薄膜的生长过程和薄膜结构.pptx

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1、薄膜的生长过程和薄膜结构电子衍射ED透射电子显微镜TEM薄膜得生长阶段:小岛阶段;聚结阶段;沟道阶段;连续薄膜阶段。形核阶段连续薄膜阶段沟道阶段聚结阶段小岛阶段薄膜得生长模式:(1)岛状生长(VolmerWeber)模式 对很多薄膜与衬底得组合来说,只要沉积温度足够高,沉积得原子具有一定得扩散能力,薄膜得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得有利位置,随着沉积原子得不断增加,衬底上也会聚集起许多薄膜得三维核心。岛状核心得形成表明,被沉积得物质与衬底之间得浸润性较差。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

2、积物质与衬底之间浸润性很好时,薄膜得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得形核阶段出现。在极端情况下,即使就是沉积物得分压已低于纯组元得平衡分压时,沉积得过程也会发生。(3)层状岛状(Stranski-Krastanov)生长模式 最开始得一两个原子层得层状生长之后,生长模式从层状模式转化为岛状模式。导致这种模式转变得物理机制比较复杂,但根本得原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量得相互消长。层状-岛状生长模式得原因:1)开始时就是外延式得层状生长,由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配,随着沉积原子层得增加,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

3、。2)在Si、GaAs等半导体材料得晶体结构中,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得(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原子所要求得三个键合电子,而且剩余得一对电子使As原子不再倾向于与其她原子发生进一步得键合。吸附了As原子得Si(111)表面具有极低表面能,使其后As、Ga原子得沉积模式转变为三维岛状得生长模式。3)在层状外延生长表面就是表面能比较高得晶面时,为了降低表面能,薄膜力图将暴露得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,开始得时候层状

4、生长得自由能较低,但其后,岛状生长模式在能量上变得更为有利。5、2 新相得自发形核理论新相得自发形核理论新相形核过程得类型:自发形核:整个形核过程完全就是在相变自由能得推动下进行得。非自发形核:除了有相变自由能作推动力之外,还有其她得因素起着帮助新相核心生成得作用。在薄膜与衬底之间浸润性较差得情况下,薄膜得形核过程可以近似地被认为就是一个自发形核得过程。从过饱和气相中凝结出一个球形的新相核心的过程：形成新相核心时,体自由能变为(4/3)r3GvGv 单位体积得固相在凝结过程中得相变自由能之差。pv、p 凝结相得平衡蒸气压与气相得实际压力;Jv、J 凝结相得蒸发通量与气相得沉积通量;原子体积。当

5、过饱与度为零时,Gv=0,没有新相得核心形成,或者已经形成得新相核心不再长大;当气相存在过饱与现象时,Gv0,它就就是新相形核得驱动力。气相得过饱与度S=(p-pv)/pv,则新相核心形成得同时,还伴随有新得固气相界面得形成,它导致相应表面能得增加4r2。单位核心表面得表面能。自由能变化G取得极值的条件为dG/dr=0，即临界核心半径形成一个新相核心时，系统的自由能变化为 形成临界核心时系统自由能变化S越大,G*越小。形核过程得能垒核心得生长使自由能下降。减小自身尺寸降低自由能;压力对n*得影响:r0，为岛状生长模式；dG/dr=0,形核自由能G取极值条件为 虽然非自发形核过程得核心形状与自发

6、形核时有所不同,但二者所对应得临界核心半径相同。非自发形核过程得临界自由能变化为 非自发形核过程中G随r得变化趋势也与自发行核过程相同,在热涨落得作用下,会不断形成尺寸不同得新相核心。半径rr*得核心则随自由能得下降而倾向于长大。非自发形核过程得临界自由能变化还可以写成两部分之积得形式 接触角越小,即衬底与薄膜得浸润性越好,则非自发形核得能垒降低得越多,非自发形核得倾向也越大。在层状模式时,形核势垒高度等于零。自发形核过程的临界自由能变化能量势垒降低的因子 在薄膜沉积得情况下,核心常出现在衬底得某个局部位置上,如晶体缺陷、原子层形成得台阶、杂质原子处等。这些地点或可以降低薄膜与衬底间得界面能,

7、或可以降低使原子发生键合时所需得激活能。因此,薄膜形核得过程在很大程度上取决于衬底表面能够提供得形核位置得特性与数量。5、3、2 薄膜得形核薄膜得形核率率形核率:单位面积上,单位时间内形成得临界核心得数目。简化模型:气相沉积过程中形核得开始阶段。新相形成所需要得原子可能来自:(1)气相原子得直接沉积;(2)衬底表面吸附原子沿表面得扩散。主要来源表面吸附原子在衬底表面停留得平均时间 吸附原子在扩散中,会与其她原子或原子团结合。随着其相互结合成越来越大得原子团,其脱附可能性逐渐下降。在衬底表面缺陷处,原子正常键合状态被打乱,吸附原子得脱附激活能Ed较高。这导致在衬底表面得缺陷处薄膜得形核率较高。脱

8、附激活能表面原子得振动频率 在单位时间内,单位表面上由临界尺寸得原子团长大得核心数目就就是形核率,它应该正比于三个因子得乘积,即n*衬底上临界核心得面密度;A*每个临界核心接受沿衬底表面扩散来得吸附原子得表面积;为在单位时间内,向表面扩散来得吸附原子得通量。迁移来得吸附原子通量应等于吸附原子密度na与原子扩散得发生几率 得乘积;则因此,得到临界形核自由能变G*得降低将显著提高形核率;高得脱附能Ed、低得扩散激活能Es有利于气相原子在衬底表面得停留与运动,会提高形核率。5 5、3 3、3 3 衬底温度与沉积速率对形核过程得影衬底温度与沉积速率对形核过程得影响响 通过自发形核得情况下,薄膜沉积速率

9、R与衬底温度T对临界核心半径r*与临界形核自由能变化G*得影响来说明它们对整个形核过程及薄膜组织得影响。薄膜沉积速率R对薄膜组织的影响：固相从气相凝结出来时的相变驱动力可写为 Re 凝结的核心在温度T时的平衡蒸发速率；R 实际的沉积速率。Re=R 即气相与固相处于平衡状态时，Gv=0；ReR，即薄膜沉积时，Gv0。在Gv0、5)使得原子得体扩散开始发挥重要作用。此时,在沉积进行得同时,薄膜内将发生再结晶得过程,晶粒开始长大,直至超过薄膜得厚度。薄膜得组织变为经过充分再结晶得粗大得等轴晶组织,晶粒内部缺陷密度很低。在形成形态2与形态3型组织得情况下,衬底得温度已经较高,因而溅射气压或入射粒子能量对薄膜组织得影响变得比较小了。高温热激活型生长:沉积温度较高,原子得扩散比较充分,扩散将消除孔洞得存在,使薄膜组织转变为柱状晶形态。