薄膜生長機理

《薄膜生長機理》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、薄膜的形成過程和生長模型薄膜的形成過程是指：形成穩(wěn)定核之后的過程。薄膜生長模式是指：薄膜形成的宏觀形式。成長有三種模式：島狀生長形式；層狀生長形式；層島結合形式。薄膜的形成過程可分為四個主要階段島狀階段在透射電子顯微鏡觀察過的薄膜形成過程照片中，能觀測到最小核的尺寸約為2～3nm左右。在核進一步長大變成小島過程中，平行于基體表面方向的生長速度大于垂直方向的生長速度。這是因為核的長大主要是由于基體表面上吸附原子的擴散遷移碰撞結合，而不是入射蒸發(fā)氣相原子碰撞結合決定的。例如，以MoS2為基片，在400℃下成膜時，Ag或Au膜的起始核密度約為5×1014m-2，最小擴散距

2、離約為50nm。這些不斷捕獲吸附原子生長的核，逐漸從球帽形、圓形變成多面體小島。對于島的形成可用熱力學宏觀物理量如表面自由能，也可用微觀物理量如結合能來判別。利用宏觀物理量預測三維島成長的條件：基體與薄膜的自由能之差小于基體與薄膜的界面自由能。例如：基體和薄膜不能形成合金的情況下，因為薄膜自由能＞0，如果基體自由能＜界面自由能，那么上述關系當然會被滿足。如果清楚地知道薄膜和基體不能形成化合物，即使薄膜自由能的大小不清楚，可以預想它還是按照三維島的方式成長。當核與吸附原子間的結合能大于吸附原子與基體的吸附能時，就可形成三維的小島。是用微觀物理量判別島成長的條件。聯(lián)并階

3、段隨著島不斷長大，島間距離逐漸減小，最后相鄰小島可互相聯(lián)結合并為一個大島。這就是島的聯(lián)并。聯(lián)并過程小島的變化如圖所示。小島聯(lián)并長大后，基體表面上占據(jù)面積減小，表面能降低，基體表面上空出的地方可再次成核。島的聯(lián)并與固相燒結相類似。基體溫度對島的聯(lián)并起著重要作用。在聯(lián)并時，傳質的可能機理是體擴散和表面擴散，其中主要的是表面擴散，核越小時，越是如此。因為已經(jīng)觀察到在短至0.06s時間以內(nèi)，就可在島間形成相當線度的頸部（島間結合部），這可用表面擴散給以滿意的解釋。雖然小島聯(lián)并的初始階段很快，但在長時間內(nèi)，新島繼續(xù)改變它的形狀。所以在聯(lián)并時和聯(lián)并后，島的面積不斷發(fā)生著改變。在

4、最初幾秒內(nèi)，由于聯(lián)并使基體表面上的覆蓋面積減小，而后又逐漸增大。在聯(lián)并之初，為了降低表面自由能，新島的面積減小、高度增大。根據(jù)基體、小島的表面與界面自由能，小島有一最低能量溝形，該形狀有一定高度與半徑比。溝道階段在島聯(lián)并之后，新島進一步生長過程中，它的形狀變?yōu)閳A形的傾向減少。只是在新島進一步聯(lián)并的地方才繼續(xù)發(fā)生較大的變形。當島的分布達到臨界狀態(tài)時互相聚結形成一種網(wǎng)狀結構。在這種結構中不規(guī)則的分布著寬度為5－20nm的溝渠。隨著沉積的繼續(xù)進行，在溝渠中會發(fā)生二次或三次成核。當核長大到與溝渠邊緣接觸時就聯(lián)并到網(wǎng)狀結構的薄膜上。與此同時，在某些地方，溝渠被聯(lián)并成橋形，并以

5、類似液體的形式很快地被填充。其結果是大多數(shù)溝渠很快被消除，薄膜由溝渠狀變?yōu)橛行】锥吹倪B續(xù)狀結構。在這些小孔洞處再發(fā)生二次或三次成核。有些核直接與薄膜聯(lián)并在一起，有些核長大后形成二次小島，這些小島再聯(lián)并到薄膜上。因為核或島的聯(lián)并都有類似液體的特點。這種特性能使溝渠和孔洞很快消失。最后消除高表面曲率區(qū)域，使薄膜的總表面自由能達到最小。連續(xù)膜階段溝渠和孔洞消除之后，再入射的氣相原子直接吸附在薄膜上，通過聯(lián)并作用而形成不同結構的薄膜。有些薄膜在島的聯(lián)并階段，小島的取向就發(fā)生顯著變化。在形成多晶薄膜時，除了在外延膜中小島聯(lián)并時必須有一定的取向之外，在聯(lián)并時還出現(xiàn)一些再結晶現(xiàn)象

6、，以致薄膜中的晶粒大于初始核之間的距離。即使基體在室溫條件下，也有相當?shù)脑俳Y晶發(fā)生。每個晶粒大約包括有100個或更多的初始核區(qū)域。由此看出，薄膜中晶粒尺寸的大小取決于核或島聯(lián)并時的再結晶過程，而不取決于初始核的密度。薄膜的形成過程包括：（1）單體的吸附；（2）大小不同的各種小原子團（或稱胚芽）的形成；（3）形成臨界核（開始成核）;（4）由于捕獲其周圍的單體，臨界核長大；（5）在臨界核長大的同時，在非捕獲區(qū)，由單體逐漸形成臨界核；（6）穩(wěn)定核長大到相互接觸，彼此結合后形成新的小島。由于新島所占面積小于結合前的兩島，所以在基片上暴露出新的面積；（7）在這些新暴露的面積上

7、吸附單體，發(fā)生“二次”成核；（8）小島長大，結合成為大島，大島長大，相互結合。在新暴露的面積發(fā)生“二次”或“三次”成核；（9）形成帶有溝道和孔洞的薄膜；（10）在溝道和孔洞處“二次”或“三次”成核，逐漸形成連續(xù)薄膜。濺射薄膜的形成過程用陰極濺射法制備薄膜時薄膜的形成特征與真空蒸發(fā)法制備薄膜的簿膜形成過程有很大的不同。因為濺射的靶材粒子到達基體表面時都有非常大的能量。所以陰極濺射薄膜形成時的一些特殊性，都起因于濺射靶材粒子到達基體表面時具有非常大的能量。本節(jié)中僅對兩種薄膜形成的物理過程的不同之處進行比較研究。沉積離子的產(chǎn)生過程①真空蒸發(fā)是一種熱過程，即材料由固相變