薄膜材料物理--薄膜的形成1

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1、第一章薄膜的形成第二講§1.3成核理論包括：微滴理論——熱力學(xué)方法原子理論——統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方法2、原子理論當(dāng)原子數(shù)>100個(gè)以上的微滴，其表面能和自由能可以用塊狀材料的相應(yīng)數(shù)值。當(dāng)小于100個(gè)以下，甚至幾個(gè)原子的微滴時(shí)，需用原子理論。1924年,弗侖凱爾(Frenkel)提出成核理論原子模型物理模型：臨界核最小穩(wěn)定核結(jié)合能4-7個(gè)原子團(tuán)4-7個(gè)原子團(tuán)臨界核和最小穩(wěn)定核隨基片溫度的變化。T1T2T3T(111)//基片表面(100)//基片表面4-7個(gè)原子團(tuán)E2E3=2E2E4=4E2~5E2E4=6E2E5=8E2當(dāng)基片表面吸附弱而三個(gè)

2、原子團(tuán)被吸附的不牢時(shí)，動(dòng)態(tài)平衡卻有利于四原子結(jié)構(gòu)→(100)//基片表面結(jié)論：當(dāng)原子團(tuán)達(dá)到四原子以后，其結(jié)構(gòu)有兩種：平面結(jié)構(gòu)、角錐結(jié)構(gòu)。E2>EP時(shí)→形成三角錐結(jié)構(gòu)2E2>EP時(shí)→可能形成四角錐結(jié)構(gòu)E2

3、臨界核.§1.4凝結(jié)系數(shù)凝結(jié)：吸附原子結(jié)合成對(duì)及其以后的過程.凝結(jié)系數(shù)：§1.5薄膜的形成薄膜的形成順序：薄膜的形成過程分四個(gè)階段：小島成核，結(jié)合，溝道，連續(xù)薄膜①小島階段—成核和核長(zhǎng)大透射電鏡觀察：大小一致(2-3nm)的核突然出現(xiàn).平行基片平面的兩維大于垂直方向的第三維。說明：核生長(zhǎng)以吸附單體在基片表面的擴(kuò)散，不是由于氣相原子的直接接觸。小島成核核長(zhǎng)大結(jié)合孔洞連續(xù)膜溝道②結(jié)合階段兩個(gè)圓形核結(jié)合時(shí)間小于0.1s,并且結(jié)合后增大了高度，減少了在基片所占的總面積。而新出現(xiàn)的基片面積上會(huì)發(fā)生二次成核，復(fù)結(jié)合后的復(fù)合島若有足夠時(shí)間，可形成晶

4、體形狀，多為六角形。核結(jié)合時(shí)的傳質(zhì)機(jī)理是體擴(kuò)散和表面擴(kuò)散（以表面擴(kuò)散為主）以便表面能降低。核結(jié)合時(shí)的傳質(zhì)機(jī)理是體擴(kuò)散和表面擴(kuò)散（以表面擴(kuò)散為主）以便表面能降低。在結(jié)合之初，為了降低表面能，新島的面積減少，高度增加。根據(jù)基片、小島的表面能和界面能，小島將有一個(gè)最低能量溝形，該形狀具有一定的高經(jīng)比。③溝道階段圓形的島在進(jìn)一步結(jié)合處，才繼續(xù)發(fā)生大的變形→島被拉長(zhǎng)，從而連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜，在這種結(jié)構(gòu)中遍布不規(guī)則的窄長(zhǎng)溝道，其寬度約為5-20nm，溝道內(nèi)發(fā)生三次成核，其結(jié)合效應(yīng)是消除表面曲率區(qū)，以使生成的總表面能為最小。④連續(xù)薄膜小島結(jié)合，島

5、的取向會(huì)發(fā)生顯著的變化，并有些再結(jié)晶的現(xiàn)象。溝道內(nèi)二次或三次成核并結(jié)合，以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)→連續(xù)薄膜§1.6薄膜的結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)—薄膜中微晶的晶型1.6.1組織結(jié)構(gòu)※無定形結(jié)構(gòu)—無序結(jié)構(gòu)，近程有序，遠(yuǎn)程無序。類無定形結(jié)構(gòu)—極其微小的(<2nm)晶粒且無規(guī)則排列。高熔點(diǎn)金屬薄膜、高熔點(diǎn)非金屬化合物薄膜、碳硅鍺的某些化合物薄膜，以及兩不相容材料的共沉薄膜。※多晶結(jié)構(gòu)—無規(guī)取向的微晶組成，晶粒10-100nm低熔點(diǎn)金屬薄膜?！w維結(jié)構(gòu)—晶粒有擇優(yōu)取向的薄膜。單重纖維結(jié)構(gòu)—各微晶只在一個(gè)方向擇優(yōu)取向。雙重纖維結(jié)構(gòu)—各微晶在兩個(gè)方向擇優(yōu)取向

6、。各種壓電微晶薄膜。纖維結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可以在成核階段，生長(zhǎng)階段,也可以在退火過程中?！鶈尉ЫY(jié)構(gòu)—多在外延中形成。外延膜，各種半導(dǎo)體外延膜。在一定條件下，薄膜的組織結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，如：從無序到多晶態(tài)。伴隨著組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，薄膜的性能有顯著變化。1.6.2晶體結(jié)構(gòu)大多數(shù)情況下，薄膜中微晶的晶體結(jié)構(gòu)與塊材的相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸可能不同于塊材。晶格不匹配：薄膜材料的晶格常數(shù)與基片的不匹配。薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力。在界面處，晶格發(fā)生畸變，以便于與基片相配合。af—薄膜原材料的晶格常數(shù)；as—基片原材料的晶格常數(shù)。當(dāng)晶格常數(shù)相差百

7、分比(af-as)/af≈2%→畸變區(qū)零點(diǎn)幾nm.當(dāng)晶格常數(shù)相差百分比(af-as)/af≈4%→畸變區(qū)幾十nm.當(dāng)晶格常數(shù)相差百分比(af-as)/af>>12%→靠晶格畸變已經(jīng)達(dá)不到匹配，只能靠棱位錯(cuò)來調(diào)節(jié)。表面張力可使晶格常數(shù)發(fā)生變化。半球形晶粒r1.6.3表面結(jié)構(gòu)薄膜應(yīng)保持盡可能小的表面積（→理想平面）→使總能量最低。實(shí)際上，由于入射原子的無規(guī)性→薄膜表面有一定粗糙度。入射原子沖擊基片后，在其表面做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→表面遷移，這在某種程度上，薄膜表面的谷或峰削平，表面積減小，表面能降低。同時(shí)，低能晶面（低指數(shù)面）有力發(fā)展，從而各晶面發(fā)

8、展不一→導(dǎo)致薄膜表面的粗糙度增大（高溫常有）實(shí)驗(yàn)表明：入射原子表面運(yùn)動(dòng)能力很小時(shí)→薄膜表面積最大。d↑(用吸附CO、H2可測(cè)出表面積)時(shí)，表面積隨膜厚成線性增大，表示薄膜是多孔結(jié)構(gòu)（有較大的內(nèi)表面）。在低真空下淀積薄膜，