книги из ГПНТБ / Кристаллизация тугоплавких металлов из газовой фазы

сыщения и в каждом конкретном случае дающие возможность, удовлетворительно объяснить экспериментально наблюдаемые факты.

Так, в работах [58, 211, 244, 367], рассматривая реакции диссоциации:

А В ( Г) А ( ТВ) - f - В ( г ) ,

авторы определяют пересыщение системы при образовании за­ родышей как отношение эффективного давления компонента А, образующего зародыши, к равновесному давлению пара кон­ денсата при данной температуре, причем эффективное давле­ ние Ра равно

Этим устанавливается связь между пересыщением и свобод­ ными энергиями реакций в системе.

Авторы работы [219], изучавшие процесс кристаллизации вольфрама на монокристаллах Мо и W при водородном вос­ становлении WFö, отождествляют пересыщение химической си­ стемы по отношению к образованию зародышей с изменением изобарно-изотермического потенциала реакции восстановления:

AZ = - P T l n K paBH.

В работе [118] для оценки пересыщения в реакции диспро­ порционирования дииодида германия рассчитывают отношение давления «гипотетического пара» германия (вычисляемого в предположении, что весь Geb идет на образование Ge в газо­ вой фазе) к равновесному давлению пара при данной темпера­ туре.

Более подробный расчет пересыщений в процессах кри­ сталлизации из газовой фазы проведен в работе [117]. При кристаллизации германия по реакции риспропорционирования Geb мерой отклонения процесса от равновесия является изме­ нение изобарно-изотермического потенциала:

220

в качестве меры отклонения процесса кристаллизации от равно­ весия предлагается использовать количество молей кристалли­ зующегося вещества Апв.

Апв =

где ДО —О Л'равнДля конкретного случая реакции в потоке авторы предла­

гают в качестве оценки пересыщения использовать величину

где W — объемная скорость потока; V — объем зоны реактора; F — площадь подложки. Отличительной особенностью приве­ денного выражения для пересыщения является то, что авторы пытаются учесть не только термодинамические, но и другие, в частности гидродинамические, факторы, характеризующие процесс.

Большинство приведенных выше определений пересыщения справедливо в том случае, если процесс кристаллизации из га­ зовой фазы определяется химической реакцией. При этом зави­ симость скорости процесса осаждения от температуры опреде­ ляется температурной зависимостью (обычно экспоненциаль­ ной) константы равновесия реакции. Такой же характер имеет и температурная зависимость равновесного давления пара кон­ денсата, поэтому для различных систем пересыщение может как уменьшаться, так и увеличиваться с ростом температуры, как в случае термического разложения иодида хрома [58, 211].

Следует упомянуть еще о гипотезе роста кристаллов из мо­ лекулярных комплексов [59]. Можно считать достаточно обос­ нованным предположение о том, что кристаллизационная среда состоит из беспорядочно ориентированных молекулярных ком­ плексов.

Аналогичные взгляды на процесс кристаллизации высказы­ вались еще Федоровым [203]. В этом случае понятие пересы­ щения представляется еще более сложным. Хотя гипотеза о росте кристаллов в среде, подобной коллоидным растворам, и представляется весьма привлекательной, однако необходима тщательная проверка ее исходных положений.

Как отмечалось выше, применение большинства предложен­ ных определений пересыщения к многокомпонентным системам, используемым в процессах кристаллизации из газовой фазы, справедливо лишь в области, лимитируемой химической реак­ цией. В гл. 2 и 4 было показано, что в большинстве практически важных случаев процесс проводится в условиях, лимитируемых

221

диффузией газообразных компонентов к (от) поверхности осаждения. В этом случае эффективное давление кристалли­ зующегося компонента уже не будет определяться константой равновесия химической реакции, а будет существенно зависеть от гидродинамических, диффузионных и других параметров.

Целесообразно, вероятно, определить эффективное давление конденсата РА через скорость осаждения WА (скорость, пере­ считанную на число атомов, присоединяющихся к твердой фазе в единицу времени):

РА = aWA.

Тогда пересыщение характеризуется отношением

ойЕа

где'Я,- — равновесное давление пара конденсата при температу­ ре подложки. Используя результаты, изложенные в гл. 2 и 4,

сти) скорость роста слабо увеличивается с увеличением темпе­ ратуры подложки и даже начинает уменьшаться при некото­ рой температуре (в связи с гомогенной конденсацией), в то время как равновесное давление пара конденсата увеличивается с температурой экспоненциально. Следовательно, в этой обла­ сти пересыщение уменьшается с ростом температуры. При отно­

1.Если Д Я < £, то пересыщение растет с уменьшением тем­ пературы.

2.Если ДН>Е, то пересыщение уменьшается с понижением

температуры, причем тем быстрее, чем больше АЯ.

Для большинства тугоплавких металлов, получаемых при кристаллизации из газовой фазы по реакциям водородного вос­ становления галогенидов и термического разложения галогени­ дов и карбонилов, Д Я < £, поэтому пересыщение монотонно убывает с ростом температуры. Определяя таким образом пе­ ресыщение и предполагая существование критических значе­ ний перехода (например, £Крит[іоо] -щпо]), можно было бы интерпретировать текстурные данные в терминах пересыщений. К сожалению, многие авторы приводят неполные данные, чтозатрудняет проведение такого сопоставления.

222

До сих пор мы рассматривали процессы текстурообразования на подложке, не оказывающей влияния на ход этих про­ цессов. На практике гораздо чаще встречаются случаи, когда на поверхности подложки имеется большее число всевозмож­ ных дефектов, инициирующих процессы образования зароды­ шей, так что рост слоя может происходить и без образования двумерных зародышей.

Влитературе имеется достаточно много доказательств того, что зарождение и рост кристаллов (в том числе и при химиче­ ской кристаллизации из газовой фазы) происходит не сплош­ ным слоем, а селективно.

Вработе [219], посвященной электронномикроскопическому

исследованию форм роста слоя вольфрама при выделении его в результате водородного восстановления гексафторида воль­ фрама, показано, что покрытие толщиной ІО2—ІО4 атомных слоев оказывается далеко не сплошным, хотя величина крити­

сплошного покрытия даже на более ранней стадии осаждения. Если считать, что образование зародыша равновероятно в любой точке поверхности, то рост зародыша и сплошного слоя определяются величиной возможного диффузионного пути вы­ делившегося атома. Расчеты, приведенные в работе [220], по­ казали, что радиус «питания» зародыша при низкой темпера­ туре для плоскости (1 1 0 ) составляет лишь несколько межатом­ ных расстояний, что должно было бы обусловить быстрое слия­ ние зародышей в сплошную пленку. На самом деле образова­ ние сплошного слоя на ранних стадиях процесса кристаллиза­

ции экспериментально не наблюдается.

Однако даже при высокой температуре ( ~ 1000° С), когда возможен рост зародышей за счет диффузионного процесса, расстояние между ними значительно превосходит длину воз­ можного миграционного пути. Поэтому авторы работы [220] рассматривают возможность локализации выделения атомов вольфрама на поверхности подложки. Расчет времени оседлой жизни адсорбированных молекул водорода и гексафторида вольфрама на монокристалле вольфрама показал, что только водород, имеющий большую теплоту адсорбции, длительное время удерживается поверхностью, в то время как молекулы \ѴТб испытывают лишь соударения.

Таким образом, необходимо предположить, что на поверхно­ сти существуют особые места кристаллической решетки — ак­ тивные центры [219]. Реакция водородного восстановления при высокой температуре идет в тех местах, где адсорбирован во­ дород, т. е. на активных центрах. Чем более высокой актив­ ностью обладает центр, тем выше на нем теплота адсорбции. При низкой температуре вероятность реакции на малоактив-

223

пых центрах уменьшается, что должно привести к уменьшению количества зародышей. Этот факт наблюдался эксперимен­ тально [221].

Благодаря разработке и усовершенствованию методов физи­ ческого и химического декорирования в последнее время появи­ лось большое число работ, посвященных выявлению активных центров на различных поверхностях и выяснению природы их активности [63—67, 221].

Одни исследователи причиной активности таких центров считают неоднородность электрического поля вблизи дефектов

Изучение процессов кристаллизации из газовой фазы с по­ мощью методов декорирования, несомненно, . является весьма перспективным, так как позволяет глубже понять физику про­ цессов химической кристаллизации, и в частности закономерно­ сти текстурообразования.

С помощью метода вакуумного декорирования золотом Бас­ сету [235] удалось впервые сделать видимыми микроступени на поверхности скола монокристалла NaCl. Впоследствии такая методика использовалась многими авторами для выявления гео­ метрических микронеоднородностей на различных поверхностях. Пэшли [176] показал, что образование и рост кристаллов про­ исходит не только за счет осаждения из паровой фазы, но в значительной мере в результате процесса коалесценции на подложке.

В дальнейшем, в основном работами Дистлера с сотрудни­ ками [63—67], были разработаны методы вакуумного и хими­ ческого декорирования, которые позволяют выявлять активные центры и их влияние на процессы текстурообразования.

Существование локальных активных центров, ответственных за селективное образование зародышей, было доказано с по­ мощью метода декорирования серебром сколов кристаллов триглицинсульфата. Авторы работы [67] пришли к заключе­ нию, что активными центрами являются скопления точечных дефектов. Декорирование сернистым свинцом монокристаллов кремния, у которых плотность дислокаций составляла ІО2 см-2 [66], позволило установить, что плотность кристаллов на их поверхности составляет ІО10—10й см~2. Это свидетельствует о том, что места выхода дислокаций не являются определяющи­ ми для процессов кристаллообразования (исключая, возможно, ■случай спирального роста кристаллов). Вследствие этого объяс­ нение с точки зрения дислокационной теории процессов обра­ зования кристаллов в любых случаях авторы считают не сов­ сем оправданным.

Декорирование поверхностей через промежуточные слои толщиной до 2000 А [63] показывает высокую активность

•224

Локальных центров и подтверждает предположение, что гіменнб скопления точечных дефектов являются наиболее реакционноспособными местами поверхности.

В работе [66] разработан метод, позволивший выявить электрическую природу активных центров. Метод основан на различной степени кристаллизации хлористого серебра на уча­ стках поверхности разного знака. Оказалось, что на положи­ тельно заряженных участках поверхности кристаллики AgCl укрупняются, но не сливаются в сплошную монокристалличе­ скую пленку, в то время как на отрицательно заряженных уча­ стках в результате коалесценции кристалликов образуется мо­ нокристаллическая пленка. С помощью таких исследований электрические неоднородности поверхности могут быть выяв­ лены благодаря различной кристаллизации, и проведенное по этой методике декорирование кристаллов триглицинсульфата дало авторам [63, 65, 66] основание утверждать, что именно электрические, а не геометрические неоднородности поверхно­ сти определяют селективность образования зародышей центров кристаллизации.

В работе [63] изучено влияние дифракционно-аморфных промежуточных слоев толщиной 150 Â на процессы образова­ ния зародышей при вакуумной конденсации PbS на скол моно­

сталлы образуются с ориентацией (100) PbS|| (100) NaCl, при­ чем ориентация одинакова как на гладкой поверхности, так и на ступенях. Наличие четко выраженной ориентации на внеш­ ней поверхности промежуточной пленки, исключающей возмож­ ность ориентирующего влияния микронеоднородностей поверх­ ности подложки, свидетельствует о существовании локальных активных центров, способствующих образованию зародышей. Наличие кристаллов разной величины указывает на существо­ вание энергетического спектра активных центров.

Основываясь на этих результатах, авторы [63, 66] высказы­ вают следующую гипотезу о влиянии примесей на ориентиро­ ванную кристаллизацию. При декорировании поверхности ско­ ла NaCl золотом (7’ = 270°С) кристаллы золота образуются в виде локальных участков с ориентацией [100] либо [ПО]. При конденсации золота на поверхности через промежуточную ди­ фракционно-аморфную угольную пленку кристаллы золота об­ разуются с беспорядочной ориентацией по всей поверхности, причем увеличение толщины пленки ведет к увеличению разориентации кристаллов золота.

Авторы предполагают, что на поверхности NaCl имеются два типа активных центров, различающихся по электрической структуре, симметрии, радиусу действия, обусловливающих об­ разование зародышей с ориентациями [100] и [ПО]. На неко­ торых расстояниях энергия активации одного типа центров ста-

йовйтся меньше, чем другого типа, способствуя образованйю четких ориентаций.

Вызывает сомнение предположение авторов о существовании двух типов активных центров, ответственных за реализацию определенной ориентации. Более правдоподобным представ­ ляется существование на поверхности спектра активных цент­ ров, характеризующихся функцией распределения по энергиям. Если предполагать (см. выше), что текстура образуется вслед­ ствие возникновения и преимущественного последующего роста двумерных зародышей тех граней ('Ло&о/о), работа образования которых минимальна, то, если энергия активных центров боль­ ше, чем работа образования зародышей с ориентацией (h0k0lc), ко меньше, чем с любой другой (hikiU), будет реализована четкая преимущественная ориентация. В противном случае возможно одновременное образование нескольких ориентаций.

Существование локальных активных центров позволяет объ­ яснить роль примесей в процессах ориентированной кристалли­ зации [63, 66].

В конкретных условиях кристаллизации примеси могут бло­ кировать часть активных центров, приводя к образованию монокристаллических слоев с высокой степенью ориентации.

Использование приведенных выше представлений позволило авторам работы [220] предложить следующую модель меха­ низма кристаллизации вольфрама при водородном восстанов­ лении его гексафторида. Предполагается, что энергия актива­ ции реакции восстановления зависит от теплоты адсорбции во­ дорода, т. е. от активности локального центра адсорбции. Чем более высокой является активность центра, тем выше теплота адсорбции. Поэтому на малоактивных центрах вероятность ре­ акции меньше, чем на высокоактивных, в результате чего здесь может происходить неполное восстановление гексафторида с образованием ненасыщенных фрагментов. Это должно привести к локализации выделяющихся атомов вольфрама на поверхно­ сти и резкому снижению вероятности зарождения кристаллов вольфрама. Предполагается далее, что после акта восстановле­ ния вольфрама кристаллическая активность центра восстанав­ ливается, что ведет к усилению локализации образования заро­ дышей.

Изложенные выше представления весьма привлекательно применять к процессам химической кристаллизации из газовой фазы, но, несомненно, это требует всесторонней эксперимен­ тальной проверки.

При объяснении текстур роста авторы работы [90] исходят из факта анизотропии скоростей роста различных граней кри­ сталлов [11]. Текстура при этом является следствием процессов геометрического отбора, благодаря чему возможность дальней­ шего роста получают лишь те кристаллы, у которых направле­ ние максимальной скорости роста совпадает с нормалью к

226

фронту кристаллизации, т, е. с направлением транспорта кри­ сталлизационного материала. Изменение условий осаждения приводит к изменению соотношения скоростей роста различных граней кристалла и, следовательно, к изменению направления осей преимущественной ориентации.

Предложенный механизм позволяет понять, почему в слоях, полученных химической кристаллизацией из газовой фазы, воз­ никает аксиальная текстура, а также объяснить зависимость ее от некоторых параметров процесса [90].

В работе [247] изложены представления о том, что на формирование текстуры решающее влияние должны оказы­ вать внутренние напряжения, возникающие в металле в процес­ се осаждения. Теория напряжений позднее была развита Вай­ ли [379]. Предполагалось, что закономерности развития тексту­ ры аналогичны закономерностям развития текстур деформа­ ции [30]. Однако, как указал сам Вайли, остаточные напря­ жения в осадках, связанные с выделением водорода, совершен­ но недостаточны для возникновения текстуры деформации. Эта теория не нашла экспериментального подтверждения в других работах [269, 378]. В работах [111, 113] изучались внутренние напряжения в металлах, осажденных из газовой фазы, при этом не было обнаружено корреляции между направлением осей преимущественной ориентации и внутренними напряже­ ниями. Таким образом, можно полагать, что внутренние напря­ жения не являются определяющими при возникновении и раз­ витии текстуры в металлических слоях, полученных кристалли­ зацией из газовой фазы, и, следовательно, эта теория не может служить основой для объяснения закономерностей текстурообразования в таких материалах.

Однако наиболее обоснованной и разработанной в настоя­ щее время является теория кристаллообразования, основанная на модели двумерных зародышей.

Высокотемпературная стабильность текстур тугоплавких металлов

Для создания поверхностей с заданными эмиссионными свойствами недостаточно получить слои с преимущественной ориентацией. Необходимо, чтобы текстуры были устойчивыми

впроцессе эксплуатации катодов.

Вэтом разделе изложены данные о влиянии высокотемпера­ турной термовакуумной обработки на текстуру тугоплавких ме­ таллов, полученных кристаллизацией из газовой фазы.

Опубликованные сведения по устойчивости текстуры в туго­ плавких металлах при высокой температуре весьма неполны. В работе [320] отмечается, что в слое вольфрама, полученном водородным восстановлением WF6, текстура [100] сохраняется после отжига при температуре 2100° С в течение 2 ч, в то время

Ѵа 15* 227

торой изучена стабильность текстур в вольфраме, полученном термическим разложением карбонила и водородным восстанов­ лением гексахлорида и гексафторида вольфрама. Опыты про­ водились в области температур 1900—2300°С в течение 5—20ч при остаточном давлении газов 10-5 мм рт. ст. Текстуры в ис­ ходных образцах и образцах, прошедших термовакуумную об­ работку, были исследованы методом построения обратных по­ люсных фигур на рентгеновском дифрактометре УРС-50-ИМ. В качестве основной характеристики текстуры была выбрана плотность полюсной фигуры Р, рассчитываемая [209] по фор­ муле

Текстура [111) при такой термообработке значительно ослабе­ вает, и при этом появляется текстура [211], которая в процес­ се отжига становится отчетливее. Эти результаты относятся к

сти текстур в образцах, прошедших термовакуумную обработку при температуре 2200—2300° С, нелегко, так как интенсивно протекающие процессы диффузии материалов подложки и слоя приводят к образованию по всей толщине слоя (20—30 мкм) твердого раствора Мо—W. Установлено, что в образцах, полу­ ченных термическим разложением карбонила вольфрама, вы­

устойчивости текстур в слоях вольфрама, полученных водород­ ным восстановлением WF6 [ПО]. Эксперименты показывают, что образцы, обладавшие первоначально ярко выраженной тек­ стурой, сохраняют в достаточной степени направление осей преимущественной ориентации и степень ее совершенства во всем исследованном интервале температуры. Очень высокой стабильностью обладают образцы, имевшие степень совершен­ ства текстуры [111] -9 8 % .

Обнаруженная нестабильность текстуры [111] при отжиге в вакууме при 2100° С в течение 2 ч, вероятно, связана с недо-

228

Плотность полюсных фигур Р при различных режимах отжига образцов, полученных водородным восстановлением WFGдля двух образцов

ры. При этом, чем меньше степень совершенства текстуры [100] в исходных образцах, тем сильнее выражена текстура [211] в процессе термообработки.

Аналогичные результаты получены и при исследовании устойчивости текстур в слоях -вольфрама, полученных водород­ ным восстановлением гексахлорида вольфрама (табл. 5.24) [ПО]. Текстура [100] оказалась стабильной во всем интервале

Плотность полюсных фигур Р при различных режимах отжига образцов, полученных водородным восстановлением WCIe для двух образцов

Таким образом, при термическом разложении карбонила и водородном восстановлении хлорида и фторида вольфрама мо-