第五章 薄膜的生长过程 和薄膜结构

薄膜生长过程概述 薄膜的生长过程直接影响薄 膜的结构以及它的最终性能， 膜的结构以及它的最终性能，像 其他材料的相变一样， 其他材料的相变一样，薄膜的生 长过程也可被分为两个不同的阶 段，即新相的形核与薄膜的生长 阶段。 阶段。

薄膜生长过程概述 薄膜形核的三种模式： 薄膜形核的三种模式： 实验观察到的薄膜生长模式可以被划分为以下三种： 实验观察到的薄膜生长模式可以被划分为以下三种： (1)岛状生长模式：这一生长模式表明，被沉积物质的原子或分 岛状生长模式：这一生长模式表明， 子倾向与自身相互键合起来，它们与衬底之间浸润性不好，因此 子倾向与自身相互键合起来，它们与衬底之间浸润性不好， 避免与衬底原子键合，从而形成许多岛，再由岛合并成薄膜，造 避免与衬底原子键合，从而形成许多岛，再由岛合并成薄膜， 成表面粗糙。 成表面粗糙。 (2)层状生长模式：当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被 层状生长模式：当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时， 沉积物质的原子便倾向于与衬底原子成键结合。因此， 沉积物质的原子便倾向于与衬底原子成键结合。因此，薄膜从形 核阶段开始即采取二维扩展模式，薄膜沿衬底表面铺开。 核阶段开始即采取二维扩展模式，薄膜沿衬底表面铺开。在随后 的沉积过程中，一直维持这种层状生长模式。 的沉积过程中，一直维持这种层状生长模式。

薄膜生长过程概述 (3)混合生长模式：在最开始一两个原子层厚度时采用层状生 混合生长模式： 长，之后转化为岛状生长。即先采用层状生长模式而后转化为岛 之后转化为岛状生长。 状生长模式。 状生长模式。

薄膜生长过程概述 导致这种模式转变的物理机制比较复杂， 导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根本原因应该可以 归结为薄膜生长过程中各种能量的相互抵消 薄膜生长过程中各种能量的相互抵消。 归结为薄膜生长过程中各种能量的相互抵消。被列举出来解释这一 生长模式的原因至少有以下三种： 生长模式的原因至少有以下三种： 1)虽然开始生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间 虽然开始生长是外延式的层状生长， 晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能逐渐增加。 晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能逐渐增加。 为了松弛这部分能量，薄膜在生长到一定的厚度之后， 为了松弛这部分能量，薄膜在生长到一定的厚度之后，生长模式转 化为岛状模式。 化为岛状模式。 2)在Si的(111)晶面上外

延生长GaAs时，由于第一层拥有五个 Si的 111)晶面上外延生长GaAs时 GaAs 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， 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 As原子不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和 且As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合，这有效的降低 As原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合， 原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合 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。 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。

薄膜生长过程概述 3)层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表 层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时， 面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能晶面。 面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能晶面。因此薄膜在 生长到一定厚度之后， 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。 显然，在上述各种机制中， 显然，在上述各种机制中，开始的时候层状生长的自由能 较低，但其后，岛状生长在能量上反而变得更加有力。 较低，但其后，岛状生长在能量上反而变得更加有力。 形核与生长的物理过程 核形成与生长的物理过程可用下图说明， 核形成与生长的物理过程可用下图说明，从图中可看出核的 形成与生长有四个步骤：(1)原子吸附(2)表面扩散迁移(3)原子凝 形成与生长有四个步骤：(1)原子吸附(2)表面扩散迁移(3)原子凝 原子吸附(2)表面扩散迁移(3) 结形成临界核(4)稳定核捕获其他原子生长 结形成临界核(4)稳定核捕获其他原子生长 (4)

薄膜生长过程概述

(1)原子吸附 (1)原子吸附

从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上， 从蒸发源蒸发出的气相原子入射到基体表面上，

其中一部分因能量较大而弹性反射回去， 其中一部分因能量较大而弹性反射回去，另一部分则吸附在基 体上。 体上。在吸附的气相原子中有一小部分因能量稍大而再蒸发出 去。

薄膜生长过程概述 (2)表面扩散迁移 (2)表面扩散迁移 吸附气相原子在基体表面上扩散迁移， 吸附气相原子在基体表面上扩散迁移，互相碰 这种原子团和其他吸附原子碰撞结合

撞结合成原子对或小原子团，并凝结在基体表面上。 撞结合成原子对或小原子团，并凝结在基体表面上。 (3)原子凝结形成临界核 (3)原子凝结形成临界核 ，或者释放一个单原子。这个过程反复进行，一旦原子团中的原 或者释放一个单原子。这个过程反复进行， 子数超过某一个临界值，原子团进一步与其他吸附原子碰撞结合 子数超过某一 …… 此处隐藏：2965字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……