薄膜薄膜生长8

1、中南大学物理学院/6412021-12-202021-12-20薄膜的生长过程和薄膜结构薄膜的生长过程和薄膜结构 薄膜生长过程概述薄膜生长过程概述新相的自发形核理论新相的自发形核理论新相的非自发形核理论新相的非自发形核理论连续薄膜的形成连续薄膜的形成薄膜生长过程与薄膜结构薄膜生长过程与薄膜结构非晶薄膜非晶薄膜薄膜织构薄膜织构中南大学物理学院/6422021-12-202021-12-20薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构以及它最终的性能。薄膜的生长过程大致划分为两个阶段：新相形核阶段、薄膜生长阶段。中南大学物理学院/6432021-12-202021-12-20一一. .薄膜的生长过程薄膜的生

2、长过程 在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底表面上，从而开始了形核阶段。聚到衬底表面上，从而开始了形核阶段。 在衬底表面上形成一些均匀、细小而且可以运动的原子在衬底表面上形成一些均匀、细小而且可以运动的原子团，这些原子团称为团，这些原子团称为“岛岛”。小岛不断地接受新的沉积原子，并与其他的小岛合并而小岛不断地接受新的沉积原子，并与其他的小岛合并而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛通过相互合并而扩大（类似液珠一样）而空出的衬小岛通过相互合并而扩大（类似液珠一样）而空出的衬底表面又形成了新

3、的岛。底表面又形成了新的岛。像这样的小岛形成与合并的过程不断进行，直到孤立的像这样的小岛形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛逐渐连接成片，最后只留下一些孤立的孔洞，并逐小岛逐渐连接成片，最后只留下一些孤立的孔洞，并逐渐被后沉积的原子所填充。渐被后沉积的原子所填充。 中南大学物理学院/6442021-12-202021-12-20 凝凝 聚聚 原子团原子团 长大、合并长大、合并 连接成片，连接成片，存在孔洞存在孔洞 形成连续薄膜形成连续薄膜 薄薄膜膜的的生生长长过过程程中南大学物理学院/6452021-12-202021-12-20以 Ag 在 NaCl (111) 晶面上的蒸发沉积为例，所

4、有照片均为电镜原位观察获得n基本规律：n 薄膜形成的最初阶段，一些气态原子/分子开始凝聚到基片表面，开始形核；n 在气态 Ag 原子到达基片表面的最初阶段，先是在基片上附着并凝聚，形成一些n均匀细小、而且可以运动的 原子团，这些原子团被形象地称为“岛”；中南大学物理学院/6462021-12-202021-12-20二二. .薄膜生长阶段的三种模式薄膜生长阶段的三种模式 岛状生长（岛状生长（Volmer-Weber）模式模式层状生长层状生长(Frank-van der Merwe)模式模式 层状层状-岛状岛状(Stranski-Krastanov)生长模式生长模式中南大学物理学院/647202

5、1-12-202021-12-20岛状生长（岛状生长（Volmer-Weber）模式模式 条件：条件：对多数薄膜和衬底来说，只要衬底的温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模式。即使不存在任何对形核有促进作用的有利位置，随着沉积原子的不断增加，衬底上也会聚集起许多薄膜的三维核心。 中南大学物理学院/6482021-12-202021-12-20该生长模式表明：该生长模式表明：被沉积物质原子或分子更倾向于自己相互键合起被沉积物质原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差。底之

6、间的浸润性较差。 典型例子：典型例子：在非金属衬底上沉积金属薄膜在非金属衬底上沉积金属薄膜中南大学物理学院/6492021-12-202021-12-20二二. 层状生长层状生长(Frank-van der Merwe)模式模式条件：条件：当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，薄膜沿衬底表面铺开。模式，薄膜沿衬底表面铺开。只要在随后的过程中，沉积物原子间的键合倾向仍大于形成外表面的只要在随后的过程中，

7、沉积物原子间的键合倾向仍大于形成外表面的倾向，则薄膜生长将一直保持这种层状生长模式。倾向，则薄膜生长将一直保持这种层状生长模式。 中南大学物理学院/64102021-12-202021-12-20特点：特点：每一层原子都自发地平铺于衬底或者薄膜每一层原子都自发地平铺于衬底或者薄膜的表面，降低系统的总能量。的表面，降低系统的总能量。 典型例子：典型例子：沉积沉积ZnSe薄膜时，薄膜时，一种原子会自发地键合到另一种原子会自发地键合到另一种原子所形成的表面上。一种原子所形成的表面上。中南大学物理学院/64112021-12-202021-12-203. 层状层状-岛状岛状(Stranski-Kras

8、tanov)生长模式生长模式在层状在层状岛状生长模式中，在最开始的一两个原子层厚度的层状生岛状生长模式中，在最开始的一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。长之后，生长模式转化为岛状模式。根本原因：根本原因：薄膜生长过程中各种能量的相互消长。薄膜生长过程中各种能量的相互消长。 中南大学物理学院/64122021-12-202021-12-20n三种不同薄膜生长模式的示意图：三种不同薄膜生长模式的示意图：中南大学物理学院/64132021-12-202021-12-20层状层状-岛状生长模式的三种解释：岛状生长模式的三种解释：虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底

9、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间的晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变逐之间的晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜生长到一定厚度之后，生渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。长模式转化为岛状模式。在在Si、GaAs等半导体材料的晶体结构中，每个原子分别在等半导体材料的晶体结构中，每个原子分别在 四个四个方向上与另外四个原子形成共价键。但在方向上与另外四个原子形成共价键。但在Si的（的（111）面上外延）面上外延生长生长GaAs时，由于时，由于As原子自身拥有原子自身拥有5个价电

10、子，它不仅可提供个价电子，它不仅可提供Si晶体表面三个近邻晶体表面三个近邻Si原子所要求的三个键合电子，而且剩余原子所要求的三个键合电子，而且剩余的一对电子使的一对电子使As原子不再倾向与其他原子发生进一步的键合。原子不再倾向与其他原子发生进一步的键合。这时，吸附了这时，吸附了As原子的原子的Si（111）面已经具有了极低的表面能，）面已经具有了极低的表面能，这导致其后这导致其后As、Ga原子的沉积模式转变为三维岛状的生长模式。原子的沉积模式转变为三维岛状的生长模式。中南大学物理学院/64142021-12-202021-12-20在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面在层状外

11、延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能晶面。因此薄膜在生长能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能晶面。因此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式转变为岛状模式转变。到一定厚度之后，生长模式会由层状模式转变为岛状模式转变。总结：总结：在上述各种机制中，开始时的时候层状生长的自由在上述各种机制中，开始时的时候层状生长的自由能较低，但其后岛状生长在能量方面反而变得更加有利。能较低，但其后岛状生长在能量方面反而变得更加有利。 中南大学物理学院/64152021-12-202021-12-20新相的自发形核理论新相的自发形核理论一一. .形核过程的分类：形核

12、过程的分类： 在薄膜沉积过程的最初阶在薄膜沉积过程的最初阶 段，都需要有段，都需要有新核心形成新核心形成。 新相的形核过程新相的形核过程自发形核自发形核非自发形核非自发形核自发形核：自发形核：指的是整个形核过程完全指的是整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的。是在相变自由能的推动下进行的。 发生条件：发生条件：一般只是发生在一些精心控一般只是发生在一些精心控制的环境中。制的环境中。非自发形核过程：非自发形核过程：指的是除了有相指的是除了有相变自由能作推动力之外，还有其它的因变自由能作推动力之外，还有其它的因素起到了帮助新相核心生成的作用。素起到了帮助新相核心生成的作用。 发生条件：发生条

13、件： 在大多数的固体相变过程中。在大多数的固体相变过程中。中南大学物理学院/64162021-12-202021-12-20dtdN*ANdtdN二二. . 自发形核理论自发形核理论 1自发形核过程的自由能变化（自发形核过程的热自发形核过程的自由能变化（自发形核过程的热力学）力学）2.2.新相核心的形成速率（薄膜的形核率）新相核心的形成速率（薄膜的形核率）在新相核心的形成过程中，会同时有许多个核心在形成。在新相核心的形成过程中，会同时有许多个核心在形成。新相核心的形成速率新相核心的形成速率 正比于以下三个因素：正比于以下三个因素：临界半径为临界半径为 时的稳定核心的密度时的稳定核心的密度 。每

14、个临界核心的表面积每个临界核心的表面积 。单位时间内流向新表面积的原子数目单位时间内流向新表面积的原子数目 rN2*4 rA新相核心形成速率可表示为：新相核心形成速率可表示为：中南大学物理学院/64172021-12-202021-12-20临界核心面密度临界核心面密度 的影响因素主要是温度。的影响因素主要是温度。温度增加会提高新相的平衡蒸汽压，并导致温度增加会提高新相的平衡蒸汽压，并导致 增加而增加而形核率减小。形核率减小。温度增加时原子的脱附几率增加。温度增加时原子的脱附几率增加。 一般情况下，温度上升会使一般情况下，温度上升会使 减少，而降低衬底减少，而降低衬底温度一般会获得高的薄膜形核

15、率。温度一般会获得高的薄膜形核率。NGN中南大学物理学院/64182021-12-202021-12-20获得平整、均匀的薄膜的方法：获得平整、均匀的薄膜的方法：理论上：需要提高理论上：需要提高 ，降低，降低 。具体做法：在薄膜的沉积形核阶段大幅度地提高气相的过具体做法：在薄膜的沉积形核阶段大幅度地提高气相的过饱和度，以形成核心细小、致密连续的薄膜。当气相饱饱和度，以形成核心细小、致密连续的薄膜。当气相饱和度提高到一定程度后，临界核心小到了只含有很少几和度提高到一定程度后，临界核心小到了只含有很少几个原子，同时个原子，同时 也会大幅度得降低，这样可以提高薄膜也会大幅度得降低，这样可以提高薄膜的

16、形核率。的形核率。注意：注意：自发形核只发生在精心控制的过程中，大多数情自发形核只发生在精心控制的过程中，大多数情况都属于非自发形核。况都属于非自发形核。NrG中南大学物理学院/64192021-12-202021-12-20新相的非自发形核理论新相的非自发形核理论一一、非自发形核过程的热力学、非自发形核过程的热力学二、薄膜的形核率二、薄膜的形核率三、衬底温度和沉积速率对形核过程的影响三、衬底温度和沉积速率对形核过程的影响中南大学物理学院/64202021-12-202021-12-20一非自发形核过程的热力学一非自发形核过程的热力学 考虑一个原子团在衬底上形成初期的自由能变考虑一个原子团在衬

17、底上形成初期的自由能变化。原子团尺寸很小，对热力学的角度讲还处化。原子团尺寸很小，对热力学的角度讲还处于不稳定状态。于不稳定状态。（1 1）吸收外来原子而长大。）吸收外来原子而长大。（2 2）失去已拥有的原子而消失。）失去已拥有的原子而消失。 中南大学物理学院/64212021-12-202021-12-20在形成这样的一个原子团时的自由能变化为：在形成这样的一个原子团时的自由能变化为：其中，其中， 是单位体积的相变自由能，它是薄膜形核的驱动力；是单位体积的相变自由能，它是薄膜形核的驱动力； 为气相与薄膜之间的界面能；为气相与薄膜之间的界面能； 为薄膜与衬底之间的界面能；为薄膜与衬底之间的界面

18、能； 为衬底与气相之间的界面能。为衬底与气相之间的界面能。 ， ， 是与核心具体形状有关的几何常数。是与核心具体形状有关的几何常数。 32221223VfssvvfGa rGa ra ra rvffssvVG1a2a3a中南大学物理学院/64222021-12-202021-12-20核心形状的稳定性，要求各界面能之间满足条件：核心形状的稳定性，要求各界面能之间满足条件： （能量最低原理）（能量最低原理）即即 只取决于各界面能之间的数量关系。只取决于各界面能之间的数量关系。当当 ，即，即 时，时， 薄膜生长采取岛状生长模式；薄膜生长采取岛状生长模式；当当 ，即，即 时，时， 薄膜生长采取层状生

19、长模式。薄膜生长采取层状生长模式。 cosvffssv00 svfsvf svfsvf n结论：结论：n 接触角越小，即衬底与薄膜的润湿性越好，则非自发接触角越小，即衬底与薄膜的润湿性越好，则非自发形核的能量势垒降低得越多，非自发形核的倾向也越形核的能量势垒降低得越多，非自发形核的倾向也越大。在层状模式时，形核势垒高度等于零。大。在层状模式时，形核势垒高度等于零。 中南大学物理学院/64232021-12-202021-12-20在薄膜沉积的情况下，核心常出现在衬底的某个局部位置上，在薄膜沉积的情况下，核心常出现在衬底的某个局部位置上，如晶体缺陷、原子层形成的台阶、杂质原子处等。这些地方如晶体

20、缺陷、原子层形成的台阶、杂质原子处等。这些地方或可以降低薄膜与衬底间的界面能，或可以降低使原子发生或可以降低薄膜与衬底间的界面能，或可以降低使原子发生键合时所需的激活能。因此，键合时所需的激活能。因此，薄膜形核的过程在很大程度上薄膜形核的过程在很大程度上取决于衬底表面能够提供的形核位置的特性和数量。取决于衬底表面能够提供的形核位置的特性和数量。中南大学物理学院/64242021-12-202021-12-20三衬底温度和沉积速率对形核过程的影响三衬底温度和沉积速率对形核过程的影响 影响薄膜沉积过程和薄膜组织的两个重要因素影响薄膜沉积过程和薄膜组织的两个重要因素 ：薄膜沉积速率薄膜沉积速率R 和

21、和 衬底温度衬底温度T n 随沉积速率随沉积速率R增大，增大， 和和 降低，所以高的沉积降低，所以高的沉积速率将会导致高的形核速率和细密的薄膜组织。速率将会导致高的形核速率和细密的薄膜组织。*r*G随着随着T增加，新相临界核心半径增加，新相临界核心半径 增加，临界核增加，临界核心自由能变化增加，因而新相核心的形成更加困心自由能变化增加，因而新相核心的形成更加困难。难。形成单晶或大晶粒薄膜。形成单晶或大晶粒薄膜。*r中南大学物理学院/64252021-12-202021-12-20因此：因此：1.要想得到粗大，甚至是单晶结要想得到粗大，甚至是单晶结构构 的薄膜，一个必要的条件往往的薄膜，一个必要

22、的条件往往是是 需要适当地提高薄膜沉积的温需要适当地提高薄膜沉积的温度，度， 并降低沉积速率。并降低沉积速率。2.低温沉积和高速沉积往往导致低温沉积和高速沉积往往导致多多1. 晶薄膜的产生。晶薄膜的产生。3.低温时，临界形核自由能下降，形成的核心数目增加，低温时，临界形核自由能下降，形成的核心数目增加，有利于形成晶粒细小而连续的薄膜组织。沉积速率增加有利于形成晶粒细小而连续的薄膜组织。沉积速率增加将致临界核心尺寸减小，临界形核自由能降低，某种程将致临界核心尺寸减小，临界形核自由能降低，某种程度上相当于降低了沉积温度，使得薄膜组织的晶粒发生细度上相当于降低了沉积温度，使得薄膜组织的晶粒发生细化。

23、化。中南大学物理学院/64262021-12-202021-12-20 形核初期形成的孤立核心随着时间的推移形核初期形成的孤立核心随着时间的推移逐渐长大，逐渐长大，这一长大过程有两种方式：这一长大过程有两种方式：吸收单个的气相原子吸收单个的气相原子a.a.核心之间的相互吞并核心之间的相互吞并 连续薄膜的形成：连续薄膜的形成：n三种核心相互吞并过程：三种核心相互吞并过程：n奥斯瓦尔多（奥斯瓦尔多（Ostwald）吞并过程）吞并过程n熔结过程熔结过程 n原子团的迁移原子团的迁移 中南大学物理学院/64272021-12-202021-12-201.1.奥斯瓦尔多（奥斯瓦尔多（Ostwald）吞并过

24、程）吞并过程设想在形核过程中，已形成了各种不同大小的核心。随着时设想在形核过程中，已形成了各种不同大小的核心。随着时间的延长，较大的核心，将吸收较小的核心来获得长大。间的延长，较大的核心，将吸收较小的核心来获得长大。长大的驱动力：岛状结构的薄膜力图降低自身表面自由能的长大的驱动力：岛状结构的薄膜力图降低自身表面自由能的趋势。趋势。 2.熔接过程：在极短的时间内，两个相邻的核心之间形成了熔接过程：在极短的时间内，两个相邻的核心之间形成了直接接触，并很快完成了相互吞并过程。表面自由能的降低直接接触，并很快完成了相互吞并过程。表面自由能的降低趋势仍是整个过程的驱动力。原子的表面扩散较体内扩散机趋势仍

25、是整个过程的驱动力。原子的表面扩散较体内扩散机制对熔结过程的贡献大；制对熔结过程的贡献大； 中南大学物理学院/64282021-12-202021-12-20 3.原子团迁移：在衬底上的原子团还具有相当的活动能力，这些原子团迁移：在衬底上的原子团还具有相当的活动能力，这些岛的迁移是形成连续薄膜的第三种机理。原子团迁移是由热激岛的迁移是形成连续薄膜的第三种机理。原子团迁移是由热激活驱动的；激活能与原子团半径活驱动的；激活能与原子团半径r有关，有关，r越小激活能越低，原越小激活能越低，原子团迁移越容易。子团迁移越容易。 要明显区分上述各种原子团的合并机制在薄膜形成过程中的相要明显区分上述各种原子团

26、的合并机制在薄膜形成过程中的相对重要性比较困难。但在上述机制作用下，原子团之间相互发对重要性比较困难。但在上述机制作用下，原子团之间相互发生合并过程，并逐渐形成了连续的薄膜结构。生合并过程，并逐渐形成了连续的薄膜结构。中南大学物理学院/64292021-12-202021-12-20中南大学物理学院/64302021-12-202021-12-20400下不同时间下不同时间MoS2衬底上衬底上Au核心相互吞并过程的透射电子显微镜照片核心相互吞并过程的透射电子显微镜照片(a) t=0, (b) t=0.06s, (c) t=0.18s, (d) t=0.50s, (e) t=1.06s, (f)

27、 t=6.18s中南大学物理学院/64312021-12-202021-12-201.1.薄膜的四种典型组织形态薄膜的四种典型组织形态a）薄膜沉积过程中原子的运动规律）薄膜沉积过程中原子的运动规律气相原子的沉积或吸附气相原子的沉积或吸附 表面扩散表面扩散 1)体扩散体扩散 中南大学物理学院/64322021-12-202021-12-20在薄膜的沉积过程中：在薄膜的沉积过程中：入射的气相原子首先被衬底或薄膜表面所吸附，入射的气相原子首先被衬底或薄膜表面所吸附，它们将在衬底或薄膜表面进行扩散运动，它们将在衬底或薄膜表面进行扩散运动，大多数的被吸附原子将到达生长中的薄膜表面大多数的被吸附原子将到达

28、生长中的薄膜表面的某些低能位置，的某些低能位置，原子还可能经历一定的体扩散过程。原子还可能经历一定的体扩散过程。若这些原子具有足够的能量若这些原子具有足够的能量除了可能脱附的部分原子之外，除了可能脱附的部分原子之外，当衬底的温度条件许可的话当衬底的温度条件许可的话中南大学物理学院/64332021-12-202021-12-20因此，原子的沉积过程包含了以下三个过程：因此，原子的沉积过程包含了以下三个过程： 气相原子的沉积或吸附气相原子的沉积或吸附表面扩散过程表面扩散过程 体扩散过程体扩散过程 由于这些过程均受到过程的激活能的控制，因此，薄膜由于这些过程均受到过程的激活能的控制，因此，薄膜结构

29、的形成将与结构的形成将与沉积时的衬底相对温度沉积时的衬底相对温度Ts/Tm ( Ts为衬底温度，为衬底温度， Tm为沉积物质的熔点为沉积物质的熔点)以及以及沉积原子自身的沉积原子自身的能量能量密切相关。密切相关。 中南大学物理学院/64342021-12-202021-12-20沉积条件对薄膜组织的影响沉积条件对薄膜组织的影响( (以溅射制膜为例以溅射制膜为例) )。 溅射法制备薄膜的组织形态依沉积条件的不同可有以下溅射法制备薄膜的组织形态依沉积条件的不同可有以下四种形态四种形态 ：形态形态1：呈现细纤维状形态：呈现细纤维状形态形态形态T：介于形态：介于形态1与形态与形态2之间的过渡型组织之间

30、的过渡型组织形态形态2：呈现柱状晶组织：呈现柱状晶组织形态形态3：呈现粗大等轴晶式的晶粒外延组织：呈现粗大等轴晶式的晶粒外延组织中南大学物理学院/64352021-12-202021-12-20这四种形态组织的形成主要受以下两个因素的影响：这四种形态组织的形成主要受以下两个因素的影响：衬底温度：衬底温度：直接影响原子的沉积、吸附、解析与迁直接影响原子的沉积、吸附、解析与迁移。移。溅射气压：溅射气压：气压越高，入射衬底上的粒子受到的碰气压越高，入射衬底上的粒子受到的碰撞越频繁，粒子的能量越低。撞越频繁，粒子的能量越低。 中南大学物理学院/64362021-12-202021-12-20讨论溅射法

31、制备薄膜的四种形态：讨论溅射法制备薄膜的四种形态： Thornton的SZM模型： n形态形态1（细纤维状形态（细纤维状形态 ）n形成原因：形成原因： nT低，气压低，气压P高的条件下，入射高的条件下，入射粒子的能量较低，原子的表面粒子的能量较低，原子的表面扩散能力有限，薄膜的临界核扩散能力有限，薄膜的临界核心尺寸小，在沉积过程中心尺寸小，在沉积过程中会不断地产生新的核心会不断地产生新的核心多个细多个细小核心。小核心。n原子的表面扩散能力和体扩散原子的表面扩散能力和体扩散能力很低，沉积在衬底上的原子立能力很低，沉积在衬底上的原子立即失去扩散能力。即失去扩散能力。 由于沉积阴影效应的影响。由于沉

32、积阴影效应的影响。中南大学物理学院/64372021-12-202021-12-20n特点：特点：n晶粒内缺陷高，晶界处的晶粒内缺陷高，晶界处的组织疏松。组织疏松。n细纤维状组织由孔洞所包细纤维状组织由孔洞所包围，力学性能差。围，力学性能差。n在薄膜较厚时，细纤维状在薄膜较厚时，细纤维状组织进一步发展为组织进一步发展为n锥状形态，表面形态发展锥状形态，表面形态发展为拱形，且锥状为拱形，且锥状n组织间夹杂有较大的空洞。组织间夹杂有较大的空洞。 中南大学物理学院/64382021-12-202021-12-20形态T：过渡型组织临界核心尺寸仍然很小，临界核心尺寸仍然很小，但原子已具有一定的表但原子

33、已具有一定的表面扩散能力。虽然在沉面扩散能力。虽然在沉积的阴影效应的影响下，积的阴影效应的影响下，组织仍保留了细纤维状组织仍保留了细纤维状的特征，但晶粒边界明的特征，但晶粒边界明显地较为致密。机械强显地较为致密。机械强度提高，孔洞和锥状形度提高，孔洞和锥状形态消失。态消失。 中南大学物理学院/64392021-12-202021-12-20形态形态T与形态与形态1的分界明显依赖于气压，即溅射压的分界明显依赖于气压，即溅射压力越低，入射粒子能量越高，两者的分界线向低力越低，入射粒子能量越高，两者的分界线向低温区域移动。温区域移动。结论：结论：入射粒子能量的提高，有抑制形态入射粒子能量的提高，有抑

34、制形态1型组织的出型组织的出现，促进形态现，促进形态T型组织出现的作用。型组织出现的作用。 中南大学物理学院/64402021-12-202021-12-20形态2 柱状晶组织形成原因：形成原因： 当衬底相对温度当衬底相对温度Ts/Tm=0.30.5时，形成柱状晶组织形态时，形成柱状晶组织形态2，它是由它是由“表面扩散过程表面扩散过程”控制的控制的生长组织。此时，原子的体扩散生长组织。此时，原子的体扩散尚不充分，但表面扩散能力已经尚不充分，但表面扩散能力已经很高，可进行相当距离的扩散，很高，可进行相当距离的扩散，因而沉积阴影效应的影响下降，因而沉积阴影效应的影响下降，组织形态为各个晶粒分别外延

35、而组织形态为各个晶粒分别外延而形成的均匀的柱状晶组织形成的均匀的柱状晶组织 。中南大学物理学院/64412021-12-202021-12-20特点：特点：v 晶粒内部缺陷密度低，晶粒边界致密性好，晶粒内部缺陷密度低，晶粒边界致密性好，力学性能好。力学性能好。v 各晶粒表面开始呈现晶体学平面的特有形貌。各晶粒表面开始呈现晶体学平面的特有形貌。中南大学物理学院/64422021-12-202021-12-20形态形态3 3：粗大等轴晶式的晶粒外延组织：粗大等轴晶式的晶粒外延组织 当衬底温度继续升高当衬底温度继续升高（Ts/Tm0.5）时，原子的）时，原子的体扩散开始发挥重要作用，体扩散开始发挥重

36、要作用，晶粒开始迅速长大，甚至晶粒开始迅速长大，甚至超过薄膜厚度。组织是经超过薄膜厚度。组织是经过充分再结晶的过充分再结晶的“粗大等粗大等轴式的晶粒外延组织轴式的晶粒外延组织”。 中南大学物理学院/64432021-12-202021-12-20说明：说明：（1）在形态）在形态2和形态和形态3的情况下，衬底温度已经较高，因而溅射气压或的情况下，衬底温度已经较高，因而溅射气压或入射粒子能量对薄膜组织的影响较小。入射粒子能量对薄膜组织的影响较小。（2）形态）形态1和形态和形态T型生长过程中原子的扩散能力不足，因而这两类生型生长过程中原子的扩散能力不足，因而这两类生长又被称为长又被称为“抑制型生长抑

37、制型生长”。与此对应：形态与此对应：形态2型和形态型和形态3型的生长被称为型的生长被称为“热激活型热激活型”生长。生长。 中南大学物理学院/64442021-12-202021-12-202.2.低温抑制型薄膜生长低温抑制型薄膜生长 在衬底温度较低的情况下，薄膜组织呈现典型的纤维在衬底温度较低的情况下，薄膜组织呈现典型的纤维状生长组织。状生长组织。1 1） 纤维状组织产生的原因：纤维状组织产生的原因： 实际上是原子扩散能力有限，大量晶粒竞争外延生实际上是原子扩散能力有限，大量晶粒竞争外延生长的结果。它是由疏松的晶粒边界包围下的相互平行生长的结果。它是由疏松的晶粒边界包围下的相互平行生长的较为致

38、密的纤维状组织组成的。长的较为致密的纤维状组织组成的。 中南大学物理学院/64452021-12-202021-12-203）沉积薄膜密度变化规律）沉积薄膜密度变化规律 v随着薄膜的增加，薄膜的密度逐渐增加，且趋于随着薄膜的增加，薄膜的密度逐渐增加，且趋于一个极限值。一个极限值。这一极限值一般仍要低于理论密度。这一极限值一般仍要低于理论密度。v金属薄膜的相对密度一般要高于陶瓷等化合物材金属薄膜的相对密度一般要高于陶瓷等化合物材料。料。（原因：陶瓷的原子扩散能力低原因：陶瓷的原子扩散能力低）v薄膜中含有大量的空位和孔洞。薄膜中含有大量的空位和孔洞。 中南大学物理学院/64462021-12-20

39、2021-12-20注意：注意：由以上形态及纤维状生长模型可知：沉积后的薄由以上形态及纤维状生长模型可知：沉积后的薄膜密度总要低于理论密度。膜密度总要低于理论密度。原因：原因：薄膜中不可避免地存在孔洞。薄膜中不可避免地存在孔洞。 中南大学物理学院/64472021-12-202021-12-20非晶薄膜非晶薄膜一一. .非晶态结构的形成条件：非晶态结构的形成条件： 1制备条件制备条件 （1）较高的过冷度。原因：过冷度越大，薄膜的）较高的过冷度。原因：过冷度越大，薄膜的形核率越高，扩散能力越差，原子间形成有序排形核率越高，扩散能力越差，原子间形成有序排列的可能性越小。列的可能性越小。 （2）较低

40、的原子扩散能力。）较低的原子扩散能力。 中南大学物理学院/64482021-12-202021-12-202 2化学成份：化学成份： 除了制备条件之外，形成非晶的能力主要取决于化学组份。除了制备条件之外，形成非晶的能力主要取决于化学组份。 金属元素不容易形成非晶态结构。金属元素不容易形成非晶态结构。原因：金属原子间的健合不存在方向原因：金属原子间的健合不存在方向性要抑制原子间的有序排列，需过冷度太大。性要抑制原子间的有序排列，需过冷度太大。合金或化合物形成非晶结构的倾向明显高于纯组元。合金或化合物形成非晶结构的倾向明显高于纯组元。原因：化合物的结原因：化合物的结构一般较为复杂，组元间在晶体结构、点阵常数、化学性质等方面存在构一般较为复杂，组元间在晶体结构、点阵常数、化学性质等方面存在差别，而不同组元间的相互作用又大大抑制了原子的扩散能力，形成非差别，而不同组元间的相互作用又大大抑制了原子的扩散能力，形成非晶的可能性较大。晶的可能性较大。在纯组元中，在纯组元中，Si,Ge,C,S