薄膜力学-3-生长模式
- 格式:pdf
- 大小:85.36 KB
- 文档页数:16
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。
薄膜生长与制备技术简介一薄膜生长薄膜的生长过程直接影响薄膜的结构以及它的最终性能。
像其他材料的相变一样,薄膜的生长过程也可以划分为两个不同的阶段,即新相的成核与薄膜的生长过程。
1 薄膜气相成核1.1 成核的毛细作用理论这个理论模型是基于热力学概念,利用宏观物理量来讨论成核问题。
这个模型的优点是比较直观,一些物理量容易测量,理论计算和实验结构能直接进行比较。
由于采用宏观物理量,所以对原子数量较多的例子是适用的,而对原子团所含有原子数量少的情况,一些宏观物理参量的含义是不明确的。
1.1.1 自发形核理论自发成核,指的是整个成核过程完全是原子由气相转变为固相或液相的相变自由能推动下形成,也称为均匀成核。
在薄膜与衬底之间浸润性较差的情况下,薄膜的形核过程可以近似地认为是一个自发形核过程。
单位体积的固相在凝结过程中的相变自由能之差:(1)式中,P V和P分别是固相的平衡蒸气压和气相实际的过饱和蒸气压, Ω是原子体积,S是气相的过饱和度;M V和M分别是凝结相的蒸发通量和气相的沉积通量。
当气相存在过饱和现象时,∆G v<0,它就是新相形核的驱动力。
图1 自发形核过程示意图1.1.2非自发形核理论自发成核一般只发生在一些精心控制的过程之中。
在大多数相变过程中,成核的过程除了有相变自由能作推动力之外,还有其他的因素起着帮助新相核心生成的作用,即所谓成核的过程是非自发的。
新相的核心将首先出现在哪些能量比较有利的位置上。
假设在成核过程中,衬底表面的原子可以进行充分的扩散,即其扩散距离远大于原子的间距。
这时形成一个原子团时的自由能变化为:(2)式中,∆G v是单位体积的相变自由能,是薄膜成核的驱动力;γvf、γfs、γsv分别是气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)三者之间的界面能。
而a1、a2、a3是与核心具体形状有关的三个常数。
图2 薄膜非自发形核核心的示意图1.1.3 薄膜的成核速率成核速率强烈地依赖与过饱和度。