薄膜的形成過程及生長方式課件

薄膜的形成過程及生長方式

主講人：張寶賢學(xué)號(hào)：12191082班級(jí)：12級(jí)3班1精品課件目錄5.1薄膜生長過程概述5.2形核階段5.3薄膜生長過程與薄膜結(jié)構(gòu)習(xí)題2精品課件5.1、薄膜生長過程概述薄膜的生長可劃分為兩個(gè)不同階段：新相的形核階段薄膜的生長階段5.1.1形核

形核是薄膜的誕生階段，從本質(zhì)上講是一個(gè)氣－固相變的過程。3精品課件薄膜通常通過材料的氣態(tài)原子凝聚而形成。在薄膜形成的最早階段，原子凝聚是以三維方式開始的，然后通過擴(kuò)散過程核長大形成連續(xù)膜。薄膜新奇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)大部分歸因于生長過程，所以薄膜生長是最為基本的。4精品課件

5.12薄膜的生長模式薄膜的生長模式可以歸納為三種：（1）島狀模式（Volmer-Weber模式）；（2）層狀模式（Frank-vanderMerwe）；（3）層島復(fù)合模式（Stranski-Krastanov）三種模式的示意圖5.25精品課件6精品課件1.島狀模式在絕緣體、鹵化物晶體、石墨、云母等非金屬襯底上沉積金屬大多數(shù)都是這一生長模式。7精品課件2.層狀模式例如，半導(dǎo)體膜的單晶外延生長就是這種模式。8精品課件5.2形核階段新相的形核過程分為兩種類型：即自發(fā)形核和非自發(fā)形核。所謂自發(fā)形核指的是整個(gè)形核過程完全是在相變自由能的推動(dòng)下進(jìn)行的；非自發(fā)形核則指的是除了有相變自由能做推動(dòng)力外，還有其他的因素起著幫助新相核心生成的作用。9精品課件

溫度越高，則需要形成的臨界核心的尺寸越大，形核的臨界自由能勢壘也越高，這與高溫時(shí)沉積的薄膜首先形成粗大的島狀組織相吻合。

低溫時(shí)，臨界形核自由能下降，形成的核心的數(shù)目增加，將有利于形成晶粒細(xì)小而連續(xù)的薄膜組織。10精品課件5.3、薄膜生長過程與薄膜結(jié)構(gòu)薄膜的生長模式可以分為外延式生長和非外延式生長兩種生長模式。

11精品課件5.3.2低溫抑制型薄膜生長在襯底溫度較低的情況下，沉積薄膜呈現(xiàn)一種纖維狀的組織，這是在沉積過程中原子擴(kuò)散能力有限、大量晶核競爭生長的結(jié)果。在薄膜的斷面上，這種纖維狀組織表現(xiàn)的最為明顯，這是因?yàn)槔w維狀組織的晶粒邊界處密度較低，結(jié)合強(qiáng)度較弱，所以是常常發(fā)生斷裂的地方。如圖5.10所示。12精品課件13精品課件纖維狀組織的一個(gè)特點(diǎn)是：纖維的生長方向與粒子的入射方向近似地滿足正切夾角關(guān)系。tanα＝2tanβα，β分別為粒子入射方向和纖維生長方向與襯底法向間的夾角。實(shí)驗(yàn)證明，纖維狀生長與薄膜沉積時(shí)原子入射的方向性有關(guān)。14精品課件由圖中可以看出，隨著溫度的提高，薄膜密度上升。15精品課件低溫抑制型薄膜沉積過程的特點(diǎn)：原子的表面擴(kuò)散能力較低，其沉積的位置就是其入射到薄膜表面時(shí)的位置;決定薄膜組織的唯一因素是原子的入射方向;形成的薄膜充滿了缺陷和孔洞，表面粗糙。16精品課件5.3.3高溫?zé)峒せ钚捅∧どL當(dāng)沉積溫度較高時(shí)，原子擴(kuò)散較為充分，擴(kuò)散就會(huì)影響薄膜的組織結(jié)構(gòu)和形貌。它可以消除孔洞的存在，使薄膜組織狀變?yōu)橹鶢罹螒B(tài)。由于原子的平均擴(kuò)散距離隨著溫度的上升呈指數(shù)形式增加，因此，組織形態(tài)的轉(zhuǎn)變發(fā)生在0.3Tm附近很小的溫度區(qū)域。17精品課件由圖可以看出，隨著襯底溫度的上升，薄膜中的孔洞迅速減少。圖5.17是二維模擬得出的30°角傾斜入射沉積時(shí)，薄膜組織隨沉積溫度的變化情況。18精品課件圖5.18顯示了襯底溫度對薄膜表面形貌的影響19精品課件可以看出，薄膜的表面形貌從低溫的拱形表面形貌變化為由晶體學(xué)平面構(gòu)成的多晶形貌。當(dāng)溫度更高時(shí)，薄膜內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸增加到與薄膜厚度相仿，薄膜的組織變?yōu)樾螒B(tài)3型的等軸晶組織。20精品課件

復(fù)習(xí)題

薄膜的生長模式有幾種？分別以圖示之。

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