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薄膜の成長 - 薄膜技術入門講座 第6回 -

薄膜の成長

薄膜技術入門講座も早くも(?)6回目になります。
今回は、薄膜がどのような過程で基板上に付着していくのかを見ていきましょう。

今までの例のように、まずストーブでヤカンの水を蒸発させて、ストーブの上の板に水が結露していく事を考えて見ます。
分かりやすいように、板をガラス板として想像してみてください。
以前も話しましたが、この例は、本当の薄膜の生成と原理的には一緒です。
まず沸騰が始まって水蒸気がヤカンから立ち昇ります。
その水蒸気がガラス板に付くと、ガラス板が曇ります。
これは粒子の細かい水が、ガラス板の表面に付着しているわけです。
水蒸気がガラス表面に付着すると、ガラス板に熱を奪われるために冷却され、液体になり、細かい水滴になるわけです。
さらに多くの水蒸気がガラス板に立ち昇ると、曇った板ガラスの表面に水滴が出来てきて、じょじょにその水滴が大きくなっていくのが分かります。
これはガラス表面上の水滴同士がくっついて、より大きな水滴に成長していったことが理由です。
薄膜もこれと同じ原理で、基板上で成長していきます。

核成長と単層成長

薄膜の場合、ソースと呼ばれる気化源からアルミニウムなどの金属分子が飛び出し、薄膜を生成する基板に到達します。
このとき一部は反射し、それ以外は基板上に気体・液体の状態で付着します。
次にこの分子が、近くの分子とくっつきあい、少しずつ大きな粒子(クラスタ)になります。
ところでどんなに平らな基板であっても、分子レベルで見れば、その表面はかなりの凹凸があります。
この粒子が基板の上を動き回って、基板上で分子レベルのへこみ部分に固定されます。
これを核といい、この核がさらに他の粒子、核と結びついていくことで薄膜へと成長していくわけです。
このような薄膜の成長を核成長といいます。
イメージとしてはまったく水蒸気の結露と同じだと分かっていただけたと思います。

薄膜の核成長 薄膜の核成長

上記は一般的な薄膜の成長ですが、薄膜と基板の性質が同じ場合(たとえば金の基板に金の薄膜を形成するなどの場合)、基板上に吸着した分子はそのまま基板と強く結びつき、分子同士が結びつきあって核を作るのではなく、均等に幕を生成していきます。
このような薄膜の成長を単層成長といいます。
実際は、この核成長と単層成長を複合的に組み合わせて、薄膜を生成していくこともあります。

薄膜の単層成長 薄膜の単層成長

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