表面過程機理ppt課件(留存版)

　　

【正文】 過程機理 ?氣 固轉化晶體生長最重要的步驟： ? 原子或分子撞擊到生長表面上； ? 被吸附或被反射回氣相； ? 被吸附物之間發生表面反應形成成晶粒子； ? 成晶粒子通過二維擴散遷徙在適當格點位置上 并入晶格。 圖 52 單晶鉑臺階狀表面 —— 晶體表面結構－ 單晶鉑臺階狀表面 圖 52 單晶鉑臺階狀表面 —— 圖 52 單晶鉑臺階狀表面—— P t ( ) [6 (1 1 1 ) (1 0 0 ) ]s ?? 圖 52 單晶鉑臺階狀表面 例如，金屬鉑單晶的 (755)晶面 [它由面心立方的 (111)面向 (100)方向偏 176。如果我們用 Si(111)(1 1)表示正常的表面結構 (單位網格為體晶胞的投影 )，則新出現的衍射斑點相應于平行 (1 1)表面網格，而尺寸是正常表面結構的七倍，可用符號 Si(111)(7 7)表示。 ?除改變表面上原子間距外，表面自由能的降低也可通過改變表面化學計量實現。 ? 這些資料指出，大多數吸附表面具有下列特征： (1)吸附在表面上的分子呈現有序的排列，形成 具有分子尺度的最小單位晶胞； (2)表面吸附分子可形成轉動對稱性與襯底相同 的有序結構。為了克服表面有序化引起的熵降低，很可能會有大量有序化熱放出，如同液體凝固放熱一樣 。有的因成核階段是制備高質量薄膜材料的關鍵，從而探討如何控制生長條件達到預期目的；有的致力于從理論上分析實驗參量對成核作用的影響，以便創立成核過程的微觀模型；還有一些研究則希望對成核生長理論提出盡可能嚴密而完善的數學描述。這是蒸氣壓的增加和物質顆粒半徑之間的經典關系。這樣就可以用玻爾茲曼統計求出核的形成幾率： ? 39。由該式可看出，成核速率與各種淀積參數之間存在著復雜的依賴關系，但對指數項有影響的因素其作用更為顯著 desE? dE?q d() 異相成核影響因素 ?圖 55 是異相成核自由能與晶核跟襯底間接觸角的關系 異相成核影響因素 ?圖 55可見，當 時， ，核與襯底不浸潤，異相成核相當于均相成核；對于 ，則 ， ，成核變為非活化過程，即不需經過成核階段，可在襯底上直接生長；對于 在 和 之間的情況， 在 0和 l之間，襯底的存在降低了成核作用的活化能，從而降低了開始成核生長的臨界過飽和度。氣態雜質將優先吸附在那些有利于成核的高能位置上，提高了表面成核活化能。 圖中每一個小方格 代表一個原子或一個 晶胞。其基本思想是根據前述的晶體模型，在棱階的彎結位置上結合能最高，因而到達生長表面的附加原子的最佳結合位置是棱階的彎結處。該模型指出，垂直于生長面的螺旋位錯是平整晶面上凸棱、彎結的連續來源，這可克服新層成核的困難，因此，即使在低過飽和度下也會連續生長。此時生長速率與過飽和度間有下列關系 tan hx x?eP P P? ? ?1ca ?tan 1hx ? 2 1cXas?2()cJ c P?XsXsX（ ） 式中 為過飽和度 晶體生長模型 (續 ) ?事實上，同一生長表面上可能同時存在幾種生長模型，即二維成核、螺旋生長和雜質存在下的受阻生長等，即在不同的條件下可能出現復雜的實驗規律。奇異面在某一高溫下會變得粗糙不平，此時在生長習性方面將跟非奇異面類似。在 [100]棱階上，原子可以附加到彎結格點上直到形成完整的棱階。如果該面上具有間距小于 Xs的臺階，而且臺階棱上有間距小于 Xs的彎結，則棱邊面就不會再從主面上獲得原子，主面和棱邊都將以粒子的入射速率生長。由此看出襯底缺陷對核誘發的影響在很大程度上是通過電荷產生的，后者一般能降低臨界核的表面能。固體表面的存在大大降低了成核自由能，從而強化了成核作用。該能量是通過體系的過飽和度降低來提供的。 ? 形成一個核所需要的功，等于形成晶核表面和晶核核體所需能量的代數和 式中 分別為一個核的表面積和比表面能； 分別為形成一個核所需要的蒸氣體積和由于凝聚而引起的壓力減小量。 ?在生長過程中，產生的三維晶島或在其發育過程中如果不能彼此調整成接近平行，那么在相互接合階段就不太可能形成單晶層。 adsH?0?0=/? ? ?0?氣體分子在表面上吸附 － 表面 遷徙活化能－ ?表面上吸附分子的有序化要求吸附物具有相當的遷徙能力，即吸附分子必須有能力克服表面擴散位壘 。 ?表面吸附過程和吸附態的存在是一切表面行為的關鍵。例如 A1(100)表面層間距大約收縮了 10～ 15％，這種層間距的變化是從低能電子衍射電子束的強度資料并通過理論計算獲得的。 39。平衡時，這些不同狀態的 表面原子都有一定的濃度， 束縛能最大的將占優勢 ? (因而臺地附著原子的 濃度非常小 )。因此，有關固體表面的知識，特別是其結構狀況，對于理解和認識化學氣相淀積的微觀過程是不可缺少的。在臺階為單原子高度的情況下， n＝ 1可以省略。 ? 發現硅的其它晶面、鍺、砷化鎵及其它 IIIV族化合物半導體的各種晶面也都有這種重建現象。高密度的點缺陷 (原子空位 )可以因雜質的凝結而局限在表面某些部分上。 大量實踐證明，在化學氣相淀積過程中，表面化學吸附特征基本遵循 Langmuir單分子層吸附規律。 ? ．成核現象（續） ? Aleksandrov等人在研究開管鹵化物輸運法生長GaAs的成核過程時也發現，外延層的生長是按逐步成層方式進行的。 ．氣相過飽和度和均相成核 新相的出現總是在一定的過飽和度下才會發生。隨著核半徑 r 的增大，作為正值的 成核能逐漸增大， 當增大到某一極大值后 再降低。 39。 ?更甚者，如果襯底上有裂紋、內腔，則在其中成核時，核體的 和總表面自由能含有更低的數值 (因為總是 )。原子在解吸的擴散距離 Xs跟擴散系數 D和平均吸著時間 的關系為： ? 其中 saXD??01 e x p ( / )aa E k Tv? ?211 e x p ( / ) e x p ( / )4 d d dD a v E k T v E k T? ? ? ?式中 和 分別是原子的吸附能和擴散活化能； 為晶格振動頻率； 、 分別為在任意方向上和在特定方向上的躍遷頻率，數量級都是 ／秒。而面網密度： ?所以單位面積的表面能比率為 ， ， 10 0 1 21 22? ? ? ? ?1 1 0 1 24? ? ? ? ? 11 1 1 23 62? ? ? ? ?100 110 11111: : 1 : :23nnn ?1 0 0 1 1 0 1 1 1: : 1 : 2 : 3??? ?124? ? ? 晶體生長模型 (續 ) ?對于面心立方結構，最近鄰配位數為 12，一個原子的體鍵能 (忽略次近鄰的鍵能 )，每個原子的表面能： ?面網密度比