第六章_薄膜的生长过程
合集下载
薄膜的形成过程及生长方式PPT课件

• 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。
.
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。
.
4
• 5.12薄膜的生长模式
• 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Βιβλιοθήκη 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
.
12
.
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。
薄膜的形成过程及生长方式
• 主讲人:张宝贤 • 学号:12191082 • 班级:12级3班
.
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
.
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:
•
5+薄膜的生长过程和薄膜结构

薄膜生长过程和结构 5
(2)层状生长(Frank-van der Merwe)模式 当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时,薄 膜的沉积表现为层状生长模式。 在层状生长模式下,已没有意义十分明确的 形核阶段出现。 在极端情况下,即使是沉积物的分压已低于 纯组元的平衡分压时,沉积的过程也会发生。
薄膜生长过程和结构
形成一个新相核心时,系统的自由能变化为 自由能变化ΔG取得极值的条件为dΔG/dr = 0,即
临界核心半径
形成临界核心时系统自由能变化 S越大,△G*越小。
薄膜生长过程和结构 15
形核过程的能垒
减小自身尺寸 降低自由能; 核心的生长使 自由能下降。
薄膜生长过程和结构
16
压力对n*的影响: r<r*时,不稳定的核心与气相原子或者衬底表 面的吸附原子之间存在着可逆反应jA←→Nj
10
5.2 新相的自发形核理论
新相形核过程的类型: 自发形核: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:除了有相变自由能作推动力之 外,还有其他的因素起着帮助新相核心生成的 作用。
薄膜生长过程和结构
11
在薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下, 薄膜的形核过程可以近似地被认为是一个自 发形核的过程。
25
薄膜生长过程和结构
非自发形核过程的临界自由能变化还可以 写成两部分之积的形式
自发形核过程的 临界自由能变化
能量势垒降 低的因子
接触角θ越小,即衬底与薄膜的浸润性越好,则 非自发形核的能垒降低得越多,非自发形核的倾 向也越大。在层状模式时,形核势垒高度等于零。
薄膜生长过程和结构
26
在薄膜沉积的情况下,核心常出现在衬底 的某个局部位置上,如晶体缺陷、原子层形成 的台阶、杂质原子处等。这些地点或可以降低 薄膜与衬底间的界面能,或可以降低使原子发 生键合时所需的激活能。因此,薄膜形核的过 程在很大程度上取决于衬底表面能够提供的形 核位置的特性和数量。
(2)层状生长(Frank-van der Merwe)模式 当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时,薄 膜的沉积表现为层状生长模式。 在层状生长模式下,已没有意义十分明确的 形核阶段出现。 在极端情况下,即使是沉积物的分压已低于 纯组元的平衡分压时,沉积的过程也会发生。
薄膜生长过程和结构
形成一个新相核心时,系统的自由能变化为 自由能变化ΔG取得极值的条件为dΔG/dr = 0,即
临界核心半径
形成临界核心时系统自由能变化 S越大,△G*越小。
薄膜生长过程和结构 15
形核过程的能垒
减小自身尺寸 降低自由能; 核心的生长使 自由能下降。
薄膜生长过程和结构
16
压力对n*的影响: r<r*时,不稳定的核心与气相原子或者衬底表 面的吸附原子之间存在着可逆反应jA←→Nj
10
5.2 新相的自发形核理论
新相形核过程的类型: 自发形核: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:除了有相变自由能作推动力之 外,还有其他的因素起着帮助新相核心生成的 作用。
薄膜生长过程和结构
11
在薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下, 薄膜的形核过程可以近似地被认为是一个自 发形核的过程。
25
薄膜生长过程和结构
非自发形核过程的临界自由能变化还可以 写成两部分之积的形式
自发形核过程的 临界自由能变化
能量势垒降 低的因子
接触角θ越小,即衬底与薄膜的浸润性越好,则 非自发形核的能垒降低得越多,非自发形核的倾 向也越大。在层状模式时,形核势垒高度等于零。
薄膜生长过程和结构
26
在薄膜沉积的情况下,核心常出现在衬底 的某个局部位置上,如晶体缺陷、原子层形成 的台阶、杂质原子处等。这些地点或可以降低 薄膜与衬底间的界面能,或可以降低使原子发 生键合时所需的激活能。因此,薄膜形核的过 程在很大程度上取决于衬底表面能够提供的形 核位置的特性和数量。
薄膜的生长过程和薄膜结构

光学器件
光学薄膜
01
光学薄膜由多层薄膜构成,用于控制光的反射、透射和偏振等
特性,广泛应用于光学仪器、摄影镜头和照明等领域。
激光器
02
薄膜在激光器中用作反射镜、输出镜和增益介质等,如染料激
光器和光纤激光器。
太阳能电池
03
薄膜在太阳能电池中用作光吸收层和电极等,如染料敏化太阳
能电池和钙钛矿太阳能电池。
等离子体增强化学气相沉积
通过引入等离子体增强反应气体活性,促进化学反应并提高沉积速 率。
液相外延(LPE)
选择性液相外延
通过控制溶液的浓度和热处理条 件,使源物质在基底表面特定区 域析出并生长形成薄膜。
横向液相外延
通过控制溶液的浓度和涂覆方式 ,使源物质在基底表面横向生长 形成薄膜。
分子束外延(MBE)
界面态
在薄膜与基底之间可能存在界面态,即电子或空穴被限制 在界面区域。界面态对薄膜的电子传输和光学性能有重要 影响。
界面结构
界面结构是指薄膜与基底之间的原子排列和相互作用方式。 不同的制备方法和工艺参数可能导致不同的界面结构,从 而影响薄膜的整体性能。
03
薄膜特性
力学性能
弹性模量
描述薄膜在受力时的刚度,反 映了材料抵抗弹性变形的能力
电阻率
衡量薄膜导电难易程度 的物理量,与电导率密
切相关。
击穿电压
描述薄膜所能承受的最 大电场强度,超过此值
会发生绝缘击穿。
光学性能
透光率
衡量光线通过薄膜的能力,与材料的吸收、 反射和散射特性有关。
光谱特性
描述薄膜在不同波长光线下的透射、反射和 吸收特性。
反射率
描述光线在薄膜表面反射的比例,影响光学 器件的性能。
薄膜的形成过程及生长方式

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。
16
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。
因于生长过程,所以薄膜生长是最为基 本的。
4
• 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-
Krastanov) • 三种模式的示意图5.2
• 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
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
薄膜的形成过程及生长方式
本课件仅供大家学习学习 学习完毕请自觉删除
谢谢 本课件仅供大家学习学习
学习完毕请自觉删除 谢谢
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
2
5.1、薄膜生长过程概述
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。
16
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。
因于生长过程,所以薄膜生长是最为基 本的。
4
• 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-
Krastanov) • 三种模式的示意图5.2
• 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
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
薄膜的形成过程及生长方式
本课件仅供大家学习学习 学习完毕请自觉删除
谢谢 本课件仅供大家学习学习
学习完毕请自觉删除 谢谢
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
2
5.1、薄膜生长过程概述
薄膜的生长过程PPT课件

2、在Si的(111)晶面上外延生长GaAs,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,而
且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。这有效地
降低了晶体的表面能,使得其后的沉积过程转变为三维的岛状
生长。
.
13
6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
第六章 薄膜的生长过程
.
1
6.1薄膜生长过程概述
图6.1表示薄膜沉积中原子的运动. 状态及薄膜的生长过程
2
6.1薄膜生长过程概述
射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞,其中一部分 被反射,另一部分在表面上停留。
停留于表面的原子、分子,在自身所带能量及基板温度所对应 的能量作用下,发生表面扩散(surface diffusion)及表面迁移 (surface migration),一部分再蒸发,脱离表面,一部分落入 势能谷底,被表面吸附,即发生凝结过程。
也就是说,薄膜沉积伴随着从气相到固相的急冷过程,从结构 上看,薄膜中必然会保留大量的缺陷。
此外,薄膜的形态也不是块体的,其厚度与表面尺寸相比相差 甚远,可近似为二维结构。
.
4
6.1薄膜生长过程概述
一、薄膜的生长过程:新相的成核与薄膜的生长两个阶段
1、成核阶段
在薄膜形成的最初阶段,一些气态的原子或分子开始凝聚 到衬底上,从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用, 原子到达衬底表面的最初阶段,在衬底上成了均匀细小、而且 可以运动的原子团(岛或核)。
6.2新相的自发成核理论
在薄膜沉积过程的最初阶段,都需要有新相的核心形成, 新相的成核过程可以被分为两种类型: 1. 自发成核:所谓自发成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; 2. 非自发成核:非自发形核指的是除了有相变自由能作推动 力之外,还有其他的因素起到了帮助新相核心生成的作用。
薄膜的生长过程和薄膜结构

采用离子轰击的方法抑制三维岛状核心的形成,使细小 的核心来不及由扩散实现合并就被后沉积来的原子所覆盖, 以此形成晶粒细小、表面平整的薄膜。
5.3 薄膜的非自发形核理论 5.3.1 非自发形核过程的热力学
形成一个原子团时的自由能变化为
ΔGv — 单位体积的相变自由能,它是薄膜形核的驱动力; — 气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)三者之间的界面能;
衬底之间晶格常数不匹配,随着沉积原子层的 增加,应变能增加。为松弛应变能,生长到一 定厚度,薄膜生长转化为岛状模式。
2)在Si、GaAs等半导体材料的晶体结构中, 每个原子分别在四个方向上与另外四个原子形 成共价键。但在Si的(111)晶面外延生长GaAs时, 由于As原子有五个价电子,它不仅可提供Si晶 体表面三个近邻Si原子所要求的三个键合电子, 而且剩余的一对电子使As原子不再倾向于与其 他原子发生进一步的键合。吸附了As原子的 Si(111)表面具有极低表面能,使其后As、Ga原 子的沉积模式转变为三维岛状的生长模式。
新相的形核阶段:气态的原子或分子凝聚到衬
底表面,扩散迁移形成晶核,晶核结合其他吸
附的气相原子逐渐长大形成小岛。
入射原 子束 再直接碰撞
临界核 临界值
稳定核 稳定值
表面扩散
核形成 核成长
形核阶段 小岛阶段 聚结阶段
薄膜的生长阶段: 小岛阶段; 聚结阶段;
电子衍射 ED
沟道阶段;
纯组元的平衡分压时,沉积的过程也会发生。
(3)层状—岛状(Stranski-Krastanov)生长模式 最开始的一两个原子层的层状生长之后,生长
模式从层状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,但根
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。
5.3 薄膜的非自发形核理论 5.3.1 非自发形核过程的热力学
形成一个原子团时的自由能变化为
ΔGv — 单位体积的相变自由能,它是薄膜形核的驱动力; — 气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)三者之间的界面能;
衬底之间晶格常数不匹配,随着沉积原子层的 增加,应变能增加。为松弛应变能,生长到一 定厚度,薄膜生长转化为岛状模式。
2)在Si、GaAs等半导体材料的晶体结构中, 每个原子分别在四个方向上与另外四个原子形 成共价键。但在Si的(111)晶面外延生长GaAs时, 由于As原子有五个价电子,它不仅可提供Si晶 体表面三个近邻Si原子所要求的三个键合电子, 而且剩余的一对电子使As原子不再倾向于与其 他原子发生进一步的键合。吸附了As原子的 Si(111)表面具有极低表面能,使其后As、Ga原 子的沉积模式转变为三维岛状的生长模式。
新相的形核阶段:气态的原子或分子凝聚到衬
底表面,扩散迁移形成晶核,晶核结合其他吸
附的气相原子逐渐长大形成小岛。
入射原 子束 再直接碰撞
临界核 临界值
稳定核 稳定值
表面扩散
核形成 核成长
形核阶段 小岛阶段 聚结阶段
薄膜的生长阶段: 小岛阶段; 聚结阶段;
电子衍射 ED
沟道阶段;
纯组元的平衡分压时,沉积的过程也会发生。
(3)层状—岛状(Stranski-Krastanov)生长模式 最开始的一两个原子层的层状生长之后,生长
模式从层状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,但根
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。
薄膜生长的基本过程

Monte Carlo 模拟和DLA模型
Monte Carlo simulation DLA (Diffusion Limited Aggregation) Hit-and-stick DLA model
Monte Carlo方法
利用随机数进行统计计算 利用随机投针法计算圆周率
P=2L/πd
1. 产生随机数 2. 设定游戏规则
参数比较容易测量。
Gc i / 2
Parameter dependencies of the maximum cluster density
起始沉积
成核
稳定核长大
稳定核相遇
融合后产生新的核
1.5 min
R = 1013 atoms/cm sec
15 min
8 min
85 min
Au/ NaCl(001)
其它因素: 台阶边缘的Schwoebel 势垒
33 oC 81 oC 105 oC
❖ Ag(111) 上Au核分布 的STM 图. ❖ 平台上的Au核表明台阶边缘的Schwoebel 势垒在低温
下阻碍原子的在台阶间的扩散。
不同D/J值时团簇密度 nj的直方图,n0为衬底表 面的原子数。
其它因素: 表面扩散的各向异性
Ed
v1e kT
Ed为扩散激活能 v1为横向振动频率
横向振动频率/纵向振动频率 ~ 0.25,可认为相等
吸附原子被捕获的几率 ~
Ea
吸附原子在衬底上的驻留时间: a v1e kT
一般的Ea>Ed 温度变化对驻留时 间的影响更显著
1/N0
Ea
Ed
Ra ~ a0 exp[(Ea Ed ) / 2kT ]
第六章薄膜的生长过程

6.1薄膜生长过程概述
三种不同薄膜生长模式的示意图:
6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长,但是由于薄膜与衬 底之间晶格常数不匹配,因而随着沉积原子层的增加,应变能 (应力)逐渐增加。为了松弛这部分能量,薄膜在生长到一定 厚度之后,生长模式转化为岛状模式。
sv = fs + vf cos θ
即θ只取决于各界面能之间的数量关系。薄膜与衬底的浸润性越差,则θ的 数值越大。由上式也可以说明薄膜的不同生长模式。
θ>0 θ=0
sv < fs + vf 岛状生长模式; sv = fs + vf 生长模式转换为层状或中间模式。
6.3 薄膜的非自发成核理论
心具体形状有关的常数(活度)。
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
对如图所示的冠状核心来说,有 a1= π(2-3cos θ +cos3θ) a2= π sin2 θ a3= 2 π(1-cosθ)
核心形状的稳定性要求界面能之间满足:
一、非自发成核过程的热力学
由式(5-10)对原子团半径r微分为零的条件,(由 dG 0)可
求出临界半径为:
dr
r* 2(a3 vf a2 fs a2 sv )
3a1GV
临界成核时系统的自由能变化为:
G*
4(a3 vf
a2 fs
27a12Gv2
a2 sv )3
16
3 vf
3GV2
(2 3cos cos3 )
➢ 自发成核简单例子-从过饱和气相中形成球形核的过程 ➢ 薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下,薄膜的形核过程可
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
中的相变自由能之差。 Pv和P分别是固相的平衡蒸气压和 气相实际的过饱和蒸气压,W是原子体积。
6.2新相的自发成核理论
当过饱和度为零时,ΔGv=0,这时将没有新相的核心可以 形成,或者已经形成的新相核心不再长大。
当气相存在过饱和(P>Pv)现象时,Gv <0,它就是新相形
核的驱动力。在新的核心形成的同时,还将伴随有新的固 气相界面的生成,它导致相应界面能的增加,其数值为 4πr2γ,其中γ为单位面积的界面能。
缺陷、原子层形成的台阶、杂质原子处等。这些地点或可以降低薄膜 与衬底间的界面能,或可以降低使原子发生键合时所需的激活能。因
此,薄膜形核的过程在很大程度上取决于衬底表面能够提供的形核位
臵的特性和数量。
6.3 薄膜的非自发成核理论
二、薄膜的成核速率
形核率是在单位面积上,单位时间内形成的临界核心的数目。新相形 成所需要的原子可能来自: (1) 气相原子的直接沉积; (2) 衬底表面吸附原子沿表面的扩散。
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
在大多数固体相变过程中,涉及的成核过程都是非自发成核的 过程,即有其他的因素起到了帮助新相核心的生成。 一、非自发成核过程的热力学 原子团在衬底上形成初期,原子团很小,它可能吸收外来原子而长大, 也可能失去已有的原子而消失,其自由能变化为
G=a1r3 Gv+a2r2 fs+a2r2 sv-a3r2 vf (5-10)
第六章 薄膜的生长过程
6.1薄膜生长过程概述
图6.1表示薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程
6.1薄膜生长过程概述
射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞,其中一部
分被反射,另一部分在表面上停留。
停留于表面的原子、分子,在自身所带能量及基板温度所对 应的能量作用下,发生表面扩散(surface diffusion)及表面迁移 (surface migration),一部分再蒸发,脱离表面,一部分落入
自发成核简单例子-从过饱和气相中形成球形核的过程
薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下,薄膜的形核过程可 以近似地被认为是一个自发形核的过程。看图5.3,设新相 核心的半径为r,因而形成一个新相核心时,体自由能将 变化
4 r 3
3
ΔGv,
其中ΔGv =(kT/W)ln(Pv/P)是单位体积的固相在凝结过程
6.1薄膜生长过程概述
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式:
在层状-岛状中间生长模式中,在最开始一两个原子层厚度的 层状生长之后,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,但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。
6.2新相的自发成核理论
综合上面两项能量之后,我们得到系统的自由能变化为: G =
4 r 3
3
Gv+ 4r2
对G求r的微分,得到自由能G 为零的条件为:r* = -2 / Gv
它是能够平衡存在的最小固相半径 ,或临界核心半径
讨论(1)当 r < r*时,在热涨落过程中形成的这个新相核心将 处于不稳定状态,它可能再次消失
6.1薄膜生长过程概述
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 :
被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来,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; 金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与 衬底的组合来说,只要沉积温度足够高,沉积的原子具有一 定的扩散能力,薄膜的生长就表现为岛状生长模式。
2、在Si的(111)晶面上外延生长GaAs,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, 而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。这有效 地降低了晶体的表面能,使得其后的沉积过程转变为三维的 岛状生长。
6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
6.1薄膜生长过程概述
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式 2、层状生长(Frank-van der Merwe)模式:
当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时,被沉积物质的原子 更倾向于与衬底原子键合。因此,薄膜从形核阶段开始即采 取二维扩展模式,沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生 长将一直保持这种层状生长模式。
6.1薄膜生长过程概述Biblioteka 三种不同薄膜生长模式的示意图:
6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长,但是由于薄膜与衬
底之间晶格常数不匹配,因而随着沉积原子层的增加,应变 能(应力)逐渐增加。为了松弛这部分能量,薄膜在生长到
一定厚度之后,生长模式转化为岛状模式。
3
2 7 a1 G v
1 6 vf ( 2 3 c o s c o s 3 )
3
3 GV
2
4
θ越小,衬底与薄膜的浸润性越好,则非自发成核的能垒降低的越
多,非自发成核的倾向越大。在层状模式时,形核势垒高度等于零。
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学 非自发形核过程中ΔG 随r的变化趋势也如图5.4所示。在热涨 落的作用下,会不断形成尺寸不同的新相核心。半径r<r*的 核心会由于Δ G降低的趋势而倾向于消失,而那些r>r*的核心 则可伴随着自由能的下降而倾向于长大。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时,为了降低
表面能,薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面,因此薄膜 在生长到一定厚度之后,生长模式会由层状模式向岛状模
式转变。
注:在上述三种模式转换机理中,开始的时候层状生长的 自由能较低; 但其后,岛状生长的自由能变低了,岛状生 长反而变得更有利了。
6.2新相的自发成核理论
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
成核自由能变化随新相核心半径的变化关系-类似自发成核,形成临 界核心的临界自由能变化ΔG* 实际上就相当于成核的势垒;热激活 过程提供的能量起伏将使的一些原子具备了ΔG* 大小,导致新核的 形成。
在薄膜沉积的情况下,核心常出现在衬底的某个局部位臵上,如晶体
在薄膜沉积过程的最初阶段,都需要有新相的核心形成,
新相的成核过程可以被分为两种类型: 1. 自发成核:所谓自发成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; 2. 非自发成核:非自发形核指的是除了有相变自由能作推动 力之外,还有其他的因素起到了帮助新相核心生成的作用。
6.2新相的自发成核理论
1
ED
ν为表面原子的振动频率。
e KT
这些吸附原子在扩散中,会与其他原子或原子团结合在一起。 随着其相互结合成越来越大的原子团,其脱附的可能性也在逐 渐下降。在衬底表面的缺陷处,原子的正常键合状态被打乱, 因而在这里吸附原子的脱附激活能Ed较高。这导致在衬底表面
势能谷底,被表面吸附,即发生凝结过程。
凝结伴随着晶核形成与生长过程,岛形成、合并与生长过程, 最后形成连续的膜层。
6.1薄膜生长过程概述
在真空中制造薄膜时,真空蒸镀需要进行数百摄氏度以上的 加热蒸发。
在溅射镀膜时,从靶表面飞出的原子或分子所带的能量,与 蒸发原子的相比,还要更高些。这些气化的原子或分子,一 旦到达基板表面,在极短的时间内就会凝结为固体。 也就是说,薄膜沉积伴随着从气相到固相的急冷过程,从结 构上看,薄膜中必然会保留大量的缺陷。 此外,薄膜的形态也不是块体的,其厚度与表面尺寸相比相 差甚远,可近似为二维结构。
由式(5-10)对原子团半径r微分为零的条件,(由 求出临界半径为:
r
*
dG dr
0
)可
2 ( a 3 vf a 2
fs
a 2 sv )
3 a1 G V
临界成核时系统的自由能变化为:
G
*
4 ( a 3 vf a 2
2
fs
a 2 sv )
2
(2)当 r > r*时新相核心将处于可以继续稳定生长的状态,
并且生长过程将使得自由能下降。
临界成核时系统的自由能变化为:(把r*代入G)
G* = 16 3/3Gv2
6.2新相的自发成核理论
气相的过饱和度越大,临界核心的自由能变化也越小。形 成临界核心的临界自由能变化G* 实际上就相当于成核的势 垒;热激活过程提供的能量起伏将使得一些原子具备了 G* 大小,导致新核的形成。
ΔGv是单位体积的相变自由能,它是薄膜成核的驱动力;
vf、 fs、
sv分别是气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)之间的界面能;
核心具体形状有关的常数(活度)。
a1、a2、a3是与
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
对如图所示的冠状核心来说,有 a1= π(2-3cos θ +cos3θ) a2= π sin2 θ a3= 2 π(1-cosθ) 核心形状的稳定性要求界面能之间满足:
sv
=
fs
+
vf cos
θ
即θ只取决于各界面能之间的数量关系。薄膜与衬底的浸润性越差,则θ的 数值越大。由上式也可以说明薄膜的不同生长模式。
θ>0
θ=0
sv
sv
<
=
fs
fs
6.2新相的自发成核理论
当过饱和度为零时,ΔGv=0,这时将没有新相的核心可以 形成,或者已经形成的新相核心不再长大。
当气相存在过饱和(P>Pv)现象时,Gv <0,它就是新相形
核的驱动力。在新的核心形成的同时,还将伴随有新的固 气相界面的生成,它导致相应界面能的增加,其数值为 4πr2γ,其中γ为单位面积的界面能。
缺陷、原子层形成的台阶、杂质原子处等。这些地点或可以降低薄膜 与衬底间的界面能,或可以降低使原子发生键合时所需的激活能。因
此,薄膜形核的过程在很大程度上取决于衬底表面能够提供的形核位
臵的特性和数量。
6.3 薄膜的非自发成核理论
二、薄膜的成核速率
形核率是在单位面积上,单位时间内形成的临界核心的数目。新相形 成所需要的原子可能来自: (1) 气相原子的直接沉积; (2) 衬底表面吸附原子沿表面的扩散。
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
在大多数固体相变过程中,涉及的成核过程都是非自发成核的 过程,即有其他的因素起到了帮助新相核心的生成。 一、非自发成核过程的热力学 原子团在衬底上形成初期,原子团很小,它可能吸收外来原子而长大, 也可能失去已有的原子而消失,其自由能变化为
G=a1r3 Gv+a2r2 fs+a2r2 sv-a3r2 vf (5-10)
第六章 薄膜的生长过程
6.1薄膜生长过程概述
图6.1表示薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程
6.1薄膜生长过程概述
射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞,其中一部
分被反射,另一部分在表面上停留。
停留于表面的原子、分子,在自身所带能量及基板温度所对 应的能量作用下,发生表面扩散(surface diffusion)及表面迁移 (surface migration),一部分再蒸发,脱离表面,一部分落入
自发成核简单例子-从过饱和气相中形成球形核的过程
薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下,薄膜的形核过程可 以近似地被认为是一个自发形核的过程。看图5.3,设新相 核心的半径为r,因而形成一个新相核心时,体自由能将 变化
4 r 3
3
ΔGv,
其中ΔGv =(kT/W)ln(Pv/P)是单位体积的固相在凝结过程
6.1薄膜生长过程概述
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式:
在层状-岛状中间生长模式中,在最开始一两个原子层厚度的 层状生长之后,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,但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。
6.2新相的自发成核理论
综合上面两项能量之后,我们得到系统的自由能变化为: G =
4 r 3
3
Gv+ 4r2
对G求r的微分,得到自由能G 为零的条件为:r* = -2 / Gv
它是能够平衡存在的最小固相半径 ,或临界核心半径
讨论(1)当 r < r*时,在热涨落过程中形成的这个新相核心将 处于不稳定状态,它可能再次消失
6.1薄膜生长过程概述
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 :
被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来,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; 金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与 衬底的组合来说,只要沉积温度足够高,沉积的原子具有一 定的扩散能力,薄膜的生长就表现为岛状生长模式。
2、在Si的(111)晶面上外延生长GaAs,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, 而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。这有效 地降低了晶体的表面能,使得其后的沉积过程转变为三维的 岛状生长。
6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
6.1薄膜生长过程概述
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式 2、层状生长(Frank-van der Merwe)模式:
当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时,被沉积物质的原子 更倾向于与衬底原子键合。因此,薄膜从形核阶段开始即采 取二维扩展模式,沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生 长将一直保持这种层状生长模式。
6.1薄膜生长过程概述Biblioteka 三种不同薄膜生长模式的示意图:
6.1薄膜生长过程概述
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长,但是由于薄膜与衬
底之间晶格常数不匹配,因而随着沉积原子层的增加,应变 能(应力)逐渐增加。为了松弛这部分能量,薄膜在生长到
一定厚度之后,生长模式转化为岛状模式。
3
2 7 a1 G v
1 6 vf ( 2 3 c o s c o s 3 )
3
3 GV
2
4
θ越小,衬底与薄膜的浸润性越好,则非自发成核的能垒降低的越
多,非自发成核的倾向越大。在层状模式时,形核势垒高度等于零。
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学 非自发形核过程中ΔG 随r的变化趋势也如图5.4所示。在热涨 落的作用下,会不断形成尺寸不同的新相核心。半径r<r*的 核心会由于Δ G降低的趋势而倾向于消失,而那些r>r*的核心 则可伴随着自由能的下降而倾向于长大。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时,为了降低
表面能,薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面,因此薄膜 在生长到一定厚度之后,生长模式会由层状模式向岛状模
式转变。
注:在上述三种模式转换机理中,开始的时候层状生长的 自由能较低; 但其后,岛状生长的自由能变低了,岛状生 长反而变得更有利了。
6.2新相的自发成核理论
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
成核自由能变化随新相核心半径的变化关系-类似自发成核,形成临 界核心的临界自由能变化ΔG* 实际上就相当于成核的势垒;热激活 过程提供的能量起伏将使的一些原子具备了ΔG* 大小,导致新核的 形成。
在薄膜沉积的情况下,核心常出现在衬底的某个局部位臵上,如晶体
在薄膜沉积过程的最初阶段,都需要有新相的核心形成,
新相的成核过程可以被分为两种类型: 1. 自发成核:所谓自发成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; 2. 非自发成核:非自发形核指的是除了有相变自由能作推动 力之外,还有其他的因素起到了帮助新相核心生成的作用。
6.2新相的自发成核理论
1
ED
ν为表面原子的振动频率。
e KT
这些吸附原子在扩散中,会与其他原子或原子团结合在一起。 随着其相互结合成越来越大的原子团,其脱附的可能性也在逐 渐下降。在衬底表面的缺陷处,原子的正常键合状态被打乱, 因而在这里吸附原子的脱附激活能Ed较高。这导致在衬底表面
势能谷底,被表面吸附,即发生凝结过程。
凝结伴随着晶核形成与生长过程,岛形成、合并与生长过程, 最后形成连续的膜层。
6.1薄膜生长过程概述
在真空中制造薄膜时,真空蒸镀需要进行数百摄氏度以上的 加热蒸发。
在溅射镀膜时,从靶表面飞出的原子或分子所带的能量,与 蒸发原子的相比,还要更高些。这些气化的原子或分子,一 旦到达基板表面,在极短的时间内就会凝结为固体。 也就是说,薄膜沉积伴随着从气相到固相的急冷过程,从结 构上看,薄膜中必然会保留大量的缺陷。 此外,薄膜的形态也不是块体的,其厚度与表面尺寸相比相 差甚远,可近似为二维结构。
由式(5-10)对原子团半径r微分为零的条件,(由 求出临界半径为:
r
*
dG dr
0
)可
2 ( a 3 vf a 2
fs
a 2 sv )
3 a1 G V
临界成核时系统的自由能变化为:
G
*
4 ( a 3 vf a 2
2
fs
a 2 sv )
2
(2)当 r > r*时新相核心将处于可以继续稳定生长的状态,
并且生长过程将使得自由能下降。
临界成核时系统的自由能变化为:(把r*代入G)
G* = 16 3/3Gv2
6.2新相的自发成核理论
气相的过饱和度越大,临界核心的自由能变化也越小。形 成临界核心的临界自由能变化G* 实际上就相当于成核的势 垒;热激活过程提供的能量起伏将使得一些原子具备了 G* 大小,导致新核的形成。
ΔGv是单位体积的相变自由能,它是薄膜成核的驱动力;
vf、 fs、
sv分别是气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)之间的界面能;
核心具体形状有关的常数(活度)。
a1、a2、a3是与
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
6.3 薄膜的非自发成核理论
一、非自发成核过程的热力学
对如图所示的冠状核心来说,有 a1= π(2-3cos θ +cos3θ) a2= π sin2 θ a3= 2 π(1-cosθ) 核心形状的稳定性要求界面能之间满足:
sv
=
fs
+
vf cos
θ
即θ只取决于各界面能之间的数量关系。薄膜与衬底的浸润性越差,则θ的 数值越大。由上式也可以说明薄膜的不同生长模式。
θ>0
θ=0
sv
sv
<
=
fs
fs