Лекция 9. Эпитаксиальный рост тонких пленок
advertisement
«Основы физики поверхности и тонких пленок» Кафедра ВЭПТ Лекция 9 Тема: Эпитаксиальный рост тонких плёнок Эпитаксия Ориентированное нарастание одного вещества на кристаллической поверхности другого Требования к подложке Метод Важный фактор Гладкая и монокристаллическая Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) Подбор материалов Энергия взаимодействия атомов слоя, контактирующего с подложкой, должна быть близка к энергии взаимодействия между слоями адсорбата. 1 Кинетические эффекты в гомоэпитаксии Рис. 1. Схематическое изображение потенциального рельефа поверхности вблизи ступени. EES - барьер Эрлиха-Швобеля, который адатом (темный кружок) должен преодолеть в дополнение к диффузионному барьеру на террасе для того, чтобы пересечь край ступени и оказаться на нижней террасе. коэффициент прохождения Механизмы гомоэпитаксиального роста Рис. 2. Механизмы гомоэпитаксиального роста, а - рост за счет движения ступеней; б — послойный рост; в — многослойный рост Рис. 3. Схематическая диаграмма механизмов роста для случая ненулевого барьера Эрлиха-Швобеля. Эффекты механических напряжений при гетероэпитаксии Al(110)||Si(100), Al<001> || Si<011> означает, что эпитаксиальная пленка Аl ориентирована таким образом, что ее плоскость (110) параллельна поверхности подложки Si(100), а азимутальное направление <001> пленки совпадает с направлением <011> на поверхности Si(100). Рис. 4. Схематическая диаграмма, иллюстрирующая механизмы роста гетероэпитаксиальных пленок, а - соразмерный рост при совпадении решеток; б - напряженный псевдоморфный рост; в - релаксированный дислокационный рост Несоответствие решеток: ε=(b-а)/а. Расстояние между дислокациями равно Рис. 5. Схематические графики зависимости энергии решетки на единицу площади, запасенной на границе раздела пленка/подложка, a - от несоответствия решеток; б — от толщины пленки. Ниже критического несоответствия εс и ниже критической толщины пленки hc напряженный псевдоморфный рост энергетически более выгоден, чем релаксированный дислокационный рост. Еε - удельная свободная энергия, связанная с напряжениями, Еd - удельная свободная энергия, связанная с дислокациями. Рис. 6. Переход между напряженным псевдоморфным ростом и релаксированным дислокационным ростом для пленки сплава GexSi1-х на подложке Si(100). Граница дает критическую толщину пленки как функцию несоответствия решеток, которая определяется долей х атомов Ge в пленке Пусть подложка - грань (011) о.ц.к. кристалла Наложим сетку атомов, соответствующую грани (111) г.ц.к. кристалла Решетки можно согласовать Если направление [211] гцк кристалла вдоль направления [110] оцк и решетку гцк слегка сжать вдоль оси y и растянуть вдоль оси x. При af /as = 1.0887 (af и as – постоянные решетки пленки и подложки) поворотом верхнего слоя на 5.26о. Молекулярно-лучевая эпитаксия Рис. 7. Схематическое изображение основных устройств, используемых в методе молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). В СВВ камере установлены источники напыляемых материалов, заслонки, образец в нагреваемом держателе, система дифракции быстрых электронов для контроля структуры поверхности образца в ходе роста. Установка для молекулярно лучевой эпитаксии Рис. 8 Рабочая камера, в которой осуществляется рост структуры (слева) и Загрузочная камера (справа) Рис. 8. а - Интенсивность сигнала ионного рассеяния от Ag, как функция покрытия Ag для трех условий осаждения. Данные, помеченные 300°С:Н, относятся к осаждению на поверхность Si(111), покрытую слоем Н, при температуре 300°С. б — Схематическая иллюстрация механизмов роста, определенных для случаев осаждения Ag на поверхность Si(111)7x7 при 300°С (сверху), при комнатной температуре (в середине) и на покрытую Н поверхность Si(111) при 300°С (внизу) Рис. 9. СЭМ изображения пленки Ge толщиной 50 МС , выращенной на поверхности Si(111), а - без сурфактантов; б - с 1 МС Sb в качестве сурфактанта. Рис. 10. Возможные изменения потенциала поверхности вблизи ступени, вызванные присутствием атомов сурфактанта. Барьер ЭрлихаШвобеля ΔEes на чистой поверхности (а) может быть уменьшен двумя способами, б — за счет локального уменьшения полной высоты барьера на краю ступени, либо в - за счет глобального увеличения барьера для поверхностной диффузии на террасе Ediff
