薄膜的生長過程簡述

薄膜生長過程直接影響到薄膜的結構及效能。簡單地說，薄膜生長是沉積原子在基體表面吸附、擴散、凝結、形核與長大的過程。

（1）吸附：

固體表面的原子或分子間化學鍵在表面中斷，稱為不飽和鍵或懸掛鍵。這種鍵具有吸引外來原子或分子的能力。入射到基體表面的氣相原子被這種懸掛鍵吸住的現象稱為吸附。如果吸附僅僅是由原子電偶極矩之間的範德瓦爾斯力起作用，則稱為物理吸附；若吸附是由化學鍵結合力起作用，則稱為化學吸附。

與固體內部相比，固體表面具有一種過量的能量，稱為表面自由能。固體表面吸附氣相原子後自由能減小，從而變得更穩定。伴隨吸附現象發生而釋放的一定能量稱為吸附能。將吸附在固體表面上的氣相原子除掉稱為解吸，除掉被吸附氣相原子所需的能量稱為解吸能。

入射到基體表面的氣相原子都帶有一定的能量，它們到達基體表面之後可能發生三種現象∶①與基體表面原子進行能量交換被吸附；②吸附後氣相原子仍有較大的解吸能，在基體表面做短暫停留（或擴散）後，再解吸蒸發（再蒸發或二次蒸發）；③與基體表面不進行能量交換，人射到基體表面上立即被反射回去。

當用真空蒸鍍或濺射鍍製備薄膜時，人射到基體表面的氣相原子，絕大多數都與基體表面原子進行能量交換而被吸附。一個氣相原子入射到基體表面，能否被吸附？是物理吸附還是化學吸附？除與入射原子的種類、所帶的能量有關外，還與基板材料、表面的結構和狀態密切相關。

（2）擴散：

入射到基體表面的氣相原子被吸附後，它便失去了在表面法線方向的動能，只具有平行於表面方向的動能。依靠這種動能，被吸附原子在表面上沿不同方向擴散。在擴散過程中，單個被吸附原子相互碰撞形成原子對後產生凝結。吸附原子的表面擴散運動是形成凝結的必要條件。

（3）凝結：

指吸附原子在基體表面上形成原子對及其以後的過程，具體地說，是氣相原子形核與長大的過程。

（4）形核與生長：

形核與生長的物理過程可用圖1-1說明，可分為四個步驟∶

①氣相原子入射到基體表面，其中一部分原子因能量較大而彈性反射回去，另一部分則吸附在基體表面。吸附原子中有一小部分因能量稍大而再次返回氣相。

②吸附氣相原子在基體表面上擴散遷移，互相碰撞結合成原子對或小原子團，並凝結在基體表面上。

③原子團時而團聚長大，時而分解變小。一旦原子團體積超過臨界值，會向著長大方向發展形成穩定的原子團。臨界體積的原子團稱為臨界核，穩定的原子團稱為穩定核。

④穩定核再捕獲其他吸附原子，或者與入射氣相原子相結合使它進一步長大成為小島。

形核過程若在均勻相中進行稱為均勻形核；若在非均勻相或不同相中進行稱為非均勻形核。在固體或雜質的介面上形核時都是非均勻形核。薄膜在基體表面形核與水滴在固體表面的凝結過程相類似，都屬於非均勻形核。

（摘自《氣相沉積薄膜強韌化技術》侵權必刪）