薄膜的形成与生长.ppt

核的形成与生长有四步： (1) 从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上，其中有一部分因能量较大而弹性反射回去，另一部分在吸附在基体表面上。在吸附的气相原子中有一小部分因能量稍大而再蒸发出去 (2) 吸附原子在基体表面上扩散迁移，互相碰撞结合成原子对或小原子团并凝结在基体表面上 (3) 这种原子团和其他吸附原子碰撞相结合，或者释放一个单原子。这个过程反复进行，一旦原子团中的原子数超过某一个临界值，原子团进一步与其他吸附原子碰撞结合，只向着长大方向发展形成稳定的原子团（稳定核） (4) 稳定核再捕获其他原子，或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成为小岛 三、核形成理论 (1) 热力学界面能理论(毛细管现象理论) (2) 原子聚集理论(统计理论) （1）热力学界面能理论： 基本思想是将一般气体在固体表面上凝结成微液滴的核形成理论（类似于毛细管湿润）应用到薄膜形成过程中的核形成研究。 热力学界面能理论是建立在热力学上概念的，起源于Langmiur- Frenkel的凝结论，利用宏观物理量如蒸气压、界面能和润湿角等讨论核的形成问题 这个模型的优点是比较直观，一些物理量容易测量，理论计算和实验结果能直接比较。由于采用宏观物理量，所以对原子数量较多的粒子是适用的，而对原子团所含有的原子数量少的情况，一些宏观参量的含义是不明确的 热力学的基本概念 热力学理论认为，所有的相转变都使物质的体系自由能下 降。体系中体系自由能下降，新相和旧相间界面自由能上 升。体系的总自由能变化由两者之和决定 薄膜的形成与生长 临界晶核尺寸 只有当核中的原子数超过临界原子数时才能形成稳定核 所以,当原子团半经小于r*时,原子团是不稳定的,可能长大,也可能缩小;当原子团半经大于r*时,原子团已转变为晶核,可以稳定地生长. 薄膜的形成与生长 （2）原子聚集理论 当临界核是由少数原子(如2~10几个原子)组成时，建立在热 力学基础之上的宏观核形成理论是不适用的 原子聚集理论研究核形成时，将核看作一个大分子聚集体， 用聚集体原子间的结合能或聚集体与基体表面间的结合能代 替热力学自由能 原子聚集理论的基本思路是考虑原子到达基片以后，在基片 上徙动；相互碰撞而结合为2原子、3原子┄n原子的原子 团，从给出各个原子数的原子团的方程组出发讨论核的形成 过程 薄膜的形成与生长 薄膜的形成与生长 两种理论所依据的基本概念是相同的（两者的基础都是经典热力学理论），不同之处两者使用的能量不同，所用的模型不同 热力学界面能理论适合于大尺寸临界核，原子聚集理论比较适 宜于小尺寸临界核 热力学界面能理论(毛细管现象理论):原子团的表面自由能连续变化,所以原子团的尺度也是连续变化的,适用于大原子团成核. 原子聚集理论(统计理论):原子团的结合能以化学键为单位,所以是不连续的,因此原子团的尺度变化也是不连续的,适用于小原子团成核. 薄膜的形成与生长 　薄膜形成过程与生长模式 在Ag原子到达衬底表面的最初阶段，Ag在衬底上先是形成了一些均匀、细小而且可以运动的原子团－“岛”。这些像液珠一样的小岛不断地接受新的沉积原子，并与其他的小岛合并而逐渐长大，而岛的数目则很快地达到饱和。在小岛合并过程进行的同时，空出来的衬底表面上又会形成新的小岛。这一小岛形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，最后只留下一些孤立的孔洞和沟道，后者不断被后沉积来的原子所填充。在空洞被填充的同时，形成了结构上连续的薄膜。小岛合并的过程一般要进行到薄膜厚度达到数十纳米的时候才结束。 在稳定核形成以后，岛状薄膜的形成过程 1. 岛状阶段 2. 联并阶段 3. 沟道阶段 4. 连续膜阶段 1. 岛状阶段 在核进一步长大变成小岛过程中，平行于基体表面方向的生 长速度大于垂直方向的生长速度。这是因为核的长大主要是 由于基体表面吸附原子的扩散迁移碰撞结合，而不是入射蒸 发气相原子碰撞结合决定的。这些不断捕获吸附原子生长的 核，逐渐从球帽形、圆形变成多面体小岛。 薄膜的形成与生长 理论分析证明：当核与吸附原子间的结合能大于吸附原子与 基体的吸附能时，就可形成三维的小岛。 岛状薄膜的形成过程可分为四个阶段 薄膜的形成与生长 2. 联并阶段 随着岛不断长大，岛间距离逐渐缩小，最后相邻小岛可互相联 结合并为一个大岛，这就是岛的联并。 小岛联并长大后，基体表面上占据面积减小，表面能降低，基 体表面上空出的地方可再次成核。 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。这种结构中不规则的分布着5～20 nm的沟渠。随着沉积的继续进行，在沟渠中会发生二次或三次成核。当核长大到与