Лекция 8. Рост тонких пленок.
advertisement
«Основы физики поверхности и тонких пленок» Кафедра ВЭПТ Лекция 8 Тема: Рост тонких плёнок - Механизмы роста. - Зарождение и рост островков. Морфология пленок определяется кинетикой роста Зависит от 1) Особенностей взаимодействия частиц с поверхностью и друг с другом. 2) Условий роста (Температура подложки, величина потока частиц, энергия поступающих частиц, качество поверхности и т.п.) 1 СТАДИИ РОСТА ПЛЕНКИ Последовательность этапов образования зародышей и роста пленки вплоть до образования непрерывной пленки такова: 1. Образование адсорбированных атомов. 2. Образование субкритических эмбрионов разного размера, 3. Образование зародышей критического размера (этап зародышеобразования). 4. Рост этих зародышей до сверхкритических размеров с результирующим обеднением адатомами зон захвата вокруг зародышей. 5. Конкурирующим процессом на этапе 4 является образование критических зародышей на площадях, не обедненных адатомами. 6. Зародыши соприкасаются друг с другом и срастаются, с тем чтобы образовать новый островок, занимающий площадь меньше, чем сумма площадей двух начальных зародышей; это приводит к увеличению свободной поверхности подложки. 7. Атомы адсорбируются на этих вновь освободившихся участках, и наступает процесс «вторичного» образования зародышей. 8. Большие островки срастаются, оставляя каналы или полости на подложке. 9. Каналы и полости заполняются в результате вторичного зародышеобразования и в конце концов образуется непрерывная пленка. Рис. 1. Схема стадий роста пленки. Образование островковой пленки Начальная стадия роста пленки серебра на Pt(111) - зародышеобразование Одиночные атомы (мономеры), = 0,0024 ML димеры и небольшое количество кластеров больших размеров. = 0,006 ML Не изменяется средний размер зародышей, но возрастает их число. Режим зародышеообразования Димеры стабильны = 0,03 ML Увеличение не только числа, но и размеров островков Переход от зародышеобразования к росту = 0,06 ML Плотность островков достигает насыщения. = 0,06 ML Подвижность достаточна, вероятность присоединения к островку больше вероятности встречи с другим одиночным атомом Возникает разветвленная конфигурация из 12 атомов, напоминающая букву ”Y” Режим чистого роста = 0,12 ML Увеличение Т подложки приводит к росту подвижности атомов, что, в свою очередь, сказывается на плотность островков в насыщении 1/Т СТМ изображения изменения формы островков Ag на Pt(111) при 110 К при уменьшении скорости нанесения ( = 0,12 ML). а – 1.1·10-3 ML/сек, б - 1.4·10-5 ML/сек. Рис. 2. Схема изменения формы островков в процессе их коалесценции. Зависимость формы островков от потока осаждаемых атомов и температуры Рис. 3. Электронные микрофотографии последовательного роста пленки золота на МоS2 при 400 С; показано изменение формы островков во время коалесценции и после. а — произвольный нуль отсчета времени; б — спустя 1—2 с; в — спустя 60 с. 4 Рис. 5. Последовательные этапы роста поликристаллической пленки золота на угольной подложке при 20 градусах С. Механизмы роста. Рис. 6. Схематическое представление трех основных механизмов роста пленок. а - послойный рост Франка-ван дер Мерве; б - послойный-плюс-островковый рост Странского-Крастанова; в - островковый рост Вольмера-Вебера. Рис. 7. Схематическое изображение островка пленки на поверхности подложки, γs - поверхностное натяжение поверхности подложки, γF - поверхностное натяжение поверхности пленки, a γs/F - поверхностное натяжение границы раздела «пленка/подложка». Баланс сил, действующих вдоль поверхности подложки, дает выражение: (1) (послойный рост) (островковый рост) (2) (3) В большинстве случаев величины поверхностной энергии неизвестны. γF в случае пленки может значительно отличаться от γ для массивного вещества Еще хуже с определением величины γs/F . Необходимо учитывать энергию, связанную с имеющимися напряжениями в пограничных слоях из-за несоответствия контактирующих решеток. Наиболее удобный метод определения механизма роста - оже-спектроскопия Зависимости интенсивностей пиков, соответствующих атомам адсорбата и атомам пленки, от количества осажденного материала Рис. 3. Схематические графики зависимости амплитуд оже-пиков от пленки (F) и подложки (S) от количества осажденного материала для трех основных механизмов роста, а - послойного роста; б - послойного-плюс-островкового роста; в - островкового роста Поверхностная концентрация островков Рис. 9. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая атомные процессы, задействованные в зарождении и росте островков на поверхности. коэффициент диффузии: D = (ν/4n0) exp(-Ediff /kвТ) временем жизни адатома: τads = ν-1 exp(Eads/kBT) Рис. 10. Схематическая диаграмма, показывающая потоки, которые управляют концентрацией островков размера j. Система кинетических уравнений для оценки концентрации адатомов n1 и стабильных кластеров с j > i, обозначенных nх Рис. 11. Концентрация адатомов n1 и островков (nх), как функция покрытия для случая i = 1, D/R=108. Можно выделить четыре режима: режим зародышеобразования при низких покрытиях (L), режим промежуточных покрытий (/), режим агрегации (А) и режим коалесценции и перколяции (С). Форма островков Разветвленные островки Компактные островки Рис. 12. Фрактальный островок из 3600 частиц на квадратной решетке, построенный в рамках классической модели агрегации при ограниченной диффузии. Рис. 13. Формирование разветвленных островков, а - экспериментальное СТМ изображение (500x500 А2); б - модельная форма островков в системе Pt/Pt(111) при 245К; в — модель, иллюстрирующая механизм анизотропного роста островка. Светло-серый атом в угловом положении имеет только одного атома-соседа островка. Пунктирными и сплошными стрелками указаны пути диффузионных перескоков в положения с двумя соседями через положения над атомом подложки (непредпочтительный путь) и через мостиковые положения между атомами подложки (предпочтительный путь), соответственно. Рис. 14. Влияние температуры роста на форму островков при гомоэпитаксиальном росте Pt на Pt(111), а - рост при 300 К приводит к формированию разветвленных островков; б - при 400 К формируются компактные островки треугольной формы. Рис. 15. а - СТМ изображение (2000x2000 А2) моноатомных островков Pt на поверхности Pt(111), формирующихся при осаждении 0,1 МС при 425 К и последующего отжига при 700 К в течение 60 с. Островок равновесной формы ограничен неэквивалентными ступенями (ступени А-типа короче ступеней В-типа, отношение длин составляет 0,66±0,05). б — Схематическая диаграмма, иллюстрирующая применение теоремы Вульфа (случай 2D) для определения отношения свободных энергий ступеней. Укрупнение островков. коалесценция «дозревание» Рис. 16. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая последовательные стадии коалесценции Согласно соотношению Гиббса-Томпсона химический потенциал круглого островка радиуса r можно записать в виде: где γ - линейное натяжение ступени, a Ω — площадь, занимаемая одним атомом. «дозревание» Рис. 17. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая последовательные стадии процесса «дозревания» островков (island ripening) Магические островки. Рис. 18. Распределение по размерам двумерных островков Ga на поверхности Si(lll)y3xV3-Ga, указывающее на существование островков магических размеров. На вставке показано СТМ изображение (110x160 А2) треугольных магических островков. Рис. 19. СТМ изображение (2400x2400 А2) островков адатомов и вакансий равновесной формы на поверхности Pt(111) Рис. 20. СТМ изображения, иллюстрирующие последовательные стадии коалесценции двух островков вакансий на поверхности Ag(111) при комнатной температуре Величина зерна пленки зависит от многих факторов Температура подложки Увеличивается подвижность частиц по поверхности, облегчается диссоциация докритических зародышей Скорость осаждения частиц При высоких интенсивностях потока увеличивается вероятность встречи атомов друг с другом, что ускоряет образование кластеров закритических размеров Уменьшение среднего размера зерен пленки Важен угол напыления конденсата Велика роль совершенства кристаллической структуры подложки Дефекты, обладая большей энергией связи с адатомами, способствуют зародышеобразованию Удачи!
