电子科大薄膜物理(赵晓辉)第六章薄膜生长

1、内容内容2成核与生长成核与生长3薄膜生长基本过程薄膜生长基本过程1. physisorption/原子原子/分子的物理吸附分子的物理吸附2. surface diffusion/表面扩散表面扩散3. chemisorption/分子分子-分子、分子分子、分子-基片化学键合基片化学键合4. nucleation/成核成核: 单个原子、分子聚集单个原子、分子聚集5. 微结构形成微结构形成 (无定形无定形-多晶多晶-单晶，缺陷，粗糙度等等单晶，缺陷，粗糙度等等6. 薄膜体内变化薄膜体内变化, 例如扩散，晶粒长大等等。例如扩散，晶粒长大等等。 4薄膜生长模式薄膜生长模式5Particle creati

2、on/粒子形成粒子形成: 已经掌握，已经掌握，对于对于PVD易于控制易于控制Particle transport/粒子输运粒子输运:已经掌握，可以分析和控制已经掌握，可以分析和控制Nucleation & growth/结晶和生长结晶和生长:- 理论上理解理论上理解(传统理论传统理论, 模拟模拟)- 无直接的实验验证无直接的实验验证 ( 无法控制无法控制)- 实验结果表明实验结果表明 reality is more complicated than theory predicted实际参数实际参数:- 粒子能量- 材料流量密度和化学计量- 氧分压- 薄膜温度- 实验参数实验参数:- 气

3、压- 气体混合物- 基板温度- 阴极电势 /激光能量 / 加热器温度-外形- .6低温下薄膜生长过程低温下薄膜生长过程7高温下高温下YBCOYBCO薄膜生长过程薄膜生长过程86.2 6.2 粒子的吸附与扩散粒子的吸附与扩散 化学吸附与物理吸附化学吸附与物理吸附9表面扩散表面扩散对薄膜形成至关重要对薄膜形成至关重要被吸附物形成团簇（均匀成核）被吸附物形成团簇（均匀成核）被吸附物找到非均匀成核位置（台阶等）被吸附物找到非均匀成核位置（台阶等）吸附的原子迁入由基板或薄膜表面原子形成的势能吸附的原子迁入由基板或薄膜表面原子形成的势能“地图地图”中中: diffusion, hopping10扩散距离扩

4、散距离Es Ed, Ec: 仅为部分键断裂仅为部分键断裂分子跳跃几率分子跳跃几率: (n n0s 1013.1016Hz: 跳跃频率跳跃频率)扩散：扩散：random walk, 无定向，前后跳跃可能性一样。无定向，前后跳跃可能性一样。扩散距离扩散距离, L L=(r: 跳跃距离的均方根变化, N0: 跳跃次数, a: 晶格常数, t: 扩散时间)110expssssEkR Tn00srNaN =akt1213扩散分子可能被解吸或埋入扩散分子可能被解吸或埋入吸附和埋入的平均时间间隔：吸附和埋入的平均时间间隔： tb=n0/Jin0: 吸附位置密度吸附位置密度 (#/cm2), Ji: 输入流量

5、输入流量 (#/cm2s)化学吸附后解吸化学吸附后解吸吸附的最大值处拥有较好的薄膜吸附的最大值处拥有较好的薄膜质量（更光滑，缺陷更少，更均匀）质量（更光滑，缺陷更少，更均匀）140s0bin(t )=aexpJ2ssvERTL0sd0c(t )=aexp2cssvEEvRTL（成核过程是在相变自由能的推动下自发进行的。成核过程是在相变自由能的推动下自发进行的。直接从过饱和气相中凝结出球形新相核心，不考虑直接从过饱和气相中凝结出球形新相核心，不考虑基片界面的影响。基片界面的影响。过程自由能变化为：过程自由能变化为：2V34G4/3rrGGGsurfacebulkVG/2*r临界核心半径：临界核心

6、半径：临界自由能：临界自由能：2V3G3/16*Gp6.3.1 自发成核自发成核)1ln(lnGVSkTPPvkT表面能表面能156.3 薄膜成核理论薄膜成核理论自发成核自由能随蒸汽压的变化自发成核自由能随蒸汽压的变化 G 10-18J16 6.3.2 非自发成核非自发成核 成核过程是在相变自由能和表面能的推动下进行的。在基成核过程是在相变自由能和表面能的推动下进行的。在基片表面成核，必须考虑基片表面的影响片表面成核，必须考虑基片表面的影响(台阶、缺陷、污台阶、缺陷、污染染)。cosfis表面能，表面能， /s /s: : 增加单位面积所需能量，增加单位面积所需能量，JmJm-2 -2 S:

7、基板自由表面基板自由表面 f: 薄膜自由表面薄膜自由表面 i: 基板基板/薄膜界面薄膜界面17layer-by-layer growth (Frank-van der Merwe)island growth (Volmer- Weber)表面能最小化表面能最小化: 岛的低指数晶面岛的低指数晶面few ML layer-by-layer, then crossover to island growth这些参数的大小决定了成核的类型这些参数的大小决定了成核的类型(假设成核过程不受动力学限制，可以达到平衡态假设成核过程不受动力学限制，可以达到平衡态)18 3D- 成核成核 (岛状岛状) 一般应避免一

8、般应避免改善方法改善方法: 改变一个或多个改变一个或多个 以使以使 i f s - i 拥有同样键合类型的较低拥有同样键合类型的较低 - i 化学反应活性高的较低化学反应活性高的较低Au on glass 3D- nucleationCr on glass 2D- nucleation O-Si Si-Cr/O-Cr bondingsAu on Cr 2D- nucleation, strong metallic bonding-Au / Cr / glass layer-by-layer, wetting Cr 作为中间的作为中间的粘结粘结 层层; 3-10nm 就足够就足够Ti: 也是很好

9、的键合材料也是很好的键合材料19避免岛状生长的其他方法避免岛状生长的其他方法:1. 离子束辐照基板表面离子束辐照基板表面(打断键合，提高反应活性，摧毁小岛，例如打断键合，提高反应活性，摧毁小岛，例如 打破平打破平衡衡-离子辐照非常有效离子辐照非常有效)2. 使用表面改性剂使用表面改性剂降低降低 f 而非而非 S (玻璃上的水玻璃上的水: 水滴水滴-玻璃上的肥皂水玻璃上的肥皂水: 水膜水膜)20+ifS+ifS过程自由能变化过程自由能变化V31GraGbulkf23s22i22rararaGsurfacesurfacebulkGGG)1ln(lnGVSkTPPvkT)cos1 (2sin3/ )

10、coscos32(32231aaa21221322327)(4*GVsifGaaaaVsifGaaaar12233)(2*临界核心半径：临界核心半径：临界自由能：临界自由能： G223321623coscosG*34fVG（） = 0: G(r*) = 0 理想浸润，层状生长模式，无成核势垒理想浸润，层状生长模式，无成核势垒即使即使p 0): 原子蒸发原子蒸发 凹面凹面 (r 无缺陷无缺陷 比基板纯度更高比基板纯度更高 薄膜层可不受基板影响，独立掺杂薄膜层可不受基板影响，独立掺杂37- - 异质外延：薄膜与基板材料不同。异质外延：薄膜与基板材料不同。Si on Insulation (SOI)

11、 : 3-D IC 选择性取向生长选择性取向生长& 层状生长层状生长多层异质结化合物：超晶格，量子阱多层异质结化合物：超晶格，量子阱GaAs/AlGaAsGaAs/AlGaAsInGaAs/GaAsInGaAs/GaAsdislocationdislocation3839 2. 2. 外延薄膜的结构外延薄膜的结构 单晶表面单晶表面某一方向上的周期性缺失会导致表面电学性能的改变，生成某一方向上的周期性缺失会导致表面电学性能的改变，生成悬键从而增加化学反应活性。悬键从而增加化学反应活性。40弛豫弛豫重构重构重构重构Si(III) Si(III)-7 7STMLEED, RHEED41STM

12、 image of Si(111)-7 7Courtesy of J.Ha, ETRI 表面晶体结构表面晶体结构 3D : 14 布拉维格子布拉维格子 2D : 5 布拉维格子布拉维格子42外延薄膜中的晶格失配和缺陷外延薄膜中的晶格失配和缺陷)()()(000fafasaf: a0 : 无应力时的晶格常数无应力时的晶格常数f0 薄膜受到拉伸（张应力）薄膜受到拉伸（张应力）f0 薄膜受到压缩（压应力）薄膜受到压缩（压应力）43晶格失配度（晶格失配度（f）是表征外延生长的重要参数）是表征外延生长的重要参数在在 Fe-GaAs 系统中，系统中，001方向晶格失配度为方向晶格失配度为0138. 0866. 22866. 22653. 5)(2)(2)(000FeaFeaGaAsaf1.38 % 压应力压应力准外延生长（准外延生长（ 9 % ）: 非常薄的薄膜产生弹性非常薄的薄膜产生弹性应变，从而拥有和基板相同的原子间距。应变，从而拥有和基板相同的原子间距。 相相容性容性44临界层厚度临界层厚度: dc 随薄膜厚度增长，总弹性应变能增加并超过晶格失配的随薄膜厚度增长，总弹性应变能增加并超过晶格失配的能量。能量。 超过超过dc, 就会产生位错就会产生