薄膜成长原理
薄膜的形成与生长
凝聚相单位体积自由能
体积自由能变化：
GV
4 3
r
3
Gv
f ( )
总的自由能变化：
G
临界核半径：
GS
GV
4
f
( ) (r 2 0
1 3
r
3
Gv
)
ΔG 0 r
r* 2 0
Gv
(Gv 0)
27
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-热力学界面能理论：
2.成核过程定量分析:
临界形核自由能:
b.每个临界核的捕获范围
c.所有吸附原子向临界核运动的总速度
30
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-热力学界面能理论：
2.成核过程定量分析-成核速率:
I Z ni* AV
（1）临界核密度：ni* n1 exp(G* / kT )
其中，吸附原子面密度 n1
J
a
J
o
exp
Ed kT
33
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-原子聚集理论：
由于临界核中原子数目较少，可以分析它含有一定原子数目时所有 可能的形状，然后用试差法断定哪种原子团是临界核。
原子聚集理论中，结合能是以原子对结合能为最小单位的不连续变
化。
34
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-原子聚集理论：
1.临界核形成条件： （1）较低基体温度T1，临界核是吸附在基体表面上的单个原子。每
9
一、凝结过程
D 0 exp(ED / kT )
o o
x (D a )1 2
10
一、凝结过程
D a02 / D
11
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。
生物物理学中的薄膜生长机制
生物物理学中的薄膜生长机制薄膜是许多生物体中细胞膜、核膜和内质网膜等重要生物膜的基本组成部分。
研究薄膜生长机制对于理解生命过程、药物开发以及纳米技术等领域有着重要的意义。
一、薄膜的结构和功能薄膜是由脂质分子层构成的两层膜结构，每层膜中都有互相对称的脂质分子。
这种结构使得薄膜具有重要的隔离和传递信号的功能。
由于脂质分子的疏水性和亲水性，薄膜还可以起到选择透过的分子和离子的作用。
二、薄膜的生长过程和机制薄膜的生长过程是自组装的过程。
在一个有限的空间内，脂质分子将互相吸引并形成一个连续、平整的薄膜。
薄膜的生长速度和分子结构的选择性可以通过控制脂质分子的化学性质和空间几何形状来调整。
生物体内的薄膜生长过程通常由脂质酰基转移酶（LGT）介导。
LGT负责将脂质分子的疏水基团从乙酰辅酶A上转移至脂肪酸基团，形成甘油三酯或者磷脂酰胆碱等脂质分子。
这些脂质分子可以自组装形成生物体内的各种薄膜结构。
三、薄膜生长的分子模拟分子模拟是研究薄膜生长过程的重要手段。
通过在计算机中建立薄膜的原子级描述，可以模拟出薄膜生长的过程。
这种方法可以帮助研究者了解脂质分子的自组装过程、薄膜的物理性质及其在药物传递等方面的应用。
分子模拟的一种重要方法是分子动力学。
分子动力学通过在计算机上模拟分子运动过程，能够得出薄膜的能量、热力学性质和机械性质等信息。
同时，分子动力学也可以研究脂质分子的配合、内部结构和相互作用等微观物理学问题。
四、薄膜生长的应用薄膜的生长过程被广泛应用于药物递送、纳米器件制造和微流控芯片等领域。
其中，药物递送是薄膜生长的最主要应用之一。
通过控制薄膜生长过程中薄膜孔径的大小和分子结构的选择性，可以实现针对特定分子的递送功能。
此外，薄膜的自组装过程也被应用于纳米器件制造和微流控芯片等领域。
通过控制薄膜的结构和性质，可以制备出高效的光电器件和传感器等纳米器件，并实现芯片尺寸的微观控制。
总之，薄膜生长机制的研究对于我们深入理解生命过程和应用纳米技术等领域有着重要的作用。
钙钛矿薄膜生长原理
钙钛矿薄膜的生长原理主要包括两个阶段：成核阶段和结晶阶段。
在成核阶段，溶液过饱和导致PbI2分子的沉积，这些分子在基板上形成一定数量的晶核。
这些晶核会捕获更多的分子进行生长结晶。
随着晶体的不断生长，孤立的晶核会相互连接成一体，形成连续的薄膜。
钙钛矿薄膜的生长过程还受到温度梯度的影响。
通过高温熔融法预制晶种后，通过控制温度梯度在晶种表面进行快速降温，使晶体在表面沉淀形成钙钛矿薄膜。
此外，钙钛矿薄膜的生长还可以采用其他技术，如溶胶-凝胶法、气相沉积法、离子束溅射法等。
在钙钛矿薄膜生长过程中，过饱和浓度是实现均匀平滑薄膜成核生长的关键。
过饱和浓度越高，形成的晶核数量越多，分布也会越均匀。
这样同时生长结晶的晶体岛的数量也会多，减小了晶体岛彼此之间的间距，更容易汇聚形成连续的薄膜。
钙钛矿薄膜的结构也对其性能产生重要影响。
常见的钙钛矿薄膜结构包括介孔结构和平面异质结构。
介孔结构因其制备工艺成熟和性能优越仍是比较流行的器件结构，它可以让基于溶液法得到的钙钛矿薄膜致密光滑，从而提高器件性能。
而平面异质结构则去除了介孔层，使钙钛矿层直接与电子空穴传输层接触，简化了制备工艺。
总之，钙钛矿薄膜的生长原理涉及到多个因素，包括温度梯度、过饱和浓度、结构等。
通过优化这些因素，可以得到性能优良的钙钛矿薄膜，为钙钛矿太阳能电池等光电器件的应用提供基础。
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
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
5薄膜生长和薄膜结构
11
凝结系数 C
当蒸发的气相原子入射到基底表面时，除了被弹性反射和吸 附后再蒸发的原子外，完全被基底表面所凝结的气相原子数 与入射到基底表面上的总气相原子数之比。
•固体表面的特殊性：与体内相比，在晶体结构方面有重大差异， 存在大量不饱和键，这种键具有吸引外来原子或分子的能力。入射 到基板表面的气相原子被这种不饱和键吸引住的现象称为吸附。 •如果吸附仅仅是分子电偶极矩之间的范德华力起作用，称为物理 吸附 吸附是化学键结合力起作用，称为化学吸附
4
能量 斥力
A
物 理 吸 附
ED
ED：表面扩散激活能
吸附原子表面扩散示意图
吸附原子在一个吸附位臵上的停留时间称谓平均表面扩散时 间，它同表面扩散激活能ED之间的关系为
' ' 0是表面原子沿表面水平方向振动的周期，通常取 0
D exp(ED / kT )
' 0
0
8
吸附原子在表面停留时间内经过扩散运动所移动的距离， 称为平均表面扩散距离，可表示为
dN n * * Nn AJ dt
N ns e
* n
kT
ns是所有可能的形核点密度，J是气相原子流向新核心的 净通量：
C ( pV pS ) N A J 2RT
αC是凝聚系数，μ气相分子摩尔质量
23
所以，新相核心的成核速率为
dN n 4 Cr ns ( pV pS ) N A e dt 2RT
13
（2）层状生长模式（Frank-Vander Merwe模型）
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。
《薄膜生长机理》课件
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。
薄膜的生长原理和技术
three independent filaments; used intermittently N2, O2 and other active gases are chemisorbed. no use for the noble gas and CH4, etc.
p~
kT
2d
2L
1.381023 300 1.41 3.14 (2.91010)2 (0.5)
0.02Pa
1.7 104Torr
1 Torr = 133 Pa ；1 Pa =7.5 mTorr
残留气体对薄膜生长的影响
Substrate
生长材料的分子 残留气体的分子
残留气体在衬底上形成 一单原子层所需时间
为。SK生长模式的机制如下： （1）对于晶格常数相差较大的材料系统，在外延生长初期外延层材 料在衬底表面上呈稳定平面(层)状生长。由于外延层厚度很薄，故它 与衬底晶体之间的晶格失配为生长层本身的弹性畸变所缓解，晶体为 赝品结构生长。 （2）随着生长层厚度逐渐增加，晶体内部弹性畸变能量不断积累， 当此能量值超过某个阈值后，刹那间二维的层状晶体会完全坍塌，只 在原来衬底表面存留一薄层生长层(浸润层)，其余的晶体材料在整个 系统的表面能、界面能和畸变能的联合作用下，于浸润层表面上重新 自动聚集，形成纳米尺度的三维无位错晶体“小岛”，使系统的能量 最小。晶体“小岛”的生成是自发进行的，故被称为自动组装生长。
Film
有应变的外延层
衬底 substrate
弛豫后的外延层
应力的效果
薄膜 衬底
衬底
粘附薄膜
团簇
在异质结外延生长过程中，根据异质结材料体系的晶格失 配度和表面能与界面能的不同，存在着3种生长模式：
薄膜生长机理
d) 连续膜阶段
• 沟渠和孔洞消除之后，再入射的气相原子直接吸附在 薄膜上，通过联并作用而形成不同结构的薄膜。
• 有些薄膜在岛的联并阶段，小岛的取向就发生显著变 化。在形成多晶薄膜时，除了在外延膜中小岛联并时 必须有一定的取向之外，在联并时还出现一些再结晶 现象，以致薄膜中的晶粒大于初始核之间的距离。
② 对于点状或小面积蒸发源，蒸发气相原子飞向基体表面 时是按余弦定律定向分布的。对于阴极溅射，在入射的 Ar离子能量较大，靶由多晶材料组成时，可将溅射靶看 作点状源，溅射出来的原子飞向基体表面时才符合余弦 规律分布，或者是以靶材表面法线为轴的对称分布。对 于单晶靶材，因不同晶面上原子排列密度不同，表面结 合能不同，不同晶面的溅射强度也不同。这种现象称为 择优溅射效应。
虽①然杂小 质（岛气联体6并或）的外初部稳始材阶料定段掺很入核快薄，膜长但的在机大长会时较到间多内，相，新互岛继接续改触变它，的形彼状。此结合后形成新的小岛。 由于新岛所占面积小于结合前的两岛，所以在基片上暴露 例如，以MoS2为基片，在400℃下成膜时，Ag或Au膜的起始核密度约为5×1014m-2，最小扩散距离约为50nm。
这比蒸发过程大得多。因此 ①杂质气体或外部材料掺入薄膜的机会较多， ②在薄膜中容易发生活化或离化等化学反应。另外， ③由于入射的溅射粒子有较大的动能，基体和薄膜的温度 变化也比较显著。
薄膜形成过程的计算机模拟
对于薄膜形成过程的实验研究除了采用电子显微 分析技术和表面分析技术之外，随着电子计算机科学 的发展，从70年代开始，国际上许多研究工作者用计 算机模拟方法研究薄膜的形成过程。
薄膜生长机理
薄膜的形成过程可分为四个主要阶段
a) 岛状阶段
在透射电子显微镜观察过的薄膜形成过程照片中，能
第四章 薄膜的形成及生长
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 §4.5
薄膜生长过程概述 薄膜的成核理论 连续薄膜的形成 薄膜生长过程与薄膜结构 非晶薄膜
§4.1 薄膜生长过程概述 薄膜生长过程直接影响薄膜的结构以及它的 最终性能。 薄膜生长过程的两个阶段：新相的形核，薄 膜生长阶段。 形核阶段：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的表面上。
⦿ 基片表面上原子受两个力的作用：一是气体原子的作用力，另一个是基片原子的作
试图降低其位能。 ⦿ 伴随吸附现象而释放的能量称为吸附能。 将吸附在固体表面上的气体原子除掉称为解吸（脱附）； 除掉被吸附气相原子的能量称为解吸能。
用力。基片原子密度大于气体，所以后一个力远大于前者。表面原子有向内移动的倾向，
热力学界面理论缺点： 由于热力学界面理论将宏观物理量用到微观成核理论造成求出的理论核临界核半径与 实际情况有较大差异。 2.原子聚集理论（统计理论） 在热力学界面能理论中，对核形成有两个假设： (1) 原子团大小发生变化时，假设其形状不变； (2) 假设原子团表面能和体积自由能为块状材料的响应数值。 对于块状材料，例如金属冶金，其核尺寸都较大，由100个以上的原子组成。可以 用热力学界面能理论。 在沉积薄膜时，临界核尺寸较小，一般只含有几个原子，所以用热力学界面能理论 研究薄膜形成过程中的成核就不适宜了。应采用原子聚集理论。
球帽形核体系总自由能变化：
▽G= ▽Gv(↓)+ ▽Gs(↑)=
核与气相界面（表面）面积2πr2(1-cos θ), 核与基体表面界面面积为 πr2sin2 θ, 因此，核表面和界面的总自由能变化▽Gs为： ▽Gs=2 πr2(1-cos θ)σ0+ πr2sin2 θ（σ1- σ2）, 在热平衡状态下 σ0• cos θ +σ1- σ2 = 0 即 σ2=σ1+ σ0• cos θ ▽Gs=4πr2 σ0 •f(θ) f(θ)= (2-3cos θ+cos3 θ)/4,称为几何形状因子 临界核曲率变径 r’=-2 σ0/ ▽Gv █ 当聚集体的半径r小于临界核半径r’时，它将被解题而不能生长形成稳定核； █当半径r大于r’时，聚集体可长大变成稳定的核； █ 当半径r等于r’时为临界核状态，总自由能变化最大，最不稳定。
- 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)。
薄膜成長原理
薄膜之所以能夠沉積於基板上，主要是由於基板表面上的許多氣體分子或其他粒子，如原子團和離子等。
薄膜沈積是經一連串原子吸附、擴散、成核、晶粒成長、晶粒聚結，而逐漸形成薄膜，其詳細敘述如下，如圖2-6所示[43]：
(a) 成核(Necleation)：
基材表面消耗了原子動能，使原子停留在基材表面，稱為物理吸附；若吸附原子與其他吸附原子有交互作用，將多餘的凝結能放出，形成一穩定之核團，此現象為化學吸附。
相同的原子能吸附也能脫附，若吸附大於脫附，則薄膜成長得以進行。
(b) 晶粒成長(Grain Growth)：
當薄膜的沉積進入個別晶粒成長後，晶粒成長所需要的原子，不再侷限由吸附取得，而是可以直接從氣相中獲得原子來源，並成長成較大之晶粒。
(c) 晶粒聚結(Coalescence)：
當原本各別且獨立的晶粒，成長到與鄰近之晶粒接觸時，便開始了聚結，由於與鄰近的晶粒互相接觸，開始了晶粒間的交互擴散作用，為了減少彼此間之表面能差異，在彼此接觸的部份會先形成頸部，兩晶粒藉此頸部，交互擴散，調整表面能並合而唯一，形成比原
來大之晶粒。
(d) 縫道填補(Filling of Channels)：
縫道的形成，基本上就是晶粒聚結成長後，在晶粒與晶粒間所留下的距離，基本上就是基材表面未被原子所覆蓋的地方，當這些縫道逐漸被填滿後，在基板表面便出現了薄膜的雛形。
(e)膜成長(Film Growth)：
在縫道填補之後的薄膜，繼續堆積原子，持續增加膜厚度，此時薄膜的成長，便不再只是像之前的成長機制，吸附原子可直接進行化學性吸附，增快成長速率。
圖2-6薄膜成長機制示意圖[43]。