《薄膜生长机理》PPT课件

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1、薄膜的形成过程和生长模型薄膜的形成过程是指：形成稳定核之后的过程。薄膜生长模式是指：薄膜形成的宏观形式。成长有三种模式：岛状生长形式；层状生长形式；层岛结合形式。薄膜的形成过程可分为四个主要阶段岛状阶段在透射电子显微镜观察过的薄膜形成过程照片中，能观测到最小核的尺寸约为2～3nm左右。在核进一步长大变成小岛过程中，平行于基体表面方向的生长速度大于垂直方向的生长速度。这是因为核的长大主要是由于基体表面上吸附原子的扩散迁移碰撞结合，而不是入射蒸发气相原子碰撞结合决定的。例如，以MoS2为基片，在400℃下成膜时，Ag或Au膜的起始核密度约为5×1014m-2，最小扩散距离约为50nm。

2、这些不断捕获吸附原子生长的核，逐渐从球帽形、圆形变成多面体小岛。对于岛的形成可用热力学宏观物理量如表面自由能，也可用微观物理量如结合能来判别。利用宏观物理量预测三维岛成长的条件：基体与薄膜的自由能之差小于基体与薄膜的界面自由能。例如：基体和薄膜不能形成合金的情况下，因为薄膜自由能＞0，如果基体自由能＜界面自由能，那么上述关系当然会被满足。如果清楚地知道薄膜和基体不能形成化合物，即使薄膜自由能的大小不清楚，可以预想它还是按照三维岛的方式成长。当核与吸附原子间的结合能大于吸附原子与基体的吸附能时，就可形成三维的小岛。是用微观物理量判别岛成长的条件。联并阶段随着岛不断长大，岛间距离逐渐减

3、小，最后相邻小岛可互相联结合并为一个大岛。这就是岛的联并。联并过程小岛的变化如图所示。小岛联并长大后，基体表面上占据面积减小，表面能降低，基体表面上空出的地方可再次成核。岛的联并与固相烧结相类似。基体温度对岛的联并起着重要作用。在联并时，传质的可能机理是体扩散和表面扩散，其中主要的是表面扩散，核越小时，越是如此。因为已经观察到在短至0.06s时间以内，就可在岛间形成相当线度的颈部（岛间结合部），这可用表面扩散给以满意的解释。虽然小岛联并的初始阶段很快，但在长时间内，新岛继续改变它的形状。所以在联并时和联并后，岛的面积不断发生着改变。在最初几秒内，由于联并使基体表面上的覆盖面积减小，

4、而后又逐渐增大。在联并之初，为了降低表面自由能，新岛的面积减小、高度增大。根据基体、小岛的表面与界面自由能，小岛有一最低能量沟形，该形状有一定高度与半径比。沟道阶段在岛联并之后，新岛进一步生长过程中，它的形状变为圆形的倾向减少。只是在新岛进一步联并的地方才继续发生较大的变形。当岛的分布达到临界状态时互相聚结形成一种网状结构。在这种结构中不规则的分布着宽度为5－20nm的沟渠。随着沉积的继续进行，在沟渠中会发生二次或三次成核。当核长大到与沟渠边缘接触时就联并到网状结构的薄膜上。与此同时，在某些地方，沟渠被联并成桥形，并以类似液体的形式很快地被填充。其结果是大多数沟渠很快被消除，薄膜由

5、沟渠状变为有小孔洞的连续状结构。在这些小孔洞处再发生二次或三次成核。有些核直接与薄膜联并在一起，有些核长大后形成二次小岛，这些小岛再联并到薄膜上。因为核或岛的联并都有类似液体的特点。这种特性能使沟渠和孔洞很快消失。最后消除高表面曲率区域，使薄膜的总表面自由能达到最小。连续膜阶段沟渠和孔洞消除之后，再入射的气相原子直接吸附在薄膜上，通过联并作用而形成不同结构的薄膜。有些薄膜在岛的联并阶段，小岛的取向就发生显著变化。在形成多晶薄膜时，除了在外延膜中小岛联并时必须有一定的取向之外，在联并时还出现一些再结晶现象，以致薄膜中的晶粒大于初始核之间的距离。即使基体在室温条件下，也有相当的再结晶发

6、生。每个晶粒大约包括有100个或更多的初始核区域。由此看出，薄膜中晶粒尺寸的大小取决于核或岛联并时的再结晶过程，而不取决于初始核的密度。薄膜的形成过程包括：（1）单体的吸附；（2）大小不同的各种小原子团（或称胚芽）的形成；（3）形成临界核（开始成核）;（4）由于捕获其周围的单体，临界核长大；（5）在临界核长大的同时，在非捕获区，由单体逐渐形成临界核；（6）稳定核长大到相互接触，彼此结合后形成新的小岛。由于新岛所占面积小于结合前的两岛，所以在基片上暴露出新的面积；（7）在这些新暴露的面积上吸附单体，发生“二次”成核；（8）小岛长大，结合成为大岛，大岛长大，相互结合。在新暴露的面积发生

7、“二次”或“三次”成核；（9）形成带有沟道和孔洞的薄膜；（10）在沟道和孔洞处“二次”或“三次”成核，逐渐形成连续薄膜。溅射薄膜的形成过程用阴极溅射法制备薄膜时薄膜的形成特征与真空蒸发法制备薄膜的簿膜形成过程有很大的不同。因为溅射的靶材粒子到达基体表面时都有非常大的能量。所以阴极溅射薄膜形成时的一些特殊性，都起因于溅射靶材粒子到达基体表面时具有非常大的能量。本节中仅对两种薄膜形成的物理过程的不同之处进行比较研究。沉积离子的产生过程①真空蒸发是一种热过程，即材料由固相变