[工学]2009JC备课_5形核生长_薄膜材料与薄膜技术-.pptVIP

③ 形成原子对 薄膜初始阶段，很小的小岛是完美的单晶。 小岛长大→彼此接触→晶界、晶格缺陷→进入薄膜中 单晶薄膜缺陷：缺陷堆、孪晶界 多晶薄膜缺陷：晶界面积多 小缺陷：在淀积薄膜中常观察到的位错环、堆缺陷、四面体和三角缺陷。位错环长10-30nm，环密度约1020/m3 蒸发薄膜中，可形成大量空位，因为： ?一个入射原子进入薄膜晶格时的等效温度比基片温度高得多； ?金属薄膜迅速凝结而成，淀积的原子层还未能与基片达到热平衡，即被新层所覆盖→许多空位陷入膜中。 透射电镜观察：大小一致(2-3nm)的核突然出现。 平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。 两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。结合时类液体特性导致新出现的基片面积上会发生二次成核，结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶体形状，多为六角形。 ① 小岛阶段—成核和核长大 ② 结合阶段 圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形→岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。 小岛结合，岛的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长→连续薄膜。 ③ 沟道阶段 ④ 连续薄膜 （3）沉积参数对薄膜生长影响： 沉积参数对薄膜生长的影响主要体现在： 沉积速率： 　　　与成核时达到的过饱和度、成核取向有关。 沉积原子动能： 　　高动能增加了原子在基底表面的聚集和减小定向生长，增加原子在基片表面的迁移率、加速粒子结合、使粒子密度迅速减小。 气相入射的角度： 　　斜向碰撞可以增加吸附原子在表面迁移的速度分量。 基底温度： 　　影响薄膜生长的粘附系数（多数降低）、高迁移速率、增加岛与岛之间扩散和成核临界尺寸、结晶和取向等 基底结构： 　　基底的成分和结构形式（无定形、单晶和多晶）影响薄膜的结构类型 环境污染： 　　氧和水气 5.4 薄膜的生长模式 （1）岛状模式（Volmer-Weber模式） 这种形成模式在薄膜生长的初期阶段，润湿角不为零，在基片表面上形成许多三维的岛状晶核、核生长、合并进而形成薄膜，大多数膜生长属于此类型。 （2）单层生长模式（Frank-VanderMerwe模式） 沉积原子在基片表面上均匀地覆盖，润湿角为零，在衬底上形成许多二维晶核，晶核长大后形成单原子层，铺满衬底，逐层生长。 （3）层岛复合模式（Stranski-Krastanov模式） 在基片表面上形成一层或更多层以后，随后的层状生长变得不利，而岛开始形成，从二维生长到三维生长转变，岛长大、结合，形成一定厚度的连续薄膜。 5.5 薄膜的结构和缺陷 无定形（非晶）结构： 无序结构，近程有序，远程无序，显示不出任何晶体的性质。如非晶半导体薄膜。 类无定形结构：极其微小的（2nm）晶粒且无规则排列。如高熔点金属薄膜、高熔点非金属化合物薄膜、碳硅锗的某些化合物薄膜，以及两不相容材料的共沉薄膜。 多晶结构： 无规取向的微晶组成，晶粒尺寸大从几十纳米到微 米级。 （1）组织结构 单晶结构： 多在外延制备技术中形成。外延膜，各种半导体外延膜。在一定条件下，薄膜的组织结构可能发生变化，如：从无序到多晶态。伴随着组织结构的转变，薄膜的性能有显著变化。 由于薄膜的制备方法多属于非平衡态过程，且受基片影响，出现和相图不符合的异常结构。 薄膜晶格常数与块体不同原因：薄膜材料的晶格常数与基片的不匹配、热膨胀系数不一致、薄膜表面具有较大的表面张力。 由于晶格不匹配，在界面处，晶格发生畸变，以便于与基片相配合。 （2）晶体结构 af ：薄膜原材料的晶格常数； as ：基片原材料的晶格常数。 当晶格常数相差百分比(af - as)/af ≈2% →畸变区零点几nm. ≈4% →畸变区几十nm. 12% →靠晶格畸变已经达不到匹配， 只能靠位错来调节。 Diamond：0.3567nm cBN: 0.3615 nm 表面张力可使晶格常数发生变化。 r （3） 薄膜中的缺陷 当两个小岛的晶格彼此略为相对转向时，这两个岛结合以后形成位错构成的次晶界。 基片与薄膜的晶格参数不同，两岛间有不匹配的位移。 成膜初期常有孔洞，膜内应力能在孔洞边缘→位错； 在基片表面终止的位错能再向薄膜中延伸； 当含缺陷堆的小岛结合时，在连续薄膜中必须有部分位错连接这些缺陷堆。用电镜→发现绝大多数位错是在沟道(网状)和孔洞阶段产生的。 形成位错的机理： ① 位错 ② 小缺陷 ③ 晶界 薄膜中的晶粒非常小（细小），所以晶界面积较大。晶粒尺寸依赖于淀积条件和退火温度。 薄膜