第5章 薄膜生长与薄膜结构.ppt

1 第五章薄膜生长与薄膜结构 2 什么是薄膜 厚度小于1 m的膜 薄膜生长概述 薄膜形成主要过程有 吸附 扩散 凝结 成核 生长 3 吸附按吸附作用力不同 将吸附分为物理吸附与化学吸附 薄膜的形成过程 此外 物理吸附受温度影响小 受吸附剂的比表面积和细孔分布影响较大 而化学吸附受温度影响大 受表面化学性质影响大 4 真空蒸发过程中吸附的位能曲线 吸附 薄膜的形成过程 5 表面扩散 薄膜的形成过程 吸附原子的表面扩散是凝结的必要条件原子扩散 形成原子对 凝结 平均表面扩散时间 平均表面扩散距离 6 凝结 薄膜的形成过程 指吸附原子在基体表面上形成原子对以及其后的过程 薄膜制备时 要达到完全凝结的工艺设计原则 提高淀积速率 降低基片温度 选用吸附能大的基片 7 形核与生长 三种主要模式 薄膜的形成过程 8 形核与生长 不同模式的影响因素 薄膜的形成过程 浸润性晶格匹配度表面能变化 9 形核与生长 物理过程 薄膜的形成过程 10 形核与生长 连续膜的形成阶段 薄膜的形成过程 11 连续膜的形成机制 形核初期形成的孤立核心将随着时间的推移而逐渐长大 这过程中除了涉及吸纳单个的气相原子核表面吸附原子外 还涉及核心之间的相互吞并和联合的过程 12 连续膜的形成机制 Ostwald吞并 驱动力 岛状结构的薄膜力图降低自身的表面自由能结果 较大的核心不断长大 较小的核心最终消失 13 连续膜的形成机制 熔结 熔结过程主要是两个相互接触的核心相互吞并的过程 驱动力 表面能的降低趋势 400 下不同时间MoS2衬底上Au核心相互吞并过程 14 连续膜的形成机制 原子团迁移 在衬底上形成的原子团有时也具有相当的活动能力 原子团的迁移由激活过程所驱使 激活能与原子团半径有关 原子团越小 激活能越低 原子团越容易迁移 岛的迁移 碰撞及合并长大机制 15 薄膜结构 晶带模型 Ts为衬底的温度Tm为沉积物质的熔点 溅射薄膜组织的四种典型断面结构以及衬底相对温度Ts Tm和溅射气压对薄膜组织的影响 b 16 薄膜结构 晶带模型 蒸发方法制备的薄膜与溅射薄膜的组织相似 也可被相应地划分为四个晶带 下图是蒸发法制备的金属薄膜组织形态随衬底相对温度的变化情况 蒸发法制备的金属薄膜组织形态随衬底温度的变化 17 薄膜结构 纤维状模型 在衬底温度合适的情况下 不同沉积方法制备的薄膜均呈现典型的纤维状生长组织 原因是 原子扩散能力有限 大量晶核竞争生长 这时 原子入射到薄膜表面之后 未经过表面扩散就被后沉积来的原子掩埋了 纤维状组织的一个特性是纤维的生长方向与粒子的入射方向近似地满足 18 薄膜结构 纤维状模型 右图 计算机模拟得出的Ni薄膜在不同温度下的纤维状生长过程 19 薄膜的基本性质 导电性 20 薄膜的基本性质 密度 一般情况下 薄膜的密度比整块材料的密度低 在10 3Pa下蒸镀的铬膜的膜厚与密度的关系 21 薄膜的基本性质 经时变化 由制备薄膜的过程中 急速冷却造成薄膜内部存在的各种缺陷变形导致 且膜越薄 经过一定时间后变化越大 Au蒸镀薄膜的电阻率和膜厚的经时变化 22 薄膜的基本性质 电介质膜 电介质多数是化合物 如石油 云母 陶瓷 橡胶 在薄膜制备过程中 这些化合物可能发生变化 如解离 气化等 红外吸收 热处理后 各不同方法制备的石英膜的红外吸收几乎相同说明 组成成分大致相同 构造上有差异 23 薄膜的粘附力和内应力 附着 提高粘附力的途径 清洁基底表面提高基底温度制造中