薄膜材料物理課件

薄膜的力學(xué)性質(zhì)

薄膜的主要力學(xué)性能：附著性質(zhì)—由薄膜成長(zhǎng)的初始階段內(nèi)應(yīng)力機(jī)械性能§1.2

薄膜的附著性質(zhì)（重要）理論上—需對(duì)結(jié)合界的瞭解。使用上—決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性?，F(xiàn)無(wú)統(tǒng)一的測(cè)量薄膜附著性能的準(zhǔn)確測(cè)量技術(shù).

薄膜的附著性能直接與附著的類型、附著力的性質(zhì)、工藝、測(cè)量方法有關(guān)。2.1.1

薄膜的附著類型

①簡(jiǎn)單附著—分明的分界面

②擴(kuò)散附著

③通過(guò)中間層附著

④通過(guò)宏觀效應(yīng)附著

①簡(jiǎn)單附著：薄膜和基片間形成一個(gè)很清楚的分界面，其附著能Wfs=Ef+Es-EfsEf—薄膜的表面能

Es—基片的表面能

Efs—薄膜與基片之間的介面能兩個(gè)相似或相容的表面接觸

Efs↓Wfs↑

兩個(gè)完全不相似或不相容的表面接觸

Efs↑Wfs↓

表面污染：

1.333×10-3Pa下→1秒後→表面會(huì)污染一層單分子層。

簡(jiǎn)單物理附著—薄膜與基片間的結(jié)合力—範(fàn)德華力②擴(kuò)散附著—由兩個(gè)固體間相互擴(kuò)散或溶解而導(dǎo)致在薄膜和基片間形成一個(gè)漸變介面。實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散方法：基片加熱法、離子注入法、離子轟擊法、電場(chǎng)吸引法。基片加熱法：加溫曲線（工藝）離子轟擊法：先在基片上澱積一層薄20-30nm）金屬膜，再用高能（100KeV）氬離子對(duì)它進(jìn)行轟擊實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散再鍍膜電場(chǎng)吸引法：在基片背面鍍上導(dǎo)體加電壓吸離子濺射鍍膜比蒸發(fā)鍍膜附著牢，因?yàn)闉R射粒子動(dòng)能大擴(kuò)散。③中間層附著—在薄膜與基片之間形成一個(gè)化合物而附著，該化合物多為薄膜材料與基片材料之間的化合物。方法：在基片上鍍一層薄金屬層（Ti、Mo、Ta、

Cr等）.然後，在其上再鍍需要的薄膜，薄金屬奪取基片中氧中間層表面摻雜。④通過(guò)宏觀效應(yīng)機(jī)械鎖合雙電層吸引功函數(shù)不同→電荷累積→吸引2.1.1附著力的性能（性質(zhì)）

三種附著力：範(fàn)德華力、化學(xué)鍵力、靜電力（機(jī)械鎖合）

(氫鍵）①範(fàn)德華力（鍵能0.04-0.4eV）

色散力—原子繞核運(yùn)動(dòng)中→瞬間偶極→相互作用定向力—永久偶極矩之間的相互作用誘導(dǎo)力—永久偶極矩的誘導(dǎo)作用→產(chǎn)生的力與靜電力相比範(fàn)德華力是短程力；與化學(xué)鍵力相比，範(fàn)德華力是長(zhǎng)程力。③氫鍵（鍵能≈0.1eV）—離子性的靜電吸引不普遍，僅在電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間。②化學(xué)鍵力（鍵能0.4-10eV）共價(jià)鍵離子鍵金屬鍵價(jià)電子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，短程力，不是普遍存在。④靜電力—薄膜和基體兩種材料的功函數(shù)不同，接觸後發(fā)生電子轉(zhuǎn)移→介面兩邊積累正負(fù)電荷→靜電吸引2.1.3

影響附著力的工藝因素

包括材料性質(zhì)、基片表面狀態(tài)、基片溫度、澱積方式、澱積速率、澱積氣氛等。①基片材料的性質(zhì)對(duì)附著力影響很大微晶玻璃上澱積鋁膜→氧化鋁與玻璃中矽氧→

化學(xué)鍵→附著力強(qiáng)。鉑、鎳、鈦等金屬基片上澱積金膜→金屬鍵

→附著力強(qiáng)選基片能與薄膜形成化學(xué)鍵→附著力強(qiáng)②基片的表面狀態(tài)對(duì)附著力影響也很大基片清洗→去掉污染層（吸附層使基片表面的化學(xué)鍵飽和，從而薄膜的附著力差）→提高附著性能。③提高溫度,有利於薄膜和基片之間原子的相互擴(kuò)散

→擴(kuò)散附著有利於加速化學(xué)反應(yīng)形成中間層

→中間層附著須注意：T↑→薄膜晶粒大→熱應(yīng)力↑→其他性能變④澱積方式：濺射強(qiáng)於蒸發(fā)，電壓（濺射）高

→附著好

∵濺射粒子動(dòng)能大，轟擊表面清洗且使表面活化

→附著強(qiáng)電鍍膜的附著性能差(∵有一定數(shù)量的微孔）附著性能差⑤澱積速率↑→殘留氧分子膜中→中間層少

→附著力下降

→薄膜結(jié)構(gòu)疏鬆

→內(nèi)應(yīng)力大⑥澱積氣氛對(duì)薄膜附著力的影響澱積初期→氧和水蒸氣分壓→氧化膜中間層→附著↑§2.2

附著力的測(cè)試方法機(jī)械方法數(shù)種如下：條帶法（剝離法）、引拉法（直接法）、劃痕法、推倒法、摩擦法、扭曲法、離心法、超聲法、振動(dòng)法等。2.2.1

條帶法三種可能：

①薄膜隨附著帶全部從基片上剝離下來(lái)；

②僅部分剝離下來(lái)；

③未剝離→說(shuō)明薄膜附著好→定性測(cè)量2.2.2引拉法（定量測(cè)量）用拉力機(jī)或離心、超聲振動(dòng)儀給樣品加上垂直拉力；單位面積的附著力fb=Fb/A2.2.3劃痕法用尖端圓滑鋼針劃過(guò)薄膜表面，尖端半徑約為0.05nm。臨界負(fù)荷—薄膜刻劃下來(lái)時(shí)。作用薄膜附著力的一種量度。用光學(xué)顯微鏡觀察和分析劃痕，必須確定臨界負(fù)荷。薄膜的臨界負(fù)荷一般為幾-幾百克。單位面積臨界剪切力為：?jiǎn)挝幻娣e的剝離能:2.2.4摩擦法用標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)荷橡皮（含有金剛砂）擦用已知高度點(diǎn)矢落下的磨粒（如SiC細(xì)砂）擦§2.3薄膜的內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力定義：薄膜內(nèi)部單位截面上所承受的力，稱為內(nèi)應(yīng)力。在內(nèi)部自己產(chǎn)生的應(yīng)力。張應(yīng)力過(guò)大→薄膜開(kāi)裂、基片翹曲。壓應(yīng)力過(guò)大→薄膜起皺或脫落。

+在張應(yīng)力作用下，薄膜自身有其收縮的趨勢(shì)→

過(guò)大→薄膜開(kāi)裂。

-在壓應(yīng)力作用下，薄膜內(nèi)部有向表面擴(kuò)散的趨勢(shì)

→過(guò)大→脫落。薄膜內(nèi)應(yīng)力的來(lái)源尚未形成定論。

2.3.1內(nèi)應(yīng)力的類別與起源按起源分：熱應(yīng)力—薄膜和基片的熱脹係數(shù)不同而引起的。本征應(yīng)力--來(lái)自於薄膜的結(jié)構(gòu)因素和缺陷。按應(yīng)力性質(zhì)分：張應(yīng)力、壓應(yīng)力

由於薄膜中的內(nèi)應(yīng)力分佈是不均勻的，即薄膜內(nèi)各個(gè)分層的應(yīng)力大小不同→兩種內(nèi)應(yīng)力：按應(yīng)力起源分類：熱應(yīng)力、本征應(yīng)力

薄膜的力學(xué)性質(zhì)(續(xù))

§2.4內(nèi)應(yīng)力的測(cè)試方法1、懸臂梁法測(cè)量時(shí)常用基片—雲(yún)母片、玻璃片尺寸：15×2×0.05~65×10×0.15mm3測(cè)量方法：目鏡直視法、各種光學(xué)法、電感法、電容法、機(jī)電法等，其中電容法的靈敏度最高。薄膜內(nèi)應(yīng)力：2、彎盤法採(cǎi)用圓形基片，分別測(cè)量出在澱積薄膜前後的基片的曲率半徑R1和R2，則薄膜單位寬度的應(yīng)力為：基片：玻璃、石英、單晶矽尺寸：0.13×Ф18-0.22×Ф30，光學(xué)拋光測(cè)量方法：牛頓環(huán)法(常用)、x射線衍射法、光纖法等。3、x射線衍射法測(cè)試前，用標(biāo)準(zhǔn)的矽單晶樣品→標(biāo)定裝置誤差。薄膜厚度＞30nm,觀測(cè)衍射峰最大值所對(duì)應(yīng)的布拉格（Bragg）角Θ，並比較薄膜的Θ和塊狀的Θ角。

§2.5薄膜的機(jī)械強(qiáng)度分為抗張強(qiáng)度、耐壓強(qiáng)度（用硬度表示）薄膜常開(kāi)裂→薄膜的斷裂是它的應(yīng)力→應(yīng)變曲線的終點(diǎn)→抗張強(qiáng)度與應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)係緊密。2.5.1薄膜的應(yīng)力—應(yīng)變曲線塊材：先線性彈性階段→非線性彈性階段

→塑性變形薄膜：有可能發(fā)生蠕變，因?yàn)楸∧?nèi)的缺陷較多，受到內(nèi)部彈性能的活化而發(fā)生了一些變化。

→與塊材不同2.5.2薄膜的抗張強(qiáng)度薄膜的斷裂機(jī)理：在薄膜的內(nèi)部局限區(qū)域中發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致在該處變薄，結(jié)果這個(gè)區(qū)域中內(nèi)應(yīng)力增大，出現(xiàn)小的裂紋，最後發(fā)生斷裂。薄膜特點(diǎn)：缺陷較多，表面積與體積之比很大，本身有內(nèi)應(yīng)力。薄膜的屈服強(qiáng)度：薄膜的屈服強(qiáng)度比塊材大，因?yàn)楸∧さ谋砻嫘?yīng)，如薄膜的表面積很大，抑制位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和消除位錯(cuò)源。d↓→強(qiáng)度↑§2.6

機(jī)械強(qiáng)度的試驗(yàn)方法2.6.1引張法採(cǎi)用微張力測(cè)試儀，觀察樣品在較輕負(fù)載下的很小伸長(zhǎng)率。用靈敏的光學(xué)儀器測(cè)量伸長(zhǎng)率（0.5nm）2.6.2膨脹法#樣品制法：

①將待測(cè)薄膜從基片上剝離下來(lái)安裝在銅管上；

②將待測(cè)薄膜澱積在塑膠膜上，然後溶去塑膠膜；

③在NaCl基片（100）面上沉積薄膜（如金膜），然後在薄膜品質(zhì)最佳處，用噴水法對(duì)基片進(jìn)行鑽孔，直到在孔底只剩下薄膜位置。#用干涉圖像法測(cè)量膨脹面曲率半徑在起始態(tài)和膨脹態(tài)的變化，從而求出薄膜所受的應(yīng)力與應(yīng)變分別為：2.6.3

離心法該法可測(cè)量薄膜的附著力和抗張強(qiáng)度，但不能測(cè)量應(yīng)力-應(yīng)變曲線。轉(zhuǎn)子由磁力懸浮在真空中，外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，並測(cè)定其甩掉薄膜時(shí)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)數(shù)n）對(duì)於轉(zhuǎn)子單位長(zhǎng)度上薄膜受的離心力：

薄膜的形成

§1.3

成核理論

包括：微滴理論——熱力學(xué)方法

原子理論——統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方法

2、原子理論

當(dāng)原子數(shù)>100個(gè)以上的微滴，其表面能和自由能可以用塊狀材料的相應(yīng)數(shù)值。當(dāng)小於100個(gè)以下，甚至幾個(gè)原子的微滴時(shí)，需用原子理論。1924年,弗侖凱爾(Frenkel)提出成核理論原子模型物理模型：臨界核最小穩(wěn)定核結(jié)合能4-7個(gè)原子團(tuán)4-7個(gè)原子團(tuán)臨界核和最小穩(wěn)定核隨基片溫度的變化。T1T2T3T(111)//基片表面(100)//基片表面4-7個(gè)原子團(tuán)E2E3=2E2E4=4E2~5E2E4=6E2E5=8E2當(dāng)基片表面吸附弱而三個(gè)原子團(tuán)被吸附的不牢時(shí)，動(dòng)態(tài)平衡卻有利於四原子結(jié)構(gòu)→(100)//基片表面結(jié)論：當(dāng)原子團(tuán)達(dá)到四原子以後，其結(jié)構(gòu)有兩種：平面結(jié)構(gòu)、角錐結(jié)構(gòu)。

E2>EP時(shí)→形成三角錐結(jié)構(gòu)

2E2>EP時(shí)→可能形成四角錐結(jié)構(gòu)

E2<EP時(shí)→形成平面結(jié)構(gòu)對(duì)於在金屬基片上沉積金屬，一般其臨界核的體積大約為7個(gè)原子（不超過(guò)）。

成核速率∝臨界核密度×每個(gè)核的捕獲範(fàn)圍×吸附原子向臨界核的總速度※由統(tǒng)計(jì)理論，臨界核密度:兩種成核理論的對(duì)比：微滴理論（毛細(xì)作用理論）—熱力學(xué)—凝結(jié)論，適用於描述大的臨界核，可用熱力學(xué)參數(shù).原子理論—統(tǒng)計(jì)物理學(xué)—原子成核與生長(zhǎng)模型，適用於描述小的臨界核.§1.4凝結(jié)係數(shù)凝結(jié)：吸附原子結(jié)合成對(duì)及其以後的過(guò)程.凝結(jié)係數(shù)：§1.5

薄膜的形成薄膜的形成順序：薄膜的形成過(guò)程分四個(gè)階段：小島成核，結(jié)合，溝道，連續(xù)薄膜①小島階段—成核和核長(zhǎng)大

透射電鏡觀察：大小一致(2-3nm)的核突然出現(xiàn).平行基片平面的兩維大於垂直方向的第三維。

說(shuō)明：核生長(zhǎng)以吸附單體在基片表面的擴(kuò)散，不是由於氣相原子的直接接觸。小島成核核長(zhǎng)大結(jié)合孔洞連續(xù)膜溝道②結(jié)合階段兩個(gè)圓形核結(jié)合時(shí)間小於0.1s,並且結(jié)合後增大了高度，減少了在基片所占的總面積。而新出現(xiàn)的基片面積上會(huì)發(fā)生二次成核，複結(jié)合後的複合島若有足夠時(shí)間，可形成晶體形狀，多為六角形。核結(jié)合時(shí)的傳質(zhì)機(jī)理是體擴(kuò)散和表面擴(kuò)散（以表面擴(kuò)散為主）以便表面能降低。

核結(jié)合時(shí)的傳質(zhì)機(jī)理是體擴(kuò)散和表面擴(kuò)散（以表面擴(kuò)散為主）以便表面能降低。在結(jié)合之初，為了降低表面能，新島的面積減少，高度增加。根據(jù)基片、小島的表面能和介面能，小島將有一個(gè)最低能量溝形，該形狀具有一定的高經(jīng)比。③溝道階段圓形的島在進(jìn)一步結(jié)合處，才繼續(xù)發(fā)生大的變形→島被拉長(zhǎng)，從而連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜，在這種結(jié)構(gòu)中遍佈不規(guī)則的窄長(zhǎng)溝道，其寬度約為5-20nm，溝道內(nèi)發(fā)生三次成核，其結(jié)合效應(yīng)是消除表面曲率區(qū)，以使生成的總表面能為最小。④連續(xù)薄膜小島結(jié)合，島的取向會(huì)發(fā)生顯著的變化，並有些再結(jié)晶的現(xiàn)象。溝道內(nèi)二次或三次成核並結(jié)合，以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)→連續(xù)薄膜§1.6

薄膜的結(jié)構(gòu)

組織結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)—薄膜中微晶的晶型1.6.1

組織結(jié)構(gòu)※無(wú)定形結(jié)構(gòu)—無(wú)序結(jié)構(gòu)，近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序。類無(wú)定形結(jié)構(gòu)—極其微小的(<2nm)晶粒且無(wú)規(guī)則排列。高熔點(diǎn)金屬薄膜、高熔點(diǎn)非金屬化合物薄膜、碳矽鍺的某些化合物薄膜，以及兩不相容材料的共沉薄膜。※多晶結(jié)構(gòu)—無(wú)規(guī)取向的微晶組成，晶粒10-100nm

低熔點(diǎn)金屬薄膜?！w維結(jié)構(gòu)—晶粒有擇優(yōu)取向的薄膜。單重纖維結(jié)構(gòu)—各微晶只在一個(gè)方向擇優(yōu)取向。雙重纖維結(jié)構(gòu)—各微晶在兩個(gè)方向擇優(yōu)取向。各種壓電微晶薄膜。

纖維結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可以在成核階段，生長(zhǎng)階段,也可以在退火過(guò)程中?！鶈尉ЫY(jié)構(gòu)—多在外延中形成。外延膜，各種半導(dǎo)體外延膜。在一定條件下，薄膜的組織結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，如：從無(wú)序到多晶態(tài)。伴隨著組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，薄膜的性能有顯著變化。1.6.2

晶體結(jié)構(gòu)大多數(shù)情況下，薄膜中微晶的晶體結(jié)構(gòu)與塊材的相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸可能不同於塊材。晶格不匹配：薄膜材料的晶格常數(shù)與基片的不匹配。

薄膜中有較大的內(nèi)應(yīng)力和表面張力。在介面處，晶格發(fā)生畸變，以便於與基片相配合。af—薄膜原材料的晶格常數(shù)；

as—基片原材料的晶格常數(shù)。當(dāng)晶格常數(shù)相差百分比(af-as)/af≈2%→畸變區(qū)零點(diǎn)幾nm.當(dāng)晶格常數(shù)相差百分比(af-as)/af≈4%→畸變區(qū)幾十nm.

當(dāng)晶格常數(shù)相差百分比(af-as)/af>>12%→靠晶格畸變已經(jīng)達(dá)不到匹配，只能靠棱位錯(cuò)來(lái)調(diào)節(jié)。表面張力可使晶格常數(shù)發(fā)生變化。半球形晶粒r1.6.3

表面結(jié)構(gòu)薄膜應(yīng)保持盡可能小的表面積（→理想平面）

→使總能量最低。實(shí)際上，由於入射原子的無(wú)規(guī)性→薄膜表面有一定粗糙度。入射原子衝擊基片後，在其表面做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

→表面遷移，這在某種程度上，薄膜表面的穀或峰削平，表面積減小，表面能降低。同時(shí)，低能晶面（低指數(shù)面）有力發(fā)展，從而各晶面發(fā)展不一

→導(dǎo)致薄膜表面的粗糙度增大（高溫常有）實(shí)驗(yàn)表明：入射原子表面運(yùn)動(dòng)能力很小時(shí)

→薄膜表面積最大。

d↑(用吸附CO、H2可測(cè)出表面積)時(shí)，表面積隨膜厚成線性增大，表示薄膜是多孔結(jié)構(gòu)（有較大的內(nèi)表面）。在低真空下澱積薄膜，往往會(huì)出現(xiàn)這種多孔大內(nèi)表面的薄膜，因?yàn)槭ｐN氣壓過(guò)高而使蒸氣原子先在氣相中凝結(jié)成膜中塵粒，聚集鬆散。

在基片溫度較低的情況下，特別易於出現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槿肷湓釉诨想y以運(yùn)動(dòng)和重排。

∴低溫低真空→薄膜多孔結(jié)構(gòu)§1.7

薄膜中的缺陷薄膜初始階段，很小的小島是完美的單晶。小島長(zhǎng)大→彼此接觸→晶界、晶格缺陷→進(jìn)入薄膜中單晶薄膜缺陷：缺陷堆、孿晶界多晶薄膜缺陷：晶介面積多1.7.1

位錯(cuò)蒸發(fā)鍍膜→位錯(cuò)缺陷。缺陷密度1014-1015/m2。面心立方金屬薄膜中位錯(cuò)，在這種薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中，形成位錯(cuò)的機(jī)理有：①當(dāng)兩個(gè)小島的晶格彼此略為相對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)，這兩個(gè)島結(jié)合以後形成位錯(cuò)構(gòu)成的次晶界。

②基片與薄膜的晶格參數(shù)不同，兩島間將有不匹配的位移。③成膜初期，薄膜中常有孔洞，膜內(nèi)應(yīng)力能在孔洞邊緣→位錯(cuò)；

④在基片表面終止的位錯(cuò)能再向薄膜中延伸；

⑤當(dāng)含缺陷堆的小島結(jié)合時(shí)，在連續(xù)薄膜中必須有部分位錯(cuò)連接這些缺陷堆。用電鏡→發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)位錯(cuò)是在溝道(網(wǎng)狀)和孔洞階段產(chǎn)生的。1.7.2

小缺陷小缺陷：在澱積薄膜中常觀察到的位錯(cuò)環(huán)、堆缺陷、四面體和三角缺陷。位錯(cuò)環(huán)長(zhǎng)10-30nm，環(huán)密度約1020/m2蒸發(fā)薄膜中，可形成大量空位，因?yàn)椋?/p>

①一個(gè)入射原子進(jìn)入薄膜晶格時(shí)的等效溫度比基片溫度高得多；

②金屬薄膜迅速凝結(jié)而成，澱積的原子層還未能與基片達(dá)到熱平衡，即被新層所覆蓋→許多空位陷入膜中。用電鏡可以觀察膜中的點(diǎn)缺陷。未溶解的位錯(cuò)環(huán)、空位聚集體、雜質(zhì)原子聚集體，T↑→點(diǎn)缺陷的移動(dòng)能力大→空位和間隙原子移到膜表面失T↓→點(diǎn)缺陷的移動(dòng)能力小→點(diǎn)缺陷聚集而成的疵點(diǎn)。1.7.3

晶界薄膜中的晶粒非常?。?xì)小），所以晶介面積較大。晶粒尺寸依從於澱積條件和退火溫度。

機(jī)械方法（塗上）薄膜材料製備物理方法（物理氣相沉積PVD）化學(xué)方法（化學(xué)氣相沉積CVD）

薄膜的形成

本章主講物理氣相沉積（PVD）:磁控濺射、熱蒸發(fā)、二級(jí)濺射等。氣相吸附相固相

單個(gè)原子吸附在基體上，由幾個(gè)被吸附的單個(gè)原子相互結(jié)合形成小原子團(tuán)（凝結(jié)相），小原子團(tuán)長(zhǎng)大，晶核，晶核繼續(xù)長(zhǎng)大，形成不連續(xù)薄膜，形成連續(xù)薄膜。範(fàn)德華力為主§1.1單體的吸附①概念：一個(gè)自由原子進(jìn)入基體的作用力場(chǎng)以後，到達(dá)基體表面被物理吸附，其吸附能（根據(jù)固體理論）：本征吸附能：第一個(gè)原子層與基體表面間的結(jié)合能。內(nèi)聚能:吸附層數(shù)增多,相鄰兩層間的結(jié)合能→汽化潛熱。物理吸附範(fàn)德華力作用範(fàn)圍大(0.4nm)

化學(xué)吸附化學(xué)鍵力作用距離小(0.1~0.3nm)化學(xué)吸附本質(zhì)：吸附原子與基體表面原子之間發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移→成共有→形成化學(xué)鍵→鍵能5eV以上。單層吸附：先是物理吸附，後化學(xué)吸附（可能）多層吸附：下為化學(xué)吸附，上為物理吸附。物理吸附：低溫吸附，高溫解吸附?；瘜W(xué)吸附：常溫下很難解吸附，高溫提供能解吸附所需的活化能。②定量描述（吸附）

氣相中一個(gè)原子的動(dòng)能：基體中一個(gè)原子的動(dòng)能（熱平衡）：一般：若碰撞，入射原子能快速交出多餘能量，則易被吸附，引入適應(yīng)係數(shù)③吸附原子在基片上的狀態(tài)重蒸發(fā)基片表面上遷移形成原子對(duì)或原子團(tuán)重蒸發(fā)：在基片表面上的遷移速率n0為單位面積上的吸咐點(diǎn)數(shù)形成原子對(duì)1、初始凝結(jié)

S∑＜1重新蒸發(fā)掉，不凝結(jié)

1＜S∑＜2部分凝結(jié)，部分再蒸發(fā)

S∑＞2完全凝結(jié)

§1.2小原子團(tuán)的吸附小原子團(tuán)的形成初始凝結(jié)小原子團(tuán)的變化速率臨界核

成膜初始階段，各種大小不一的小原子團(tuán)邊形成、邊分解、又生長(zhǎng)、又蒸發(fā)動(dòng)態(tài)平衡。

因?yàn)槊總€(gè)吸附原子的捕獲面積內(nèi)，至少都有兩個(gè)吸附原子。因此，所有的吸附原子都能結(jié)合成對(duì)成為更大的原子團(tuán)，從而達(dá)到完全凝結(jié)。

∴制膜工藝條件：2、小原子團(tuán)的變化速率各種大小不等的原子團(tuán)處?kù)秳?dòng)態(tài)平衡，各種原子團(tuán)的數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定值，所以：要形成薄膜，需有特殊的小原子團(tuán)產(chǎn)生,其特殊性：它不分解出單原子或雙原子等，是穩(wěn)定的。穩(wěn)定核（大小不一）最小穩(wěn)定核即各原子團(tuán)數(shù)量的變化率等於零，產(chǎn)生率=消失率當(dāng)R=0不形成薄膜3、臨界核定義薄膜材料與基片種類決定最小穩(wěn)定核=臨界核一般認(rèn)為：玻璃上澱積金屬最小穩(wěn)定核≈3~10個(gè)原子比最小穩(wěn)定核少一個(gè)原子§1.3

成核理論包括：微滴理論——熱力學(xué)方法

原子理論——統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方法

1、微滴理論:氣相→

吸附相→固相形成薄膜，視原子團(tuán)微小的凝聚滴.

成核過(guò)程定性分析:①隨小原子團(tuán)增大,表面能增大,體系自由能增加?G個(gè)；

②到臨界核時(shí)，自由能增加到最大值?Gmax；

③原子團(tuán)再增大，?G↓→穩(wěn)定核

設(shè)基片表面有一個(gè)微滴如圖，由熱力學(xué)理論，形成這個(gè)微滴時(shí)，總自由能的變化為：

?G=a3r3gv+a1r2σ0+a2r2σ1-a2r2σ2

式中:gv-微滴單位體積所引起的自由能變（J/m3），其值為負(fù)。σ0、σ1、σ2是圖中所示表面的表面能，形成表面所要外力做功，∴G↑定量分析：①臨界核a3r3體積σ0a1r2面積a2r2面積σ1σ2基片*r可見(jiàn)臨界核最不穩(wěn)定，只有r>r*→?G↓→才穩(wěn)定②成核速率在單位面積，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的穩(wěn)