薄膜生长的基本过程.ppt

薄膜生长的基本过程吸附、脱附与扩散之间的关系
成核长大的动力学
起始沉积过程的分类
成核率
稳定晶核密度
合并过程和熟化过程
成核长大过程的计算机模拟1.Whatisthenucleationrate(JV)andhowdoesitdependontime,temperature,depositionrate,andthenatureofthefilmandsubstrate?
2.Onceformed,whatarethepossiblemechanismsforsubsequentgrowthandcoalescenceofnuclei?
3.Whatisthetimedependenceforthegrowthandcoalescenceofnuclei?本章要求：
理解成核长大的动力学方程
了解温度，入射流速度对成核过程的影响单位时间内入射到表面的原子流密度脱附原子流密度：讨论：平衡时Jc=J0
薄膜生长时处于非平衡状态Jc>J0
温度升高会降低沉积速率，甚至无法沉积单位时间内吸附原子的行走步数：驻留时间内吸附原子的扩散总步数：Ea起始沉积过程的分类描述成核长大的基本方程以上方程未知数太多，难以求解，可把原子团分成两类，方程可以改写:对于不稳定晶核，可以认为细致平衡原理（局部平衡）成立起始阶段，基本方程变为起始不易沉积状态
起始不完全沉积状态
起始完全沉积状态起始不易沉积状态和起始完全沉积状态下晶核数和吸附原子数随时间的变化沉积状态的转化：成核率:单位时间单位面积上稳定晶核增加的速度细致平衡原理(detailedbalanceprinciple)：C1=1；C2=3；C3=2；C4=3ma特别的，临界晶核i=1时Ag在NaCl(100)的成核率与温度的关系，右上图是最小稳定晶核与临界晶核。形成不同尺寸晶核的条件：薄膜以layer-by-layer方式外延生长时，增原子必须扩散到生长边缘，距离大概100~1000原子距离，要求扩散系数大约为10-8cm2/s
所以
TE~0.5TM半导体
~0.3TM金属
~0.1TM卤化物薄膜质量和成核的关系的一般规律临界晶核为单个原子时的稳定晶核密度饱和晶核密度：时间常数：起始完全沉积的稳定晶核密度:单原子密度：饱和稳定晶核密度随温度的变化样品100K不同沉积速率下成核示意图成核密度与时间和温度的关系(T1<T2<T3<T4)Parameterdependenciesofthemaximumclusterdensity扩散模型下的成核率成核率：热力学模型下的成核率：入射（扩散方式）增原子流：热力学模型中的参数不好确定和估计，原子模型中的参数比较容易测量。Au/NaCl(001)成核与生长的转化方程(a)TransformedfractionofCoSi2asafunctionoftimeasmeasuredbychangeinresistivity,(b)Arrheniusplotoflogt1/2vs1/TK.稳定核的生长、融合与减少稳定核的生长、融合与减少的机制Ostwald熟化过程GaAs衬底上Ga原子团的显微像吉布斯-汤姆逊关系：LaplaceequationdG=−SdT+Vdp+μdN+极坐标下的扩散方程(二维)：不同生长模式下的生长时间标度率合并过程合并后总表面能降低合并过程neck的尺寸变化：增原子的非平衡量：合并过程neck的尺寸变化：原子团的迁移机制存在台阶时的成核生长不同tD/tJ值时团簇密度nj的直方图,n0为衬底表面的原子数。其它因素:台阶边缘的SCHWOEBEL势垒Sb诱导Ag的逐层生长:(a)蒸发25ML的Ag；(b)先增发Sb，再蒸发1.7ML的Ag；(c)Sb的引入增加了扩散势垒。其它因素:表面扩散的各向异性KineticMCsimulationofirreversiblemodeling薄膜沉积过程的MonteCarlo模拟和DLA模型薄膜沉积：原子的入射位置，原子在表面的运动Hit-and-stickDLAmodelHit-and-stickDLAmodelprogramm计算模拟所得的图形薄膜生长初期阶段的实验观察结果实际计算机模拟需要加入更多的考虑：Simulation需要考虑到原子在边角上的扩散和凝聚涉及到的近临数实际的薄膜生长图形枝叉宽度随温度变化，分形枝晶，考虑原子在密排六角衬底上绕过岛角的扩散各向异性后，计算模拟得到的图形应该和实验是一致的。利用改进的计算模拟模型，得到和实验结果一致的图形Hit-and-stickDLAmodelsimulation随着计算机速度的大幅度提高，对于较复杂系统的计算模拟成为可能，对薄膜生长进行的研究增加了一个有用的工具-计算模拟
由于计算机模拟可以改变很多参数来讨论实际过程，因此计算机模拟对于理解薄膜