（凝聚态物理专业论文）液相基底表面金属薄膜的形成机理和表面粗糙机制的afm研究.pdf

、 ”卜 卜 a f ms t u d i e so nt h eg r o w t hm e c h a n i s ma n ds u r f a c e r o u g h e n i n go fm e t a l l i cf i l m so nl i q u i ds u b s t r a t e s a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 b u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： e x t e m a lr e v i e w e r s ： e x a m i n i n g c o m m i e x a m i n i n gc o m m i t t e e m e m b e r s ： d a t eo f o r a ld e f e n s e ：2 q q 窆生且三q 旦 蛐iui1洲o 4jjji_7，iiii-洲y lj ? 。一r _ j 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝堑太堂或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：声正；次 签字日期： 加。7 年厂月弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙堑太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙堑太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 序正 ， 签字醐：勿7 年岁月刎 导师签名： 眯彰伊 签字日期娜厂年石月2 ，日 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 致谢 本研究及学位论文是在我的导师叶高翔教授的亲切关怀和悉心指导下完成。 从课题的选择到研究的最终完成，叶老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。 衷心感谢导师叶高翔教授四年来对作者的悉心指导和关怀。导师渊博的知识，严 谨、求实、创新的治学态度，活跃的思维和敏锐的洞察力给了我很大启发，而且 必将影响我一生的科研和工作。更重要的是，叶教授的言传身教，让我懂得了为 人的道理和怎样正确面对人生路上的挫折和失败。在此，谨向导师致以最深的谢 意。 感谢夏阿根教授、杨波副教授，陶向明副教授和金进生副教授，正是他们在 作者攻读博士期间给予科研上的指导和生活上的大力支持和帮助，才使得本人可 以顺利完成学业。 感谢谢建平、张初航、张晓飞、吕能、葛昀洲、潘启发、陈苗根、冯元新、 方轶君、章盛林和s a i d a a j e e p 等师兄师姐们的合作与有益讨论。 最后，感谢我的家人对我学业的支持和帮助。 谢谢你们! 房正浓 二零零九年四月于浙江大学 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 摘要 许多研究结果表明，薄膜的生长机理、表面形貌和微观结构主要依赖于制备 方法与基底特性。自从二十世纪九十年代发现液体表面可用作薄膜生长的基底以 来，人们已经对沉积在液相基底表面一些金属薄膜的成膜机理、微观结构和物理 特性等进行了系统地研究。 本论文采用热蒸发沉积方法在硅油基底表面成功制备了超薄铝( a 1 ) 和镍 ( n i ) 金属薄膜系统，利用原子力显微镜( a f m ) 研究了它们的成膜过程、微 观结构以及在纳米尺度范围内的表面动力学标度行为和表面粗糙机理。实验发 现：与其它金属薄膜的情况基本类似，沉积在硅油表面的金属铝和镍薄膜的成膜 机理均近似符合二阶段生长模型，即沉积原子先凝聚成尺寸为一定大小的准圆 形原子团簇，然后经过无规扩散和转动，逐渐形成分枝状凝聚体。随着名义膜厚 d 的增加，分枝状凝聚体不断生长和相互连接，最后演变成致密的连续薄膜。 我们利用a f m 对从不连续到连续的铝和镍薄膜系统进行了进一步的研究。 研究表明：铝和镍原子团簇和分形凝聚体均由尺寸为更小的呈现高斯分布的原子 颗粒组成；原子颗粒的最概然直径具有1 0 1 n i 1 量级；在一定的沉积速率下， 铝原子颗粒的西m 随着d 的增加而没有明显变化，而镍原子颗粒的瓯随着d 的 增加而减小。研究表明：在沉积过程中，原子颗粒的尺寸变化主要依赖于凝聚核 的数密度与沉积速率。在沉积过程中，随着d 增加，若凝聚核的数密度增加较快， 使得每个原子颗粒可以捕捉到的平均沉积原子数目减少，原子颗粒的函m 随着d 增加而减小；若凝聚核的数密度增加与沉积速率同步，使得每个原子颗粒因捕捉 新的沉积原子而引起的尺寸变化与核增加而引起的的变化相平衡，结果原子 颗粒的随着d 增加而没有明显变化。 对a l 和n i 薄膜系统的动力学标度行为和表面粗糙机理进行了研究。运用 a f m 软件的测量功能，测量了两种薄膜在不同名义厚度下的表面方均根粗糙度 ( w r r n s ) 和一维功率频谱密度( 1 d p s d ) 。分析随d 变化的规律，发现舢 薄膜的生长指数= 0 2 3 0 0 5 ，n i 薄膜= 0 3 2 0 0 5 。分析不同d 薄膜样品 的1 d p s d ，发现a l 薄膜的粗糙指数则随着d 的增加从口l 变化到 1 ，n i 薄膜 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 口= o 7 0 1 。按已有的理论对照分析，我们发现a l 薄膜的表面动力学标度行为 符合v l s ( v i l l a i na n dl a i d a s s a r m a ) 方程预测的结果。a l 薄膜系统的表面粗糙机 制为：当a l 膜非常薄时，表面扩散占主导地位，非线性粗糙基本不起作用；而 随着薄膜厚度的增加，表面扩散作用与非线性粗糙作用会达到平衡。而n i 薄膜 系统，在我们研究的厚度范围内则有动力学多标度行为现象。n i 薄膜系统的生 长指数和粗糙指数表明，在其形成过程中的动力学标度行为符合 w v ( w o l f - v i l l a i n ) 方程和v l s 方程共同作用的结果。在n i 薄膜的生长过程中， 表面扩散、非线性粗糙和白噪声粗糙起着共同的作用。 本文各章节内容安排如下： 第一章：综述了固相基底表面薄膜的成膜机理、计算机模拟模型和表面粗糙 机理的研究现状，并进一步介绍了液相基底表面金属薄膜的成膜机理、微观结构 和物理特性等方面的研究。 第二章：研究了液相基底表面铝薄膜的形成过程和微观结构。铝原子分形凝 聚体由尺寸更小的原子颗粒组成。铝原子颗粒的最概然直径随名义厚度基本不 亦 一) 0o 第三章：研究了液相基底表面镍薄膜的形成过程和微观结构。镍原子分形凝 聚体中原子颗粒的最概然直径随名义厚度的增大而迅速减小。 第四章：研究了铝和镍薄膜的表面动力学标度行为规律，分析了与之对应的 表面粗糙机理，并揭示了与生长过程对应的生长机理。 渐江大学博士学位论文凝聚态物理 a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h i nf i l m s d e p e n dc l o s e l yo nt h en a t u r eo ft h es u b s t r a t e s s i n c et h ef a c tt h a tt h el i q u i ds u r f a c e s c a nb eu s e da st h i nf i l ms u b s t r a t e sw a sd i s c o v e r e di n 19 9 0 s ，t h ef o r m a t i o n m e c h a n i s m ，m i c r o s t r u c t u r e sa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so fm e t a l l i ct h i nf i l m so nl i q u i d s u b s t r a t e sh a v e b e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y u l t r a - t h i na la n dn if i l m s ，d e p o s i t e do nl i q u i ds u b s t r a t e s ( i e s i l i c o n eo i l s u r f a c e s ) b yv a p o rp h a s ed e p o s i t i o nm e t h o d ，h a v eb e e nf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l ya n d t h e i rg r o w t hp r o c e s s e s ，m i c r o s t r u c t u r e s ，d y n a m i cs c a l i n gb e h a v i o si nn a n o s c a l ea s w e l la ss u r f a c er o u g h e n i n gm e c h a n i s m sh a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n i ti sf o u n df i r s t l yt h a tt h eg r o w t hp r o c e s s e so ft h ea 1a n dn if i l m sa p p r o x i m a t e l y o b e yt h et w o - s t a g eg r o w t hm o d e l ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h a to ft h eo t h e rm e t a l l i ct h i n f i l ms y s t e m so nl i q u i ds u b s t r a t e s t h ef i r s ts t a g ei n v o l v e sn u c l e a t i o na n dg r o w t ho f c o m p a c ta t o m i c c l u s t e r s i nt h es u b s e q u e n ts t a g e ，t h ec l u s t e r sd i f f u s ea n dr o t a t e r a n d o m l yo nt h el i q u i ds u r f a c ea n dt h e nr a m i f i e da g g r e g a t e sa res h a p e d c o n t i n u o u s f i l m sf i n a l l yf o r mo nt h el i q u i ds u b s t r a t e sd u et ot h eg r o w t ha n dc o n n e c t i o no ft h e s e r a m i f i e da g g r e g a t e s f u r t h e rs t u d i e so nt h ea la n dn is y s t e m sb ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) a r e p r e s e n t e d i ti sf o u n dt h a tb o t ht h en ia n da la t o m i cc l u s t e r sa n dr a m i f i e da g g r e g a t e s e x h i b i tg r a n u l a rm i c r o s t r u c t u r e sa n dt h em e a ns i z eo ft h eg r a i n si so ft h eo r d e ro f10 l n l n t h ed i a m e t e rs i z eo ft h eg r a n u l a r i t i e so b e y sag a u s s i a nd i s t r i b u t i o n i ft h e d e p o s i t i o nr a t er e m a i nu n c h a n g e da n dt h en o m i n a lf i l mt h i c k n e s si n c r e a s e s ，t h em e a n s i z eo ft h en ia t o m i cg r a i n sd e c r e a s e sq u i c k l yw h i l et h a to ft h ea la t o m i cg r a i n sd o e s n o tc h a n g eo b v i o u s l y d u r i n gt h ed e p o s i t i o np r o c e s s ，t h eg r o w t ho ft h ea t o m i cg r a i n m a i n l yd e p e n d so nt h ed e n s i t yo fn u c l e ia n dd e p o s i t i o nr a t e a st h en o m i n a lf i l m i v 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 t h i c k n e s si n c r e a s e s ，t h ed e n s i t yo fn u c l e ig o e su pr a p i d l ya n dt h e r e f o r et h ea v e r a g e n u m b e ro ft h ea d a t o m st h a te a c hg r a i nc a nm e e td e c r e a s e s ，w h i c hf i n a l l yr e s u l t si n t h ed e c r e a s eo ft h em e a nd i a m e t e r i fi n c r e a s i n go ft h ed e n s i t yo fn u c l e ia n dk e e p i n g p a c ew i t ht h ed e p o s i t i o nr a t e ，t h ei n c r e a s eo ft h ed i a m e t e ro ft h ea t o m i cg r a i no w i n g t oi t sc a p t u r i n gs o m en e wa d a t o m sw i l lk e e pab a l a n c ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u c l e i w h i c hr e s u l t si nt h es a t u r a t i o no ft h em e a nd i a m e t e ro ft h ea t o m i cg r a i n s b o t ht h eu l t r a - t h i na ia n dn if i l m se x h i b i tas e l f - a f f i n es u r f a c em o r p h o l o g ya n dt h e r e f o r e t h e i rd y n a m i cs c a l i n gb e h a v i o ra n a l y s i si nn a n o s c a l ea n ds u r f a c er o u g h e n i n gm e c h a n i s m a n a l y s i s a r ep e r f o r m e d t h er o o t - m e a n s q u a r er o u g h n e s s ( w r m j ) a n dt h ef r e q u e n c ys p e c t r u mo ft h e ( 1d p s d ) w e r em e a s u r e db yt h ea f ms o f t w a r e i ti sf o u n dt h a t ：i nt h ea is y s t e m ，t h eg r o w t h e x p o n e n t = 0 2 3 o 0 5 ，a n di nt h er a n g ed = o i 1 0a m ，t h er o u g h n e s se x p o n e n t 口 v a r i e sf r o m 口1t o 1 ；i nt h en is y s t e m ，= 0 3 2 o 0 5a n d 口= 0 7 o 1 c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a ls t a t i s t i c a lg r o w t hm o d e l s ，w ef o u n dt h a tt h ed y n a m i cs c a li n gb e h a v i o ro ft h e a if i l m sc a nb ew e l le x p l a i n e db yt h ev l s ( v i l l a i na n dl a i d a s - s a r m a ) e q u a t i o n w h i l et h e d y n a m i cs c a l i n gb e h a v i o ro f t h en if i l m sm a y b eam u l t i s c a l i n gr e s u l to f t h ew v ( w o l f - v i l l a i n ) a n dv l se q u a t i o n b a s e dt ot h ee x p o n e n t a lv a l u e so ft h ea i a n dn is y s t e m s ，t h es u r f a c e r o u g h e n i n gm e c h a n i s m sw e r ea n a l y s e d i nt h ea is y s t e m ：i nt h ee a r l yg r o w t hs t a g e t h es m o o t h i n gt e r mo fs u r f a c e d i f f u s i o nw o u l dd o m i n a t ea ts m a l lt i m es c a l e sa n dt h en o n l i n e a rr o u g h e n i n gt e r md o e s n o tp l a yar o l e ；a st h ed e p o s i t i o np r o g r e s s ，t h en o n l i n e a rr o u g h e n i n gt e r mb e g i n st o p l a ya ni m p o r t a n tr o l ea n df i n a l l yt h et h i nf i l ms u r f a c ea p p r o a c h e st h es i t u a t i o nw h i c h r e s u l t si nab a l a n c eb e t w e e nr o u g h e n i n gm e c h a n i s ma n ds m o o t h i n gp r o c e s s e s v 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 i nt h en is y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h en o n l i n e a rr o u g h e n i n g t e r mo fs h a d o w i n ga l w a y sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e p o s i t i o np r o c e s s t h et h i n f i l ms u r f a c em a y b ei nt h es i t u a t i o nt h a tt h e r ei sac o m p e t i t i o nb e t w e e nt h er o u g h e n i n g m e c h a n i s mc a u s e db ys h a d o w i n ga n dw h i t en o i s ea n ds m o o t h i n gp r o c e s sc a u s e db y t h es u r f a c ed i f f u s i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e ri ，ab r i e fr e v i e wo ft h eg r o w t hm e c h a n i s mo ft h i nf i l ms y s t e m so n s o l i ds u b s t r a t e sa n dt h er e s e a r c hp r o g r e s so nd y n a m i cs c a l i n gb e h a v i o ra n ds u r f a c e r o u g h e n i n gi sg i v e n t h e nt h er e s e a r c ho nt h ef o r m a t i o np r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r e sa n d p h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h em e t a l l i ct h i n f i l m sd e p o s i t e do nl i q u i ds u b s t r a t e si s i n t r o d u c e d i nc h a p t e ri i ，t h ef o r m a t i o np r o c e s s so ft h ea 1f i l ms y s t e md e p o s i t e do nl i q u i d s u b s t r a t e si ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ea 1a t o m i cr a m i f i e d a g g r e g a t e si ss t u d i e db ya f m i nc h a p t e ri i i ，t h ef o r m a t i o np r o c e s s so ft h en if i l ms y s t e md e p o s i t e do nl i q u i d s u b s t r a t e si ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h en ia t o m i cr a m i f i e d a g g r e g a t e si ss t u d i e db y a f m t h ed e p e n d e n c eb e t w e e nt h em e a nd i a m e t e r so ft h ea l a n dn ia t o m i cg r a i n sa n dt h en o m i n a lf i l mt h i c k n e s sa ler e v e a l e d i n c h a p t e ri v , t h ed y n a m i cs c a l i n g b e h a v i o r sa n ds u r f a c e r o u g h e n i n g m e c h a n i s m so ft h ea la n dn if i l ms y s t e m sa l es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y - v i - 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 目录 致i 射i 摘要i i 目录 第一章绪论l 1 1 薄膜生长及理论模型1 1 1 1 薄膜生长基本模式1 1 1 2 薄膜生长初期理论模型3 1 2 薄膜自相似结构及表面粗糙机制研究现状6 1 2 1 薄膜自相似结构和表面粗糙表征方法6 1 2 2 动力学标度行为和表面粗糙机制8 1 3 液相基底表面金属薄膜研究1 3 1 3 1 生长过程及其计算机模拟1 3 1 3 2 物理特性研究18 1 4 本文研究内容及其意义2 1 参考文献2 4 第二章硅油基底表面铝薄膜形貌及微观结构2 9 2 1 引言2 9 2 2 实验方法3 0 2 3 实验结果和分析3 1 2 3 1 铝原子分形凝聚体形貌及特性3 1 2 3 2 铝原子分形凝聚体微观结构及特性3 4 2 3 3 铝原子凝聚体的弛豫特性3 6 2 4 结论一4 3 参考文献4 4 第三章硅油基底表面镍薄膜形貌及微观结构4 6 3 1 引言4 6 3 2 实验方法4 6 3 3 实验结果和分析4 7 3 3 1 镍原子分形凝聚体形貌及特性4 7 3 3 2 镍原子分形凝聚体微观结构及特性5 1 3 3 3 不同沉积速率镍薄膜的形貌5 3 3 3 4 边缘效应5 7 3 4 结论5 8 参考文献6 0 浙江大学溥士学位论文凝聚态物理 第四章硅油基底表面铝和镍薄膜表面粗糙机制和生长机理研究6 2 4 1 引言6 2 4 2 理论及分析6 3 4 3 超薄铝薄膜表面粗糙机制和生长机理6 5 4 3 1 自相似铝薄膜表面6 5 4 3 2 铝薄膜表面动力学标度行为6 8 4 3 3 铝薄膜表面粗糙机制和生长机理7 l 4 4 超薄镍薄膜表面粗糙机制和生长机理7 3 4 4 1 镍薄膜中团簇堆积现象7 3 4 4 2 镍薄膜表面动力学标度行为7 5 4 4 3 镍薄膜表面粗糙机制和生长机理7 7 4 5 结论7 9 参考文献8 0 附录a ：实验材料的主要物理参数8 2 附录b ：原子力显微镜工作原理8 3 附录c ：分形维数的测量8 5 附录d ：攻读博士期间已发表和待发表的论文目录8 7 附录e ：学术会议论文及参与科研项目8 8 v i i ! 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 第一章绪论 随着固态高科技产业的迅速发展，薄膜科学和技术也愈来愈受到重视，薄膜 科学的研究成果转化为生产力的速度也愈来愈快。随着对薄膜制备技术、生长机 理、表面形貌和特性分析的大量研究，薄膜产品已经在工业上有诸多方面的应用， 如应用在电子元器件、集成光学、电子技术、红外技术、激光技术以及航天技术 和光学仪器等各个领域【1 。7 1 。 沉积在固相基底表面的各类薄膜，因其具有固定的形状和微观结构及较稳定 的物理特性，所以人们对此类薄膜进行了深入的研究，在实验和理论上均已相当 成熟【8 。2 4 1 。为了开发新型功能薄膜和材料并稳定控制其微观结构和物理性能，人 们不断地从实验和理论上精确控制和理解薄膜的初始生长过程，同时不断探索采 用不同的制备方法和技术来开发和提高材料的物理性能。制备薄膜的方法也很 多，如蒸发、溅射、离子镀等物理气相沉积方法和各种化学气相沉积方法等【1 ，2 1 。 1 9 9 6 年，y e 等人首次尝试采用液体基底( 硅油) 生长金属银薄膜并取得成功 2 5 , 2 6 1 ， 开创了液面镀膜这一崭新的科学研究领域。从此，对沉积在液体表面的金属薄膜 的研究引起了人们广泛的关注，并已取得了很大进展【2 7 枷1 。 本章将首先综述固相基底表面薄膜生长的基本模式及其计算机模拟、分形薄 膜表面的动力学标度行为和表面粗糙机制的研究现状；然后，介绍近十年来在液 相基底表面金属薄膜的成膜机理、微观结构及物理特性等方面所取得的进展；最 后，给出本论文的研究内容及其意义。 1 1 薄膜生长及理论模型 1 1 1 薄膜生长基本模式1 薄膜的形成过程从形态学角度来看，可分为以下三种生长模式：1 、二维生 长( f r a n k v a nd e rm e r w e 或f m ) 模式；2 、三维生长( v o l m e r - w e b e r 或v - w ) 模式； 3 、二维生长后的三维生长( s t r a n s k i k r a s t a n o v 或s k ) 模式。三种生长模式的示意 图见图1 1 。 1 薄膜二维生长( f m ) 模式 f m 模式也称为层生长模式。这种生长模式的特点是，蒸发原子首先在衬底 淅江大学博士学位论文凝聚态物理 表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三 层”，即所谓逐层( 1 a y e r b yl a y e r ，简称l b l ) 生长( 见图1 l ( a ) ) 。这种生长模式 多数发生在衬底原子与蒸发原子间的结合能接近于蒸发原子间的结合能的情况 下，即湿润角( 薄膜- 9 衬底之间的张角) 接近为零的情形，所生长薄膜的晶向基本 上由第一层的晶向所决定。逐层生长的过程大致如下：入射到衬底表面上的原子， 经过表面扩散并与其他原子碰撞后形成二维的核，二维核俘获周围的吸附原子便 生长为二维小岛。这类材料在表面上形成的小岛浓度大体是饱和浓度，即小岛间 的距离大致等于吸附原子的平均扩散距离。在小岛成长过程中，小岛的半径均小 于平均扩散距离，因此，到达小岛上的吸附原子在岛上扩散以后都被小岛边缘所 俘获。在小岛表面上吸附原子的浓度很低，不容易在三维方向上生长。也就是说， 只有在第r 层的小岛已长到足够大，甚至小岛已相互结合，即第行层已接近完全 形成时，第n + l 层的二维晶核或二维小岛才有可能形成，因此薄膜是呈层状的形 式生长。 ( a ) 图1 1薄膜生长三种模式的过程示意图 ( a ) - - 维生长( 层生长型) 模式，( b ) 三维生长( 核生长型) 模式， ( c ) - 单- 层二维生长后的三维生长( 层核生长型) 模式。 ( c ) 2 薄膜三维生长( v - w ) 模式 v - w 模式也称为核生长模式或岛状生长模式( 见图1 1 ( b ) ) ，是到达基底表 面的原子在基底表面粘附、扩散、相互会合而形成原子团簇；当原子团簇的尺寸 超过某一临界值之后，就成为稳定的核；随着沉积过程的继续，基底表面上核的 密度很快达到饱和，并继续扩大而形成岛，岛逐渐连接成网状，最后形成连续薄 浙江大学博士学位论文凝聚态物理 膜。这种成膜方式发生在薄膜与衬底材料属于不同种类的晶体结构或其中一个为 非晶结构的场合，大部分薄膜的形成过程都属于这一类型。理论分析和电子显微 镜的观察结果都表明，核生长型的薄膜其生长过程大致可分为四个阶段：成核阶 段、小岛阶段、网络阶段和连续薄膜。 3 薄膜二维生长后的三维生长( s k ) 模式 s k 模式也称为层核生长模式或混合( 层状+ 岛状) 生长模式，见图1 1 ( c ) 。 这种生长模式只有在衬底和薄膜原子相互作用非常强的情况下才会发生，即发生 在薄膜与衬底材料属于同种晶体结构但存在较大晶格失配的场合，其特点是，首 先在衬底表面生长一层或若干层单原子层，这种二维结构强烈地受衬底晶格的影 响，晶格常数由于应变的产生而有大的畸变。当外延层厚度达到某一临界值( 该 临界值由“外延层衬底”材料体系所决定) 时，外延层内的应变能也积聚到某一 阈值。一旦厚度超过该临界值，外延层将由于应力的部分释放而弛豫，形成晶核 状结构。然后再在这些晶核状生长层上吸附入射原子，并以核生长的方式形成小 岛，最终形成薄膜。在半导体衬底表面形成金属或合金化合物薄膜时，通常是按 该模式生长。 上述三种薄膜生长模式在几十年前就已经被提出，虽然实际情况并不是如此 简单，但许多复杂的薄膜生长过程常常可以把它分解成这三种基本模式进行讨 论，而且还可以通过改变试验条件实现生长模式间的相互转化。人们为了得到光 滑均匀的薄膜，采用了许多方法来实现二维生长【7 1 ，如减小原子层间跳跃的 e h r i l i c h s c h w o e b e l ( e s ) 势，提高岛的密度( 降低生长温度或提高沉积速率) ，提高 原子在岛上的运动速度。最近十几年的研究发现在同质或异质外延体系中可以通 过添加表面活性剂来实现层状生长模式【7 1 。最近有人还提出再现的逐层生长 ( r e e n t r a n tl a y e r - b y 1 a y e rg r o h ) 模式【4 1 ，4 2 1 。 1 1 2 薄膜生长初期理论模型 薄膜生长初期理论模型的建立是薄膜科学研究的重点。考虑多种影响薄膜生 长的因素，可以建立不同情况下薄膜生长的理论模型。由于计算机可在原子尺度 上模拟原子、分子成膜的结构和行为，正逐渐成为一种有力的分析研究手段。常 用的计算机模拟方法有： ( 1 ) 分子动力学( m o l e c u l a rd y n a m i c s ，m d ) 模拟4 3 彤1 ：这种方法是按该体系 浙江大学博士学位论文 凝聚态物理 内部的内禀动力学规律来计算并确定位型转变，即原子的运动- 9 特定的轨道联系 在一起。当核运动的量子效应可以忽略，以及绝热近似严格成立时，可以根据单 个原子与周围原子受到的作用力，计算每个原子的运行轨迹，从而计算原子运动 的位置等。分子动力学方法不存在任何随机因素，每个原子都服从经典的牛顿力 学。由于要处理大量动态的原子计算，对计算机的性能和算法要求较高。在实际 模拟中面临有限观测时间和有限系统大小的限制。 ( 2 ) 动力学蒙特卡洛( k i n e t i cm o n t ec a r l o ，k m c ) 模拟1 4 3 1 ：该方法是将微观粒 子动力学与m o n t ec a r l o 方法相结合，是将一个小的原子体系的能量计算，结合 m c 方法用于一个范围较大的原子随机过程。k m c 模拟结果依赖于模型的建立 和邻近原子的作用势计算。因而，有针对性地选择原子之间的势函数、确定参数、 原子间的作用对不同事件发生速率的影响关系的理论与计算方法，是k m c 模型 有效性的关键技术。 基于这些模拟方法，人们提出了多种模型用于模拟不同情况下薄膜的生长。 模拟成的常见的薄膜生长初期的理论模型主要有以下几种： 1 扩散限制聚集模型( d i f f u s i o n l i m i t e da g g r e g a t i o n ，d l a ) 4 5 , 4 6 1 1 9 8 1 年w i t t e n 等人为研究悬浮在溶液或大气中的金属粉末、煤灰和烟尘等 微粒的无规扩散凝聚过程而提出了著名的d l a 模型【4 5 1 ，其生长过程的模拟规则 如下：在一个具有正方格点和周期性边界条件的平面中心放一称为种子的粒子， 该粒子固定不动。然后在远离种子的随机位置释放另一个粒子，该粒子随机行走 并受如下规则的限制：( 1 ) 粒子运动到种子的相邻位置停止行走，即成为种子的 邻居( 凝聚) ，形成粒子团簇；( 2 ) 粒子运动到平面边界，停止运动并消失，或者根 据周期性边界条件从另一侧边界继续作无规行走。重复上述过程，直至最后在点 阵中央形成树枝状凝聚体( f r a c t a la g g r e g a t e ) 。由于粒子团簇的尺寸远小于点阵尺 寸，随机产生的粒子都在远处，因而粒子粘连在粒子团簇内部的几率远小于粘连 在外部枝条上的几率，所以该凝聚体结构较开放。二维时凝聚体的分形维数为 d 厂= 1 6 7 。d l a 模型给出的岛的平均分枝宽度为1 个原子宽度，而这种类型的岛 迄今尚未在试验中观察到。因为在真实的生长系统中，原子是连续、随机地沉积 到基底表面上的，而且到达岛边缘的沉积原子也不会立即稳定下来，而是沿着岛 边缘继续运动直到它到达一个能量更低的位置。z h a n g 等人根据实际的生长情况 浙江大学博士学位论文 凝聚态物理 提出了扩展的d l a ( e x t e n d e dd l a ) 模型【4 6 1 ，该模型考虑了沉积原子的岛边缘扩 散，得到了由较宽的分枝组成的分形岛。当进一步提高沉积原子沿岛边缘的扩散 能力，就会生长出紧致结构的l 马( c o m p a c ti s l a n d ) 4 7 1 。 2 团簇一团簇聚集模型( c l u s t e r - c l u s t e r a g g r e g a t i o n ，c c a ) t 4 8 , 4 9 1 c c a 模型是在二维或三维的格点位置随机分布许多粒子，然后让这些粒子 随机行走( 即某时刻随机选择一个粒子或粒子团簇作随机运动) 并遵守类似d l a 的规则：( 1 ) 相邻格点被粒子占据，则相邻格点的粒子成为一个整体而运动( 凝聚) ； ( 2 ) 符合周期性边界条件，即粒子团簇运动至边界外时从另一侧的边界进来。重 复上述过程，直至形成一个包含所有粒子的凝聚体。c c a 模型的凝聚没有固定 的凝聚中心，所以它形成的凝聚体结构更加开放。二维时凝聚体的分形维数为 巧31 3 2 1 5 。 3 沉积、扩散、聚集模型( d e p o s i t i o n ，d i f f u s i o na n da g g r e g a t i o n ，d d a ) f 5 0 】 d d a 模型的模拟规则如下：( 1 ) 沉积：粒子以每单位时间单位品格的速率厂 沉积到基底表面；( 2 ) 扩散：采用指数y 调节扩散系数随粒子团簇尺寸的变化，在 每单位时间内，所有粒子和团簇向随机选择的方向移动单位品格，每个团簇的扩 散系数为d 。s ，其中s 是团簇所包含的粒子数，y 为扩散指数；( 3 ) 凝聚： 当两个粒子或团簇运动到相邻位置，则粘合在一起而成为新的团簇。d d a 模型 是描述粒子在沉积过程中不断扩散和凝聚的计算机模型。在沉积初期，表面覆盖 率十分小，基底表面团簇的生长主要是由于团簇的扩散引起的，此时其生长机制 与c c a 模型十分相似，所得凝聚体的分形维数也与c c a 模型相近。随着时间 的不断增加，