薄膜的形成过程及生长方式
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薄膜物理与技术-5 薄膜的形成与生长
吸附原子做表面迁移→碰撞→结合（为主）
• 临界核长成稳定核的速率决定于：
1）单位面积上的临界核数—临界核密度
2）每个临界核的捕获范围 3）所有吸附原子向临界核运动的总速度
5.2 成核理论-热力学界面能理论
* 成核速率 I 与临界核面密度 ni、临界核捕获范围 A和 吸附原子向临界核扩散的总速率 V 有关。
最小稳定核：即原子团的尺寸或所含原子的数目比它再小时， 原子团就不稳定。 对不同的薄膜材料与基片组合，都有各自的最小稳定核。如 在玻璃上沉积金属时，最小稳定核为3-10个原子 临界核：比最小稳定核再小点，或者说再小一个原子，原子 团就变成不稳定的。这种原子团为临界核。
5.2 成核理论
成核理论主要有两种理论模型： • 毛细理论（热力学界面能理论）：建立在热力学基础上，利
1 ED fD exp D o kT 1
5.1 凝结过程
平均表面扩散距离
吸附原子在表面停留时间经过扩散运动所移动的距离（从起始
点到终点的间隔）称为平均表面扩散距离， 若用 ao表示相邻吸附位臵间距，则：
x
Ed ED x a0 exp 2kT
αT 1 αT 1
TR =TS 入射原子与基片能量交换充分，达到热平衡 完全适应，
不完全适应，TS < TR < TI
完全不适应， TI TR
入射原子与基片完全没有热交换
αT 0
5.2 成核理论
薄膜的形成是由成核 开始的。
凝结
5.2 成核理论
稳定核：要在基片上形成稳定的薄膜，在沉积过程中必须不 断产生这样的小原子团，即一旦形成就不分解。
5.1 凝结过程
1. 吸附
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
薄膜的生长过程和薄膜结构
薄膜生长过程概述
(2)表面扩散迁移 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)原子凝结形成临界核 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)稳定核捕获其他原子生长 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。
（5－16）
式中，第一项正是自发形核过程的临界自由能变化（式5－5），
而后一项则为非自发形核相对于自发形核过程能量势垒降低的因
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。
薄膜的非自发形核理论
2、薄膜的形核率
形核率是在单位面积上，单位时间内形成的临界核心数目。为
10可求出形核自由能取得极值的条件为：
r* 2(a3 vf a2 fs a2 sv )
3a1GV
（5－14）
应用式5－11后，上式仍等于式5－4，即
r* 2 vf
GV
因而，虽然非自发形核过程的核心形状与自发形核时有所不同，
但二者所对应的临界核心半径相同。
将上式代入5－10得到相应过程的临界自由能变化为：
根据图5.5中表面能之间的平衡条件，核心形状的稳定性要求各
界面能之间满足关系式
sv fs vf cos
（5－11）
即θ取决于各界面之间的数量关系。薄膜与衬底的浸润性越差，
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。 .
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图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
.
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.
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• 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
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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：
•
薄膜生长的原理范文
薄膜生长的原理范文薄膜生长是一种通过在基底上逐层沉积材料来制备薄膜的过程。
薄膜生长技术在许多领域中被广泛应用，如半导体器件、薄膜太阳能电池、涂层技术、生物传感器等。
薄膜生长的原理涉及材料的原子或分子沉积、表面扩散、自组装等过程。
本文将详细介绍薄膜生长的原理。
首先，薄膜生长涉及材料的原子或分子在基底表面的沉积过程。
在薄膜生长中，一般采用物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）等方法。
在PVD中，材料通常以固体的形式存在，通过激光蒸汽、电子束蒸发等方式将材料蒸发到真空腔体中，然后沉积到基底表面。
在CVD中，材料以气体的形式存在，反应气体通过化学反应生成沉积材料，并在基底表面上沉积。
这些方法中，材料的原子或分子需要穿过气体或真空中的传递路径，然后与基底表面发生相互作用，并最终沉积到基底表面上。
其次，薄膜生长还涉及沉积材料的表面扩散。
由于沉积材料和基底的晶体结构不匹配，沉积过程中会产生应变能，而表面扩散可以减小材料的应变能。
表面扩散是指原子或分子在表面上的迁移过程，使得材料可以在基底表面上扩散形成更大晶体的过程。
表面扩散是通过原子或分子的跳跃运动来实现的，这种跳跃过程受到热能的影响。
在薄膜生长过程中，通常会提供适当的热能，以促进表面扩散，使得材料更好地填充基底表面。
此外，薄膜生长还涉及材料的自组装。
自组装是指原子、分子或纳米颗粒自发地在基底表面上组装成有序结构的过程。
材料的自组装通常受到表面能、体能和介面能的影响。
表面能是指材料表面的自由能，体能是指材料的体积自由能，介面能是指材料与基底之间的能量。
当材料在基底表面上形成一定的有序结构时，可以通过降低介面能来减小自由能，从而提高生长速率和质量。
自组装还可以通过改变材料的结构和形貌来调控其性能，如提高材料的导电性、光学性能等。
总之，薄膜生长的原理涉及材料的原子或分子沉积、表面扩散和自组装等过程。
通过控制这些过程的条件和参数，可以实现对薄膜的生长速率、厚度、晶体结构和形貌的调控。
薄膜的形成过程及生长方式
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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。
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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。
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• 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。
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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
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• 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。
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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
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• 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
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5.1、薄膜生长过程概述
薄膜的形成中核形成与生长
薄膜的形成——核形成与生长
临界核、稳定核与薄膜形成 a. 在一定条件下系统达到平衡，小原子团的数目不变。
在基片上不能形成稳定的薄膜（淀积一停止，它们将 消失）。 b. 要形成稳定薄膜，必须在薄膜表面形成稳定核，即 稳定核一旦产生，一般来说就不再分解。
稳定核大小不一，所含原子数目各有不同；其中 必然有最小稳定核。 比最小稳定核再小一点，或者说再少一个原子， 原子团就变为不稳定，这种刚刚偏离稳定核的原子团
临界核半径：
G 0 x
2 0 r* Gv
(G 0)
3 16 0 f ( ) * G 3(Gv )2
2 3cos cos3 0 f ( ) 4 1
0
薄膜的形成——核形成与生长
临界核问题讨论： a.自由能变化与 角的关系
表面自由能： 体积自由能：
GS 4 r 2 0 f ( )
4 GV Gv r 3 f ( ) 3
r核的曲率半径，θ核与基 体表面的湿润角
总的自由能变化：
1 G GS GV 4 f ( ) (r 2 0 r 3 Gv ) 3
薄膜的形成是由成核开始的。
薄膜的形成——核形成与生长
薄膜的形成——核形成与生长
薄膜的形成——核形成与生长
薄膜的形成——核形成与生长
核形成与生长的物理过程描述
薄膜的形成——核形成与生长
核形成理论 解决问题：核的形成条件和生长速率
成核理论不断发展，出现了若干种成核理论。归纳起来，基 本上是两种理论：
气相
薄膜的形成——核形成与生长
临界核热力学描述 在液体中形成固相核，总自由能变化为：
G GV GS Gv V S
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
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• 如图5.10所示。
精选
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精选
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。
精选
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• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
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• 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。
精选
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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。
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
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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
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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
• 5.1.1 形核
• 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。
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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。精选
18
图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
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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。
• 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。
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复习题
• 薄膜的生长模式有几种？分别以图示之。
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• 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（StranskiKrastanov）
• 三种模式的示意图5.2
精选
5
精选
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。
精选
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。
精选
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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。
•
精选
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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。
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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。
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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。
• 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。
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• 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。
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4
• 5.12薄膜的生长模式