薄膜形成過程及生長方式實(shí)用教案

1、1目錄(ml) 5.1 薄膜生長(shngzhng)過程概述 5.2 形核階段 5.3 薄膜生長(shngzhng)過程與薄膜結(jié)構(gòu) 習(xí)題第1頁/共21頁第一頁，共22頁。25.1、薄膜生長(shngzhng)過程概述 薄膜的生長可劃分為兩個(gè)不同階段： 新相的形核階段 薄膜的生長階段 5.1.1 形核 形核是薄膜的誕生階段，從本質(zhì)(bnzh)上講是一個(gè)氣固相變的過程。第2頁/共21頁第二頁，共22頁。3 薄膜通常通過材料的氣態(tài)原子凝聚而形成。在薄膜形成的最早階段，原子凝聚是以三維方式開始的，然后通過擴(kuò)散過程核長大形成連續(xù)膜。 薄膜新奇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)大部分歸因于生長(shngzhng)過程，所以

2、薄膜生長(shngzhng)是最為基本的。第3頁/共21頁第三頁，共22頁。4 薄膜的生長薄膜的生長(shngzhng)模式模式 薄膜的生長模式可以(ky)歸納為三種： （1）島狀模式（Volmer-Weber模式）； （2）層狀模式（Frank-van der Merwe）； （3）層島復(fù)合模式（Stranski-Krastanov）第4頁/共21頁第四頁，共22頁。5第5頁/共21頁第五頁，共22頁。61. 島狀模式(msh)在絕緣體、鹵化物晶體(jngt)、石墨、云母等非金屬襯底上沉積金屬大多數(shù)都是這一生長模式。第6頁/共21頁第六頁，共22頁。72. 層狀模式(msh)例如，半導(dǎo)體膜的

3、單晶外延生長(shngzhng)就是這種模式。第7頁/共21頁第七頁，共22頁。85.2 形核階段(jidun) 新相的形核過程分為兩種類型：即自發(fā)(zf)形核和非自發(fā)(zf)形核。 所謂自發(fā)(zf)形核指的是整個(gè)形核過程完全是在相變自由能的推動(dòng)下進(jìn)行的； 非自發(fā)(zf)形核則指的是除了有相變自由能做推動(dòng)力外，還有其他的因素起著幫助新相核心生成的作用。第8頁/共21頁第八頁，共22頁。9 溫度越高，則需要形成的臨界核心的尺寸越大，形核的臨界自由(zyu)能勢壘也越高，這與高溫時(shí)沉積的薄膜首先形成粗大的島狀組織相吻合。 低溫時(shí)，臨界形核自由(zyu)能下降，形成的核心的數(shù)目增加，將有利于形成晶粒

4、細(xì)小而連續(xù)的薄膜組織。第9頁/共21頁第九頁，共22頁。105.3 、薄膜生長過程(guchng)與薄膜結(jié)構(gòu) 薄膜的生長(shngzhng)模式可以分為外延式生長(shngzhng)和非外延式生長(shngzhng)兩種生長(shngzhng)模式。 第10頁/共21頁第十頁，共22頁。115.3.2 低溫(dwn)抑制型薄膜生長 在襯底溫度較低的情況下，沉積薄膜呈現(xiàn)一種纖維狀的組織，這是在沉積過程中原子擴(kuò)散能力有限、大量晶核競爭生長的結(jié)果。 在薄膜的斷面上，這種纖維狀組織表現(xiàn)的最為明顯，這是因?yàn)槔w維狀組織的晶粒邊界處密度較低，結(jié)合強(qiáng)度較弱，所以是常常發(fā)生(fshng)斷裂的地方。 如圖5.1

5、0所示。第11頁/共21頁第十一頁，共22頁。12第12頁/共21頁第十二頁，共22頁。13 纖維狀組織的一個(gè)特點(diǎn)是：纖維的生長方向(fngxing)與粒子的入射方向(fngxing)近似地滿足正切夾角關(guān)系。 tan 2tan ，分別為粒子入射方向(fngxing)和纖維生長方向(fngxing)與襯底法向間的夾角。 實(shí)驗(yàn)證明，纖維狀生長與薄膜沉積時(shí)原子入射的方向(fngxing)性有關(guān)。第13頁/共21頁第十三頁，共22頁。14 由圖中由圖中可以看可以看出出(kn ch)，隨著溫隨著溫度的提度的提高，薄高，薄膜密度膜密度上升。上升。第14頁/共21頁第十四頁，共22頁。15低溫(dwn)抑制

6、型薄膜沉積過程的特點(diǎn)： 原子的表面擴(kuò)散能力較低，其沉積(chnj)的位置就是其入射到薄膜表面時(shí)的位置; 決定薄膜組織的唯一因素是原子的入射方向; 形成的薄膜充滿了缺陷和孔洞，表面粗糙。第15頁/共21頁第十五頁，共22頁。165.3.3 高溫?zé)峒せ?j hu)型薄膜生長 當(dāng)沉積溫度較高時(shí)，原子擴(kuò)散較為充分，擴(kuò)散就會(huì)影響薄膜的組織結(jié)構(gòu)和形貌。它可以消除孔洞的存在，使薄膜組織狀變?yōu)橹鶢罹螒B(tài)。 由于原子的平均擴(kuò)散距離隨著溫度的上升呈指數(shù)形式增加，因此，組織形態(tài)的轉(zhuǎn)變(zhunbin)發(fā)生在Tm附近很小的溫度區(qū)域。第16頁/共21頁第十六頁，共22頁。17 由圖可以看出，隨著襯底溫度的上升，薄由圖可

7、以看出，隨著襯底溫度的上升，薄膜中的孔洞迅速膜中的孔洞迅速(xn s)減少。減少。圖5.175.17是二維模擬得出的3030角傾斜入射沉積時(shí)，薄膜組織隨沉積溫度的變化(binhu)(binhu)情況。第17頁/共21頁第十七頁，共22頁。18第18頁/共21頁第十八頁，共22頁。19 可以(ky)看出，薄膜的表面形貌從低溫的拱形表面形貌變化為由晶體學(xué)平面構(gòu)成的多晶形貌。 當(dāng)溫度更高時(shí)，薄膜內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸增加到與薄膜厚度相仿，薄膜的組織變?yōu)樾螒B(tài)3型的等軸晶組織。第19頁/共21頁第十九頁，共22頁。20復(fù)習(xí)題 薄膜的生長(shngzhng)模式有幾種？分別以圖示之。 第20頁/共21頁第二十頁，共22頁。21感謝您的觀看(gunkn)！第21頁/共21頁第二十一頁，共22頁。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)1。（3）層島復(fù)合模式（Stranski-Krastanov）。在絕緣體、鹵化物晶體、石墨、云母等非金屬襯底上沉積金屬大多數(shù)都是這一生長模式。非自發(fā)形核則指的是除了有相變自由能做推動(dòng)力外，還有其他的因素起著幫助新