北京科技大学材料科学学院：《薄膜材料与纳米技术 Thin Film Materials & Nanotechnology》第七讲 薄膜材料的微观组织 Microstructures of thin films

薄膜材料与纳米技术 Thin Film Materials Nanotechnology 北京科技大学材料科学学院唐伟忠 62332475 E-mai wztang@mater.ustb.edu.cn 课件下载网址:wztangteaching(@sina.com 下载密码 123456

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第七讲 薄膜材料的微观组织 Microstructures of thin films

第七讲 薄膜材料的微观组织 Microstructures of thin films

提要 ◆薄膜的形核理论 ◆连续薄膜的形成 ◆薄膜微观结构的形成 ◆非晶薄膜、薄膜织构和外延薄膜 ◆薄膜的应力和附着力

提 要 ◆ 薄膜的形核理论 ◆ 连续薄膜的形成 ◆ 薄膜微观结构的形成 ◆非晶薄膜、薄膜织构和外延薄膜 ◆ 薄膜的应力和附着力

(111NaCl晶面上Ag的形核和薄膜生长过程 图中的数字指薄膜 的名义厚度

(111) NaCl晶面上Ag的形核和薄膜生长过程 图中的数字指薄膜 的名义厚度

薄膜非自发形核核心的示意图 气相 、心玉 扩量 o 8 薄膜一定是经由非自发形核过程凝结岀的新物质

薄膜非自发形核核心的示意图 薄膜一定是经由非自发形核过程凝结出的新物质

薄膜沉积过程简介 薄膜有特有的组织形态 其生长过程也可被分为两个阶段:新相的形核 薄膜的生长 形核:气态原子、分子在衬底表面开始凝聚 形成一些细小、可运动的原子团 6 ◆小岛不断接受新的原子,合并而长大 ◆新的表面又会形成新的小岛 ◆这一合并的过程达到数十纳米的时候才告结束 ◆孤立的小岛相互连接成片,只留下一些孤立的 孔洞和沟道

薄膜沉积过程简介 ◼ 薄膜有特有的组织形态 ◼ 其生长过程也可被分为两个阶段：新相的形核 、薄膜的生长 形核：气态原子、分子在衬底表面开始凝聚 ◆ 形成一些细小、可运动的原子团 ⎯⎯ “岛” ◆ 小岛不断接受新的原子，合并而长大 ◆ 新的表面又会形成新的小岛 ◆ 这一合并的过程达到数十纳米的时候才告结束 ◆ 孤立的小岛相互连接成片，只留下一些孤立的 孔洞和沟道

薄膜生长的三种模式 Volmer -Weber 息状生哲 Frank-van der merwe 状生长 Stranski-Krastanov /岛横生长

薄膜生长的三种模式 Volmer-Weber Frank-van der Merwe Stranski-Krastanov

薄膜生长的三种模式 岛状生长( Volmer- Weber)模式:在薄膜沉积时, 这是形成三维的新相核心 岛状核心的形成表明,被沉积物质与衬底之间 的浸润性较差;前者倾向于自己相互键合起来 层状生长( Frank- van der merwe)模式:薄膜从开 始起即采取二维铺展开的生长模式 表明被沉积物质与衬底之间的浸润性很好,被 沉积物质更倾向于与衬底原子相键合,已没有 意乂十分明确的形核阶段出现

◼ 岛状生长(Volmer-Weber)模式：在薄膜沉积时， 总是形成三维的新相核心。 岛状核心的形成表明，被沉积物质与衬底之间 的浸润性较差；前者倾向于自己相互键合起来 ◼ 层状生长(Frank-van der Merwe)模式：薄膜从开 始起即采取二维铺展开的生长模式 表明被沉积物质与衬底之间的浸润性很好，被 沉积物质更倾向于与衬底原子相键合，已没有 意义十分明确的形核阶段出现 薄膜生长的三种模式

薄膜生长的三种模式 层状-岛状( Stranski-Krastanov)生长模式:在最 开始的一两个原子层的层状生长之后,生长模 式从层状转为岛状模式 这种模式转变的机制较复杂,但其本质是薄膜 生长过程中各种能量的相互消长,比如 ◆外延时晶格常数并不匹配,应变能逐渐积累;随后 发生应变能的松弛 在表面能较高的晶面发生层状外延后,为降低表面 能,转变为低能面的生长 在S止上生长GaAs时,Sj所需要的三个键合电子被As 的五个外层电子所满足,且剩余一对电子,使表面 不再倾向于接受其他原子,即吸附了As原子的 S(11)表面已被钝化

◼ 层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式：在最 开始的一两个原子层的层状生长之后，生长模 式从层状转为岛状模式 这种模式转变的机制较复杂，但其本质是薄膜 生长过程中各种能量的相互消长,比如 薄膜生长的三种模式 ◆ 外延时晶格常数并不匹配，应变能逐渐积累；随后 发生应变能的松弛 ◆ 在表面能较高的晶面发生层状外延后，为降低表面 能，转变为低能面的生长 ◆ 在Si上生长GaAs时，Si所需要的三个键合电子被As 的五个外层电子所满足，且剩余一对电子，使表面 不再倾向于接受其他原子，即吸附了As原子的 Si(111)表面已被钝化

簿膜的形核 薄膜沉积的初期,要经历非自发形核阶段 ■非自发形核要有两个条件: 形核表面 相变自由能△Gv △G, kT py kr In 其中和冖是凝结相的平衡蒸气压和实际压力,J和是凝结 相的蒸发通量和沉积通量,Ω2是原子体积,上式还可写成 kT △Gv=-cln(1+S) 其中,S是气相的过饱和度。当气相存在过饱和现象时, △G<0,它就是新相形核的驱动力

◼ 薄膜沉积的初期，要经历非自发形核阶段 ◼ 非自发形核要有两个条件: 形核表面 相变自由能GV 薄膜的形核 J k T J p k T p G V ln ln V V  =   = 其中pv和p是凝结相的平衡蒸气压和实际压力，Jv和J是凝结 相的蒸发通量和沉积通量，是原子体积,上式还可写成 其中，S是气相的过饱和度。当气相存在过饱和现象时， GV<0，它就是新相形核的驱动力   G kT V = − ln(1+S)