薄膜生长与薄膜结构(共68张PPT).pptx

薄膜生长与薄膜结构;第二讲 薄膜材料的形核与生长;从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起, 薄膜的制备与应用已经有一千多年的发展 。 从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地研究薄膜材料则起始于本世纪五十年代。 直到21世纪80年代, 薄膜科学才发展成为一门相对独立的学科。 薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作者, 而且受到各国高技术产业界的广泛关注。 薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料科学、信息科学乃至生命科学等各个研究领域, 薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉的边缘学科。 ;现代技术科学的发展,特别是微电子技术的发展打破了过去体材料的一统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板就可以完成。薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效技术手段。;本讲主要内容： 　2.1 吸附,表面扩散和凝结 2.2 形核与生长 　３.1 自发形核理论 　３.2 非自发形核过程热力学 ３.3 薄膜形核率 3.４ 沉积速率和衬底温度对形核过程的影响;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最终性能;薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程;薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程;2. 薄膜的形成过程;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;吸附、表面扩散与凝结;薄膜形核与生长;薄膜形核与生长;层状生长（Frank-vander Merwe型）模式： 当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的??子更倾向于与衬底原子键合。薄膜从成膜初期的形核阶段开始，一直按二维扩展的模式进行层状生长，例如Si基板上的Si薄膜。在这种模式下，已经没有意义十分明确的形核阶段出现。每一层原子都自发地平铺于衬底或薄膜的表面，以降低系统的总能量。;层状－岛状生长（Stranski-Krastanov型）模式：又称为层状—岛状中间生长模式。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。例如Si基板上的Ag薄膜。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，根本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。例如，由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，为降低应变能，由层状模式转化为岛状模式，等等。 ;形核与生长的物理过程;（2）吸附气相原子在基体表面上扩散迁移，互相碰撞结合成原子对或小原子团，并凝结在基体表面上。 ;（3）小原子团和其他吸附原子碰撞结合，或者释放一个单原子。这个过程反复进行，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。 　　含有临界值原子数的原子团称为临界核，稳定的原子团称为稳定核。 ;（4）稳定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为小岛。 ;形核与生长的物理过程;薄膜形核与生长中出现的装饰条纹;单层生长;主要有两种理论模型用于描述形核与生长过程;在薄膜沉积过程的最初阶段，都需要有新相的核心形成。新相的形核过程可以被分为两种类型：即自发形核与非自发形核过程。; 新相的自发形核理论;r*：能够平衡存在的最小的固相核心半径，又称为临界核心半径 ;?Gv：单位体积的固相在凝结过程中的相变自由能之差 。 ;形成临界核心时系统的自由能变化 ：;新相核心的形成速率：;薄膜非自发形核核心的示意图;薄膜非自发形核核心的示意图;薄膜非自发形核核心的示意图;薄膜非自发形核核心的示意图;平均吸附时间?a与脱附活化能Ed及基板温度T之间的关系 在这些面积内会形成原子对或三原子团。 第五十九页，共68页。 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最终性能 S?<1：即小于单位面积，在每个吸附原子的捕获面积内只有一个原子，故不能形成原子对，不能发生凝结。 物理吸附：入射原子与固体表面原子的吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起作用； 第二十一页，共68页。 薄膜非自发形核核心的示意图 薄膜技术作为器件微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。 新相的形核过程可以被分为两种类型：即自发形核与非自发形核过程。 假设?0’＝ ?0，吸附原子