薄膜的生长过程word版
第六章薄膜的生长过程
射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞，其中一部分被反射，另一部分在表面上停留。
停留于表面的原子、分子，在自身所带能量及基板温度所对应的能量作用下，发生表面扩散(surface diffusion)及表面迁移(surface migration)，一部分再蒸发，脱离表面，一部分落入势能谷底，被表面吸附，即发生凝结过程。
凝结伴随着晶核形成与生长过程，岛形成、合并与生长过程，最后形成连续的膜层。
在真空中制造薄膜时，真空蒸镀需要进行数百摄氏度以上的加热蒸发。
在溅射镀膜时，从靶表面飞出的原子或分子所带的能量，与蒸发原子
的相比，还要更高些。这些气化的原子或分子，一旦到达基板表面，在极短的时间内就会凝结为固体。
也就是说，薄膜沉积伴随着从气相到固相的急冷过程，从结构上看，薄膜中必然会保留大量的缺陷。
此外，薄膜的形态也不是块体的，其厚度与表面尺寸相比相差甚远，可近似为二维结构。
一、薄膜的生长过程：新相的成核与薄膜的生长两个阶段
1、成核阶段
在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底上，从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用，原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且可以运动的原子团（岛或核）。
当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长大；而当它大于临界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐长大。
2、薄膜生长阶段
一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又形成了新的岛。形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。
二、薄膜生长的三种模式-岛状、层状和层状-岛状生长模式
1、岛状生长(Volmer-Weber)模式 ：
被沉积物质的原子或分子更倾向于自己相互键合起来，而避免与衬底原子键合，即被沉积物质与衬底之间的浸润性较差；金属在非金属衬底上生长大都采取这种模式。对很多薄膜与衬底的组合来说，只要沉积温度足够高，沉积的原子具有一定的扩散能力，薄膜的生长就表现为岛状生长模式。
图5.1 透射电子显微镜追踪记录Ag 在NaCl 晶体表面成核过程的系列照片和电子衍射图
2、层状生长（Frank-van der Merwe)模式：
当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子更倾向于与衬底原子键合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，沿衬底表面铺开。在随后的过程中薄膜生长将一直保持这种层状生长模式。
3、层状-岛状(Stranski-Krastanov)生长模式：
在层状-岛状中间生长模式中，在最开始一两个原子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。导致这种模式转变的物理机制比较复杂，但根本的原因应该可以归结为薄膜生长过程中各种能量的相互消长。
三种不同薄膜生长模式的示意图：
三、导致生长模式转变的三种物理机制
1、虽然开始时的生长是外延式的层状生长，但是由于薄膜与衬底之间晶格常数不匹配，因而随着沉积原子层的增加，应变能（应力）逐渐增加。为了松弛这部分能量，薄膜在生长到一定厚度之后，生长模
式转化为岛状模式。
2、在Si的（111）晶面上外延生长GaAs,由于第一层拥有五个价电子的As原子不仅将使Si晶体表面的全部原子键得到饱和，而且As
原子自身也不再倾向于与其他原子发生键合。这有效地降低了晶体的表面能，使得其后的沉积过程转变为三维的岛状生长。
3、在层状外延生长表面是表面能比较高的晶面时，为了降低表面能，薄膜力图将暴露的晶面改变为低能面，因此薄膜在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。（注：在上述三种模式转换机理中，开始的时候层状生长的自由能较低；但其后，岛状生长的自由能变低了，岛状生长反而变得更有利了。）
6.2新相的自发成核理论
在薄膜沉积过程的最初阶段，都需要有新相的核心形成，新相的成核过程可以被分为两种类型：
1. 自发成核：所谓自发成核指的是整个形核过程完全是在相变自由能的推动下进行的；
2. 非自发成核：非自发形核指的是除了有相变自由能作推动力之外，还有其他的因素起到了帮助新相核心生成的作用。
自发成核简单例子-从过饱和气相中形成球形核的过程
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被认为是一个自发形核的过程。看图5.3，设新相核心的半径为r，因而形成一个新相核心时，体自由能将变化ΔGv，
其中ΔGv =(kT/W)ln(Pv/P）是单位体积的固相在凝结过程中的相变自由能之差。 Pv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，W是原子体积。
当过饱和度为零时，ΔGv=０，这时将没有新相的核心可以形成，或者已经形成的新相核心不再长大。
当气相存在过饱和（P>Pv)现象时，Gv <0，它就是新相形核的驱动力。在新的核心形成的同时，还将伴随有新的固气相界面的生成，它导致相应界面能的增加，其数值为4πr2γ，其中γ为单位面积的界面能。 综合上面两项能量之后，我们得到系统的自由能变化为：
24R G G v π+?=? 对G 求r 的微分，得到自由能G 为零的条件为：v G r r ?-=/2* 它是能够平衡存在的最小固相半径 ，或临界核心半径
讨论（1）当 r < r*时，在热涨落过程中形成的这个新相核心将 处于不稳定状态，它可能再次消失
（2）当 r > r*时新相核心将处于可以继续稳定生长的状态， 并且生长过程将使得自由能下降。
临界成核时系统的自由能变化为：（把r*代入
G ）
23*3/16v G r G ?=?π 气相的过饱和度越大，临界核心的自由能变化也越小。形成临界核心的临界自由能变化G* 实际上就相当于成核的势垒；热激活过程提供的能量起伏将使得一些原子具备了G* 大小，导致新核的形成。 以上讨论的出发点是气相的过饱和度，是从热力学的角度考虑问题，另一种考虑问题的方法是从动力学的角度去考虑问题。
由于在核心长大的过程中，需要吸纳扩散来的单个原子，而核
成核自由能变化随新相核心半径的变化关系
心间还在通过合并过程而长大，小核心中的单个原子也会通过气相或通过表面扩散的途径转移到大核心中去。因此，降低衬底的温度还可以抑制原子和小核心的扩散，冻结形核后的细晶粒组织，抑制晶核的长大过程。它使得沉积后的原子固定在其初始沉积的位置上，形成特有的低温沉积组织。在降低温度的同时，采用粒子轰击的方法抑制三维岛状核心的形成，使细小的核心来不及由扩散实现合并就被沉积来的原子所覆盖，以此形成晶粒细小、表面平整的薄膜。
在大多数固体相变过程中，涉及的成核过程都是非自发成核的过程，即有其他的因素起到了帮助新相核心的生成。
一、非自发成核过程的热力学
原子团在衬底上形成初期，原子团很小，它可能吸收外来原子而长大，也可能失去已有的原子而消失，其自由能变化为
vf sv fs v r a r a r a G r a G γγγ23222231-++?=?
ΔGv 是单位体积的相变自由能，它是薄膜成核的驱动力；vf 、 fs 、sv 分别是气相(v)、衬底(s)与薄膜(f)之间的界面能； a1、a2、a3是与核心具体形状有关的常数（活度）。
。
对如图所示的冠状核心来说，有
)cos 3cos -2( a 31θθπ+=
θπ sin a 22=
)cos -(1 2 a 3θπ=
核心形状的稳定性要求界面能之间满足：
θγγγcos vf fs sv +=
即θ只取决于各界面能之间的数量关系。薄膜与衬底的浸润性越差，则θ的数值越大。由上式也可以说明薄膜的不同生长模式。 θ > 0 + < vf fs sv γγγ 岛状生长模式；
θ = 0 + vf fs sv γγγ= 生长模式转换为层状或中间模式。
由式(5-10)对原子团半径r 微分为零的条件，（由0=?
dr G d ）可求出临界半径为：v sv fs vf G a r a r a r a r ?-+-=12233)(2* 临界成核时系统的自由能变化为：
θ越小，衬底与薄膜的浸润性越好，则非自发成核的能垒降低的越 多，非自发成核的倾向越大。在层状模式时，形核势垒高度等于零。 非自发形核过程中ΔG 随r 的变化趋势也如图5.4所示。在热涨落的作用下，会不断形成尺寸不同的新相核心。半径r
成核自由能变化随新相核心半径的变化关系-类似自发成核，形成临界核心的临界自由能变化ΔG* 实际上就相当于成核的势垒；热激活过程提供的能量起伏将使的一些原子具备了ΔG* 大小，导致新核的形成。
333322*22214()16(23cos cos )2734
vf
fs sv vf v V a a a G a G G γγγπγθθ+--+?==??
在薄膜沉积的情况下，核心常出现在衬底的某个局部位置上，如晶体缺陷、原子层形成的台阶、杂质原子处等。这些地点或可以降低薄膜与衬底间的界面能，或可以降低使原子发生键合时所需的激活能。因此，薄膜形核的过程在很大程度上取决于衬底表面能够提供的形核位置的特性和数量。
二、薄膜的成核速率
形核率是在单位面积上，单位时间内形成的临界核心的数目。新相形成所需要的原子可能来自：
(1) 气相原子的直接沉积；
(2) 衬底表面吸附原子沿表面的扩散。
在形核最初阶段，已有的核心数极少，因而后一可能性应该是原子来源的主要部分，即形核所需的原子主要来自扩散来的表面吸附原子。沉积来的气相原子将被衬底所吸附，其中一部分将会返回气相中，另一部分将由表面扩散到达已有的核心处，使得该核心得以长大。 表面吸附原子在衬底表面停留平均时间τ取决于脱附激活能E d ν为表面原子的振动频率。
这些吸附原子在扩散中，会
与其他原子或原子团结合在一起。随着其相互结合成越来越大的原子团，其脱附的可能性也在逐渐下降。在衬底表面的缺陷处，原子的正常键合状态被打乱，因而在这里吸附原子的脱附激活能Ed 较高。这
1
D
E KT
e τν=**dN N A dt ω=
导致在衬底表面的缺陷处薄膜的形核率较高。
新相核心的成核速率
N*为单位面积上临界原子团的密度，A*为每个临界核心接受沿衬底表面扩散来的吸附原子的表面积；是单位时间内流向单位核心表面积的原子数目（吸附原子的通量）。 迁移来的吸附原子通量应等于吸附的原子密度n a 和原子扩散的发生
几率 两者的乘积；而在衬底上吸附原子的密度等于 即沉积气相撞击衬底表面的原子通量与其停留时间的乘积。这样 所以 薄膜最初的成核率与临界成核自由能ΔG* 密切相关，ΔG* 的降低可显著提高成核率。而高的脱附能Ed ，低的扩散激活能Es ，都有利于气相原子在衬底表面的停留和运动，因此会提高成核率。 三、衬底温度和沉积速率对成核的影响
KT G s e
n N *
*?-=**02sin A r a πθ=s E KT e ν-2A a pN n MRT
π=2s E A KT pN e MRT
τνωπ-=**02sin 2d s E E G s A KT
r a n pN dN e dt MRT πθπ--?=
薄膜材料制备原理、技术及应用知识点
薄膜材料制备原理、技术及应用知识点1 一、名词解释 1. 气体分子的平均自由程:自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子的自由程具有确定的统计规律。气体分子相继两次碰撞间所走路程的平均值。 2. 物理气相沉积（PVD）：物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。 3. 化学气相沉积（CVD）：化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。 4. 等离子体鞘层电位：等离子区与物体表面的电位差值ΔV p即所谓的鞘层电位。 在等离子体中放入一个金属板，由于电子和离子做热运动，而电子比离子的质量小，热速度就比离子大，先到达金属板，这样金属板带上负电，板附近有一层离子，于是形成了一个小局域电场，该电场加速了离子，减速电子，最终稳定了以后，就形成了鞘层结构，该金属板稳定后具有一个电势，称为悬浮电位。 5. 溅射产额：即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。 6. 自偏压效应：在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。 7. 磁控溅射：在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程。 8. 离子镀：在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种PVD方法。 9. 离化率：被离化的原子数与被蒸发气化的原子数之比称为离化率.一般离化装置的离化率仅为百分之几,离化率较高的空心阴极法也仅为20～40% 10. 等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）技术：是一种用等离子体激活反应气体,促进在基体表面或近表面空间进行化学反应,生成固态膜的技术。等离子体化学气相沉积技术的基本原理是在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的反应气体，利用等离子体放电，使反应气体激活并实现化学气相沉积的技术。 11. 外延生长：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。 12. 薄膜附着力:薄膜对衬底的黏着能力的大小，即薄膜与衬底在化学键合力或物理咬合力作用下的结合强度。 二、填空： 1、当环境中元素的分压降低到了其平衡蒸气压之下时，元素发生净蒸发。反之，元素发生净沉积。 2、在直流放电系统中，气体放电通常要经过汤生放电阶段、辉光放电阶段和弧光放电阶段三个放电过程，其中溅射法制备薄膜主要采用辉光放电阶段所产生的大量等离子体来形成溅射。 3、溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理过程之一，不同能量的离子与固体表面相互作用的过程不同，不仅可以实现对物质原子的溅射，还可以在固体表面形成沉积现象和离子注入现象。 4、溅射法所采有的放电气体多为Ar气，主要原因是惰性气体做为入射离子时，物质溅射产额高，从经济方面考虑，多使用Ar做为溅射气体。 5、直流溅射要求靶材具有良好的导电性，否则靶电流过小，靶电压过高，而射频溅射方法以交流电源提供高频电场，高频电场可经由其它阻抗形式进入沉积室，不再要求电极一定是导电体，使溅射过程摆脱对靶材导电性的要求。 6、磁控溅射存在的缺点。 1 微观永远大于宏观你永远大于人类今天永远大于永远■■■■■■■■纯属个人行为，仅供参考■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■
非晶硅薄膜的生长机理
2.2 非晶硅薄膜的生长机理 制备氢化硅薄膜是基于辉光放电的PECVD 技术，在外界电场的激励下使反应气体电离形成等离子体，在等离子体内部及薄膜表面，发生一系列非常复杂的物理-化学反应，在用辉光放电分解SiH 4制备a-SiH 4薄膜的过程中，可能发生以下的反应[19]： ①SiH 4和稀释SiH 4用的H 2分解，生成激活型的原子或分子团； ②这些激活型的原子或分子团向衬底或反应室器壁表面扩散； ③在衬底表面上发生吸附原子或分子团的反应，同时还伴随着其他气相分子团的产生和再放出。 在PECVD 中，以硅烷为工作气体，在几十帕的压强下进行放电，便可以生成电子密度≈1015m -3的等离子体。在这种等离子体中，能量大约在10 eV 以上的高能电子与SiH 4碰撞，会产生以下的离解、电离反应，生成大量的中性基团(SiH 3、SiH 2、SiH 、Si )、H 2、H 以及它们的带电基团。等离子体中可能存在如下反应[19][20]： H H ev H +???→?6.42 （式2-1） -++++????→?-+e H H SiH ev e SiH 233.1024 （式2-2） -+-++??→?+e H SiH e SiH ev 22247.94 （式2-3） -+-++??→?+e H SiH e SiH ev 375.84 （式2-4） mH Si SiH m +?→← （式2-5） 同时等离子体中的电子经外电场加速后，其动能通常可达到10～20eV ，甚至更高，这些高能电子与气体分子发生碰撞，足以使气体分子键断裂并产生大量离子、活性原子、活性分子等基团，氢化硅薄膜的生长原子是来自等离子体中SiH 4分解的SiH m 反应先驱物[19]，由于离解产生SiH 3所需的能量最小，一般认为，SiH 3是硅基薄膜最主要的生长基元，。 Veprek 研究发现，等离子体中电子的碰撞有利于硅烷分解和成膜过程，而离子碰撞则有利于H 基刻蚀过程的进行。 当硅烷浓度较高时，mH Si SiH m +?→←正反应速率大于逆反应速率，使刻 蚀过程来不及进行，Si-Si 弱键及无规则网络结构都保留了下来，因而形成的是非晶硅，为亚稳态结构，具有特征性的Staebler-Wronski 效应。
薄膜成长原理
薄膜成長原理 薄膜之所以能夠沉積於基板上，主要是由於基板表面上的許多氣體分子或其他粒子，如原子團和離子等。薄膜沈積是經一連串原子吸附、擴散、成核、晶粒成長、晶粒聚結，而逐漸形成薄膜，其詳細敘述如下，如圖2-6所示[43]： (a) 成核(Necleation)： 基材表面消耗了原子動能，使原子停留在基材表面，稱為物理吸附；若吸附原子與其他吸附原子有交互作用，將多餘的凝結能放出，形成一穩定之核團，此現象為化學吸附。相同的原子能吸附也能脫附，若吸附大於脫附，則薄膜成長得以進行。 (b) 晶粒成長(Grain Growth)： 當薄膜的沉積進入個別晶粒成長後，晶粒成長所需要的原子，不再侷限由吸附取得，而是可以直接從氣相中獲得原子來源，並成長成較大之晶粒。 (c) 晶粒聚結(Coalescence)： 當原本各別且獨立的晶粒，成長到與鄰近之晶粒接觸時，便開始了聚結，由於與鄰近的晶粒互相接觸，開始了晶粒間的交互擴散作用，為了減少彼此間之表面能差異，在彼此接觸的部份會先形成頸部，兩晶粒藉此頸部，交互擴散，調整表面能並合而唯一，形成比原
來大之晶粒。 (d) 縫道填補(Filling of Channels)： 縫道的形成，基本上就是晶粒聚結成長後，在晶粒與晶粒間所留下的距離，基本上就是基材表面未被原子所覆蓋的地方，當這些縫道逐漸被填滿後，在基板表面便出現了薄膜的雛形。 (e)膜成長(Film Growth)： 在縫道填補之後的薄膜，繼續堆積原子，持續增加膜厚度，此時薄膜的成長，便不再只是像之前的成長機制，吸附原子可直接進行化學性吸附，增快成長速率。 圖2-6薄膜成長機制示意圖[43]。
(完整版)薄膜材料与技术_试题A卷试题_答案
试题A 卷试题 答案 一、填空题 在离子镀膜成膜过程中，同时存在沉积和溅射作用，只有当前者超过后者时，才能发生薄膜的沉积 薄膜的形成过程一般分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程 薄膜形成与生长的三种模式：层状生长，岛状生长，层状-岛状生长 在气体成分和电极材料一定条件下，起辉电压V 只与 气体的压强P 和 电极距离 的乘积有关。 二、解释下列概念 1、气体分子的平均自由程 每个分子在连续两次碰撞之间的路程称为自由程，其统计平均值： 称为平均自由程， 2、饱和蒸气压：在一定温度下，真空室内蒸发物质与固体或液体平衡过程中所表现出的压力。 3、凝结系数： 当蒸发的气相原子入射到基体表面上，除了被弹性反射和吸附后再蒸发的原子之外，完全被基体表面所凝结的气相原子数与入射到基体表面上总气相原子数之比。 4、物理气相沉积法：物理气相沉积法 (Physical vapor deposition)是利用某种物理过程，如物质的蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程 5、溅射：溅射是指荷能粒子轰击固体表面 (靶)，使固体原子(或分子)从表面射出的现象 三、回答下列问题 1、真空的概念？怎样表示真空程度，为什么说真空是薄膜制备的基础？ 在给定的空间内，气体的压强低于一个大气压的状态，称为真空 真空度 、压强、气体分子密度：单位体积中气体分子数；气体分子的平均自由程；形成一个分子层所需的时间等 物理气相沉积法中的真空蒸发、溅射镀膜和离子镀等是基本的薄膜制备技术。它们均要求沉积薄膜的空间有一定的真空度。 2、讨论工作气体压力对溅射镀膜过程的影响？ 在相对较低的压力下，电子的平均自由程较长，电子在阳极上消耗的几率增大，通过碰撞过程引起气体分子电离的几率较低。同时，离子在阴极上溅射的同时发射出二次电子的几率又由于气压较低而相对较小。这些均导致低压条件下溅射的速率很低。 在相对较低的压力下，入射到衬底表面的原子没有经过很多次碰撞，因而其能量较高，这有利于提供沉积时原子的扩散能力，提供沉积组织的致密性 在相对较高的压力下，溅射出来的靶材原子甚至会被散射回靶材表面沉降下来，因而沉积到衬底的几率反而下降 在相对较高的压力下，使得入射原子的能量降低，这不利于薄膜组织的致密化 溅射法镀膜的沉积速率将会随着气压的变化出现一个极大值 n 221πσλ=
薄膜科学与技术
1、薄膜的定义。气相沉积制备薄膜主要有哪三种方法？ 答：薄膜是指存在于衬底上的一层厚度一般为零点几个纳米岛数十微米的薄层材料。气相方法主要有：1化学气相淀积（CVD ）,如热、光或等离子体CVD 和物理气相淀积（PVD ），和外延；有时也分为CVD 、热蒸发镀、和溅射镀三种。 2、真空度的定义。其国际单位和英制单位是什么，他们之间的换算。测量真空度通常用什么仪器，各自适用于什么真空范围？ 答：真空度，指真空状态下(低于大气压)的气体稀薄程度.国际单位：帕斯卡 (Pa)。英制单 位为英寸水柱 。换算1个大气压=101325Pa=英制406.7英寸水柱=旧制760毫米汞柱。 仪器有：指针式真空计、U 形真空计、压缩式真空计、热真空计，磁控放电真空计，电离真空计等，适用范围 真空计名称 测量范围(Pa) 真空计名称 测量范围 (Pa) 水银 U 型管 105～10 高真空电离真空计 10-1～10-5 油U 型管 104～1 高压力电离真空计 102～10-4 光干涉油微压计 1～10-2 B-A 计 10-1～10-8 压缩式真空计(一般型) 10-1～10-3 宽量程电离真空计 10～10-8 压缩式真空计(特殊型) 10-1～10-5 放射性电离真空计 105～10-1 弹性变形真空计 105～102 冷阴极磁放电真空计 1～10-5 薄膜真空计 105～10-2 磁控管型电离真空计 10-2～10-11 振膜真空计 105～10-2 热辐射真空计 10-1～10-5 热传导真空计(一般型) 102～10-1 分压力真空计 10-1～10-14 热传导真空计(对流型) 105～10-1 3、解释磁控溅射沉积薄膜的原理，并画出示意图。 答：利用等离子体中的离子，对被溅射物体电极进行轰击，使气相等离子体内具有被溅射物体的粒子，粒子沉积到晶片上形成薄膜。是在二级直流溅射系统基础上，利用增加磁场，使电子或离子运动轨迹变成类螺旋运动，增加放电区的电子密度和电离效率，增加电子与原子的碰撞几率，提高等离子体浓度，提高溅射效率。 4.比较蒸发镀、溅射镀的优缺点
DLA模型模拟薄膜生长成核阶段的动态过程
ＣＨＥＭＩＣＡＬＡＮＤＭＡＴＥＲＩＡＬＳ 化工与材料 －６一－ ＤＬＡ模型模拟薄膜生长成核阶段的动态过程 胡月?王治丹 作者简介:胡月(１９９３－)?女?安徽蚌埠人?硕士研究生? (安徽理工大学材料科学与工程学院?安徽淮南２３２００１) 摘一要:为深入了解薄膜生长的机理?采用有限扩散凝聚(ＤＬＡ)模型?用Ｍａｔｌａｂ模拟出了薄膜生长成核阶段的动态过程?结果以动画形式显示出了薄膜生长的成核阶段微粒先进行随机行走?当其与已成核的团簇相遇时?便加入凝聚团簇?呈现出成核团簇逐渐成长的动态过程? 关键词:ＤＬＡ模型?薄膜生长?动态过程 中图分类号:ＴＰ３９１一一一一一文献标志码:Ａ一一一一一文章编号:１６７１－１６０２(２０１９)０２－０００６－０１ 一一１一引言 ＤＬＡ模型理论[１]自提出以来就受到很多学者的高度重视?不同 学科的学者们利用它来解释各自学科中的许多现象[２－４]?尤其在材 料科学中的运用更加广泛?高睿二谢淑云二陶继东[５]利用ＤＬＡ模型 理论模拟薄膜生长的过程?因为薄膜生长的过程是复杂的冗长的? 所以跟踪薄膜的生长过程是一项艰巨的任务?但是?几十年来?已 有很多国内外著名学者深入研究薄膜的生长过程[６－１０]? 模拟薄膜的动态生长过程能够从直观角度理解实验结果二观察 实验现象?能够解释外界环境因素对实验的影响?并且能够调控外 界因素来取得理想的实验结果?所以?本文利用ＤＬＡ模型?增加微 粒随机行走过程?模拟薄膜生长成核阶段的动态过程? ２一ＤＬＡ模型模拟薄膜生长的动态过程 图１一ＤＬＡ模型模拟薄膜生长动态过程的截图 图１为ＤＬＡ模型模拟薄膜生长动态过程的截图?首先同时出现 已由一定微粒数目微粒凝聚成的红色微粒集团和一随机行走的蓝色 微粒?当蓝色微粒与红色集团的相遇时?蓝色微粒就与红色微粒集 团聚集在一起?并且微粒颜色由蓝色变成红色?然后出现第二个蓝 色微粒?该蓝色微粒仍随机行走?当该蓝色微粒与已凝聚的红色凝 结核相遇时?蓝色微粒便会与两红色微粒凝聚在一起?并且变成红 色微粒?然后出现第三个二第四个二第五个 第ｎ个微粒重复上诉 过程?随着蓝色微粒数的增多?红色微粒集团在逐渐变大?并逐渐 变成类似于分枝形状的图形 ? 图２一ＤＬＡ模型模拟薄膜生长结束时的截图 一一图２为ＤＬＡ模型模拟薄膜生长结束时的截图?从图２可以看到 薄膜朝着不同的方向生长?生长方向随机?其形状类似于分叉 形状? ３一小结 随着计算机技术的发展?越来越来的研究者通过计算机来模拟 薄膜生长的过程?因为模拟薄膜的动态生长过程能够从直观角度理 解实验现象?能够解释外界环境因素对实验的影响?并且能够调控 外界因素取得理想的实验结果?为深入了解薄膜生长的具体机理? 采用有限扩散凝聚(ＤＬＡ)模型?用Ｍａｔｌａｂ模拟出了薄膜生长成核 阶段的动态过程?结果以动画形式显示出了薄膜生长的成核阶段微 粒先进行随机行走?当其与已成核的团簇相遇时?便加入凝聚团 簇?呈现出成核团簇逐渐成长的过程? 参考文献: [１]一ＷｉｔｔｅｎＴＭ.ＳａｎｄｅｒＬＭ.ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＨａｒｍｏｎｉｃＦｌｕｉｄＡｐｐｒｏａｃｈｔｏ ｌｏｗＥｎｅｒｇｙＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＯｎｅＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＱｕａｎｔｕｍＦｌｕｉｄｓ[Ｊ]. ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ?１９８１?４７:１４００－１４０８ [２]一李金林.ＤＬＡ分形结构成长过程的分析[Ｊ].青海师范大学 学报(自然科学版)?２００４?３:３－６ [３]一王浩鹏?赵凯?关止.基于ＤＬＡ模型的植物生长模拟研究 [Ｊ].微计算机信息?２００７?２３(８－３):２３４－２３６ [４]一李宏?温娟?王新华?等.应用ＤＬＡ模型模拟钢中夹杂物集 团凝聚[Ｊ].北京科技大学学报?２００６?２８(４):３４３－３４７ [５]一高睿?谢淑云?陶继东.ＭＡＴＬＡＢ平台下实现ＤＬＡ分形聚集 生长的模拟[Ｊ].西南师范大学学报(自然科学版)?２００５? ３０(１):８３－８６ [６]一金鹏康?王晓昌?郭坤.絮凝体的ＤＬＡ分形模拟及其分形维 数的计算方法[Ｊ].环境化学?２００７?２６(１):５－８ [７]一秦朝燕?邱祖明?陈文有.絮凝体的三维ＤＬＡ模型分形模拟 [Ｊ].南昌大学学报(工科版)?２０１０?３２(２):１２２－１２７ [８]一Ｂ.Ａ.Ｐａｉｌｔｈｏｒｐｅ?Ｅ.Ｇ.Ｇｅｒｓｔｎｅｒ.Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕ￣ ｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍａｍｏｒｐｈｏｕｓｃａｒｂｏｎｇｒｏｗｔｈ[Ｊ]?ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｎ －ＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＳｏｌｉｄｓ?１９９５?１８９:２５８－２６３ [９]一Ｄ.Ｐ.Ｚｈａｎｇ?Ｚ.Ｘ.ＦａｎａｎｄＨ.Ｊ.Ｑｉ.Ｓｈａｏ.Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ ｇｒｏｗｔｈｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｉｎｆｉｌｍｏｎｎｏｎ－ｐｌａｎａｒｓｕｂｓｔｒａｔｅ[Ｊ]?Ａｐ￣ ｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ?２００５?２４９?８４－９０ [１０]一王恩哥.薄膜生长的表面动力学(１)[Ｊ].物理学进展? ２００３?２３(１):１－５３
薄膜的生长过程
薄膜的生长主要包含以下三个基本过程： 首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体发生初级反应，使得反应气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物； 其二，各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应； 最后，到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。 具体说来，基于辉光放电方法的PECVD技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体。在辉光放电的等离子体中，电子经外电场加速后，其动能通常可达10eV左右，甚至更高，足以破坏反应气体分子的化学键，因此，通过高能电子和反应气体分子的非弹性碰撞，就会使气体分子电离（离化）或者使其分解，产生中性原子和分子生成物。正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置衬底的下电极附近也存在有一较小的离子层电场，所以衬底也受到某种程度的离子轰击。因而分解产生的中性物依扩散到达管壁和衬底。这些粒子和基团（这里把化学上是活性的中性原子和分子物都称之为基团）在漂移和扩散的过程中，由于平均自由程很短，所以都会发生离子-分子反应和基团-分子反应等过程。到达衬底并被吸附的化学活性物（主要是基团）的化学性质都很活泼，由它们之间的相互反应从而形成薄膜。 2、等离子体内的化学反应 由于辉光放电过程中对反应气体的激励主要是电子碰撞，因此等离子体内的基元反应多种多样的，而且等离子体与固体表面的相互作用也非常复杂，这些都给PECVD技术制膜过程的机理研究增加了难度。迄今为止，许多重要的反应体系都是通过实验使工艺参数最优化，从而获得具有理想特性的薄膜。对基于PECVD技术的硅基薄膜的沉积而言，如果能够深刻揭示其沉积机理，便可以在保证材料优良物性的前提下，大幅度提高硅基薄膜材料的沉积速率。
薄膜的生长过程word版
第六章薄膜的生长过程 射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面相碰撞，其中一部分被反射，另一部分在表面上停留。 停留于表面的原子、分子，在自身所带能量及基板温度所对应的能量作用下，发生表面扩散(surface diffusion)及表面迁移(surface migration)，一部分再蒸发，脱离表面，一部分落入势能谷底，被表面吸附，即发生凝结过程。 凝结伴随着晶核形成与生长过程，岛形成、合并与生长过程，最后形成连续的膜层。 在真空中制造薄膜时，真空蒸镀需要进行数百摄氏度以上的加热蒸发。 在溅射镀膜时，从靶表面飞出的原子或分子所带的能量，与蒸发原子
的相比，还要更高些。这些气化的原子或分子，一旦到达基板表面，在极短的时间内就会凝结为固体。
也就是说，薄膜沉积伴随着从气相到固相的急冷过程，从结构上看，薄膜中必然会保留大量的缺陷。 此外，薄膜的形态也不是块体的，其厚度与表面尺寸相比相差甚远，可近似为二维结构。 一、薄膜的生长过程：新相的成核与薄膜的生长两个阶段 1、成核阶段 在薄膜形成的最初阶段，一些气态的原子或分子开始凝聚到衬底上，从而开始了所谓的形核阶段。由于热涨落的作用，原子到达衬底表面的最初阶段，在衬底上成了均匀细小、而且可以运动的原子团（岛或核）。 当这些岛或核小于临界成核尺寸时，可能会消失也可能长大；而当它大于临界成核尺寸时，就可能接受新的原子而逐渐长大。 2、薄膜生长阶段 一旦大于临界核心尺寸的小岛形成，它接受新的原子而逐渐长大，而岛的数目则很快达到饱和。小岛像液珠一样互相合并而扩大，而空出的衬底表面上又形成了新的岛。形成与合并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成片，一些孤立的孔洞也逐渐被后沉积的原子所填充，最后形成薄膜。