Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 29
Текст из файла (страница 29)
2.28. Режимы роста тонких пленок сплошной пленки в режиме, называемом модой Франка — Вам дер .Мерве (Р)тгн)с — Ргггг ггег )ьгеггее)'5, образование и рост островков (трехмерный рост) — мода Ваавеера — Вебе)ра (гЪйгег гь'ебег)гь и комбинированный режим — мода Сггг!ваигешмо — дь(ваенгпнпна ( з(гтгпзкг' — д)тхтггшор)гт, когда пленка сначала растет послойно, а затем трансформируется в островковую структуру. Когда атомы материала пленки образуют более сильные связи с подложкой, чем друг с другом, и рост каждого последующего слоя начинается после завершения формирования предыдущего слоя, полностью покрывающего поверхность подложки, говорят о послойном формировании пленок по механизму Франка — Ван дер Мерве. Когда атомы материала пленки сильнее связаны между собой, чем с подложкой, формируются пленки островкового типа по механизму Волмера — Вебера.
В режиме Странского — Крастанова сочетаются послойный и островковый рост. Режим (мода) формирования эпитаксиальных поверхностных структур определяется соотношением между поверхностной энергией и энергией границы раздела материалов пленки и подложки, Впервые описан в статье Г. С. Р)ггпл, Х Н. гал г(ег Мекке, Опе-дппепа!опа( 4(исса!!оп. И. М(М)гг!па пгопо)ауегт апе спев!ад отегвговСЬ, Ргос. Иоу.
Вос. А 198, 216-225 (1949). Впервые описан в статье !)к )ЪЬпег, Е. Игеаег, Ыпс!е( Гоппааоп )п ьпреггащгагед нагов, Х. Рьуа. СЬепь 119, 277 — 301 (1926). Впервые описан в статье 2 Аг. 5)гила/а, 2,. топ Кпигалогк, 2пг (Ьеопе дог опель)епеп авмсьеыппа топ копен!гпма)1еп авге)папдег, 8!(хппаььег. Акад. %$м. %реп, Мащ3 Мащпгчм. К1. ПЬ 146, 797 — 8 Ю (1938). 143 2 Л т дициомнне методы и алия пленок а также рассогласованием параметров их кристаллических решеток.
Важно отметить: все энергетические аргументы справедливы лишь для равновесного состояния системы. Формирование же эпитаксиальных пленок происходит в условиях, отличающихся от равновесных, что затрудняет анализ этого процесса и интерпретацию результатов по одним лишь энергетическим критериям.
Кинетические эффекты, контролируемые температурой подложки и скоростью осаждения материала, существенно влияют на режим формирования поверхностных структур. Тем не менее, энергетические соображения, рассматриваемые ниже, полезны для многих практических случаев, поскольку позволяют предсказать поведение различных систем в, по крайней мере, равновесных и квазиравновесных условиях.
В системе, образованной материалами с согласованными параметрами решеток, режим роста определяется только соотношением поверхностной энергии и энергии границы раздела. Если сумма поверхностной энергии эпитаксиальной пленки и энергии границы раздела меньше, чем поверхностная энергия подложки (осаждаемый материал смачивает подложку), то имеет место послойный рост пленки в режиме Франка — Ван дер Мерве. При этом формируются однородные псевдоморфные и напряженные сверхрешетки. Такой режим пригоден и для создания самоорганизуюшихся квантовых шнуров на вицинальных поверхностях кристаллов. Виг(миалаиыми (тсгпа() называют поверхности, которые не являются равновесными для данного кристалла — рис.
2.29. Обычно они представляют собой поверхности, слегка разориентированные относительно основных низкоиндексных плоскостей кристалла; на практике чаше всего используют разориентацию относительно плоскостей (001) и (311). Рне. 2.2Гг. Випинальная поверхность кристалла: структурная схема (а) и изображение поверхности кремния, полученное с помощью атомного силового микроскопа (б).
Любезно прелоетавлено профессором Ф. Дж. Хнмпселем На рис. 2.30 показаны основные этапы формирования методом самоорганизации встроенных квантовых шнуров с использованием вицинальной поверхности кристалла. Гл а в а 2. Метады мироваиня нанозлехтронных стр Рнс. 2.30. Создание квантовых шнуров самоорганизацией в процессе эпитаксиахьного роста на вицинальной поверхности: а — нанесение материала шнура; б — нанесение материала подлшкки до полного моноатомного слоя (в); г — встроенный квантовый шнур, созданный повторением (а) и (б) Подготовленная вицинапьная поверхность состоит из эквидистантно расположенных террас, плоскость которых совпадает с одной из низкоиндексных плоскостей кристалла.
Высота каждой террасы соответствует одному моноатомному слою. Изготовление квантовых шнуров начинают с нанесения материала, из которого будет формироваться шнур. Температуру подложки выбирают таким образом, чтобы обеспечить достаточную диффузионную подвижность атомов наносимого материала на поверхности подложки. Осажденным атомам энергетически более выгодно прикрепляться к ступенькам террасы, нежели находиться на ее поверхности.
Количество наносимого материала для формирования шнура составляет лишь небольшую часть от количества, необходимого для покрытия подложки сплошным моноатомным слоем, так как на террасе должно остаться место для заполнения материалом подложки после прекращения подачи материала шнура. Нанесение материала подложки продолжают до полного восстановления террас, которые при этом становятся на один моноатомный слой толще. Нанесение материала шнура, а затем подложки повторяют несколько раз, обеспечивая, таким образом, формирование встроенного в подложку квантового шнура. При практической реализации этого подхода основной проблемой является волнообразный характер границ террас, что приводит к образованию таких же волнообразных шнуров. Для изготовления строго линейных шнуров поверхность профилируют канавками, вдоль которых и происходит самоорганизованный рост квантовых шнуров.
Однородные напряженные эпитаксиальные пленки начинают расти послойно даже в том случае, когда имеет место рассогласова- 145 2.4. Саморегулирующиеся пронесем ние решеток наносимого материала и подложки. Накопление энергии в напряженном состоянии по мере увеличения толщины пленки неизбежно ведет к образованию островков, что в конечном итоге понижает общую энергию системы.
Такие превращения происходят при эпитаксии в режиме Странского — Крастанова. При згом на монокристаллической подложке образуются самоорганизующиеся нанокристаллические эпитаксиальные островки. Переход от двумерного послойного роста сплошной пленки к трехмерному росту островков (2Р-ьЗО-переход) имеет место, когда в кристаллической решетке осаждаемого материала межатомные расстояния больше, чем в решетке подложки.
Островковая структура энергетически более благоприятна лля релаксации механических напряжений, нежели слоистая. Релаксация напряжений в двумерном слое может осуществляться только в направлении, перпендикулярном плоскости этого слоя. В островке же напряжения могут релаксировать как в самом островке, так и в его окрестности. Рассмотрим зависимость полной энергии системы, образуемой рассогласованными кристаллическими решетками, от времени нанесения материала, полагая, что скоросп его нанесения мала для проявления динамических эффектов".
Изменение энергии для этого случая схематически показано на рис. 2.31. Материал, подвергающийся сжатию на подложке, наносится с постоянной ско- $1 Рис. 2.31. Полная энергия эпитаксиальной структуры, растущей в режиме Странского — Крастанова, как функция времени Представленная алесь модель, включан соотвегствуюшие рисунки, предложена в статье Иг Яерегг ег а(, Гп ьяи Вговль ог папа-ипюшгеа Ьу гпега1-огаап(с тароцг рьаае ераалу, 1. Сгум. О говчь ! 70(1-4), 39-46 (1997). 146 Г л а в а 2 . Методы формирования наноэлектронных етрукту ростью вплоть до момента времени, обозначенного на рисунке буквой Х. Различимы три основных этапа роста структуры, обозначенных буквами А, В и С.
На начальном этапе А за счет послойного роста формируется двумерная эпитаксиальная пленка. Поверхность подложки при этом идеально смочена наносимым материалом. Упругие напряжения линейно увеличиваются с ростом объема нанесенного материала. В момент времени г толшина смачиваюшего слоя достигает критической величины, и послойный рост становится метастабильным. При дальнейшем поступлении материала создаются сверхкритические условия: пока еше сплошной эпитаксиальный слой уже готов к разрыву и переходу в режим роста трехмерных островков по механизму Странского — Крастанова. Временной диапазон существования метастабильного состояния определяется энергетическим барьером Е, для этого перехода.
Этап В, представляющий собой 2Р -+ ЗО-переход (т. е. фрагментацию сверхкритического смачиваюшего слоя), начинается в момент времени Х, когда накопленной упругой энергии становится достаточно для преодоления энергетического барьера этого перехода. Предполагается, что, однажды начавшись, 20 — э ЗО-переход может продолжаться и без дальнейшего поступления материала пленки, за счет материала, запасенного в сверхкритическом смачиваюшем слое.
Период В включает в себя две стадии: зарождение островков и их последующий рост. Флуктуации толшины пленки или механических напряжений по поверхности подложки приводят к зарождению островков только в определенных местах. Толщина смачивающего слоя, при которой начинается спонтанное зарождение островков, зависит от рассогласования параметров решеток материалов пленки и подложки, а также от типа наносимого материала и от анизотропии свойств подложки.
Например, при эпитаксии германия на монокристаллическом кремнии островки образуются, когда толщина пленки германия превышает несколько моноатомных слоев. Для контролируемого расположения островков в определенных местах подложки пленку подвергают предварительной обработке с целью создания на ее поверхности неоднородностей, служащих центрами зарождения островков. Стадия зарождения определяет поверхностную плотность островков.
Вслед за образованием первого сверхкритического зародыша сразу же следует фрагментация всего смачиваюшего слоя. Предполагаемое распределение напряжений в окрестности островка показано на рис. 2.32. Поверхность островка благоприятна для понижения напряжений, которые максимальны на границе островка с подложкой.
147 24. Саморсг ли уюгяиеся и цсссы я я к Ф и а с Ф к и Е а е 6) С сласгь напряженна „ /; . ' „" х Смзч ~ваюы~ин Рис. 2.32. Локальные механические напряжения на границе островка е подложкой и деформация решетки в островке Из-за релаксации напряжений в объеме островка на его поверхности они минимальны. Островок имеет монокристаллическую напряженную структуру без дислокаций. Последующий рост островков стимулируется избытком материала в сверхкритическом смачивающем слое, предшеспювавшем фрагментации. Его скорость в десятки раз больше обычных скоростей роста при данной температуре.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
