OK第四章薄膜的形成和生长.doc

第四章 薄膜的形成与生长 薄膜通常通过材料的气态原子凝聚而形成。在薄膜形成的最早阶段，原子凝聚是以三维成核的形式开始，然后通过扩散过程核长大形成连续膜。薄膜形成的方式确实是独特的。薄膜新奇的结构特点和性质大部分归因于生长过程，固而薄膜生长对薄膜科学技术而言是最为基本、最为重要的。本章将对薄膜各生长阶段与膜结构有关的重要理论和实验结果进行介绍。 第一节 形核[4.1] 形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲是一个气-固相转变问题。下面，我们将首先给出凝聚过程的一些经典概念，随后对异质成核和凝聚过程的一些实验结果进行讨论。 一、凝聚过程 气态原子的凝聚是气态原子与所到达基片表面通过一定的相互作用而实现的，这一相互作用即为气态碰击原子被表面原子的偶极矩或四极矩吸引到表面，结果原子在很短时间内失去垂直于表面的速度分量。只要原子的入射能量不太高，则气态原子就会被物理吸附，被吸附的原子称为吸附原子。吸附原子可以处于完全的热平衡状态，也可以处于非热平衡状态。由于来自表面和（或）本身动能的热激活，吸附原子可以在表面上移动，即从一个势阱跳跃到另一个势阱。吸附原子在表面具有一定停留或滞留时间，在这一时间里，吸附原子可以和其它吸附原子作用形成稳定的原子团或被表面化学吸附，同时释放凝聚潜热。如果吸附原子没有被吸附，它将会重新被蒸发或被脱附到气相中。因此，凝聚是吸附和脱附过程的平衡净效果。 碰击原子被注入到基片(表面)的几率称为“凝聚”或“粘滞”系数。它由凝聚在表面上的原子数与总碰击原子数之比来确定。热平衡程度由调节系数来描述，它定义为： （4-1） 式中TI和EI分别为入射原子的等效均方根温度和等效动能；TR和ER分别为反射或再蒸发原子的等效均方根温度和等效动能； TS和ES则对应于基片的等效均方根温度和等效动能。 许多研究人员研究了捕获入射原子以及入射原子通过范氏力进行能量交换等问题。通过采用原子和一维点阵弹簧进行正碰撞模型，人们得到：对于撞击原子和基片原子具有几乎相同质量的情况下，可以得到凝聚系数为1，而碰撞原子的动能比脱附能Qdes大25倍。由于金属气相入射粒子在金属表面的Qdes在1到4eV量级，则具有一百万度等效粒子束温度的气相原子很容易被物理吸附。对于三维点阵，对入射撞击原子的捕获是不完全的，原则上是由于三维点阵的较大僵硬性所致。如果碰撞原子比基片原子轻得多，或者入射原子具有很高动能，则粘附系数远远小于1。 对于一吸附原子与基片达到热平衡所需要的平均驰豫时间τe估计小于2/ν，此处ν为吸附原子表面振动频率。根据McCarrol和Ehrlich理论：被俘获原子在三维点阵振动中，经过大量的撞击后，将失去大部分动能，而只留下EI的百分之几动能。吸附原子在基片表面移动，在被脱附之前，具有的平均停留时间为： （4-2） 因此： (4-3) 当结合能较大时(Qdes＞＞KT)，τs很大，τe很小。即热平衡迅速出现。吸附原子可看作被局域化，只能通过分立的跳跃扩散。另一方面，如果Qdes≈KT，吸附原子不会很快达到平衡，因此它保持“热”的状态，通常会导致凝聚系数小于1。这种情况下的迁移吸附原子可看作是形成二维气体，气体的动能可用于决定它们的运动。必须强调的是：为了数学上的方便，成核理论假设吸附质已达到热平衡，忽略凝聚过程中动能的作用。 在停留期间，一个平衡态的吸附原子在基片表面上扩散，扩散距离由布朗运动中的爱因斯坦关系式给出： (4-4) (4-4a) 式中为表面上吸附位置间的跳跃距离；Qd是表面扩散跳跃的激活能；表面扩散系数。 很清楚，在凝聚过程中，Qdes和Qd起着非常重要的作用，它们的大小因此很有意义。表4-1已列出一些体系的Qdes和Qd值。这些能量值敏感地依赖于表面状态，这点由Cd在纯净物上和有污染的Ag上具有不同的能量值所证明。尽管Qdes和Qd的准确关系不知道，但通常可观察到。 表4-1一些典型体系中结合能Qdes和表面扩散激活能Qd的实验值 凝聚物 基片 Qdes(eV) Qd (eV) Ag NaCl 0.2 Ag NaCl 0.15(蒸发) 0.10(溅射) Al NaCl 0.6 云母 0.9 Ba W 3.8 0.65 Cd Ag(新膜) 1.6 Ag，玻璃 0.24 Cu 玻璃 0.14 Cs W 2.8 0.61 Hg Ag 0.11 Pt NaCl 0.18 W W 3.8 0.65 二、Langmuir-Frenkel凝聚理论 Langm