薄膜生长机理

薄膜生长机理第1页，共22页，2023年，2月20日，星期四薄膜的形成过程可分为四个主要阶段岛状阶段在透射电子显微镜观察过的薄膜形成过程照片中，能观测到最小核的尺寸约为2～3nm左右。在核进一步长大变成小岛过程中，平行于基体表面方向的生长速度大于垂直方向的生长速度。这是因为核的长大主要是由于基体表面上吸附原子的扩散迁移碰撞结合，而不是入射蒸发气相原子碰撞结合决定的。例如，以MoS2为基片，在400℃下成膜时，Ag或Au膜的起始核密度约为5×1014m-2，最小扩散距离约为50nm。这些不断捕获吸附原子生长的核，逐渐从球帽形、圆形变成多面体小岛。第2页，共22页，2023年，2月20日，星期四对于岛的形成可用热力学宏观物理量如表面自由能，也可用微观物理量如结合能来判别。利用宏观物理量预测三维岛成长的条件：基体与薄膜的自由能之差小于基体与薄膜的界面自由能。例如：基体和薄膜不能形成合金的情况下，因为薄膜自由能＞0，如果基体自由能＜界面自由能，那么上述关系当然会被满足。如果清楚地知道薄膜和基体不能形成化合物，即使薄膜自由能的大小不清楚，可以预想它还是按照三维岛的方式成长。当核与吸附原子间的结合能大于吸附原子与基体的吸附能时，就可形成三维的小岛。是用微观物理量判别岛成长的条件。第3页，共22页，2023年，2月20日，星期四联并阶段

随着岛不断长大，岛间距离逐渐减小，最后相邻小岛可互相联结合并为一个大岛。这就是岛的联并。联并过程小岛的变化如图所示。小岛联并长大后，基体表面上占据面积减小，表面能降低，基体表面上空出的地方可再次成核。岛的联并与固相烧结相类似。基体温度对岛的联并起着重要作用。第4页，共22页，2023年，2月20日，星期四在联并时，传质的可能机理是体扩散和表面扩散，其中主要的是表面扩散，核越小时，越是如此。因为已经观察到在短至0.06s时间以内，就可在岛间形成相当线度的颈部（岛间结合部），这可用表面扩散给以满意的解释。虽然小岛联并的初始阶段很快，但在长时间内，新岛继续改变它的形状。所以在联并时和联并后，岛的面积不断发生着改变。在最初几秒内，由于联并使基体表面上的覆盖面积减小，而后又逐渐增大。在联并之初，为了降低表面自由能，新岛的面积减小、高度增大。根据基体、小岛的表面与界面自由能，小岛有一最低能量沟形，该形状有一定高度与半径比。第5页，共22页，2023年，2月20日，星期四沟道阶段

在岛联并之后，新岛进一步生长过程中，它的形状变为圆形的倾向减少。只是在新岛进一步联并的地方才继续发生较大的变形。当岛的分布达到临界状态时互相聚结形成一种网状结构。在这种结构中不规则的分布着宽度为5－20nm的沟渠。随着沉积的继续进行，在沟渠中会发生二次或三次成核。当核长大到与沟渠边缘接触时就联并到网状结构的薄膜上。第6页，共22页，2023年，2月20日，星期四与此同时，在某些地方，沟渠被联并成桥形，并以类似液体的形式很快地被填充。其结果是大多数沟渠很快被消除，薄膜由沟渠状变为有小孔洞的连续状结构。在这些小孔洞处再发生二次或三次成核。有些核直接与薄膜联并在一起，有些核长大后形成二次小岛，这些小岛再联并到薄膜上。因为核或岛的联并都有类似液体的特点。这种特性能使沟渠和孔洞很快消失。最后消除高表面曲率区域，使薄膜的总表面自由能达到最小。第7页，共22页，2023年，2月20日，星期四连续膜阶段

沟渠和孔洞消除之后，再入射的气相原子直接吸附在薄膜上，通过联并作用而形成不同结构的薄膜。有些薄膜在岛的联并阶段，小岛的取向就发生显著变化。在形成多晶薄膜时，除了在外延膜中小岛联并时必须有一定的取向之外，在联并时还出现一些再结晶现象，以致薄膜中的晶粒大于初始核之间的距离。即使基体在室温条件下，也有相当的再结晶发生。每个晶粒大约包括有100个或更多的初始核区域。由此看出，薄膜中晶粒尺寸的大小取决于核或岛联并时的再结晶过程，而不取决于初始核的密度。第8页，共22页，2023年，2月20日，星期四第9页，共22页，2023年，2月20日，星期四薄膜的形成过程包括：（1）单体的吸附；（2）大小不同的各种小原子团（或称胚芽）的形成；（3）形成临界核（开始成核）;（4）由于捕获其周围的单体，临界核长大；（5）在临界核长大的同时，在非捕获区，由单体逐渐形成临界核；（6）稳定核长大到相互接触，彼此结合后形成新的小岛。由于新岛所占面积小于结合前的两岛，所以在基片上暴露出新的面积；第10页，共22页，2023年，2月20日，星期四（7）在这些新暴露的面积上吸附单体，发生“二次”成核；（8）小岛长大，结合成为大岛，大岛长大，相互结合。在新暴露的面积发生“二次”或“三次”成核；（9）形成带有沟道和孔洞的薄膜；（10）在沟道和孔洞处“二次”或“三次”成核，逐渐形成连续薄膜。第11页，共22页，2023年，2月20日，星期四溅射薄膜的形成过程

用阴极溅射法制备薄膜时薄膜的形成特征与真空蒸发法制备薄膜的簿膜形成过程有很大的不同。因为溅射的靶材粒子到达基体表面时都有非常大的能量。所以阴极溅射薄膜形成时的一些特殊性，都起因于溅射靶材粒子到达基体表面时具有非常大的能量。

本节中仅对两种薄膜形成的物理过程的不同之处进行比较研究。第12页，共22页，2023年，2月20日，星期四沉积离子的产生过程①真空蒸发是一种热过程，即材料由固相变到液相再变到气相的过程，或者从固相升华为气相的过程。通过这种热过程产生的沉积粒子(原子)都具有较低的热运动能量。在一般的蒸发温度下，其能量为0.1－0.2eV。溅射过程是以动量传递的离子轰击为基础的动力学过程。具有高能量的入射离子与靶原子产生碰撞，通过能量传递，使靶原子获得一定动能之后脱离靶材表面飞溅出来。因此从靶材中溅射出来的粒子部有较高的动能。比从蒸发源蒸发出来的气相原子动能高1－2个数量级。第13页，共22页，2023年，2月20日，星期四对于点状或小面积蒸发源，蒸发气相原子飞向基体表面时是按余弦定律定向分布的。对于阴极溅射，在入射的Ar离子能量较大，靶由多晶材料组成时，可将溅射靶看作点状源，溅射出来的原子飞向基体表面时才符合余弦规律分布，或者是以靶材表面法线为轴的对称分布。对于单晶靶材，因不同晶面上原子排列密度不同，表面结合能不同，不同晶面的溅射强度也不同。这种现象称为择优溅射效应。从蒸发源蒸发出的气相原子几乎都是不带电荷的中性粒子，或者有很少的带电粒子(因热电子发射造成)。但溅射过程则不同，除了从靶树中溅射出中性原子或原子团之外，还可溅射出靶材的正离子、负离子、二次电子和光子等多种粒子。第14页，共22页，2023年，2月20日，星期四在蒸发合金材料时，由于合金中各组分的蒸气压不同会产生分馏现象。蒸气压高的组分蒸发速度快，造成膜层成分同蒸发源材料组分的偏离。但在溅射合金材料时，尽管各组分的溅射速率有所不同(各种金属溅射速率的差异远小于它们蒸气压的差异)，在溅射的初期形成的合金膜成分与靶材组分稍有差别。但由于靶材温度不高，经过短暂时间后，靶材表面易溅射的组分呈现不足，从而使溅射速率小的组分在薄膜中逐渐增多起来，最终得到与靶材组分一致的溅射薄膜。第15页，共22页，2023年，2月20日，星期四沉积离子的迁移过程在真空蒸发时其真空度较高，一般在10-2～10-4Pa，气体分子平均自由程比蒸发源到基体之间的距离大。蒸发气相原子在向基体的飞行过程中，蒸发气相原子之间或与残余气体分子间的碰撞机会很少。它们将基本上保持离开蒸发源时所具有的能量、能量分布和直线飞行轨迹。第16页，共22页，2023年，2月20日，星期四在阴极溅射时，由于充入工作气体Ar气，真空度较低，在100～10-2Pa左右，气体分子平均自由程小于靶与基体之间的距离。溅射原子从靶面飞向基体时，本身之间互相碰撞和Ar原子及其他残余气体分子相互碰撞，不但使溅射粒子的初始能量减少，而且还改变溅射粒子脱离靶面时所具有的方向。到达基体表面的溅射粒子可来自基体正前方整个半球面空间的所有方向。因此，溅射方法比蒸发方法较容易制备厚度均匀的薄膜。第17页，共22页，2023年，2月20日，星期四成膜过程从蒸发源或溅射靶中出来的沉积粒子到达基体表面之后，经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。然后再通过吸附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结。最后形成连续状薄膜。在这样的成膜过程中，蒸发法和溅射法的主要区别是：真空蒸发法，入射到基体上的气相原子对基体表面没有影响，成核条件不发生变化。蒸发过程中，基体和薄膜表面受残余气体分子或原子的轰击次数较少，大约1013次/cm2⋅s。所以①杂质气体掺入到薄膜中的可能性较小。②蒸发的气相原子与残余气体很少发生化学反应。③基体和薄膜的温度变化也不显著。第18页，共22页，2023年，2月20日，星期四溅射方法则大不相同。入射到基体表面的离子和高能中性粒子对基体表面影响较大，可使基体表面变得粗糙、离子注入、表面小岛暂时带电以及和残余气体分子发生化学反应等。所以成核条件就有明显变化，①成核中心形成过程加快，②成核密度显著提高。工作气体分子、残余气体分子、原子和离子等对基体表面的轰击次数为1017次/cm2·s。这比蒸发过程大得多。因此①杂质气体或外部材料掺入薄膜的机会较多，②在薄膜中容易发生活化或离化等化学反应。另外，③由于入射的溅射粒子有较大的动能，基体和薄膜的温度变化也比较显著。第19页，共22页，2023年，2月20日，星期四

薄膜形成过程的计算机模拟对于薄膜形成过程的实验研究除了采用电子显微分析技术和表面分析技术之外，随着电子计算机科学的发展，从70年代开始，国际上许多研究工作者用计算机模拟方法研究薄膜的形成过程。

我国在80年代也开始利用计算机模拟技术研究薄膜的形成过程。第20页，共22页，2023年，2月20日，星期四利用计算机模拟薄膜形成过程时可采用两种方法：蒙特卡罗方法和分子动力学方法。蒙特卡罗（MonteCarlo）方法又称随机模拟法或统计试验法。用这种方法处理问题时①首先要建立随机模型②然后要制造一系列随机数目以模拟这个过程③最后再作统计性处理。在模拟薄膜形成过程时，将气相原子入射到基体上、吸附、解吸；吸附原子的凝结、表面扩散、成核、形成聚集体和形成小岛等都看为独立过程并作随机现象处理。分子动力学（Moleculardynamics）方法是一种古老的方法。这种方法中对系统的典型样本的演化都是以时间和距离的微观尺度进行的。第21页，共22页，2023年，2月20日，星期四用计算机不仅可模拟薄膜生长过程，还可模拟薄膜掺杂或离子辅助增强沉积过程。薄膜生长过程中进行离子轰击可提供额外的激活能增强聚集密度。模拟离子辅助薄膜形成过程了解到提高薄膜聚