第二講薄膜材料物理第一章薄膜的形成ppt課件

1、第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第二講第二講1.3 成核理論成核理論 包括：包括： 微滴理論微滴理論熱力學方法熱力學方法 原子理論原子理論統(tǒng)計物理學方法統(tǒng)計物理學方法 2 2、原子理論、原子理論 當原子數(shù)當原子數(shù)100100個以上的微滴，其表面能和自由能可個以上的微滴，其表面能和自由能可以用塊狀材料的相應數(shù)值。當小于以用塊狀材料的相應數(shù)值。當小于100100個以下，甚至幾個以下，甚至幾個原子的微滴時，需用原子理論。個原子的微滴時，需用原子理論。第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成19241924年年, ,弗侖凱爾弗侖凱爾(Frenke

2、l)(Frenkel)提出成核理論原子模型提出成核理論原子模型 物理模型：物理模型： 臨界核臨界核最小穩(wěn)定核最小穩(wěn)定核結(jié)合能結(jié)合能4-74-7個個原子團原子團4-74-7個個原子團原子團臨界核和最小臨界核和最小穩(wěn)定核隨基片穩(wěn)定核隨基片溫度的變化。溫度的變化。T1T1T2T2T3T3T T(111)/基片表面基片表面(100)/基片表面基片表面4-74-7個個原子團原子團E2E3= 2E2E4= 4E25E2E4= 6E2E5= 8E2當基片表面吸附弱而三個當基片表面吸附弱而三個原子團被吸附的不牢時，原子團被吸附的不牢時，動態(tài)平衡卻有利于四原子動態(tài)平衡卻有利于四原子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(100)/基片表面基

3、片表面第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成結(jié)論：當原子團達到四原子以后，其結(jié)構(gòu)有兩種：結(jié)論：當原子團達到四原子以后，其結(jié)構(gòu)有兩種： 平面結(jié)構(gòu)、角錐結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)、角錐結(jié)構(gòu)。 E2EPE2EP時時形成三角錐結(jié)構(gòu)形成三角錐結(jié)構(gòu) 2E2EP2E2EP時時可能形成四角錐結(jié)構(gòu)可能形成四角錐結(jié)構(gòu) E2EPE2EP時時形成平面結(jié)構(gòu)形成平面結(jié)構(gòu) 對于在金屬基片上沉積金屬，一般其臨界核的體積對于在金屬基片上沉積金屬，一般其臨界核的體積大約為大約為7 7個原子不超過）。個原子不超過）。第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成 成核速率成核速率臨界核密度臨界核密度每個核的捕獲范圍每個核的捕獲范圍吸附

4、吸附 原子向臨界核的總速度原子向臨界核的總速度由統(tǒng)計理論，臨界核密度由統(tǒng)計理論，臨界核密度: 10100111101000exp/i0exp/exp/基基片片單單位位面面積積上上的的吸吸附附點點數(shù)數(shù) 基基片片單單位位面面積積上上吸吸附附的的單單原原子子密密度度臨臨界界核核的的結(jié)結(jié)合合能能 -臨 -臨界界核核中中的的原原子子數(shù)數(shù)目目 不不計計入入吸吸附附能能的的單單原原子子位位能能. .令令，則則：（）iiiiiiiiiinnnEiEkTnnnEEnnEnnEiEkTnEkTnn 第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成110010A()exp()/;1 exp/PPXPPvn va RE

5、EkTvnRREkTv 每每個個核核的的捕捕獲獲范范圍圍= =所所有有吸吸附附原原子子向向臨臨界界核核的的總總速速度度V V= =（）ii10Pi0000ii0000I=AVIAVR =n () exp(iE /kT)exp(E /kT)A()exp()/v n(i1)ER An () exp()v niiPPXPPXnnvRaEEkTvEERakT 所所以以成成核核速速率率第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成211P2h00,T .R TEEklv nII 1 1應應用用： 改改變變基基片片溫溫度度，可可使使臨臨界界核核從從一一種種原原子子團團過過渡渡到到另另一一種種原原子子團團.

6、 .因因為為在在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變溫溫度度時時，兩兩種種臨臨界界核核長長成成為為穩(wěn)穩(wěn)定定的的速速率率是是相相等等的的. .例例如如：單單原原子子核核雙雙原原子子核核求求出出轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變溫溫度度（+ +）/ / （）兩種成核理論的對比：兩種成核理論的對比：微滴理論毛細作用理論）微滴理論毛細作用理論）熱力學熱力學凝結(jié)論，適凝結(jié)論，適用于描述大的臨界核，可用熱力學參數(shù)用于描述大的臨界核，可用熱力學參數(shù). .原子理論原子理論統(tǒng)計物理學統(tǒng)計物理學原子成核與生長模型，適原子成核與生長模型，適用于描述小的臨界核用于描述小的臨界核. .第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成1.4 1.4 凝結(jié)系數(shù)凝結(jié)系數(shù)凝結(jié)：吸附

7、原子結(jié)合成對及其以后的過程凝結(jié)：吸附原子結(jié)合成對及其以后的過程. .凝結(jié)系數(shù)：凝結(jié)系數(shù)： 凝凝結(jié)結(jié)速速率率凝凝結(jié)結(jié)在在基基片片上上的的材材料料量量淀淀積積速速率率淀淀積積的的材材料料量量a0ap1px00a0a011S=mn1mvvexp( E/)exp(/)vn1S1S=mnmnPkTEkT 、核核的的飽飽和和密密度度 初初始始：每每個個穩(wěn)穩(wěn)定定核核（原原子子對對）的的捕捕獲獲面面積積為為：（） 是是每每個個吸吸附附原原子子遷遷移移接接觸觸到到的的吸吸附附點點（并并成成核核） 基基片片單單位位面面積積上上的的吸吸附附點點數(shù)數(shù) （） 第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成a10a210

8、mnSnnm S1S1n.n 若若有有 個個穩(wěn)穩(wěn)定定核核，其其捕捕獲獲面面積積為為：顯顯然然，單單位位面面積積上上非非捕捕獲獲區(qū)區(qū)為為： 2a20a0010a0 Smnn AV 1nnmn n01n0nn nnexp ()/mTn初初始始不不完完全全凝凝結(jié)結(jié)區(qū)區(qū)域域：在在內(nèi)內(nèi)，成成穩(wěn)穩(wěn)定定核核的的成成核核速速率率為為： 當當穩(wěn)穩(wěn)定定核核密密度度達達到到飽飽和和值值時時， 由 由此此可可見見，PPXdISdddvEEkTv 第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成P00 1 Texp(/)Sn, n, n, 物物理理解解釋釋：即即在在初初始始完完全全不不凝凝結(jié)結(jié)的的情情況況下下，基基片片溫

9、溫度度升升高高時時，成成核核數(shù)數(shù)增增加加. . 而 而在在初初始始完完全全凝凝結(jié)結(jié)的的情情況況下下，基基片片溫溫度度升升高高時時， 成 成核核數(shù)數(shù)減減小?。ǖ€(wěn)穩(wěn)定定核核線線度度變變大大）. . 證 證明明如如下下： PccEkTvmnR a1P120aPapm exp(/), vmm吸吸附附原原子子遷遷移移速速度度 = = cPxccccmvvEkTmnmR 第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成121/21/20000pa0ap1/20ap1/2011/201nn n(/m )(/(m /)(m /) (/)exp(/2) n(/)exp(/2) Tn Tn lgn初初始始不不完

10、完全全凝凝物物理理解解釋釋：核核的的捕捕獲獲面面積積線線度度當當cPxPxn Rn Rn RmnRvn R vEkTn R vEkTv 0100a020algnT2/kln, Tmnnn1n1,ntnnIt n=n1exp,t.n結(jié)結(jié)初初始始完完全全凝凝結(jié)結(jié)此此為為初初始始部部分分凝凝結(jié)結(jié)向向初初始始完完全全凝凝結(jié)結(jié)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變溫溫度度. . 對 對于于初初始始部部分分凝凝結(jié)結(jié)，在在非非捕捕獲獲區(qū)區(qū)內(nèi)內(nèi)，成成核核的的速速率率為為： 即即 時時刻刻的的穩(wěn)穩(wěn)定定核核數(shù)數(shù)PPxn vEERdISIIdm 第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成1.5 薄膜的形成薄膜的形成薄膜的形成順序：薄膜的

11、形成順序： （在在新新面面積積處處）穩(wěn)穩(wěn)定定核核（在在捕捕獲獲區(qū)區(qū)）單單體體的的吸吸附附形形成成小小原原子子團團臨臨界界核核臨臨界界核核（在在非非捕捕獲獲區(qū)區(qū)）大大島島大大島島連連合合溝溝道道薄薄膜膜小小島島 二二次次成成核核二二、三三次次成成核核二二、三三次次成成核核 連連續(xù)續(xù)薄薄膜膜（在在溝溝道道和和孔孔洞洞處處）三三次次成成核核薄膜的形成過程分四個階段：薄膜的形成過程分四個階段：小島成核，結(jié)合，溝道，連續(xù)薄膜小島成核，結(jié)合，溝道，連續(xù)薄膜第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成小島階段小島階段成核和核長大成核和核長大 透射電鏡觀察：大小一致透射電鏡觀察：大小一致(2-3nm)(2-

12、3nm)的核突的核突 然出現(xiàn)然出現(xiàn). .平行基片平面的兩維大于垂直方向平行基片平面的兩維大于垂直方向 的第三維。的第三維。 闡明：核生長以吸附單體在基片表面的擴散，闡明：核生長以吸附單體在基片表面的擴散， 不是由于氣相原子的直接接觸。不是由于氣相原子的直接接觸。小島成核小島成核核長大核長大結(jié)合結(jié)合孔洞孔洞連續(xù)膜連續(xù)膜溝道溝道第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成結(jié)合階段結(jié)合階段 兩個圓形核結(jié)合時間小于兩個圓形核結(jié)合時間小于0.1s,0.1s,并且結(jié)合后增大了并且結(jié)合后增大了高度，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)的基片面積上會發(fā)生二次成核，

13、復結(jié)合后的復合島若有足夠面積上會發(fā)生二次成核，復結(jié)合后的復合島若有足夠時間，可形成晶體形狀，多為六角形。核結(jié)合時的傳時間，可形成晶體形狀，多為六角形。核結(jié)合時的傳質(zhì)機理是體擴散和表面擴散以表面擴散為主以便質(zhì)機理是體擴散和表面擴散以表面擴散為主以便表面能降低。表面能降低。 核結(jié)合時的傳質(zhì)機理是體擴散和表面擴散以表核結(jié)合時的傳質(zhì)機理是體擴散和表面擴散以表面擴散為主以便表面能降低。在結(jié)合之初，為了面擴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、小島的表面能和界面能，小島將有一個最低片、小島的表面能和界面能，小島將有

14、一個最低能量溝形，該形狀具有一定的高經(jīng)比。能量溝形，該形狀具有一定的高經(jīng)比。第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成溝道階段溝道階段 圓形的島在進一步結(jié)合處，才繼續(xù)發(fā)生大的變形圓形的島在進一步結(jié)合處，才繼續(xù)發(fā)生大的變形島被拉長，從而連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜，在這種結(jié)島被拉長，從而連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜，在這種結(jié)構(gòu)中遍布不規(guī)則的窄長溝道，其寬度約為構(gòu)中遍布不規(guī)則的窄長溝道，其寬度約為5-20nm5-20nm，溝，溝道內(nèi)發(fā)生三次成核，其結(jié)合效應是消除表面曲率區(qū)，道內(nèi)發(fā)生三次成核，其結(jié)合效應是消除表面曲率區(qū)，以使生成的總表面能為最小。以使生成的總表面能為最小。 連續(xù)薄膜連續(xù)薄膜 小島結(jié)合，島的取向會

15、發(fā)生顯著的變化，并有些小島結(jié)合，島的取向會發(fā)生顯著的變化，并有些再結(jié)晶的現(xiàn)象。溝道內(nèi)二次或三次成核并結(jié)合，以及再結(jié)晶的現(xiàn)象。溝道內(nèi)二次或三次成核并結(jié)合，以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生長網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生長連續(xù)薄膜連續(xù)薄膜第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成1.6 薄膜的結(jié)構(gòu)薄膜的結(jié)構(gòu) 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)薄膜中微晶的晶型薄膜中微晶的晶型1.6.1 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)無定形結(jié)構(gòu)無定形結(jié)構(gòu)無序結(jié)構(gòu)，近程有序，無序結(jié)構(gòu)，近程有序， 遠程無序。遠程無序。 類無定形結(jié)構(gòu)類無定形結(jié)構(gòu)極其微小的極其微小的(12%(af- as)/af12% 靠晶格畸變已經(jīng)達不到匹配，只能靠靠晶格畸變已經(jīng)達不到匹配，只能靠 棱

16、位錯來調(diào)節(jié)。棱位錯來調(diào)節(jié)。表面張力可使晶格常數(shù)發(fā)生變化。表面張力可使晶格常數(shù)發(fā)生變化。半球形晶粒半球形晶粒r第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成1.6.3 表面結(jié)構(gòu)表面結(jié)構(gòu)薄膜應保持盡可能小的表面積（薄膜應保持盡可能小的表面積（理想平面）理想平面） 使總能量最低。實際上，由于入射原子的無規(guī)性使總能量最低。實際上，由于入射原子的無規(guī)性薄膜表面有一定粗糙度。薄膜表面有一定粗糙度。 入射原子沖擊基片后，在其表面做擴散運動入射原子沖擊基片后，在其表面做擴散運動 表面遷移，這在某種程度上，薄膜表面的谷或峰表面遷移，這在某種程度上，薄膜表面的谷或峰 削平，表面積減小，表面能降低。同時，低能晶削平

17、，表面積減小，表面能降低。同時，低能晶 面低指數(shù)面有力發(fā)展，從而各晶面發(fā)展不一面低指數(shù)面有力發(fā)展，從而各晶面發(fā)展不一 導致薄膜表面的粗糙度增大高溫常有）導致薄膜表面的粗糙度增大高溫常有）第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成實驗表明：入射原子表面運動能力很小時實驗表明：入射原子表面運動能力很小時 薄膜表面積最大。薄膜表面積最大。 d(d(用吸附用吸附COCO、H2H2可測出表面積可測出表面積) )時，表面積時，表面積隨膜厚成線性增大，表示薄膜是多孔結(jié)構(gòu)有較隨膜厚成線性增大，表示薄膜是多孔結(jié)構(gòu)有較大的內(nèi)表面）。大的內(nèi)表面）。 在低真空下淀積薄膜，在低真空下淀積薄膜， 往往會出現(xiàn)這種多孔往

18、往會出現(xiàn)這種多孔大內(nèi)表面的薄膜，因為剩余氣壓過高而使蒸氣原大內(nèi)表面的薄膜，因為剩余氣壓過高而使蒸氣原子先在氣相中凝結(jié)成膜中塵粒，聚集松散。子先在氣相中凝結(jié)成膜中塵粒，聚集松散。 在基片溫度較低的情況下，特別易于出現(xiàn)這種在基片溫度較低的情況下，特別易于出現(xiàn)這種構(gòu)造，這是因為入射原子在基片上難以運動和重排。構(gòu)造，這是因為入射原子在基片上難以運動和重排。 低溫低真空低溫低真空薄膜多孔結(jié)構(gòu)薄膜多孔結(jié)構(gòu)第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成1.7 薄膜中的缺陷薄膜中的缺陷薄膜初始階段，很小的小島是完美的單晶。薄膜初始階段，很小的小島是完美的單晶。 小島長大小島長大彼此接觸彼此接觸晶界、晶格缺陷晶

19、界、晶格缺陷進入薄進入薄膜中膜中單晶薄膜缺陷：缺陷堆、孿晶界單晶薄膜缺陷：缺陷堆、孿晶界 多晶薄膜缺陷：晶界面積多多晶薄膜缺陷：晶界面積多1.7.1 位錯位錯 蒸發(fā)鍍膜蒸發(fā)鍍膜位錯缺陷。缺陷密度位錯缺陷。缺陷密度1014-1015/m2。面心立方金屬薄膜中位錯，在這種薄膜的生長過程面心立方金屬薄膜中位錯，在這種薄膜的生長過程中，形成位錯的機理有：中，形成位錯的機理有：第二講第二講 第一章薄膜的形成第一章薄膜的形成 當兩個小島的晶格彼此略為相對轉(zhuǎn)向時，這兩當兩個小島的晶格彼此略為相對轉(zhuǎn)向時，這兩個島結(jié)合以后形成位錯構(gòu)成的次晶界。個島結(jié)合以后形成位錯構(gòu)成的次晶界。 基片與薄膜的晶格參數(shù)不同，兩島間將有不匹基片與薄膜的晶格參數(shù)不同，兩島間將有不匹配的位移。配的位移。 成膜初期，薄膜中常有孔洞，膜內(nèi)應力能在孔成膜初期，薄膜中常有孔洞，膜內(nèi)應力能在孔洞邊緣洞邊緣位錯；位錯； 在基片表面終止的位錯能再向薄膜中延伸；在基片表面終止的位錯能再向薄膜中延伸； 當含缺陷堆的小島結(jié)合時，在連續(xù)薄膜中必須當含缺陷堆的小島結(jié)合時，在連續(xù)薄膜中必須有部分位錯連接這些缺陷堆。用電鏡