薄膜材料物理--薄膜的形成1

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1、第一章薄膜的形成第二讲§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2、原子理论当原子数>100个以上的微滴，其表面能和自由能可以用块状材料的相应数值。当小于100个以下，甚至几个原子的微滴时，需用原子理论。1924年,弗仑凯尔(Frenkel)提出成核理论原子模型物理模型：临界核最小稳定核结合能4-7个原子团4-7个原子团临界核和最小稳定核随基片温度的变化。T1T2T3T(111)//基片表面(100)//基片表面4-7个原子团E2E3=2E2E4=4E2~5E2E4=6E2E5=8E2当基片表面吸附弱而三个

2、原子团被吸附的不牢时，动态平衡却有利于四原子结构→(100)//基片表面结论：当原子团达到四原子以后，其结构有两种：平面结构、角锥结构。E2>EP时→形成三角锥结构2E2>EP时→可能形成四角锥结构E2

3、临界核.§1.4凝结系数凝结：吸附原子结合成对及其以后的过程.凝结系数：§1.5薄膜的形成薄膜的形成顺序：薄膜的形成过程分四个阶段：小岛成核，结合，沟道，连续薄膜①小岛阶段—成核和核长大透射电镜观察：大小一致(2-3nm)的核突然出现.平行基片平面的两维大于垂直方向的第三维。说明：核生长以吸附单体在基片表面的扩散，不是由于气相原子的直接接触。小岛成核核长大结合孔洞连续膜沟道②结合阶段两个圆形核结合时间小于0.1s,并且结合后增大了高度，减少了在基片所占的总面积。而新出现的基片面积上会发生二次成核，复结合后的复合岛若有足够时间，可形成晶

4、体形状，多为六角形。核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。核结合时的传质机理是体扩散和表面扩散（以表面扩散为主）以便表面能降低。在结合之初，为了降低表面能，新岛的面积减少，高度增加。根据基片、小岛的表面能和界面能，小岛将有一个最低能量沟形，该形状具有一定的高经比。③沟道阶段圆形的岛在进一步结合处，才继续发生大的变形→岛被拉长，从而连接成网状结构的薄膜，在这种结构中遍布不规则的窄长沟道，其宽度约为5-20nm，沟道内发生三次成核，其结合效应是消除表面曲率区，以使生成的总表面能为最小。④连续薄膜小岛结合，岛

5、的取向会发生显著的变化，并有些再结晶的现象。沟道内二次或三次成核并结合，以及网状结构生长→连续薄膜§1.6薄膜的结构组织结构晶体结构—薄膜中微晶的晶型1.6.1组织结构※无定形结构—无序结构，近程有序，远程无序。类无定形结构—极其微小的(<2nm)晶粒且无规则排列。高熔点金属薄膜、高熔点非金属化合物薄膜、碳硅锗的某些化合物薄膜，以及两不相容材料的共沉薄膜。※多晶结构—无规取向的微晶组成，晶粒10-100nm低熔点金属薄膜。※纤维结构—晶粒有择优取向的薄膜。单重纤维结构—各微晶只在一个方向择优取向。双重纤维结构—各微晶在两个方向择优取向

6、。各种压电微晶薄膜。纤维结构的出现可以在成核阶段，生长阶段,也可以在退火过程中。※※单晶结构—多在外延中形成。外延膜，各种半导体外延膜。在一定条件下，薄膜的组织结构可能发生变化，如：从无序到多晶态。伴随着组织结构的转变，薄膜的性能有显著变化。1.6.2晶体结构大多数情况下，薄膜中微晶的晶体结构与块材的相同，只是晶粒取向和晶粒尺寸可能不同于块材。晶格不匹配：薄膜材料的晶格常数与基片的不匹配。薄膜中有较大的内应力和表面张力。在界面处，晶格发生畸变，以便于与基片相配合。af—薄膜原材料的晶格常数；as—基片原材料的晶格常数。当晶格常数相差百

7、分比(af-as)/af≈2%→畸变区零点几nm.当晶格常数相差百分比(af-as)/af≈4%→畸变区几十nm.当晶格常数相差百分比(af-as)/af>>12%→靠晶格畸变已经达不到匹配，只能靠棱位错来调节。表面张力可使晶格常数发生变化。半球形晶粒r1.6.3表面结构薄膜应保持尽可能小的表面积（→理想平面）→使总能量最低。实际上，由于入射原子的无规性→薄膜表面有一定粗糙度。入射原子冲击基片后，在其表面做扩散运动→表面迁移，这在某种程度上，薄膜表面的谷或峰削平，表面积减小，表面能降低。同时，低能晶面（低指数面）有力发展，从而各晶面发

8、展不一→导致薄膜表面的粗糙度增大（高温常有）实验表明：入射原子表面运动能力很小时→薄膜表面积最大。d↑(用吸附CO、H2可测出表面积)时，表面积随膜厚成线性增大，表示薄膜是多孔结构（有较大的内表面）。在低真空下淀积薄膜，