薄膜的生长过程和薄膜结构

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1、第五章薄膜的生长过程和薄膜结构1本章研究内容：薄膜具体的生长过程；薄膜的微观组织；微观组织与生长条件的具体关系。2第一节薄膜生长过程概述第二节新相的自发形核理论第三节新相的非自发形核理论第四节连续薄膜的形成第五节薄膜生长过程与薄膜结构第六节非晶薄膜第七节薄膜织构第八节薄膜的外延生长第九节薄膜中的应力和薄膜的附着力3第一节薄膜生长过程概述薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及它最终的性能。薄膜的生长过程大致划分为两个阶段：新相形核阶段、薄膜生长阶段。4一.薄膜的生长过程在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底表面上，从而开始了形核阶段。在衬底表面上形成一些均匀、

2、细小而且可以运动的原子团，这些原子团称为“岛”。小岛不断地接受新的沉积原子，并与其他的小岛合并而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。5小岛通过相互合并而扩大（类似液珠一样）而空出的衬底表面又形成了新的岛。像这样的小岛形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛逐渐连接成片，最后只留下一些孤立的孔洞，并逐渐被后沉积的原子所填充。6凝聚原子团长大、合并连接成片，存在孔洞形成连续薄膜薄膜的生长过程7二.薄膜生长阶段的三种模式岛状生长（Volmer-Weber）模式层状生长(Frank-vanderMerwe)模式层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式8岛状生长（Vo

3、lmer-Weber）模式条件：对多数薄膜和衬底来说，只要衬底的温度足够高，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。9该生长模式表明：被沉积物质原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差。典型例子：在非金属衬底上沉积金属薄膜10二.层状生长(Frank-vanderMerwe)模式条件：当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，

4、薄膜沿衬底表面铺开。只要在随后的过程中，沉积物原子间的键合倾向仍大于形成外表面的倾向，则薄膜生长将一直保持这种层状生长模式。11特点：每一层原子都自发地平铺于衬底或者薄膜的表面，降低系统的总能量。典型例子：沉积ZnSe薄膜时，一种原子会自发地键合到另一种原子所形成的表面上。123.层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式在层状—岛状生长模式中，在最开始的一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。根本原因：薄膜生长过程中各种能量的相互消长。13层状-岛状生长模式的三种解释：虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间的晶格常数不匹配

5、，因而随着沉积原子层的增加，应变逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。14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）面上外延生长GaAs时，由于As原子自身拥有5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原子不再倾向与其他原子发生进一步的键合。这时，吸附了As原子的Si（111）面已经具有了极低的表面能，这导致其后As、Ga原子的沉积模式转变为三维岛状的生长模式。15在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降

6、低表面能，薄膜力图将暴露的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转变为岛状模式转变。总结：在上述各种机制中，开始时的时候层状生长的自由能较低，但其后岛状生长在能量方面反而变得更加有利。16第二节新相的自发形核理论一.形核过程的分类：在薄膜沉积过程的最初阶段，都需要有新核心形成。17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。发生条件：一般只是发生在一些精心控制的环境中。非自发形核过程：指的是除了有相变自由能作推动力之外，还有其它的因素起到了帮助新相核心生成的作用。发生条件：在大多数的固体相变过程中。18二.自发形核理论1．自发

7、形核过程的自由能变化（自发形核过程的热力学）（a）相变自由能的表达式—单位体积的固相在凝结过程中的相变自由能之差假设从过饱和气相中凝结出一个球形的固相核心，设新相核心的半径为r，则形成一个新相核心时，体自由能变化为：19由于对于自发形核过程，有其中，是原子体积，Pv是固相的平衡蒸汽压，P是气相实际的过饱和蒸汽压；Jv是凝结相的蒸发通量；J是气相的沉积通量。20令表示气相的过饱和度则有讨论：①当S＝0时，，此时无新相的核心可形成，或已经形成的新相核心不能长大。②当S＞0时，，它就是新相形核的驱动力。21（