А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника, страница 74

Однако зародышевый механизм не является единственно возможным. Как уже отмечалось, на шероховатой или дефектной поверхности подложек могут раоотать специфические механизмы роста, не требующие начального образования зародышей. Кратко рассмотрим специфические особенности трех механизмов роста пленок, известных как: ° зародышевый механизм роста по модели ФольмераХирса-Паунда, ° послойный механизм роста по модели Косселя— Странского — Каиьиева, ° спиральный механизм роста по модели Бартона— Кабреры — Франка. Зародышевый механизм роста реализуется на атомно- гладких плотноупакованных гранях совершенного кристалла, каковыми являются грани с малыми индексами Миллера.

Рост пленок в этом случае происходит через начальное образование двухмерных или трехмерных зародышей, в дальнейшем разрастающихся в сплошную пленку на поверхности подложки. Реально вероятность образования зародышей, а вместе с ней и скорость роста пленки, ничтожно малы вплоть до пересыщений, достигающих единиц и даже десятков процентов. В основе образования, разрастания и слияния (коалесценции) зародышей лежат следующие процессы; а) массоперенос в первичной фазе (с помощью атомно- молекулярного пучка, диффузионного или конвективного потока), определяющий доставку вещества к поверхности подложки и растущего слоя; б) адсорбция частиц первичной фазы на поверхности, определяющая процесс образования критических зародышей; 374 Гл.

б. Управление повврхносыными явлениями в) поверхностная диффузия адсорбирова нных атомов, определяющая доставку частиц к критическим зародышам с превращением их в центры кристаллизации. Результирующая скорость роста пленки лимитируется наиболее медленным из этих трех процессов, Установление равновесия между физически адсорбированными атомами и первичной фазой обычно происходит достаточно быстро (в течение микросекунд, см. и, 6.3 и 6.4).

Поэтому в реальных условиях рост пленок контролируется либо процессами массопереноса в первичной фазе (при кристаллизации из жидкой фазы и химическом осаждении из газовой фазы), либо поверхностной диффузией (при физическом осаждении из атомно-молекулярных пучков). Для зародышевого механизма можно указать следующую последовательность этапов роста пленки.

1. Лдатомы, размещенные па поверхности с концентрацией Л'„ взаимодействуют между собой, сталкиваясь в процессе диффузии, и образуют кластеры (скопления атомов), состоящие из ( частиц. Метастабильные кластеры, находящиеся в равновесии с адсорбционным слоем, образуют критические зародыши с энергией образования ЬС;в концентрация которых, согласно (6.8!), равняется Х,* = Л'в ехр( — ЬС,*,77гвТ).

2. Критические зародыши разрастаются за счет соседних с ними адатомов, присоединяющихся в результате диффузии. По мере разрастания зародыши превращаются в островки, форма и размеры которых зависят от свойств подложки, зародышевой фазы и условий роста. Отдельные малые островки могут сами мигрировать по поверхности подложки. Как следует из (6.?8) и (6.79), энергия образования ориентированных зародышей меньше, чем разориентированных, поэтому первые растут быстрее. В результате этого большие островки в среднем ориентированы по отношению к кристаллографическим направлениям подложки более правильно, чем островки и зародыши малых размеров. 3.

При соприкосновении островков происходит их коалесценг(ия (слияние), в результате чего малые островки, вливающиеся в большие, принимают преимущественно эпитаксиальную ориентацию. Коалесценция соседних сильно разориентированных островков может давать на их границах дислокации несоответствия (см. ниже рис. 6.20). На этапе коалесценции островков образуется сетка зародышевой фазы на поверхности подложки с пустотами, ограниченными кристаллографическими гранями. 4. Последняя стадия роста обеспечивает заполнение пустот островковой сетки, в результате чего возникает сплошная пленка осаждаемого материала. бб.

Механизмы роста пленок на реазььных подлоькках 37б При кристаллизации из парогазовой фазы структурный порядок в пленках обеспечивается в основном подвижностью адатомов по подложке. Их высокая подвижность способствует преимущественному росту ориентированных зародышей. В зависимости от ориентирующих свойств подложки получаются либо монокристаллические эпитаксиальные, либо поликристаллические пленки. Когда подвижность адатомов снижается настолько, что атомы конденсируются непосредственно в точке их падения, практически не диффундируя, возникает большое число зародышей, дающих поликристаллическую мелкозернистую или даже аморфную пленку, Такое происходит, во-первых, при низкой температуре и, во-вторых, при наличии примесных атомов на подложке, стабилизирующих зародыши и снижающих подвижность адатомов. Отжиг пленки при высокой температуре превращает ее структуру в крупнозернистую.

Наряду с описанным выше механизмом конденсации паркристалл (ПК-механизм), в ряде случаев экспериментально наблюдается механизм конденсации пар †жидкость †крис (ПЖК-механизм). Этот механизм обычно работает при достаточно высоких температурах подложки, таких что Т>(273) Т„, где Тп, — температура плавления объемного конденсируемого материала. Это объясняется тем, что температура плавления малых зародышей ниже температуры плавления объемной фазы и приближается к ней по мере увеличения размеров зародыша (см.

п. 6.2). Поэтому на начальной стадии конденсации фазой, равновесной с паром, является жидкость в форме островков, которые при разрастании затвердевают, образуя поликристаллическую или аморфную пленку. Выделяющаяся теплота конденсации повышает температуру процесса, что содействует осуществлению ПЖК-механизма. При двумерном росте на идеальной плотноупакованной грани в ряде случаев, особенно для неполярных кристаллов, зародышевый механизм может вырождаться в послойный механизм, описанный ниже. В центре совершенной грани при определенном пересыщении возникает двухмерный зародыш, который разрастается в монослой путем диффузионного присоединения адатомов к моноатомной ступени.

Перемещение краев зародыша в форме движения ступени, определяющее скорость зарастания монослоя, обычно происходит довольно быстро. Скорость роста пленки в целом лимитируется зарождением двухмерного зародыша на поверхности совершенной грани, дающего начало росту нового монослоя. 376 Гл. б. Управление поверхноамными явлениями Послойный механизм роста реализуется при наличии на поверхности подложки ступеней, источником которых является, в частности, естественная шероховатость граней с большими индексами Миллера.

Эти грани представляются в виде совокупности атомных ступеней, образованных участками плотно- упакованных плоскостей с малыми индексами, как показано на рис. 6.18 а. При низкой температуре, близкой к Т= О К, фронт ступеней является атомно-гладким. Тепловые флуктуации, появляющиеся при конечных температурах, приводят к возникновению изломов в ступенях (рис, 6.18 б).

При послойном механизме отсутствует необходимость в образовании зародышей, так что процесс роста пленки состоит из следующих последовательных стадий, схематически показанных на рис. 6.!9а: 1) адсорбция частиц первичной фазы на поверхности подложки в виде адатомов; 2) поверхностная диффузия адатомов к ступени с закреплением в ее углу; 3) движение атомов вдоль ступени с окончательным закреплением их в изломе. Поскольку ступень образует двухгранный угол, а излом— трехгранный, то атом в, находящийся в изломе, сильнее связан с подложкой, чем атом б, расположенный в углу ступени, а последний сильнее, чем атом а, адсорбированный гладкой поверхностью. В процессе осаждения каждая ступень на шероховатой поверхности подложки последовательно застраивается частицами, непосредственно поступающими из первичной фазы, минуя стадию зародышеобразования.

Результатом последовательного застраивания и перемещения ступеней является новый атомный слой. Перечисленные выше стадии показаны в виде стрелок ®, О2, ОЗ на рис. 6.19а, где в соответствии с моделью Косселя — Странского — Каишева атом изображен в форме кубика, Так как на гранях с большими индексами Миллера при любой температуре существуют ступени, показанные на рис. 6.18 а, то все они полностью не зарастают и процесс роста этих граней идет непрерывно при любых даже очень малых пересыщениях. Более того, колебания внешних условий (температуры или концентрации осаждаемых частиц в питающей фазе) разрушают идеальные атомно-гладкие грани, придавая им атомно-шероховатую ступенчатую структуру.

Это проявляется, в частности, при кристаллизации из жидкой фазы, когда даже рост идеальных граней с малыми индексами Миллера 6.8. Механизмы росгпа пленок на реальных пот)ложках 377 , грань с большими ."индексами Миллера~ ( грани с малыми ,индексами Миллера ст Рис.

6.!8. Совокупность моноатомных ступеней на грани кристалла с больши- ми индексами Миллера (а) и излом моноатомной ступени (о) идет послойно, минуя стадию образования зародышей. Атомно- шероховатая грань с большим числом равномерно распределенных изломов на поверхности растет в перпендикулярном направлении, так как осаждающиеся атомы присоединяются к атомам подложки практически в любой точке своего падения, находя там энергетически выгодное место для закрепления. Такой механизм называется нормальным ростом, так как застраивание всей совокупности ступеней происходит по нормали к поверхности, в отличие от тангенциального движения ступени при послойном механизме роста. Спиральный механизм роста реализуется на подложках, имеющих на своей поверхности выходы винтовых дислокаций. Как показали эксперименты, в ряде случаев рост пленок из парогазовой фазы даже на гранях с малыми индексами Миллера становится заметным уже при весьма малых пересьпцениях (порядка одного процента), когда зародышевый механизм практически исключен.