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薄膜生长与分析-第八章

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《薄膜物理与技术》课程教学大纲

《薄膜物理与技术》课程教学大纲

《薄膜物理与技术》课程教学大纲课程代码：ABCL0527课程中文名称: 薄膜物理与技术课程英文名称：Thin film physics and technology课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《材料表面与界面》、《近代物理概论》、《材料科学基础》、《固体物理》、《材料物理性能》一、课程简介本课程主要论述薄膜的制造技术与薄膜物理的基础内容。

其中系统介绍了各种成膜技术的基本原理与方法，包括蒸发镀膜、溅射镀膜、离子镀、化学气相沉积、溶液制膜技术以及膜厚的测量与监控等。

同时介绍了薄膜的形成，薄膜的结构与缺陷，薄膜的电学性质、力学性质、半导体特性、磁学性质以及超导性质等。

通过本课程的讲授，使学生在薄膜物理基础部分，懂得薄膜形成物理过程及其特征，薄膜的电磁学、光学、力学、化学等性质。

在薄膜技术部分初步掌握各种成膜技术的基本内容以及薄膜性能的检测。

二、教学基本内容和要求掌握物理、化学气相沉积法制膜技术，了解其它一些成膜技术。

学会对不同需求的薄膜，应选用不同的制膜技术。

了解各种薄膜形成的过程及其物理特性。

理解并能运用热力学界面能理论及原子聚集理论解释薄膜形成过程中的一些现象，了解薄膜结构及分析方法，理解薄膜材料的一些基本特性，为薄膜的应用打下良好的基础。

以下分章节介绍：第一章真空技术基础课程教学内容：真空的基础知识及真空的获得和测量。

课程重点、难点：真空获得的一些手段及常用的测量方法。

课程教学要求：掌握真空、平均自由程的概念，真空各种单位的换算，平均自由程、碰撞频率、碰撞频率的长度分布率的公式，高真空镀膜机的系统结构及抽气的基本过程。

理解蒸汽、理想气体的概念，余弦散射率，真空中气体的来源，机械泵、扩散泵、分子泵以及热偶真空计和电离真空计的工作原理。

了解真空的划分，气体的流动状态的划分，气体分子的速度分布，超高真空泵的工作原理。

第二章真空蒸发镀膜法课程教学内容：真空蒸发原理，蒸发源的蒸发特性及膜厚分布，蒸发源的类型，合金及化合物的蒸发，膜厚和淀积速率的测量与监控。

薄膜的形成过程及生长方式PPT课件

薄膜的形成过程及生长方式PPT课件

• 形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲
是一个气－固相变的过程。
.
3
• 薄膜通常通过材料的气态原子凝聚而 形成。在薄膜形成的最早阶段，原子凝 聚是以三维方式开始的，然后通过扩散 过程核长大形成连续膜。
• 薄膜新奇的结构特点和性质大部分归
因于生长过程，所以薄膜生长是最为基 本的。
.
4
• 5.12薄膜的生长模式
• 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。
.
17
•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Βιβλιοθήκη 升，薄膜中的孔洞迅速减少。 .
18
图5.18显示了衬底温度对薄膜表面形貌的 影响
.
12
.
13
• 纤维状组织的一个特点是：纤维的生长 方向与粒子的入射方向近似地满足正切 夹角关系。
•
tanα ＝2tanβ
• α ，β分别为粒子入射方向和纤维生长方 向与衬底法向间的夹角。
• 实验证明，纤维状生长与薄膜沉积时原 子入射的方向性有关。
.
14
• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
薄膜的形成过程及生长方式
• 主讲人：张宝贤 • 学号：12191082 • 班级：12级3班
.
1
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
.
2
5.1、薄膜生长过程概述
• 薄膜的生长可划分为两个不同阶段：
•

薄膜的形成与生长

薄膜的形成与生长

凝聚相单位体积自由能
体积自由能变化：
GV
4 3
r
3
Gv
f ( )
总的自由能变化：
G
临界核半径：
GS
GV
4
f
( ) (r 2 0
1 3
r
3
Gv
)
ΔG 0 r
r* 2 0
Gv
(Gv 0)
27
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-热力学界面能理论：
2.成核过程定量分析:
临界形核自由能:
b.每个临界核的捕获范围
c.所有吸附原子向临界核运动的总速度
30
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-热力学界面能理论：
2.成核过程定量分析-成核速率:
I Z ni* AV
（1）临界核密度：ni* n1 exp(G* / kT )
其中，吸附原子面密度 n1
J
a
J
o
exp
Ed kT
33
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-原子聚集理论：
由于临界核中原子数目较少，可以分析它含有一定原子数目时所有 可能的形状，然后用试差法断定哪种原子团是临界核。
原子聚集理论中，结合能是以原子对结合能为最小单位的不连续变
化。
34
二、晶核形成与生长过程
（二）晶核形成理论-原子聚集理论：
1.临界核形成条件： （1）较低基体温度T1，临界核是吸附在基体表面上的单个原子。每
9
一、凝结过程
D 0 exp(ED / kT )
o o
x (D a )1 2
10
一、凝结过程
D a02 / D
11

第八章 外延

第八章 外延

§8.3 选择外延
选择外延是指利用外延生长的基本原理，以及硅在绝缘体上 很难核化成膜的持性，在硅表面的特定区域生长外延层而 其他区域不生长的技术。 选择外延的基本原理是根据硅在 SiO2上成核可能性最小，在Si3N4上比在SiO2上大一点，在 硅上可能性最大的特性完成的。
选择外延可分为三种类型： (1)在掩膜保护下的暴露衬底上进行外延生长。 (2)在掩膜保护下暴露衬底上特定图形区进行外延生长。 (3)在没有掩膜的衬底凹陷处进行外延生长，即沟槽生长。
生长过程中要加入适量的HCl以抑制在掩膜上的成核。
横向超速外延
还有一种类型的选择外延称为横向超速外延(ELO),是指当 选择外延生长的薄膜超过掩膜的台阶高度时，外延不但继 续垂直生长，而且也沿横向生长。
§8.4 SiH4 热分解外延法
硅烷(SiH4)是目前一种常用的汽相外延反应剂。SiH4的化学反应与 SiCl4不同，在一定温度下它可直接进行热分解反应，释放出硅， 淀积到衬底表面上，生成外延层。
(7.2)
§8.2.2 扩散效应
第二种情况，在本征衬底上生长 掺杂外延层，外延层中的杂质分 布为： Ce 0 x (7.3) Ce ( x ) 1 erf
2 2 Det
第三种情况，当衬底和外延层 都掺杂时：
Ce 0 Cs x x 1 erf Ce ( x) 1 erf 2 2 Ds t 2 Det 2
§8.2.2 扩散效应
外延生长中的扩散效应包括两 种情况，一是衬底均匀高浓度 掺杂，外延层掺杂浓度低。二 是衬底均匀低浓度掺杂，而外 延层高浓度掺杂。一般来说， 扩散的速度远远小于薄膜的生 长速度，所以以上两种情况都 可以认为是在半无限大固体中 扩散。

薄膜的生长

薄膜的生长

失配度：
外延生长遵循的规律：晶面、晶向一致。 外延技术：液相、气相、分子束。
②衬底温度
③蒸发原子入射方向④真空度Biblioteka 4.1.7薄膜的典型组织形态
①形态1
②形态T
③形态2
④形态3
4.1.8薄膜的低温抑制型生长
4.1.9薄膜的高温热激活型生长
4.2 薄膜的外延生长(Epitaxy)
外延生长：一定条件下，一种单晶体表面上另一种 单晶体的定向生长，称为外延生长。外延部分称为 外延层，提供外延基础的晶体称为衬底。 同质外延： 异质外延：
4.1薄膜形成的物理过程 4.1.1薄膜生长的三种宏观模型 ①岛状生长： ②层状成长： ③层-岛结合成长：
4.1.2薄膜形成的物理过程
①岛状生长 ②层状成长 ③层-岛结合成长
4.1.3薄膜的自发形核理论
4.1.4薄膜的非自发形核理论
4.1.5薄膜的形核率
4.1.6影响薄膜结构的因素 ①沉积速率
Chapt.4 薄膜的生长过程
薄膜的性能不仅取决其他化学成分，同时取决其 物理结构，因而与制备方法，以及在制备过程中 的多种因素有关。为研究薄膜的性能，需进一步 了解薄膜的生长过程及其结构。虽然薄膜的制备 方法有多种多样，但在其形成过程的某些方面， 还是具有不少共同之处。如薄膜的形成一般都会 经历凝结过程、核形成过程、岛形成与结合生长 过程等。 薄膜的生长过程：新相的形核和薄膜的生长。

第八章-薄膜的结构与缺陷

第八章-薄膜的结构与缺陷
表面积随膜厚成线性 增大，表明薄膜是多 孔结构，能吸附气体 的内表面积很大。
20
原因解释： 阴影效应 在沉积过程中，基片表面优先生长出许
多峰状微小晶粒，由于阴影效果，遮住了相邻的 晶粒使继续入射的原子达不到其表面，使薄膜表 面凹凸不平，内部出现大缺陷。
21
2023/11/13
22 22
若沉积薄膜时真空度较低，由于残余气压过高， 入射的气相原子和残余气体分子相碰撞，先在 气相中凝结成烟尘，然后再到达基体表面沉积 形成薄膜。由于这种薄膜由微粒松散堆积而成， 也是多孔性的。
看作区域1 在Ts/Tm 值为0时在非常光滑基体上形 成的极限形式。是区域1结构中晶粒尺寸小到难 以分辨时呈现的纤维结构。 当入射气相粒子流垂直入射沉积在较光滑、均匀 的基体表面上时，在吸附原子的表面扩散速率足 够大时，可形成接近区域1 的结构。
特点：晶粒间界致密，机械性能好。
28
区域 2 在基体温度较大，或沉积吸附原子在基
扩散到表面上稳定的位置，排列到晶体格点中去。 外延温度不仅取决于基底与薄膜材料的组合还取决
于基底表面是否有污染，以及蒸镀速度。
14
二．薄膜的晶体结构
◆ 薄膜的晶体结构是指薄膜中各晶粒的晶型状况。 ◆ 在大多数情况下，薄膜中晶粒的晶格结构与块 状晶体是相同的。（7个晶系14 种布拉非格子）
◆不同之处：
晶粒择优取向薄膜（包括锥形结构、纤维结构和柱 状结构）
在多晶薄膜中，常常出现一些块状材料中未曾发 现的介稳相结构。
88
晶界：多晶薄膜中不同晶粒间的交界面，具有与晶 粒内部不同的特征。 晶界特点： ①由于晶界中晶格畸变较大，晶界上原子的平均能
量高于晶粒内部原子的平均能量，它们的差值称 为晶界能。 ②由于晶界中原子排列不规则，其中有较多的空位。 微量杂质原子常富集在晶界处，杂质原子沿晶界 扩散比穿过晶粒要容易。

薄膜生长


薄膜的形核与生长
薄膜形核理论简介
气固相变的自发形核理论
二、自发形核的热力学分析：
4、临界核心的面密度：
4）分析与讨论： 要想获得平整、均匀的薄膜沉积，需要提高新相的形核率 n*，即：降低 G* 和 r*： 实现方法：
□ 在薄膜的形核阶段： P Sg r*、G* 形成大量核心 均匀平整的薄膜 热力学考虑！ □ 在薄膜的生长阶段：T、采用离子轰击抑制岛状核心合并 抑制扩散防止过度生长 动力学考虑!
G*
*
0
温度 T 的影响： □ T 相变过冷度 Gv G* ！ □ T 表面原子热振动加剧 吸附原子脱附几率 n1 n0 ！ 规律：T n0、G*、exp(-G*/kT) n* 不利于获得高的薄膜形核率 低温有利于形核 (热力学有利！)、但不利于长大 (扩散不易进行、动力学不利！)
2、形核自由能及表面张力作用分析：
形成这样一个原子团时，系统的自由能变化可写作：
G a1Gv r 3 [a2 ( fs sv ) a3 vf ] r 2
(4 - 11)
式中：Gv — 单位体积相变能 (形核驱动力)； — 表面张力 (下标 v、s、f 分别表示气相、、基本规律：
湿润性很差时： 薄膜以岛状模式生长！ (同时要求沉积温度足够高、沉积原子具有一定扩散能力) ■ 错配度影响较小，沉积原子倾向相互键合形成三维岛，而避免与基片原子键合！ ■ 在非金属基片上沉积金属材料时，薄膜往往以这种模式生长！
薄膜的形核与生长
薄膜生长的过程与模式
基于实验观察划分的薄膜生长模式
外延生长薄膜时，需要抑制新相核心的形成，同时促进扩散长大 Sg、T n* ！
薄膜的形核与生长

薄膜生长过程.pptx

第24页/共34页6.3 薄膜的非自源自成核理论二、薄膜的成核速率
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
第9页/共34页
6.1薄膜生长过程概述
• 三种不同薄膜生长模式的示意图：
第10页/共34页
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
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与 衬底之间晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加， 应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜在 生长到一定厚度之后，生长模式转化为岛状模式。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了 降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面，因 此薄膜在生长到一定厚度之后，生长模式会由层状模式 向岛状模式转变。
• 注：在上述三种模式转换机理中，开始的时候层状生长 的自由能较低； 但其后，岛状生长的自由能变低了，岛 状生长反而变得更有利了。
第12页/共34页
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。
2、在 Si的（111 ）晶面上外延生长 GaAs,由于第一层拥有五 个价电子的As原子不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到 饱和，而且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。 这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变 为三维的岛状生长。

薄膜的形成过程及生长方式ppt课件


• 5.1.1 形核
• 形核是薄膜的诞生阶段，从本质上讲
是一个气－固相变的过程。
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3
• 薄膜通常通过材料的气态原子凝聚而 形成。在薄膜形成的最早阶段，原子凝 聚是以三维方式开始的，然后通过扩散 过程核长大形成连续膜。
• 薄膜新奇的结构特点和性质大部分归
因于生长过程，所以薄膜生长是最为基 本的。
• 非自发形核则指的是除了有相变自由能 做推动力外，还有其他的因素起着帮助 新相核心生成的作用。
精品课件
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• 温度越高，则需要形成的临界核心
的尺寸越大，形核的临界自由能势垒 也越高，这与高温时沉积的薄膜首先 形成粗大的岛状组织相吻合。
• 低温时，临界形核自由能下降，形 成的核心的数目增加，将有利于形成 晶粒细小而连续的薄膜组织。
薄膜的形成过程及生长方式
• 主讲人：张宝贤 • 学号：12191082 • 班级：12级3班
精品课件
1
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
精品课件
2
5.1、薄膜生长过程概述
• 薄膜的生长可划分为两个不同阶段：
•
新相的形核阶段
•
薄膜的生长阶段
精品课件
14
• 由图中 可以看 出，随 着温度 的提高， 薄膜密 度上升。
精品课件
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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。
精品课件
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5.3.3 高温热激活型薄膜生长

第八章薄膜生长基础


每个临界核心的表面积
dt
A = 4πr 2
sP 2πmkT
气相原子流向新相核心的净通量 dσ = ζ v 0 Ps =
起始沉积过程分类
S ∑ = σS D =
E ED σ exp( d ) σm RT
σ = ξ vτ
ζv =
nv = 4 P 2πmkT
起始不易沉积状态（不发生凝结） ① 起始不易沉积状态（不发生凝结 N σ m ; S ∑ 1
τ = τ 0 exp(
Ed ) RT
此时所有原子的俘获面积只能够覆盖部分衬底，俘获面积重叠的概率可以忽略， 此时所有原子的俘获面积只能够覆盖部分衬底，俘获面积重叠的概率可以忽略，一般在驻留时 间内两个原子不能结合成核， 间内两个原子不能结合成核，衬底上将保持一定密度的单个增原子作扩散运动并有很大的概率 再蒸发．这种情形被称为起始不易沉积状态． 再蒸发． 这种情形被称为起始不易沉积状态．
层状在成膜初期，按二维层状生长，形成数层之后， 层状-岛状模式 在成膜初期，按二维层状生长，形成数层之后，生长模式转化为岛状模
导致这种模式转变的物理机制比较复杂，例如Si基板上的 薄膜。 基板上的Ag薄膜 式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，例如 基板上的 薄膜。
举例： 层状而后岛状的复合生长 举例：先层状而后岛状的复合生长——物理机制 物理机制
薄 膜 生 长 基 础
薄膜形核与生长的物理过程
表面吸附 气相原子吸附在基体表面上 表面扩散 小原子团凝结在基体表面上 形核 小原子团和其他吸附原子碰撞结合或释放
一个单原子。反复进行， 一个单原子。反复进行，一旦原子团中的原子数超 过某一个临界值， 过某一个临界值，原子团进一步与其他吸附原子碰 撞结合，只向着长大方向发展形成稳定的原子团； 撞结合，只向着长大方向发展形成稳定的原子团； 临界晶核：含有临界值原子数的原子团； 临界晶核：含有临界值原子数的原子团； 亚稳定晶核：小于临界晶核； 亚稳定晶核：小于临界晶核； 稳定晶核：大于临界晶核； 稳定晶核：大于临界晶核；
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基片的选择与处理原则
选择原则
• 实用性：针对实际的应用背景； • 分析要求：满足成分、结构、形貌分析对样品尺寸的要求； • 性能测试：满足物理性能测试对样品尺寸、形状、导电性、 透明度的要求；
处理原则
• 清除表面污染； • 有利于改善薄膜质量和性能；
薄膜的成核
核的形成与长大
成核阶段 粗化阶段 饱和阶段
基片表面缺陷对成核的影响
– 表面缺陷的类型：
• • • • • • • 点缺陷： 局域缺陷： 表面晶界： 表面台 nm
10
1
Si (100) Si (111)
=0.080.02 =0.51
=0.63
=0.250.01
存在三个取向
-FeSi2/Si(111)
基片对成核的影响
基片取向与外延关系
-FeSi2 a=0.986 nm b=0.779 nm c=0.788 nm -FeSi2(100)//Si(100) -FeSi2[110]//Si[010]
存在一(2)个取向
-FeSi2/Si(100)
基片对成核的影响
基片错切与外延生长
cos cos( ) (1 f )
基片点阵倾角
晶格点阵倾角
基片对成核的影响
错配位错与临界薄膜厚度
– 相干薄膜：
• 无位错； • 应变大；
– 非相干薄膜：
• 有位错 • 应变小；
– 相干长度：
b dc ln(d c / b) 4Yf
平均高度
基片对成核的影响
– 热应力的起源：
• 热膨胀系数： • 沉积温度：
– 热应力与膜厚：
推荐进一步阅读的文献
Materials Science of Thin Films
Deposition and Structure
Milton Ohring著，Academic Press出版
– 薄膜的组织形态：
• • • • 单晶薄膜 织构薄膜 多晶薄膜 非晶薄膜 生 长 方 向
二次成核/织构生长 取向竞争阶段 成核阶段
成核与薄膜生长
影响薄膜生长的因素
– 基片温度：
• TS/TM<0.3 柱状/多晶/非晶 • 0.3<TS/TM<0.45 柱状 • TS/TM>0.5 外延晶粒单晶薄膜
– 沉积与扩散：
• 沉积速率：R • 扩散系数：D • 标度量：S=D/R
成核与薄膜生长
影响薄膜生长的因素
– 阴影效应：
• • • • 阴影效应与沉积流： 阴影效应与气体扩散； 气压对阴影效应的影响； 阴影效应对晶粒生长方向的影响；
tan 2 tan

成核与薄膜生长
生长温度与薄膜应力
薄膜的成核
核的粗化
温度的影响 沉积时间的影响
100K 300K 400K 450K
基片对成核的影响
热力学观点
2r 3 G GV r 2 Gs 3 1 2 2 Gs ( f )YhA 2 as a f 2 A r f a f 2D3D
G 0 r 2 2 1 ( f )Yh 2 r' GV 2 h' 2 2 ( f )Y
10
-2
Island density N()
10 10 10 10 10
-3
-4
-5
Tp=5x10 sec Tp=5x10 sec Tp=5x10 sec DC deposition
-12 -9
-6
-6
-7
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
Coverage
薄膜的成核
成核与基片温度
限制性扩散成核 非限制性扩散成核
=0.74
10
0
=1.04
10
-1
10
1
10
2
10
3
Depostion time / s
基片对成核的影响
基片处理与薄膜生长
– 基片处理与表面形貌：
Annealed in vacuum
Annealed in O2
Un-treated
Annealed in N2
基片对成核的影响
基片处理与薄膜生长
Web site://202.118.70.130; Email to: qyzhang@
基片的选择与处理
单晶基片
Si基片
• 基片的取向: (001)、(111) • 基片的电阻：低阻、高阻 • 基片的表面氧化
基准线
基准线
基片的选择与处理
单晶基片
Si基片的表面处理方法
基片的选择与处理
非晶基片
石英基片
• • • • • 基片取向：无晶粒取向； 基片表面：表面光洁度比较低； 表面稳定性：不存在表面氧化层； 清洗方法：在丙酮、乙醇、去离子水中，用超声波清洗 表面处理：离子束轰击；
玻璃基片
• 与石英基片类似； • 表面光洁度比较低、紫外吸收和熔点比较低；
基片的选择与处理
错配位错与临界薄膜厚度
– GexSi1-x/Si
Y 2 4 2trms / 2
基片对成核的影响
缺陷的起源及基片位错的影响
析出相或空洞
卵形缺陷
刃位错传播 失配位错 螺旋位错
堆垛层错
基片对成核的影响
基片表面重构的影响
ZnO on Si(001)
ZnO on quartz
基片对成核的影响
– 成核初期，f很小；当成核与生长重叠时， f迅速增加；成核 饱和后， f=1； – 若认为f=0.95为成核完成，则成核密度和成核尺寸为：
2/3 N N 1.42 G 1/ 3 G 0.9 N
d grain
成核与薄膜生长
生长过程的划分
基片的选择与处理
多晶基片
不锈钢基片
• • • • • 基片取向：基片表面存在多种晶粒取向，一般无织构； 基片表面：存在抛光划痕； 表面稳定性：可能有表面氧化层； 清洗方法：在丙酮、乙醇、去离子水中，用超声波清洗 表面处理：离子束轰击；
其它多晶基片
• 与不锈钢基片类似； • 长时间放置可能存在表面氧化和锈蚀；
成核与生长过程的划分
成核、粗化与生长:
• 成核与生长的转化方程：
– 薄膜的成核与生长过程与体材料是相似的，其成核与生长过 程的转化动力学过程可以用二维Avrami方程描述； – 转化系数：
2 3 f (t ) 1 exp NG t 3 线性生长速率 成核速率
• 清洗处理的方法 ：
– 将Si片分别放入丙酮、乙醇、去离子水中，用超声波清洗5 min； – 在体积比为3:1的 H2SO4+H3PO4的溶液中浸泡20小时，去除 Si基片表面的油污及其它污染物； – 用去离子水冲洗；
• 表面的本征氧化层剥离方法：
– 在5%的HF酸溶液中腐蚀2 min，以便剥离掉Si基片表面的本 征氧化层； – 经去离子水冲洗，用干燥N2气吹干后，快速放入真空室。
基片的选择与处理
单晶基片
蓝宝石基片
• 基片的取向: (001)、(110)/(1120) • 基片的表面：错切与台阶 • 基片的表面处理
未经处理
真空退火
氮气环境退火
氧气环境退火
基片的选择与处理
单晶基片
其它单晶基片
• • • • • • 基片取向 匹配度 表面稳定性 清洗方法 表面处理
薄膜的平 均应变， 与薄膜厚 度有关；
转变的临 界厚度；
基片对成核的影响
错配度与生长模式
– 层状生长条件：
• s>f • f 比较小
– 岛状生长条件：
• s<f
基片对成核的影响
错配与外延生长
+
+
+
+
弛豫生长
比配生长 应变生长
基片对成核的影响
错配的成核非对称性
-1.4
Eadh / eV/atom
-1.5 -1.6 -1.7 -1.8 -1.9 -2.0 0 20 40 60 100 Number of atoms in 80 the island 120
Cu/Au(001) Au/Cu(001)
基片对成核的影响
错配与外延取向
基片对成核的影响
基片取向与外延关系
-FeSi2 a=0.986 nm b=0.779 nm c=0.788 nm -FeSi2(101)//Si(111) _ -FeSi2[010]//Si[110]
生长篇 基片、成核与薄膜生长
Substrate, Nucleation and Film growth
Qing-Yu Zhang
State Key Laboratory of Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
– 基片处理对薄膜生长的影响：
Annealed in vacuum
Annealed in O2 Un-treated
Annealed in N2
基片对成核的影响
基片处理与薄膜生长
– 过渡层技术：
Without low-T growth
With low-T buffer layer
成核与薄膜生长