薄膜的形成過程及生長方式

1、1,薄膜的形成過程及生長方式,主講人：張寶賢 學(xué)號：12191082 班級：12級3班,2,目錄,5.1 薄膜生長過程概述 5.2 形核階段 5.3 薄膜生長過程與薄膜結(jié)構(gòu) 習(xí)題,3,5.1、薄膜生長過程概述,薄膜的生長可劃分為兩個不同階段： 新相的形核階段 薄膜的生長階段 5.1.1 形核 形核是薄膜的誕生階段，從本質(zhì)上講是一個氣固相變的過程。,4,薄膜通常通過材料的氣態(tài)原子凝聚而形成。在薄膜形成的最早階段，原子凝聚是以三維方式開始的，然后通過擴(kuò)散過程核長大形成連續(xù)膜。 薄膜新奇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)大部分歸因于生長過程，所以薄膜生長是最為基本的。,5,5.12薄膜的生長模式,薄膜的生長模式可以歸

2、納為三種： （1）島狀模式（Volmer-Weber模式）； （2）層狀模式（Frank-van der Merwe）； （3）層島復(fù)合模式（Stranski-Krastanov） 三種模式的示意圖5.2,6,7,1. 島狀模式,在絕緣體、鹵化物晶體、石墨、云母等非金屬襯底上沉積金屬大多數(shù)都是這一生長模式。,8,2. 層狀模式,例如，半導(dǎo)體膜的單晶外延生長就是這種模式。,9,5.2 形核階段,新相的形核過程分為兩種類型：即自發(fā)形核和非自發(fā)形核。 所謂自發(fā)形核指的是整個形核過程完全是在相變自由能的推動下進(jìn)行的； 非自發(fā)形核則指的是除了有相變自由能做推動力外，還有其他的因素起著幫助新相核心生成的作

3、用。,10,溫度越高，則需要形成的臨界核心的尺寸越大，形核的臨界自由能勢壘也越高，這與高溫時沉積的薄膜首先形成粗大的島狀組織相吻合。 低溫時，臨界形核自由能下降，形成的核心的數(shù)目增加，將有利于形成晶粒細(xì)小而連續(xù)的薄膜組織。,11,5.3 、薄膜生長過程與薄膜結(jié)構(gòu),薄膜的生長模式可以分為外延式生長和非外延式生長兩種生長模式。,12,5.3.2 低溫抑制型薄膜生長,在襯底溫度較低的情況下，沉積薄膜呈現(xiàn)一種纖維狀的組織，這是在沉積過程中原子擴(kuò)散能力有限、大量晶核競爭生長的結(jié)果。 在薄膜的斷面上，這種纖維狀組織表現(xiàn)的最為明顯，這是因?yàn)槔w維狀組織的晶粒邊界處密度較低，結(jié)合強(qiáng)度較弱，所以是常常發(fā)生斷裂的地

4、方。 如圖5.10所示。,13,14,纖維狀組織的一個特點(diǎn)是：纖維的生長方向與粒子的入射方向近似地滿足正切夾角關(guān)系。 tan 2tan ，分別為粒子入射方向和纖維生長方向與襯底法向間的夾角。 實(shí)驗(yàn)證明，纖維狀生長與薄膜沉積時原子入射的方向性有關(guān)。,15,由圖中可以看出，隨著溫度的提高，薄膜密度上升。,16,低溫抑制型薄膜沉積過程的特點(diǎn)：,原子的表面擴(kuò)散能力較低，其沉積的位置就是其入射到薄膜表面時的位置; 決定薄膜組織的唯一因素是原子的入射方向; 形成的薄膜充滿了缺陷和孔洞，表面粗糙。,17,5.3.3 高溫?zé)峒せ钚捅∧どL,當(dāng)沉積溫度較高時，原子擴(kuò)散較為充分，擴(kuò)散就會影響薄膜的組織結(jié)構(gòu)和形貌。它可以消除孔洞的存在，使薄膜組織狀變?yōu)橹鶢罹螒B(tài)。 由于原子的平均擴(kuò)散距離隨著溫度的上升呈指數(shù)形式增加，因此，組織形態(tài)的轉(zhuǎn)變發(fā)生在0.3Tm附近很小的溫度區(qū)域。,18,由圖可以看出，隨著襯底溫度的上升，薄膜中的孔洞迅速減少。,圖5.17是二維模擬得出的30角傾斜入射沉積時，薄膜組織隨沉積溫度的變化情況。,19,圖5.18顯示了襯底溫度對薄膜表面形貌的影響,20,可以看出，薄膜的表面形貌從低溫的拱形表面形貌變化為由晶體學(xué)平面構(gòu)成的多晶形貌。 當(dāng)溫度