薄膜的生长过程和薄膜结构

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1、5薄膜的生长过程和薄膜结构5.1薄膜生长过程概述薄膜的生长过程直接影响薄膜的结构和性能。以真空蒸发的薄膜形成为例薄膜的生长过程：1.新相的形核阶段;2.薄膜的生长阶段。薄膜生长过程和结构1新相的形核阶段：气态的原子或分子凝聚到衬底表面，扩散迁移形成晶核，晶核结合其他吸附的气相原子逐渐长大形成小岛。表面扩散核形成核成长原子团临界值稳定值入射原子束再蒸发反射入射原子束直接碰撞临界核稳定核薄膜生长过程和结构2电子衍射ED透射电子显微镜TEM薄膜的生长阶段：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生

2、长过程和结构3薄膜生长过程和结构4薄膜的生长模式：(1)岛状生长(Volmer—Weber)模式对很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的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的有利位置，随着沉积原子的不断增加，衬底上也会聚集起许多薄膜的三维核心。岛状核心的形成表明，被沉积的物质与衬底之间的浸润性较差。许多金属在非金属衬底上都采取这种生长模式。薄膜生长过程和结构5(2)层状生长(Frank-vanderMerwe)模式当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，薄膜的沉积表现为层状生长模式。

3、在层状生长模式下，已没有意义十分明确的形核阶段出现。在极端情况下，即使是沉积物的分压已低于纯组元的平衡分压时，沉积的过程也会发生。薄膜生长过程和结构6(3)层状—岛状(Stranski-Krastanov)生长模式最开始的一两个原子层的层状生长之后，生长模式从层状模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。薄膜生长过程和结构7层状-岛状生长模式的原因：1)开始时是外延式的层状生长，由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，随着沉积原子层的增加，应变能增加。为松弛应变能，生长到一定

4、厚度，薄膜生长转化为岛状模式。薄膜生长过程和结构82)在Si、GaAs等半导体材料的晶体结构中，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的(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原子所要求的三个键合电子，而且剩余的一对电子使As原子不再倾向于与其他原子发生进一步的键合。吸附了As原子的Si(111)表面具有极低表面能，使其后As、Ga原子的沉积模式转变为三维岛状的生长模式。薄膜生长过程和结构93)在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将暴露的

5、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，开始的时候层状生长的自由能较低，但其后，岛状生长模式在能量上变得更为有利。薄膜生长过程和结构105.2新相的自发形核理论新相形核过程的类型：自发形核：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：除了有相变自由能作推动力之外，还有其他的因素起着帮助新相核心生成的作用。薄膜生长过程和结构11在薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下，薄膜的形核过程可以近似地被认为是一个自发形核的过程。从过饱和气相中凝结出一个球形的新相核心的过程：薄膜生长

6、过程和结构12形成新相核心时，体自由能变为(4/3)πr3ΔGvΔGv—单位体积的固相在凝结过程中的相变自由能之差。pv、p—凝结相的平衡蒸气压和气相的实际压力；Jv、J—凝结相的蒸发通量和气相的沉积通量；Ω—原子体积。薄膜生长过程和结构13当过饱和度为零时，ΔGv=0，没有新相的核心形成，或者已经形成的新相核心不再长大；当气相存在过饱和现象时，ΔGv<0，它就是新相形核的驱动力。气相的过饱和度S=(p-pv)/pv，则薄膜生长过程和结构14新相核心形成的同时，还伴随有新的固—气相界面的形成，它导致相应表面能的增加4πr2γ。γ—单位核心表面

7、的表面能。自由能变化ΔG取得极值的条件为dΔG/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。薄膜生长过程和结构15形核过程的能垒核心的生长使自由能下降。减小自身尺寸降低自由能；薄膜生长过程和结构16压力对n*的影响：r

8、的平衡常数nj—含j个原子的核心的面密度；n1—衬底表面单个原子的面密度。薄膜生长过程和结构17ΔG*—临界核心的形核自由能；ns—依赖于n1的常数。临界核心的面密