Коалесценция и образование сплошного слоя

В общем случае на первой стадии в результате кристалли­зации на атомно-гладкой чужеродной подложке возникают устойчивые (т. е. закритические) зародыши новой фазы (рис. 6.15, а). При этом достигается максимальная их кон­центрация. Эта стадия протекает достаточно быстро, поэтому зародыши не успевают вырасти до значительной величины.

На второй стадии зародыши разрастаются в основном за счет двумерного пара адатомов, который непрерывно образуется вследствие продолжающейся адсорбции конденсируемого веще­ства (рис. 6.15,б). Поскольку в большинстве реализуемых на практике случаев размеры зародышей много меньше разме­ров свободных от них зон, называемых диффузионными зонами, то ростом зародышей за счет непосредственного попадания в них адатомов из материнской среды можно пренебречь.

В процессе роста зародышей наблюдается их слияние, назы­ваемое первичной коалесценцией, и формирование из них более крупных частиц вещества, которые обычно называют остров­ками. Слияние зародышей может сопровождаться изменением их первоначальной формы и ориентации. На этой стадии от­дельные зародыши могут также перемещаться по подложке и сливаться при столкновении. Однако миграция зародышей мо­жет происходить при относительно слабой связи их с подлож­кой и при достаточно высокой температуре, а также при внеш­нем воздействии, например электрическим полем или ионной бомбардировкой. Уменьшение концентрации зародышей внача­ле происходит очень быстро, а затем медленнее по мере роста их размеров.

Рис.6.15. Схема основных стадий роста кристалла на атомно-гладкой поверхности: а – образование зародышей; б – рост зародышей; в – коалесценция; г – образование «каналов»; д – образование пор; е – формирование сплошного слоя

На третьем этапе роста кристалла происходит слияние со­седних островков в процессе их разрастания - вторичная коалесценция - и образование более крупных (рис. 6.15, в). Если в результате слияния островков обнажается достаточно большой участок подложки, то может происходить вторичное зародышеобразование. Наступает момент, когда начинается массовое слияние островков с образованием единой структуры в виде сетки. По мере завершения образования сплошной сет­чатой структуры вторичная коалесценция замедляется. Образо­вавшаяся сетчатая пленка содержит большое количество пор и пустот различной формы, которые называются каналами. Та­кие каналы часто имеют удлиненную извилистую форму, иног­да - кристаллографическую огранку. Они приблизительно рав­номерно распределены на участках пленки, имеющих одинако­вую эффективную толщину, и характеризуются одинаковой шириной.

На четвертом этапе роста происходит медленное заполнение каналов - пустот. В ряде случаев при большой скорости осаж­дения в каналах возникают новые зародыши, которые очень медленно разрастаются и сливаются. Это особенно заметно в случае, когда участок с вторичными зародышами окружен сплошной тонкой пленкой. По мере зарастания каналов их дли­на уменьшается, в то время как их ширина изменяется незначи­тельно (рис. 6.15, г). В процессе зарастания каналов про­исходит сглаживание рельефа пленки, поверхность ее стано­вится гладкой, ровной, повторяющей микрорельеф поверхности подложки.

На пятом этапе происходит дальнейший рост пленки, уве­личение ее толщины, наблюдаются дефекты в виде пор (рис. 6.15, д). Часто эта стадия роста сопровождается структур­ными изменениями, обусловленными рекристаллизационными процессами, протекающими одновременно с ростом слоя: умень­шается количество дефектов кристаллической решетки, проис­ходят релаксация напряжений и фазовые переходы. На послед­нем этапе происходит формирование сплошного слоя (рис. 6.15,е).

Особый интерес представляет рассмотрение первичной и вто­ричной коалесценции, механизмов и причин, вызывающих ин­тенсивное перемещение, изменение формы и ориентации остров­ков, так как от этих стадий во многом зависит формирование структуры кристалла и его свойств. Рассмотрим эти стадии бо­лее подробно.

Вследствие миграции или разрастания зародышей соседние частицы начинают соприкасаться. Дальнейшее изменение фор­мы контактирующих островков слоя зависит от сил связи ато­мов конденсата и подложки. Если взаимодействие между ост­ровками сильнее, чем их взаимодействие с подложкой, а тем­пература достаточно велика для заметного протекания диф­фузионных процессов, то за определенный промежуток времени под действием сил поверхностного натяжения происходит слия­ние островков. При этом они утрачивают свою исходную форму, и образуется единый островок более равновесной конфигура­ции (рис. 6.16, а). К коалесценции также относится диффузи­онное перераспределение массы через двумерный пар, когда более крупная частица - островок - увеличивается за счет ис­парения мелких, но при этом непосредственно с ними не со­прикасается.

В случае низкой температуры или когда изменение формы са­мих островков затруднено (например, вследствие наличия слоя оксида на поверхности), в результате контактирования ча­стиц - островков - происходит их объединение - коагуляция. При этом в отличие от коалесценции наблюдается незначитель­ное изменение исходной формы частиц - островков, которое ограничивается областью соприкосновения островков, т. е. участками с наибольшей кривизной поверхности.

Рис.6.16. Схема срастания частиц: а – при коалесценции; б – без коалесценции; 1 – соприкасающиеся частицы; 2 – слияние и срастание частиц; 3 – вытеснение (а) и увеличение (б) межзеренной границы

Островки часто приобретают неравновесную форму в виде плоских образований, которые характеризуются большой удельной поверхностной энергией. Такие образования по дости­жении определенного размера становятся неустойчивыми и про­исходит стягивание островков в плоскости подложки. В по­следнем случае существенно уменьшается величина поверхно­сти. Такое изменение формы островка сопровождается умень­шением величины удельной поверхности (величины поверхно­сти, приходящейся на единицу объема) и обусловлено уменьше­нием энергии Гиббса. В этом случае может изменяться не толь­ко форма островка, но и его ориентация относительно под­ложки.

Первичная коалесценция характеризуется массопереносом осаж­даемого вещества по поверхности подложки. Массоперенос при этом осуществляется двумя способами: диффузионным пе­рераспреде­лением массы осажденного вещества через двумер­ный пар адатомов и миграцией зародышей по подложке. В за­висимости от условий может преобладать тот или иной механизм массопереноса. Возможны случаи, когда оба механизма вносят сопоставимый вклад.

Островки, которые благоприятно ориентированы, имеют боль­шую скорость роста и, следовательно, более крупные размеры. Даже при одинаковой скорости роста более крупными будут те островки, ко­торые возникли в более ранний период осаждения. При соприкосно­вении двух островков сферической формы с некоторым ра­диусом кривизны между ними образу­ется шейка. Радиус кривизны шейки изменяется со временем вследствие массопереноса вещества от сфер к шейке. Движу­щая сила массопереноса обратно пропорцио­нальна радиусу шейки и осуществляется по механизму объемной или преимуще­ственно поверхностной диффузии.

Возможны такие случаи, когда образование сплошной плен­ки происходит без заметной коалесценции. Это относится, прежде всего, к случаям роста ограненных частиц для веще­ства с высокой упруго­стью насыщенного пара. Схема срастания частиц без коалесценции приведена на рис. 6.16, б. Две кри­сталлические частицы срастаются ме­ханически без изменения огранки, взаимного расположения и ориен­тировки. Если две частицы имеют разные ориентировки, то объе­диненная части­ца представляет собой сросток, разделенный пло­ской границей (А - А на рис. 6.16,б). Для роста без коалесценции харак­тер­но то, что процесс образования зародышей прекращается на самой ранней стадии. В последующем новые зародыши не образу­ются, а происходит лишь разрастание старых.