速度高 即，在薄膜沉积过程中，薄膜的沉积速率随晶体学方向不同而不同,晶体中不同晶面与其生长速度相关性的示意图,晶体的表面能在各个方向上不一样，其沉积速

33、度也不一样：非密排面沉积速率较快,密排原子面,密排原子面,非密排原子面,一个实例： 金刚石晶粒形貌与生长参数间的关系,箭头方向对应于晶粒生长速度最快的晶向,金刚石晶粒的形貌随生长参数 ： 的数值而变化：,V100、V111为金刚石(100)、(111) 晶面的生长速度,微波等离子体 CVD 金刚石膜生长参数 与 甲烷浓度和沉积温度之间的关系,CH4 浓度、沉积温度会改变生长参数 即：沉积条件会改变金刚石晶粒的快速生长方向、晶粒的形貌,增加 ,若可利用改变生长条件的方法改变不同晶向的相对生长速度，就可以有目的地选择所需要的薄膜织构 例如，为获得平整的（100）织构的金刚石膜表面，可采取如下的两步

34、生长法:,调整沉积工艺条件至 =3，让垂直于薄膜表面的 100 取向的晶核迅速生长，从而获得（100）薄膜织构 再改变工艺条件至 3，金刚石晶粒的快速生长方向变为 100 和 111 方向之间的某一晶向,两步法生长(100) 织构的多晶金刚石薄膜,（a）(100) 织构的多晶金刚石薄膜以及 (b) 两步法生长的金刚石薄膜的断面组织图,两步法生长(100) 织构的多晶金刚石薄膜,(100)表面,(100)表面,薄膜核心,薄膜的外延生长,较高的衬底温度和较低的沉积速率有利于形成高度完整的晶体薄膜，其极限是形成单晶体结构的薄膜 单晶薄膜的生长除适当提高衬底温度、降低沉积速率外，还要采用高度完整的单晶

35、表面作为薄膜非自发形核的衬底。这种单晶薄膜的生长方法被称为其外延 薄膜的外延可被分为两类：,同质外延，如 n-Si 在 p-Si 上的外延生长 异质外延，如 Fe 薄膜在 Cu 衬底上的外延,薄膜的外延生长要求: 薄膜与衬底材料之间保持点阵排列特征的连续性 对异质外延来讲，薄膜与衬底属于不同的材料，其点阵常数的相对差别被称为点阵常数的失配度 f ： 失配度越小，则外延形成的界面的完整性越高 薄膜、衬底点阵常数的不匹配可导致两种情况：,薄膜的外延生长,在两者差别不大时，界面两侧原子间的配位关系仍可保持，但两侧晶体点阵中将出现应变 当两者差别较大时，在界面上将出现平行于界面的刃位错,晶格失配对外延

36、薄膜界面状态的影响,a无晶格失配；b晶格失配度较小；c晶格失配度较大,位错,应变,失配度增加 ,Si衬底上外延GexSi1-x时无位错外延层的厚度极限,Ge、Si 之间点阵常数的失配度达 4%。无位错 GexSi1-x 外延层的临界厚度依赖于 Ge 的含量,位错,应变,Si,Ge-Si,外延时，薄膜与衬底间要维持一定的取向关系。其表达式需指明外延界面的面指数，以及界面内的一个晶向指数关系。如，在 GaAs(110) 面上外延体心立方结构的 Fe 时，有 其中，前一关系表示的是面指数的平行关系，后一关系指的是方向指数的平行关系。 上述例子表明，晶体结构不同的物质之间也可以实现外延,即 GaAs 和 Fe 间的外延,薄膜的外延生长,(110)GaAs 上外延 Fe 薄膜时的位向关系,晶格常数并不相同 ,GaAs(001) 晶面上的多种不同的异质外延,(a) Fe(001)， (b) Cu(001)， (c) CdTe(111),a1/a2 1 : 2,