薄膜的形成过程及生长方式
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2. 层状模式
• 例如，半导体膜的单晶外延生长就是这 种模式。
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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。
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
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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。
• 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
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。
21
• 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。
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• 5.12薄膜的生长模式
9
• 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。
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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。
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。
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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。
•
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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。
• 如图5.10所示。 12
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来自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
2. 层状模式
• 例如，半导体膜的单晶外延生长就是这 种模式。
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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。
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。
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• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
• 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
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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。
• 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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•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
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• 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。
21
• 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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• 5.12薄膜的生长模式
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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。
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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。
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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。
•
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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。
• 如图5.10所示。 12
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来自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