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薄膜通常通過材料的氣態(tài)原子凝聚而形成。在薄膜形成的最早階段，原子凝聚是以三維成核的形式開始，然后通過擴散過程核長大形成連續(xù)膜。薄膜形成的方式確實是獨特的。薄膜新奇的結(jié)構(gòu)特點和性質(zhì)大部分歸因于生長過程，固而薄膜生長對薄膜科學(xué)技術(shù)而言是最為基本、最為重要的。

一、形核

形核是薄膜的誕生階段，從本質(zhì)上講是一個氣固相轉(zhuǎn)變問題。

   凝聚過程：氣態(tài)原子的凝聚是氣態(tài)原子與所到達(dá)基片表面通過一定的相互作用而實現(xiàn)的，這一相互作用即為氣態(tài)碰擊原子表面的偶極矩或四級距吸引到表面，結(jié)果原子在很短時間內(nèi)失去垂直于表面的速度分量。只要原子的人射能量不太高，則氣態(tài)原子可以處于完全的熱平衡狀態(tài)，也可以處于非熱平衡狀態(tài)。由于來自表面而和（或）本身動能的熱激活，吸附原子可以在表面上移動，即從一個勢阱跳躍到另一個勢阱。吸附原子在表面具有一定停留或滯留時間，在這一時間里，吸附原子可以和其他吸附原子作用形成穩(wěn)定的原子團或被脫附到氣相中。因此，凝聚是吸附和脫附過程的平衡凈效果。

二、生長過程

1.一般描述：具有明顯特征的順序沉積階段如下：①首先形成無序分布的三維核，然后少量的沉積物迅速到達(dá)飽和密度，這些核隨后形成所觀察到的島。②當(dāng)島通過進一步沉積而增大尺寸時，島彼此靠近，大島似乎以合并小島而生長。島密度以沉積條件的速率單調(diào)減少。③當(dāng)島分布到達(dá)臨界狀態(tài)時，島的大尺寸迅速合并導(dǎo)致形成聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，島將變平以增加表面覆蓋度。④生長的最后階段是需要足夠量的沉積物緩慢填充隧道過程。不管大面積空位在合并形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的何處形成，都有二次成核發(fā)生。

2.類液體合并：上述描述的生長順序，對于高吸附原子遷移情況過程進行得非常快，在合并I和II階段，作為大量質(zhì)量傳遞結(jié)果，島和網(wǎng)絡(luò)的形狀變化很大，原位連續(xù)實驗給人們以“類液體”行為的印象，因而膜生長定義為“類液體”合并。合并被認(rèn)為只有當(dāng)島互相接觸時才會發(fā)生，其機制類比燒結(jié)過程中兩個球狀晶粒的合并。在相互接觸的島的類液相合并中，表面能和表面擴散所控制的質(zhì)量輸送機制毫無疑問地起著重要作用，但是，其他一些驅(qū)動力以及限制力（如靜電荷存在對島的作用）也可能影響合并過程。

3.沉積參數(shù)的影響

（1）一般考慮

沉積參數(shù)對膜生長的影響可以通過沉積參數(shù)對吸附原子的黏滯系數(shù)、成核密度和表面遷移率的影響來理解。膜的聚集隨著表面遷移率的增加而增加，隨著成核密度的減小而增加。聚集的增加意味著膜在一較大厚度時達(dá)到連續(xù)，且膜具有大晶粒和少量被凍結(jié)的結(jié)構(gòu)缺陷。

在熱力學(xué)平衡條件下的起始飽和成核密度由基片—氣相系統(tǒng)確定，而與沉積率無關(guān)。但是在沉積率特別高（原子到達(dá)基片速率遠(yuǎn)高于原子的擴散率），氣相原子或其表面存在靜電荷，表面存在結(jié)構(gòu)缺陷，荷能氣相原子穿過基片表面并導(dǎo)致表面缺陷等情況下，上述結(jié)論不成立。所有這些因素都引起起始成核密度增加，因此隨后的聚集大為減小，吸附的雜質(zhì)也影響成核密度。

決定聚集和膜生長的重要因素是吸附原子的表面遷移或遷移率。如果遷移為方向無序，則吸附原子將在表面無序行走，直到再蒸發(fā)或在表面上被化學(xué)吸附。在平衡條件下，形成的

分立島滿足這樣的要求，即平均島間距離對應(yīng)于無序行走過程中的平均擴散距離。遷移率隨著表面擴散激活能的減小而增加，隨遷移過程中吸附原子的有效溫度或動能的增加而增加，也隨基片溫度和表面光滑度的增加而增加。在膜生長中，吸附原子的動能效應(yīng)一般在理論處理中可忽略。

遷移過程的先前描述，說明在后生核生長階段的高聚集來源于：⑴高的沉積溫度；⑵氣相原子的高的動能，對于熱蒸發(fā)意味著高沉積率；⑶氣相人射的角度增加。這些結(jié)論假設(shè)凝聚系數(shù)為常數(shù)，基片具有原子級別的平滑度。

（2）動能效應(yīng)

與蒸發(fā)膜相比，對于濺射薄膜，隨著沉積厚度增加，合并島的數(shù)量減少率快速增加，這是動能在提高原子團聚集方面起作用的一個令人信服的實例。濺射膜的原子團的高聚集性在電子顯微鏡實驗中也得到驗證。當(dāng)沉積厚度增加時，濺射島的密度接近一常數(shù)值，爾后，島變平從而得到連續(xù)的濺射膜。大島的平整化可能源于靜電荷，與蒸發(fā)情況相比，在濺射情況下，荷電粒子更多，如果濺射原子在碰撞中產(chǎn)生表面缺陷，從而導(dǎo)致成核密度增加，則上面的討論由于原子團聚集大大減小面不再成立。

（3）斜向沉積

斜向碰撞（即氣相沉積以非直角入射方式進行）會增加吸附原子在表面遷移的速度分量。隨著島尺寸的增加，自遮蔽變得明顯，在入射氣相原子方向出現(xiàn)柱狀生長（在垂直于基片方向拉長）。因此，對于膜的電性質(zhì)連續(xù)性的臨界厚度，在高入射角迅速增大。在超過某一入射角時，膜表面積迅速增加，與柱狀生長圖像相一致。而且，對斜入射沉積的膜的應(yīng)力性質(zhì)，磁性質(zhì)，反射和吸收性所觀察到的各向異性，也都說明了生長的各向異性。

（4）靜電效應(yīng)

增加電場強度可以使島的表面積增大到一臨界值，如果超過這一臨界值，由于電弧作用會導(dǎo)致膜的損傷。電場效應(yīng)本質(zhì)上是靜電效應(yīng)（電流可忽略），這是因為只有在合并前電場才起作用，當(dāng)合并完成后，電場效應(yīng)可被去掉。所觀察的效應(yīng)不可能是源于焦耳熱，因為這將導(dǎo)致島的聚集，因此增加非連續(xù)性。如果額外電流在網(wǎng)絡(luò)階段通過膜的話，生長行為因焦耳熱效應(yīng)會產(chǎn)生很大變化。

三、薄膜的生長模式

薄膜的形成過程一般可分為凝結(jié)過程、核形成與長大過程、島形成與生長結(jié)合過程。而薄膜的生長模式可歸納為三種形式：（1）島狀模式（或Volmer-Weber模式）；（2）單層模式（或Frank-VanderMerwe模式）；（3）層島復(fù)合模式（或Stranski-Krastanov模式）。

當(dāng)最小的穩(wěn)定核在基片上形成就會出現(xiàn)島狀生長，它在三維尺度生長，最終形成多個島。當(dāng)沉積物中的原子或分子彼此間的結(jié)合較之與基片的結(jié)合強很多時，就會出現(xiàn)這種生長模式。在絕緣體，鹵化物晶體、石墨、云母基片上沉淀金屬時，大多數(shù)顯示出這一生長模式。

相反的特征出現(xiàn)在單層生長模式中。在單層生長模式中，最小的穩(wěn)定核的擴展以壓倒所有其他方式出現(xiàn)在二維空間，導(dǎo)致平面片層的形成。在這一生長模式中，原子或分子之間的結(jié)合要弱于原子或分子與基片的結(jié)合。第一個完整的單層會被結(jié)合稍松弛一些的第二層所覆蓋。只要結(jié)合能的減少是連續(xù)的，直至接近體材料的結(jié)合能值，單層生長模型便可自持。這一生長模式的最重要的例子是半導(dǎo)體膜的單晶外延生長。