表面工程技术5薄膜的生长和性能

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1、西北工业大学材料学院表面工程技术李阳平§5薄膜的生长和性能§5.1薄膜的生长薄膜的生长过程一般分为成膜粒子的凝结过程、核的形成与长大过程、岛的形成与合并生长过程。一、凝结过程包括吸附、表面扩散和凝结等过程。凝结过程是簿膜生长的第一阶段。在气相镀膜中，凝结过程是气相原子、离子或分子入射到衬底表面后，气相吸附相凝结相的一个相变过程。1、吸附过程固体表面的不饱和键或悬挂键具有吸引外来原子或分子的能力，即吸附。表面自由能；吸附力；吸附能。物理吸附；化学吸附。解吸；解吸能。（1）吸附过程中的能量变化关系当入射到基体

2、表面的气相原子动能较小时，处于物理吸附状态，其吸附能用Qp表示。当这种气相原子动能较大、但小于或等于Ea时则可产生化学吸附。达到完全化学吸附时，这种气相原子释放出能量Ed。Ed与Ea的差值Qc称为化学吸附热，Ea称为激活能，由此可以看出化学吸附是一种激活过程。因为Qc>Qp，所以只有动能较大的气相原子才能和基体表面产生化学吸附。当化学吸附的原子获得的动能大于Ed时，它将不再被基体表面吸附，通过再蒸发或解吸而转变为气相，因此Ed又称为解吸能。32西北工业大学材料学院表面工程技术李阳平（2）吸附原子在表面的平

3、均停留时间吸附的气相原子在基体表面上的平均停留时间τa与解吸能Ed之间的关系为：式中τ0是单层原子的振动周期，数值大约为10-14～10-12秒，k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。在室温下，不同解吸能Ed与平均停留时间τa的关系如下表。可以看出，当Ed大于20kcal/mol时，τa值急剧增长到超过通常的实验时间。Ed(kcal／mol)τa(s)Ed(kcal／mol)τa(s)2.56.6×10-12203.8×1054.4×10-10251.7×105101.6×10-6307.3×108158.5×

4、10-32、表面扩散过程（1）扩散过程吸附原子在表面上停留期间，便失去了在表面法线方向的动量，只具有与表面水平方向相平行运动的动量。依靠这种运动的动能，吸附原子在表面上作不同方向的表面扩散运动。下图是吸附原子表面扩散示意图。32西北工业大学材料学院表面工程技术李阳平ED为表面扩散能，是表面吸附原子进行扩散时需要克服的阻力能量。可以看到表面扩散能ED比解吸能Ed小得多，大约是~。（2）平均表面扩散时间吸附原子在一个吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散时间，τD。它和表面扩散能ED之间的关系是：式中是表面原子

5、沿表面水平方向振动的周期，大约为10-13～10-12秒。k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。一般认为。（3）平均表面扩散距离吸附原子在表面停留时间内，经过扩散运动所移动的距离（从起始点到终点的间隔）称为平均表面扩散距离，并用表示，它的数学表达式为：式中D是表面扩散系数。若用a0表示相邻吸附位置的间隔，则表面扩散系数定义为：。这样，平均表面扩散距离可表示为：3、凝结过程（1）扩散是形成凝结的必要条件在表面扩散过程中，单个吸附原子间相互碰撞形成原子对或小原子团之后其能量进一步下降，才能产生凝结。凝结后的原子不再

6、容易发生解吸或扩散。32西北工业大学材料学院表面工程技术李阳平在研究薄膜生长过程时所说的凝结就是指吸附原子结合成原子对或小原子团之后进一步长大成稳定核的过程。吸附原子的表面扩散运动是形成凝结的必要条件。从公式看出，Ed和ED值的大小对凝结过程有较大影响：表面扩散能ED越大，扩散越困难，平均扩散距离也越短，吸附原子不易相遇而形成原子对，因此不易凝结。解吸能Ed越大，吸附原子在表面上停留时间越长，则平均扩散距离也越长。这对形成凝结过程非常有利。（2）吸附原子发生凝结的捕获截面假设单位时间内沉积在单位基体表面上

7、的原子数（碰撞平率）为J（个/cm2·s），吸附原子在表面的平均停留时间为τa，那么单位基体表面上的吸附原子数n1为：吸附原子表面扩散时间为τD，它在基体表面上的扩散迁移频度fD为：假设，则吸附原子在基体表面停留时间内所迁移的次数为：一个吸附原子在这样的迁移中与其它吸附原于相碰撞就可形成原子对。这个原子的捕获截面SD定义为：SD＝N/n0式中n0是衬底表面单位面积上的吸附位置数，则所有原子的总捕获界面为：因此，总的捕获截面与吸附原子数n1、吸附位置数n0、解吸能Ed及表面扩散能ED有关。讨论：1）若SΣ＜

8、l，即小于单位面积，在每个吸附原子的捕获截面内只有一个原子32西北工业大学材料学院表面工程技术李阳平，故不能形成原子对，也就不发生凝结。2）若l＜SΣ＜2，则发生部分凝结。在这种情况下，平均地说，吸附原子在其捕获范围内有一个或二个吸附原子。在这些面积内会形成原子对或三原子团。其中一部分吸附原子在渡过停留时间后又可能置新蒸发掉。3）若SΣ＞2，平均地说，在每个吸附原子捕获面积内，至少有两个吸附原子。因此所有的吸附原子都可结合为原