《薄膜的形成》PPT课件

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1、第七章薄膜的形成§7-1凝结过程§7-2核形成与生长§7-3薄膜形成过程与生长模式§7-4溅射薄膜的形成过程2021/9/171薄膜结构和性能的差异与薄膜形成过程中的许多因素密切相关。因此，在讨论薄膜结构和性能之前，先研究薄膜的形成问题。薄膜的形成过程实质上是气—固转化、晶体生成的过程，它大致可以分为下面几个主要的步骤：①原子或分子撞击到固体的表面；②它们被固体表面的原子所吸附或直接反射回空间；③被吸附的粒子在固体表面发生迁移或扩散而移动到表面上的合适的格点位置并进入晶格。这些过程以及它们之间的相互关系就决定了薄膜的形成过程和薄膜的性质。2021/9/172薄膜

2、形成过程一般分为三个阶段：凝结过程（薄膜形成的第一阶段）核形成与生长过程岛形成与结合生长过程小原子团的形成是凝结的开始，此时出现凝结相，之后小原子团长大，成为晶核，许多晶核继续长大，先是形成不连续的薄膜，然后在薄膜平均厚度达到一定值时，才成为连续薄膜。就薄膜的整个形成过程来看，则是晶核的形成与长大同时进行，即在基片上有的地方在进行着成核过程，而在有晶核的地方，晶核在长大。§7-1凝结过程凝结过程是从蒸发源中被蒸发的气相原子、离子或分子入射到基体表面之后，从气相到吸附相，再到凝结相的一个相变过程.一．吸附过程1.吸附◆固体表面与体内在晶体结构上一个重大差异就是原子

3、或分子间的结合化学键中断。原子或分子在固体表面形成的这种中断键称为不饱和键或悬挂键。◆这种键具有吸引外来原子或分子的能力。2021/9/174◆入射到基体表面的气相原子被这种悬挂键吸引住的现象称为吸附。2.物理吸附和化学吸附◆吸附仅仅是由原子电偶极矩之间的范德华力起作用称为物理吸附；◆吸附是由化学键结合力起作用则称为化学吸附。物理吸附的特点：物理吸附时，因范德华力的作用范围较大，故基片表面原子与吸附原子之间的距离较远。若所吸附的是双原子分子，这个间距可能大到0.4nm。2021/9/175化学吸附时，由于化学键力的作用距离较小，所以化学吸附的原子与基片表面原子间

4、的距离仅为0.1nm～0.3nm。由于原子之间的范德华力是普遍存在的，所以各种固体和液体材料的表面都发生物理吸附。因为物理吸附能较小，对于物理吸附来说，一般是在低温下发生吸附，高温下发生解吸附。范德华力的作用范围大于化学键力的范围，因而一般是先发生物理吸附，而后才转为化学吸附。对于一个吸附层来说，若第一个单原子（或单分子）层或前几个单原子层是化学吸附，以后的单原子层则转为物理吸附。由于物理吸附不需要活化能，所以吸附过程很快，并且吸附速率随基片温度及被吸附气体的压力变化很快。3.吸附能和解吸能固体表面的特殊状态使它具有一种过量的能量称为表面自由能。吸附使表面自由能

5、减小。基片表面是固体和气体的分界面，界面两边原子的密度和性质不同，在基片表面有表面位能。这是处在基片表面上的一个原子与其内部同样一个原子的能量之差。基片表面上原子受两个力的作用：一是气体原子的作用力，另一个是基片原子的作用力。基片原子密度大于气体，所以后一个力远大于前者。表面原子有向内移动的倾向，试图降低其位能。伴随吸附现象而释放的能量称为吸附能。将吸附在固体表面上的气相原子除掉称为解吸（脱附）。除掉被吸附气相原子的能量称为解吸能。4.具有一定能量的气相原子，到达基片表面之后可能发生三种现象：吸附、解吸、反射（1）与基体表面原子进行能量交换被吸附；（2）吸附后气

6、相原子仍有较大的解吸能，在基体表面作短暂停留后再解吸蒸发（再蒸发或二次蒸发）；（3）与基体表面不进行能量交换，入射到基体表面上立即反射回去。2021/9/179三种情况讨论：如果入射的蒸气分子动能不是很大，碰撞到基体表面后，在短暂的时间内即失去法线方向的分速度，附着在基体表面成为吸附原子。如果当原子通过范氏力吸附在基体表面，但可能达不到平衡，即还保留有平行于基体表面的动能，且同时又有来自基体的热激发时，则吸附原子将在基体表面移动。当吸附原子在基体表面移动时，从一个势阱跃迁到另一个势阱的过程中，吸附原子可能与其它吸附原子互相作用，形成稳定的原子团或转变成吸附。但当

7、吸附原子不能形成居留寿命增加的稳定原子团时，将再次蒸发（二次蒸发）即发生解吸。如果入射原子到达基体表面后在法线方向上仍然保留有相当大的动能，在基体表面仅作短暂停留（约10-2秒），没有能量交换，将立即反射回去。2021/9/17115.吸附过程能量曲线吸附过程用能量关系表示时可由图7-1说明。◆当入射到基体表面的气相原子动能较小时，处于物理吸附状态，其吸附能用QP表示。◆当这种气相原子动能较大但小于或等于Ea时则可产生化学吸附。只有当气相原子所具有的动能达到吸附能Ed数值时，才能达到完全化学吸附。2021/9/1712◆Ed与Ea的差值Qc称为化学吸附热，Ea称

8、为激活能。◆化学吸附是一