薄膜缺陷研究進(jìn)展綜述

馬永勝，楊雨晨，景泳淼，孫飛，董海義，何平，陳雙凱，張志偉，陳子林，楊馥羽，劉佰奇，張磊

（1.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京 100049；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?浙江分公司，杭州 310000）

隨著基礎(chǔ)工業(yè)與高新技術(shù)的發(fā)展，薄膜（涂層）表面改性技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。如非晶碳或類金剛石[1]、TiN[2]、CrN[3-4]、TiMgN[5]、CrN/NbN[6-8]、TiAlN[9]、TiAlN/VN[10]、TiAlTaN[11]等硬質(zhì)薄膜的開發(fā)，在提高工具耐磨性、材料表面耐腐蝕性、生物材料相容性、工藝品外觀美化等方面都發(fā)揮著重要作用。例如，汽車GI 外板鍍鋅[12]，超導(dǎo)薄膜在高頻腔領(lǐng)域的應(yīng)用[13]，石墨烯在石油、天然氣管道防腐中的應(yīng)用等。但研究表明，它們在生長過程中都存在缺陷這個(gè)共性問題。缺陷的存在降低了薄膜耐腐蝕、耐摩擦的能力，甚至降低了薄膜的疲勞強(qiáng)度[14]。因此，在薄膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用中，如何減少薄膜生長過程中的缺陷，改善薄膜質(zhì)量成為薄膜應(yīng)用中的關(guān)鍵共性問題。

與晶體缺陷相比，薄膜缺陷形成的機(jī)制機(jī)理也不盡相同，主要由基底表面孔洞、凹坑、毛刺、外來顆粒物、靶材液滴等引起。因此，大多數(shù)薄膜沉積方法都不可避免地會(huì)產(chǎn)生類似缺陷，并且薄膜缺陷一般具有較大的尺寸，使薄膜表面粗糙度增加，甚至破壞了薄膜的完整性，對薄膜性能有較大的影響（如會(huì)降低硬質(zhì)薄膜的耐磨性、抗腐蝕性，增大導(dǎo)電薄膜的表面電阻，引起超導(dǎo)薄膜額外的剩余電阻等）。據(jù)報(bào)道，薄膜缺陷很難完全消除[15]，即使使用被譽(yù)為先進(jìn)的物理沉積方法HiPIMS 沉積薄膜，也同樣會(huì)產(chǎn)生大量缺陷[16]。但研究表明[1,8,17-21]，通過適當(dāng)?shù)囊r底預(yù)處理和選擇最佳的沉積參數(shù)可以降低缺陷密度。

受益于電子顯微鏡的發(fā)展，表面凸起、凹坑、針孔等薄膜缺陷的概念在20 世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)被提出來。前蘇聯(lián)LAVRENTIE 等人[17]也提出了形成缺陷的“step retardation sites”概念，并且通過化學(xué)沉積外延生長GaAs 薄膜，發(fā)現(xiàn)基底表面亞微米級(jí)顆粒與凹坑是形成針孔缺陷的誘因，主要是認(rèn)為基底表面顆粒阻礙了沉積原子的運(yùn)動(dòng)，但并沒有完全使其停止，從而降低了沉積原子的能量，最終導(dǎo)致在其周圍形成低能凝聚[17]。C. Mitterer 等[18]在通過直流輝光放電沉積硬質(zhì)薄膜時(shí)，發(fā)現(xiàn)電弧引起的液滴是薄膜缺陷形成的主要原因。Vetter 等[1]在研究非晶碳薄膜時(shí)發(fā)現(xiàn)凸起物是直接從薄膜中生長出來的，并提出空洞、薄片型或結(jié)節(jié)形缺陷的概念與形成機(jī)制。Panjan 等人[19]在研究硬質(zhì)薄膜摩擦性能、薄膜失效機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，缺陷是導(dǎo)致薄膜被破壞的主要誘因。如針孔是導(dǎo)致抗腐蝕薄膜被破壞的主要原因[20]，所以降低缺陷非常重要[2]。Wang[6]通過研究超晶格CrN/NbN 電化學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，薄膜與基底的整體腐蝕過程與薄膜中顆粒以及缺陷有很大的相關(guān)性。綜上，先進(jìn)生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)涂層應(yīng)用領(lǐng)域需要進(jìn)一步深入研究薄膜生長缺陷，以更好地理解它們對整體涂層性能的影響[21]，優(yōu)化薄膜性能。

涂層表面總是存在一些生長缺陷。除了溝槽和凸脊外，表面還存在明顯的錐形凸起特征，以及在沉積過程中形成的針孔、氣孔等[22]。生長缺陷根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀不同，通常可分為以下四種類型：1）錐形凸起結(jié)構(gòu)，由薄片等引起；2）凹坑，直徑約5～40 μm 大而淺的凹坑；3）結(jié)節(jié)狀球形滴錐結(jié)構(gòu)，常常形成于薄膜內(nèi)部并且成錐形向表層外部生長，尺寸約1 到數(shù)微米寬；4）針孔/氣孔，貫穿整個(gè)涂層，針孔明顯地延伸至基底，其大小可達(dá)數(shù)微米[23]。圖1 所示是HiPIMS方法獲得的薄膜[8]，缺陷密度與用DCMS 方法獲得的薄膜相當(dāng)，這可以很好地解釋HiPIMS 鍍鈮超導(dǎo)腔也有嚴(yán)重的Q-slope[24]的原因。

微米級(jí)或亞微米級(jí)薄膜缺陷在薄膜制備中會(huì)不可避免地形成，常常會(huì)對薄膜的應(yīng)用性能形成很大的負(fù)面影響。因此，本文結(jié)合作者自身工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)綜述了薄膜缺陷的形成原因、分類以及對不同應(yīng)用的影響。

圖1 HiPIMS 制備薄膜中包含的缺陷[8]Fig.1 Defects of coating deposited by HiPIMS[8]: a) nodular defect; b) pit defect; c) conical defect; d) pinhole defect

1 薄膜缺陷的形成機(jī)理與影響因素

1.1 薄膜缺陷形成機(jī)理

缺陷在薄膜表面和深度方向呈非均勻分布，其形態(tài)、尺寸和密度取決于薄膜沉積條件。它們可能是由襯底的凹坑、毛刺，外來顆粒（灰塵、碎片、拋光殘留物）或涂層沉積過程中小顆粒和微滴的摻入引起的。不同類型缺陷的形成機(jī)理不同，并且密度分布也不盡相同。Panjan 等[22]利用3D 探針輪廓統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，凸起的密度高于凹坑的密度。下面詳細(xì)介紹各種缺陷的形成機(jī)制。

1.1.1 圓錐形缺陷或結(jié)節(jié)形缺陷

圓錐形缺陷是一種最常見的生長缺陷類型。這種缺陷大約1 μm 左右，相比下文提到的薄片型缺陷，其尺寸相對較小，呈圓錐結(jié)構(gòu)，如圖2a—c 和i 所示[25]。產(chǎn)生這種缺陷的原因是襯底表面存在大于0.1 μm 的不規(guī)則形貌。這種不規(guī)則形貌包含如圖3a—c 所示的襯底表面凸起、微劃痕、夾雜物、雜質(zhì)、陰極液滴（droplets）、外來顆粒物、襯底表面缺陷等[26]。另外，清洗后殘留在襯底表面或在涂層生長過程中產(chǎn)生的亞微米大小的顆粒物，是形成圓錐缺陷的另一主要誘因[15]。根據(jù)薄膜形核與生長理論，體積較大的生長核具有更低的表面能。不規(guī)則形貌和亞微米級(jí)顆粒物在薄膜生長中充當(dāng)了圓錐缺陷的生長核，沉積原子逐漸在生長核周圍長大。所以，隨著薄膜的生長，圓錐結(jié)構(gòu)也隨之長大，最終在表層形成凸起圓錐結(jié)構(gòu)。

另外，圓錐缺陷很難通過成分進(jìn)行分析判斷，主要是因?yàn)樵谏L過程中由于熱應(yīng)力等因素，沉積在鍍膜腔室內(nèi)壁的薄膜表面會(huì)有0.1～0.4 μm 的顆粒脫落或彈出。在磁控濺射或等離子體輔助沉積中，這些顆粒會(huì)吸收等離子體中的電荷而帶電，進(jìn)而在電場的作用下被輸運(yùn)至正在生長的薄膜中，形成缺陷。由于這些顆粒與薄膜具有同樣的成分，所以很難通過橫斷面的成分判斷缺陷的存在[22]。圖4 所示為在高能同步輻射光源（HEPS）[27]無氧銅真空盒內(nèi)壁，采用直流磁控濺射方法沉積NEG 薄膜形成的圓錐結(jié)構(gòu)缺陷。

1.1.2 薄片型缺陷

在薄膜沉積之初，基底表面存在一些較大顆粒[1]。薄膜在顆粒物上繼續(xù)生長，從而形成薄片型缺陷，典型尺寸約2～40 μm，且與薄膜的結(jié)合力較小[22]。如圖2d、圖3d—f 所示，大多數(shù)顆粒物與靶材材料種類不同，或者即使是同種材料，因?yàn)榫哂胁煌慕Y(jié)晶結(jié)構(gòu)，相互間的結(jié)合力也較弱，所以在溫度變化等情況下，顆粒很容易與薄膜分裂或脫離，從而對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能造成較大的影響。

圖2 缺陷類型的形貌圖[22]Fig.2 Topography of defect types[22]: a) circular flat-topped morphological features at carbide inclusions in ASP30 tool steel; b)irregular flat-topped morphological features at carbide inclusions in D2 tool steel; c) spherical or flake defect; d) foreign particles prevent etching of the surfaces covered by them; e) cross section of cross-shaped flake section f) FIB image of flake section; g,h)through-hole or dish-like meteor craters; i) conical defect

圖3 結(jié)節(jié)與薄片型缺陷[25]Fig.3 Types of nodular and flake defects[25]

圖4 在吸氣劑薄膜生長過程中形成的圓錐形缺陷Fig.4 Cone-like defects formed during the growth of NEG(Non-evaporable Getters)getter film

1.1.3 凹坑

凹坑的形成過程與薄片或結(jié)節(jié)缺陷形成正好相反[1]。認(rèn)為是由于熱應(yīng)力、薄片自身應(yīng)力過大引起鑲嵌在薄膜中的薄片彈出或脫落，在薄膜表面形成凹坑或坑點(diǎn)。不同的凹坑缺陷在薄膜沉積的整個(gè)過程中，其形成的時(shí)間點(diǎn)并不相同。有些是在鍍膜完成后的降溫過程中脫落，形成如圖3g 所示結(jié)構(gòu)。甚至有些可能在薄膜沉積過程中脫落，形成的基坑被薄膜覆蓋，具有較為粗糙且多孔的結(jié)構(gòu)，如3h 所示[22]。另外，基底表面本身存在凹坑，這同樣會(huì)導(dǎo)致該缺陷的形成。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基底表面存在數(shù)個(gè)微米尺寸的凹坑時(shí)，由于在薄膜生長過程中凹坑尺寸較大，不能被薄膜覆蓋或即使覆蓋了整個(gè)凹坑表面，但原有形貌依然存在，如圖5 所示。

1.1.4 針孔

與凹坑缺陷類似，針孔由基底表面較小的坑點(diǎn)引起。由于點(diǎn)蝕效應(yīng)，在基底表面機(jī)械預(yù)處理（研磨、拋光、噴砂）過程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生坑點(diǎn)或空穴。另外，由于薄膜沉積中原子輸運(yùn)陰影效應(yīng)（在某些生長條件下，晶粒傾向于島狀生長，當(dāng)晶粒逐漸長大后，擋住了后來的原子，使得晶粒生長傾向于入射方向，較高的晶粒擋住了原子進(jìn)入相鄰晶粒的現(xiàn)象）[28]，導(dǎo)致該孔洞不能被相對較薄的涂層完全覆蓋，從而導(dǎo)致薄膜中針孔的形成[18,29]。對于較小尺寸的孔，經(jīng)過一段時(shí)間的沉積后，因薄膜完全覆蓋而閉合，但在內(nèi)部會(huì)形成空穴，如圖6a 所示[25]。而對于較大尺寸的孔，則無法閉合而形成一直敞開的結(jié)構(gòu)，如圖6b 所示[25]。另外，由于陰影效應(yīng)，側(cè)壁生長形成多孔柱狀結(jié)構(gòu)薄膜[22]。

圖5 凹坑型缺陷的形成過程Fig.5 Open voids of defect: a) surface of machined copper substrate; b) the cavity still exist after coating

圖6 針孔等缺陷模型[25]Fig.6 Models of pinhole and other defects[25]

1.2 顆粒物來源

顆粒物是引起薄膜缺陷的主要原因，在工業(yè)生產(chǎn)中顆粒物形成的因素較多，如熱應(yīng)力導(dǎo)致沉積室壁薄膜脫落、等離子體震蕩、陰極靶液滴等，下面做詳細(xì)介紹。

熱應(yīng)力等導(dǎo)致薄膜脫落形成碎片，這也是形成薄膜缺陷的顆粒物的主要來源。薄膜在襯底的沉積過程中，同樣會(huì)沉積在基材支架、屏蔽結(jié)構(gòu)和真空室內(nèi)壁等部件上。沉積一段時(shí)間后，由于熱應(yīng)力、內(nèi)部壓應(yīng)力等作用，會(huì)使薄膜從表面剝離形成碎片，它們通過靜電力附著在襯底上，而靜電力比重力強(qiáng)得多，故不容易清理掉，導(dǎo)致沉積系統(tǒng)成為小顆粒的主要來源。此外，碎片若被轉(zhuǎn)移到基板表面，會(huì)與正在生長的薄膜結(jié)合而形成缺陷核[10]。

等離子體震蕩產(chǎn)生顆粒。對于在氣相反應(yīng)、濺射、刻蝕、激光燒蝕等過程中的單個(gè)原子或分子可逐漸形核長大成為顆粒。小于10 nm 的粒子不帶電，在空間中可以自由地隨機(jī)行走，如輸運(yùn)向基底，或者快速聚集成較大的粒子。較大粒徑的顆粒在等離子中很容易帶負(fù)電荷，從而被限制在等離子體殼層中[30]。而基材一般作為陽極，因而帶電顆粒被輸運(yùn)至生長中的薄膜。另外，對于等離子體參與的沉積過程，在平面陰極靶表面會(huì)產(chǎn)生濺射原子重新沉積的現(xiàn)象。在等離子體密度較大的區(qū)域，重新沉積的原子很快被濺射，而無法繼續(xù)生長。而在等離子體較弱的區(qū)域，重新沉積的原子繼續(xù)生長，最終生長為毛刺狀凸起結(jié)構(gòu)，如圖7 所示[31]。該凸起結(jié)構(gòu)會(huì)引起等離子體鞘層短路，進(jìn)而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致凸起結(jié)構(gòu)被熔斷成為顆粒進(jìn)入等離子體中[32-33]。

陰極靶中的雜質(zhì)、氣泡等同樣會(huì)產(chǎn)生顆粒[34]。在抽真空、充氣過程中，顆?？梢噪S著氣體沖入，或者從泵口進(jìn)入沉積室。Aniel 等[35]發(fā)現(xiàn)即使沒有無塵環(huán)境，良好的處理過程以及在泵口安裝流量計(jì)后，同樣可以使顆粒數(shù)量明顯降低。

1.3 基底缺陷的形成

圖7 濺射靶表面形成的毛刺凸起結(jié)構(gòu)經(jīng)等離子體中加熱后的模型[31]Fig.7 Model of burr bump structure formed on sputtering target surface heated by plasma[31]

打磨、拋光等機(jī)械加工手段都會(huì)在基底表面形成劃痕、坑點(diǎn)、空穴、氣孔[21]，并且在一些酸洗處理過程中，也會(huì)產(chǎn)生類似缺陷或?qū)е禄妆砻嫘蚊矏夯D8 所示為兩種拋光方法得到的無氧銅基底表面微觀情況[36]。化學(xué)拋光后，銅表面形成大量坑點(diǎn)和空穴等缺陷（圖8a）。在化學(xué)拋光的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行電拋光，發(fā)現(xiàn)大量空穴以及表面劃痕消失，表面更加光滑平整（圖8b）。

另外，基底表面氧化層也會(huì)引起襯底缺陷。例如Chakraborty 等[37]在高強(qiáng)度無間隙鋼表面鍍鋅時(shí)發(fā)現(xiàn)一種未知且不同尋常的缺陷，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)襯底表面形成的Fe2O3是導(dǎo)致該缺陷形成的主要原因。

圖8 不同方法拋光后的銅基底微觀表面[36]Fig.8 Micro surface of copper substrate polished by different methods[36]: a) chemical polishing; b) electropolishing

2 沉積條件對薄膜缺陷分布的影響

J. Vetter 等人[1]通過改變薄膜沉積環(huán)境，發(fā)現(xiàn)鍍膜工藝對缺陷密度、種類、尺寸有很大影響。起初薄膜表面含有大量大顆粒薄片缺陷，通過改變沉積條件，其數(shù)量大約由6000/mm2降低到800/mm2，直至基本觀測不到薄片缺陷的存在，轉(zhuǎn)而出現(xiàn)更小的圓錐結(jié)構(gòu)缺陷，如圖9 所示。鍍膜過程中，工作氣壓、偏壓、時(shí)間、功率及清潔度等均對薄膜缺陷有顯著影響。

圖9 不同條件硬質(zhì)合金基底非晶碳薄膜生長[1]Fig.9 Growth of amorphous carbon films on cemented carbide substrates under different conditions[1]: a) growth condition I(5 μm thick); b) growth condition II (5 μm thick); c) growth condition III (2.5 μm thick)

2.1 氣壓對缺陷密度的影響

圖10 所示為氣壓對缺陷密度的影響。從測試結(jié)果看出，隨著氣壓從0.2 Pa 增加到1 Pa，缺陷密度從0.84%增加到5.94%，表明缺陷密度的增加與碎片顆粒物的增加有關(guān)。在氣壓較高時(shí)，等離子體的體積覆蓋了更多的腔室面積，增加了濺射原子對腔壁的轟擊量，導(dǎo)致結(jié)合松散的薄膜脫落，進(jìn)而增加了片狀顆粒物的生成。這些薄片鑲?cè)氡∧?，進(jìn)一步促進(jìn)了缺陷的形成。在工業(yè)化生產(chǎn)中，鍍膜腔室沒有辦法做到經(jīng)常清洗，因此通過降低氣壓，進(jìn)而降低缺陷密度，可作為有效控制參數(shù)的方法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[8]。

圖10 工作氣壓對缺陷密度的影響[8]Fig.10 Effect of working air pressure on defect density[8]

2.2 基底偏壓對缺陷密度的影響

圖11 所示為基片偏壓對薄膜缺陷密度的影響。光學(xué)顯微研究表明，隨著偏壓的增加，可見缺陷所占的表面積比從3.13%增大到4.30%。襯底偏壓增加導(dǎo)致缺陷表面積比增大的主要原因有：第一，在較高的負(fù)偏壓下，高能量的沉積原子束轟擊真空內(nèi)壁，引起碎片顆粒物的增加，這些顆粒物會(huì)在薄膜中導(dǎo)致更多的缺陷。第二，再濺射現(xiàn)象也會(huì)導(dǎo)致表面缺陷密度的增加。第三，高負(fù)偏壓下，高能離子束的轟擊使已經(jīng)形成的缺陷暴露出來，從而增加缺陷的面積。此外，一些結(jié)合松散的結(jié)節(jié)狀缺陷被從薄膜中轟擊出來，留下更多空洞[7]。但Aharonov[38]發(fā)現(xiàn)，對于直流偏壓，偏壓的增加抑制了缺陷的增長，對于矩形單極脈沖偏壓來講，占空比的增加也會(huì)抑制缺陷的增長。

圖11 基片偏壓對薄膜缺陷密度的影響[7]Fig.11 Effect of substrate bias voltage on film defect density[7]

2.3 沉積時(shí)間對缺陷密度的影響

圖12 所示為沉積時(shí)間對薄膜缺陷密度的影響。實(shí)驗(yàn)表明，鍍膜時(shí)間越長，缺陷密度越大。當(dāng)沉積時(shí)間相同時(shí)，薄膜厚度對缺陷密度沒有影響，靠近薄膜表面的缺陷密度要遠(yuǎn)高于基底附近。這意味著大多數(shù)缺陷是在薄膜沉積過程中慢慢形成[22]。這主要是由于在薄膜沉積過程中，鍍膜室內(nèi)壁的薄膜隨著時(shí)間延長越來越厚，導(dǎo)致應(yīng)力增加而脫落，脫落的薄膜以雜質(zhì)形式落在基底上，充當(dāng)缺陷形成的種子，導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生缺陷。另外，如前文所述，對于反應(yīng)、濺射等沉積方法，原子或分子凝聚成核引起的顆粒物數(shù)量也隨著時(shí)間的延長而增加，也將導(dǎo)致缺陷密度增大。

圖12 沉積時(shí)間對薄膜缺陷密度的影響[22]Fig.12 Effect of deposition time on film defect density[22]

2.4 其他鍍膜工藝對缺陷密度的影響

腔體的清潔度、離子清洗步驟、濺射功率和襯底屏蔽也是影響缺陷密度的主要因素。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在蝕刻和沉積過程中，較低的襯底溫度會(huì)使缺陷密度進(jìn)一步降低[1]。在鍍CrN、TiAlN、TiN 中發(fā)現(xiàn)：薄膜材料、薄膜沉積方法不同，都會(huì)使缺陷密度有所不同；基底材料種類與缺陷密度雖然沒有明顯的關(guān)系，但是當(dāng)粗糙度不同時(shí)，缺陷密度也會(huì)有不同的變化；基底與靶材的相對安裝角度也會(huì)影響缺陷密度，當(dāng)基底與靶材垂直安裝時(shí)，其產(chǎn)生的缺陷密度要大于平行安裝。用同一沉積方法制備的不同硬質(zhì)薄膜，其缺陷密度不同[22]。Amorosi 等[39]通過對比分別暴露在灰塵環(huán)境與無塵環(huán)境中的鍍膜結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無塵環(huán)境得到的薄膜針孔密度降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 薄膜缺陷對不同應(yīng)用的影響

3.1 缺陷對硬質(zhì)涂層的影響

PVD 硬質(zhì)涂層沉積不僅增加了工具表面耐磨性和耐腐蝕性，提高了其使用壽命，還通過改善產(chǎn)品外觀增加了其吸引力。硬質(zhì)涂層在應(yīng)用中的主要缺點(diǎn)是在沉積過程中會(huì)產(chǎn)生缺陷：一方面，孔隙缺陷與晶界貫穿整個(gè)涂層，成為薄膜被腐蝕介質(zhì)破壞的主要原因[20]；另一方面，在某些沉積方法中，由于電弧的形成，在沉積過程中會(huì)形成液滴或凹坑等宏觀缺陷，破壞了薄膜的完整性[18]，在摩擦過程中這些缺陷最先被破壞，從而導(dǎo)致薄膜失去薄膜襯底，腐蝕介質(zhì)可通過缺陷達(dá)到基底材料，從而對襯底材料形成腐蝕作用[40]。同時(shí)，涂層的殘余應(yīng)力與缺陷的存在密切相關(guān)[3]。

TiCN/NbCN、TiN/NbN、CrN/NbN 等薄膜應(yīng)用于人工骨骼、生物植入體等器件的表面，以提高其在人體環(huán)境中的相容性以及耐腐蝕性能[41]。但缺陷中空隙的存在形成了腐蝕介質(zhì)的通道，嚴(yán)重降低了它們的可靠性。另外，涂層缺陷和涂層引起的粗糙度會(huì)使底層基底疲勞強(qiáng)度降低[14]

3.2 缺陷對薄膜超導(dǎo)性能的影響

小濃度的非磁性雜質(zhì)和尺寸小于相干長度的缺陷的存在，只是輕微惡化了金屬的超導(dǎo)性能，降低臨界溫度Tc和能量間隙D，但在零度時(shí)沒有影響，特別是不會(huì)增加暴露在微波下的超導(dǎo)體表面電阻的剩余電阻項(xiàng)，只有BCS 電阻略有改變。然而，當(dāng)雜質(zhì)和缺陷的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相干長度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)的整體相干性就不再保持，安德森定理也不再適用。當(dāng)這些雜質(zhì)和缺陷對入射微波可見時(shí)，可能會(huì)造成額外的功率損耗，這種損耗在零溫度下仍然存在。當(dāng)高頻功率沉積在一定幾何形狀、位置區(qū)域（尤其是微波在超導(dǎo)體表面幾個(gè)穿透深度內(nèi)較為敏感）時(shí)，這些雜質(zhì)和缺陷可能產(chǎn)生剩余電阻項(xiàng)[36]。空位、雜質(zhì)、錯(cuò)位等晶格缺陷在超導(dǎo)體中成為磁通勢阱，從而起到磁通釘扎的作用[42]。磁通釘扎引起的表面電阻會(huì)被雜質(zhì)或缺陷導(dǎo)致的場發(fā)射改變[43]。Amorosi 等[39]在銅基底沉積超導(dǎo)鈮薄膜，認(rèn)為針孔缺陷使得銅基底暴露在高頻功率下，從而引起較大的能量損失[37]。

3.3 缺陷對光學(xué)薄膜的影響

光學(xué)薄膜在激光、顯示、鏡頭抗反射、光刻等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用，已經(jīng)成為光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。但可見的宏觀缺陷是影響光學(xué)薄膜性能的主要因素，它會(huì)增加光學(xué)薄膜的散射損失，削弱機(jī)械和環(huán)境穩(wěn)定性，并降低激光損傷抗力。在極紫外光刻中的缺陷會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵誤差的形成。Cheng[44]詳細(xì)綜述了缺陷對光學(xué)性能的影響，為降低光刻成本，降低缺陷非常有必要[45]。另外，研究發(fā)現(xiàn)[46]，結(jié)節(jié)形缺陷是導(dǎo)致光學(xué)薄膜損傷的主要原因。現(xiàn)代成像探測系統(tǒng)通常在探測器陣列的正前方使用介電濾波器。這種近端結(jié)構(gòu)對涂層中的缺陷（如針孔或劃痕等）特別敏感[47]。

4 結(jié)語

薄膜缺陷主要由外來顆粒物與基底缺陷造成。為了獲得光滑的涂層，在薄膜沉積中應(yīng)避免顆粒物的帶入和形成，首先要保證沉積室的干凈，沒有以前沉積的殘留物。這意味著固定裝置和防護(hù)罩必須定期進(jìn)行清洗。提高靶材純度和優(yōu)化沉積參數(shù)，可以顯著抑制缺陷形成，有效降低缺陷密度[25]。其次，由于許多缺陷是由襯底引起的，高質(zhì)量的基材清洗方法和酸液配方在很大程度上抑制了缺陷的形成[25]。如與單純的化學(xué)清洗相比，電化學(xué)拋光方法可以獲得較為光滑的表面。Chakraborty 等[48]在熱輥軋鍍鋅中發(fā)現(xiàn)Fe-Zn 混合相顆粒物導(dǎo)致了鍍鋅層出現(xiàn)缺陷，通過優(yōu)化生產(chǎn)線與輥的溫度和清潔度，可以降低缺陷密度。

較低的工藝氣壓可以降低薄膜生長氛圍中的顆粒數(shù)量，從而有效降低缺陷密度；較低的基底偏壓降低了高能離子束對腔壁和基底的轟擊，在一定程度上減少了碎片的產(chǎn)生，因此可以降低缺陷密度；較低的沉積溫度可以減少熱應(yīng)力引起的顆粒物脫落，從而減少缺陷；較為柔和的離子清洗可以降低基體與基體固定結(jié)構(gòu)的微弧放電，從而降低液滴產(chǎn)生的概率，有效降低缺陷密度[1]。另外，放電電壓振幅或占空比的增加，會(huì)導(dǎo)致缺陷密度、粗糙度和被缺陷覆蓋表面積的減小。對這一現(xiàn)象的解釋是，增加了撞擊離子的能量，使原子遷移和表面擴(kuò)散。另一種解釋可能是，在錐形結(jié)構(gòu)上有更高的電場密度，從而導(dǎo)致更高的反濺射速率[22]。低功率沉積防止電弧液滴產(chǎn)生，陰極靶過熱和其他導(dǎo)致缺陷的機(jī)制。此外，較短的薄膜沉積時(shí)間降低了碎片產(chǎn)生的幾率，也可以降低薄膜缺陷密度。另外，Moriya 等人[49]通過研究碎片在等離子中的運(yùn)動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)采用外加磁場引導(dǎo)碎片向非鍍膜區(qū)域移動(dòng)，有可能成為降低顆粒引起缺陷的一種方法。