● 摘要
摘要 薄膜的性能强烈地依赖于薄膜的微结构，薄膜的择优取向是薄膜微结构的重要特征，它影响薄膜的机械和电磁特性。因此，可以通过对薄膜择优取向的控制来提高薄膜的稳定性和功能性。薄膜的择优取向应当同时考虑表面和界面的影响。因为各向异性的表面和界面影响将导致薄膜中的晶粒择优生长或织构变化。其中膜-基界面结构及电荷分布除直接影响薄膜择优取向外，对膜-基结合强度也有一定影响。具有织构分布的Cu和Ag薄膜以及高取向的金刚石外延薄膜在高新技术领域及广阔的民用领域极具潜力。近年来，在大规模集成电路中得到了广泛的应用，有取代其它薄膜的趋势，因而吸引许多研究人员的兴趣。
采用磁控溅射技术，用高纯度的铜和银板作为靶材，用厚度为1mm经表面清洁处理后的(100)取向的Ni单晶片作为衬底，制备了厚度约为2m的Cu和Ag薄膜。X-射线衍射分析表明，沉积在Ni(100)基体上的Ag和Cu膜的主要择优取向均为(111)，其次依次为(100)和(110)。
基于固体与分子经验电子理论(EET)的键距差(BLD)方法，建立了Cu的双态杂化表，分析了Ag、Cu和Ni的价电子结构，计算了Ni(100)晶面、Ag和Cu的33个晶面的电子密度以及Ni(100)晶面分别与Ag和Cu的33个晶面的相对电子密度差。从膜-基结合强度及电荷连续性两方面考虑，当两个晶面构成界面时，各晶面上的电子密度越大，电子云重叠程度越高，两个晶面结合越强。另外，两个晶面的电子密度差越小，越能满足电荷连续性的要求，界面越稳定。因此从相对电子密度差的最小化考虑，Ni(100)基体上沉积的Ag和Cu膜的择优取向应依次为(111)、(100)、(110)和(311)，和实验结果一致。首次应用电子理论分析了基体对薄膜择优取向的影响。
针对金刚石(100)薄膜能在(100)取向的c-BN基体上直接外延，而难以在(100)取向的Si基体上直接外延的实验结果，采用固体与分子经验电子理论(EET)，构建了金刚石、Si和c-BN的价电子结构，计算了金刚石(100)晶面、Si和c-BN的22个晶面的电子密度以及金刚石(100)晶面分别与Si和c-BN的22个晶面间的相对电子密度差，从理论上给予了满意的解释。由于大面积单晶c-BN基体难以制备，因此在实际应用中金刚石(100)异质外延膜主要集中在Si(100)基体上。通过对金刚石(100)晶面分别与Si和β-SiC的24个晶面间以及Si(100)晶面与β-SiC的24个晶面间的相对电子密度差进行计算，分析了在Si(100)基体上外延金刚石(100)薄膜时，应先在Si(100)面上预先外延一层β-SiC(100)过渡层，然后再在过渡层上再外延金刚石(100)薄膜的机理。并预言，金刚石(100)薄膜/β-SiC(100)过渡层/Si(100)基体的实际结构应为C(100)/[β-SiC(400)/β-SiC(100)]/Si(100)，即β-SiC(100)过渡层中的Si原子层与金刚石(100)薄膜相邻，而β-SiC(100)过渡层中的C原子层与Si(100)基体相邻。