薄膜成長理論

材料結構的特性是所有物質的基礎，磁性薄膜的晶體結構更是影響其磁性行 為的重要因素之一，故了解薄膜的成長機制相當重要。

2-1.1 成長模式

在薄膜的磊晶時，首先考慮的即薄膜成長方式，一般常見的成長方式大致可 區分成三種：

圖2-1.1-1 薄膜成長模式示意圖(a)FM mode(b)SK mode(c)VW mode[17]

(a) Frank-van der Merwe mode(FM mode) ：

此又被稱為層狀式(layer-by-layer mode)，指成長上去的原子在基板表面上趨 向一層層往上堆疊的方式，此種薄膜的表面通常較為平整，如圖2-1.1-1 (a)。

(b) Stranski-Krastanov mode(SK mode) ：

指成長的原子將會先以層狀方式成長數層，再以三維島狀方式成長，如圖 2-1.1-1(b)。

(c) Volmer-Weber mode(VW mode) ：

這又稱為三維島狀或是島嶼式(island mode)，指成長的原子在基板表面上以三

維島狀的方式堆疊成長，如圖2-1.1-1(c)。

2-1.2 成長理論

薄膜的形成是將外來的原子吸附於基板上，在基板表面成核(nucleation)或進 行遷移(surface migration)運動等過程所組成。物理的觀點上，影響薄膜的成長因 素主要有五點[18]-[20] ：

(1) 基板溫度與基板結構，例如:斜切或階梯表面(vicinal or step surface) (2) 成長原子與基板間的表面自由能大小

(3) 鍍率及成長原子所具有的動能

(4) 成長原子與基板間的晶格失配度(lattice mismatch) (5) 成長原子與基板間的入射角度

這些物理量皆多少影響核的成長、形成、缺陷形式、連續膜的形成和薄膜的 結構等。一般的成長理論是以熱力學中的表面自由能[21]與晶格匹配度[22]來解 釋：

1. 表面自由能：

表面自由能是一決定薄膜成長方式的重要參數，若薄膜、基板和界面之表面 自由能可分別表示為 、 和 ，則沉積薄膜的總表面自由能變化量為：

δ (2. 1)

故可由δr來預測所有特殊系統平衡下的成長方式。當δ 0時，成長的原子 較傾向於跟自己同種的原子吸附在一起，成長方式為VW mode；而當δ 0時，

薄膜與基板間的強力鍵結會大於薄膜本身的內在鍵結，因此薄膜的成長方式傾向 於FM mode；而成長模式 SK mode 則是介於 VW mode 與 FM mode 之間，當薄 膜厚度僅只有單一原子層時，δ 0則為 FM mode，隨著薄膜厚度的增加，其彈 性張力能也變大，當超過某一臨界厚度 時，則會變成δr 0，便轉換為 VW mode 的成長方式。若更進一步考慮薄膜的彈性張力能 ，一般 與薄膜厚度和薄膜應

力大小有關，總的表面自由能變化量可改為下式：

δ (2. 2)

而一般常見材料的表面自由能列於下表2-1.2-1[23]。

表2-1.2-1 常見材料的表面自由能

2. 晶格匹配度：

晶格匹配度是由兩種原子的晶格常數(lattice constant)大小來判斷，如下：

η | |

100% (2. 3)

η:晶格匹配度(lattice mismatch) :成長原子的晶格常數

:基底原子的晶格常數

如果η 2%，則基底的原子與成長原子的晶格常數差不多，則非常利於 SK mode 和 FM mode 的成長模式；若η 2%，則表示晶格常數相差太大，薄膜成

長傾向於VW mode 成長。此外，若晶格匹配度相差甚大，則會使薄膜層受到較 大的應力作用(strain)與產生較大的彈力能(elastic energy)[24]。