薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程和薄膜結(jié)構(gòu)(完整版)
【正文】 性較差 。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。 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) 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。 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 12 在薄膜與襯底之間浸潤(rùn)性較差的情況下，薄膜的形核過(guò)程可以近似地被認(rèn)為是一個(gè)自發(fā)形核的過(guò)程。 減小自身尺寸降低自由能； 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 17 壓力對(duì) n*的影響： rr*時(shí)，不穩(wěn)定的核心與氣相原子或者襯底表面的吸附原子之間存在著可逆反應(yīng) jA←→ Nj Nj — 含有 j個(gè)原子的不穩(wěn)定新相核心； A — 氣相中的單個(gè)原子。 在一般情況下， 溫度上升會(huì)使得 n* 減少 ，而降低襯底溫度一般可以獲得高的薄膜形核率。 對(duì)于圖示的冠狀核心， 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 23 根據(jù)表面能之間的平衡條件，核心形狀的穩(wěn)定性要求各界面能之間滿足 即 θ只取決于各界面能之間的數(shù)量關(guān)系。 自發(fā)形核過(guò)程的臨界自由能變化 能量勢(shì)壘降低的因子 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和結(jié)構(gòu) 27 在薄膜沉積的情況下，核心常出現(xiàn)在襯底的某個(gè)局部位臵上，如晶體缺陷、原子層形成的臺(tái)階、雜質(zhì)原子處等。 在 襯底表面缺陷 處，原子正常鍵合狀態(tài)被打亂，吸附原子的脫附激活能 Ed較高。 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) 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。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。 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)。 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。 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)。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 。同時(shí)，各晶粒的表面開(kāi)始呈現(xiàn)出晶體學(xué)平面所特有的形貌。 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。在襯底上的原子團(tuán)還具有相當(dāng)?shù)幕顒?dòng)能力。 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。 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。 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)
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