薄膜的生長過程和薄膜結(jié)構(gòu)-在線瀏覽
2025-06-19 13:42本頁面
【正文】 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。 γ — 單位核心表面的表面能。 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。 上述過程的自由能變化為 ΔG = Gj – jG1 Gj — 一個新相核心的自由能 。 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。 臨界核心的面密度 n* 取決于 n1和 ΔG*， n1正比于氣相原子的沉積通量 J或氣相的壓力 p， ΔG*也依賴于 p。 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*增加而形核率減小； ?溫度增加時原子的脫附幾率增加。 但在某些情況下，動力學(xué)因素又起著關(guān)鍵性的作用：低溫時化學(xué)反應(yīng)的速度下降，造成薄膜形核率反而降低。 ?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。使得沉積后的原子固定在其初始沉積的位臵上，形成特有的低溫沉積組織。 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)。薄膜與襯底的浸潤性越差，即 γfs越大，則 θ的數(shù)值越大。 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。半徑 rr*的核心由于 ΔG降低而傾向于消失，而 rr*的核心則隨自由能的下降而傾向于長大。在層狀模式時，形核勢壘高度等于零。這些地點(diǎn)或可以降低薄膜與襯底間的界面能，或可以降低使原子發(fā)生鍵合時所需的激活能。 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。 新相形成所需要的原子可能來自： (1)氣相原子的直接沉積； (2)襯底表面吸附原子沿表面的擴(kuò)散。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。這導(dǎo)致在襯底表面的缺陷處薄膜的形核率較高。 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(kuò)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(kuò)散激活能 Es有利于氣相原子在襯底表面的停留和運(yùn)動，會提高形核率。 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 33 薄膜沉積速率 R對薄膜組織的影響： 固相從氣相凝結(jié)出來時的相變驅(qū)動力可寫為 Re — 凝結(jié)的核心在溫度 T時的平衡蒸發(fā)速率； R — 實(shí)際的沉積速率。 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) 36 STM images of TiSi2 islands formed on Si(100). 薄膜生長過程和結(jié)構(gòu) 37 總結(jié)： T越高， r*越大， ΔG*也越高
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