第五章薄膜的生长过程和薄膜结构

薄膜生长与薄膜结构1、概述“薄膜”很难用一句话来定义。

为了与厚膜相区别，一般认为厚度小于1μm的膜称为薄膜。

另外针对于薄膜的生长过程和形态，人们对于薄膜的认知也不同，比如在成膜初期的岛状不连续构造，很多人不认为是薄膜。

薄膜（film）材料和块体（bulk）材料有很多的不同。

首先薄膜生长伴随着温度的急剧变化，内部会存在大量的缺陷；其次，薄膜的厚度与表面尺寸相比相差甚远，可以看成二维结构，表面效应非常强。

薄膜的最终性能与薄膜的生长过程密切相关。

从微观角度看，入射到基板或薄膜表面的气相原子，一部分被反射回去，一部分被表面捕获吸附后吸收能量再蒸发出去，一部分被表面捕获吸附后凝结成核，逐渐长大，最终形成连续的膜层。

下面将详细分析薄膜的生长过程。

2、吸附材料表面是一种特殊的状态，从结构方面讲，这里存在原子或分子间结合键的中断，因此具有吸引外来原子或分子的能力；从能量方面来讲，这里具有一种较高的能量：表面自由能，只有吸附了气相原子之后，自由能才会减小，从而变得稳定。

这种气相原子被吸引住的现象称为吸附，伴随吸附现象的发生而释放的能量称为吸附能。

入射到基板表面的原子可能会发生三种现象：1、与基板表面进行能量交换被吸附；2、吸附后在基板表面做短暂停留，能量过大或吸收能量后再次蒸发；3、直接被基板表面反弹回去。

用溅射法制备薄膜时，入射到基板表面的气相原子，绝大多数都与基板表面原子进行能量交换而被吸附。

如果吸附仅仅是由原子电偶极矩间的范德华力起作用，则称为物理吸附，比如冬天窗户上形成的雾状水气；如果吸附是由化学键结合力起作用，则称为化学吸附，比如当前研究比较热的纳米氧化层。

作为实际问题，使用何种材料，进行什么处理，在真空容器内发生哪种吸附，效果怎么样，这些还不能简单说清楚，特别是表面状态不能保持一定，越发使问题复杂化。

到现在为止，这方面的研究还不多。

在薄膜制造中，如果我们想要获得新材料，那么可以积极利用这种吸附情况；如果我们想得到清洁的纯膜，那么这种吸附会引起麻烦。

薄膜生长步骤
薄膜生长指的是在基底上通过化学或物理方法制备出一层薄膜的
过程。

这项技术具有广泛的应用前景，例如电子器件、光学材料、涂
料等领域。

下面我们将分步骤介绍薄膜生长的过程。

第一步，先准备好基底，一般选用的是高质量的单晶硅片或玻璃
基板。

这个步骤的关键在于确保基底表面平整、无杂质，以及合适的
晶格结构和晶向。

第二步，进行基底表面预处理。

这个步骤的目的是去除表面的氧
化物和污染物，以及提高表面的反应活性。

常用的方法包括机械抛光、酸洗、热压等。

第三步，选择适当的生长技术。

常见的薄膜生长技术有物理气相
沉积、化学气相沉积、分子束外延、溅射等。

不同的技术具有不同的
优缺点和适用范围，应该根据具体需要选择。

第四步，进行薄膜的生长。

生长过程中需要控制温度、气压、反
应进气量等参数来控制膜的厚度和质量。

在生长过程中还需要根据需
要加入掺杂元素或在不同的反应条件下进行生长。

第五步，进行后处理。

薄膜生长后需要进行一定的后处理，例如
进行退火、氧化等，这些步骤有助于提高膜质量和改变其性能。

以上就是薄膜生长的主要步骤。

在实际操作中，还需要注意一些细节，例如仪器的维护、材料的选择、反应条件的调整等，才能得到高质量的薄膜。

§5薄膜的生长和性能§5。

1薄膜的生长薄膜的生长过程一般分为成膜粒子的凝结过程、核的形成与长大过程、岛的形成与合并生长过程.一、凝结过程包括吸附、表面扩散和凝结等过程。

凝结过程是簿膜生长的第一阶段.在气相镀膜中，凝结过程是气相原子、离子或分子入射到衬底表面后，气相吸附相凝结相的一个相变过程。

1、吸附过程固体表面的不饱和键或悬挂键具有吸引外来原子或分子的能力，即吸附。

表面自由能；吸附力；吸附能。

物理吸附;化学吸附。

解吸;解吸能。

（1）吸附过程中的能量变化关系当入射到基体表面的气相原子动能较小时,处于物理吸附状态，其吸附能用Q p表示。

当这种气相原子动能较大、但小于或等于E a时则可产生化学吸附。

达到完全化学吸附时，这种气相原子释放出能量E d.E d与E a的差值Q c称为化学吸附热，E a称为激活能，由此可以看出化学吸附是一种激活过程。

因为Q c>Q p,所以只有动能较大的气相原子才能和基体表面产生化学吸附。

当化学吸附的原子获得的动能大于E d时，它将不再被基体表面吸附，通过再蒸发或解吸而转变为气相，因此E d又称为解吸能。

（2）吸附原子在表面的平均停留时间吸附的气相原子在基体表面上的平均停留时间τa 与解吸能E d 之间的关系为：0exp(/)a d E kT ττ=式中τ0是单层原子的振动周期，数值大约为10—14～10-12秒，k 是玻耳兹曼常数，T 是绝对温度。

在室温下，不同解吸能E d 与平均停留时间τa 的关系如下表。

可以看出，当E d 大于20kcal/mol 时，τa 值急剧增长到超过通常的实验时间. E d (kcal／mol ） τa (s) E d （kcal ／mol ）τa （s ）2、表面扩散过程（1）扩散过程吸附原子在表面上停留期间,便失去了在表面法线方向的动量，只具有与表面水平方向相平行运动的动量。

依靠这种运动的动能，吸附原子在表面上作不同方向的表面扩散运动。

一．薄膜制备的真空技术基础：薄膜制备方法物理方法：热蒸发法 溅射法 离子镀方法化学方法：电镀方法 化学气相生长法1,气体分子的平均自由程：气体分子在两次碰撞的间隔时间里走过的平均距离。

21d n πλ= d — 气体分子的有效截面直 2,单位面积上气体分子的通量：气体分子对于单位面积表面的碰撞频率。

3,流导：真空管路中气体的通过能力。

分子流气体：流导C 与压力无关，受管路形状影响，且与气体种类、温度有关。

4,真空泵的抽速: p — 真空泵入口处气体压力Q — 单位时间内通过真空泵入口处气体流量5,真空环境划分：低真空> 102 Pa中真空102 ~ 10-1 Pa高真空10-1 ~ 10-5 Pa超高真空< 10-5 Pa低压化学气相沉积：中、低真空（10~ 100Pa ）;溅射沉积： 中、高真空（10-2 ~ 10Pa ）;真空蒸发沉积： 高真空和超高真空（<10-3 Pa ）;电子显微分析： 高真空;材料表面分析： 超高真空。

6,气体的流动状态:分子流状态：在高真空环境下，气体的分子除了与容器壁外,几乎不发生气体分子间的相互碰撞。

特点：气体分子平均自由程大于气体容器的尺寸或与其相当。

（高真空薄膜蒸发沉积系统、各种材料表面分析仪器）粘滞流状态：当气压较高时，气体分子的平均自由程很短，气体分子间的相互碰撞较为频繁。

粘滞流状态的气体流动模式：层流状态：低流速黏滞流所处的气流状态，即气体宏观运动方向与一组相互平行的流线相一致。

紊流状态：高流速黏滞流所处的气流状态，气体不再能够维持相互平行的层状流动模式，而呈现出一种旋涡式的流动模式。

克努森（Knudsen）准数:分子流状态Kn＜1过渡状态Kn＝1~100粘滞流状态Kn ＞ 1007,旋片式机械真空泵工作原理：玻意耳-马略特定律（PV=C）即：温度一定的情况下，容器的体积和气体压强成反比。

性能参数：理论抽速Sp：单位时间内所排出的气体的体积。