薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程和薄膜結(jié)構(gòu)(已修改)
2025-05-14 13:42 本頁(yè)面
【正文】 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 1 5 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 薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程直接影響薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。 ?以真空蒸發(fā)的薄膜形成為例 薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程： 1. 新相的形核階段 。 2. 薄膜的生長(zhǎng)階段。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 2 新相的形核階段：氣態(tài)的原子或分子凝聚到襯 底表面，擴(kuò)散遷移形成晶核，晶核結(jié)合其他吸 附的氣相原子逐漸長(zhǎng)大形成小島。 表面擴(kuò)散 核形成 核成長(zhǎng) 原子團(tuán) 臨界值 穩(wěn)定值 入射原子束 再蒸發(fā) 反射 入射原子束直接碰撞 臨界核 穩(wěn)定核 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 3 電子衍射ED 透射電子顯微鏡 TEM 薄膜的生長(zhǎng)階段：小島階段； 聚結(jié)階段； 溝道階段； 連續(xù)薄膜階段。 形核階段 連續(xù)薄膜階段 溝道階段 聚結(jié)階段 小島階段 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 4 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 5 薄膜的生長(zhǎng)模式： (1)島狀生長(zhǎng) (Volmer—Weber)模式 對(duì)很多薄膜與襯底的組合來(lái)說(shuō)，只要 沉積溫度足夠高，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)作用的有利位臵，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。 島狀核心的形成表明，被沉積的物質(zhì)與襯底之間的 浸潤(rùn)性較差 。 許多金屬在非金屬襯底上都采取這種生長(zhǎng)模式。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 6 (2)層狀生長(zhǎng) (Frankvan der Merwe)模式 當(dāng)被沉積物質(zhì)與襯底之間 浸潤(rùn)性很好 時(shí)，薄膜的沉積表現(xiàn)為層狀生長(zhǎng)模式。 在層狀生長(zhǎng)模式下，已沒(méi)有意義十分明確的形核階段出現(xiàn)。 在極端情況下，即使是沉積物的分壓已低于純組元的平衡分壓時(shí)，沉積的過(guò)程也會(huì)發(fā)生。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 7 (3)層狀 —島狀 (StranskiKrastanov)生長(zhǎng)模式 最開(kāi)始的一兩個(gè)原子層的層狀生長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)模式從層狀模式轉(zhuǎn)化為島狀模式。 導(dǎo)致這種模式轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制比較復(fù)雜，但根本的原因應(yīng)該可以歸結(jié)為 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中各種能量的相互消長(zhǎng) 。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 8 層狀 島狀生長(zhǎng)模式的原因： 1) 開(kāi)始時(shí)是外延式的層狀生長(zhǎng)，由于薄膜與襯底之間 晶格常數(shù)不匹配 ，隨著沉積原子層的增加，應(yīng)變能增加。為松弛應(yīng)變能，生長(zhǎng)到一定厚度，薄膜生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為島狀模式。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 9 2)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)晶面外延生長(zhǎng) GaAs時(shí)，由于 As原子有五個(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原子不再傾向于與其他原子發(fā)生進(jìn)一步的鍵合。吸附了 As原子的Si(111)表面具有極低表面能，使其后 As、 Ga原子的沉積模式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S島狀的生長(zhǎng)模式。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 10 3)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?。因此薄膜在生長(zhǎng)到一定厚度之后，生長(zhǎng)模式會(huì)由層狀模式向島狀模式轉(zhuǎn)變。 在上述各種機(jī)制中，開(kāi)始的時(shí)候?qū)訝钌L(zhǎng)的自由能較低，但其后，島狀生長(zhǎng)模式在能量上變得更為有利。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 11 新相的自發(fā)形核理論 新相形核過(guò)程的類型： ?自發(fā)形核 ：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。 ?非自發(fā)形核 ：除了有相變自由能作推動(dòng)力之外，還有其他的因素起著幫助新相核心生成的作用。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 12 在薄膜與
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