薄膜生长与薄膜结构.ppt

第二讲 薄膜材料的形核与生长 薄膜生长过程概述 —薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及最终性能 薄膜生长过程概述 —薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及最终性能 薄膜生长过程概述 —薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及最终性能 2. 薄膜的形成过程 吸附、表面扩散与凝结 吸附 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 吸附、表面扩散与凝结 凝结系数（ac）：当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比称为凝结系数 。 凝结过程中的物理参数： 粘附系数（as）：当基体表面上已经存在着凝结原子时，再凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比称为粘附系数 。 J：单位时间入射到基片单位表面面积气相原子总数； n：在t时刻基体表面上存在的原子数。 在n趋近于零时，ac=as 热适应系数（a）：表征入射气相原子（或分子）与基体表面碰撞时相互交换能量程度的物理量称为热适应系数。 Ti 、Tr 和Ts分别表示入射气相原子、再蒸发原子和基体三者的温度。 a=1：完全适应，吸附原子在表面停留期间，和基片能量交换充分到达热平衡（Tr=Ts）。 a1：不完全适应。 a=0：完全不适应，Ti= Tr 则入射气相原子与基体完全没有热交换，气相原子全反射回来。 不同基体温度下粘附系数与沉积时间的关系 （虚线为等平均膜厚线） 相同基板温度时, 沉积时间越长,粘附系数越大; 相同膜厚时, 沉积时间越短, 粘附系数越大; 相同沉积时间时, 基板温度越低, 粘附系数越大 气相原子的凝结系数与基体温度和膜厚的关系 薄膜形核与生长 薄膜形成的三种模式 岛状生长（Volmer-Weber型）模式： 成膜初期按三维形核方式形成核心，稳定的核心生长为一个个孤立的岛，再由岛合并成连续的薄膜，例如SiO2基板上的Au薄膜。 这一生长模式：被沉积物质的原子或分子更倾向于彼此相互键合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差。 薄膜形核与生长 在稳定核形成之后，岛状薄膜的形成过程主要分为四个阶段： (1)岛状阶段。在稳定核心进一步长大变成小岛的过程中，平行于基板表面方向的生长速度大于垂直方向的生长速度，因为核的长大主要是由基片表面上吸附原子的扩散迁移碰撞结合决定的，而不是由入射气相原子碰撞结合决定的。核逐渐从球帽形，圆形变成多面体小岛。 (2)联并阶段。随着岛不断长大，岛间距离逐渐减小，最后相邻小岛可相互合并成一个大岛，称为岛的联并。 (3)沟道阶段。岛联并之后，新岛进一步生长，进一步联并，当岛的分布达到临界状态时，互相聚结形成一个网状结构。这种结构中不规则地分布着宽度为5-20nm的沟渠。随着沉积的继续进行，大多数沟渠很快被填充，薄膜由沟渠状变为有小孔洞的连续状结构。因为核或岛的联并都有类似液体的特点，这种特性能使沟渠和孔洞很快消失，最后消除高表面曲率区域，使薄膜的总表面自由能达到最小。 (4)连续膜阶段。在沟渠和孔洞消除之后，再入射到基片表面上的气相原子便直接吸附在薄膜上，通过联并作用而形成不同结构的薄膜。多数沟渠的填充，被认为是从岛的较高处扩散，而不是新入射原子沉积的结果，整个过程必然导致所沉积薄膜表面逐渐变得平滑。 层状生长（Frank-vander Merwe型）模式： 当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。薄膜从成膜初期的形核阶段开始，一直按二维扩展的模式进行层状生长，例如Si基板上的Si薄膜。在这种模式下，已经没有意义十分明确的形核阶段出现。每一层原子都自发地平铺于衬底或薄膜的表面，以降低系统的总能量。 薄膜形核与生长 层状－岛状生长（Stranski-Krastanov型）模式：又称为层状—岛状中间生长模式。在成膜初期，按二维层状生长，形成数层之后，生长模式转化为岛状模式。例如Si基板上的Ag薄膜。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，根本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。例如，由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，为降低应变能，由层状模式转化为岛状模式，等等。