V. ТОНКИЕ ПЛЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА 1. К.Л.Чопра Электрические явления в тонких пленках. М., Мир, 1972.. 2. Ю.Ф.Комник Физика металлических пленок. - презентация

1 V. ТОНКИЕ ПЛЕНКИ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА 1. К.Л.Чопра Электрические явления в тонких пленках. М., Мир, Ю.Ф.Комник Физика металлических пленок М., Атомиздат, Технология тонких пленок ред. Л.Майссел, Р.Глэнг. М., Советское радио, 1979.т.1,2. 4. "Поверхностные свойства твердых тел" Ред. М.Грин М., Мир, 1972

2 В массивных полупроводниковых приборах полезная часть сосредоточена в узком слое (например, p-n- переход) Остальная часть объема - балласт, снижающий коэффициент полезного действия Использование пленочных структур с толщиной слоев в доли микрона Крайне важным является начальный этап, задающий направление процессам роста. Широкие перспективы Пленки находятся в состоянии далеком от термодинамического равновесия

3 5.1. Механизмы роста пленок Температура подложки, величина потока частиц, качество поверхности Три механизма роста пленок 1.Послойный рост или рост по механизму Франка-ван-дер-Мерве (FM, Frank – van der Merve) Последовательно, слой за слоем. Появление частиц в следующем слое возможно только при условии полного завершения предыдущего Морфология пленок определяется кинетикой роста Зависит от Особенностей взаимодействия частиц с поверхностью и друг с другом. Условий роста

4 Пленки с достаточно крупными блоками, имеющими определенное кристаллографическое строение 2. Другой - диаметрально противоположный - островковый или рост по Фольмеру-Веберу (VW, Volmer-Weber) Образование зародышей Размеры блоков определяются условиями формирования Определенные физико-химические свойства. При первой возможности стремятся объединиться и образовать кластеры, или присоединиться к уже существующим Пленки имеют мелкокристаллическую структуру Температура подложки, ее чистота, величина потока частиц, направление пучка, вакуумные условия и т.д.

5 3. Tретий - Странски-Крастоновой (SK, Stranski-Krastanov) Рост островков только после завершения формирования первого монослоя Механизм роста определяется соотношением поверхностных энергий. При квазиравновесном процессе = f + i - s f - поверхностная энергия пленки s - чистой поверхности подложки i - энергия межфазовой границы раздела. Франк-ван-дер-Мерве или Странски-Крастановой в зависимости от того, выполняется условие для последующих слоев или нет. Механизм Фольмера-Вебера 0 ( f + i < s ). 0

6 В большинстве случаев величины поверхностной энергии неизвестны. f в случае пленки может значительно отличаться от для массивного вещества Еще хуже с определением величины i. Необходимо учитывать энергию, связанную с имеющимися напряжениями в пограничных слоях из-за несоответствия контактирующих решеток. Наиболее удобный метод определения механизма роста - оже-спектроскопия Зависимости интенсивностей пиков, соответствующих атомам адсорбата и атомам пленки, от количества осажденного материала Индексы: S - поверхность, А - пленка

7 IS0IS0 Напыление адсорбата приводит к уменьшению выхода оже-электронов подложки Изменяются условия отражения первичных электронов от поверхности образца. Механизм Франка – ван дер Мерве Поток оже-электронов от атомов подложки при отсутствии адсорбированных частиц Ослабляется поток первичных электронов, из-за поглощения в слое адсорбата Поглощение оже-электронов подложки в слое адсорбата Основная причина - длина свободного пробега электронов, - доля поверхности, покрытая пленкой d – толщина монослойного покрытия, Поток с участков, покрытых монослойной пленкой адсорбата. Поток с чистых участков поверхности Оже-сигнал уменьшается линейно

8 После завершения Iслоя начинается рост II слоя. С двумя монослоями От участков с одним монослоем Оже-сигнал также меняется линейно, но наклон меньше I S ( ) представляет собой ломаную линию Излом - завершение застройки очередного монослоя Для оже-электронов адсорбата аналогично I 1 – интенсивность оже-электронов от одного монослоя Зависимость - ломанная линия

9 Островковый рост Допустим, атомы закрепляются в месте падения Должны располагаться в соответствии с распределением Пуассона Пусть т независимых испытаний, в каждом вероятность события А равна р При малых р В данном случае р=1/п 0, При средней толщине покрытия вероятность обнаружения на поверхности структуры в k атомных слоев Вероятность, что событие А появится k раз Формула Пуассона п о – число адсорбционных центров. m = числу адсорбированных частиц n

10 Понижение оже-сигнала от подложки с увеличением покрытия по экспоненте Аналогичное выражение и для тока оже-электронов от атомов пленки. Экспоненциальный рост с увеличением концентрации адсорбата. Интенсивность пучка оже-электронов от атомов подложки

11 Нередко химическое взаимодействие Возможна взаимная диффузия атомов подложки и пленки Рост по Странски-Крастановой Высокая концентрация в поверхностном слое дефектов облегчает проникновение атомов. Размытие границы раздела фаз Необходимо создание диффузионных барьеров между подложкой и пленкой До монослоя – линейное Промежуточный вариант Затем – экспоненциальное изменение Тонкие слои оксидов или металлов между пленкой и подложкой. Например, слои W, Rh, Pt предотвращают диффузию атомов Au, пленки Ni являются барьером в системе Cu-Au.