4. Адсорбция и образование скоплений атомов на инородной подложке

Образованию и росту эпитаксиальных пленок при конденсации из газовой среды или в вакууме предшествует процесс адсорбции. Адсорбированный атом имеет определенную вероятность через некоторое время (время жизни адсорбированного атома _А) повторно испариться с поверхности подложки. Среднее время жизни адсор­бированного атома на поверхности подложки _А выражается формулой (1.6).

Адсорбированный атом, пришедший в тепловое равновесие с кри­сталлической подложкой, попадает в какую-либо потенциальную яму, в которой совершает тепловые колебания, определяемые темпе­ратурой и электростатическим взаимодействием с подложкой. При повышенной температуре в результате флуктуаций энергия колеба­ний, происходящих вдоль плоскости подложки, может вырасти на­столько, что атом перескочит в соседнюю потенциальную яму, совер­шая, таким образом, миграцию по поверхности подложки.

При низких температурах подложки адсорбированные атомы задерживаются, как правило, в метастабильных состояниях, а не в глубоких потенциальных ямах, поскольку энергия колебаний ато­мов недостаточна для преодоления потенциального барьера этих со­стояний. Следовательно, процесс миграции атомов по поверхности при этом практически отсутствует. Поэтому осаждение при низких температурах подложки приводит к беспорядочному расположению адсорбированных атомов. Выращенные в таких условиях пленки со­стоят из беспорядочно ориентированных поликристаллов.

При увеличении температуры подложки энергия адсорбированных атомов возрастает, и при некоторой температуре Т₀ атомы уже не за­держиваются в метастабильных состояниях, а мигрируют по поверх­ности, задерживаясь лишь в наиболее глубоких потенциальных ямах, в которых они занимают устойчивые положения. Это приводит к упорядоченному расположению атомов на поверхности подложки.

Найдем концентрацию адсорбированных атомов с учетом времени процесса повторного испарения. Пусть в каждую единицу времени на единице площади подложки конденсируется некоторое количество m₀ атомов. Поток испаренных атомов, направленный от подложки в окружающую среду, равен где n_A(t) – поверхностная концентрация адсорбированных атомов в данный момент времени. Следовательно, изменение поверхностной концентрации адсорбированных атомов определяется уравнением

(1.8)

Решая это уравнение, находим выражение для временной зависимости поверхностной концентрации атомов:

(1.9)

Из полученного выражения следует, что после некоторого периода времени t>>_A на подложке адсорбируется такое количество атомов, что поток испаренных частиц станет равным потоку осаждаемых атомов. При таком равновесии на подложке будет наблюдаться постоянная поверхностная концентрация адсорбированных атомов, равная

(1.10)

В случае, когда время жизни _A достаточно велико (сильная связь осаждаемых атомов с подложкой) или когда скорость осаждения атомов велика и, следовательно, t мало, равновесие практически не наступает. Концентрация адсорбированных атомов будет непрерывно возрастать. Разложим в ряд экспненциальное слагаемое в уравнении (1.9) и, ограничиваясь двумя членами ряда, для этого случая получим

n_A(t)=m₀t. (1.11)

Рассмотрим далее поведение адсорбированных атомов на поверхности подложки. В процессе миграции по потенциальным минимумам адсорбированные атомы при встрече с поверхностными дефектами попадают в их потенциальные ямы и теряют свою подвижность, так как вероятность перехода в соседний минимум через высокий потенциальный барьер дефекта чрезвычайно мала.

Несмотря на то что осевший на дефекте атом неподвижен, он вза­имодействует с другими адсорбированными атомами, мигрирующими по поверхности, задерживая их в ближайших соседних минимумах. В результате вокруг дефекта образуется скопление адсорбированных атомов, ориентированное относительно подложки. Наиболее актив­ными поверхностными дефектами, вокруг которых образуются скоп­ления адсорбированных атомов, являются одноатомные ступени с из­ломами, вакансии, дислокации, а также инородные адсорбированные на поверхности атомы, имеющие малую подвижность и сильно взаимо­действующие с атомами конденсата. Следует иметь в виду, что выходы дислокаций на поверхность могут быть нейтрализованы остаточными газами, в результате чего они перестают быть активными центрами образования скоплений. Концентрация же вакансий является вели­чиной равновесной при данной температуре, поэтому взамен нейтра­лизованных вакансий образуются новые. Кроме того, вакансии имеют значительную подвижность и, следовательно, большую вероятность встречи с адсорбированным атомом. Это делает вакансии при высокой температуре наиболее активными центрами образования скоплений атомов. Однако при низкой температуре, когда концентрация вакан­сий и их подвижность незначительны, существенную роль играют од­ноатомные ступени.

Образование таких скоплений, в которых адсорбированные атомы располагаются в определенном порядке относительно атомов подложки, способствует возникновению и росту ориентированных зародышей.

Описанные скопления представляют собой двумерные совокупно­сти адсорбированных атомов, расположенных в соответствии с кристаллической решеткой подложки. При этом в зависимости от соотно­шения сил взаимодействия между адсорбированными атомами и их взаимодействия с атомами подложки размеры скоплений могут быть различными. В случае, когда взаимодействие между адсорбирован­ными атомами более слабое, чем их связь с атомами подложки, должны возникать большие скопления. В пределе возможно образование сплош­ных моноатомных слоев. В противном случае, когда взаимодействие между адсорбированными атомами более сильное, чем их связь с ато­мами подложки, образуются мелкие скопления, которые быстро пере­ходят в зародыши. Следует, однако, иметь в виду, что силы взаимодействия между атомами, находящимися в скоплении, отличаются от сил взаи­модействия между такими же атомами в массивном материале. Эта разница вызвана различием кристаллографических структур рассмат­риваемых ансамблей атомов.

Зародыши отличаются от скопления тем, что в его основе лежит кристаллическая решетка осаждаемого вещества. Следовательно, момент возникновения зародыша характеризуется появлением новой фазы осаждаемого вещества на подложке,