薄膜材料物理--第一章薄膜的形成演示课件

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,1924年,弗仑凯尔(Frenkel)提出成核理论原子模型 物理模型：,成核速率临界核密度每个核的捕获范围吸附 原子向临界核的总速度 由统计理论，临界核密度:,两种成核理论的对比： 微滴理论（毛细作用理论）热力学凝结论，适用于描述大的临界核，可用热力学参数. 原子理论统计物理学原子成核与生长模型，适用于描述小的临界核.,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：,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

2、.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。,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。,沟道阶段 圆形的

3、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。,连续薄膜 小岛结合，岛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

4、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。 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

5、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。 当晶格常数相差百分比(af- as)/ af2% 畸变区零点几nm.,当晶格常数相差百分比(af- as)/ af4% 畸变区几十nm.,当晶格常数相差百分比(af- as)/af12% 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。,1.6.3 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

6、 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， 往往会出现这种多孔大内表面的薄膜，因为剩余气压过高而使蒸气原子先在气相中凝结成膜中尘粒，聚集松散。,在基片温度较低的情况下，特别易于出现这种 结构，这是因为入射原子在基片上难以运动和重排。 低温低真空薄膜多孔结构,1.7 薄膜中的缺陷 薄膜初始阶段，很小的小岛是完美的单晶。 小岛长大彼此接触

7、晶界、晶格缺陷进入薄膜中 单晶薄膜缺陷：缺陷堆、孪晶界 多晶薄膜缺陷：晶界面积多,1.7.1 位错 蒸发镀膜位错缺陷。缺陷密度1014-1015/m2。 面心立方金属薄膜中位错，在这种薄膜的生长过程中，形成位错的机理有：,当两个小岛的晶格彼此略为相对转向时，这两个岛结合以后形成位错构成的次晶界。 基片与薄膜的晶格参数不同，两岛间将有不匹配的位移。,成膜初期，薄膜中常有孔洞，膜内应力能在孔洞边缘位错； 在基片表面终止的位错能再向薄膜中延伸； 当含缺陷堆的小岛结合时，在连续薄膜中必须有部分位错连接这些缺陷堆。用电镜发现绝大多数位错是在沟道(网状)和孔洞阶段产生的。,1.7.2 小缺陷 小缺陷：在淀积薄膜中常观察到的位错环、堆缺陷、四面体和三角缺陷。位错环长10-30nm，环密度约1020/m2 蒸发薄膜中，可形成大量空位，因为： 一个入射原子进入薄膜晶格时的等效温度比基片温度高得多； 金属薄膜迅速凝结而成，淀积的原子层还未能与基片达到热平衡，即被新层所覆盖许多空位陷入膜中。,用电镜可以观察膜中的点缺陷。