薄膜課件薄膜生長(zhǎng).ppt

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1、薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程和薄膜結(jié)構(gòu)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程概述新相的自發(fā)形核理論新相的非自發(fā)形核理論連續(xù)薄膜的形成薄膜生長(zhǎng)過(guò)程與薄膜結(jié)構(gòu)非晶薄膜薄膜織構(gòu)7/28/20211薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程直接影響到薄膜的結(jié)構(gòu)以及它最終的性能。薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程大致劃分為兩個(gè)階段：新相形核階段、薄膜生長(zhǎng)階段。7/28/20212一.薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程在薄膜形成的最初階段，一些氣態(tài)的原子或分子開(kāi)始凝聚到襯底表面上，從而開(kāi)始了形核階段。在襯底表面上形成一些均勻、細(xì)小而且可以運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)，這些原子團(tuán)稱為“島”。小島不斷地接受新的沉積原子，并與其他的小島合并

2、而逐漸長(zhǎng)大，而島的數(shù)目則很快達(dá)到飽和。小島通過(guò)相互合并而擴(kuò)大（類似液珠一樣）而空出的襯底表面又形成了新的島。像這樣的小島形成與合并的過(guò)程不斷進(jìn)行，直到孤立的小島逐漸連接成片，最后只留下一些孤立的孔洞，并逐漸被后沉積的原子所填充。7/28/20213凝聚原子團(tuán)長(zhǎng)大、合并連接成片，存在孔洞形成連續(xù)薄膜薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程7/28/20214以Ag在NaCl(111)晶面上的蒸發(fā)沉積為例，所有照片均為電鏡原位觀察獲得基本規(guī)律：薄膜形成的最初階段，一些氣態(tài)原子/分子開(kāi)始凝聚到基片表面，開(kāi)始形核；在氣態(tài)Ag原子到達(dá)基

3、片表面的最初階段，先是在基片上附著并凝聚，形成一些均勻細(xì)小、而且可以運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)，這些原子團(tuán)被形象地稱為“島”；7/28/20215二.薄膜生長(zhǎng)階段的三種模式島狀生長(zhǎng)（Volmer-Weber）模式層狀生長(zhǎng)(Frank-vanderMerwe)模式層狀-島狀(Stranski-Krastanov)生長(zhǎng)模式7/28/20216島狀生長(zhǎng)（Volmer-Weber）模式條件：對(duì)多數(shù)薄膜和襯底來(lái)說(shuō)，只要襯底的溫度足夠高，沉積的原子具有一定的擴(kuò)散能力，薄膜的生長(zhǎng)就表現(xiàn)為島狀生長(zhǎng)模式。即使不存在任何對(duì)形核有促進(jìn)作

4、用的有利位置，隨著沉積原子的不斷增加，襯底上也會(huì)聚集起許多薄膜的三維核心。7/28/20217該生長(zhǎng)模式表明：被沉積物質(zhì)原子或分子更傾向于自己相互鍵合起來(lái)，而避免與襯底原子鍵合，即被沉積物質(zhì)與襯底之間的浸潤(rùn)性較差。典型例子：在非金屬襯底上沉積金屬薄膜7/28/20218二.層狀生長(zhǎng)(Frank-vanderMerwe)模式條件：當(dāng)被沉積物質(zhì)與襯底之間浸潤(rùn)性很好時(shí)，被沉積物質(zhì)的原子更傾向于與襯底原子鍵合。因此，薄膜從形核階段開(kāi)始即采取二維擴(kuò)展模式，薄膜沿襯底表面鋪開(kāi)。只要在隨后的過(guò)程中，沉積物原子間的鍵

5、合傾向仍大于形成外表面的傾向，則薄膜生長(zhǎng)將一直保持這種層狀生長(zhǎng)模式。7/28/20219特點(diǎn)：每一層原子都自發(fā)地平鋪于襯底或者薄膜的表面，降低系統(tǒng)的總能量。典型例子：沉積ZnSe薄膜時(shí)，一種原子會(huì)自發(fā)地鍵合到另一種原子所形成的表面上。7/28/2021103.層狀-島狀(Stranski-Krastanov)生長(zhǎng)模式在層狀—島狀生長(zhǎng)模式中，在最開(kāi)始的一兩個(gè)原子層厚度的層狀生長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。根本原因：薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中各種能量的相互消長(zhǎng)。7/28/202111三種不同薄膜生長(zhǎng)模式的示意圖：7

6、/28/202112層狀-島狀生長(zhǎng)模式的三種解釋：雖然開(kāi)始時(shí)的生長(zhǎng)是外延式的層狀生長(zhǎng)，但是由于薄膜與襯底之間的晶格常數(shù)不匹配，因而隨著沉積原子層的增加，應(yīng)變逐漸增加。為了松弛這部分能量，薄膜生長(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。在Si、GaAs等半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)原子分別在四個(gè)方向上與另外四個(gè)原子形成共價(jià)鍵。但在Si的（111）面上外延生長(zhǎng)GaAs時(shí)，由于As原子自身?yè)碛?個(gè)價(jià)電子，它不僅可提供Si晶體表面三個(gè)近鄰Si原子所要求的三個(gè)鍵合電子，而且剩余的一對(duì)電子使As原子不再傾向與其他

7、原子發(fā)生進(jìn)一步的鍵合。這時(shí)，吸附了As原子的Si（111）面已經(jīng)具有了極低的表面能，這導(dǎo)致其后As、Ga原子的沉積模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S島狀的生長(zhǎng)模式。7/28/202113在層狀外延生長(zhǎng)表面是表面能比較高的晶面時(shí)，為了降低表面能，薄膜力圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍芫妗Ｒ虼吮∧ぴ谏L(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式會(huì)由層狀模式轉(zhuǎn)變?yōu)閸u狀模式轉(zhuǎn)變?？偨Y(jié)：在上述各種機(jī)制中，開(kāi)始時(shí)的時(shí)候?qū)訝钌L(zhǎng)的自由能較低，但其后島狀生長(zhǎng)在能量方面反而變得更加有利。7/28/202114新相的自發(fā)形核理論一.形核過(guò)程的分類：在薄膜沉積過(guò)程的

8、最初階段，都需要有新核心形成。新相的形核過(guò)程自發(fā)形核非自發(fā)形核自發(fā)形核：指的是整個(gè)形核過(guò)程完全是在相變自由能的推動(dòng)下進(jìn)行的。發(fā)生條件：一般只是發(fā)生在一些精心控制的環(huán)境中。非自發(fā)形核過(guò)程：指的是除了有相變自由能作推動(dòng)力之外，還有其它的因素起到了幫助新相核心生成的作用。發(fā)生條件：在大多數(shù)的固體相變過(guò)程中。7/28/202115二.自發(fā)形核理論1．自發(fā)形核過(guò)程的自由能變化（自發(fā)形核過(guò)程的熱力學(xué)）2.新相核心的形成速率（薄膜的形核率）在新相核心的形成過(guò)程中，會(huì)同