[材料科学]电子材料及其制备

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1、第三章薄膜的成核长大热力学与动力学薄膜(thinfilm)的定义常用厚度描写薄膜，膜层无基片而能独立成形的厚度，作为一大致标准：约1μm左右。涂层coating，层layer，箔foil薄膜可是单质元素，无机化合物，有机材料；可以是固液气体；可为单晶、多晶、微晶、纳米晶、多层膜、超晶格膜等。薄膜(thinfilm)的定义表面科学角度：研究范围常涉及材料表面几个至几十个原子层，此范围内原子和电子结构与块体内部有较大差别。薄膜(thinfilm)的定义若涉及原子层数量更大一些，且表面和界面特性仍起重要作用的范围，常是几nm至几十μ

2、m：薄膜物理研究范围。薄膜(thinfilm)的定义从微电子器件角度考虑，微电子器件集成度增高，管芯面积增大，器件尺寸缩小，同发展年代呈指数关系。薄膜(thinfilm)的定义20世纪40年代真空器件几十cm，60年代固体器件mm大小，80年代超大规模集成电路中器件μm大小。90年代VLSI亚微米大小，2000年分子电子器件纳米量级。集成电路与硅单晶的发展趋势年份195819651973197819871995集成度SSI(101-102)MSI(102-103)LSI(103-105)VLSI(105-106)ULSI(>1

3、05)(109-1010)存储器/兆位64特征尺寸/μm1072-30.8-10.35Si单晶/in124578直径/mm2550100127178200年份199820012007201020132016集成度存储器256100016G特征尺寸0.250.180.100.0450.0320.022Si单晶/in12>1218直径/mm30045720世纪40年代真空器件几十cm，60年代固体器件mm大小，80年代超大规模集成电路中器件μm大小。90年代VLSI亚微米大小，2000年分子电子器件纳米量级。集成电路与硅单晶的发展

4、趋势年份199820012007201020132016集成度存储器256100016G特征尺寸0.250.180.100.0450.0320.022Si单晶/in12>1218直径/mm300457如此发展趋势要求研究亚微米和纳米的薄膜制备技术，利用亚微米、纳米结构的薄膜制造各种功能器件：单晶微晶薄膜、小晶粒的多晶薄膜、纳米薄膜、非晶薄膜、有机分子膜。集成电路与硅单晶的发展趋势薄膜结构中的原子排列，都存在一定的无序性和一定的缺陷态。而块状固体理论，是以原子周期性排列为基本依据，电子在晶体内的运动，服从布洛赫定理，电子迁移率很

5、大。薄膜材料的特殊性薄膜材料中，由于无序性和缺陷态的存在，电子在晶体中将受到晶格原子的散射，迁移率变小，薄膜材料的电学、光学、力学性质受到很大影响。薄膜材料的特殊性1)薄膜与块体材料在特性上显著差别，主要反映在尺寸效应方面，厚度薄易产生尺寸效应，薄膜厚度可与某一个物理参量相比拟。薄膜材料的特殊性如：电子平均自由程。无序非金属膜中：50Ǻ，多数膜导电特性类似于块体材料。金属与高度晶化膜中：几百Ǻ。薄膜材料的特殊性2)薄膜材料的表面积同体积之比很大，表面效应很显著，表面能、表面态、表面散射和表面干涉对其物性影响很大。薄膜材料的特殊

6、性3)薄膜材料中包含有大量表面晶粒间界和缺陷态，对电子输运性能影响较大。薄膜材料的特殊性4)薄膜多是在某种基片上生成，故基片和薄膜间存在一定的相互作用，出现黏附性和附着力的问题，内应力的问题。与附着力相关的因素还应考虑相互扩散，在两种原子间相互作用大时发生。两种原子的混合或化合，造成界面消失，附着能变成大的凝聚能。薄膜材料的特殊性●2.1.1体相中均匀成核●2.1.2衬底上的非均匀成核●2.1.3成核的原子模型●2.1.4衬底缺陷上成核●2.1.5薄膜生长的三种模式●2.1.6薄膜生长模式的俄歇电子能谱(AES)分析2.1薄膜

7、的成核长大热力学2.2薄膜的成核长大动力学2.1薄膜的成核长大热力学若Δg表示一个原子在此相转变过程中自由能变化，则＝－α●2.1.1体相中均匀成核●2.1.2衬底上的非均匀成核●2.1.3成核的原子模型●2.1.4衬底缺陷上成核●2.1.5薄膜生长的三种模式●2.1.6薄膜生长模式的俄歇电子能谱(AES)分析2.1薄膜的成核长大热力学2.1.1体相中均匀成核在一定的过冷度下，气相中形成半径为r的球状固相或液相核时，引起体系自由能的改变dφ为：dφ=-(4πr3/3Ω)Δμ+4πr2α(4πr3/3Ω)Δμ4πr2α0dφcd

8、φrrc形成半径为r的球状核时自由能的变化Ω:原子体积，Δμ:一个原子由气相变为固相或液相自由能降低值，α是比界面能。2.1.1体相中均匀成核临界晶核半径rc=2Ωα/Δμ成核功dφc=(16π/3)Ω2α3/Δμ2(4πr3/3Ω)Δμ4πr2α0dφcdφrrc形成半径为