薄膜材料物理薄膜形成.pptx

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1、 机械方法（涂上）机械方法（涂上）薄膜材料制备薄膜材料制备 物理方法（物理气相沉积物理方法（物理气相沉积PVDPVD）化学方法（化学气相沉积化学方法（化学气相沉积CVDCVD）第一章第一章 薄膜的形成薄膜的形成 第一讲第一讲本章主讲物理气相沉积（本章主讲物理气相沉积（PVDPVD）:磁控溅射、热蒸发、磁控溅射、热蒸发、二级溅射等。二级溅射等。气相气相 吸附相吸附相 固相固相 单个原子吸附在基体上，由几个被吸附的单个原子相单个原子吸附在基体上，由几个被吸附的单个原子相互结合形成小原子团（凝结相），小原子团长大，晶核，互结合形成小原子团（凝结相），小原子团长大，晶核，晶核继续长大，形成不连续薄膜，

2、形成连续薄膜。晶核继续长大，形成不连续薄膜，形成连续薄膜。第1页/共22页范德华力为主范德华力为主1.1 1.1 单体的单体的吸附吸附概念：一个自由原子进入基体的作用力场以后，到概念：一个自由原子进入基体的作用力场以后，到达基体表面被物理吸附，其吸附能（根据固体理论）：达基体表面被物理吸附，其吸附能（根据固体理论）：第2页/共22页本征吸附能：第一个原子层与基体表面间的结合本征吸附能：第一个原子层与基体表面间的结合能。能。内聚能内聚能:吸附层数增多吸附层数增多,相邻两层间的结合能相邻两层间的结合能汽汽化化 潜热。潜热。物理吸附物理吸附 范德华力范德华力 作用范围大作用范围大(0.4nm)化学吸

3、附化学吸附 化学键力化学键力 作用距离小作用距离小(0.10.3nm)化学吸附本质：吸附原子与基体表面原子之间发化学吸附本质：吸附原子与基体表面原子之间发生了电子转移生了电子转移成共有成共有形成化学键形成化学键键能键能5eV以上。以上。单层吸附：先是物理吸附，后化学吸附（可能）单层吸附：先是物理吸附，后化学吸附（可能）多层吸附：下为化学吸附，上为物理吸附。多层吸附：下为化学吸附，上为物理吸附。第3页/共22页物理吸附：低温吸附，高温解吸附。物理吸附：低温吸附，高温解吸附。化学吸附：常温下很难解吸附，高温提供能解化学吸附：常温下很难解吸附，高温提供能解吸吸 附所需的活化能。附所需的活化能。定量描

4、述（吸附）定量描述（吸附）气相中一个原子的动能：气相中一个原子的动能：基体中一个原子的动能（热平衡）：基体中一个原子的动能（热平衡）：一般：一般：若碰撞，入射原子能快速交出多余能量，则若碰撞，入射原子能快速交出多余能量，则易被易被吸附，引入适应系数吸附，引入适应系数第4页/共22页吸附原子在基片上的状态吸附原子在基片上的状态重蒸发重蒸发基片表面上迁移基片表面上迁移形成原子对或原子团形成原子对或原子团第5页/共22页重蒸发：重蒸发：第6页/共22页在基片表面上的迁移速率在基片表面上的迁移速率n0为单位面积上的吸咐点数第7页/共22页第8页/共22页形成原子对形成原子对第9页/共22页1、初始凝结

5、初始凝结 S1 重新蒸发掉，不凝结重新蒸发掉，不凝结 1S2 部分凝结，部分再蒸发部分凝结，部分再蒸发 S2 完全凝结完全凝结 1.2 1.2 小原子团的吸附小原子团的吸附小原子团的形成小原子团的形成 初始凝结初始凝结 小原子团的变化速率小原子团的变化速率 临界核临界核 成膜初始阶段，各种大小不一的小原子团成膜初始阶段，各种大小不一的小原子团 边形边形 成、边分解、又生长、又蒸发成、边分解、又生长、又蒸发 动态平衡。动态平衡。第10页/共22页 因为每个吸附原子的捕获面积内，至少都有因为每个吸附原子的捕获面积内，至少都有两两个吸附原子。因此，所有的吸附原子都能结合成个吸附原子。因此，所有的吸附

6、原子都能结合成对对成为更大的原子团，从而达到完全凝结。成为更大的原子团，从而达到完全凝结。制膜工艺条件：制膜工艺条件：2、小原子团的变化速率、小原子团的变化速率第11页/共22页各种大小不等的原子团处于动态平衡，各种原各种大小不等的原子团处于动态平衡，各种原子团的数量达到稳定值，所以：子团的数量达到稳定值，所以：要形成薄膜，需有特殊的小原子团产生要形成薄膜，需有特殊的小原子团产生,其特殊性：其特殊性：它不分解出单原子或双原子等，是稳定的。它不分解出单原子或双原子等，是稳定的。稳定核（大小不一）稳定核（大小不一）最小稳定核最小稳定核即各原子团数量的变化率等于零，产生率即各原子团数量的变化率等于零

7、，产生率=消失率消失率 当当R=0 不形成薄膜不形成薄膜3、临界核定义临界核定义第12页/共22页薄膜材料与基片种类薄膜材料与基片种类 决定最小稳定核决定最小稳定核=临临界核界核一般认为：玻璃上淀积金属一般认为：玻璃上淀积金属 最小稳定核最小稳定核310个原子个原子比最小稳定比最小稳定核核少一个原子少一个原子第13页/共22页1.3 成核理论成核理论包括包括：微滴理论微滴理论热力学方法热力学方法 原子理论原子理论统计物理学方法统计物理学方法 1 1、微滴理论、微滴理论:气相气相 吸附相吸附相固相形成薄膜，视原固相形成薄膜，视原 子团微小的凝聚滴子团微小的凝聚滴.成核过程定性分析成核过程定性分析

8、:随小原子团增大随小原子团增大,表面能增大表面能增大,体系自由能体系自由能 增加增加 G G个；个；到临界核时，自由能增加到最大值到临界核时，自由能增加到最大值GmaxGmax；原子团再增大，原子团再增大，GG稳定核稳定核第14页/共22页 设基片表面有一个微滴如图，由热力学理论，形成设基片表面有一个微滴如图，由热力学理论，形成这个微滴时，总自由能的变化为：这个微滴时，总自由能的变化为：G=aG=a3 3r r3 3g gv v+a+a1 1r r2 20 0+a+a2 2r r2 21 1-a-a2 2r r2 22 2 式中式中:g:gv v-微滴单位体积所引起的自由能变（微滴单位体积所引

9、起的自由能变（J/m3J/m3），），其值为负。其值为负。0 0、1 1、2 2是图中所示表面的表面能，是图中所示表面的表面能，形成表面所要外力做功，形成表面所要外力做功，GG定量分析：定量分析：临界核临界核a3r3 体积0a1r2 面积a2r2 面积12基片*r第15页/共22页可见临界核最不稳定，只有可见临界核最不稳定，只有 r r*GG才稳定才稳定第16页/共22页第17页/共22页第18页/共22页成核速率成核速率在单位面积，单位时间内产生的稳定核数量在单位面积，单位时间内产生的稳定核数量 临界核长大速率临界核长大速率临界核长大临界核长大,入射原子直接与临界核碰撞相结合入射原子直接与临

10、界核碰撞相结合(很少）很少）吸附原子做表面迁移吸附原子做表面迁移碰撞碰撞结合（为主）结合（为主）l临界核长成稳定核的速率决定于：临界核长成稳定核的速率决定于：单位面积上的临界核数单位面积上的临界核数临界核密度临界核密度 每个临界核的捕获范围每个临界核的捕获范围 所有吸附原子向临界核运动的总速度所有吸附原子向临界核运动的总速度第19页/共22页临界核密度临界核密度 n n0 0单位面积上的吸附点数单位面积上的吸附点数(10(101515/cm/cm2 2)Z Z 色尔道维持修正因子，色尔道维持修正因子，Z10Z10-2-2 例如，例如，AgAg在在NaClNaCl上沉积，上沉积，n*10n*101111/cm/cm2 2每个临界核的捕获范围为：每个临界核的捕获范围为：每个吸附原子的表面迁移速度：每个吸附原子的表面迁移速度：在基片单位表面上吸附的原子数（原子密度）为：在基片单位表面上吸附的原子数（原子密度）为：第20页/共22页l所以成核速率：所以成核速率：第21页/共22页感谢您的观看！第22页/共22页