Механизм зарождения кристаллических зародышей




 

Обычно считают, что структура вакуумных конденсатов, при прочих равных условиях, определятся скоростью испарения исходного материала (температурой испарителя) и температурой подложки в процессе конденсации.
Основные закономерности процесса образования сплошной пленки и ее последующего роста:одиночная абсорбированная молекула, пришедшая в тепловое равновесие с подложкой, удерживается на ней в течение времени ,после чего она может покинуть поверхность (реиспариться). В течение времени молекула мигрирует по поверхности подложки, образуя двумерный пар или двумерную жидкость.
В результате взаимодействия одиночных молекул на поверхности могут образоваться молекулярные дуплеты, триплеты и мультиплеты, время жизни которых до реиспарения возрастает по мере увеличения числа «i » связанных в группу молекул. При достаточно больших образуются стабильные зародыши кристаллов. Дальнейшее накопление кондесируемого вещества происходит путем увеличения числа зародышей, их разрастание и коалесценции.В свою очередь коалесценция обуславливается тремя механизмами:
_ поглощением одних зародышей другими
- слиянием двух зародышей с уменьшением их суммарной площади

- объединение зародышей за счет соединения их перемычками.
После образования сплошного слоя конденсата его толщина продолжается увеличиваться вследствие образования новых центров кристаллизации их роста, а также в результате роста уже имеющихся кристаллов с благоприятной ориентацией плоскостей относительно направления молекулярного потока. Последнее обстоятельство может привести к развитию рельефа пленки появлению текстуры роста, разрастаясь,подавляя развитие соседних кристаллов. Если указанный процесс является доминирующем, то при достаточно продолжительной конденсации из молекулярного пучка в пленке остаются только те кристаллы, плоскости с малыми индексами перпендикулярны направлению молекулярному пучку.
Важными факторами, влияющие на структуру конденсата, являются также ориентирующее действие подложки и собирательная рекристаллизация. Ориентирующее действие подложки на зародышеобразования должно проявляться как закономерное возникновение определенной пространственной сети зародышей, связанных с потенциальным рельефом конденсирующей поверхности.
Для монокристаллической конденсирующей поверхности это может привести к образованию эпитаксиальной монокристаллической пленки.
Ориентация зародышей энергетически выгодная в системе взаимодействия поверхность– пленка не обязательно совпадает с ориентацией текстуры роста, поскольку последняя для конденсации из молекулярного пучка определяется внешним фактором- направлением доставки конденсируемого молекулярному пучку. материала. При росте по схеме п(г)–к процесс осаждения атомов на подложку с образованием и ростом монокристаллических зародышей можно представить следующим образом. При соударении атома с поверхностью подложки он либо адсорбируется на ней, либо возвращается обратно в

газообразную фазу (рис. 9.2). Процесс адсорбции характеризуется коэффициентом термической аккомодации , который определяется как

=
температура и энергия поступающих на поверхность атомов
- температура и энергия атомов адсорбированного слоя
температура и энергия атомов на поверхности подложки.
Очевидно, что зависит от температуры подложки и от температуры падающих частиц, то есть = f(.

Установлено, что, как правило, влияние температуры пучка на температуру адсорбированного слоя мало. В этом случае процессы, происходящие на подложке, в значительной степени определяются величиной . Если ,то = 1,что соответствует прилипанию» атомов к подложке — полной аккомодации. При этом обычно происходит неориентированный рост пленки. Если ,то 1 на поверхности подложки происходит миграция атомов, которая может закончиться либо их десорбцией, либо их встраиванием в растущий зародыш. Следует отметить, что миграция (поверхностная диффузия) крайне необходима для получения монокристаллических пленок. Поверхностная диффузия приводит к тому, что атом «находит» свое равновесное положение и в результате на подложке образуются макроскопические ориентированные зародыши кристалла.

После достижения равновесия в адсорбированном слое (равновесие между адсорбированными частицами и зародышами) начинается образование стабильных зародышей конденсируемой фазы (центров новой фазы). Рост и срастание центров новой фазы приводит к образованию эпитаксиальных слоев. Образование первых стабильных зародышей требует больших пересыщений, чем их последующий рост.
Таким образом, адсорбированный на поверхности подложки атом может участвовать в одном из трех процессов
1) десорбции с поверхности (обычно при больших );
2) образовании вместе с другими атомами стабильного зародыша;
3) присоединении к уже существующему зародышу


Для полного описания процесса зародышеобразования необходимо знать следующие основные характеристики:
а) размер критического зародыша;
б) скорость образования центров новой фазы и концентрацию критических зародышей с учетом возможного их изменения со временем;
в) структуру и ориентацию критических зародышей. Все эти величины тесно связаны с условиями роста — степенью пересыщения газообразной фазы, температурой конденсации, скоростью конденсации, скоростью поверхностной диффузии, структурой и чистотой поверхности подложки и т.д.

Температура конденсации также оказывает значительное влияние на критические размеры и ориентацию зародышей. Так, при больших пересыщениях и низких преобладает неориентированный рост. С повышением при некоторой определенной температуре T происходит изменение числа атомов в критическом зародыше (по крайней мере от 1 до 2), и тогда уже должен наблюдаться ориентированный рост. Таким образом, при низких велика вероятность образования стабильных критических зародышей, но отсутствует ориентация. При повышении скорость зародышеобразования падает, но начинает преобладать ориентированный рост.

Наблюдения в вакууме мм рт. ст. показывают, что, как правило, зародыши образуются преимущественно на неровных участках подложки, на плоскостях с большими индексами Миллера и с низкой ретикулярной плотностью.
При низких зародыши образуются на многослойном адсорбате (промежуточный слой толщиной 1–5 монослоев), который либо аморфен, либо представляет собой однородный слой, повторяющий структуру подложки. С увеличением толщина адсорбата уменьшается. Существуют два возможных подхода (для соответствующих случаев) объяснения механизма образования зародышей ориентированной пленки на многослойном адсорбате:
1) диффузионные параметры адсорбированных атомов на поверхности подложки сильно отличаются от параметров поверхностной самодиффузии; 2) связи атомов в первом осажденном слое с атомами подложки гораздо прочнее, чем межатомные связи в осаждаемом веществе.
В большинстве случаев ориентированного роста на ранней стадии конденсации образуются изолированные трехмерные зародыши, так как количество питающего вещества недостаточно для образования монослоя. Эти зародыши обычно становятся видимыми в электронном микроскопе после того, как их размер достигает 10 . Случаи роста конденсатов монослоями весьма редки. При гомоэпитаксии, когда растущий кристалл продолжает структуру подложки, в принципе, возможен рост без образования изолированных зародышей. Однако, как правило, образование полупроводниковых эпитаксиальных пленок происходит посредством возникновения и дальнейшего роста именно изолированных зародышей, что связано с присутствием загрязнений на поверхности подложки, которые служат центрами кристаллизации. на начальной стадии роста эпитаксиальных пленок могут образовываться зародыши с различными ориентациями. Это явление широко распространено при эпитаксиальном росте и оказывает значительное влияние на структурное совершенство выращиваемых пленок. Вопрос о причинах образования зародышей с разными ориентациями является до сих пор предметом многочисленных теоретических и экспериментальных исследований. Исходят из того, что при образовании зародышей определяющая роль принадлежит поверхностной энергии, поэтому чаще всего образуются зародыши с минимальной поверхностной энергией. Наличие разнотипных зародышей означает, что существует несколько типов зародышей, отличающихся разной ориентацией и удовлетворяющих такому требованию (одинаковая минимальная поверхностная энергия при одинаковых условиях роста).

Наличие на поверхности подложки адсорбированных газов и загрязнений сопровождается рядом эффектов, влияющих на плотность, на совершенство и на ориентацию зародышей, а следовательно, и на их последующий рост. Действительно, наличие инородных адсорбированных атомов способствует увеличению плотности зародышей, так как увеличивается число активных центров кристаллизации на поверхности подложки, и заметно изменяет подвижность адсорбированных атомов растущей эпитаксиальной пленки. Адсорбированные газы способны существенно изменять структуру растущего слоя, так как при наличии на поверхности подложки газовых примесей может происходить рост зародышей с ориентацией, отличающейся от ориентации зародышей, образующихся в условиях сверхвысокого вакуума. В итоге на стадии коалесценции происходит срастание различным образом ориентированных зародышей, что ухудшает структурное совершенство пленки.
Таким образом, вопрос о получении атомно-чистых поверхностей подложки заслуживает особого внимания. Чтобы создать и сохранить чистую поверхность, необходима длительная термическая обработка или ионная (электронная) бомбардировка с последующим поддержанием сверхвысокого вакуума порядка 10-10 мм рт. ст. Без такой обработки и в обычном вакууме (10-6–10-7мм рт. ст.) практически все кристаллы, используемые в качестве подложек, покрыты слоем адсорбированных газов. При комнатной температуре такой слой создается за несколько секунд.

Таким образом, структура пленок зависит от начальной структуры зародышей, от скоростей их роста и особенностей коалесценции. Загрязнения на поверхности подложки сказываются на совершенство выращиваемых пленок как в момент образования зародышей, так и при их срастании. Повышение чистоты эксперимента обычно способствует повышению совершенства эпитаксиальных пленок и понижению температуры эпитаксии.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: