薄膜的生長過程和薄膜結構-全文預覽
【正文】 它應該正比于三個因子的乘積，即 n* — 襯底上臨界核心的面密度； A* — 每個臨界核心接受沿襯底表面擴散來的吸附原子的表面積； ω — 為在單位時間內(nèi)，向表面擴散來的吸附原子的通量。 主要來源 薄膜生長過程和結構 29 表面吸附原子在襯底表面停留的平均時間 τ 吸附原子在擴散中，會與其他原子或原子團結合。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 。 薄膜生長過程和結構 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 θ=0， 為層狀生長模式。 采用 離子轟擊 的方法抑制三維島狀核心的形成，使細小的核心來不及由擴散實現(xiàn)合并就被后沉積來的原子所覆蓋，以此形成晶粒細小、表面平整的薄膜。 薄膜生長過程和結構 20 獲得平整、均勻薄膜的方法 : 提高 n*，即降低 r* 。因此， 當氣相壓力或沉積速率上升時， n* 將會迅速增加 。 G1 — 一個氣相原子的自由能。 自由能變化 ΔG取得極值的條件為 dΔG/dr = 0，即 臨界核心半徑 形成一個新相核心時，系統(tǒng)的自由能變化為 形成臨界核心時系統(tǒng)自由能變化 S越大， △ G*越小。 pv、 p — 凝結相的平衡蒸氣壓和氣相的實際壓力；Jv、 J — 凝結相的蒸發(fā)通量和氣相的沉積通量； Ω — 原子體積。 薄膜生長過程和結構 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 ：整個形核過程完全是在相變自由能的推動下進行的。吸附了 As原子的Si(111)表面具有極低表面能，使其后 As、 Ga原子的沉積模式轉變?yōu)槿S島狀的生長模式。 薄膜生長過程和結構 8 層狀 島狀生長模式的原因： 1) 開始時是外延式的層狀生長，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，應變能增加。 在層狀生長模式下，已沒有意義十分明確的形核階段出現(xiàn)。即使不存在任何對形核有促進作用的有利位臵，隨著沉積原子的不斷增加，襯底上也會聚集起許多薄膜的三維核心。 2. 薄膜的生長階段。 ?以真空蒸發(fā)的薄膜形成為例 薄膜的生長過程： 1. 新相的形核階段 。 形核階段 連續(xù)薄膜階段 溝道階段 聚結階段 小島階段 薄膜生長過程和結構 4 薄膜生長過程和結構 5 薄膜的生長模式： (1)島狀生長 (Volmer—Weber)模式 對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散能力 ，薄膜的生長就表現(xiàn)為島狀生長模式。 薄膜生長過程和結構 6 (2)層狀生長 (Frankvan der Merwe)模式 當被沉積物質(zhì)與襯底之間 浸潤性很好 時，薄膜的沉積表現(xiàn)為層狀生長模式。 導致這種模式轉變的物理機制比較復雜，但根本的原因應該可以歸結為 薄膜生長過程中各種能量的相互消長 。但在 Si的 (111)晶面外延生長 GaAs時，由于 As原子有五個價電子，它不僅可提供 Si晶體表面三個近鄰 Si原子所要求的三個鍵合電子，而且剩余的一對電子使 As原子不再傾向于與其他原子發(fā)生進一步的鍵合。 在上述各種機制中，開始的時候層狀生長的自由能較低，但其后，島狀生長模式在能量上變得更為有利。 從過飽和氣相中凝結出一個球形的新相核心的過程： 薄膜生長過程和結構 13 ?形成新相核心時， 體自由能變?yōu)?4/3)πr3ΔGv ΔGv — 單位體積的固相在凝結過程中的相變自由能之差。 γ —
教學課件相關推薦
鄂ICP備17016276號-1