薄膜的形成与生长要点
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D a0 / D
2
x a0 exp[(Ed ED ) / kT ]
从此公式能得出哪些结论？ 表面扩散能ED越大，扩散越困难，平均扩散距离越短。吸 附能Ed越大，吸附原子在表面上停留时间越长，则平均扩 散距离也越长
薄膜的形成与生长
三、 凝结过程
凝结过程是指吸附原子在基体表面上形成原子对及其以后 过程 单位基体表面吸附的原子数
薄膜的形成与生长
在凝结过程中通常使用的物理参数有： 凝结系数、粘附系数、热适应系数
凝结系数：当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹 性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结 的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比称为凝 结系数，并用αc 表示
薄膜的形成与生长
粘附系数：当基体表面上已经存在着凝结原子时，再凝结的 气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比称为粘附 系数，并用αs 热适应系数：表征入射气相原子(或分子)与基体表面碰撞时 相互交换能量程度的物理量称为热适应系数，并用α表示
薄膜的形成与生长
吸附的气相原子在基体表面上的平均停留时间与吸附能之间 的关系为
a 0 exp Ed (kT )
0 ：单层原子的振动周期，数值大约是10-14～10-12秒
Ed：吸附能 k ：玻耳兹曼常数 T ：绝对温度 吸附能越大在吸附原子在表面停留时间越长
薄膜的形成与生长
二、 表面扩散运动
是10-13～10-12秒 ED：表面扩散能 k ：玻耳兹曼常数 T ：绝对温度
薄膜的形成与生长
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
x ( D a )1 2
D：是表面扩散系数 a：气相原子在基体表面上的平均停留时间
薄膜的形成与生长
用a0表示相邻吸附位置的间隔
3.1
凝结过程
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基 体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程. 一、 吸附过程
二、 表面扩散运动
三、 凝结过程 一个气相原子入射到基体表面上，能否被吸附，是非常 复杂的问题 固体表面与体内在晶体结构上的主要差异是什么？ 原子或分子间结合的化学键在固体的表面中断。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 固体表面上的原子或分子受到的力是不平衡的，这使得固体 表面具有表面自由能
n1 J a J 0 exp(Ed / kT )
J ：单位时间内沉积在单位基体表面上的原子数 a ：气相原子在基体表面上的平均停留时间
薄膜的形成与生长
吸附原子在表面上的扩散迁移频度为：
fD 1 1 exp( ED / kT ) '0
D
吸附原子在基体表面停留时间内所迁移的次数为：
第三章 薄膜的形成与生长
薄膜的结构和性能的差异与薄膜形成过程的许多因素密切 相关。 薄膜的制备方法有许多种类，其形成机理各不相同，但 在许多方面，还是具有共同特点。
本章主要以真空蒸发镀膜为例进行讨论
薄膜的形成过程一般分为： 凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程
• 3.1凝结过程 • 3.2 核形成与生长生长过程 • 3.3 薄膜的形成过程与生长模式
讨论： S < 1、1＜ S ＜ 2 、 2 ＜ S 如果总捕获面积小于1，即小于单位面积，在每个吸附原子 的捕获面积内只有一个原子，所以，不能形成原子对，也就 不会发生凝结 如果总捕获面积大于1小于2，则发生部分凝结。在这种情况 下，平均的说，吸附原子在其捕获范围内有一个或两个吸附 原子。在这些面积内会形成原子对或三原子团。其中一部分 吸附原子在渡过停留时间后又可能重新蒸发掉 如果总捕获面积大于2，平均地说，在每个吸附原子捕获面 积内，至少有两个吸附原子。因此所有的吸附原子都可结合 为原子对或更大的原子团，从而达到完全凝结，由吸附相转 变为凝聚相
吸附原子的表面扩散运动是形成凝结的必要条件
在表面扩散过程中，单个吸附原子间相互碰撞形成原子对之 后才能产生凝结
表面扩散能ED比吸附能Ed小得多，大小是吸附能的1/6～1/2
薄膜的形成与生长
平均表面扩散时间：吸附原子在一个吸附位置上的停留时间
exp(ED / kT ) D 0
：表面原子沿表面水平方向振动的周期，数值大约 0
一、 吸附过程
一个气相原子入射到基体表面上，能否被吸附，是非常复杂的问 题
固体表面与体内在晶体结构上的主要差异是什么？ 原子或分子间结合的化学键在固体的表面中断。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. 固体表面上的原子或分子受到的力是不平衡的，这使得固体 表面具有表面自由能
Байду номын сангаас
薄膜的形成与生长
真空蒸发镀膜中，入射到基体表面的气相原子将被悬挂键吸 引住，发生吸附作用。根据吸附原子与表面相互作用力性质 的不同，发生物理吸附或化学吸附
思考：发生吸附后，表面自由能增大还是减小？ 思考：物理吸附与化学吸附有哪些区别？
薄膜的形成与生长
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Qp表示。
N f D a exp[(Ed ED ) / kT ]
薄膜的形成与生长
一个吸附原子的捕获面积为：
SD N / n0
n0：单位基体表面上的吸附位置数
所有吸附原子的总捕获面积为：
S n1S D n1 N n f D a 1 n0 n0
n1 exp[(Ed ED ) / kT ] n0
薄膜的形成与生长
从蒸发源入射到基体表面的气相原子到达基片表面之后可能 发生如下三种现象： (1) 与基体表面原子进行能量交换被吸附 (2) 吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停 留后再解吸蒸发(再蒸发或二次蒸发) (3) 与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射 回去。 用真空蒸发法制备薄膜时，入射到基体表面上的气相原 子中的绝大多数都与基体表面原子进行能量交换形成 吸附
当入射到基体表面的气相原子动能较大但小 于或等于Ea时，可产生化学吸附。
达到完全化学吸附，气相原子所具有的动能必须达 到Ed的数量，Ed与Ea的差值Qc称为化学吸附热
只有动能较大的气相原子才能和基体表面产生化学吸附；但 是当这种气相原子具有的动能大于Ed时，它将不被基体表面 吸附，通过再蒸发或解吸转变为气相。
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x a0 exp[(Ed ED ) / kT ]
从此公式能得出哪些结论？ 表面扩散能ED越大，扩散越困难，平均扩散距离越短。吸 附能Ed越大，吸附原子在表面上停留时间越长，则平均扩 散距离也越长
薄膜的形成与生长
三、 凝结过程
凝结过程是指吸附原子在基体表面上形成原子对及其以后 过程 单位基体表面吸附的原子数
薄膜的形成与生长
在凝结过程中通常使用的物理参数有： 凝结系数、粘附系数、热适应系数
凝结系数：当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹 性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结 的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比称为凝 结系数，并用αc 表示
薄膜的形成与生长
粘附系数：当基体表面上已经存在着凝结原子时，再凝结的 气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比称为粘附 系数，并用αs 热适应系数：表征入射气相原子(或分子)与基体表面碰撞时 相互交换能量程度的物理量称为热适应系数，并用α表示
薄膜的形成与生长
吸附的气相原子在基体表面上的平均停留时间与吸附能之间 的关系为
a 0 exp Ed (kT )
0 ：单层原子的振动周期，数值大约是10-14～10-12秒
Ed：吸附能 k ：玻耳兹曼常数 T ：绝对温度 吸附能越大在吸附原子在表面停留时间越长
薄膜的形成与生长
二、 表面扩散运动
是10-13～10-12秒 ED：表面扩散能 k ：玻耳兹曼常数 T ：绝对温度
薄膜的形成与生长
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
x ( D a )1 2
D：是表面扩散系数 a：气相原子在基体表面上的平均停留时间
薄膜的形成与生长
用a0表示相邻吸附位置的间隔
3.1
凝结过程
凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基 体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程. 一、 吸附过程
二、 表面扩散运动
三、 凝结过程 一个气相原子入射到基体表面上，能否被吸附，是非常 复杂的问题 固体表面与体内在晶体结构上的主要差异是什么？ 原子或分子间结合的化学键在固体的表面中断。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 固体表面上的原子或分子受到的力是不平衡的，这使得固体 表面具有表面自由能
n1 J a J 0 exp(Ed / kT )
J ：单位时间内沉积在单位基体表面上的原子数 a ：气相原子在基体表面上的平均停留时间
薄膜的形成与生长
吸附原子在表面上的扩散迁移频度为：
fD 1 1 exp( ED / kT ) '0
D
吸附原子在基体表面停留时间内所迁移的次数为：
第三章 薄膜的形成与生长
薄膜的结构和性能的差异与薄膜形成过程的许多因素密切 相关。 薄膜的制备方法有许多种类，其形成机理各不相同，但 在许多方面，还是具有共同特点。
本章主要以真空蒸发镀膜为例进行讨论
薄膜的形成过程一般分为： 凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程
• 3.1凝结过程 • 3.2 核形成与生长生长过程 • 3.3 薄膜的形成过程与生长模式
讨论： S < 1、1＜ S ＜ 2 、 2 ＜ S 如果总捕获面积小于1，即小于单位面积，在每个吸附原子 的捕获面积内只有一个原子，所以，不能形成原子对，也就 不会发生凝结 如果总捕获面积大于1小于2，则发生部分凝结。在这种情况 下，平均的说，吸附原子在其捕获范围内有一个或两个吸附 原子。在这些面积内会形成原子对或三原子团。其中一部分 吸附原子在渡过停留时间后又可能重新蒸发掉 如果总捕获面积大于2，平均地说，在每个吸附原子捕获面 积内，至少有两个吸附原子。因此所有的吸附原子都可结合 为原子对或更大的原子团，从而达到完全凝结，由吸附相转 变为凝聚相
吸附原子的表面扩散运动是形成凝结的必要条件
在表面扩散过程中，单个吸附原子间相互碰撞形成原子对之 后才能产生凝结
表面扩散能ED比吸附能Ed小得多，大小是吸附能的1/6～1/2
薄膜的形成与生长
平均表面扩散时间：吸附原子在一个吸附位置上的停留时间
exp(ED / kT ) D 0
：表面原子沿表面水平方向振动的周期，数值大约 0
一、 吸附过程
一个气相原子入射到基体表面上，能否被吸附，是非常复杂的问 题
固体表面与体内在晶体结构上的主要差异是什么？ 原子或分子间结合的化学键在固体的表面中断。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. 固体表面上的原子或分子受到的力是不平衡的，这使得固体 表面具有表面自由能
Байду номын сангаас
薄膜的形成与生长
真空蒸发镀膜中，入射到基体表面的气相原子将被悬挂键吸 引住，发生吸附作用。根据吸附原子与表面相互作用力性质 的不同，发生物理吸附或化学吸附
思考：发生吸附后，表面自由能增大还是减小？ 思考：物理吸附与化学吸附有哪些区别？
薄膜的形成与生长
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Qp表示。
N f D a exp[(Ed ED ) / kT ]
薄膜的形成与生长
一个吸附原子的捕获面积为：
SD N / n0
n0：单位基体表面上的吸附位置数
所有吸附原子的总捕获面积为：
S n1S D n1 N n f D a 1 n0 n0
n1 exp[(Ed ED ) / kT ] n0
薄膜的形成与生长
从蒸发源入射到基体表面的气相原子到达基片表面之后可能 发生如下三种现象： (1) 与基体表面原子进行能量交换被吸附 (2) 吸附后气相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停 留后再解吸蒸发(再蒸发或二次蒸发) (3) 与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射 回去。 用真空蒸发法制备薄膜时，入射到基体表面上的气相原 子中的绝大多数都与基体表面原子进行能量交换形成 吸附
当入射到基体表面的气相原子动能较大但小 于或等于Ea时，可产生化学吸附。
达到完全化学吸附，气相原子所具有的动能必须达 到Ed的数量，Ed与Ea的差值Qc称为化学吸附热
只有动能较大的气相原子才能和基体表面产生化学吸附；但 是当这种气相原子具有的动能大于Ed时，它将不被基体表面 吸附，通过再蒸发或解吸转变为气相。