薄膜生长的基本过程
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。 .
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：
•
薄膜生长步骤
薄膜生长步骤
薄膜生长指的是在基底上通过化学或物理方法制备出一层薄膜的
过程。
这项技术具有广泛的应用前景，例如电子器件、光学材料、涂
料等领域。
下面我们将分步骤介绍薄膜生长的过程。
第一步，先准备好基底，一般选用的是高质量的单晶硅片或玻璃
基板。
这个步骤的关键在于确保基底表面平整、无杂质，以及合适的
晶格结构和晶向。
第二步，进行基底表面预处理。
这个步骤的目的是去除表面的氧
化物和污染物，以及提高表面的反应活性。
常用的方法包括机械抛光、酸洗、热压等。
第三步，选择适当的生长技术。
常见的薄膜生长技术有物理气相
沉积、化学气相沉积、分子束外延、溅射等。
不同的技术具有不同的
优缺点和适用范围，应该根据具体需要选择。
第四步，进行薄膜的生长。
生长过程中需要控制温度、气压、反
应进气量等参数来控制膜的厚度和质量。
在生长过程中还需要根据需
要加入掺杂元素或在不同的反应条件下进行生长。
第五步，进行后处理。
薄膜生长后需要进行一定的后处理，例如
进行退火、氧化等，这些步骤有助于提高膜质量和改变其性能。
以上就是薄膜生长的主要步骤。
在实际操作中，还需要注意一些细节，例如仪器的维护、材料的选择、反应条件的调整等，才能得到高质量的薄膜。
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。
薄膜生长过程
Eε ≥ Ed
2G f [(1 +ν ) /(1 ν )]d c f 2 = [G f Gs /(G f + Gs )][b 2 / π (1 +ν )][ln(d c / b) + 1] / S
4，位错与薄膜生长间的关系： ，位错与薄膜生长间的关系：
a，Frank-Read位错与薄膜生长间的关系——低饱和蒸气压下薄膜生长
}
为薄膜的两种基本生长模式。
3，薄膜中的晶体缺陷： ，薄膜中的晶体缺陷：
其中（c）服从所谓的 Vegards law：
a(Ax B = (1 x)a A + xa B )
(b)称为肖特基缺陷； (a)称为弗兰克尔缺陷。
3，薄膜中的晶体缺陷： ，薄膜中的晶体缺陷：
→
螺位错
刃位错
层错与分位错有关，小角（大角）晶界与刃位错有关。
薄 膜 生 长 过 程
1，真空度对薄膜生长的影响： ，真空度对薄膜生长的影响：
J=nv
Pim JX = 2πm k BT
（JX为沿X方向的入射粒子流通量。）
2，表面能（表面张力ε与表面能 的关系）： ，表面能（表面张力 与表面能 的关系）： 与表面能γ的关系
产生新的表面，需要破坏一定数量的化学键。因此是吸热过 程，体系能量上升。所以表面能符号应为“+”！
衬底温度 * ：1，薄膜 衬底 2，
11，薄膜生长：衬底对薄膜生长的影响 ，薄膜生长：
薄膜 B A B A B A B A 衬底
A B A B A B A B
B A B A B A B A
B A B A B A B A
B A B A B A B A Nhomakorabea举例：衬底缺陷（层错（等等））必然对薄膜生长有影响。
薄膜的形成过程及生长方式
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
第五章薄膜的生长过程和薄膜结构
在单位时间内，单位表面上由临界尺寸的原子团长大的核心数 目就是形核率，它应该正比于三个因子的乘积，即 dN （5－18） n* A*
dt
1 e v
Ed kT
（5－17）
薄膜的非自发形核理论
n* 为衬底上临界核心的面密度；
A* 为每个临界核心接受沿衬底表面扩散来的吸附原子的表面积；
为在单位时间内，向上述表面扩散来的吸附原子的通量。
结形成临界核(4)稳定核捕获其他原子生长
薄膜生长过程概述
(1)原子吸附
从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上，
其中一部分因能量较大而弹性反射回去，另一部分则吸附在基
体上。在吸附的气相原子中有一小部分因能量稍大而再蒸发出 去。
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 这种原子团和其他吸附原子碰撞结合
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：
K nj n1j e
G kT
（5－8）
G* kT
将上式应用于临界核心，即可求出临界核心的面密度
n* ns e
（5－9）
新相的自发形核理论
根据上式，临界核心的面密度n*取决于两个量，即n1和 G * 前者正比于气相原子的沉积通量J或气相的压力P，而后者也 通过5－5和式5－1依赖于p。因此，当气相压力或沉积速率上 升时， n*将会迅速增加。 温度对n*的影响可以从两个方面来考虑。一方面，温度增加会提
简述薄膜生长的三种基本模式
简述薄膜生长的三种基本模式引言薄膜生长是材料科学中的重要研究领域，它涉及到材料的制备、性质和应用等方面。
薄膜生长的基本模式可以分为三种：化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和溶液法。
本文将对这三种基本模式进行全面、详细、完整且深入地探讨。
化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是一种通过在气相中使气体分子发生化学反应，从而在基底上形成固态材料的方法。
它主要包括以下几个步骤：1.基底预处理：在进行CVD之前，需要对基底进行预处理，以提高薄膜的质量和附着力。
常见的预处理方法包括清洗、表面活化和表面修饰等。
2.基底放置：经过预处理的基底被放置在反应室中，通常是在高温和低压的条件下进行。
3.气体进料：适当的气体被进料到反应室中，其中包括反应物和载气。
反应物通过化学反应生成薄膜的组分。
4.反应发生：在适当的温度和压力下，反应物发生化学反应，生成固态薄膜。
5.薄膜生长：生成的固态薄膜在基底上生长，形成所需的薄膜结构。
CVD方法具有高度的可控性和均匀性，能够制备出高质量的薄膜。
它在半导体、光电子器件等领域具有重要的应用。
物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是一种通过物理手段将固态材料转化为气态，然后在基底上重新形成固态材料的方法。
它主要包括以下几个步骤：1.基底预处理：与CVD相似，基底需要进行预处理以提高薄膜的质量和附着力。
2.基底放置：经过预处理的基底被放置在真空室中，通常是在高真空条件下进行。
3.材料蒸发：固态材料被加热至蒸发温度，转化为气态。
4.气体沉积：气态材料在基底上重新形成固态材料，形成薄膜。
PVD方法具有高速度和高温度的优势，适用于一些高熔点材料的制备。
它在涂层、磁性薄膜等领域具有广泛的应用。
溶液法溶液法是一种将溶液中的溶质转化为固态材料的方法。
它主要包括以下几个步骤：1.溶液制备：将溶质溶解在适当的溶剂中，形成溶液。
2.基底准备：基底需要进行预处理，以提高薄膜的附着力。
3.溶液沉积：将溶液倒在基底上，通过溶剂的挥发或化学反应，溶质转化为固态材料。
薄膜生长的基本过程
化学气相沉积（CVD）
常温化学气相沉积
在常温条件下，通过控制反应气体浓度、温度和压力等参数，使 气体发生化学反应并生成固体薄膜。
热化学气相沉积
在高温条件下，使反应气体发生化学反应并生成固体薄膜。
等离子体增强化学气相沉积
利用等离子体激活反应气体，促进化学反应并生成固体薄膜。
液相外延（LPE）
溶质选择与控制
03
薄膜生长的工艺流程
原料选择与处理
01
02
03
原料选择
根据薄膜的用途和性能要 求，选择合适的原料，如 金属、非金属、化合物等。
原料纯度
确保原料的高纯度，以减 少杂质和缺陷的产生。
原料处理
对原料进行表面处理，如 清洗、干燥等，以去除表 面的污垢和杂质。
基片准备与预处理
基片选择
根据薄膜的性质和用途，选择合适的基片材料，如玻 璃、陶瓷、硅片等。
05
薄膜生长的应用领域
微电子领域
1 2
微电子器件制造
薄膜生长技术在微电子领域中广泛应用于制造各 种微电子器件，如薄膜晶体管、太阳能电池、传 感器等。
集成电路封装
在集成电路封装中，薄膜生长技术用于制造芯片 封装所需的绝缘膜层和导电线路等。
3
电子元器件表面处理
薄膜生长技术可以用于电子元器件表面的抗腐蚀、 抗氧化和抗磨损等处理，提高元器件的使用寿命 和稳定性。
02
薄膜生长的基本原理
物理气相沉积（PVD）
真空蒸发
在真空条件下，通过加热蒸发源物质，使其原子 或分子在基底表面凝结形成薄膜。
溅射沉积
利用高能粒子轰击源物质，使其原子或分子从表 面溅射出来，并在基底表面沉积形成薄膜。
离子束沉积
薄膜生长机理
例如，在还原气氛下，氧化物薄膜可能被还原为金属或金属氧化物； 在氧化气氛下，金属薄膜可能被氧化为金属氧化物。
04
气氛的均匀性和稳定性也会影响薄膜的均匀性和质量。
基片的影响
基片对薄膜生长的影响主要体 现在基片的表面结构和化学性
质上。
基片的表面结构对薄膜的附着 力、均匀性和致密性有重要影
响。
基片的化学性质可以与薄膜材 料发生相互作用，影响薄膜的 生长过程和结构。
的化学组成和结构。
化学气相沉积
通过化学反应将气态的化学物质转 化为固态薄膜，涉及复杂的化学反 应和相变过程。
氧化还原反应
在沉积过程中可能发生氧化还原反 应，影响薄膜的化学组成和电子结 构。
薄膜生长的动力学过程
相变动力学
薄膜生长过程中涉及的相变过程， 如气态到液态、液态到固态等， 需要遵循一定的相变动力学规律。
03
薄膜在生长过程中可能会发生相变，形成不同相的组成，从而
影响其整体性能。
薄膜的化学成分
01
化学成分对性能的 影响
薄膜的化学成分决定了其物理、 化学和机械性能，如电导率、光 学性能和耐腐蚀性等。
02
03
元素组成与比例
化学稳定性
薄膜中各元素的组成与比例对其 性能具有重要影响，如掺杂元素 可以提高薄膜的性能。
例如，基片表面的氧化物、杂 质等可能会影响薄膜的生长过 程和结构。
04 薄膜性能与表征
薄膜的晶体结构
晶体结构对性能的影响
01
薄膜的晶体结构决定了其物理、化学和机械性能，如硬度、韧
性和导电性等。
晶体取向与生长机制
02
薄膜的晶体取向与生长机制密切相关，不同的晶体取向会导致
【精品】表面工程技术5薄膜的生长和性能
§5薄膜的生长和性能§5。
1薄膜的生长薄膜的生长过程一般分为成膜粒子的凝结过程、核的形成与长大过程、岛的形成与合并生长过程.一、凝结过程包括吸附、表面扩散和凝结等过程。
凝结过程是簿膜生长的第一阶段.在气相镀膜中，凝结过程是气相原子、离子或分子入射到衬底表面后，气相吸附相凝结相的一个相变过程。
1、吸附过程固体表面的不饱和键或悬挂键具有吸引外来原子或分子的能力，即吸附。
表面自由能；吸附力；吸附能。
物理吸附;化学吸附。
解吸;解吸能。
（1）吸附过程中的能量变化关系当入射到基体表面的气相原子动能较小时,处于物理吸附状态，其吸附能用Q p表示。
当这种气相原子动能较大、但小于或等于E a时则可产生化学吸附。
达到完全化学吸附时，这种气相原子释放出能量E d.E d与E a的差值Q c称为化学吸附热，E a称为激活能，由此可以看出化学吸附是一种激活过程。
因为Q c>Q p,所以只有动能较大的气相原子才能和基体表面产生化学吸附。
当化学吸附的原子获得的动能大于E d时，它将不再被基体表面吸附，通过再蒸发或解吸而转变为气相，因此E d又称为解吸能。
（2）吸附原子在表面的平均停留时间吸附的气相原子在基体表面上的平均停留时间τa 与解吸能E d 之间的关系为：0exp(/)a d E kT ττ=式中τ0是单层原子的振动周期，数值大约为10—14～10-12秒，k 是玻耳兹曼常数，T 是绝对温度。
在室温下，不同解吸能E d 与平均停留时间τa 的关系如下表。
可以看出，当E d 大于20kcal/mol 时，τa 值急剧增长到超过通常的实验时间. E d (kcal／mol ） τa (s) E d （kcal ／mol ）τa （s ）2、表面扩散过程（1）扩散过程吸附原子在表面上停留期间,便失去了在表面法线方向的动量，只具有与表面水平方向相平行运动的动量。
依靠这种运动的动能，吸附原子在表面上作不同方向的表面扩散运动。
薄膜的生长过程
薄膜的生长主要包含以下三个基本过程：首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；最后，到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。
具体说来，基于辉光放电方法的PECVD技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体。
在辉光放电的等离子体中，电子经外电场加速后，其动能通常可达10eV左右，甚至更高，足以破坏反应气体分子的化学键，因此，通过高能电子和反应气体分子的非弹性碰撞，就会使气体分子电离（离化）或者使其分解，产生中性原子和分子生成物。
正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置衬底的下电极附近也存在有一较小的离子层电场，所以衬底也受到某种程度的离子轰击。
因而分解产生的中性物依扩散到达管壁和衬底。
这些粒子和基团（这里把化学上是活性的中性原子和分子物都称之为基团）在漂移和扩散的过程中，由于平均自由程很短，所以都会发生离子-分子反应和基团-分子反应等过程。
到达衬底并被吸附的化学活性物（主要是基团）的化学性质都很活泼，由它们之间的相互反应从而形成薄膜。
2、等离子体内的化学反应由于辉光放电过程中对反应气体的激励主要是电子碰撞，因此等离子体内的基元反应多种多样的，而且等离子体与固体表面的相互作用也非常复杂，这些都给PECVD技术制膜过程的机理研究增加了难度。
迄今为止，许多重要的反应体系都是通过实验使工艺参数最优化，从而获得具有理想特性的薄膜。
对基于PECVD技术的硅基薄膜的沉积而言，如果能够深刻揭示其沉积机理，便可以在保证材料优良物性的前提下，大幅度提高硅基薄膜材料的沉积速率。
目前，在硅基薄膜的研究中，人们之所以普遍采用氢稀释硅烷（SiH4）作为反应气体，是因为这样生成的硅基薄膜材料中含有一定量的氢，H 在硅基薄膜中起着十分重要的作用，它能填补材料结构中的悬键，大大降低了缺陷能级，容易实现材料的价电子控制，自从1975 年Spear 等人首先实现硅薄膜的掺杂效应并制备出第一个pn 结以来，基于PECVD 技术的硅基薄膜制备与应用研究得到了突飞猛进的发展，因此，下面将对硅基薄膜PECVD 技术沉积过程中硅烷等离子体内的化学反应进行描述与讨论。
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。
第八章薄膜生长基础
每个临界核心的表面积
dt
A = 4πr 2
sP 2πmkT
气相原子流向新相核心的净通量 dσ = ζ v 0 Ps =
起始沉积过程分类
S ∑ = σS D =
E ED σ exp( d ) σm RT
σ = ξ vτ
ζv =
nv = 4 P 2πmkT
起始不易沉积状态（不发生凝结） ① 起始不易沉积状态（不发生凝结 N σ m ; S ∑ 1
τ = τ 0 exp(
Ed ) RT
此时所有原子的俘获面积只能够覆盖部分衬底，俘获面积重叠的概率可以忽略， 此时所有原子的俘获面积只能够覆盖部分衬底，俘获面积重叠的概率可以忽略，一般在驻留时 间内两个原子不能结合成核， 间内两个原子不能结合成核，衬底上将保持一定密度的单个增原子作扩散运动并有很大的概率 再蒸发．这种情形被称为起始不易沉积状态． 再蒸发． 这种情形被称为起始不易沉积状态．
层状在成膜初期，按二维层状生长，形成数层之后， 层状-岛状模式 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
导致这种模式转变的物理机制比较复杂，例如Si基板上的 薄膜。 基板上的Ag薄膜 式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，例如 基板上的 薄膜。
举例： 层状而后岛状的复合生长 举例：先层状而后岛状的复合生长——物理机制 物理机制
薄 膜 生 长 基 础
薄膜形核与生长的物理过程
表面吸附 气相原子吸附在基体表面上 表面扩散 小原子团凝结在基体表面上 形核 小原子团和其他吸附原子碰撞结合或释放
一个单原子。反复进行， 一个单原子。反复进行，一旦原子团中的原子数超 过某一个临界值， 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； 撞结合，只向着长大方向发展形成稳定的原子团； 临界晶核：含有临界值原子数的原子团； 临界晶核：含有临界值原子数的原子团； 亚稳定晶核：小于临界晶核； 亚稳定晶核：小于临界晶核； 稳定晶核：大于临界晶核； 稳定晶核：大于临界晶核；
- 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)。
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 ]
薄膜以layer-by-layer方式外延生长时，增原子必须扩散 到生长边缘，距离大概 100 ~ 1000 原子距离，要求扩散 系数大约为10-8cm2/s 所以
TE~0.5TM 半导体 ~0.3TM 金属 ~0.1TM 卤化物
起始沉积过程的分类
按起始沉积过程中再蒸发的难易程度和沉积 原子能够相遇结合起来的程度区分为三类
1. 产生随机数——蒸镀原子的坐标 2. 产生随机数——蒸镀原子随机扩散 3. 如果遇到其他原子则凝聚下来 4. 如果没有遇到其他原子则继续扩散
计算模拟所得的图形 —分形图形
Hit-and-stick DLA model
四方格子生长的图形 三角格子生长出的图形
薄膜生长初期阶段的STM实验观察结果
合并过程
Au /MoS2 , 400 oC, (a) 任意时间, (b) 0.06s, (c) 0.18s, (d) 0.50 s, (e) 1.06 s, (f) 6.18 s.
Es 2 * 2 R12
Es (T ) 2 RT 2
RT 21/3 R1
Es 21/3 1 Es (T )
0.1 ML Si
563 K
0.1 ML Si
593 K
Dimer Rows
A step
Denuded
B step
A step
B step A step
Overlayer Rows
各向异性岛（垂直于衬底表面二聚体链的方向）。 增原子各向异性扩散所形成的晶核形状 (二聚体链方向扩散快)。 高温下B型台阶上扩散更快，导致B型台阶上无法成核 (denuded zones)，会导致A台面消失，形成双层台阶。
计算得到 晶格上形成的 分形图形 分形生长图形
实验观察到的分形 生长图形比较粗
PRL 76 (1996) 2366
Simulation 需要考虑到 原子在边角上的扩散和 凝聚涉及到的近临数
实际的薄膜生长图形枝叉宽度随温度变化。计 算模拟得到的图形应该和实验是一致的。
这需要考虑原子在密排 六角衬底上绕过岛角的 扩散各向异性。
i=1i=3， i=2i=3
薄膜质量和成核的关系的一般规律
临界晶核为单个原子时的 稳定晶核密度
i=1
起始不完全沉积，设沉积进行一段时 间后，稳定晶核数为nx
N0 < Rama < 2N0
单位面积 衬底分为 两部分
稳定晶核区nxma/N0 单原子区1-nxma/N0
温度下降，起始不完全沉积起始完全沉积
成核率与时间和温度的关系(T1>T2>T3>T4)
几种模型下成核率的比较：
Ji
Ri1 n0i1vi
exp[(i 1)Ea Es kT
Ei
]
Ji
a2 0
Ri1 n0i1vi
exp((i
1)Ea Es kT
Ei
)
J 2r*a0 sin Rns exp[( Ea Ed G*) / kT]
热力学模型中的参数不好确定和估计，原子模型中的
稳定核的生长、融合与减少的机制
熟化过程
不同大小的原子团附近的平 衡蒸汽压（或浓度)不同， 引起浓度差，从而导致原子 从小尺寸原子团到大尺寸原 子团的迁移。这种机制称作 熟化过程，熟化过程是单原 子迁移过程。
pb <
ps
GaAs衬底上Ga原子团的显微像
熟化机制下的晶粒长大
极坐标下的扩散方程(二维)：
250 °C
稳定核的生长、融合与减少
dnx dt
Kin1ni
Uc
Um
稳定核生长过程中的一般现象：
➢ 所有核在衬底表面的投射面积之和减小； ➢ 残存核的高度增加； ➢ 具有晶体外形的核有时会变形成圆； ➢ 岛随时间逐渐取晶体外形； ➢ 两个具有不同取向的岛融合时，融合后的岛取融
合前尺寸更大的晶体的取向； ➢ 融合过程经常有类液体的过程，比如形状变化； ➢ 原子团可以在表面迁移（迁移融合）；
ln L
N0
2
rkT
rc (t) rc (t0 )[1 (t t0 ) / ]1/4 rc4 (t0 ) / b b N0 22Ds / kT
rc4 (t) ~ t 大原子团 rc4 (t) ~ t 小原子团
Si上生长Sn 原子的过程
不同生长模式下的生长时间标度率
在熟化过程中，包括原子从小原子团脱离，原子扩散 到大原子团附近，再被大原子团俘获等一系列过程， 在后两种情况下，原子的脱离或俘获过程是限制过程
起始完全沉积的稳定晶核密度: 由于增原子密度高，所以在 小于a的时间内增原子就会 被俘获，无规行走时间(或称 单原子寿命)不再是a，而是 c，且c<a
起始不完全沉积
N N e(Ea Ed ) / kT
x
0
起始完全沉积
N x (N0 R / )1/ 2 eEd / 2kT
饱和稳定晶核密度随温度的变化
薄膜生长的成核长大动力学
薄膜生长的基本过程
热力学：判断过程是否能进行 动力学：过程怎么进行
热力学平衡的时候薄膜不能生长
原子流密度J
入射流密度 净沉积率
脱附流密度
温度
讨论：平衡时Jc=J0 薄膜生长时处于非平衡状态Jc>J0 温度升高会降低沉积速率，甚至无法沉积
吸附原子的扩散与脱附的关系
单位时间内吸附原子的行走步数：
Au、Ag/碱卤化物的吸附能和扩散激活能
样品 Au/NaCl Au/KCl Ag/NaCl Ag/KCl
Ea/eV 0.68~0.74 0.66~0.71 0.61~0.65 0.41~0.53
Ed/eV 0.27~0.36 0.21~0.28 0.18~0.24 0.08~0.31
100K 300K 400K 450K
Nr ln Lr N0 ln r (N0 Nr ) ln R
ln L
ln L
每秒流入周长为2πr的 球体的原子数
2
N r N0e rkT
J
2 rDs
N R
Rr
2 Ds
ln L
(Nr
N0 )
2 Ds
ln L
N0
2
rkT
半球体原子数的变化
Q 2r3 /
3
dQ dt
2 r 2
dr dt
2 Ds
计算程序中可以改变参数和规则：
➢ 改变坐标系 ➢ 扩散是有限步数的 ➢ 凝聚是有选择的
薄膜生长形成分形图形
对于扩散步数加以限制(6) --产生新的成核中心
薄膜生长对凝聚停下来几率加以限制
两个位置凝聚几率不等 计算得到的图形有一些变化
薄膜生长初期阶段的实验观察结果
PRL 70 (1993) 3943 PRL没76有(19实96)验130观4 察 到在正方表面N源自t1 RR (RDs
N ) R
1 R2
2 (Ds N ) 2
稳态： 1 R
R
(RDs
N R
)
0
边界条件：
N(r)=Nr N(Lr)=N0
Nr
N0 N(R)
r
Lr
Nr为原子团表面吸附原子的浓度， N0为平直表面上的吸附原子浓度
2
N r N0e rkT
N (R) Nr ln(Lr / R) N0 ln(r / R) ln L
不同温度下沉积的 Au核的形貌图 覆盖度 0.2ML (a) 100 K (b) 300 K (c) 400 K (d) 450 K
温度上升，晶核数减小，是起始完全沉积状态
不同沉积速率下成核示意图
低沉积速率
高沉积速率
❖高沉积速率下和低沉积速率下沉积0.25 ML后的成核 起始完全沉积
一般情况：NS (T ) AN0 (R / N0v) p exp(E / kT )
R D / L2
L2 R D
佩克莱特数 where L = ave. step spacing
低沉积率 高扩散
高沉积率 低扩散