WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 4 Краткие сообщения 05;06;11;12 Влияние термодиффузии на совершенство кристаллической структуры, формирующейся при конденсации из паровой фазы © А.П. Беляев, В.П. Рубец, М.Ю. Нуждин, И.П. Калинкин Санкт-Петербургский государственный технологический институт, 198013 Санкт-Петербург, Россия e-mail: Belyaev@TU.SPB.RU (Поступило в Редакцию 5 февраля 2001 г.) Сообщается о результатах изучения влияния неоднородных условий синтеза, стимулирующих термодиффузию, на совершенство кристаллической структуры пленок теллурида кадмия, синтезируемых в вакууме путем конденсации из паровой фазы. Приводятся результаты технологических, геометрических, электрографических и электронно-микроскопических исследований. Показана ”пороговость” положительного влияния неоднородных условий на совершенство формирующейся кристаллической структуры. Выявлено, что в присутствии термодиффузии температура подложки нетривиально влияет на совершенство кристаллической структуры формирующейся пленки. Ее повышение способствует не совершенству, а разупорядоченности структуры.

Установлено, что термодиффузия изменяет продолжительность стадии оствальдовского созревания и тем самым создает условия для управления процессами формирования структуры. Продемонстрировано согласие экспериментальных данных с современной теорией процессов формирования пленок.

Введение теплового поля вдоль подложки (неоднородные условия синтеза) создавался путем нагрева центральной области В последние годы усилился интерес исследователей подложки и охлаждения ее периферии [3]. Температура и практиков к нетривиальным условиям синтеза плеподложки задавалась терморегулятором в центре поднок [1,2]. К подобным условиям, очевидно, относятся ложкодержателя. Контроль температуры осуществляли условия синтеза в тепловом поле градиента темперася хромель-алюмелевыми термопарами. Геометрические туры. B [3] сообщалось о положительном влиянии таких исследования (толщина и однородность по толщине) полей на кристаллическое совершенство синтезируемых проводились на микроинтерферометре МИИ-4, обеспепленок. Однако последующее изучение механизмов рочивающем измерение с точностью ±0.03 µm. Струкста пленок в неоднородных условиях выявило их ”поротурные исследования проводились на электронографе говое действие”, т. е. их положительное влияние только ЭМР-100 и электронном микроскопе ПЭМ-100. Все в определенных режимах. В связи с этим ниже приводятрезультаты структурных исследований, представленные ся новые результаты исследований процессов формирониже, относятся к центральным областям пленок.

вания пленок теллурида кадмия из паровой фазы в тепловом поле градиента температуры, демонстрирующие Результаты эксперимента ”пороговое действие” неоднородных условий и согласие полученных результатов с современной теорией роста Влияние теплового поля градиента температуры на пленок.

совершенство формирующейся кристаллической структуры изучалось на основе технологических, геометричеИсследованные образцы и методика ских и структурных исследований. Основные результаты исследований представлены на рис. 1–3.

эксперимента Рис. 1 демонстрирует влияние температуры подложПроцессы формирования пленок как в однородных ки и температурного поля на совершенство структуусловиях (одинаковая температура подложки во всех ры пленок. Электронограммы на рис. 1, a, b отражают ее точках), так и в тепловом поле градиента темпе- факт ухудшения кристаллического совершенства пленок ратуры (неоднородные условия) изучались на пленках при понижении температуры подложки в однородных теллурида кадмия, синтезируемых на подложке из слю- условиях. Сравнивая a и b на рис. 1, можно видеть, ды — мусковит. Толщина пленок для разных образцов что если при температуре подложки Ts = 523 K (a) не превышала 1 µm. Синтез пленок осуществлялся структура пленок была близка к эпитаксиальной, то при методом квазизамкнутого объема (горячих стенок) [3] Ts = 473 K (b) она уже поликристаллическая. Элекв вакууме 10-3 Pa при потоке вещества на подложку тронограммы на рис. 1, c–e относятся к неоднородным = 1.32 · 1016 cm-2 · s-1. Градиент температуры условиям. На рис. 1, c представлена электронограмма Влияние термодиффузии на совершенство кристаллической структуры... Рис. 1. Электронограммы от пленок теллурида кадмия, синтезированных в однородных условиях (a, b) и в присутствии теплового поля градиента температуры (c–e) при температуре подложки Ts = 523 (a, e), 473 (b, c), 490 K (d).

пленки, синтезированной при Ts = 473 K, на рис. 1, d — подложки скорость роста уменьшалась, а на периферии при Ts = 490 K, а на рис. 1, e — при Ts = 523 K. подложки возрастала. Скорость роста, как и степень ее Сравнивая электронограммы, можно проследить как по- неоднородности по радиальной координате, зависела от ложительное влияние градиента температуры на кри- температуры подложки. Возрастание последней способсталлическое совершенство пленок, так и негативное. ствовало возрастанию обеих величин.

Первое имело место при низких температурах подложки. Влияние теплового поля на морфологию поверхности Если без действия температурного поля при Ts = 473 K пленок демонстрируется рис. 3. Рис. 3, a, b соответствует формировались поликристаллические пленки (рис.1, b), пленкам, выращенным при Ts = 523 K, a рис. 3, c — то под его влиянием формировалась структура, близкая при Ts = 473 K. На рис. 3, a, c представлена поверхность к эпитаксиальной (рис. 1, c). Степень положительного в электронном микроскопе от пленок, синтезированных влияния зависела от температуры подложки. Об этом в неоднородных условиях, а на рис. 3, b — в односвидетельствуют электронограммы на рис. 1, c и d. Сравнивая их, видим, что повышение температуры Ts от 473 (c) до 490 K (e) вызывало нарушение упорядоченности структуры.

Негативное влияние неоднородных условий проявлялось при высоких температурах. Его можно проследить, сравнивая электронограммы на рис. 1, a и e. Если при Ts = 523 K в однородных условиях росли пленки, близкие к эпитаксиальным (рис. 1, a), то при той же температуре подложки под влиянием температурного поля структура пленок существенно ухудшалась (рис. 1, e).

Рис. 2 отражает влияние теплового поля на степень однородности скорости роста пленок по радиальной координате x. Кривые 1 и 3 получены от пленок, синтезированных при температуре подложки Ts = 473 K, а кривая 2 —при Ts = 523 K. Вторая и третья кривые Рис. 2. Координатные зависимости скорости роста слоев отражают результат исследования пленок, синтезировантеллурида кадмия (ось x отсчитывается от центра подложки, ных в присутствии теплового поля, а первая — без параллельно ее поверхности). 1 — однородные условия при поля. Рисунок наглядно демонстрирует изменение ско- Ts = 473 K; 2, 3 получены в присутствии теплового поля рости роста под влиянием поля. В центральной области градиента температуры при Ts = 523 и 473 K соответственно.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 122 А.П. Беляев, В.П. Рубец, М.Ю. Нуждин, И.П. Калинкин Рис. 3. Морфология поверхности пленок теллурида кадмия, выращенных в однородных условиях (b) и в присутствии теплового поля градиента температуры (a, c) при температуре подложки Ts = 523 (a, b), 473 K (c) (20000).

родных. Как следует из электронно-микроскопических вид [5] исследований, тепловое поле при высоких температурах 2Vm1()() R подложки приводило к уменьшению размеров кристал = - 1, (1) kBTR Rcr литов пленки. Уменьшение же температуры подложки в неоднородных условиях синтеза способствовало росту где — поверхностное натяжение; — удельный гракристаллитов.

ничный поток на ДЧ; Vm — объем на один атом в твердой фазе; 1(), () — параметры, учитывающие форму ДЧ; kB — постоянная Больцмана; T — температура; R — радиус ДЧ; Rcr — критический радиус ДЧ.

Обсуждение результатов Концентрация компонентов на подложке (она в неявном виде входит в (1) через Rcr) определяется мощноСогласно современным научным представлениям, простью источников — стоков вещества, концентрацией ДЧ цесс синтеза пленки из паровой фазы на поверхности и их начальной функцией распределения в пространстве твердого тела содержит в себе несколько стадий. Это — размеров, которые наряду с температурой обусловлены флуктуационное зародышеобразование, оствальдовское опять же источниками — стоками вещества. Мощность созревание (ОС), или коалесценция, слияние пленки источника во всех представленных выше эксперименв сплошной среде. Совершенство формирующейся критальных результатах была неизменной, поэтому далее сталлической структуры, как правило, определяется стабудем рассматривать лишь влияние стоков вещества.

дией ОС [4]. На этой стадии через обобщенное дифВ обсуждаемом эксперименте, как было показано в [3], фузионное поле происходит коррелированное перерасстоки вещества формируются неоднородным тепловым пределение атомов конденсированного вещества между полем. Их мощность может быть оценена из уравнедисперсными частицами (ДЧ), сформировавшимися в рения [6] зультате зародышеобразования, происходит образование kT коррелированых химических связей (встраивание атомов i = -D c + T. (2) T в кристаллическую решетку ДЧ). Отсюда можно полагать, что наблюдаемое в эксперименте ухудшение криЗдесь i — термодиффузионный поток; — эффективная сталлической структуры пленок под влиянием теплового плотность адатомов на подложке; D — коэффициент поля при высоких температурах (рис. 1, a, e), как и подиффузии атомов по поверхности; c — градиент конвышение ее совершенства в случае относительно низких центрации адатомов; T — градиент температуры; kT — температур (рис. 2, b, c), связано именно со стадией ОС.

термодиффузионное отношение; DkT — коэффициент В связи с этим рассмотрим влияние температуры на ОС термодиффузии.

в неоднородном тепловом поле.

При низких температурах, согласно [3], подобные Скорость роста отдельной ДЧ в обобщенном поле стоки увеличивают продолжительность стадии ОС и тем определяется остальными ДЧ и зависит от концентра- самым способствуют формированию более совершенной ции компонентов в системе и температуры. В частно- кристаллической структуры пленки. С повышением же сти, в случае, когда скорость роста ДЧ ограничивается температуры, как свидетельствуют обсуждаемые экспевстравиванием, аналитическое выражение для нее имеет риментальные результаты, влияние термодиффузионных Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. Влияние термодиффузии на совершенство кристаллической структуры... стоков изменяется на негативное. Причину этого теперь щественное увеличение продолжительности оствальдовлегко увидеть из выражений (1) и (2). С повышением ского созревания, компенсирующего негативное влияние температуры понижаются скорость роста ДЧ v, обеспе- стоков на процессы встраивания.

чивающая коррелированную перестройку атомов в ДЧ 3. Процессы формирования слоя при нормальном попри ОС, и мощность стоков вещества, ответственных за слойном росте пленки из паровой фазы с незатухающими продолжительность стадии ОС. Дополнительным экпе- источниками вещества характеризуются одновременным риментальным подтверждением справедливости такого протеканием флуктуационного зародышеобразования и вывода является уменьшение размеров кристаллитов оствальдовского созревания.

(рис. 3, a, c) и увеличение скорости роста пленок (рис. 2).

Сделанный вывод, помимо всего прочего, позволяет Список литературы объяснить негативное влияние стоков на структуру пленок в сравнении с однородными условиями. Напомним, [1] Григорьев Д.А., Кукушкин С.А. // ЖТФ. 1998. Т. 68. Вып. 7.

что было выявлено, что при высоких температурах, обесС. 111–117.

печивающих эпитаксиальный рост в однородных усло- [2] Беляев А.П., Рубец В.П., Калинкин И.П. // ЖТФ. 2001.

виях, введение термодиффузионных потоков приводило Т. 71. Вып. 4. С. 133–135.

[3] Беляев А.П., Рубец В.П., Нуждин М.Ю., Калинкин И.П. // к ухудшению кристаллической структуры синтезируемой ФТТ. 2001. Т. 43. Вып. 4. С. 745–749.

пленки (ср. рис. 1, a и e). Причина этого факта, оче[4] Кукушкин С.А., Осипов А.В. // УФН. 1998. Т. 168. № 10.

видно, заключается в том, что в результате появления C. 1083–1116.

термодиффузионных стоков атомы на стадии ОС не [5] Кукушкин С.А. // ФТТ. 1993. Т. 35. Вып. 6. С. 1582–1596.

успевают встраиваться в кристаллическую решетку ДЧ [6] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. VI.

и оказываются вовлеченными во вторичное зародышеМ.: Наука, 1988. 733 с.

образование, что, естественно, ухудшает совершенство кристаллической структуры растущей пленки (теоретически подобный эффект предсказывался авторами [1]).

Экспериментально (дополнительно к вышесказанному) об этом свидетельствуют результаты морфологических исследований (рис. 3, a, b). Размеры кристаллитов пленок, выращенных в присутствии стоков, оказываются значительно меньшими по сравнению с размерами кристаллитов пленок, выращенных при той же температуре подложки, но в однородных температурных условиях.

Поэтому, хотя теоретически принято процесс фазового превращения 1-го рода на поверхности твердого тела разделять на стадии, реально эти стадии могут оказаться совмещенными.

В заключение авторы выражают благодарность С.А. Кукушкину за полезные советы и обсуждения.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 99-03-32676).

Выводы На основании вышепредставленных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Термодиффузионные стоки вещества, спонтанно или искуcственно возникающие на поверхности подложки при синтезе пленок из паровой фазы с незатухающими источниками, оказывают пороговое влияние на кристаллическое совершенство формирующейся структуры.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.