電子科大薄膜物理(趙曉輝)第六章薄膜生長

1、內(nèi)容內(nèi)容2成核與生長成核與生長3薄膜生長基本過程薄膜生長基本過程1. physisorption/原子原子/分子的物理吸附分子的物理吸附2. surface diffusion/表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散3. chemisorption/分子分子-分子、分子分子、分子-基片化學(xué)鍵合基片化學(xué)鍵合4. nucleation/成核成核: 單個原子、分子聚集單個原子、分子聚集5. 微結(jié)構(gòu)形成微結(jié)構(gòu)形成 (無定形無定形-多晶多晶-單晶，缺陷，粗糙度等等單晶，缺陷，粗糙度等等6. 薄膜體內(nèi)變化薄膜體內(nèi)變化, 例如擴(kuò)散，晶粒長大等等。例如擴(kuò)散，晶粒長大等等。 4薄膜生長模式薄膜生長模式5Particle creati

2、on/粒子形成粒子形成: 已經(jīng)掌握，已經(jīng)掌握，對于對于PVD易于控制易于控制Particle transport/粒子輸運(yùn)粒子輸運(yùn):已經(jīng)掌握，可以分析和控制已經(jīng)掌握，可以分析和控制Nucleation & growth/結(jié)晶和生長結(jié)晶和生長:- 理論上理解理論上理解(傳統(tǒng)理論傳統(tǒng)理論, 模擬模擬)- 無直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ( 無法控制無法控制)- 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 reality is more complicated than theory predicted實(shí)際參數(shù)實(shí)際參數(shù):- 粒子能量- 材料流量密度和化學(xué)計(jì)量- 氧分壓- 薄膜溫度- 實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)驗(yàn)參數(shù):- 氣壓- 氣

3、體混合物- 基板溫度- 陰極電勢 /激光能量 / 加熱器溫度-外形- .6低溫下薄膜生長過程低溫下薄膜生長過程7高溫下高溫下YBCOYBCO薄膜生長過程薄膜生長過程86.2 6.2 粒子的吸附與擴(kuò)散粒子的吸附與擴(kuò)散 化學(xué)吸附與物理吸附化學(xué)吸附與物理吸附9表面擴(kuò)散表面擴(kuò)散對薄膜形成至關(guān)重要對薄膜形成至關(guān)重要被吸附物形成團(tuán)簇（均勻成核）被吸附物形成團(tuán)簇（均勻成核）被吸附物找到非均勻成核位置（臺階等）被吸附物找到非均勻成核位置（臺階等）吸附的原子遷入由基板或薄膜表面原子形成的勢能吸附的原子遷入由基板或薄膜表面原子形成的勢能“地圖地圖”中中: diffusion, hopping10擴(kuò)散距離擴(kuò)散距離E

4、s Ed, Ec: 僅為部分鍵斷裂僅為部分鍵斷裂分子跳躍幾率分子跳躍幾率: (n n0s 1013.1016Hz: 跳躍頻率跳躍頻率)擴(kuò)散：擴(kuò)散：random walk, 無定向，前后跳躍可能性一樣。無定向，前后跳躍可能性一樣。擴(kuò)散距離擴(kuò)散距離, L L=(r: 跳躍距離的均方根變化, N0: 跳躍次數(shù), a: 晶格常數(shù), t: 擴(kuò)散時間)110expssssEkR Tn00srNaN =akt1213擴(kuò)散分子可能被解吸或埋入擴(kuò)散分子可能被解吸或埋入吸附和埋入的平均時間間隔：吸附和埋入的平均時間間隔： tb=n0/Jin0: 吸附位置密度吸附位置密度 (#/cm2), Ji: 輸入流量輸入流量

5、 (#/cm2s)化學(xué)吸附后解吸化學(xué)吸附后解吸吸附的最大值處擁有較好的薄膜吸附的最大值處擁有較好的薄膜質(zhì)量（更光滑，缺陷更少，更均勻）質(zhì)量（更光滑，缺陷更少，更均勻）140s0bin(t )=aexpJ2ssvERTL0sd0c(t )=aexp2cssvEEvRTL（成核過程是在相變自由能的推動下自發(fā)進(jìn)行的。成核過程是在相變自由能的推動下自發(fā)進(jìn)行的。直接從過飽和氣相中凝結(jié)出球形新相核心，不考慮直接從過飽和氣相中凝結(jié)出球形新相核心，不考慮基片界面的影響。基片界面的影響。過程自由能變化為：過程自由能變化為：2V34G4/3rrGGGsurfacebulkVG/2*r臨界核心半徑：臨界核心半徑：臨

6、界自由能：臨界自由能：2V3G3/16*Gp6.3.1 自發(fā)成核自發(fā)成核)1ln(lnGVSkTPPvkT表面能表面能156.3 薄膜成核理論薄膜成核理論自發(fā)成核自由能隨蒸汽壓的變化自發(fā)成核自由能隨蒸汽壓的變化 G 10-18J16 6.3.2 非自發(fā)成核非自發(fā)成核 成核過程是在相變自由能和表面能的推動下進(jìn)行的。在基成核過程是在相變自由能和表面能的推動下進(jìn)行的。在基片表面成核，必須考慮基片表面的影響片表面成核，必須考慮基片表面的影響(臺階、缺陷、污臺階、缺陷、污染染)。cosfis表面能，表面能， /s /s: : 增加單位面積所需能量，增加單位面積所需能量，JmJm-2 -2 S: 基板自由

7、表面基板自由表面 f: 薄膜自由表面薄膜自由表面 i: 基板基板/薄膜界面薄膜界面17layer-by-layer growth (Frank-van der Merwe)island growth (Volmer- Weber)表面能最小化表面能最小化: 島的低指數(shù)晶面島的低指數(shù)晶面few ML layer-by-layer, then crossover to island growth這些參數(shù)的大小決定了成核的類型這些參數(shù)的大小決定了成核的類型(假設(shè)成核過程不受動力學(xué)限制，可以達(dá)到平衡態(tài)假設(shè)成核過程不受動力學(xué)限制，可以達(dá)到平衡態(tài))18 3D- 成核成核 (島狀島狀) 一般應(yīng)避免一般應(yīng)避免

8、改善方法改善方法: 改變一個或多個改變一個或多個 以使以使 i f s - i 擁有同樣鍵合類型的較低擁有同樣鍵合類型的較低 - i 化學(xué)反應(yīng)活性高的較低化學(xué)反應(yīng)活性高的較低Au on glass 3D- nucleationCr on glass 2D- nucleation O-Si Si-Cr/O-Cr bondingsAu on Cr 2D- nucleation, strong metallic bonding-Au / Cr / glass layer-by-layer, wetting Cr 作為中間的作為中間的粘結(jié)粘結(jié) 層層; 3-10nm 就足夠就足夠Ti: 也是很好的鍵合材

9、料也是很好的鍵合材料19避免島狀生長的其他方法避免島狀生長的其他方法:1. 離子束輻照基板表面離子束輻照基板表面(打斷鍵合，提高反應(yīng)活性，摧毀小島，例如打斷鍵合，提高反應(yīng)活性，摧毀小島，例如 打破平打破平衡衡-離子輻照非常有效離子輻照非常有效)2. 使用表面改性劑使用表面改性劑降低降低 f 而非而非 S (玻璃上的水玻璃上的水: 水滴水滴-玻璃上的肥皂水玻璃上的肥皂水: 水膜水膜)20+ifS+ifS過程自由能變化過程自由能變化V31GraGbulkf23s22i22rararaGsurfacesurfacebulkGGG)1ln(lnGVSkTPPvkT)cos1 (2sin3/ )cosc

10、os32(32231aaa21221322327)(4*GVsifGaaaaVsifGaaaar12233)(2*臨界核心半徑：臨界核心半徑：臨界自由能：臨界自由能： G223321623coscosG*34fVG（） = 0: G(r*) = 0 理想浸潤，層狀生長模式，無成核勢壘理想浸潤，層狀生長模式，無成核勢壘即使即使p 0): 原子蒸發(fā)原子蒸發(fā) 凹面凹面 (r 無缺陷無缺陷 比基板純度更高比基板純度更高 薄膜層可不受基板影響，獨(dú)立摻雜薄膜層可不受基板影響，獨(dú)立摻雜37- - 異質(zhì)外延：薄膜與基板材料不同。異質(zhì)外延：薄膜與基板材料不同。Si on Insulation (SOI) : 3

11、-D IC 選擇性取向生長選擇性取向生長& 層狀生長層狀生長多層異質(zhì)結(jié)化合物：超晶格，量子阱多層異質(zhì)結(jié)化合物：超晶格，量子阱GaAs/AlGaAsGaAs/AlGaAsInGaAs/GaAsInGaAs/GaAsdislocationdislocation3839 2. 2. 外延薄膜的結(jié)構(gòu)外延薄膜的結(jié)構(gòu) 單晶表面單晶表面某一方向上的周期性缺失會導(dǎo)致表面電學(xué)性能的改變，生成某一方向上的周期性缺失會導(dǎo)致表面電學(xué)性能的改變，生成懸鍵從而增加化學(xué)反應(yīng)活性。懸鍵從而增加化學(xué)反應(yīng)活性。40弛豫弛豫重構(gòu)重構(gòu)重構(gòu)重構(gòu)Si(III) Si(III)-7 7STMLEED, RHEED41STM image o

12、f Si(111)-7 7Courtesy of J.Ha, ETRI 表面晶體結(jié)構(gòu)表面晶體結(jié)構(gòu) 3D : 14 布拉維格子布拉維格子 2D : 5 布拉維格子布拉維格子42外延薄膜中的晶格失配和缺陷外延薄膜中的晶格失配和缺陷)()()(000fafasaf: a0 : 無應(yīng)力時的晶格常數(shù)無應(yīng)力時的晶格常數(shù)f0 薄膜受到拉伸（張應(yīng)力）薄膜受到拉伸（張應(yīng)力）f0 薄膜受到壓縮（壓應(yīng)力）薄膜受到壓縮（壓應(yīng)力）43晶格失配度（晶格失配度（f）是表征外延生長的重要參數(shù)）是表征外延生長的重要參數(shù)在在 Fe-GaAs 系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，001方向晶格失配度為方向晶格失配度為0138. 0866. 22866. 22653. 5)(2)(2)(000FeaFeaGaAsaf1.38 % 壓應(yīng)力壓應(yīng)力準(zhǔn)外延生長（準(zhǔn)外延生長（ 9 % ）: 非常薄的薄膜產(chǎn)生彈性非常薄的薄膜產(chǎn)生彈性應(yīng)變，從而擁有和基板相同的原子間距。應(yīng)變，從而擁有和基板相同的原子間距。 相相容性容性44臨界層厚度臨界層厚度: dc 隨薄膜厚度增長，總彈性應(yīng)變能增加并超過晶格失配的隨薄膜厚度增長，總彈性應(yīng)變能增加并超過晶格失配的能量。能量。 超過超過dc, 就會產(chǎn)生位錯就會產(chǎn)生