薄膜生长和薄膜结构培训课件

与基板表面原子进行能量交换被吸附； 吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基板表面作短暂停留（或扩散）
后，再解吸蒸发（再蒸发或二次蒸发）； 与基板表面不进行能量交换，入射到基板表面上立即被反射回去。 当用真空蒸镀法或溅射镀膜法制备薄膜时，入射到基板表面上的气相原子， 绝大多数都与基板表面原子进行能量交换而被吸附。
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本讲主要内容： １.薄膜生长过程概述 ２.薄膜的形成过程
2.1 吸附,表面扩散和凝结 2.2 形核与生长 ３.薄膜的形核理论 ３.1 自发形核理论 ３.2 非自发形核过程热力学 ３.3 薄膜形核率 3.４ 沉积速率和衬底温度对形核过程的影响
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吸附、表面扩散与凝结
化学吸附和物理吸附位能曲线
Hp：物理吸附的吸附热, 或者脱附表面的活化 能（从表面脱附所必要的能量）。
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Hc：化学吸附的吸附热。
物理吸附的场合：吸附的分子落在位能最低
点，并在其附近作热振动。
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13ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
吸附、表面扩散与凝结
❖ 从制备技术、分析方法、形成机理等方面系统地研究薄膜材料则起 始于本世纪五十年代。
❖ 直到21世纪80年代, 薄膜科学才发展成为一门相对独立的学科。
❖ 薄膜材料研究不仅吸引了为数众多的科技工作者, 而且受到各国高技 术产业界的广泛关注。
❖ 薄膜材料研究已经渗透到物理学、化学、材料科学、信息科学乃至生
薄膜结构和性能的差异与薄膜形成过 程中的许多因素密切相关。
薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长 过程
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2. 薄膜的形成过程
2.1 吸附,表面扩散和凝结 2.2 核的形成与生长
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吸附、表面扩散与凝结
吸附
从蒸发源或溅射源入射到基板表面的气相原子都带有一定的能量，它们到达 基板表面之后可能发生三种现象：
物理吸附：入射原子与固体表面原子的 吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德 华力起作用；
化学吸附：入射原子与固体表面原子之 间的吸附由化学键结合力起作用。
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吸附、表面扩散与凝结
化学吸附和物理吸附
从结合状态或者键的角度：
化学吸附：物体表面上的原子键处于不饱和状态，靠键的方式将原子或分子吸附于 表面； 例如：共享电子或者交换电子的金属键、共价键、离子键等。
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薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程
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薄膜生长过程概述
—薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及最终性能
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。
薄膜的形态也不是块体状的，其厚度 与表面尺寸相比相差甚远，可近似为 二维结构。薄膜的表面效应势必十分 明显。
第二讲 薄膜材料的形核与生长
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薄膜材料是相对于体材料而言，是采用特殊的方法在体材料表面沉
积或制备的一层性质与体材料性质完全不同的物质层。 薄膜材料受到重视的原因在于它往往具有特殊的性能或性能组合。
❖ 从人类开始制作陶瓷器皿的彩釉算起, 薄膜的制备与应用已经有一千 多年的发展历史。
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吸附、表面扩散与凝结
不饱和键或悬挂键：固体表面与体内相比，在晶体结构方面一个重大差
异就是，前者出现原子或分子间结合化学键的中断。原子或分子在固体表面形 成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键。
吸附：不饱和键或悬挂键具有吸引外来原子或分子的能力。入射到基板表
面的气相原子被不饱和键或悬挂键吸引住的现象称为吸附。
命科学等各个研究领域, 薄膜科学已经逐渐发展成为一门多学科交叉
的边缘学科。
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薄膜材料科学发展迅速的主要原因:
❖ 现代技术科学的发展,特别是微电子技术的发展打破了过去体材料的 一统天下。过去需要众多材料组合才能实现的功能，现在仅仅需要少 数几个器件或一块集成电路板就可以完成。薄膜技术正是实现器件和 系统微型化的最有效技术手段。
物理吸附：表面原子键处于饱和状态，表面是非活性的，只是由于范德华力（弥 散力）、电偶极子和电四极子等的静电的相互作用等而将原子或分子 吸附在表面上。
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吸附、表面扩散与凝结
发生何种吸附? 物理吸附还是化学吸附? 取决于：
入射原子的种类； 入射原子的能量； 基板材料； 基板的表面结构和状态。
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薄膜生长过程概述 —薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及最终性能
薄膜的生长过程：新相的形核与薄膜的生长阶段
射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞： 一部分被直接反射； 一部分在表面上停留 。
薄膜沉积中原子的运动状态及薄膜的生长过程示意图
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薄膜生长过程概述
物理吸附的吸附热Hp，kcal/mol
Hp：脱附表面的活化能（从表面脱附所必要的能量）或者物理吸附的吸附热。
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吸附、表面扩散与凝结
在化学吸附的场合：靠近表面的分子首先被物理吸附，如果由于某种原因使它 获得了足够的能量而越过A点，就会发生化学吸附，结果放出大量的能量来。
—薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及最终性能
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 emigration)(在基板面内)：
一部分原子，分子再蒸发，脱离表面；
一部分原子，分子落入势能谷底，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。
❖ 器件的微小型化不仅可以保持器件原有的功能并使之更加强化，而且 随着器件的尺寸减小并接近了电子或其它粒子量子化运动的微观尺度， 薄膜材料或其器件将显示出许多全新的物理现象。薄膜技术作为器件 微型化的关键技术，是制备这类具有新型功能器件的有效手段。
❖ 每种材料的性能都有其局限性。薄膜技术可以将各种不同的材料灵活 地复合在一起，构成具有优异特性的复杂材料体系，发挥每种材料各 自的优势，避免单一材料的局限性。