薄膜生长的基本过程.ppt

《薄膜生长的基本过程.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、薄膜生长的基本过程热力学：判断过程是否能进行动力学：过程怎么进行热力学平衡的时候薄膜不能生长薄膜生长的成核长大动力学吸附、脱附与扩散之间的关系成核长大的动力学起始沉积过程的分类成核率稳定晶核密度合并过程和熟化过程成核长大过程的计算机模拟1.Whatisthenucleationrate(JV)andhowdoesitdependontime,temperature,depositionrate,andthenatureofthefilmandsubstrate?2.Onceformed,whatarethepossiblemechanismsforsubse

2、quentgrowthandcoalescenceofnuclei?3.Whatisthetimedependenceforthegrowthandcoalescenceofnuclei?本章要求：理解成核长大的动力学方程了解温度，入射流速度对成核过程的影响单位时间内入射到表面的原子流密度一、吸附、脱附与扩散间的关系气体分子密度气体分子平均速率J0~p脱附原子流密度：再蒸发速率N为吸附原子浓度Ea为吸附能v为纵向振动频率吸附原子在衬底上的驻留时间：在缺陷（如位错，台阶，扭折）处Ea值会比较大，所以在缺陷处成核密度更高。此外增原子之间一旦结合，就很难脱附，除非

3、原子团重新分解。讨论：平衡时Jc=J0薄膜生长时处于非平衡状态Jc>J0温度升高会降低沉积速率，甚至无法沉积衬底温度增加气相温度增加单位时间内吸附原子的行走步数：Ed为扩散激活能v1为横向振动频率一般的Ea>Ed温度变化对驻留时间的影响更显著吸附原子在衬底上的驻留时间：吸附原子被捕获的几率~u横向振动频率/纵向振动频率~0.25，可认为相等吸附原子的扩散与脱附的关系1/N0驻留时间内吸附原子的扩散总步数：驻留时间内吸附原子的可以到达的衬底面积：N0为单位面积内的吸附位驻留时间内吸附原子的可以到达的衬底范围的半径(就是增原子无规行走ta时间后离原始位置的平均距

4、离)：1/N0EaEd起始沉积过程的分类按起始沉积过程中再蒸发的难易程度和沉积原子能够相遇结合起来的程度区分为三类所有增原子的覆盖面积之和2N0>N0&<2N0起始不易沉积状态俘获位置ma之和2N0沉积原子在驻留时间内能够相遇的几率温度增原子的总数？描述成核长大的基本方程可以将成核过程看成是一系列的双分子反应过程忽略多原子团之间的复合过程以上方程未知数太多，难以求解，可把原子团分成两类，方程可以改写:1.1i稳定原子团和化学反应中各组

5、分浓度的变化一样，可写出含有不同数目的原子团的浓度变化：对于不稳定晶核，可以认为细致平衡原理（局部平衡）成立nx为稳定晶核的总数起始阶段，基本方程变为t>ta后n1的增加速度很慢增原子俘获位置数ma之和增原子数起始沉积阶段相互竞争的过程：迁移，蒸发，成核起始不易沉积状态起始不完全沉积状态起始完全沉积状态TR起始不易沉积状态和起始完全沉积状态下晶核数和吸附原子数随时间的变化Rt沉积总量，Rtb净沉积量(与稳定晶核数相关)关键：n1达到平衡之前是否已经开始成核吸附与脱附平衡沉积状态的转化：要沉积高质量薄膜，需要高的沉积温度，但是温度太高，又会处于起始不易沉积状态

6、，可以在提高温度的同时提高沉积速率。实现转化所需的温度和沉积速率的关系。成核率:单位时间单位面积上稳定晶核增加的速度是统计平衡下各状态的占有概率即不同大小非稳定晶核的数目不变Ei=−DG*细致平衡原理(detailedbalanceprinciple)：当描述系统变化的物理学返程与时间明显无关时，由时间反演对称性可引出原过程的跃迁概率等于逆过程的跃迁概率，即pij=pji.统计物理学中把此倒易定理称为细致平衡原理，它是时间反演对称性的直接后果.例：热量传输；物质扩散;电流;T1T2T312D1D2C1=1；C2=3；C3=2；C4=3权重因子maRa特别的，

7、临界晶核i=1时E1=0讨论：临界晶核只含有单个原子Ag在NaCl(100)的成核率与温度的关系，右上图是最小稳定晶核与临界晶核。形成不同尺寸晶核的条件：i=1i=2i=3或i=1i=3……i=1i=2i=1i=3，i=2i=3T12讨论：i.)外延生长；ii.)E2,Ea薄膜以layer-by-layer方式外延生长时，增原子必须扩散到生长边缘，距离大概100~1000原子距离，要求扩散系数大约为10-8cm2/s所以TE~0.5TM半导体~0.3TM金属~0.1TM卤化物薄膜质量和成核的关系的一般规律初始：成核不受限制以后：成核受限，速率下

8、降晶核数目会饱和临界晶核为单个原子时的稳定晶核密度i