聊聊薄膜的微观结构

随着电子显微镜的发展，使得对薄膜微观结构的检测越来越成为可能，它在检测薄膜膜层方面的应用涉及压裂多层膜和复制裸露部分的技术的发展，根据研究表明，光学薄膜的膜层几乎总是具有显著的柱状结构，柱状结构横贯薄膜，与界面垂直。近代以来，国内外科学家又在此基础上做了大量的实验研究，例如，Movchanhe、Demchishin以及Thornton等人研究了研究了基底温度对蒸发和溅射薄膜微观结构的影响和残留气体的压强对薄膜微观结构的影响。这些研究表明真空淀积薄膜的关键参数是基底温度 与蒸发物融化温度 的比值。当这一比值低于0.5左右时，膜层的结构是极好的状结构，柱状结构沿着薄膜的生产方向。气体压强的增加使得生长变得更为明显的柱状模式，即使基底温度稍高一些也是如此。

随着电子显微镜的发展，使得对薄膜微观结构的检测越来越成为可能，它在检测薄膜膜层方面的应用涉及压裂多层膜和复制裸露部分的技术的发展，根据研究表明，光学薄膜的膜层几乎总是具有显著的柱状结构，柱状结构横贯薄膜，与界面垂直。近代以来，国内外科学家又在此基础上做了大量的实验研究，例如，Movchanhe、Demchishin以及Thornton等人研究了研究了基底温度对蒸发和溅射薄膜微观结构的影响和残留气体的压强对薄膜微观结构的影响。这些研究表明真空淀积薄膜的关键参数是基底温度 与蒸发物融化温度 的比值。当这一比值低于0.5左右时，膜层的结构是极好的状结构，柱状结构沿着薄膜的生产方向。气体压强的增加使得生长变得更为明显的柱状模式，即使基底温度稍高一些也是如此。

 要说清薄膜的微观结构，了解薄膜的聚集密度是很有必要的。

聚集密度p定义为： 

这是一个很重要的参数。对于光学薄膜该值通常在0.75~1.0的范围。对于热蒸发薄膜通常为0.8~0.95。几乎不会到达1，只有像离子电镀，溅射或离子辅助技术才能使其接近于1。聚集密度比1小会降低折射率，使其低于与柱体相同的固体材料的折射率。

那么聚集密度与那些因素有关呢？研究表明，薄膜的聚集密度与制备条件有密切的关系。

首先，其与一些折射率有关若将薄膜的折射率 ，薄膜的固体部分折射率 ，空隙的折射率 和聚集密度p联系起来，即： 

聚集密度通常是基底温度的函数，它随着基底温度的升高而增大，这有利于提高淀积分子的动能，因而增加了淀积分子在基板表面的迁移率，图1表明 膜随基板温度的升高的变化情况，表明致密薄膜的基板温度要求需达到250℃以上，这是众所周知的效应，

图1  膜随基板温度变化情

也与残留气体的压强有关，随着压强的升高而降低。这是因为蒸发粒子受残余气体碰撞而失去了动能。在一定精度范围内，随着残留气体（氮气）的压强的升高，冰晶石和氟化钍的折射率都会有不同程度的下降。例如：当残余气体压强从 pa提升到压强为 pa时，会导致冰晶石的折射率下降1.5%，氟化钍下降1.4%。

因此，薄膜的折射率也受集体温度与残余气体的影响，随着柱体由基体表面向外生长，他们在横截面区域中可能发生变化，这就会导致薄膜的非均匀性。基底的温度参数的测量和控制是非常困难的，因此技术上的一致性，如相同的加热时间、相同的沉积速率、开始淀积前相同的抽气速率等等，是保证整个过程稳定而可重复的最重要的问题。

同时，薄膜的密度随淀积速率的升高也有关系，其随着淀积速率的上升而成下降趋势，这是因为随着淀积速率的升高，薄膜粒子的动能增加，但是由于薄膜粒子的迁移速率过短，以致迁移率显著降低。淀积速率越快，淀积粒子的数目越少，薄膜的密度就越低。

图3给出了Ni膜随基板温度和淀积速率的变化情况，乍一看似乎与前述有很大出入，这是因为模拟的淀积速率相差过大，以致淀积速率引起的动能的增加完全被忽略。

图3 聚集密度与基板温度和沉积速率的影响

薄膜密度也随薄膜的厚度而变化，在一些膨胀型柱体的薄膜中，随着厚度的增加而增大，在一些收缩型薄膜中，随着厚度的减小而减小。