薄膜的生長過程和薄膜結(jié)構(gòu)-wenkub.com
2025-04-29 13:42 本頁面
【正文】 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 55 薄膜的組織結(jié)構(gòu)（結(jié)晶狀態(tài)）： ?無定形結(jié)構(gòu)（非晶態(tài)結(jié)構(gòu)） （較高的沉積速率和較低的襯底溫度，薄膜的化學(xué)成分） ?多晶結(jié)構(gòu) （島狀生長，可能存在介穩(wěn)結(jié)構(gòu)） ?纖維結(jié)構(gòu) （晶粒具有擇優(yōu)取向的薄膜，非晶態(tài)襯底上） ?單晶結(jié)構(gòu) （外延生長：在完整的單晶襯底上延續(xù)生長單晶薄膜。 高溫?zé)峒せ钚蜕L ：沉積溫度較高，原子的擴散比較充分，擴散將消除孔洞的存在，使薄膜組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶢罹螒B(tài)。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 52 形態(tài) 3型的薄膜組織： 襯底溫度的繼續(xù)升高（ Ts/Tm ）使得原子的 體擴散 開始發(fā)揮重要作用。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 51 形態(tài) 2型的薄膜組織： Ts/Tm=～ 、原子 表面擴散 進(jìn)行得較為充分時形成的薄膜組織。 隨薄膜厚度的增加，細(xì)纖維狀組織發(fā)展為錐狀形態(tài)，其間夾雜尺寸更大的孔洞，而薄膜表面則呈現(xiàn)出與之相應(yīng)的拱形形貌。原子團(tuán)的運動將導(dǎo)致原子團(tuán)間相互發(fā)生碰撞和合并。場離子顯微鏡已經(jīng)觀察到了含有兩三個原子的原子團(tuán)的遷移現(xiàn)象。 在此過程中，原子的擴散可能有兩種機制，即體擴散機制和表面擴散機制。結(jié)果是較大的核心吸收原子而長大，而較小的核心則失去原子而消失。這一過程的驅(qū)動力來自于島狀結(jié)構(gòu)的薄膜力圖 降低自身表面自由能的趨勢 。 因此， 提高沉積的溫度并降低沉積的速率 可以得到 粗大甚至是單晶結(jié)構(gòu) 的薄膜； 低溫、高速的沉積往往導(dǎo)致 多晶態(tài)甚至是非晶態(tài) 的薄膜組織。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 34 在 ΔGv0的前提下，可以得出 隨薄膜沉積速率 R的提高，薄膜臨界核心半徑與臨界形核自由能均隨之降低，即 高的沉積速率將會導(dǎo)致高的形核速率和細(xì)密的薄膜組織 。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 31 遷移來的吸附原子通量 ω應(yīng)等于吸附原子密度 na和原子擴散的發(fā)生幾率 的乘積； 則 因此，得到 ★ 臨界形核自由能變 ΔG*的降低將顯著提高形核率； 高的脫附能 Ed、低的擴散激活能 Es有利于氣相原子在襯底表面的停留和運動，會提高形核率。隨著其相互結(jié)合成越來越大的原子團(tuán)，其脫附可能性逐漸下降。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 28 薄膜的形核率 形核率 ：單位面積上，單位時間內(nèi)形成的臨界核心的數(shù)目。在層狀模式時，形核勢壘高度等于零。 當(dāng) θ0， 為島狀生長模式； ★ 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 24 dΔG/dr = 0，形核自由能 ΔG取極值條件為 雖然非自發(fā)形核過程的核心形狀與自發(fā)形核時有所不同，但二者所對應(yīng)的臨界核心半徑相同。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 21 薄膜的非自發(fā)形核理論 非自發(fā)形核過程的熱力學(xué) 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 22 形成一個原子團(tuán)時的自由能變化為 ΔGv — 單位體積的相變自由能，它是薄膜形核的驅(qū)動力； — 氣相 (v)、襯底 (s)與薄膜 (f)三者之間的界面能； a a a3 — 與核心形狀有關(guān)的常數(shù)。 ?從熱力學(xué)的角度考慮： 在薄膜沉積的形核階段大幅 提高氣相過飽和度 ，以形成核心細(xì)小、致密連續(xù)薄膜。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 19 溫度對 n*的影響： ?溫度增加會提高新相的平衡蒸氣壓，并導(dǎo)致 ΔG*增加而形核率減??； ?溫度增加時原子的脫附幾率增加。 核心數(shù)量與吸附原子數(shù)量之間的平衡常數(shù) nj — 含 j個原子的核心的面密度； n1 — 襯底表面單個原子的面密度。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 16 形核過程的能壘 核心的生長使自由能下降。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 14 當(dāng)過飽和度為零時， ΔGv=0，沒有新相的核心形成，或者已經(jīng)形成的新相核心不再長大； 當(dāng)氣相存在過飽和現(xiàn)象時， ΔGv0，它就是新相形核的驅(qū)動力
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