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
当 0 2 时， cos 1 有
2 1 0
Ecom 2 0
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三维生长判据
晶格失配能 Es 是指单位面积界面晶格失配产生的 能量变化。 总的吸附能为：
Ead ( 2 0 1 ) S Es S
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——多面体
岛生长的条件
岛的形成可以用热力学变量描述：表面自由能
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
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——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
薄膜形成过程描述: 1. 2. 3. 4. 5. 单体吸附； 形成小原子团（胚芽）； 形成临界核（开始成核）； 临界核捕获原子，开始长大； 临界核长大的同时，在非捕获区，单体逐渐形成临 界核； 6. 稳定核长大，彼此连接形成小岛，新面积形成； 7. 新面积吸附单体，发生“二次”成核； 8. 小岛结合形成大岛，大岛长大并相互结合，有产生 新面积，并发生“二次”、“三次”成核； 9. 形成沟道和带有孔洞的薄膜； 10.沟道填平，封孔，形成连续薄膜。
薄膜的形成——薄膜的外延生长
晶格常数不同——晶格失配 失配位错（结构缺陷） 应变、应力——晶格变化——能带变化
影响器件性能、可靠性。
影响外延薄膜生长的因素： 基片的种类
基片温度
蒸发速率 基片表面状态
薄膜的形成——薄膜的外延生长
形成外延薄膜的条件 设沉积速率为 R ，基片温度为 T ，则：
E R A exp kT
式中，A 是常数，E是激活能。
薄膜生长速率要小于吸附原子在基片表面上的迁移速 率；
提高温度有利于形成外延薄膜；
式中， S 是原子团（核）投影面积。由此可导出另一形 式判据，见教材。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
联并阶段 相邻小岛联并成大岛，接触面积减小，自由能下降。
r k 56 V 1 3 D nt 联并过程的动力学关系： m r kT 式中， r 是小岛的半径， r 是颈部的曲率半径， D 是吸附 原子的扩散系数， 是表面自由能，m 和 k 是常数， V 是原子体积，n 是吸附原子在岛上的面密度。