薄膜的形成过程及生长方式 PPT
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薄膜物理第五章
时间内向上述表面扩散的吸附原子通量 。
33
每个临界核心接受扩散原子的外表面积相当于原 子直径a0围绕冠状核心一周的表面积，如图
A 2r a0 sin
* *
n ns e
*
G * kT
一、非自发形核过程的热力学 自发形核一般只发生在一些精心控制的过程之 中。在大多数相变过程中，形核的过程都是非自发
的。新相的核心将首先出现在那些能量比较有利的
位置上。 假设在形核过程中，衬底表面的原子可以 进行充分的扩散，即其扩散的距离远大于原子 的间距a。
24
考虑图中一个原子团在衬底上形成初期的自由能变 化。这时，原子团的尺寸很小，从热力学的角度讲还处 于不稳定的状态。 它可能吸 收外来原子 而长大，但 也可能失去 已拥有的原 子而消失。
气相的过饱和度S越大，则临界核心的半径越
小，临界核心的自由能变化G*也越小，所需克服 的形核势垒也较低，新相核心较易形成。 当r<r*时，在涨落过程中形成的这个新相核心将 处于不稳定的状态，它通过减小自身的尺寸将可以降
低自由能，因此它将倾向于再次消失。相反，当r>r*
时，新相的核心处于可以稳定生长的状态，它倾向于 继续长大，因为核心的生长将使得自由能下降。
以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜，并且和衬底
有确定的取向关系。例如在Au衬底上生长Pb单晶膜、在 PbSe衬底上生长PbSe单晶膜等。
5
(3) 层核生长型 特点：生长机制介于核生长型和层生长型的
中间状态。在最开始的一两个原子层的层状生长
之后，生长模式从层状转为岛状模式
这种模式转变的机制较复杂，但其本质是薄膜生
3
临界自由能改变G*随r变化的趋势同自发形核时相仿。 在热涨落的作用下，半径r<r*的核心会由于G降 低的趋势倾向于消失，半径r>r*的核心则可能伴随着
第二章薄膜的制备ppt课件
在信息显示技术中的应用
在信息存贮技术中的应用
• 第二是在集成电路等电子工业中的应用， 其中，从外延薄膜的生长这一结晶学角 度看也具有显著的成果。
在计算机技术中的应用
在计算机技术中的应用
• 第三是对材料科学的贡献。薄漠制 备是在非平衡状态下进行，和通常的热 力学平衡条件制备材料相比具有：所得 材料的非平衡特征非常明显;可以制取普 通相图中不存在的物质;在低温下可以制 取热力学平衡状态下必须高温才能生成 的物质等优点。
薄膜的主要特性
• 材料薄膜化后，呈现出的一部分主要特性：
•
几何形状效应
• 块状合成材料一般使用粉末的最小尺寸为 纳米至微米，而薄膜是由尺寸为1埃左右的原子
或分子逐渐生长形成的。采用薄膜工艺可以研
制出块材工艺不能获得的物质(如超晶格材料)，
在开发新材料方面，薄膜工艺已成为重要的手
段之一。
非热力学平衡过程
无机薄膜制备工艺
• 单晶薄膜、多晶薄膜和非晶态薄膜在现代微 电子工艺、半导体光电技术、太阳能电池、光纤 通讯、超导技术和保护涂层等方面发挥越来越大 的作用。特别是在电子工业领域里占有极其重要 的地位，例如半导体集成电路、电阻器、电容器、 激光器、磁带、磁头都应用薄膜。
• 薄膜制备工艺包括：薄膜制备方法的选择； 基体材料的选择及表面处理；薄膜制备条件的选 择；结构、性能与工艺参数的关系等。
(2)双蒸发源蒸镀——三温度法
三温度-分子束外延法主要是用 于制备单晶半导体化合物薄膜。从 原理上讲，就是双蒸发源蒸镀法。 但也有区别，在制备薄膜时，必须 同时控制基片和两个蒸发源的温度， 所以也称三温度法。
三温度法 是制备化合物 半导体的一种 基本方法，它 实际上是在V族 元素气氛中蒸 镀Ⅲ族元素， 从这个意义上 讲非常类似于 反应蒸镀。图 示就是典型的 三温度法制备 GaAs单晶薄膜 原理。
《材料物理薄膜物理》课件
《材料物理薄膜物理》 ppt课件
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
CONTENTS 目录
• 材料物理与薄膜物理概述 • 材料的基本性质 • 薄膜的制备与生长机制 • 薄膜的物理性能与应用 • 材料与薄膜物理与薄膜物理概述
材料物理的定义与重要性
定义
材料物理是一门研究材料结构、性能和应用的科学，主要关注材料的基本组成 、微观结构和宏观性质之间的关系。
CHAPTER 03
薄膜的制备与生长机制
薄膜的制备方法
01
02
03
物理气相沉积法
利用物理过程将材料蒸发 或溅射到基底上形成薄膜 ，包括真空蒸发、溅射和 离子束沉积等。
化学气相沉积法
通过化学反应将气体转化 为固态薄膜，包括热化学 气相沉积和等离子体增强 化学气相沉积等。
液相外延法
在单晶基底上通过控制温 度和成分，使溶质从溶液 中析出，形成单晶薄膜。
介电性能
薄膜的介电常数和介质损耗是其电学 性能的重要参数，影响其在电子和微 波器件中的应用。
薄膜的磁学性能
磁导率与磁损耗
磁性薄膜的磁导率和磁损耗特性决定了其在磁记录、磁传感 器等领域的应用。
磁各向异性
不同方向的磁化行为，影响磁性薄膜的磁学性能和应用。
薄膜的应用领域
光学仪器制造
高反射、高透过的光学薄膜广 泛应用于各种光学仪器制造。
材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力， 与其使用寿命密切相关。
材料的热学性质
热容与热导率
描述材料在温度变化时吸收或释放热量的能 力，以及热量在材料内部的传导速度。
热稳定性
材料在温度变化时保持其物理和化学性质稳 定的能力。
热膨胀
材料在温度升高时体积增大的现象。
热辐射
材料发射或吸收电磁辐射的能力，与温度和 波长有关。
薄膜形成过程和生长模式
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
0 cos 1 2 0
岛的形成又可以用另一热力 学变量描述：吸附能 界面结合能（粘附功）是指 原子团（核）吸附前后体系总的 自由能变化，即 Ecom
Ecom 2 0 1 0 ( 2 1 ) 0 0 cos 0 (1 cos )
薄膜的形成——溅射薄膜的形成过程
★ 溅射薄膜的形成过程
关于溅射薄膜形成过程的特点和溅射薄膜形成与生
长问题，在第三章已讨论。 真空蒸发薄膜和溅射薄膜形成物理过程的不同点：
沉积粒子产生过程 沉积粒子迁移过程
成膜过程
薄膜的形成——薄膜的外延生长
★ 薄膜的外延生长
外延的概念 同质外延 异质外延 失配度
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
沟道阶段 孤立的岛有变圆的趋势。当岛结合以后，在岛的生
长过程中变圆趋势减小，岛被拉长，连接网状结构，其 中分布着宽度为5-20nm的沟道。 随着沉积，在沟道中会发生二次或三次成核。
连续薄膜阶段
当沟道和孔洞消除后，入射到基片表面上的原子直 接吸附在薄膜上，形成连续薄膜。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成可划分为四个阶段：成核、结合、沟道、连续 岛状阶段 岛的演变特点 可观察到的最小核尺寸：2-3nm； 核进一步长大变成小岛，横向生长速度大于纵向 生长速度； 形状：球帽形——原形以用热力学变量描述：表面自由能
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
★ 薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程是 指形成稳定核之后的
过程。
薄膜生长模式是 指薄膜形成的宏观形 式。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
第三章薄膜制备技术ppt课件
化学气相沉积，包括低压化学气相沉积（low pressure CVD,LPCVD）、离子增强型气相沉积（plasma enhanced (assisted) CVD,PECVD,PACVD）、常压化学气相沉积（atmosphere pressure CVD,APCVD）、金属有机物气相沉积（MOCVD）和微波电子回旋共振化学气相沉积(Microwave Electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, MW-ECR-CVD）等。
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
分子束外延是在超高真空条件下精确控制源材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法，但 与传统真空蒸发不同的是，分子束外延系统具有超高真空，并配有原位监测和分析系统，能够获得高质量的单晶薄膜。
2、溅射法 荷能粒子轰击固体材料靶，使固体原子从表面射出，这些原子具有一定的动能和方向性。在原子射出的方向上放上基片，就可在基片上形成一层薄膜，这种制备薄膜的方法叫做溅射法。 溅射法属于物理气相沉积(PVD)，射出的粒子大多处于原子状态，轰击靶材料的荷能粒子一般是电子、离子和中性粒子。
3.1.2 化学气相沉积 (chemical vapor deposition )
化学气相沉积:一定化学配比的反应气体，在特定激活条件下(一般是利用加热、等离子体和紫外线等各种能源激活气态物质)，通过气相化学反应生成新的膜层材料沉积到基片上制取膜层的一种方法。 Chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process often used in the semiconductor industry for the deposition of thin films of various materials.
薄膜的形成过程及生长方式
7
2. 层状模式
• 例如，半导体膜的单晶外延生长就是这 种模式。
8
5.2 形核阶段
• 新相的形核过程分为两种类型：即自发 形核和非自发形核。
• 所谓自发形核指的是整个形核过程完全 是在相变自由能的推动下进行的；
• 非自发形核则指的是除了有相变自由能 做推动力外，还有其他的因素起着帮助 新相核心生成的作用。
13
• 纤维状组织的一个特点是：纤维的生长 方向与粒子的入射方向近似地满足正切 夹角关系。
•
tanα ＝2tanβ
• α ，β分别为粒子入射方向和纤维生长方 向与衬底法向间的夹角。
• 实验证明，纤维状生长与薄膜沉积时原 子入射的方向性有关。
14
• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
• 薄膜的生长模式可以归纳为三种： • （1）岛状模式（Volmer-Weber模式）； • （2）层状模式（Frank-van der
Merwe）； • （3）层岛复合模式（Stranski-
Krastanov） • 三种模式的示意图5.2
5
6
1. 岛状模式
• 在绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母等 非金属衬底上沉积金属大多数都是这一 生长模式。
• 由于原子的平均扩散距离随着温度的上 升呈指数形式增加，因此，组织形态的 转变发生在0.3Tm附近很小的温度区域。
17
•图5.17是 二维模拟得 出的30°角 倾斜入射沉 积时，薄膜 组织随沉积 温度的变化 情况。
• 由图可以看出，随着衬底温度的上升，薄膜
中的孔洞迅速减少。
18
图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
19
• 可以看出，薄膜的表面形貌从低温的 拱形表面形貌变化为由晶体学平面构 成的多晶形貌。
2. 层状模式
• 例如，半导体膜的单晶外延生长就是这 种模式。
8
5.2 形核阶段
• 新相的形核过程分为两种类型：即自发 形核和非自发形核。
• 所谓自发形核指的是整个形核过程完全 是在相变自由能的推动下进行的；
• 非自发形核则指的是除了有相变自由能 做推动力外，还有其他的因素起着帮助 新相核心生成的作用。
13
• 纤维状组织的一个特点是：纤维的生长 方向与粒子的入射方向近似地满足正切 夹角关系。
•
tanα ＝2tanβ
• α ，β分别为粒子入射方向和纤维生长方 向与衬底法向间的夹角。
• 实验证明，纤维状生长与薄膜沉积时原 子入射的方向性有关。
14
• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
• 薄膜的生长模式可以归纳为三种： • （1）岛状模式（Volmer-Weber模式）； • （2）层状模式（Frank-van der
Merwe）； • （3）层岛复合模式（Stranski-
Krastanov） • 三种模式的示意图5.2
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6
1. 岛状模式
• 在绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母等 非金属衬底上沉积金属大多数都是这一 生长模式。
• 由于原子的平均扩散距离随着温度的上 升呈指数形式增加，因此，组织形态的 转变发生在0.3Tm附近很小的温度区域。
17
•图5.17是 二维模拟得 出的30°角 倾斜入射沉 积时，薄膜 组织随沉积 温度的变化 情况。
• 由图可以看出，随着衬底温度的上升，薄膜
中的孔洞迅速减少。
18
图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
19
• 可以看出，薄膜的表面形貌从低温的 拱形表面形貌变化为由晶体学平面构 成的多晶形貌。
《薄膜生长机理》课件
物理模型
STEP 02
化学模型
基于物理过程建立数学模 型，用于描述薄膜生长的 微观机制。
STEP 03
热力学模型
基于热力学原理，研究薄 膜生长过程中的能量转化 和平衡。
考虑化学反应过程，模拟 不同组分在薄膜中的扩散 和反应。
薄膜生长的机制
气相沉积
气体分子在基底表面吸附、迁移、凝结形成薄膜 。
液相沉积
基片的影响
• 总结词：基片是薄膜生长的载体，其特性和状态对薄膜的生长和质量具有重要影响。
• 详细描述：基片的表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性对薄膜的生长和质量具有重要影响。基片的表面粗糙度和清洁度会影响薄膜与基片之间的附着力和界面态，从而 影响薄膜的机械性能和电学性能。基片的晶格结构和热膨胀系数会影响薄膜的晶格结构和相组成，从而影响薄膜的物理性能和化学性能。为了获得高质量的薄膜，需要对基片进行严格 的表面处理和清洁，确保其表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性满足工艺要求。同时，在沉积过程中需要对基片进行适当的加热和冷却处理，以获得最佳的薄膜质量和 性能。
压力的影响
总结词
压力也是影响薄膜生长的重要因素之一，它能够改变 气体分子的密度和碰撞频率，从而影响化学反应速率 和物质输运过程。
详细描述
在薄膜生长过程中，压力的变化会影响气体分子的浓度 和分布，从而影响化学反应速率和物质输运过程。在化 学气相沉积等工艺中，反应气体分子的浓度和碰撞频率 对于薄膜的生长和质量具有重要影响。在一定压力范围 内，提高压力可以增加气体分子的碰撞频率和反应速率 ，有利于薄膜的生长。但过高的压力可能导致设备承受 过大负荷或引起其他工艺问题。因此，选择合适的压力 对于控制薄膜的生长同样具有重要意义。
面形成薄膜。
STEP 02
化学模型
基于物理过程建立数学模 型，用于描述薄膜生长的 微观机制。
STEP 03
热力学模型
基于热力学原理，研究薄 膜生长过程中的能量转化 和平衡。
考虑化学反应过程，模拟 不同组分在薄膜中的扩散 和反应。
薄膜生长的机制
气相沉积
气体分子在基底表面吸附、迁移、凝结形成薄膜 。
液相沉积
基片的影响
• 总结词：基片是薄膜生长的载体，其特性和状态对薄膜的生长和质量具有重要影响。
• 详细描述：基片的表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性对薄膜的生长和质量具有重要影响。基片的表面粗糙度和清洁度会影响薄膜与基片之间的附着力和界面态，从而 影响薄膜的机械性能和电学性能。基片的晶格结构和热膨胀系数会影响薄膜的晶格结构和相组成，从而影响薄膜的物理性能和化学性能。为了获得高质量的薄膜，需要对基片进行严格 的表面处理和清洁，确保其表面粗糙度、清洁度、晶格结构和热膨胀系数等特性满足工艺要求。同时，在沉积过程中需要对基片进行适当的加热和冷却处理，以获得最佳的薄膜质量和 性能。
压力的影响
总结词
压力也是影响薄膜生长的重要因素之一，它能够改变 气体分子的密度和碰撞频率，从而影响化学反应速率 和物质输运过程。
详细描述
在薄膜生长过程中，压力的变化会影响气体分子的浓度 和分布，从而影响化学反应速率和物质输运过程。在化 学气相沉积等工艺中，反应气体分子的浓度和碰撞频率 对于薄膜的生长和质量具有重要影响。在一定压力范围 内，提高压力可以增加气体分子的碰撞频率和反应速率 ，有利于薄膜的生长。但过高的压力可能导致设备承受 过大负荷或引起其他工艺问题。因此，选择合适的压力 对于控制薄膜的生长同样具有重要意义。
面形成薄膜。
薄膜的形成过程及生长方式ppt课件
• 5.1.1 形核
• 形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲
是一个气－固相变的过程。
精品课件
3
• 薄膜通常通过材料的气态原子凝聚而 形成。在薄膜形成的最早阶段，原子凝 聚是以三维方式开始的，然后通过扩散 过程核长大形成连续膜。
• 薄膜新奇的结构特点和性质大部分归
因于生长过程，所以薄膜生长是最为基 本的。
• 非自发形核则指的是除了有相变自由能 做推动力外，还有其他的因素起着帮助 新相核心生成的作用。
精品课件
9
• 温度越高，则需要形成的临界核心
的尺寸越大，形核的临界自由能势垒 也越高，这与高温时沉积的薄膜首先 形成粗大的岛状组织相吻合。
• 低温时，临界形核自由能下降，形 成的核心的数目增加，将有利于形成 晶粒细小而连续的薄膜组织。
薄膜的形成过程及生长方式
• 主讲人：张宝贤 • 学号：12191082 • 班级：12级3班
精品课件
1
目录
• 5.1 薄膜生长过程概述 • 5.2 形核阶段 • 5.3 薄膜生长过程与薄膜结构
习题
精品课件
2
5.1、薄膜生长过程概述
• 薄膜的生长可划分为两个不同阶段：
•
新相的形核阶段
•
薄膜的生长阶段
精品课件
14
• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
精品课件
15
低温抑制型薄膜沉积过程的特点：
• 原子的表面扩散能力较低，其沉积的 位置就是其入射到薄膜表面时的位置;
• 决定薄膜组织的唯一因素是原子的入 射方向;
• 形成的薄膜充满了缺陷和孔洞，表面 粗糙。
精品课件
16
5.3.3 高温热激活型薄膜生长
薄膜的形成过程及生长方式
低压CVD
02
在较低的气体压力下，将反应气体引入反应室，通过加热或等
离子体激发等方式引发化学反应，在基底表面形成薄膜。
等离子体增强CVD
03
利用等离子体激发反应气体，使其发生化学反应，在基底表面
形成薄膜。
03
薄膜的生长方式
连续生长
连续生长
薄膜在形成过程中，原子或分子会持续不断地吸附在基底表 面，并逐渐堆积形成连续的薄膜。这种生长方式下，原子或 分子在表面扩散较快，比较容易形成结构致密的薄膜。
利用高能粒子轰击固体材 料表面，使其原子或分子 溅射出来，并在基底表面 凝结形成薄膜。
离子束沉积
通过将离子束注入到固体 材料表面，使其原子或分 子被溅射出来，并在基底 表面凝结形成薄膜。
化学气相沉积
常温常压CVD
01
在常温常压下，将反应气体引入反应室，通过加热或等离子体
激发等方式引发化学反应，在基底表面形成薄膜。
影响因素
连续生长受基底温度、表面扩散系数、吸附能等影响。在较 高温度下，原子或分子的扩散速度加快，更有利于连续生长 。
岛状生长
岛状生长
在薄膜形成过程中，原子或分子 首先在基底表面形成一个个独立 的团簇或小岛，随后这些小岛逐 渐合并扩展形成连续的薄膜。
影响因素
岛状生长受基底温度、表面能、 扩散系数等影响。较低的温度和 较高的表面能更有利于岛状生长 。
广泛应用
薄膜在电子、光学、生物医学等领域的应用越来越广泛，如柔性显示、太阳能电 池、生物传感器等。
薄膜的环境友好性
可降解薄膜
研究和发展可降解的生物塑料薄膜， 减少对环境的污染。
环保生产工艺
优化制备工艺，减少对环境的影响， 实现绿色生产。
第四章 薄膜的形成及生长
4.3
(ห้องสมุดไป่ตู้) 从蒸发源发出的气相原子入射到基体表面 上，其中有一部分因能量较大而弹性反射 回去，另一部分则吸附在基体表面上。在 吸附的气相原子终有一小部分因能量稍大 而再蒸发出去； (2) 吸附气相原子在基体表面上扩散迁移，相 互碰撞结合成原子对或小原子团并凝结在 基体表面上； (3) 这种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， 只向着长大向发展形成稳定的原子团。
4.具有一定能量的气相原子，到达基片表面之后可能发生三种现象： 吸附、解吸、反射 (1) 与基体表面原子进行能量交换被吸附； (2) 吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸蒸发；
(3) 与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即发射回去。
三种情况讨论： ≬ 如果入射的蒸气分子动能不是很大，碰撞到基体表面后，在短暂的时间内即失去法 线方向； ≬ 如果当原子通过范氏力吸附在基体表面，但可能达不到平衡，即还保留有平行于基 体表面的动能且同时又有来自基体的热激发时，则吸附原子将在基体表面移动； 当吸附原子在基体表面移动时，从一个势荆跃迁到另一个势荆的过程中，吸附原子 可能与其吸附原子相互作用，形成稳定的原子团或转变成吸附。但当吸附原子不能形 成居留寿命增加的稳定原子团时，将再次蒸发即发生解吸。
(b) 成核速率 成核速率等于临界核密度乘以每个核的捕获范围，再乘以吸附原子向临界核运动 的总速度。 它与热力学界面能理论成核速率方程式I=Z●ni* ● A ● V相对应，但是没有非平衡 修正因子Z是因为过饱和度比较小，可以忽略非平衡因素的影响。
成
的过程，大致分成下面几个阶段： ❶ 分子或原子撞击到固体表面；
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• 如图5.10所示。
• 纤维状组织的一个特点是：纤维的生长 方向与粒子的入射方向近似地满足正切 夹角关系。
•
tanα ＝2tanβ
• α ，β分别为粒子入射方向和纤维生长方 向与衬底法向积时原 子入射的方向性有关。
• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
Krastanov） • 三种模式的示意图5.2
1. 岛状模式
• 在绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母等 非金属衬底上沉积金属大多数都是这一 生长模式。
2. 层状模式
• 例如，半导体膜的单晶外延生长就是这 种模式。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
5.2 形核阶段
• 新相的形核过程分为两种类型：即自发 形核和非自发形核。
• 薄膜新奇的结构特点和性质大部分归
因于生长过程，所以薄膜生长是最为基 本的。
• 5.12薄膜的生长模式
• 薄膜的生长模式可以归纳为三种： • （1）岛状模式（Volmer-Weber模式）； • （2）层状模式（Frank-van der
Merwe）； • （3）层岛复合模式（Stranski-
• 所谓自发形核指的是整个形核过程完全 是在相变自由能的推动下进行的；
• 非自发形核则指的是除了有相变自由能 做推动力外，还有其他的因素起着帮助 新相核心生成的作用。
• 温度越高，则需要形成的临界核心
的尺寸越大，形核的临界自由能势垒 也越高，这与高温时沉积的薄膜首先 形成粗大的岛状组织相吻合。
• 低温时，临界形核自由能下降，形 成的核心的数目增加，将有利于形成 晶粒细小而连续的薄膜组织。
薄膜的形成过程及生长方式
目录
• 5.1 薄膜生长过程概述 • 5.2 形核阶段 • 5.3 薄膜生长过程与薄膜结构
习题
5.1、薄膜生长过程概述
• 薄膜的生长可划分为两个不同阶段：
•
新相的形核阶段
•
薄膜的生长阶段
• 5.1.1 形核
• 形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲
是一个气－固相变的过程。
• 薄膜通常通过材料的气态原子凝聚而 形成。在薄膜形成的最早阶段，原子凝 聚是以三维方式开始的，然后通过扩散 过程核长大形成连续膜。
• 由于原子的平均扩散距离随着温度的上 升呈指数形式增加，因此，组织形态的 转变发生在0.3Tm附近很小的温度区域。
•图5.17是 二维模拟得 出的30°角 倾斜入射沉 积时，薄膜 组织随沉积 温度的变化 情况。
• 由图可以看出，随着衬底温度的上升，薄膜 中的孔洞迅速减少。
图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
5.3 、薄膜生长过程与薄膜结构
• 薄膜的生长模式可以分为外延式生长 和非外延式生长两种生长模式。
•
5.3.2 低温抑制型薄膜生长
• 在衬底温度较低的情况下，沉积薄膜呈 现一种纤维状的组织，这是在沉积过程 中原子扩散能力有限、大量晶核竞争生 长的结果。
• 在薄膜的断面上，这种纤维状组织表现 的最为明显，这是因为纤维状组织的晶 粒边界处密度较低，结合强度较弱，所 以是常常发生断裂的地方。
低温抑制型薄膜沉积过程的特点：
• 原子的表面扩散能力较低，其沉积的 位置就是其入射到薄膜表面时的位置;
• 决定薄膜组织的唯一因素是原子的入 射方向;
• 形成的薄膜充满了缺陷和孔洞，表面 粗糙。
5.3.3 高温热激活型薄膜生长
• 当沉积温度较高时，原子扩散较为充分， 扩散就会影响薄膜的组织结构和形貌。 它可以消除孔洞的存在，使薄膜组织状 变为柱状晶形态。
• 可以看出，薄膜的表面形貌从低温的 拱形表面形貌变化为由晶体学平面构 成的多晶形貌。
• 当温度更高时，薄膜内部发生再结晶， 晶粒尺寸增加到与薄膜厚度相仿，薄 膜的组织变为形态3型的等轴晶组织。
• 纤维状组织的一个特点是：纤维的生长 方向与粒子的入射方向近似地满足正切 夹角关系。
•
tanα ＝2tanβ
• α ，β分别为粒子入射方向和纤维生长方 向与衬底法向积时原 子入射的方向性有关。
• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
Krastanov） • 三种模式的示意图5.2
1. 岛状模式
• 在绝缘体、卤化物晶体、石墨、云母等 非金属衬底上沉积金属大多数都是这一 生长模式。
2. 层状模式
• 例如，半导体膜的单晶外延生长就是这 种模式。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持安静
5.2 形核阶段
• 新相的形核过程分为两种类型：即自发 形核和非自发形核。
• 薄膜新奇的结构特点和性质大部分归
因于生长过程，所以薄膜生长是最为基 本的。
• 5.12薄膜的生长模式
• 薄膜的生长模式可以归纳为三种： • （1）岛状模式（Volmer-Weber模式）； • （2）层状模式（Frank-van der
Merwe）； • （3）层岛复合模式（Stranski-
• 所谓自发形核指的是整个形核过程完全 是在相变自由能的推动下进行的；
• 非自发形核则指的是除了有相变自由能 做推动力外，还有其他的因素起着帮助 新相核心生成的作用。
• 温度越高，则需要形成的临界核心
的尺寸越大，形核的临界自由能势垒 也越高，这与高温时沉积的薄膜首先 形成粗大的岛状组织相吻合。
• 低温时，临界形核自由能下降，形 成的核心的数目增加，将有利于形成 晶粒细小而连续的薄膜组织。
薄膜的形成过程及生长方式
目录
• 5.1 薄膜生长过程概述 • 5.2 形核阶段 • 5.3 薄膜生长过程与薄膜结构
习题
5.1、薄膜生长过程概述
• 薄膜的生长可划分为两个不同阶段：
•
新相的形核阶段
•
薄膜的生长阶段
• 5.1.1 形核
• 形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲
是一个气－固相变的过程。
• 薄膜通常通过材料的气态原子凝聚而 形成。在薄膜形成的最早阶段，原子凝 聚是以三维方式开始的，然后通过扩散 过程核长大形成连续膜。
• 由于原子的平均扩散距离随着温度的上 升呈指数形式增加，因此，组织形态的 转变发生在0.3Tm附近很小的温度区域。
•图5.17是 二维模拟得 出的30°角 倾斜入射沉 积时，薄膜 组织随沉积 温度的变化 情况。
• 由图可以看出，随着衬底温度的上升，薄膜 中的孔洞迅速减少。
图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
5.3 、薄膜生长过程与薄膜结构
• 薄膜的生长模式可以分为外延式生长 和非外延式生长两种生长模式。
•
5.3.2 低温抑制型薄膜生长
• 在衬底温度较低的情况下，沉积薄膜呈 现一种纤维状的组织，这是在沉积过程 中原子扩散能力有限、大量晶核竞争生 长的结果。
• 在薄膜的断面上，这种纤维状组织表现 的最为明显，这是因为纤维状组织的晶 粒边界处密度较低，结合强度较弱，所 以是常常发生断裂的地方。
低温抑制型薄膜沉积过程的特点：
• 原子的表面扩散能力较低，其沉积的 位置就是其入射到薄膜表面时的位置;
• 决定薄膜组织的唯一因素是原子的入 射方向;
• 形成的薄膜充满了缺陷和孔洞，表面 粗糙。
5.3.3 高温热激活型薄膜生长
• 当沉积温度较高时，原子扩散较为充分， 扩散就会影响薄膜的组织结构和形貌。 它可以消除孔洞的存在，使薄膜组织状 变为柱状晶形态。
• 可以看出，薄膜的表面形貌从低温的 拱形表面形貌变化为由晶体学平面构 成的多晶形貌。
• 当温度更高时，薄膜内部发生再结晶， 晶粒尺寸增加到与薄膜厚度相仿，薄 膜的组织变为形态3型的等轴晶组织。