薄膜的生長過程和薄膜結(jié)構(gòu)(參考版)
2025-05-05 13:42本頁面
【正文】 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 。 薄膜生長過程和結(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)。 薄膜生長過程和結(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薄膜組織的影響變得比較小了。此時，在沉積進(jìn)行的同時，薄膜內(nèi)將發(fā)生再結(jié)晶的過程，晶粒開始長大，直至超過薄膜的厚度。同時，各晶粒的表面開始呈現(xiàn)出晶體學(xué)平面所特有的形貌。 形成的組織為各個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。 低溫抑制型生長 ：原子的擴散能力不足，薄膜由疏松的晶粒邊界包圍下的相互平行生長的較為致密的纖維狀 組織所組成。 薄膜生長過程和結(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之間的過渡型組織。 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)部缺陷密度很高或為非晶態(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。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 47 薄膜生長過程與薄膜結(jié)構(gòu) 薄膜的生長模式： 外延式生長和 非外延式生長 薄膜的四種典型組織形態(tài) 原子的沉積過程可細(xì)分為三個過程： ?氣相原子的沉積 ?表面的擴散 ?薄膜內(nèi)的擴散 薄膜結(jié)構(gòu)的形成將與沉積時的 襯底相對溫度 Ts/Tm以及 沉積原子能量 密切相關(guān)。原子團越小，激活能越低，原子團的遷移也越容易。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個原子的原子團也可以發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動和跳躍式的運動。在襯底上的原子團還具有相當(dāng)?shù)幕顒幽芰Α１砻鏀U散機制對熔結(jié)過程的貢獻(xiàn)可能會更大一些。過程的驅(qū)動力：表面能的降低趨勢。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。 因此，當(dāng)兩個尺寸大小不同的核心互為近鄰的時候，尺寸較小的核心中的原子有 自發(fā)蒸發(fā)的傾向，而較大的核心則會因其平衡蒸氣壓較低而 吸納 蒸發(fā)來的原子。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 40 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 41 球的表面自由能 Gs=4πri2γ (i=1,2)， 每個球含有的原子數(shù) ni=4πri3/3Ω， 那么：每 增加一個原子帶來的表面自由能增加 每個原子的自由能 則得到吉布斯 辛普森 (GibbsThomson)關(guān)系 a∞ 相當(dāng)于無窮大原子團中原子的活度值。隨著時間的推移，較大的核心將依靠吞并較小的核心而長大。 薄膜生長過程和結(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間的推移而逐漸長大，這一過程除了涉及吸納單個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)合的過程。 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。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 35 襯底溫度對薄膜形核過程的影響： 氣相過飽和度 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*都會減小，即 隨著溫度上升和相變過冷度減小，薄膜臨界核心半徑增大 ，新相的形成將變得較為困難。 Re=R 即氣相與固相處于平衡狀態(tài)時， ΔGv= 0； ReR，即薄膜沉積時， ΔGv0。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 32 襯底溫度和沉積速率對形核過程的影響 通過自發(fā)形核的情況下，薄膜沉積速率 R與襯底溫度 T對臨界核心半徑 r*和臨界形核自由能變化 ΔG*的影響來說明它們對整個形核過程及薄膜組織的影響。 脫附激活能 表面原子的振動頻率 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu)
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