第八章薄膜生长基础.pptVIP

薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 薄 膜 生 长 基 础 * 薄膜的生长过程 薄膜结构 表面吸附 表面扩散 晶核形成与生长过程 岛形成、合并与生长过程 连续的薄膜形成 表面吸附 从蒸发源或溅射源入射到基板表面的气相原子都带有一定的能量它们到达基板表面之后可能发生三种现象：与基板表面原子进行能量交换被吸附；与基板表面不进行能量交换，入射到基板表面上立即被反射回去；就吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基板表面作短暂停留(或扩散)后，再解吸蒸发(再蒸发或二次蒸发)； 表面扩散 吸附原子的表面扩散运动是形成凝结的必要条件 ；吸附原子在基体表面停留时间内所迁移的次数为 表面扩散激活能ED?，平均表面扩散距离?； 脱附活化能Ed?，?D?，平均表面扩散距离? 性能 凝结过程(起始沉积过程） 指吸附原子在基体表面上形成原子对及其以后的过程 吸附原子的捕获面积 所有吸附原子的总捕获面积 N 吸附原子在基体表面停留时间内所迁移的次数 ?m为单位基体表面上的吸附位数或液态表面的分子数 起始沉积过程分类 起始不易沉积状态（不发生凝结） 此时所有原子的俘获面积只能够覆盖部分衬底，俘获面积重叠的概率可以忽略，一般在驻留时间内两个原子不能结合成核，衬底上将保持一定密度的单个增原子作扩散运动并有很大的概率再蒸发．这种情形被称为起始不易沉积状态． 起始不完全沉积状态(发生部分凝结) 此时两个原子的俘获面积重叠的部分能够覆盖一部分衬底．覆盖部分愈大，两个原子结合成的晶核的数目愈多．俘获面积不重叠的衬底面积上再蒸发概率较大．两个原子结合成的晶核的数目可以随新的沉积原子的到达而增大．这种情形被称为起始不完全沉积状态 起始完全沉积状态(完全凝结) 此时衬底上两个原子俘获面积重叠的部分覆盖全部衬底，两个原子处处能够结合核．这些晶核的俘获面积也覆盖全部衬底，使新到达的沉积原子都被这些晶核俘获，不再形成新晶核．单原子在驻留时间内都可以和晶核结合，再蒸发的概率可以忽略．所以这种情形被称为起始完全沉积状态． 薄膜形成的三种模式 岛状生长(Volmer—Weber型)模式 润湿角不为零，成膜初期按三维形核方式，生长为一个个孤立的岛，再由岛合并成薄膜。这一生长模式表明，被沉积物质的原子或分子更倾向于彼此相互键合起来，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，例如SiO2基板上的Au薄膜。 层状生长(Frank—van der Merwe型)模式 润湿角为零，从成膜初期开始，一直按二维层状生长，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原子键合。薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式。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。例如Si基板上的Si薄膜。 层状-岛状模式 在成膜初期，按二维层状生长，形成数层之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，例如Si基板上的Ag薄膜。 举例：先层状而后岛状的复合生长——物理机制 层状外延生长表面是表面能比较高的晶面。在Si的(111)晶面上外延生长GaAs时，由于第一层拥有五个价电子的As原子不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和。为了降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面。使得其后的沉积过程转变为三维的岛状生长。 开始时的生长是外延式的层状生长，由于存在晶格常数的不匹配配，因而随着沉积原子层的增加，应变能逐渐增加。为了松弛这部分能量，当薄膜生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。 薄膜形核与生长的物理过程 表面吸附 气相原子吸附在基体表面上 表面扩散 小原子团凝结在基体表面上 形核 小原子团和其他吸附原子碰撞结合或释放一个单原子。反复进行，一旦原子团中的原子数超过某一个临界值，原子团进一步与其他吸附原子碰撞结合，只向着长大方向发展形成稳定的原子团； 晶核接触、合并，形成岛状构造 稳定晶核再捕获其他吸附原子或者与入射气相原子相结合使它进一步长大成岛。岛状构造其尺寸大致从5～8nm开始； 临界晶核：含有临界值原子数的原子团； 亚稳定晶核：小于临界晶核； 稳定晶核：大于临界晶核； 形成岛与海峡构造 晶核继续生长，形成岛与海峡构造，11～15nm阶段的TEM照片 孔穴构造 海峡再进一步收缩，成为孔穴构造，19nm阶段的TEM照片 均匀而连续薄膜的形成经过这些状态 最终生长成均匀而连续的薄