薄膜的生長(zhǎng)過程和薄膜結(jié)構(gòu)-全文預(yù)覽
【正文】 它應(yīng)該正比于三個(gè)因子的乘積，即 n* — 襯底上臨界核心的面密度； A* — 每個(gè)臨界核心接受沿襯底表面擴(kuò)散來的吸附原子的表面積； ω — 為在單位時(shí)間內(nèi)，向表面擴(kuò)散來的吸附原子的通量。 主要來源 薄膜生長(zhǎng)過程和結(jié)構(gòu) 29 表面吸附原子在襯底表面停留的平均時(shí)間 τ 吸附原子在擴(kuò)散中，會(huì)與其他原子或原子團(tuán)結(jié)合。因此，薄膜形核的過程在很大程度上取決于 襯底表面能夠提供的形核位臵的特性和數(shù)量 。 薄膜生長(zhǎng)過程和結(jié)構(gòu) 26 非自發(fā)形核過程的臨界自由能變化還可以寫成兩部分之積的形式 接觸角 θ越小，即襯底與薄膜的浸潤(rùn)性越好，則非自發(fā)形核的能壘降低得越多，非自發(fā)形核的傾向也越大。 當(dāng) θ=0， 為層狀生長(zhǎng)模式。 采用 離子轟擊 的方法抑制三維島狀核心的形成，使細(xì)小的核心來不及由擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)合并就被后沉積來的原子所覆蓋，以此形成晶粒細(xì)小、表面平整的薄膜。 薄膜生長(zhǎng)過程和結(jié)構(gòu) 20 獲得平整、均勻薄膜的方法 : 提高 n*，即降低 r* 。因此， 當(dāng)氣相壓力或沉積速率上升時(shí)， n* 將會(huì)迅速增加 。 G1 — 一個(gè)氣相原子的自由能。 自由能變化 ΔG取得極值的條件為 dΔG/dr = 0，即 臨界核心半徑 形成一個(gè)新相核心時(shí)，系統(tǒng)的自由能變化為 形成臨界核心時(shí)系統(tǒng)自由能變化 S越大， △ G*越小。 pv、 p — 凝結(jié)相的平衡蒸氣壓和氣相的實(shí)際壓力；Jv、 J — 凝結(jié)相的蒸發(fā)通量和氣相的沉積通量； Ω — 原子體積。 薄膜生長(zhǎng)過程和結(jié)構(gòu) 11 新相的自發(fā)形核理論 新相形核過程的類型： ?自發(fā)形核 ：整個(gè)形核過程完全是在相變自由能的推動(dòng)下進(jìn)行的。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)過程和結(jié)構(gòu) 8 層狀 島狀生長(zhǎng)模式的原因： 1) 開始時(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。 在層狀生長(zhǎng)模式下，已沒有意義十分明確的形核階段出現(xiàn)。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。 2. 薄膜的生長(zhǎng)階段。 ?以真空蒸發(fā)的薄膜形成為例 薄膜的生長(zhǎng)過程： 1. 新相的形核階段 。 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)過程和結(jié)構(gòu) 4 薄膜生長(zhǎng)過程和結(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說，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。 薄膜生長(zhǎng)過程和結(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。 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)過程中各種能量的相互消長(zhǎng) 。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。 在上述各種機(jī)制中，開始的時(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。 從過飽和氣相中凝結(jié)出一個(gè)球形的新相核心的過程： 薄膜生長(zhǎng)過程和結(jié)構(gòu) 13 ?形成新相核心時(shí)， 體自由能變?yōu)?4/3)πr3ΔGv ΔGv — 單位體積的固相在凝結(jié)過程中的相變自由能之差。 γ —
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