第四章 薄膜的形核与生长

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低温抑制型薄膜沉积过程的特点：
• 原子的表面扩散能力较低，其沉积的 位置就是其入射到薄膜表面时的位置;
• 决定薄膜组织的唯一因素是原子的入 射方向;
• 形成的薄膜充满了缺陷和孔洞，表面 粗糙。
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5.3.3 高温热激活型薄膜生长
• 当沉积温度较高时，原子扩散较为充分 ，扩散就会影响薄膜的组织结构和形貌 。它可以消除孔洞的存在，使薄膜组织 状变为柱状晶形态。
因于生长过程，所以薄膜生长是最为基 本的。
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• 5.12薄膜的生长模式
• 薄膜的生长模式可以归纳为三种： • （1）岛状模式（Volmer-Weber模
式）； • （2）层状模式（Frank-van der
Merwe）； • （3）层岛复合模式（Stranski-
Krastanov） • 三种模式的示意图5.2
• 由于原子的平均扩散距离随着温度的上 升呈指数形式增加，因此，组织形态的 转变发生在0.3Tm附近很小的温度区域
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。
•图5.17是 二维模拟得 出的30°角 倾斜入射沉 积时，薄膜 组织随沉积 温度的变化 情况。
• 由图可以看出，随着衬底温度的上升，薄膜
中的孔洞迅速减少。
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图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
薄膜生长过程与薄膜结构薄膜的生长模式可以分为外延式生长和非外延式生长两种生长模式
薄膜的形成过程及生长方式
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目录
• 5.1 薄膜生长过程概述 • 5.2 形核阶段 • 5.3 薄膜生长过程与薄膜结构
习题
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5.1、薄膜生长过程概述

薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
0 cos 1 2 0
岛的形成又可以用另一热力 学变量描述：吸附能 界面结合能（粘附功）是指 原子团（核）吸附前后体系总的 自由能变化，即 Ecom
Ecom 2 0 1 0 ( 2 1 ) 0 0 cos 0 (1 cos )
薄膜的形成——溅射薄膜的形成过程
★ 溅射薄膜的形成过程
关于溅射薄膜形成过程的特点和溅射薄膜形成与生
长问题，在第三章已讨论。 真空蒸发薄膜和溅射薄膜形成物理过程的不同点：
沉积粒子产生过程 沉积粒子迁移过程
成膜过程
薄膜的形成——薄膜的外延生长
★ 薄膜的外延生长
外延的概念 同质外延 异质外延 失配度
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
沟道阶段 孤立的岛有变圆的趋势。当岛结合以后，在岛的生
长过程中变圆趋势减小，岛被拉长，连接网状结构，其 中分布着宽度为5-20nm的沟道。 随着沉积，在沟道中会发生二次或三次成核。
连续薄膜阶段
当沟道和孔洞消除后，入射到基片表面上的原子直 接吸附在薄膜上，形成连续薄膜。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成可划分为四个阶段：成核、结合、沟道、连续 岛状阶段 岛的演变特点 可观察到的最小核尺寸：2-3nm； 核进一步长大变成小岛，横向生长速度大于纵向 生长速度； 形状：球帽形——原形以用热力学变量描述：表面自由能
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式
★ 薄膜形成过程和生长模式
薄膜形成过程是 指形成稳定核之后的
过程。
薄膜生长模式是 指薄膜形成的宏观形 式。
薄膜的形成——薄膜形成过程和生长模式

采用离子轰击的方法抑制三维岛状核心的形成，使细小 的核心来不及由扩散实现合并就被后沉积来的原子所覆盖， 以此形成晶粒细小、表面平整的薄膜。
5.3 薄膜的非自发形核理论 5.3.1 非自发形核过程的热力学
形成一个原子团时的自由能变化为
ΔGv — 单位体积的相变自由能，它是薄膜形核的驱动力； — 气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)三者之间的界面能；
衬底之间晶格常数不匹配，随着沉积原子层的 增加，应变能增加。为松弛应变能，生长到一 定厚度，薄膜生长转化为岛状模式。
2)在Si、GaAs等半导体材料的晶体结构中， 每个原子分别在四个方向上与另外四个原子形 成共价键。但在Si的(111)晶面外延生长GaAs时， 由于As原子有五个价电子，它不仅可提供Si晶 体表面三个近邻Si原子所要求的三个键合电子， 而且剩余的一对电子使As原子不再倾向于与其 他原子发生进一步的键合。吸附了As原子的 Si(111)表面具有极低表面能，使其后As、Ga原 子的沉积模式转变为三维岛状的生长模式。
新相的形核阶段：气态的原子或分子凝聚到衬
底表面，扩散迁移形成晶核，晶核结合其他吸
附的气相原子逐渐长大形成小岛。
入射原 子束 再直接碰撞
临界核 临界值
稳定核 稳定值
表面扩散
核形成 核成长
形核阶段 小岛阶段 聚结阶段
薄膜的生长阶段： 小岛阶段； 聚结阶段；
电子衍射 ED
沟道阶段；
纯组元的平衡分压时，沉积的过程也会发生。
(3)层状—岛状(Stranski-Krastanov)生长模式 最开始的一两个原子层的层状生长之后，生长
模式从层状模式转化为岛状模式。 导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根
本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能 量的相互消长。

•
生长机制
– –
表面能诱发 应力诱发明，但界面能σ fs一般比σ f或 σ s小得多，忽略界面能σ
fs，生长方式的判据为：
岛状生长 层生长型
生成第一个单原子层后
s f
s f f f
n 1
n
层核生长型
f
生成第一个单原子层后
s f

成核阶段

膜原子在基片表面上附着、扩散、相互会合形成原子团，直到 形成临界为止。

小岛阶段

基片表面上核密度很快饱和，核尺寸不断长大。 小岛长大，接触聚结成较大的岛，岛密度下降
2.1.1 岛状生长
•
网络阶段
–
– – – –
小岛连接成断断续续的网状结构
网络中包含许多空洞和狭长而空白的沟道 沟道和空洞位置可形成新核，发生二次成核过程 二次核长大成小岛，并入网状结构，沟道逐步被填充 新出现的空洞位置可能出现三次成核
表面岛熔结
晶粒吞并机制
团簇迁移：

除了化学势的差异驱动的原子迁移导致的表面岛合 并外，大量实验证实，表面岛迁移也是表面岛合并 的重要机制；

表面岛的扩散与表面岛半径有关，是热激活过程；
衬底温度薄膜生长现象?
3.1 多晶薄膜的四种典型组织结构形态
形态2
形态3
形态1
形态T
薄膜的四种典型组织结构形态
–
在薄膜生长过程中，Ostwald吞并过程是不 能达到平衡的，
2.3生长动力学过程

熔结(Sintering)

当表面岛相互接触时，表面岛原子向连接处迁移，最后导致两个表 面岛合并，这一现象成为熔结；

驱动表面岛原子向连接处迁移的原因是连接处的曲率小于零，既 r<0。因此，连接瓶颈处的化学势更低；