А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника, страница 75

Исследования подтвердили решающую роль винтовых дислокаций в подобных экспериментальных ситуациях. 378 Гл. б. Управление поверхностными явлениями : частица" 1 ! Питаюшей ~ фазы частица , 'питаюшей фазы Рис. 6.19. Схема осаждения частицы первичной фазы на подложку с моноатомной ступенью (послойный рост) (а) и с винтовой дислокацией (спиральный рост) (б); ® — адсорбция, Оп — поверхностная диффузия, ОЗ вЂ” движение вдоль ступени; а — адатом на поверхности подложки, б — атом в углу ступени, в — атом в изломе ступени Как показано на рис.

6.)9б, выход винтовой дислокации создает на поверхности подложки ступень с изломом, неисчезающую в процессе ее спирального застраивания. Наличие неисчезающей ступени делает ненужным образование зародышей, так что рост слоев происходит при любых даже очень малых пересьпцениях, Последовательные стадии дислокационного роста полностью совпадают с тремя рассмотренными стадиями послойного роста бб. Механизмы роста пленок на реазььных оодлоькках 379 (рис.

6.19а) и изображены на рис. 6.19б такими же стрелками с цифрами Оз, 02, Сз). Однако, если при послойном росте ступень перемешается параллельно самой себе, то при дислокационном механизме ступень вращается вокруг оси винтовой дислокации, образуя спиральную поверхность роста, сужение которой заканчивается так называемой пирамидой роста.

В заключение кратко рассмотрим особенности эпитаксиального роста монокристаллических слоев на поверхности кристаллической подложки. Эпитаксиальный рост означает процесс ориентированного наращивания монокристаллического слоя, продолжающего в процессе роста кристаллографическую ориентацию подложки (см, сноску на стр. 18). В настоящее время принято различать аетоэпитаксию 1или гомоэпитаксию — ориентированное наращивание материала на собственной подложке) и гетероэпитаксию (ориентированное нарашивание материала на чужеродной подложке). По мере наращивания пленки гетероэпитаксия сменяется автоэпитаксией. Термин «эпитаксияь впервые ввел Руайе и сформулировал правило, согласно которому эпитаксиальный рост возможен лишь в том случае, если срастаюшиеся кристаллы имеют одинаковый тип химической связи и являются изоструктурными с расхождением периода решеток не более !5%.

Однако последующие многочисленные эксперименты показали, что это далеко не так, и эпитаксиальным образом могут срастаться кристаллы различной кристаллографической симметрии при несоответствии периода решеток вплоть до 90 — 100%. Позднее Ван-дер-Мерве предложил модель образования псевдоморфных слоев, частично объясняющую результаты экспериментов. Под псевдоморфизмом понимается изменение периода решетки в результате упругой деформации структуры пленки, индуцированное подложкой и происходящее так, что объем элементарной ячейки сохраняется неизменным. Вынужденная деформация пленки обеспечивает сопряжение ее кристаллической решетки с решеткой подложки, называемое псевдоморфизмом.

Отклонение от собственной кристаллографической симметрии с изменением периода решетки, с одной стороны, снижает межфазную энергию границы пленка †подлож и, с другой стороны, увеличивает энергию механических напряжений, возникающих за счет упругой деформации пленки. Противоборство этих двух факторов заметным образом проявляется в пределах некоторого переходного слоя, названного псеедоморфным слоем.

380 Гл. б. Управление поверхносгпнмми явлениями Если несоответствие периодов решеток относительно невелико (в среднем не превышает 5%), то пленка упруго деформируется так, что кристаллы срастаются когерентно. В этом случае атомы, расположенные по разные стороны границы раздела, точно подходят один к одному, а в растущей пленке возникает псевдоморфный слой. В пределах этого слоя происходит плавный переход от периода решетки подложки к периоду решетки объемного материала пленки с соответствующим уменьшением упругих деформаций. ~ пленка; | псевдоморфный,: слой Рис. 6.20.

Схема образования псевдоморфного слоя и дислокаций несоответствия при зпитаксиальном росте пленки на монокристаллической подложке При большом несоответствии периодов двух решеток (в среднем более 12%) энергия упругих деформаций пленки настолько увеличивается, что когерентное срастание кристаллов становится энергетически невыгодным. В этом случае образуется полукогерентная граница раздела, на которой зарождаются, как показано на рис. 6.20, краевые дислокации, называемые дислокациями несоответствия. Эти дислокации лежат в плоскости псевдоморфного слоя и вместе с упругой деформацией в этом слое компенсируют различие периода решеток между растущей пленкой и подложкой, Следует отметить, что известны экспериментальные исследования, в которых явление псевдоморфизма не было обнаружено.

Существующие эмпирические правила и модели эпитаксии позволяют составить только качественную картину ориентированного наращивания. В настоящее время ясно, что основными параметрами, определяющими процесс эпитаксии, являются структурно-геометрическое подобие решеток кристалла и под- 6.9. Мехинизмы уйихения ниеерхноемных загрязнений 38! ложки, характер кристаллохимических связей в кристалле и подложке, дефектность и неоднородность поверхности подложки и температура процесса. До настоящего времени отсутствует строгая и непротиворечивая теория, которая бы достоверно объясняла и предсказывала эпитаксиальные взаимосвязи кристаллохимического и кристаллографического характера между растущей пленкой и подложкой. 6.9.

Механизмы удаления поверхностных загрязнений Современные методы очистки поверхности могут быть разделены на две большие группы, использующие: а) химически активные травители (типа кислот и щелочей) и электрохимические процессы, б) нейтральные жидкие растворители (типа трихлорэтилена СзНС18, четыреххлористого углерода СС14, этилового спирта СзНзОН, дистиллированной и деионизованной воды). В первом случае химическое травление разрушает поверхностные загрязнения вместе с частичным удалением приповерхностных слоев материала, делая очищаемую поверхность активированной, т.е. способной к повторному взаимодействию с загрязнениями из окружающей среды. Поэтому предпочтительными являются методы очистки, приводящие не к активации, а к пасснвации очищенной поверхности путем сохранения на ней мономолекулярного слоя, состоящего из молекул растворителя, Этот пассивирующий мономолекулярный слой предохраняет поверхность от повторных загрязнителей и легко удаляется при последующем термическом отжиге металлических деталей в вакууме или в атмосфере водорода.

Химически нейтральные молекулы растворителя (обычно называемого в этом случае моющей жидкостью), благодаря большей сорбционной активности, вытесняют молекулы загрязнения с адсорбционных центров. Молекула загрязнения, удерживаемая на поверхности за счет физической адсорбции, располагается в потенциальной яме глубиною Гф, изображенной на рис, 6.21 а. Она живет в адсорбированном состоянии довольно короткое время т, (порядка микросекунд), даваемое формулой (6.39).

После отрыва молекулы загрязнения от поверхности ее место занимает молекула растворителя. Так как последних много больше, особенно при наличии протока моющей жидкости, то поверхность должна постепенно очищаться от загрязнений. Однако простое замещение одних молекул другими не может обеспечить эффективную очистку. Дело в том, что по распределению Больцмана 382 Гл.

б. Управление поверхноегпньгми явлениями число десорбируемых молекул )у' „с энергией, превышающей энергию адсорбции Кф, очень мало по отношению к полному числу адсорбированных молекул Х,д,. Так, при комнатной температуре и стф = 0,43 эВ (что соответствует теплоте адсорбции Яф= 10 ккалггмоль) получаем Х,с,гЮ,л, = ехр( — Бгф,ггсвТ) = 10 т, т.е. число энергичных молекул ничтожно мало. Рис. 6.21. Энергетическая диаграмма для физически адсорбированных молекул загрязнения 1 на поверхности тела (а) и то же (б) при наличии молекул моющей жидкости 2, уменьшающих глубину потенциальной ямы пля молекул загрязнения на величину тх(ув Более значительным фактором является уменьшение глубины потенциальной ямы Бф в результате взаимодействия между молекулами загрязнения и растворителя, что отражено на рис.

6.21 б. Возникновение новой межмолекулярной связи ослабляет сорбционную связь молекул загрязнения с поверхностью. В результате этого Бф уменьшается на величину Ьсгф, что резко сокращает время десорбции т, =то ехр(Г)фу )свТ~). Поэтому любая нейтральная жидкость, в том числе вода, может играть и играет роль моющей жидкости.

Для повышения моющего эффекта загрязненная поверхность должна смачиваться жидкостью, что усиливает связь между молекулами растворителя и загрязнения и достигается использованием мыла. Отрыв молекул загрязнения от поверхности является первым этапом процесса очистки. Следом за ним идет стадия транспорта оторвавшихся частиц от поверхности в глубь раствора, предотвращающая их обратное осаждение. В этом существенная роль отводится диффузии даже при наличии протока моющей жидкости.

Дело в том, что на твердой поверхности, омываемой вязкой жидкостью, отсутствуют тангенциальные скорости проточного 6.9. Механизмы уоияения поверхностных загрязнений 383 движения жидкости. Поэтому единственной физической причиной транспорта частиц по нормали от поверхности в те слои, где скорость тангенциальная протока становится существенной, является диффузия. Оторвавшиеся от поверхности молекулы загрязнения образуют коллоидную (молекулярно-дисперсную) среду, состоящую из так называемых мииелл — сложных молекулярных комплексов в форме плотноупакованного роя перестраивающихся молекул.

Поэтому, говоря о диффузионном движении частиц, надо иметь в виду эффективную диффузию мицелл, Для качественного рассмотрения воспользуемся формулой Стокса Ту = АХ/6згзза, выражающей коэффициент диффузии частиц радиуса и в жидкости с вязкостью и. Из нее видно, что с ростом температуры коэффициент диффузии возрастает из-за снижения вязкости, так как и ос охр(ГггРгвТ). Одновременно с этим повышение интенсивности теплового движения увеличивает вероятность распада мицелл на отдельные молекулы. Понимая под а эффективный радиус мицелл, приходим к заключению, что процесс их распада, сопровождающийся уменьшением о„увеличивает скорость диффузионного транспорта. Поэтому повышение температуры моющей жидкости должно увеличивать результативность очистки. Однако с ростом температуры снижается эффективность предшествующего этапа отрыва молекул загрязнения из-за ослабления их связи с молекулами моющей жидкости.