5薄膜的生长过程和薄膜结构探究.ppt

5 薄膜的生长过程和薄膜结构;新相的形核阶段：气态的原子或分子凝聚到衬 底表面，扩散迁移形成晶核，晶核结合其他吸 附的气相原子逐渐长大形成小岛。;电子衍射ED;薄膜生长过程和结构;薄膜的生长模式： (1)岛状生长(Volmer—Weber)模式 对很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模式。即使不存在任何对形核有促进作用的有利位置，随着沉积原子的不断增加，衬底上也会聚集起许多薄膜的三维核心。 岛状核心的形成表明，被沉积的物质与衬底之间的浸润性较差。 许多金属在非金属衬底上都采取这种生长模式。;(2)层状生长(Frank-van der Merwe)模式 当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，薄膜的沉积表现为层状生长模式。 在层状生长模式下，已没有意义十分明确的形核阶段出现。 在极端情况下，即使是沉积物的分压已低于纯组元的平衡分压时，沉积的过程也会发生。;(3)层状—岛状(Stranski-Krastanov)生长模式 最开始的一两个原子层的层状生长之后，生长模式从层状模式转化为岛状模式。 导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但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。;层状-岛状生长模式的原因： 1) 开始时是外延式的层状生长，由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，随着沉积原子层的增加，应变能增加。为松弛应变能，生长到一定厚度，薄膜生长转化为岛状模式。 ; 2)在Si、GaAs等半导体材料的晶体结构中，每个原子分别在四个方向上与另外四个原子形成共价键。但在Si的(111)晶面外延生长GaAs时，由于As原子有五个价电子，它不仅可提供Si晶体表面三个近邻Si原子所要求的三个键合电子，而且剩余的一对电子使As原子不再倾向于与其他原子发生进一步的键合。吸附了As原子的Si(111)表面具有极低表面能，使其后As、Ga原子的沉积模式转变为三维岛状的生长模式。; 3)在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能晶面。因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式向岛状模式转变。 在上述各种机制中，开始的时候层状生长的自由能较低，但其后，岛状生长模式在能量上变得更为有利。;5.2 新相的自发形核理论; 在薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下，薄膜的形核过程可以近似地被认为是一个自发形核的过程。;形成新相核心时，体自由能变为(4/3)πr3ΔGv ΔGv — 单位体积的固相在凝结过程中的相变自由能之差。;当过饱和度为零时，ΔGv=0，没有新相的核心形成，或者已经形成的新相核心不再长大； 当气相存在过饱和现象时，ΔGv0，它就是新相形核的驱动力。;新相核心形成的同时，还伴随有新的固—气相界面的形成，它导致相应表面能的增加4πr2γ。 γ — 单位核心表面的表面能。;形核过程的能垒;压力对n*的影响： rr*时，不稳定的核心与气相原子或者衬底表面的吸附原子之间存在着可逆反应jA←→Nj Nj — 含有j个原子的不稳定新相核心； A — 气相中的单个原子。 上述过程的自由能变化为ΔG = Gj – jG1 Gj — 一个新相核心的自由能; G1 — 一个气相原子的自由能。;ΔG* — 临界核心的形核自由能； ns — 依赖于n1的常数。; 温度对n*的影响： 温度增加会提高新相的平衡蒸气压，并导致ΔG*增加而形核率减小； 温度增加时原子的脱附几率增加。 在一般情况下，温度上升会使得n* 减少，而降低衬底温度一般可以获得高的薄膜形核率。 但在某些情况下，动力学因素又起着关键性的作用：低温时化学反应的速度下降，造成薄膜形核率反而降低。 ;获得平整、均匀薄膜的方法: 提高n*，即降低r* 。 从热力学的角度考虑： 在薄膜沉积的形核阶段大幅提高气相过饱和度，以形成核心细小、致密连续薄膜。 从动力学的角度考虑： 降低衬底的温度可以抑制原子和小核心的扩散，冻结形核后的细晶粒组织，抑制晶核的长大过程。使得沉积后的原子固定在其初始沉积的位置上，形成特有的低温沉积组织。 采用离子轰击的方法抑制三维岛状核心的形成，使细小的核心来不及由扩散实现合并就被后沉积来的原子所覆盖，以此形成晶粒细小、表面平整的薄膜。;5.3 薄膜的非自发形核理论;形成一个原子团时的自由能变化为; 根据表面能之间的平衡条件，核心形状的稳定性要求各界面能之间满足;dΔG/dr = 0，形核自由能ΔG取极值条件为;非自发形核过程的临界自由能变化为;