薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程和薄膜結(jié)構(gòu)(文件)
【正文】 通過(guò)自發(fā)形核的情況下，薄膜沉積速率 R與襯底溫度 T對(duì)臨界核心半徑 r*和臨界形核自由能變化 ΔG*的影響來(lái)說(shuō)明它們對(duì)整個(gè)形核過(guò)程及薄膜組織的影響。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 35 襯底溫度對(duì)薄膜形核過(guò)程的影響： 氣相過(guò)飽和度 S越大，薄膜的臨界核心半徑 r*和臨界形核自由能變化 ΔG*越小，因而隨著襯底溫度的降低， r*和 ΔG*都會(huì)減小，即 隨著溫度上升和相變過(guò)冷度減小，薄膜臨界核心半徑增大 ，新相的形成將變得較為困難。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 38 連續(xù)薄膜的形成 形核初期形成的孤立核心將隨著時(shí)間的推移而逐漸長(zhǎng)大，這一過(guò)程除了涉及吸納單個(gè)的氣相原子和表面吸附原子之外，還涉及了核心之間的相互吞并和聯(lián)合的過(guò)程。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 40 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 41 球的表面自由能 Gs=4πri2γ (i=1,2)， 每個(gè)球含有的原子數(shù) ni=4πri3/3Ω， 那么：每 增加一個(gè)原子帶來(lái)的表面自由能增加 每個(gè)原子的自由能 則得到吉布斯 辛普森 (GibbsThomson)關(guān)系 a∞ 相當(dāng)于無(wú)窮大原子團(tuán)中原子的活度值。吞并的結(jié)果使薄膜大多由尺寸較為相近的島狀核心所組成。表面擴(kuò)散機(jī)制對(duì)熔結(jié)過(guò)程的貢獻(xiàn)可能會(huì)更大一些。而電子顯微鏡的觀察也發(fā)現(xiàn)，只要襯底溫度不是很低，擁有 50～ 100個(gè)原子的原子團(tuán)也可以發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和跳躍式的運(yùn)動(dòng)。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 47 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程與薄膜結(jié)構(gòu) 薄膜的生長(zhǎng)模式： 外延式生長(zhǎng)和 非外延式生長(zhǎng) 薄膜的四種典型組織形態(tài) 原子的沉積過(guò)程可細(xì)分為三個(gè)過(guò)程： ?氣相原子的沉積 ?表面的擴(kuò)散 ?薄膜內(nèi)的擴(kuò)散 薄膜結(jié)構(gòu)的形成將與沉積時(shí)的 襯底相對(duì)溫度 Ts/Tm以及 沉積原子能量 密切相關(guān)。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 50 形態(tài) T型的薄膜組織： 介于形態(tài) 1和形態(tài) 2之間的過(guò)渡型組織。 形成的組織為各個(gè)晶粒分別外延而形成的均勻的 柱狀晶 組織，柱狀晶的直徑隨沉積溫度的增加而增加。此時(shí)，在沉積進(jìn)行的同時(shí)，薄膜內(nèi)將發(fā)生再結(jié)晶的過(guò)程，晶粒開始長(zhǎng)大，直至超過(guò)薄膜的厚度。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 54 蒸發(fā)法制備薄膜的微觀組織： 與濺射沉積的薄膜的組織相似，也可劃分為上述四種不同的形態(tài)。條件：較高的襯底溫度和較低的沉積速率；薄膜與襯底的晶格匹配；襯底表面清潔、光滑、化學(xué)穩(wěn)定性好。與濺射法相比，蒸發(fā)法 獲得同樣形態(tài)組織的溫度區(qū)間要稍高一些 。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 53 在形成形態(tài) 2和形態(tài) 3型組織的情況下，襯底的溫度已經(jīng)較高，因而濺射氣壓或入射粒子能量對(duì)薄膜組織的影響變得比較小了。同時(shí)，各晶粒的表面開始呈現(xiàn)出晶體學(xué)平面所特有的形貌。 低溫抑制型生長(zhǎng) ：原子的擴(kuò)散能力不足，薄膜由疏松的晶粒邊界包圍下的相互平行生長(zhǎng)的較為致密的纖維狀 組織所組成。 沉積組織呈現(xiàn)一種數(shù)十納米直徑的 細(xì)纖維狀的組織形態(tài)，纖維內(nèi)部缺陷密度很高或?yàn)榉蔷B(tài)結(jié)構(gòu)；纖維間的結(jié)構(gòu)疏松，存在許多納米尺寸孔洞。原子團(tuán)越小，激活能越低，原子團(tuán)的遷移也越容易。在襯底上的原子團(tuán)還具有相當(dāng)?shù)幕顒?dòng)能力。過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力：表面能的降低趨勢(shì)。 因此，當(dāng)兩個(gè)尺寸大小不同的核心互為近鄰的時(shí)候，尺寸較小的核心中的原子有 自發(fā)蒸發(fā)的傾向，而較大的核心則會(huì)因其平衡蒸氣壓較低而 吸納 蒸發(fā)來(lái)的原子。隨著時(shí)間的推移，較大的核心將依靠吞并較小的核心而長(zhǎng)大。 R增加將導(dǎo)致 r*減小， ΔG*降低，相當(dāng)于降低沉積溫度，使薄膜組織的晶粒細(xì)化。 Re=R 即氣相與固相處于平衡狀態(tài)時(shí)， ΔGv= 0； ReR，即薄膜沉積時(shí)， ΔGv0。 脫附激活能 表面原子的振動(dòng)頻率 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 30 在單位時(shí)間內(nèi)，單位表面上由臨界尺寸的原子團(tuán)長(zhǎng)大的核心數(shù)目就是形核率，
教學(xué)課件相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1