薄膜生长的基本过程精选PPT.ppt

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1、关于薄膜生长的基本过程第1页，讲稿共108张，创作于星期三1/N0第10页，讲稿共108张，创作于星期三EaEd第12页，讲稿共108张，创作于星期三起始沉积过程的分类起始沉积过程的分类按起始沉积过程中再蒸发的难易程度和沉积原子按起始沉积过程中再蒸发的难易程度和沉积原子能够相遇结合起来的程度区分为三类能够相遇结合起来的程度区分为三类所有增原子的覆盖面积之和所有增原子的覆盖面积之和 2N0 N0&2N0第13页，讲稿共108张，创作于星期三描述成核长大的基本方程描述成核长大的基本方程可以将成核过程看成可以将成核过程看成是一系列的双分子反是一系列的双分子反应过程应过程忽略多原子团之间的复合过程忽略

2、多原子团之间的复合过程第15页，讲稿共108张，创作于星期三以上方程未知数太多，难以求解，可把原子团分以上方程未知数太多，难以求解，可把原子团分成两类，方程可以改写成两类，方程可以改写:1.1i 稳定原子团稳定原子团和化学反应中各组分浓度的变化一样，可写和化学反应中各组分浓度的变化一样，可写出含有不同数目的原子团的浓度变化：出含有不同数目的原子团的浓度变化：第16页，讲稿共108张，创作于星期三对于不稳定晶核，可以认为对于不稳定晶核，可以认为细致平衡原理细致平衡原理（局部平衡）成立（局部平衡）成立nx为稳定晶核的为稳定晶核的总数总数第17页，讲稿共108张，创作于星期三起始不易沉积状态起始不易

3、沉积状态起始不完全沉积状态起始不完全沉积状态起始完全沉积状态起始完全沉积状态TR第19页，讲稿共108张，创作于星期三起始不易沉积状态和起始完全沉积状态下晶起始不易沉积状态和起始完全沉积状态下晶核数和吸附原子数随时间的变化核数和吸附原子数随时间的变化Rt沉积总量，沉积总量，Rtb b净沉积量净沉积量(与稳定晶核数相关与稳定晶核数相关)关键：关键：n1达到平衡之前是否已经开始成核达到平衡之前是否已经开始成核吸附与脱附吸附与脱附平衡平衡第20页，讲稿共108张，创作于星期三C1=1；C2=3；C3=2；C4=3权重因子权重因子第24页，讲稿共108张，创作于星期三maRa第25页，讲稿共108张，

4、创作于星期三特别的，临界晶核特别的，临界晶核i=1时时E1=0讨论：讨论：临界晶核只含有单个原子临界晶核只含有单个原子第26页，讲稿共108张，创作于星期三Ag 在在NaCl(100)的成核率与温度的关系，右上图是的成核率与温度的关系，右上图是最小稳定晶核与临界晶核。最小稳定晶核与临界晶核。第27页，讲稿共108张，创作于星期三形成不同尺寸晶核的条件：形成不同尺寸晶核的条件：i=1i=2i=3 或或 i=1i=3i=1i=2i=1i=3，i=2i=3T12讨论：讨论：i.)外延生长；外延生长；ii.)E2,Ea第28页，讲稿共108张，创作于星期三薄膜以薄膜以layer-by-layer方式外

5、延生长时，增原子必须扩散到生方式外延生长时，增原子必须扩散到生长边缘，距离大概长边缘，距离大概 100 1000 原子距离，要求扩散系数大约原子距离，要求扩散系数大约为为10-8cm2/s所以所以TE0.5TM 半导体半导体 0.3TM 金属金属0.1TM 卤化物卤化物第29页，讲稿共108张，创作于星期三初始：成核不初始：成核不受限制受限制以后：成核受限，以后：成核受限，速率下降速率下降晶核数目晶核数目会饱和会饱和第31页，讲稿共108张，创作于星期三临界晶核为单个原子时的稳临界晶核为单个原子时的稳定晶核密度定晶核密度i=1起始不完全沉积，设沉积进行一段时间起始不完全沉积，设沉积进行一段时间

6、后，稳定晶核数为后，稳定晶核数为nx单位面积单位面积衬底分为衬底分为两部分两部分N0 Rt tama 2N0稳定晶核区稳定晶核区nxma/N0单原子区单原子区1-nxma/N0第32页，讲稿共108张，创作于星期三起始完全沉积的稳定晶核密度起始完全沉积的稳定晶核密度:由于增原子密度高，所以在小于由于增原子密度高，所以在小于t ta的时间内增原子就会被俘获，的时间内增原子就会被俘获，无规行走时间无规行走时间(或称单原子寿或称单原子寿命命)不再是不再是t ta，而是，而是t tc，且，且t tct ta温度下降，起始不完全沉积温度下降，起始不完全沉积起始完全沉积起始完全沉积第35页，讲稿共108张

7、，创作于星期三饱和稳定晶核密度随温度的变化饱和稳定晶核密度随温度的变化起始不完全沉积起始不完全沉积起始完全沉积起始完全沉积第37页，讲稿共108张，创作于星期三样品Ea/eVEd/eVAu/NaCl0.680.740.270.36Au/KCl0.660.710.210.28Ag/NaCl0.610.650.180.24Ag/KCl0.410.530.080.31通过分析成核率、饱和稳定晶核密度得到的通过分析成核率、饱和稳定晶核密度得到的Au、Ag/碱碱卤化物的吸附能和扩散激活能卤化物的吸附能和扩散激活能第38页，讲稿共108张，创作于星期三100K300K400K450K不同温度下沉积的不同温

8、度下沉积的Au核核的形貌图的形貌图覆盖度覆盖度 0.2ML(a)100 K (b)300 K(c)400 K (d)450 K温度上升，晶核数减小，是起始完全沉积状态温度上升，晶核数减小，是起始完全沉积状态第39页，讲稿共108张，创作于星期三不同沉积速率下成核示意图不同沉积速率下成核示意图v高沉积速率下和低沉积速率下沉积高沉积速率下和低沉积速率下沉积0.25 ML后的成核后的成核低沉积速率低沉积速率高沉积速率高沉积速率起始完全沉积起始完全沉积第40页，讲稿共108张，创作于星期三成核密度与时间和温度的关系成核密度与时间和温度的关系(T1T2T3T4)Introduction to surfa

9、ce and thin film processes,Chapt 5,John A.Venables第41页，讲稿共108张，创作于星期三Parameter dependencies of the maximum cluster density第42页，讲稿共108张，创作于星期三扩散模型下的成核率扩散模型下的成核率增原子平均扩散距离：增原子平均扩散距离：Ds表面扩散系数表面扩散系数X第43页，讲稿共108张，创作于星期三成核率：成核率：第44页，讲稿共108张，创作于星期三热力学模型下的成核率：热力学模型下的成核率：临界核密度：临界核密度：ns为所有可能成为所有可能成核点的密度核点的密度表面

10、增原子密度表面增原子密度:临界核侧面积临界核侧面积:第45页，讲稿共108张，创作于星期三入射（扩散方式）增原子流：入射（扩散方式）增原子流：成核率：成核率：讨论：温度，过饱和度的影响讨论：温度，过饱和度的影响第46页，讲稿共108张，创作于星期三热力学模型中的参数不好确定和估计，原子模型中的参热力学模型中的参数不好确定和估计，原子模型中的参数比较容易测量。数比较容易测量。几种模型下成核率的比较：几种模型下成核率的比较：第47页，讲稿共108张，创作于星期三起始沉积起始沉积成核成核稳定核长大稳定核长大稳定核相遇稳定核相遇融合后产生新的核融合后产生新的核第48页，讲稿共108张，创作于星期三Au

11、/NaCl(001)250 C1.5 min8 min15 min85 minR=1013 atoms/cm sec第49页，讲稿共108张，创作于星期三成核与生长的转化方程成核与生长的转化方程第50页，讲稿共108张，创作于星期三(a)Transformed fraction of CoSi2 as a function of time as measured by change in resistivity,(b)Arrhenius plot of log t1/2 vs 1/TK.CoSi2:EN=0.3 eV and EG=0.92 eV.Often,EN is taken to be

12、 zero so that Et=3EG.第51页，讲稿共108张，创作于星期三稳定核的生长、融合与减少稳定核的生长、融合与减少稳定核生长过程中的一般现象：稳定核生长过程中的一般现象：v所有核在衬底表面的投射面积之和减小；所有核在衬底表面的投射面积之和减小；v残存核的高度增加；残存核的高度增加；v具有晶体外形的核有时会变形成圆；具有晶体外形的核有时会变形成圆；v岛随时间逐渐取晶体外形；岛随时间逐渐取晶体外形；v两个具有不同取向的岛融合时，融合后的岛取融合前尺两个具有不同取向的岛融合时，融合后的岛取融合前尺寸更大的晶体的取向；寸更大的晶体的取向；v融合过程经常有类液体的过程，比如形状变化；融合过

13、程经常有类液体的过程，比如形状变化；v原子团可以在表面迁移（迁移融合）；原子团可以在表面迁移（迁移融合）；二次成核？二次成核？第52页，讲稿共108张，创作于星期三稳定核的生长、融合与减少的机制稳定核的生长、融合与减少的机制第53页，讲稿共108张，创作于星期三Ostwald 熟化过程熟化过程不同大小的原子团附近的平衡不同大小的原子团附近的平衡蒸汽压（或浓度蒸汽压（或浓度)不同，引起不同，引起浓度差，从而导致原子从小浓度差，从而导致原子从小尺寸原子团到大尺寸原子团尺寸原子团到大尺寸原子团的迁移。这种机制称作熟化的迁移。这种机制称作熟化过程，熟化过程是单原子迁过程，熟化过程是单原子迁移过程。移过

14、程。pbps第54页，讲稿共108张，创作于星期三GaAs衬底上衬底上Ga原子团的显微像原子团的显微像第55页，讲稿共108张，创作于星期三吉布斯吉布斯-汤姆逊关系：汤姆逊关系：P0是是r为无穷大为无穷大(平直界面平直界面)时时的平衡蒸汽压的平衡蒸汽压不同曲率半径的原子团附近的平衡蒸汽压（或浓不同曲率半径的原子团附近的平衡蒸汽压（或浓度度)不同，引起浓度差。不同，引起浓度差。化学势差是扩散的驱动力化学势差是扩散的驱动力或或原子团内单原子的化学势原子团内单原子的化学势第56页，讲稿共108张，创作于星期三第59页，讲稿共108张，创作于星期三极坐标下的扩散方程极坐标下的扩散方程(二维二维)：稳态

15、：稳态：边界条件：边界条件：N(r)=NrN(Lr)=N0Nr为原子团表面吸附原子的浓度，为原子团表面吸附原子的浓度，N0为平直表面上的吸附原子浓度为平直表面上的吸附原子浓度熟化机制下的晶粒长大熟化机制下的晶粒长大LrrN0NrN(R)第60页，讲稿共108张，创作于星期三每秒流入周长为每秒流入周长为2r的球的球体的原子数体的原子数半球体原子数的变化半球体原子数的变化第61页，讲稿共108张，创作于星期三Si上生长上生长Sn原原子的过程子的过程小原子团小原子团大原子团大原子团第62页，讲稿共108张，创作于星期三不同生长模式下的生长时间标度率不同生长模式下的生长时间标度率在熟化过程中，包括原子

16、从小原子团脱离，原子扩散到大原在熟化过程中，包括原子从小原子团脱离，原子扩散到大原子团附近，再被大原子团俘获等一系列过程，在后两种情况子团附近，再被大原子团俘获等一系列过程，在后两种情况下，原子的脱离或俘获过程是限制过程下，原子的脱离或俘获过程是限制过程第63页，讲稿共108张，创作于星期三合并过程合并过程Au/MoS2,400 oC,(a)任意时间任意时间,(b)0.06s,(c)0.18s,(d)0.50 s,(e)1.06 s,(f)6.18 s.第64页，讲稿共108张，创作于星期三合并后总表面能降低合并后总表面能降低第65页，讲稿共108张，创作于星期三合并过程合并过程neck的尺寸

17、变化：的尺寸变化：第66页，讲稿共108张，创作于星期三增原子的非平衡量：增原子的非平衡量：2可对可对z作傅立叶展开来求解作傅立叶展开来求解2第67页，讲稿共108张，创作于星期三第68页，讲稿共108张，创作于星期三合并过程合并过程neck的尺寸变化：的尺寸变化：m,n与具体的扩散机制相关，体扩散与具体的扩散机制相关，体扩散n=5,m=2;表面扩表面扩散散n=7,m=3.r为初始晶核的半径，为初始晶核的半径，X为为neck的半径的半径,该方程是描述两个该方程是描述两个半径为半径为r的晶核合并过程中的晶核合并过程中neck半径的变化半径的变化.第69页，讲稿共108张，创作于星期三原子团的迁移

18、机制原子团的迁移机制B(T)是与温度相关的常数，是与温度相关的常数，S:13第70页，讲稿共108张，创作于星期三存在台阶时的成核生长存在台阶时的成核生长Pclet NumberL2R/D 1L2R/D 1生长模式生长模式扩散型台阶流动扩散型台阶流动对流型台阶流动对流型台阶流动二维成核与生长二维成核与生长统计上的粗化生长统计上的粗化生长低沉积率低沉积率高扩散高扩散高沉积率高沉积率低扩散低扩散佩克莱特数佩克莱特数第71页，讲稿共108张，创作于星期三不同不同t tD/t tJ值时团簇密度值时团簇密度nj的的直方图直方图,n0为衬底表面的原为衬底表面的原子数。子数。1/RL2/D第72页，讲稿共1

19、08张，创作于星期三其它因素其它因素:台阶边缘的台阶边缘的Schwoebel 势垒势垒vAg(111)上上Au核分布核分布 的的STM 图图.v平台上的平台上的Au核表明台阶边缘的核表明台阶边缘的Schwoebel 势垒在低温下阻势垒在低温下阻碍原子的在台阶间的扩散。碍原子的在台阶间的扩散。33 oC81 oC105 oCSchwoebel 势垒势垒的影响因素：的影响因素：v台阶边缘缺陷台阶边缘缺陷v表面活性剂表面活性剂第73页，讲稿共108张，创作于星期三Sb诱导诱导Ag的逐层生长的逐层生长:(a)蒸发蒸发25ML的的Ag；(b)先增发先增发Sb，再蒸发，再蒸发1.7ML的的Ag；(c)Sb

20、的引入增的引入增加了扩散势垒。加了扩散势垒。第74页，讲稿共108张，创作于星期三其它因素:表面扩散的各向异性表面扩散的各向异性各向异性岛（垂直于衬底表面二聚体链的方向）。各向异性岛（垂直于衬底表面二聚体链的方向）。增原子各向异性扩散所形成的晶核形状增原子各向异性扩散所形成的晶核形状(二聚体链方向扩散快二聚体链方向扩散快)。高温下高温下B型台阶上扩散更快，导致型台阶上扩散更快，导致B型台阶上无法成核型台阶上无法成核(denuded zones)，会导致，会导致A台面消失，形成双层台阶。台面消失，形成双层台阶。0.1 ML Si0.1 ML Si563 K593 KDimer RowsB ste

21、pA stepOverlayer RowsDenudedB stepA stepA step第75页，讲稿共108张，创作于星期三第76页，讲稿共108张，创作于星期三薄膜沉积过程的薄膜沉积过程的Monte Carlo 模拟和模拟和DLA模型模型Monte Carlo simulationDLA(Diffusion Limited Aggregation)Hit-and-stick DLA modelMonte Carlo方法方法利用随机数进行统计计算利用随机数进行统计计算利用随机投针法计算圆周率：蒲丰投针问题利用随机投针法计算圆周率：蒲丰投针问题1.产生随机数产生随机数2.设定游戏规则设定游

22、戏规则Ld P=2L/d第78页，讲稿共108张，创作于星期三薄膜沉积：原子的入射位置，原子在表面的运动薄膜沉积：原子的入射位置，原子在表面的运动随机随机 随机随机Monte Carlo随机数随机数 随机数随机数第79页，讲稿共108张，创作于星期三Hit-and-stick DLA model1.产生随机数产生随机数蒸镀原子的坐标蒸镀原子的坐标2.产生随机数产生随机数蒸镀原子随机扩散蒸镀原子随机扩散3.如果没有遇到其他原子则继续扩散如果没有遇到其他原子则继续扩散4.如果遇到其他原子则凝聚下来如果遇到其他原子则凝聚下来第80页，讲稿共108张，创作于星期三Hit-and-stick DLA m

23、odel programm初始条件：原点有一原子，范围为初始条件：原点有一原子，范围为m*n。计算程序：计算程序：是是否否与其它原子与其它原子凝聚在一起凝聚在一起是否遇到是否遇到其它原子其它原子产生随机数产生随机数蒸镀原子坐标蒸镀原子坐标产生随机数产生随机数原子扩散方向原子扩散方向第81页，讲稿共108张，创作于星期三计算模拟所得的图形计算模拟所得的图形四方格子生长的图形四方格子生长的图形三角格子生长出的图形三角格子生长出的图形 分形图形分形图形Hit-and-stick DLA model第82页，讲稿共108张，创作于星期三薄膜生长初期阶段的实验观察结果薄膜生长初期阶段的实验观察结果PRL

24、 70(1993)3943PRL 76(1996)2366PRL 76(1996)1304计算得到计算得到分形图形分形图形但实验上没有但实验上没有观察到在正方观察到在正方表面晶格上形表面晶格上形成的分形生长成的分形生长图形图形实验观察到的分形实验观察到的分形生长图形比较粗生长图形比较粗第83页，讲稿共108张，创作于星期三实际计算机模拟需要实际计算机模拟需要加入更多的考虑加入更多的考虑：计算程序中可以改变参数和规则：计算程序中可以改变参数和规则：v改变坐标系改变坐标系v凝聚是有选择的凝聚是有选择的v扩散是有限步数的扩散是有限步数的衬底表面的对称性：四方还是六角衬底表面的对称性：四方还是六角边界

25、情况边界情况扩散是无限还是有限的扩散是无限还是有限的第84页，讲稿共108张，创作于星期三薄膜生长薄膜生长形成分形图形形成分形图形对于扩散步数加以限制对于扩散步数加以限制(6)-产生新的成核中心产生新的成核中心第85页，讲稿共108张，创作于星期三有选择的凝聚有选择的凝聚:计算得到的图形有一些变化计算得到的图形有一些变化两个位置凝聚几率不等两个位置凝聚几率不等第86页，讲稿共108张，创作于星期三Simulation 需要考虑到需要考虑到原子在边角上的扩散和原子在边角上的扩散和凝聚涉及到的近临数凝聚涉及到的近临数密排六角密排六角:Ve(1)=0.5eV，Ve(2)=0.35eV正方形正方形:V

26、e=0.45eV，Ve=0.35eV，台面台面:Vd=0.25 eV第87页，讲稿共108张，创作于星期三实际的薄膜生长图形枝叉宽度随温度变化，分形实际的薄膜生长图形枝叉宽度随温度变化，分形枝晶，枝晶，考虑原子在密排考虑原子在密排六角衬底上绕过岛六角衬底上绕过岛角的扩散各向异性后，计角的扩散各向异性后，计算模拟得到的图形应该和实验是一致的。算模拟得到的图形应该和实验是一致的。第88页，讲稿共108张，创作于星期三利用改进的计利用改进的计算模拟模型，算模拟模型，得到和实验结得到和实验结果一致的图形果一致的图形第89页，讲稿共108张，创作于星期三第90页，讲稿共108张，创作于星期三第91页，讲

27、稿共108张，创作于星期三第92页，讲稿共108张，创作于星期三温度降低岛密温度降低岛密度升高度升高与实验的对照：一个好观察量是岛密度，一个好与实验的对照：一个好观察量是岛密度，一个好改变量是温度改变量是温度第95页，讲稿共108张，创作于星期三模拟计算结果是否正确需要进一步实验数模拟计算结果是否正确需要进一步实验数据验证据验证Phys.Rev.Lett.76(1996)1304第102页，讲稿共108张，创作于星期三模拟程序：模拟程序：链接链接1：DLA链接链接2：DLAyale第105页，讲稿共108张，创作于星期三参考读物：参考读物：王恩哥，王恩哥，薄膜生长中的表面动力学薄膜生长中的表面动力学(I)，物理学进展，物理学进展，2003，Vol.23,No.1薄膜生长中的表面动力学薄膜生长中的表面动力学(II)，物理学进展，物理学进展，2003，Vol.23,No.2Zhenyu Zhang,Science,1997,276:377Venables J A.，Introduction to Surface and Thin Film Processes第106页，讲稿共108张，创作于星期三感谢大家观看第108页，讲稿共108张，创作于星期三