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1、薄膜的形成过程及生长方式 学号：12级3班1目录目录5.1 薄膜生长过程概述薄膜生长过程概述5.2 形核阶段形核阶段5.3 薄膜生长过程与薄膜结构薄膜生长过程与薄膜结构 习题习题25.1、薄膜生长过程概述、薄膜生长过程概述薄膜的生长可划分为两个不同阶段：薄膜的生长可划分为两个不同阶段： 新相的形核阶段新相的形核阶段 薄膜的生长阶段薄膜的生长阶段5.1.1 形核形核 形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲是一个气固相变的过程。形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲是一个气固相变的过程。3 薄膜通常通过材料的薄膜通常通过材料的气态原子凝聚气态原子凝聚而形成。在薄膜形成的最早阶段，而形成。在薄膜形成的最早阶段，
2、原子凝聚是以原子凝聚是以三维方式三维方式开始的，然后通过开始的，然后通过扩散过程扩散过程核长大形成连续膜。核长大形成连续膜。 薄膜新奇的结构特点和性质大部分归因于生长过程，所以薄膜新奇的结构特点和性质大部分归因于生长过程，所以薄膜生长是薄膜生长是最为基本的。最为基本的。4 5.12薄膜的生长模式薄膜的生长模式薄膜的生长模式可以归纳为三种：薄膜的生长模式可以归纳为三种：（1）岛状模式（）岛状模式（Volmer-Weber模式）；模式）；（2）层状模式（）层状模式（Frank-van der Merwe）；）；（3）层岛复合模式（）层岛复合模式（Stranski-Krastanov）三种模式的示意
3、图三种模式的示意图5.2561. 岛状模式岛状模式在绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母等非金属衬底上沉积金属大多数都在绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母等非金属衬底上沉积金属大多数都是这一生长模式。是这一生长模式。72. 层状模式层状模式例如，半导体膜的单晶外延生长就是这种模式。例如，半导体膜的单晶外延生长就是这种模式。85.2 形核阶段形核阶段新相的形核过程分为两种类型：即新相的形核过程分为两种类型：即自发形核和非自发形核自发形核和非自发形核。所谓所谓自发形核自发形核指的是整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的；指的是整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的；非自发形核非自发形核则指的是除
4、了有相变自由能做推动力外，还有其他的因素起则指的是除了有相变自由能做推动力外，还有其他的因素起着帮助新相核心生成的作用。着帮助新相核心生成的作用。9 温度越高温度越高，则需要形成的临界核心的尺寸越大，形核的临界自由能，则需要形成的临界核心的尺寸越大，形核的临界自由能势垒也越高，这与高温时沉积的薄膜首先形成粗大的岛状组织相吻合。势垒也越高，这与高温时沉积的薄膜首先形成粗大的岛状组织相吻合。 低温时低温时，临界形核自由能下降，形成的核心的数目增加，将有利于，临界形核自由能下降，形成的核心的数目增加，将有利于形成晶粒细小而连续的薄膜组织。形成晶粒细小而连续的薄膜组织。105.3 、薄膜生长过程与薄膜
5、结构、薄膜生长过程与薄膜结构 薄膜的生长模式可以分为薄膜的生长模式可以分为外延式生长外延式生长和和非外延式生长非外延式生长两种生长模式。两种生长模式。 115.3.2 低温抑制型薄膜生长低温抑制型薄膜生长 在在衬底温度较低衬底温度较低的情况下，沉积薄膜呈现一种的情况下，沉积薄膜呈现一种纤维状的组织纤维状的组织，这是在，这是在沉积过程中沉积过程中原子扩散能力有限、大量晶核竞争生长的结果原子扩散能力有限、大量晶核竞争生长的结果。在薄膜的断面上，这种纤维状组织表现的最为明显，这是因为在薄膜的断面上，这种纤维状组织表现的最为明显，这是因为纤维状组纤维状组织的晶粒边界处密度较低，结合强度较弱织的晶粒边界
6、处密度较低，结合强度较弱，所以是常常发生断裂的地方。，所以是常常发生断裂的地方。如图如图5.10所示。所示。1213纤维状组织的一个特点是：纤维的生长方向与粒子的入射方向近似地满纤维状组织的一个特点是：纤维的生长方向与粒子的入射方向近似地满足足正切夹角关系正切夹角关系。 tan 2tan ，分别为粒子入射方向和纤维生长方向与衬底法向间的夹角。分别为粒子入射方向和纤维生长方向与衬底法向间的夹角。实验证明，实验证明，纤维状生长与薄膜沉积时原子入射的方向性有关纤维状生长与薄膜沉积时原子入射的方向性有关。14由图中可以看由图中可以看出，随着温度出，随着温度的提高，薄膜的提高，薄膜密度上升。密度上升。1
7、5低温抑制型薄膜沉积过程的特点：低温抑制型薄膜沉积过程的特点：原子的表面原子的表面扩散能力较低扩散能力较低，其沉积的位置就是其入射到薄膜表面时的，其沉积的位置就是其入射到薄膜表面时的位置位置;决定薄膜组织的唯一因素是原子的入射方向决定薄膜组织的唯一因素是原子的入射方向;形成的薄膜充满了缺陷和孔洞，表面粗糙。形成的薄膜充满了缺陷和孔洞，表面粗糙。165.3.3 高温热激活型薄膜生长高温热激活型薄膜生长当当沉积温度较高沉积温度较高时，原子扩散较为充分，时，原子扩散较为充分，扩散扩散就会影响薄膜的组织结构就会影响薄膜的组织结构和形貌。它可以和形貌。它可以消除孔洞消除孔洞的存在，使薄膜组织状变为的存在
8、，使薄膜组织状变为柱状晶形态柱状晶形态。由于原子的平均扩散距离随着温度的上升呈由于原子的平均扩散距离随着温度的上升呈指数形式增加指数形式增加，因此，组织，因此，组织形态的转变发生在形态的转变发生在0.3Tm附近附近很小的温度区域。很小的温度区域。17由图可以看出，随着衬底温度的上升，薄膜中的孔洞迅速减少。由图可以看出，随着衬底温度的上升，薄膜中的孔洞迅速减少。图图5.175.17是二维模拟得是二维模拟得出的出的3030角倾斜入射角倾斜入射沉积时，薄膜组织随沉积时，薄膜组织随沉积温度的变化情况。沉积温度的变化情况。18图图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的影响显示了衬底温度对薄膜表面形貌的影响19可以看出，薄膜的表面形貌从低温的可以看出，薄膜的表面形貌从低温的拱形表面形貌变化为由晶体学平拱形表面形貌变化为由晶体学平面构成的多晶形貌。面构成的多晶形貌。当温度更高时，薄膜内部发生再结晶，晶粒尺寸增加到与薄膜厚度相当温度更高时，薄膜内部发生再结晶，晶粒尺寸增加到与薄膜厚度相仿，薄膜的组织变为形态仿，薄膜的组织变为形态3 3型的等轴晶组织。型的等轴晶组织。20复习题复习题薄膜的生长模式有几种？分别以图示之。薄膜的生长模式有几种？分别以图示之。 21
