11 Основные модели роста кристаллов

6. Физико-химические основы зарождения и роста новой фазы в виде тонких пленок в технологических процессах

6.1. Основные модели роста кристаллов

При анализе атомно-молекулярных процессов гетерогенного роста кристалла в общем случае выделяют следующие основ­ные этапы: адсорбцию частиц (атомов или молекул) исходной среды на по­верхности твердого тела, поверхностную миграцию частиц, присое­динение частиц к энергетически выгодным пози­циям на поверх­ности кристалла.

В общем случае кристаллизация может осуществляться как на изотропной, так и на анизотропной поверхности. Изотропной счита­ется поверхность, которая не оказывает ориентирующего влияния на за­родыши образующейся фазы. При этом атомы на реальной поверхно­сти обладают ближним порядком в своем расположении. Структуру такой поверхно­сти называют аморфной.

Анизотропной поверхностью являет­ся поверхность подложки, имеющая моно- или поликристал­лическую структуру. В этом случае, как правило, площадьповерхности подложки, на которой атомы обла­дают упорядо­ченным расположением, намного больше площади под­ложки, занимаемой зародышем новой фазы.

При кристаллизации на анизотропной поверхности подлож­ки вы­деляют два принципиально различных механизма ро­ста - послой­ный и нормальный (рис.6.1).

Послойный рост кристалла предполагает наличие на атомно-глад­кой поверхности кри­сталлизации ступеней, к атомам которой при­соединяются ато­мы кристаллизующегося вещества (рис.6.2).

Известны различные механизмы послойного роста кристал­ла, ос­нованные на близких допущениях. Главным этапом в этом случае яв­ляется этап возникновения источников ступеней. При послойном росте выделяют спиральный (рис.6.2,а) и зародышевый (рис.6.2,б) механизмы роста. Рост кристалла осуществляется путем последовательного зарастания слоев, т. е. тангенциального перемещения ступеней.

Рис.6.1. Механизмы атомно-молекулярных процессов кристаллизации

При нормальном росте кристалла атомы кристаллизующегося вещества при­соединяются к атомам кристалла практически в любом месте поверхности. Это возможно в том случае, когда на поверхно­сти имеется достаточно много энергетически выгодных мест закрепления атомов, т. е. когда поверхность является атомно-шероховатой. В этом случае поверхность в процессе роста пе­ремещается по нормали к ней (рис. 6.3).

Рис.6.2. Механизм послойного роста: а - спиральный рост; б - зародышевый рост

Послойный рост кристалла, связанный с образованием за­родышей на атомно-гладких поверхностях, получил название механизма Фольмера - Косселя - Странского (ФКС). Вна­чале была разработана термодинамическая теория роста кри­сталлов (Фольмер, 1926 г.).

В этой теории предполагалось, что на границе раздела фаз имеется адсорбционный слой атомов кристаллизующегося вещества, которые диффундируют по по­верхности. В адсорбционном слое в результате соударения ато­мов образуются термодинамически устойчивые двумерные заро­дыши, которые разрастаются в кристаллический слой. Стадияобразования нового слоя многократно повторяется.

Рис.6.3. Механизм нормального роста

Процесс роста кристалла в случае кристаллизации через образование зародышей условно разграничивают на две основные стадии: образование зародышей (обычно моноатомной вы­соты) и их рост. При образовании двумерных зародышей воз­можно возникновение ступенчатой грани кристалла. Это про­исходит в том случае, когда линейная скорость движения сту­пеней не слишком велика по сравнению со скоростью роста кристалла по нормали к гладкой грани. Аналогичный механизм роста кристалла при этих условиях наблюдается и тогда, когда исходная грань имеет ступенчатую структуру. Иногда этот ме­ханизм роста называютнепрерывным.

Образование двумерных зародышей очень чувствительно к пересыщению и вероятность этого процесса при пересыщениях ниже 50% слишком мала. Реальные кристаллы, однако, в определенных случаях растут даже при пересыщении мень­ше 1%.Анализ этих процессов позволил установить другой механизм, называемый спиральным ростом.

Спиральный механизм роста наблюдается при наличии вы­ходов винтовых дислокаций на поверхность подложки. Этот механизм впервые был обоснован Франком, а в дальнейшем получил название механизма Бартона — Кабреры — Франка (БКФ).В этом случае поверхность кристалла имеет готовые атомные ступеньки и образование зародышей не является обя­зательным. На таких поверхностях уже имеются готовые по­зиции для присоединения атомов к кристаллу. В общем случае структура поверхности в значительной степе­ни определяет механизм и кинетику роста кристаллов.