第4章薄膜的形核与生长

1、Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-1-薄膜材料与技术Thin Film Materials & Technologies武涛 副教授2012年 秋季学期Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-2-薄膜的沉积形成过程可分为两个不同阶段： 与整体材料相变过程类似！一、实验现象：（以 Ag

2、在 NaCl (111) 晶面上的蒸发沉积为例，所有照片均为电镜原位观察获得）二、基本规律： 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； 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”；4 薄膜的形核与生长4.1 薄膜生长的过程与模式4.1.1 初期成膜过程的实验现象后期生长新相形核Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-3-二、基

3、本规律： 这些液珠一样的小岛不断接受新的沉积原子，并与其它小岛合并而逐渐长大，岛的数目很快达到饱和； 在小岛合并不断进行的同时，空出来的基片表面又会形成新的小岛； 小岛的形成与合并不断进行，尺寸较大的岛不断吞并附近尺寸较小的岛； 孤立小岛随着“吞噬”的进行相互连接成片，最后只留下一些孤立的孔洞和沟道，这些孔洞和沟道又不断被 填充，形成形貌连续、覆盖完整的初期薄膜。注意：小岛的合并过程一般要进行到薄膜厚度达到数十纳米时才会结束，随后开始最终的薄膜生长过程。4 薄膜的形核与生长4.1 薄膜生长的过程与模式4.1.1 初期成膜过程的实验现象Thin Film Materials & Tech

4、nologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-4-一、生长模式的划分：如右图所示，可分为：二、主要控制因素及规律：1、主要控制因素： 晶格错配度 |as- af |/as ：薄膜与基片材料的晶格错配度越小，则 |as- af |/as 越趋近于 0； 膜基湿润性 (s- f )/s ：湿润性好 基材表面能s 薄膜表面能f 形成新相表面可 系统界面能； 湿润性差 s Pe 或 J Jv 时 Gv 0 时，Gv 0，新相才具有自发形核的驱动力； 而 Sg 0 时，新相不可能形核！4 薄膜的形核与生长4.2 薄膜形核

5、理论简介4.2.1 气固相变的自发形核理论）（14 43423rGrSGVGvv)24( lnlnvevJJkTPPkTG3)-(4 1lnln 1geveeegSkTPPkTGPPPPPSThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-8-二、自发形核的热力学分析 ：3、形核势垒及临界核心半径 ： 对式 (4-1) 中的 G 求极值，可得：此处：r* 临界核心半径； G* 形核势垒。 如右图曲线 2 和 曲线 1的比较所示：气相过饱和度 Sg (曲线2

6、) 需克服的形核势垒 G* ； 如右图曲线 2 和 曲线 1的比较所示：气相过饱和度 Sg 新相的临界核心半径 r*； 新相尺寸 r r*时，新相核心长大 系统自由能 倾向于继续长大 (稳定化)！4 薄膜的形核与生长4.2 薄膜形核理论简介4.2.1 气固相变的自发形核理论 6)-(4 )1ln( 3163165)-(4 ) 1ln(22 084)(22323*2*gvgvvrrSkTGGSkTGrrGrdrGdThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technolo

7、gy-9-二、自发形核的热力学分析 ：4、临界核心的面密度：r 原子间距3）沉积物质原子的直径为 a0，且表面已吸附原子只能通过高度为 a0 的环状面积进入核心；4）核心尺寸很小，既可能吸收外来原子而长大，也可能失去已拥有的原子而消失。5）新相 (薄膜) 基片 气相 三者界面上不但作用着 “气相凝聚相”间的表面张力 vf ，还存在 “气相基片”间 表面张力 sv 和 “新相基片”间表面张力 fs ，且三个表面张力处于平衡状态；6）球冠状核心最外侧边缘处切向与膜基界面间的夹角为 。2、形核自由能及表面张力作用分析： 形成这样一个原子团时，系统的自由能变化可写作： 式中：Gv 单位体积相变能 (形

8、核驱动力)； 表面张力 (下标 v、s、f 分别表示气相、基片和薄膜)； a1、a2、a3 与核心形状相关的几何常数。4 薄膜的形核与生长4.2 薄膜形核理论简介4.2.2 薄膜的非自发形核理论11)-(4 )(23231raarGaGvfsvfsvThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-13-一、非自发形核的热力学分析：2、形核自由能及表面张力作用分析： 核心为图示球冠状时，成立：说明： a1 实际上就是核心体积与边长为 r 的立方体体积之比；

9、 a2、a3 实际上分别是球冠底面和顶面的面积与边长为 r 的正方形面积之比； 球冠底面实际上就是表面张力sv 和 fs 的作用面积、而其顶面则是 vf 的作用面积； 0 时，完全湿润：a1、a2、a3 均0 新相核心体积0 几乎不需要形核过程 层状生长模式！ 180o时，完全不湿润：a14/3、a20、a34 球状自发形核情形、sv 和 fs 不起作用！三个表面张力之间的平衡关系满足：也可知： 取决于表面张力的相互平衡关系，可表征湿润性： 膜基浸润性 0时，成立：sv Re 时，Gv 0 固相凝结开始具有热力学驱动力。 4 薄膜的形核与生长4.2 薄膜形核理论简介4.2.2 薄膜的非自发形核

10、理论21)-(4 exp*kTGEEAndtdNsd22)-(4 lnlnlnevevRRkTJJkTPPkTGThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-19-三、沉积速率 (R) 和基片温度 (T) 对形核过程的影响：2、沉积速率 R 的影响： 在 Gv 0 的前提下，可由式 (4-5) 和式 (4-22) 得到： 同理，可由式 (4-6) 和式 (4-22)得到：1）沉积速率 R时，临界核心的半径 r* 和形核势垒 G* 都； 2）结果：提高沉

11、积速率 可获得高的形核率 细密的薄膜组织！3、沉积温度 T 的影响： 在Gv r2。二、吞并过程的热力学分析 ：1）核心的表面能都满足：2）核心包含的原子个数可写作：3）核心的化学势 ：在核心中增加一个原子所需能量，即： 4）核心的原子活度 (a) 满足： 因此：图示的大小不等两相邻核心间的化学势差满足： 设核心 1 趋于无限大，则 r1、a1a 此处： a 无限大原子团中的原子活度；4 薄膜的形核与生长4.3 连续薄膜的形成4.3.1 奥斯瓦尔德（Ostwald）吞并机制27)-(4 42rGs28)-(4 343rVn29)-(4 2/48/2rrrdrdndrdGdndGss30)-(4

12、 ln0akT0112ln121212rraakT31)-(4 2exp rkTaaThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-22-三、讨论分析 ：1）原子团直径 r 团内原子 a a 平衡蒸气压 Pe 自发蒸发倾向2）大小不同核心相邻时： 小核心内原子活度高 Pe2 蒸发倾向 大核心内原子活度低 Pe1 凝聚倾向3）结果：大核心吸收原子 不断长大， 小核心失去原子 逐渐消失！4）奥斯瓦尔德吞并何时可以终止？ 5）奥斯瓦尔德吞并过程的特征： 6）奥

13、斯瓦尔德吞并机制的驱动力：4 薄膜的形核与生长4.3 连续薄膜的形成4.3.1 奥斯瓦尔德（Ostwald）吞并机制01121212rr31)-(4 2exp rkTaaThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-23-一、过程：两个相互接触核心互相吞并的过程。二、特征：极短时间内，两相邻核心形成接触，随后很快相互吞并。三、驱动力与机制：1、表面原子扩散有 体扩散 和 表面扩散两种机制；2、接触点附近界面能 原子扩散激活能 表面扩散优先进行 表面原子

14、扩散通量 体扩散通量！4.3.3 原子团迁移机制一、实验现象： T 较高时，含有数个数十个原子的凝聚态原子团仍有相当的活动能力，在基片表面以类似液滴的形式迁移运动，并不断碰撞合并。二、驱动力：热激活 迁移激活能 Ec = f (rc) (直径 rc 的函数)三、规律：rc Ec 原子团迁移能力 碰撞几率 合并 形核初期孤立核心逐渐长大，既涉及核心对气相和表面吸附原子的吸纳，也涉及核心间的合并； 核心间的相互吞并，可能有三种机制：奥斯瓦尔德吞并机制、熔结机制、原子团迁移机制； 薄膜形成过程中，很难界定上述三种机制哪种为主，但可以明确的是：在三种机制的联合作用下， 原子团不断完成合并，并逐渐形成连

15、续薄膜。课后作业：图示说明连续薄膜形成时三种可能的核心吞并互连机制及其驱动力的异同。4 薄膜的形核与生长4.3 连续薄膜的形成4.3.2 熔结机制熔结过程的实验现象原子团迁移机制Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-24-一、Thornton的SZM模型：1、气相原子的沉积过程主要包括： 吸附 表面扩散 沉积/脱附 内扩散 (Ts 较高时)2、形成新相薄膜的驱动力： 相变驱动力 Gv 取决于 T： 可用无量纲温度 Ts/Tm 表征： Ts/Tm

16、 T、Ts/Tm1 T 0 粒子能量 Ek 取决于激发方式/气压 P 溅射：P 真空度 碰撞 Ek ； 蒸发：与 P 较高时溅射类似。3、SZM模型 (如右图所示)：基于大量实验， Thornton提出：溅射薄膜的结构取决于 溅射气压 P 和 无量纲温度 Ts/Tm： Ts/Tm 0.5之后：高温热激活型生长 Ek 影响可忽略、Ts/Tm影响显著。4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.1 薄膜的典型组织结构与出现条件Thornton的SZM模型 (Structure Zone model)Thin Film Materials & Technologies薄

17、膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-25-二、低温抑制型生长组织： 基片温度 Ts/Tm 很低、溅射气压 P 较高 P Ek； Ts/Tm T、Ts 扩散能力、r*、n* 直径数十 nm的倒锥状细纤维束状结构； 纤维内部缺陷密度很高，甚至呈非晶态； 纤维 (束) 间结构疏松，有大量 nm尺度孔洞。薄膜强度较低，但金属膜硬度较高 (缺陷数量)达到一定厚度后，细纤维束 倒锥状束， 孔洞尺寸进一步 表面呈现拱形隆起形貌 (纤维束顶部圆钝化！)4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.1 薄膜的典型组织

18、结构与出现条件Thornton的SZM模型 (Structure Zone model)Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-26-二、低温抑制型生长组织：Ts/Tm 仍较低 (0.10.3)、气压 P 较低 介于 I 型和 II 型之间的过渡型生长； Ts/Tm仍较低 r*、n* P Ek 沉积粒子表面扩散能力 规律：P Ek IT 的转变温度 原因：Ek 表面扩散能力 纤维边界致密化 抑制I型、促进 T型组织产生 仍为直径数十 nm的细纤维

19、束状结构； 纤维内部缺陷密度仍然较高； 纤维边界致密化，纤维间孔洞基本消失。薄膜强度较 I型显著表面基本平直、起伏很小。4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.1 薄膜的典型组织结构与出现条件Thornton的SZM模型 (Structure Zone model)Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-27-三、高温热激活型生长组织：Ts/Tm 较高 (0.3-0.5 0.7-0.8) Ts/Tm 较高、热激活作用 E

20、k作用 (可忽略)； T r*、n*有所降低 晶粒粗大化； 表面扩散充分。 各个晶粒分别生长获得均匀柱状晶， 且 Ts/Tm 柱状晶的直径； 柱状晶晶粒内缺陷密度较低； 晶界致密度高。薄膜结晶较完整、强度较高呈现出晶体学平面特征。4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.1 薄膜的典型组织结构与出现条件Thornton的SZM模型 (Structure Zone model)Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-28-三

21、、高温热激活型生长组织：Ts/Tm 很高 (0.7-0.8) 沉积温度很高，Ek 影响可完全忽略； T r*、n* 晶粒更粗大； 表面扩散充分、体扩散活跃、充分再结晶。 经历充分再结晶的粗大等轴晶； 晶内缺陷密度很低。 薄膜结晶非常完整、强度较高。 呈现出粗大的晶体学平面特征。4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.1 薄膜的典型组织结构与出现条件Thornton的SZM模型 (Structure Zone model)Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian Unive

22、rsity of Technology-29-四、关于Thornton SZM模型的讨论：1、 2、类似地，蒸发/离子镀方法沉积的薄膜也可能 获得这 4 种类型的组织，区别在于： 蒸发时 Ek 不易形成 T型 组织； 蒸发获得同类型薄膜组织需更高 Ts ； 离子镀时气相粒子的 Ek 更高 更易形成 T 型组织 T 型区扩大！ 与蒸发/溅射相比，离子镀获得同型薄膜 组织所需的 Ts 更低。3、4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.1 薄膜的典型组织结构与出现条件Thornton的SZM模型 (Structure Zone model)Thin Film Materia

23、ls & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-30-一、纤维状薄膜结构的形成特点及形貌特征：1、形成特点：1）SZM模型：Ts 较低 不同方法制备的薄膜多呈纤维状结构；2）沉积原子在入射到基片表面后，未及发生充分的表面扩散， 就被后续沉积原子不断覆盖；3）“大量晶核竞争生长” + “原子扩散能力有限”共同作用结果。2、形貌特点：1）薄膜由相互平行生长的较致密纤维组织组成，纤维间被相对 较疏松的边界所包围；2）纤维组织边界致密度低，结合强度低，薄弱而易于开裂；3）断面形貌因上一个特点而表

24、现出明显的束状纤维特征；4）纤维生长的方向角 与粒子入射方向角 满足正切关系： 因此成立： (纤维生长角) (沉积粒子入射角)； 纤维截面形状由 4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.2 低温抑制型薄膜的生长形成机制与特点蒸发沉积纯Al膜时纤维生长方向与入射粒子流方向间的关系 (课本 P182 图5.10)tan2tanThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-31-二、沉积堆叠过程的数值模拟结果分析：1） 薄膜致密度，

25、且始终成立 ；2）Ts 薄膜致密度；3）“沉积原子入射方向被屏蔽”+“入射原子扩散能力不足”， 是薄膜中孔洞数量、致密度 的主要原因。4）原子表面扩散能力较低 沉积位置即入射粒子着陆位置；5）入射原子能量较低时，决定薄膜结构的最主要因素是 ；6）入射原子到达基片的统计涨落 + 沉积过程的阴影遮挡效应 使具有纤维状结构的薄膜内部多缺陷、孔洞，表面粗糙化。三、一维统计涨落模型 (课本 P184 图5.12)：设入射原子到达基片表面几率成随机分布，则膜厚的均方差满足：式中：a 每层原子形成的膜厚； 薄膜平均原子层数。 统计性涨落与原子扩散的作用相反： 前者 薄膜粗糙度、后者 薄膜粗糙度 薄膜厚度 薄

26、膜粗糙度。4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.2 低温抑制型薄膜的生长形成机制与特点 = 45o，Ts = 350 K = 45o，Ts = 420 KNi薄膜沉积过程数值模拟结果课本 P183 图5.11NaNThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-32-四、阴影效应的作用：1）对垂直入射粒子的遮档作用 (图1)；2）对倾斜入射粒子的遮挡作用 (图2)； 遮挡作用在沉积粒子具有一定入射角分布时更严重！ 结果：T型组

27、织出现在更高温度！3）入射原子的凝聚系数较低时，部分抵消阴影效应 (图3)： 入射原子迁移 (表面扩散) 后才形成沉积 相当于提高基片温度 有助于消除孔洞4）入射粒子能量较高 (图4)：发射类似再溅射的现象！ 入射粒子自身可迁移 与表面原子碰撞传递动能 造成其它表面原子迁移 相当于提高基片温度 薄膜致密化！5）基片形状复杂度的影响 (图5)： 孔外及孔壁处：可形成沉积的 分布宽 阴影效应严重 获得疏松 I 型结构几率大！ 孔底部：入射粒子流方向集中 更易得到致密 T 型结构 但沉积速率、膜厚 ！4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.2 低温抑制型薄膜的生长形成机制与

28、特点阴影效应的作用机制示意图课本 P185-186 图5.13-5.1412345Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-33-五、关于低温抑制型薄膜生长的小结：1、沉积粒子入射能量、入射角分布 有助于获得 T 型组织 薄膜孔洞率、致密度；2、此类薄膜的内部孔洞一般不可避免 薄膜中有大量空位和孔洞；3、薄膜厚度 薄膜致密度、且趋近于一极限值 (该极限值 df 时成立：式中： 膜、基材料热膨胀系数之差 (f - s)； T 沉积过程温差 (沉积温度

29、-环境温度)； Ef 膜材料的弹性模量； f 膜材料的泊松比。3、讨论： 薄膜与基片材料不同 0； 沉积过程温度变化 T 0。 均不可避免 膜内一定存在热应力！ 由于一般制备薄膜时，沉积温度均高于环境温度 T 0 始终成立； 这就要求 0时，热应力才处于压应力状态 f - s 0 要求薄膜热膨胀系数 基片热膨胀系数！4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.5 薄膜的内应力34)-(4 )(TdTsff35)-(4 1fffTEThin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian Un

30、iversity of Technology-37-三、本征应力in：1、起因：低温薄膜沉积、高能粒子轰击、气体和杂质原子夹杂、较大的温度梯度、大量缺陷和孔洞、 亚稳相和非晶态相的产生等均有可能造成薄膜化学成分、微观结构和缺陷数目及形态发生 显著变化，进而形成体积错配或晶格畸变导致的薄膜内应力。2、化学成分的影响：化学反应进行使异质分子、原子进入或脱离薄膜导致内应力的产生。，如：热氧化制备 TiO2 薄膜：Ti TiO2 异质氧原子进入薄膜！，如：CVD 沉积 Si3N4 薄膜形成中不断有HCl、H2、NH3 逸出！3、微观结构的影响： 沉积初期原子表面扩散不充分，得到低有序度亚稳结构； 沉积

31、完成后，膜内原子还可能通过扩散完成 “亚稳稳态”、“无序松散致密有序” 的回复 相变过程，相变产物体积 形成压应力；体积 形成拉应力。 沉积初期，独立岛状核心间作用力小 核间距较大 应力状态松弛； 随沉积进行，核长大并靠近 表面原子互相吸引产生拉应力； 完全形成连续薄膜时，拉应力达到峰值 此后膜内拉应力再次。薄膜内存在温度梯度 表面温度高、膜内温度低 膜内产生拉应力！薄膜在形成过程中，由于高能粒子轰击等原因，其晶格畸变程度变化 形成内应力！4 薄膜的形核与生长4.4 薄膜结构 (非外延式薄膜生长)4.4.5 薄膜的内应力Thin Film Materials & Technologies薄膜材料与技术材料科学与工程学院 2008西安理工大学Xian University of Technology-38-四、溅射参数对薄膜内应力的影响：如右图所示：1、溅射气压 P 入射粒子能量 Ek 薄膜组织由 I 型 T型 膜内拉应力 + 2、沉积温度 (Ts/Tm) 表面原子扩散能力 + 不易松弛 +3、溅射气压 P 进一步 Ek 膜内孔洞数量 +、 - 膜内出现压应力且不断4、基片负偏压 Us Ek -课后作业：图示说明溅射气体压力、沉积温度及基片负偏压等工艺参数对溅射薄膜