薄膜的生长过程学习课程.pptx

6.1薄膜生长过程概述6.1薄膜生长过程概述6.1薄膜生长过程概述6.1薄膜生长过程概述6.1薄膜生长过程概述6.1薄膜生长过程概述6.1薄膜生长过程概述二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式2、层状生长（Frank-vanderMerwe)模式：
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模式，沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生长将一直保持这种层状生长模式。6.1薄膜生长过程概述二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式6.1薄膜生长过程概述6.1薄膜生长过程概述三、导致生长模式转变的三种物理机制6.1薄膜生长过程概述三、导致生长模式转变的三种物理机制6.2新相的自发成核理论6.2新相的自发成核理论6.2新相的自发成核理论6.2新相的自发成核理论6.2新相的自发成核理论6.2新相的自发成核理论在大多数固体相变过程中，涉及的成核过程都是非自发成核的过程，即有其他的因素起到了帮助新相核心的生成。
一、非自发成核过程的热力学
原子团在衬底上形成初期，原子团很小，它可能吸收外来原子而长大，也可能失去已有的原子而消失，其自由能变化为
G=a１r3Gv+a２r2fs+a2r2sv-a3r2vf(5-10)
ΔGv是单位体积的相变自由能，它是薄膜成核的驱动力；vf、fs、sv分别是气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)之间的界面能；a1、a2、a3是与核心具体形状有关的常数（活度）。6.3薄膜的非自发成核理论对如图所示的冠状核心来说，有
a1=π（2-3cosθ+cos3θ)
a2=πsin2θ
a3=2π(1-cosθ)
核心形状的稳定性要求界面能之间满足：
sv=fs+vfcosθ
即θ只取决于各界面能之间的数量关系。薄膜与衬底的浸润性越差，则θ的数值越大。由上式也可以说明薄膜的不同生长模式。
θ>0sv<fs+vf岛状生长模式；
θ=0sv=fs+vf生长模式转换为层状或中间模式。6.3薄膜的非自发成核理论非自发形核过程中ΔG随r的变化趋势也如图5.4所示。在热涨落的作用下，会不断形成尺寸不同的新相核心。半径r<r*的核心会由于ΔG降低的趋势而倾向于消失，而那些r>r*的核心则可伴随着自由能的下降而倾向于长大。成核自由能变化随新相核心半径的变化关系-类似自发成核，形成临界核心的临界自由能变化ΔG*实际上就相当于成核的势垒；热激活过程提供的能量起伏将使的一些原子具备了ΔG*大小，导致新核的形成。
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。这些地点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，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。形核率是在单位面积上，单位时间内形成的临界核心的数目。新相形成所需要的原子可能来自：
(1)气相原子的直接沉积；
(2) 衬底表面吸附原子沿表面的扩散。
在形核最初阶段，已有的核心数极少，因而后一可能性应该是原子来源的主要部分，即形核所需的原子主要来自扩散来的表面吸附原子。沉积来的气相原子将被衬底所吸附，其中一部分将会返回气相中，另一部分将由表面扩散到达已有的核心处，使得该核心得以长大。6.3薄膜的非自发成核理论6.3薄膜的非自发成核理论6.3薄膜的非自发成核理论薄膜沉积速率R和衬底温度T是影响薄膜沉积过程的最重要的两个因素。
结论：随着薄膜沉积速率R的提高，薄膜临界核心半径和临界核心自由能均随之降低，因此高的沉积速率将会导致高的成核速率和细密的薄膜组织。
结论：随着温度上升，新相临界核心半径增加，临界核心自由能也越高，新相核心的形成较困难；因此高温时，首先形成粗大的岛状薄膜组织。
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化。
要想得到粗大甚至是单晶结构的薄膜，一个必要的条件是适当地提高沉积温度，并降低沉积的速率。低温沉积和高速沉积往往导致多晶态的薄膜组织。形核初期形成的孤立核心将随着时间的推移而逐渐长大，这一过程除了涉及吸纳单个的气相原子和表面吸附原子之外，还涉及核心之间的相互吞并和联合的过程。
三种核心相互吞并的机制:
一、奥斯瓦尔多(Ostwaid)吞并过程：设想在形核过程中已经形成了各种不同大小的许多核心。随着时间的推移，较大的核心依靠消耗吸收较小的核心获得长大，其驱动力来自岛状结构的薄膜试图降低自生表面自由能的趋势。二、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