第三章薄膜的生长ppt课件.ppt

第三章薄膜的生长,不同制备方法，其薄膜的形成机制不同，但存在共性问题。 本章以真空蒸发制备薄膜为例，讨论薄膜形成问题。, 凝结过程 核形成与生长 薄膜形成过程与生长模式 溅射薄膜的生长 薄膜的外延生长 薄膜的附着力与内应力 薄膜形成过程的计算机模拟,射向基板及薄膜表面的原子、分子与表面碰撞，其中一部分被反射，另一部分在表面停留。停留的原子、分子在自身所带能量及基板温度所对应的能量作用下，发生表面扩散及表面迁移，一部分再蒸发，脱离表面，一部分落入势能谷底，被表面吸附，即发生凝结过程。凝结伴随着晶核形成与生长过程，岛形成、合并与生长过程，最后形成连续的膜层。,通常我们眼睛看到、手接触到的物体，都是在温度变化缓慢、几乎处于热平衡状态下制造的。因此，内部缺陷很少，形状也多是块状的。,但是在真空中制造薄膜时，真空蒸镀需要进行数百摄氏度以上的加热蒸发。溅射镀膜时，从靶材表面飞出的原子、分子所带的能量比蒸发原子还要高些。,这些气化的原子、分子一旦到达基板表面，在极短的时间内就会凝结为固体。即薄膜沉积伴随着从气相到固相的急冷过程，从结构上看，薄膜中必然会保留大量的缺陷。,薄膜的形成3.1凝结过程, 凝结过程,薄膜形成分为：凝结过程、核形成与生长过程、岛形成与结合生长过程。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,表面悬挂键：不饱和的化学键。 吸附：入射到基片表面的气相原子被悬挂键吸引，束缚在表面的现象。 物理吸附：由原子电偶极矩之间的范德华力引起的吸附。 化学吸附：由化学键结合力引起的吸附。,基本概念,薄膜的形成3.1凝结过程,薄膜的形成3.1凝结过程,薄膜的形成3.1凝结过程,入射原子到达基片表面后，发生,与基片原子进行能量交换被吸附；吸附后粒子仍具有较大解吸能，在基板短暂停留后再蒸发（二次蒸发）； 不与基片原子进行能量交换，被基片表面反射。,表面自由能：由于固体表面化学键的中断，使它具有一种过量的能量称为表面自由能。 吸附能：吸附现象使其表面的自由能减小，伴随吸附现象的发生而释放一定的能量，称为吸附能。,薄膜的形成3.1凝结过程,真空蒸发过程中，吸附过程的能量关系,薄膜的形成3.1凝结过程,吸附的几率和吸附时间,物理吸附系数：碰撞表面的气体分子被物理吸附的几率。 化学吸附系数：碰撞表面的气体分子被化学吸附的几率。,物理吸附分子中的一部分，越过位能曲线中峰，即A点，就会被化学吸附，化学吸附需要激活。,化学吸附和物理吸附是根据吸附作用来区分的，不但难以截然分开，还可以相互转化。,薄膜的形成3.1凝结过程,平均吸附时间 ：吸附分子一次能在表面停留的时间,式中， 是表面原子的振动周期 ,大约为10-1410-12s.,与Ed有关,薄膜的形成3.1凝结过程,金银铜等与脱附表面的活化能接近的液化热值大，平均吸附时间接近于无穷大，从吸附角度看，可以将它们称为表面物质。,Ar-玻璃脱附活化能值小，平均吸附时间极小，从吸附角度看，可以将它们称为气体。,薄膜的形成3.1凝结过程,二、表面扩散过程,吸附原子的表面扩散是凝结的必要条件,原子扩散形成原子对凝结,表面扩散势垒,薄膜的形成3.1凝结过程,平均表面扩散时间,吸附原子在一个吸附位置上的停留时间称为平均表面扩散时间，用 表示。,式中， 是表面原子沿表面水平方向振动周期，,平均表面扩散距离 （设 为相邻吸附位置间距）,为表面扩散系数,吸附原子在表面停留时间内进过扩散运动所移动的距离。,脱附活化能和表面扩散激活能的大小对凝结过程有较大影响。表面扩散能越大，平均表面扩散距离越短；脱附活化能越大，吸附原子在表面上停留的时间越长，则平均表面扩散距离越大，这对形成凝结过程十分有利。,薄膜的形成3.1凝结过程,凝结过程是指吸附原子在基体表面形成原子对及其后续过程。,吸附原子面密度,吸附原子扩散迁移频率,吸附原子在平均吸附时间内迁移（距离）次数,三、凝结,一个吸附原子在这样的迁移中与其他吸附原子碰撞就可以形成原子对,薄膜的形成3.1凝结过程,吸附原子的捕获面积,每个吸附原子的捕获面积：,式中， 是吸附位置密度， 是吸附原子在平均吸附时间内的迁移次数。,所有吸附原子的总捕获面积：,捕获区内的吸附原子凝结，非捕获区吸附原子可以蒸发，也可以成核。,薄膜的形成3.1凝结过程,讨论：,当 时，每个吸附原子的捕获面积内只有一个原子，故不能形成原子对，也不能产生凝结。 当 时，发生部分凝结。平均每个吸附原子的捕获面积内有一个或两个吸附原子，可形成原子对或三原子团。在滞留时间内，一部分吸附原子有可能重新蒸发掉。 当 时，每个吸附原子的捕获面积内至少有两个吸附原子。可形成原子对或更大的原子团，从而达到完全凝结。,薄膜的形成3.1凝结过程,薄膜制备时，要达到完全凝结的工艺设计原则： 提高淀积速率 降低基片温度 选用吸附能大的基片,薄膜的形成3.1凝结过程,凝结过程的表征,凝结系数 单位时间内，完全凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比。 粘附系数 当基体表面已经存在凝结原子时， 单位时间内，再凝结的气相原子数与入射到基片表面上的总原子数之比。,薄膜的形成3.1凝结过程,热适应系数,表征入射气相原子（或分子）与基体表面碰撞时相互交换能量的程度的物理量称为热适应系数。,式中 、 和 分别表示入射气相原子、再蒸发原子和基体温度。,Ts=T完全适应,TsTTi不完全适应,Ti=T 完全不适应,凝结过程的表征,薄膜的形成3.1凝结过程,薄膜的形成3.2核形成与生长,核形成与生长的物理过程描述,薄膜的形成3.2核形成与生长,核形成与生长大概有四个过程：1.从蒸发源发出的气相原子入射到基体表面，其中一部分因能量较大而发射回去，另一部分则吸附在基体表面，在吸附的气相原子中有一小部分因能量稍大而再蒸发出去。2.吸附原子在基体表面扩散迁移，相互碰撞成原子对或小原子团，并凝结在基体表面。3.这种原子团和气体吸附原子碰撞结合，这个过程反复进行，一旦原子团的原子数超过某一个临界值,原子团进一步与气体吸附原子结合,向着长大方向发展,形成稳定的原子团.含有临界值原子数的原子团称为临界核,稳定原子团称为稳定核.4.稳定核再捕获气体吸附原子,或者与入射气相原子结合使它进一步长大成为小岛.,薄膜的形成3.2核形成与生长,核形成理论,解决问题：核的形成条件和生长速率 成核理论不断发展，出现了若干种成核理论。归纳起来，基本上是两种理论： a. 热力学界面能理论（毛细管现象理论、微滴理论）； b. 原子聚集理论（统计理论）,热力学界面能理论,认为薄膜形成过程是由气相到吸附相、再到固相的相变过程，其中从吸附相到固相的转变是在基片表面上进行的。,薄膜的形成3.2核形成与生长,临界核、稳定核与薄膜形成,a. 在一定条件下系统达到平衡，小原子团的数目不变。在基片上不能形成稳定的薄膜。,b. 要形成稳定薄膜，必须在薄膜表面形成稳定核，即稳定核一旦产生，一般来说就不再分解。,稳定核大小不一，所含原子数目各有不同；其中必然有最小稳定核。 比最小稳定核再小一点，或者说再少一个原子，原子团就变为不稳定，这种刚刚偏离稳定核的原子团成为临界核。,薄膜的形成3.2核形成与生长,薄膜形成过程：,气相,小于临界核尺寸的原子团（表面相）,大于临界核尺寸的原子团（固相）,类液相,薄膜的形成3.2核形成与生长,成核速率,成核速率是形成稳定核的速率或临界核长大的速率；定义为单位时间内在基片表面单位面积上形成稳定核的数量。,临界核长大有两个途径：一是入射的气相原子直接与临界核碰撞结合；另一个是吸附原子在基片表面上扩散迁移时的碰撞结合。,薄膜的形成3.2核形成与生长,衬底温度和沉积速度对形核过程的影响,薄膜沉积速率R与衬底温度T是影响薄膜沉积过程和薄膜组织的最重要的两个因素。,随着薄膜沉积速率R的提高，薄膜临界核心半径与临界形核自由能随之降低。因而，高的沉积速率将会导致高的成核速率和细密的薄膜组织。,温度越高，则需要形成的临界核心的尺寸越大，形核的临界自由能势垒也越高。高温时沉积的薄膜首先形成粗大的岛状组织。低温时，临界形核自由能下降，形成的核心数目增加，这将有利于形成晶粒细小而连续的薄膜组织。,薄膜的形成3.2核形成与生长,因此，要想得到粗大甚至是单晶结构的薄膜，一个必要的条件是需要适当地提高沉积的温度，并降低沉积速率。低温、高速的沉积往往导致多晶态甚至是非晶态的薄膜组织。,形核初期形成的孤立核心将随着时间的推移而逐渐长大，这一过程除了涉及吸纳单个的气相原子和表面吸附原子之外，还涉及核心之间的相互吞并和联合的过程。 三种核心相互吞并的机制:一、奥斯瓦尔多(Ostwaid)吞并过程：设想在形核过程中已经形成了各种不同大小的许多核心。随着时间的推移，较大的核心依靠消耗吸收较小的核心获得长大，其驱动力来自岛状结构的薄膜试图降低自身表面自由能的趋势。,薄膜的形成3.2核形成与生长,二、熔接过程：在极短的时间内，两个相邻的核心之间形成了直接接触，并很快完成了相互吞并过程。表面自由能的降低趋势仍是整个过程的驱动力。原子的表面扩散较体内扩散机制对熔结过程的贡献大；三、原子团迁移或者岛的迁移：在衬底上的原子团还具有相当的活动能力，这些岛的迁移是形成连续薄膜的第三种机理。原子团迁移是由热激活驱动的；激活能与原子团半径r有关，r越小激活能越低，原子团迁移越容易。要明显区分上述各种原子团的合并机制在薄膜形成过程中的相对重要性比较困难。但在上述机制作用下，原子团之间相互发生合并过程，并逐渐形成了连续的薄膜结构。,薄膜的形成3.2核形成与生长,薄膜的形成3.2核形成与生长,薄膜的形成3.2核形成与生长,400下不同时间MoS2衬底上Au核心相互吞并过程的透射电子显微镜照片(a) t=0, (b) t=0.06s, (c) t=0.18s, (d) t=0.50s, (e) t=1.06s, (f) t=6.18s,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式,薄膜形成与生长的三种模式,岛状生长模式（Volmer-Weber模式） 层状生长模式（Frank-Vander Merwe模式） 层岛混合模式（Stranski-Krastanov模式）,大多数薄膜形成与生长过程都属于第一种模式，即在基片表面上吸附的气相原子凝结之后，首先形成晶核，核不断吸附气相原子形成小岛，岛吸附气相原子形成薄膜。 薄膜的形成是由成核开始的。,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式,A 岛状生长模式：这一生长模式表明，被沉积物质的原子或分子倾向与自身相互键合起来，它们与衬底之间浸润性不好，因此避免与衬底原子键合，从而形成许多岛，再由岛合并成薄膜，造成表面粗糙。,B层状生长模式：当被沉积物质与衬底之间浸润性很好时，被沉积物质的原子便倾向于与衬底原子成键结合。因此，薄膜从形核阶段开始即采取二维扩展模式，薄膜沿衬底表面铺开。在随后的沉积过程中，一直维持这种层状生长模式。,C层岛混合生长模式：在最开始一两个原子层厚度时采用层状生长，之后转化为岛状生长。即先采用层状生长模式而后转化为岛状生长模式。,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式, 薄膜形成过程和生长模式,薄膜形成过程是指形成稳定核之后的过程。 薄膜生长模式是指薄膜形成的宏观形式。,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式,薄膜形成过程描述:,单体吸附；形成小原子团（胚芽）；形成临界核（开始成核）；临界核捕获原子，开始长大；临界核长大的同时，在非捕获区，单体逐渐形成临界核；稳定核长大，彼此连接形成小岛，新面积形成；新面积吸附单体，发生“二次”成核；小岛结合形成大岛，大岛长大并相互结合，又产生新面积，并发生“二次”、“三次”成核；形成沟道和带有孔洞的薄膜；沟道填平，封孔，形成连续薄膜。,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式,薄膜形成可划分为四个阶段：成核、结合、沟道、连续,岛状阶段,可观察到的最小核尺寸：2-3nm； 核进一步长大变成小岛，横向生长速度大于纵向生长速度； 形状：球帽形圆形多面体,岛的演变特点,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式,联并阶段,随着岛不断长大，岛间距离逐渐减小，最后相邻小岛可互相联结合并为一个大岛。这就是岛的联并。小岛联并长大后，基体表面上占据面积减小，表面能降低，基体表面上空出的地方可再次成核。,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式,联并阶段,虽然小岛联并的初始阶段很快，但联并后的一个相当长时间内，新岛继续改变它的形状。所以在联并时和联并后，新岛面积不断变化。在最初阶段，由于联并使基体表面上的覆盖面积减小，然后又逐渐增大。在联并初始阶段，为了降低表面自由能，新岛的面积减小而高度增大。根据基体表面、小岛的表面与界面自由能的情况，小岛将有一个最低能量的形状，它是具有一定高度与半径比的沟形。,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式,沟道阶段,孤立的岛有变圆的趋势。当岛结合以后，在岛的生长过程中变圆趋势减小，岛被拉长，连接网状结构，其中分布着宽度为5-20nm的沟道。当核长大到与沟渠边缘接触时就联并到网状结构的薄膜上。与此同时，在某些地方，沟渠被联并成桥形，并以类似液体的形式很快地被填充。其结果是大多数沟渠很快被消除，薄膜由沟渠状变为有小孔洞的连续状结构。 随着沉积，在沟道中会发生二次或三次成核。,薄膜的形成3.3薄膜形成过程和生长模式,连续薄膜阶段,在沟渠和孔洞消除之后，再入射到基体表面上的气相原子便直接吸附在薄膜上，通过联并作用而形成不同结构的薄膜。 有些薄膜在岛的联并阶段，小岛的取向就发生显著变化。对于外延薄膜的形成，其小岛的取向相当重要。 在形成多晶薄膜时，除了在外延膜中小岛联并时必须有相互一定的取向之外，在联并时还出现一些再结晶现象，以致薄膜中的晶粒大于初始核之间的距离。即使基体处在室温条件下，也有相当的再结晶发生。每个晶粒大约包括有100个或更多的初始核区域。由此看出，薄膜中晶粒尺寸的大小取决于核或岛联并时的再结晶过程，而不取决于初始核的密度。,薄膜的形成3.4溅射薄膜的形成过程,真空蒸发薄膜和溅射薄膜形成物理过程的不同点：,沉积粒子产生过程 沉积粒子迁移过程 成膜过程,用阴极溅射法制备薄膜时薄膜的形成特征与真空蒸发法制备薄膜的簿膜形成过程有很大的不同。因为溅射的靶材粒子到达基体表面时都有非常大的能量。所以阴极溅射薄膜形成时的一些特殊性，都起因于溅射靶材粒子到达基体表面时具有非常大的能量。,沉积粒子子的产生过程 真空蒸发是一种热过程，即材料由固相变到液相再变到气相的过程，或者从固相升华为气相的过程。通过这种热过程产生的沉积粒子(原子)都具有较低的热运动能量。在一般的蒸发温度下，其能量为0.10.2eV。 溅射过程是以动量传递的离子轰击为基础的动力学过程。具有高能量的入射离子与靶原子产生碰撞，通过能量传递，使靶原子获得一定动能之后脱离靶材表面飞溅出来。因此从靶材中溅射出来的粒子有较高的动能。比从蒸发源蒸发出来的气相原子动能高12个数量级。,薄膜的形成3.4溅射薄膜的形成过程,对于点状或小面积蒸发源，蒸发气相原子飞向基体表面时是按余弦定律定向分布的。对于阴极溅射，在入射的Ar离子能量较大，靶由多晶材料组成时，可将溅射靶看作点状源，溅射出来的原子飞向基体表面时才符合余弦规律分布，或者是以靶材表面法线为轴的对称分布。对于单晶靶材，因不同晶面上原子排列密度不同，表面结合能不同，不同晶面的溅射强度也不同。这种现象称为择优溅射效应。从蒸发源蒸发出的气相原子几乎都是不带电荷的中性粒子，或者有很少的带电粒子(因热电子发射造成)。但溅射过程则不同，除了从靶树中溅射出中性原子或原子团之外，还可溅射出靶材的正离子、负离子、二次电子和光子等多种粒子。,薄膜的形成3.4溅射薄膜的形成过程,在蒸发合金材料时，由于合金中各组分的蒸气压不同会产生分馏现象。蒸气压高的组分蒸发速度快，造成膜层成分同蒸发源材料组分的偏离。但在溅射合金材料时，尽管各组分的溅射速率有所不同(各种金属溅射速率的差异远小于它们蒸气压的差异)，在溅射的初期形成的合金膜成分与靶材组分稍有差别。但由于靶材温度不高，经过短暂时间后，靶材表面易溅射的组分呈现不足，从而使溅射速率小的组分在薄膜中逐渐增多起来，最终得到与靶材组分一致的溅射薄膜。,薄膜的形成3.4溅射薄膜的形成过程,沉积粒子的迁移过程 在真空蒸发时其真空度较高，一般在10-210-4Pa，气体分子平均自由程比蒸发源到基体之间的距离大。蒸发气相原子在向基体的飞行过程中，蒸发气相原子之间或与残余气体分子间的碰撞机会很少。它们将基本上保持离开蒸发源时所具有的能量、能量分布和直线飞行轨迹。,薄膜的形成3.4溅射薄膜的形成过程,在阴极溅射时，由于充入工作气体Ar气，真空度较低，在10010-2Pa左右，气体分子平均自由程小于靶与基体之间的距离。溅射原子从靶面飞向基体时，本身之间互相碰撞和Ar原子及其他残余气体分子相互碰撞，不但使溅射粒子的初始能量减少，而且还改变溅射粒子脱离靶面时所具有的方向。到达基体表面的溅射粒子可来自基体正前方整个半球面空间的所有方向。因此，溅射方法比蒸发方法较容易制备厚度均匀的薄膜。,薄膜的形成3.4溅射薄膜的形成过程,成膜过程 从蒸发源或溅射靶中出来的沉积粒子到达基体表面之后，经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核。然后再通过吸附使晶核长大成小岛，岛长大后互相联结聚结。最后形成连续状薄膜。在这样的成膜过程中，蒸发法和溅射法的主要区别是：真空蒸发法，入射到基体上的气相原子对基体表面没有影响，成核条件不发生变化。蒸发过程中，基体和薄膜表面受残余气体分子或原子的轰击次数较少，大约1013次/cm2s。所以 杂质气体掺入到薄膜中的可能性较小。 蒸发的气相原子与残余气体很少发生化学反应。 基体和薄膜的温度变化也不显著。,薄膜的形成3.4溅射薄膜的形成过程,溅射方法则大不相同。入射到基体表面的离子和高能中性粒子对基体表面影响较大，可使基体表面变得粗糙、离子注入、表面小岛暂时带电以及和残余气体分子发生化学反应等。所以成核条件就有明显变化，成核中心形成过程加快，成核密度显著提高。工作气体分子、残余气体分子、原子和离子等对基体表面的轰击次数为1017次/cm2s。这比蒸发过程大得多。因此杂质气体或外部材料掺入薄膜的机会较多，在薄膜中容易发生活化或离化等化学反应。另外，由于入射的溅射粒子有较大的动能，基体和薄膜的温度变化也比较显著。,薄膜的形成3.4溅射薄膜的形成过程,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。单晶的外延可被分为两类，即同质外延和异质外延。同质外延衬底与被沉积的薄膜同属于一种材料；异质外延则是衬底材料与被沉积材料属于不同的材料。点阵失配与外延缺陷 薄膜的外延生长要求薄膜与衬底材料之间实现点阵的连续过渡。由于同质外延只涉及到一种材料，其点阵类型和晶格常数没有变化，因而在薄膜沉积的界面上一般不会因其晶格应变。,薄膜的形成3.5薄膜的外延生长,同质外延 异质外延,对异质外延，薄膜与衬底属于不同的材料，其点阵常数不肯完全相等，这时，薄膜与衬底之间点阵常数的不匹配可能会导致两种情况：（1）在薄膜与衬底的点阵常数差别不大时，外延的界面将类似于同质外延界面，即界面同侧原子的配位关系将于衬底中完全对应。但由于界面两侧材料点阵材料点阵常数的差别，界面两侧的晶体点阵常数将出现应变。（2）当薄膜与衬底点阵常数间差别较大时，单靠引入点阵应变已不能完成点阵间的连续过渡。这时，在界面上将出现平行于界面的刃位错。衬底与薄膜点阵常数的相对差别被称为点阵常数的失配度，其定义为：,薄膜的形成3.5薄膜的外延生长,薄膜的形成3.5薄膜的外延生长,薄膜的形成3.5薄膜的外延生长,晶格常数不同晶格失配,失配位错（结构缺陷） 应变、应力晶格变化能带变化,影响器件性能、可靠性。,影响外延薄膜生长的因素：,基片的种类 基片温度 蒸发速率 基片表面状态,薄膜外延技术,根据以上有关薄膜外延生长条件的简单讨论我们知道，薄膜外延主要需要高质量的衬底以及高温、低速沉积两方面的条件。目前使用较多的薄膜外延技术可被分为液相外延、气相外延、分子束外延等三种。 液相外延是使衬底与含被沉积组分的过饱和液相相接触，从而获得薄膜外延生长的一种方法。气相外延所采用的方法是各种CVD方法。利用这中方法可以生长出质量很好的外延材料。分子束外延可以被认为是物理气相沉积的一种改进形式。,薄膜的形成3.5薄膜的外延生长,薄膜的形成3.6薄膜的附着力与内应力,薄膜的附着力,附着现象：,薄膜的形成3.6薄膜的附着力与内应力,简单附着：薄膜与衬底之间存在清楚的分界面。是由两个接触面相互吸引形成的。当两个不相似或者不相容的表面接触时容易形成简单附着。,扩散附着：薄膜与衬底之间相互扩散或者溶解形成一个渐变的分界面。它可以使一个不连续的界面被一个由物质逐渐和连续变化到另一种物质的过渡层所替代。,通过中间层附着：薄膜与衬底之间形成一种化合物中间层，薄膜再通过这个中间层与衬底之间形成牢固的附着。是由两个接触面相互吸引形成的。,宏观效应附着：机械锁合是一种宏观机械作用。当基体表面比较粗糙B、有各种微孔A或者微裂缝C、D时，在薄膜形成过程中，入射到衬底表面的气相原子便进入到粗糙表面的各种缺陷、微孔或裂缝中形成宏观机械锁合。,薄膜的形成3.6薄膜的附着力与内应力,提高附着力的途径：,薄膜的形成3.5薄膜的附着力与内应力,对基体进行清洁处理,提高基体温度,制造中间过渡层,活化表面,热处理,晶格匹配,用氧化方法,用梯度材料,薄膜的形成3.6薄膜的附着力与内应力,薄膜的内应力,拉应力：应力为正，膜本身有收缩的趋势。,压应力：应力为负，膜本身有伸展的趋势。,薄膜的形成3.6薄膜的附着力与内应力,薄膜内应力形成的原因：,热应力：沉积过程中，薄膜由高温冷却到周围环境温度过程中原子逐渐变成不能动的状态，这种热收缩就是产生内应力的原因。薄膜与基体的热膨胀系数不同，薄膜产生一附加应力。基片温度对薄膜内应力的影响也很大，因为基片的温度直接影响吸附原子在基片表面的迁移能力。,相变效应：薄膜的形成过程实际上是一个相变过程，气相液相固相，相变带来体积上的变化，产生内应力。,空位的消除：空位或空隙等缺陷经过热退火处理，原子在表面扩散时消除这些缺陷可以使体积发生收缩，产生拉应力。,薄膜的形成3.6薄膜的附着力与内应力,界面失配：薄膜材料与基体材料晶格结构不同，导致界面失配，产生应力。,杂质效应：在沉积薄膜时，环境气氛对内应力影响很大。真空室内残余气体进入薄膜中将产生压应力。另外，晶粒间界的扩散作用，也可以产生杂质扩散从而形成正压力。,原子、离子埋入效应：溅射膜中，常有压应力存在。一方面溅射原子能量有10eV左右，在成膜时可能形成空位或填隙原子等缺陷使薄膜体积增大；另一方面，反溅射过程中的加速离子或者原子常以1-100eV的能量冲击薄膜，它们除了作为杂质被薄膜捕获外，薄膜表面原子向内部移动埋入导致薄膜体积增大，从而形成压应力。,表面张力：薄膜沉积过程中，岛的合并或晶粒的合并引起表面张力变化，从而引起薄膜内应力的变化。,薄膜的形成3.7薄膜形成过程的计算机模拟, 薄膜形成过程的计算机模拟,对于薄膜形成过程的实验研究除了采用电子显微分析技术和表面分析技术之外，随着电子计算机科学的发展，从70年代开始，国际上许多研究工作者用计算机模拟方法研究薄膜的形成过程。 我国在80年代也开始利用计算机模拟技术研究薄膜的形成过程。,薄膜的形成3.7薄膜形成过程的计算机模拟,Monte Carlo方法计算机模拟,蒙特卡罗原本是摩纳哥的一个赌城的名字，赌博中的“掷骰子”当然具有随机性，而由此抽象出来的用于科学研究的蒙特卡罗方法便是一种统计模拟随机抽样的方法，已广泛用于模拟各种输运现象，解决各种物理问题。 它的基本思想是，为了求解数学、物理、工程技术等方面的问题，首先建立一个概率模型或随机过程；然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。,薄膜的形成3.7薄膜形成过程的计算机模拟,分子动力学计算机模拟,Moleculer dycamics的基本思想： 首先须建立一组分子的运动方程，通过直接求解体系中的一个个分子的运动方程得到各个分子的位置和动量，即得到在相空间的轨迹，从而得到体系的静态和动态性质，进而得到体系的宏观性质。,薄膜形成的基本过程描述？什么是物理吸附、化学吸附？入射原子滞留时间、平均表面扩散时间、平均扩散距离的概念？什么是捕获面积？对薄膜形成的影响？薄膜形成与生长的三种模式？核形成与生长的物理过程。提高附着力的途径有哪些？什么是同质外延、异质外延？失配度？什么是薄膜的内应力？从应力的性质上分，有哪几种？溅射成膜与蒸发成膜的薄膜生长的主要区别。,作 业,