4-第三章-薄膜的生长
67页1、第三章 薄膜的生长,不同制备方法,其薄膜的形成机制不同,但存在共性问题。 本章以真空蒸发制备薄膜为例,讨论薄膜形成问题。, 凝结过程 核形成与生长 薄膜形成过程与生长模式 溅射薄膜的生长 薄膜的外延生长 薄膜的附着力与内应力 薄膜形成过程的计算机模拟,射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面碰撞,其中一部分被反射,另一部分在表面停留。停留的原子、分子在自身所带能量及基板温度所对应的能量作用下,发生表面扩散及表面迁移,一部分再蒸发,脱离表面,一部分落入势能谷底,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。,通常我们眼睛看到、手接触到的物体,都是在温度变化缓慢、几乎处于热平衡状态下制造的。因此,内部缺陷很少,形状也多是块状的。,但是在真空中制造薄膜时,真空蒸镀需要进行数百摄氏度以上的加热蒸发。溅射镀膜时,从靶材表面飞出的原子、分子所带的能量比蒸发原子还要高些。,这些气化的原子、分子一旦到达基板表面,在极短的时间内就会凝结为固体。即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。,薄膜的形成3.1凝结过程,
2、凝结过程,薄膜形成分为:凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。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,表面悬挂键:不饱和的化学键。 吸附:入射到基片表面的气相原子被悬挂键吸引,束缚在表面的现象。 物理吸附:由原子电偶极矩之间的范德华力引起的吸附。 化学吸附:由化学键结合力引起的吸附。,基本概念,薄膜的形成3.1凝结过程,薄膜的形成3.1凝结过程,薄膜的形成3.1凝结过程,入射原子到达基片表面后,发生,与基片原子进行能量交换被吸附; 吸附后粒子仍具有较大解吸能,在基板短暂停留后再蒸发(二次蒸发); 不与基片原子进行能量交换,被基片表面反射。,表面自由能:由于固体表面化学键的中断,使它具有一种过量的能量称为表面自由能。 吸附能:吸附现象使其表面的自由能减小,伴随吸附现象的发生而释放一定的能量,称为吸附能。,薄膜的形成3.1凝结过程,真空蒸发过程中,吸附过程的能量关系,薄膜的形成3.1凝结过程,吸附的几率和吸附时间,物理吸附系数:碰撞表面的气体分子被物理吸附的几率。 化学吸附系数:碰撞表面的气体分
3、子被化学吸附的几率。,物理吸附分子中的一部分,越过位能曲线中峰,即A点,就会被化学吸附,化学吸附需要激活。,化学吸附和物理吸附是根据吸附作用来区分的,不但难以截然分开,还可以相互转化。,薄膜的形成3.1凝结过程,平均吸附时间 :吸附分子一次能在表面停留的时间,式中, 是表面原子的振动周期 ,大约为10-1410-12s.,与Ed有关,薄膜的形成3.1凝结过程,金银铜等与脱附表面的活化能接近的液化热值大,平均吸附时间接近于无穷大,从吸附角度看,可以将它们称为表面物质。,Ar-玻璃脱附活化能值小,平均吸附时间极小,从吸附角度看,可以将它们称为气体。,薄膜的形成3.1凝结过程,二、表面扩散过程,吸附原子的表面扩散是凝结的必要条件,原子扩散形成原子对凝结,表面扩散势垒,薄膜的形成3.1凝结过程,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称为平均表面扩散时间,用 表示。,式中, 是表面原子沿表面水平方向振动周期,,平均表面扩散距离 (设 为相邻吸附位置间距),为表面扩散系数,吸附原子在表面停留时间内进过扩散运动所移动的距离。,脱附活化能和表面扩散激活能的大小对凝结过程有较大影响。表面扩
4、散能越大,平均表面扩散距离越短; 脱附活化能越大,吸附原子在表面上停留的时间越长,则平均表面扩散距离越大,这对形成凝结过程十分有利。,薄膜的形成3.1凝结过程,凝结过程是指吸附原子在基体表面形成原子对及其后续过程。,吸附原子面密度,吸附原子扩散迁移频率,吸附原子在平均吸附时间内迁移(距离)次数,三、凝结,一个吸附原子在这样的迁移中与其他吸附原子碰撞就可以形成原子对,薄膜的形成3.1凝结过程,吸附原子的捕获面积,每个吸附原子的捕获面积:,式中, 是吸附位置密度, 是吸附原子在平均吸附时间内的迁移次数。,所有吸附原子的总捕获面积:,捕获区内的吸附原子凝结,非捕获区吸附原子可以蒸发,也可以成核。,薄膜的形成3.1凝结过程,讨论:,当 时,每个吸附原子的捕获面积内只有一个原子,故不能形成原子对,也不能产生凝结。 当 时,发生部分凝结。平均每个吸附原子的捕获面积内有一个或两个吸附原子,可形成原子对或三原子团。在滞留时间内,一部分吸附原子有可能重新蒸发掉。 当 时,每个吸附原子的捕获面积内至少有两个吸附原子。可形成原子对或更大的原子团,从而达到完全凝结。,薄膜的形成3.1凝结过程,薄膜制备时,要达
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