第二章 薄膜的形成、生长与缺陷

薄膜的形成、结构与缺陷

西北大学信息科学与技术学院 赵丽丽

基本要求：了解薄膜的形成、结构与缺陷； 理解成核理论。

薄膜的形成、结构与缺陷2.1 薄膜的形成 2.2 薄膜的外延生长 2.3 薄膜的结构与缺陷

2.1 薄膜的形成2.1.1 薄膜的生长过程及其分类 2.1.2 形核理论

2.1.1 薄膜的生长过程及其分类原子到达衬底表面先在衬底上形成一些均匀、细小、 可以运动的原子团( “岛” )。小岛不断接受新的沉 积原子，并与其他小岛合并逐渐长大，而岛的数目则 很快达到饱和。在小岛合并过程进行的同时，空出来 的衬底表面上又会形成新的小岛。这一小岛形成与合 并的过程不断进行，直到孤立的小岛之间相互连接成 片，最后只留下一些孤立的孔洞和沟道，后者不断被 后沉积的原子所填充。在空洞被填充的同时，形成了 结构上连续的薄膜。小岛合并的过程一般要进行到薄膜厚度达到数十纳米 的时候才告结束。

2.1.1 薄膜的生长过程及其分类

岛状生长模式 层状生长模式 层岛结合模式

2.1.2 形核理论自由能当温度>结晶温度时，

液相自由能较低，因此是稳定的；而当温

度<结晶温度时，固相自由能较低，因此固

相是稳定的。

2.1.2 形核理论自由能自发形核，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。 非自发形核，指的是除了有相变自由能 作推动力之外，还有其他的因素起着帮 助新相核心生成的作用。 临界核

2.1.2 形核理论一、新相的自发形核 定义：ΔGv是单位体积的固相在凝结过程中的相 变自由能之差。 当过饱和度为0时，ΔGv=0 ,没有新相核心可以 形成(或者已经形成的新相核心不再长大);

当气相存在过饱和现象时，ΔGv<0 ,它就是新相 形核的驱动力。

2.1.2 形核理论形成一个核心时，系统的自由能变化是：4 3 G r Gv 4 r 2 3 γ为单位核心表面的表面能。

形成临界核心时，系统的自由能变化是：16 3 G* 2 3 G

2.1.2 形核理论ΔG*相当于形核过程的能垒，在气相过饱和度 较大时，所克服的能垒也较低。热激活过程提 供的能量起伏将使某些原子团具备了ΔG*大小 的自由能涨落，从而导致新相核心的易于形成。

过饱 和度 较大

过饱 和度 较小

过饱和度越大 临界半径越小

2.1.2 形核理论二、薄膜的非自发形核 薄膜的非自发形核过程的临界自由能变化可以 写成两部分之积的形式：3 16 vf (2 3 cos cos 3 ) G * 3 G 2 4

其中，第一项正是自发形核过程的临界自由能变 化，而后一项是非自发形核相对于自发形核过程 能量势垒降低的因子。θ为接触角。

2.1

.2 形核理论16 (2 3 cos cos 3 ) * G 3 G 43 vf 2

由上式可见，接触角越小，衬底与薄膜 的浸润性就越好，非自发形核的能垒降 低得越多，非自发形核的倾向越大。

2.2 薄膜的外延生长2.2.1 概念与分类2.2.2 点阵失配与外延缺陷

2.2.1 概念与分类外延生长在半导体技术中具有极其重要的作用。 薄膜的外延要求薄膜与衬底材料之间实现点阵的连 续过渡。 较高的衬底温度和较低的沉积速率有利于形成 具有高度完整性的薄膜。 除上述方法外，在实际的单晶薄膜生长中还采 用高度完整的单晶表面作为薄膜非自发形核的衬底。 这种在完整的单晶衬底上延续生长单晶薄膜的方法 被称为外延生长。

2.2.1 概念与分类根据外延生长的技术可以分为：液相外 延(LPE)、气相外延(VPE)、分子 束外延(MBE)等。根据衬底和薄膜的组分异同可以分为同 质外延和异质外延。

2.2.2 点阵失配与外延缺陷点阵失配度：

f

a f as as

af和as分别是薄膜与衬底材料的点阵常数。

显然，失配度越小，可以形成的界面完整性会 越好。 但是，有时候人们会有意地利用大的失配度来 调整薄膜的电学性质。

界面状态

薄膜

衬底

a

b

c

晶格失配度对外延薄膜界面状态的影响a—无晶格失配；b—晶格失配度较小；c—晶格失配度较大

衬底与薄膜的取向关系外延时薄膜与衬底之间存在一定的取向 关系。例如，在GaAs(110)面上外延 体心立方结构的Fe时，其外延取向关系 为：(110)Fe||(110)GaAs 点阵失配会引发缺陷，例如：位错。