薄膜材料物理,第一章薄膜的形成

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1、《薄膜材料物理》研究生课程参考教材：薄膜物理，曲喜新编著，上海科学技术出版社1986，上海薄膜物理，薛增泉、吴全德、李洁，电子工业出版社，1991，北京课程主要内容第一章：薄膜的形成第二章：薄膜的力学性质第三章：金属薄膜的电导第四章：薄膜的表面和界面第五章：介质薄膜的电学性质第六章：压电薄膜的电学性质机械方法（涂上）薄膜材料制备物理方法（物理气相沉积PVD）化学方法（化学气相沉积CVD）第一章薄膜的形成第一讲本章主讲物理气相沉积（PVD）:磁控溅射、热蒸发、二级溅射等。气相吸附相固相单个原子吸附在基体上，由几个被吸附的单个原子相互结合形成小原子团（凝结相），小原子团长大，晶核，晶核继续

2、长大，形成不连续薄膜，形成连续薄膜。范德华力为主§1.1单体的吸附①概念：一个自由原子进入基体的作用力场以后，到达基体表面被物理吸附，其吸附能（根据固体理论）：本征吸附能：第一个原子层与基体表面间的结合能。内聚能:吸附层数增多,相邻两层间的结合能→汽化潜热。物理吸附范德华力作用范围大(0.4nm)化学吸附化学键力作用距离小(0.1~0.3nm)化学吸附本质：吸附原子与基体表面原子之间发生了电子转移→成共有→形成化学键→键能5eV以上。单层吸附：先是物理吸附，后化学吸附（可能）多层吸附：下为化学吸附，上为物理吸附。物理吸附：低温吸附，高温解吸附。化学吸附：常温下很难解吸附，高温提供能解吸

3、附所需的活化能。②定量描述（吸附）气相中一个原子的动能：基体中一个原子的动能（热平衡）：一般：若碰撞，入射原子能快速交出多余能量，则易被吸附，引入适应系数③吸附原子在基片上的状态重蒸发基片表面上迁移形成原子对或原子团重蒸发：在基片表面上的迁移速率n0为单位面积上的吸咐点数形成原子对1、初始凝结S∑＜1重新蒸发掉，不凝结1＜S∑＜2部分凝结，部分再蒸发S∑＞2完全凝结§1.2小原子团的吸附小原子团的形成初始凝结小原子团的变化速率临界核成膜初始阶段，各种大小不一的小原子团边形成、边分解、又生长、又蒸发动态平衡。因为每个吸附原子的捕获面积内，至少都有两个吸附原子。因此，所有的吸附原子都能结合

4、成对成为更大的原子团，从而达到完全凝结。∴制膜工艺条件：2、小原子团的变化速率各种大小不等的原子团处于动态平衡，各种原子团的数量达到稳定值，所以：要形成薄膜，需有特殊的小原子团产生,其特殊性：它不分解出单原子或双原子等，是稳定的。稳定核（大小不一）最小稳定核即各原子团数量的变化率等于零，产生率=消失率当R=0不形成薄膜3、临界核定义薄膜材料与基片种类决定最小稳定核=临界核一般认为：玻璃上淀积金属最小稳定核≈3~10个原子比最小稳定核少一个原子§1.3成核理论包括：微滴理论——热力学方法原子理论——统计物理学方法1、微滴理论:气相→吸附相→固相形成薄膜，视原子团微小的凝聚滴.成核过程定性

5、分析:①随小原子团增大,表面能增大,体系自由能增加∆G个；②到临界核时，自由能增加到最大值∆Gmax；③原子团再增大，∆G↓→稳定核设基片表面有一个微滴如图，由热力学理论，形成这个微滴时，总自由能的变化为：∆G=a3r3gv+a1r2σ0+a2r2σ1-a2r2σ2式中:gv-微滴单位体积所引起的自由能变（J/m3），其值为负。σ0、σ1、σ2是图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临界核a3r3体积σ0a1r2面积a2r2面积σ1σ2基片*r可见临界核最不稳定，只有r>r*→∆G↓→才稳定②成核速率在单位面积，单位时间内产生的稳定核数量—临界核长大速率临界核长

6、大,入射原子直接与临界核碰撞相结合(很少）吸附原子做表面迁移→碰撞→结合（为主）临界核长成稳定核的速率决定于：①单位面积上的临界核数—临界核密度②每个临界核的捕获范围③所有吸附原子向临界核运动的总速度①临界核密度n0—单位面积上的吸附点数(1015/cm2)Z—色尔道维持修正因子，Z≈10-2例如，Ag在NaCl上沉积，n*≈1011/cm2②每个临界核的捕获范围为：③每个吸附原子的表面迁移速度：④在基片单位表面上吸附的原子数（原子密度）为：所以成核速率：