【正文】 二維晶核的臨界尺寸。 根據(jù)宏觀成核理論： B襯底上的 A薄膜生長以球冠的形狀開始成核， 核的高度和底面半徑之比由 A元素對 B襯底的浸潤性決定： θ越小，球冠越平坦。 αˊ α+α ?時(shí) θ≠ 0，球冠核有一定的高度。 (a)二維生長 (b)單層二維生長 后三維生長 (c)三維生長 薄膜生長的三種模式 2. 三維 (島狀 )生長 (VolmerWeber)模式 浸潤角不為零， B襯底上形成許多三維的島狀 A晶核，島狀 A晶核長大后形成表面粗糙的多晶膜。 這種模式一般發(fā)生在二維生長后膜內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力場合。 Δα=α+ααˊ 襯底 B和 A薄膜晶格匹配良好，薄膜一般是單晶且和襯底有確定取向關(guān)系。 以原子數(shù)表示： 二維核的臨界尺寸 mc=uAA/(Δμ+uABuAA) 成核功 dφc=uAA2/(Δμ+uABuAA) uABuAA時(shí)，在一定的欠飽和 (Δμ0)條件下也可以發(fā)生二維生長。 三維生長： uABuAA，即 Δα 0的場合。 三維生長一般在襯底晶格和薄膜晶格很不匹配時(shí)發(fā)生，最后薄膜一般是多晶，和襯底無取向關(guān)系。 單層二維生長后三維生長： uAB≧u AA， Δα≦ 0場合。 應(yīng)變自組裝 InAs/GaAs量子點(diǎn) ：晶格失配度 7%， aInAs＞ aGaAs 較小界面能 生長初期：二維層狀生長， 形成浸潤層 (wetting layer) 浸潤層厚度增加，內(nèi)部應(yīng)變能積累變大 浸潤層厚度 Hcw≈: 轉(zhuǎn)為 3D島狀生長 Hcw： 2D3D轉(zhuǎn)變厚度 一定密度和尺寸分布的三維小島出現(xiàn)在生長表面， 有規(guī)則幾何形狀：金字塔形、截角金字塔形、透鏡形 島側(cè)表面由發(fā)生重構(gòu)的晶面圍成。 島高幾納米，島底直徑幾十納米。 Daruka和 Barabasi， 利用熱力學(xué)平衡理論，深入研究 外延生長模式隨晶格失配度 ε 大小、沉積量 H等的變化關(guān)系，得到外延生長平衡相圖。 3D島是熟化島，島體 積越大系統(tǒng)越穩(wěn)定。 2）當(dāng) ε 1 ＜ ε ＜ ε 2時(shí)： 沉積量超過 Hc1，入 SK1區(qū)，一定厚度浸潤層上生長著尺寸和密度有限大小的共格 3D島。 當(dāng) H超過臨界值 Hc2后， 生長模式轉(zhuǎn)成 R2模式， 開始出現(xiàn)熟化島和共 格島的共存生長。 沉積量增加，開始出現(xiàn) 浸潤層，厚度隨 H而增 加，島尺寸和密度保持 不變， SK2生長模式。 4）當(dāng) ε ＞ ε 3時(shí)： 最初的生長為 VW模式，當(dāng) H超過臨界值 Hc3時(shí)，開始出現(xiàn)熟化島， 轉(zhuǎn)成 R3生長模式，與 R2模式的區(qū)別在于缺少浸潤層。 因此，在異質(zhì)外延生長 中，通過動力學(xué)因素 控 制成核的維度及生長模 式是關(guān)鍵 。 沉積幾十 ML， Ge仍維持 FM模式。 Si襯底外延生長 Ge： Ga、 In、 Sb、 Pb、 As、 Sn、 Bi、 Te作表面敏化劑。 薄膜生長的三種模式 ● 體相中均勻成核 ● 襯底上的非均勻成核 ● 成核的原子模型 ● 襯底缺陷上成核 ● 薄膜生長的三種模式 ● 薄膜生長模式的俄歇電子 能譜 (AES)分析 薄膜的成核長大熱力學(xué) AES可以鑒別薄膜生長模式。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 D D D S S S (a) (b) (c) θ /ML 三種生長模式下 AES峰強(qiáng)度隨沉積量的變化 (a)三維島狀生長； (b)二維層狀生長后三維島狀生長； (c)二維層狀生長 薄膜生長模式的俄歇電子能譜 (AES)分析 (a)三維島狀生長時(shí) AES強(qiáng)度變化緩慢， S減小得慢，D增加得慢，沉積量達(dá)到 4ML后還沒覆蓋住襯底，信號 S仍很強(qiáng)，沉積幾層時(shí)信號變化接近線性。 (c)二維層狀生長的 AES強(qiáng)度變化迅速，沉積量達(dá)到1ML后已經(jīng)覆蓋住全部襯底，在此范圍內(nèi)變化接近線性，沉積量為 14ML時(shí)變化減慢下來。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 D D D S S S (a) (b) (c) θ /ML 三種生長模式下 AES峰強(qiáng)度隨沉積量的變化 (a)三維島狀生長； (b)二維層狀生長后三維島狀生長； (c)二維層狀生長 (a)二維生長 (b)二維層狀生長后三維島狀生長時(shí)，在 1ML前曲線和 (c)類似， 14ML時(shí)變化突然減慢下來，并且其變化類似于 (a)。 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 D D D S S S (a) (b) (c) θ /ML 三種生長模式下 AES峰強(qiáng)度隨沉積量的變化 (a)三維島狀生長； (b)二維層狀生長后三維島狀生長； (c)二維層狀生長 (b)單層二維生長后三維生長 STM： 可更精密探測表面上的單個原子和少數(shù)原子組成的小島，從而區(qū)別三種模式。 AES: 可以便捷測定大面積內(nèi)幾層原子沉積過程的信號變化，從而區(qū)別三種不同的模式。 實(shí)際的過程： 在襯底上可以形成許多穩(wěn)定的晶核。 此時(shí)穩(wěn)定晶核數(shù)達(dá)到極大值。 ● 成核長大的物理過程 ● 起始沉積過程的分類 ● 成核率 ● 臨界晶核為單個原子時(shí) 的穩(wěn)定晶核密度 ● 臨界晶核為多個原子時(shí) 的穩(wěn)定晶核密度 ● 合并過程和熟化過程的影響 薄膜的成核長大動力學(xué) ● 厚膜的生長 ● 半導(dǎo)體薄膜的生長 薄膜的成核長大動力學(xué) 成核長大的物理過程 薄膜成核長大過程相當(dāng)復(fù)雜，它包括一系列熱力學(xué)和動力學(xué)過程，其中的具體過程有： 原子沉積到襯底 ， 從襯底再蒸發(fā) ， 在襯底、晶核上表面擴(kuò)散和界面處互擴(kuò)散 ， 沉積率 R 吸附 再蒸發(fā) 表面擴(kuò)散 成核 互擴(kuò)散 成核 (包括形成各種不同大小、數(shù)量不斷增多 的亞穩(wěn)定晶核、臨界晶核和穩(wěn)定晶核 )， 長大 等過程。 核的形成與生長有四個步驟： 1）從源蒸發(fā)出的氣相原子入射到基體表面，一部分能量較大的彈性反射回去，另一部分吸附在基體表面。 核的形成與生長有四個步驟： 2）吸附原子在基體表面擴(kuò)散遷移，互相碰撞結(jié)合成原子對，或小原子團(tuán)，并凝結(jié)在基體表面上。這個過程反復(fù)進(jìn)行，一旦原子團(tuán)中原子數(shù)超過臨界值，原子團(tuán)進(jìn)一步與其他吸附原子碰撞結(jié)合，向長大方向發(fā)展，形成穩(wěn)定原子團(tuán)。 SEM：襯底表面往往存在原子大小量級的凹坑、棱角、臺階等，作捕獲中心，易俘獲原子團(tuán)而形成晶核。 隨著襯底上形成許多晶核，以及它們互相接觸、合并，形成島狀構(gòu)造，其尺寸大致從 58nm開始 ,可用 SEM觀測到。 海峽再進(jìn)一步收縮，成為孔穴構(gòu)造： 19nm。 薄膜成核長大是一個非平衡過程，如果 溫度足夠高、原子沉積速率足夠低 ，可看成平衡過程。 但是這種接近平衡的過程非常緩慢 (完全平衡時(shí)薄膜不能生長 )，不符合薄膜的生長情形。 實(shí)際薄膜成核長大中的各個過程可區(qū)分為三類： 局部平衡過程、動力學(xué)限制過程、動力學(xué)禁止過程。 而激活能較低的過程容易達(dá)到局部平