книги из ГПНТБ / Трусов Л.И. Островковые металлические пленки

рость роста островка должна быть іраівна нулю.

Не решая уравнения диффузии, авторы [211] дела­ ют некоторые качественные заключения об особеннос-

Рис. 36. Зависимость концент­ рации адатомов cf (г) и скоро­

сти изменения размера остров­ ка dr/dx (б) от радиуса заря­ женного (------ ) и незаряжен­ ного {-------- ) островка (по данным работы [211])

тях -асимптотического (при т ->• °о) [поведения функции распределения островков по размерам. Эта функция должна иметь форму кривой с двумя максимумами, первый из которых расположен в области г таг \. Его размытость определяется распределением островков по степени заряженности. Важно подчеркнуть, что по мере приближения размера островка к величине ги послед­ ний перестает принимать участие в процессе и перенос атомов должен осуществляться между меньшим чис­ лом более удаленных друг от друга островков.

Второй максимум описывает распределение по раз­

151

мерам тех островков, радиус которых достаточно велик для тото, чтобы можно было пренебречь влиянием ло­ кализованных на них зарядов. Градиенты химического потенциала при этом однозначно определяются геомет­ рией островков. Однако1, как указывают Гегузин и '">■ авторы, обсуждаемый участок кривой может не совпа­

~Гі), соответствующими первому максимуму.

Для экспериментальной проверки изложенных пред­ ставлений исследовали процесс коалесценции в плен­

ках золота на поверхности (100) монокристалла NaCI

[211].

Анализ показал, что масса, перенесенная при кэалесценции крупных частиц, в 104 раз превосходит мас­ су, перенесенную при коалесценции мелких частиц. Это подтверждает предположение о том, что кинетика пере­ распределения атомов в последнем случае сильно тор­ мозится зарядами.

9. Специальные исследования миграции островков

Вопрос о миграции островков как целого при кон­ денсации и после ее завершения играет большую роль в понимании процессов формирования структуры пле­ нок, эпитаксиального роста и др. Миграция островков должна определять в большей или меньшей степени такие характеристики пленки, как плотность островков, эпитаксиальную ориентацию, вид и количество дефектов.

'Наиболее полно и тщательно исследование миграции островков в металлических пленках провели Метуа, Керн и другие [362—365]. Они изучили взаимосвязь за­ рождения и эпитаксиальной ориентации, качественные и ікол'ичеетвенные характеристики миграции кристалли­ тов-островков, зависимость миграции от эптаксиальной ориентации, молекулярный механизм миграции.

Исследование осуществлялось на островковых плен­ ках алюминия и золота, полученных испарением метал­ ла на вакуумный скол монокристалла КС1. В процессе раскалывания КС!, нанесения пленки и последующего отжига вакуум был не хуже 7 -ІО“9 мм рт. ст. Исследо-

152

ванне миграции островков -проводилось следующим об­ разом. Затенением части поверхности подложки создава­ лась резкая граница между пленкой и плоским полу­ пространством подложки, свободной от пленки. Изуче­ ние изменения плотности островков в области границы пленки -в результате отжига различной интенсивности давало возможность получить количественные характе­ ристики миграции. Для сохранения 'исходного распре­ деления плотности островков часть металлической плен­ ки после нанесения фиксировалась сплошной углерод­ ной пленкой. После отжига вся пленка металла покры­ валась углеродной пленкой, которая служила экстрак­ ционной репликой. Под электронным .микроскопом ис­ следовали распределение плотности островков и их кристаллографическую ориентацию. Часть поверхности подложки затеняли двумя способами— плотно прилега­ ющим лезвием и конденсацией под острым углом к по­ верхности іподложки, имеющей высокие ступеньки ско-

О

ла, при этом ширина полутени не превышала 30 А. Ост­ ровки мигрировали в затененную ступенькой область подложки, первоначально свободную от металла. Сред­ няя плотность островков ~ 1 0 11 на 1 см2.

Распределение плотности островков по размерам

О

имеет максимум при диаметре островков 35 А. Кривая зависимости плотности островков от расстояния в на­ правлении, перпендикулярном границе с затененной об­ ластью, представляет характерный профиль, наклон ко­ торого зависит от протяженности полутени, когда «ми­ грация практически отсутствует (в исходном состоянии непосредственно после конденсации), и от интенсивности миграции островков в свободное полупространство под­ ложки, происходящей при отжиге.

Ширина переходной зоны изменяется при отжиге от максимальной плотности до нуля и легко фиксируется по профилям плотности. Так, в результате отжига при 180°С в течение 120 сек пленки алюминия, осажденной при комнатной температуре, ширина переходной зоны изменяется следующим образом: для островков разме­

ром 12—16 А от 1000 до 2500 А, для более крупных

островков (24—28 А) от 200 до 1100 А. Важно отметить, что кривая распределения плотности островков по раз­

153

мерам остается неизменной (так называемый консерва­ тивный отжиг). По наклону кривых профиля плотности в точке перегиба определяли коэффициент диффузии островков и среднеквадратичное перемещение, которое

ятся на поверхности (100) КСІ. При этом они азимутально разориентированы в своей плоскости контакта (111). В пленках золота очень часто наблюдается двойникование, которое (Практически отсутствует в .пленках алюми­ ния. Мазо, Керн и другие [365] делают важный вывод,

А1И [И 10] КС1], полученной другими исследователями, они объясняют тем, что при достаточно высокой темпе­ ратуре подложки происходит взаимное наложение этапа зародышеобразования и этапа эпитаксии и электронный микроскоп фиксирует результат наложения обоих эта­ пов.

Умеренный отжиг пленок алюминия (1О0—190°С в течение нескольких сот секунд) является консерватив­ ным, т. е. он не изменяет распределения плотности ост­ ровков по размерам. Однако картина дифракции суще­

ны. Появление эпитаксиальной ориентации объясняется тем, что островки попадают в соответствующий данной ориентации потенциальный (минимум за счет вращатель­ ного и поступательного скольжений в плоскости подлож­ ки. После того как островки смещаются в эпитаксиаль­ ное положение, их подвижность становится ограничен­ ной. Об этом свидетельствует существенное уменьшение коэффициента диффузии островков, определяемого по размытию профиля плотности, через определенный пе­ риод отжига, причем чем выше температура отжига

154

(если отжиг консервативный), тем меньше время интен­ сивной миграции, т. е. время вхождения в эпитаксиаль­ ное положение.

Отжиг плевки алюминия три температуре выше 2О0°С является неконоѳрвативным, т. е. распределение плотно­ сти островков по размерам после отжига не совпадает с распределением до отжига. Помимо основного пика,

О

соответствующего размеру островков ів 35 А, образуется второй размытый максимум, относящийся к более круп­ ным размерам островков. Микродифракция существенно изменяется по сравнению с микродифракцией исходного состояния. Наряду с сохранившимися азимутально разориентированными кристаллитами с ориентацией (111) Al II (100) КС1 появляется значительное количество островко'вув эпитаксиальном положении (100) А11| (100)

КО и [011] Al II [011] КО, т. е. находящихся в парал­ лельной ориентации.

Электронно,микроскопическое исследование в темном поле, проведенное на пятнах дифракционного кольца (200), позволило отличить параллельно ориентирован­ ные кристаллиты от островков с ориентацией (111) А1Ц (1О0) KCl. Оказалось, что более крупные кристал­ литы, относящиеся к новому размытому максимуму рас­ пределения, находятся именно в эпитаксиальной, парал­ лельной ориентации. Следовательно, переориентация происходит за счет укрупнения островков вследствие пе­ рераспределения массы. Для определения способа массопереноеа Метуа и другие провели ряд остроумных экс­ периментов. Они исследовали возможность перераспре­ деления массы посредством ігетѳродиффузии одиночных атомов через двумерный пар и вследствие миграции — скольжения целых островков. Кроме того, была изучена возможность мгновенной переориентации островков за счет рекристаллизации без перераспределения массы.

Островковая пленка алюминия, осажденная на под­ ложку при комнатной температуре непосредственно пос­ ле конденсации, была замурована углеродным покрыти­ ем и после этого отожжена при 350°С в течение 300 сек, т. е. в условиях, когда свободная пленка переходит в параллельную эпитаксиальную ориентацию. Однако ни­ каких изменений в результате отжига как кривой рас­ пределения плотности островков по размерам, так и ди­ фракционной картины не наблюдалось. Следовательно,

155

механизм соударения мобильного островка с ориента­ цией (111) со стационарным островком, ориентирован­ ным параллельно. В результате их коалесценции получается более крупный островок, находящийся так­ же в параллельной ориентации.

Описанные выше эксперименты свидетельствуют о том, что миграция целых островков является важным звеном в формировании структуры пленки.

Количественный анализ кривых плотности островков в переходной зоне на границе с затененной областью показывает, что точки перегиба профилей плотности со­ храняют свое исходное положение при консервативном отжиге независимо от размеров кристаллитов. Форма профилей плотности соответствует теоретической кривой, описывающей диффузию в свободное полупространство. На основании этих фактов Мазо и другие [365] делают вывод, что миграция островков является термически активируемым броуновским движением.

Коэффициент диффузии, рассчитанный по профилям плотности, экспоненциально зависит от температуры.

О

Для островков золота размером 20—30 А величина энер­ гии активации диффузии лежит в пределах 10—30 ккал. Энергия активации и предэкопоненциальный коэффици­ ент существенно возрастают с увеличением размера ост­ ровков.

Мазо и другие [362] рассмотрели механизм мигра­ ции островков по идеальной кристаллической поверхно­ сти. Они сравнили два способа перемещения островков.

1. Диффузия отдельных атомов металла по поверх­ ности островка, т. е. перемещение одной части островка относительно другой. При этом атомы, прилегающие к поверхности раздела, остаются относительно нее непод­ вижными.

2. Скольжение островка по поверхности раздела. В этом случае сохраняется жесткость островка и пере­ мещение осуществляется за счет скольжения прилегаю­ щего к поверхности раздела монослоя металлических атомов относительно подложки.

В первом случае энергия активации миграции не должна зависеть от размера островка, поскольку его перемещение определяется диффузией отдельных ато­ мов, Однако экспериментально такая зависимость на­

157

блюдается. Кроме того, рассчитанные, согласно этой модели, величины коэффициента диффузии островков на несколько порядков ниже наблюдаемых эксперименталь­ но (для золота при 4О0°С Ö « ІО-12 см2 сект1). Следова­ тельно, при данных условиях миграция осуществляется скольжением островков по поверхности раздела.

Атомы, контактирующих при соединении двух кри­ сталлов разнородных монослоев, принадлежащих ост­ ровку и подложке, согласно Мазо и другим [Э62], релаксируют таким образом, что на поверхности раздела образуются области хорошего соответствия —плоские когерентные островки. Их распределение носит перио­ дический характер. .Напротив, окружающие области структурно разупорядочѳны, как в жидкости. Скольже­ ние кристаллита вызывает разрушение когерентных свя­ зей в области хорошего соответствия — плавление коге­ рентных островков. После скольжения когерентные островки снова становятся идентичными самим себе. Исчезновение когерентных островков рассматривается как переход I рода, свободная энергия которого является частью энергии активации миграции островка. Ее вели­ чина пропорциональна площади контактной поверхно­ сти. Другую часть энергии активации представляет энергия скольжения по вязкому разупорядочеяному слою, окружающему когерентные островки. Данная мо­ дель миграции подтверждается экспериментально полу­ ченной прямолинейной зависимостью log/) — г2 и други­ ми закономерностями. Работы Керна и других [362— ЗѲ5] являются веским доказательством существования миграции многоатомных островков.

'Следует заметить, что вывод Керна и других авторов о независимости этана гетерогенного зарождения и эта­ па эпитаксии нельзя считать универсальным. Действи­ тельно, при конденсации на нагретую подложку (выше 150°С для А1), когда пленка находится в параллельной эпитаксиальной ориентации, по-видимому, могут обра­ зовываться зародыши, которые расположены эпитакси­ ально с самого начала. Кроме того, образование малоатомных групп, с которых всегда начинается рост, долж­ но с наибольшей вероятностью происходить в энергети­ чески выгодном, т. е. ориентированном определенным образом относительно подложки, положении. Это не ис­ ключает того, что при последующем росте островок мо*

158

Рис. 37. Расположение атомного ряда на поверхности подложки

работы [185], из-за насыщения валентных связей этого атома валентными связями других атомов островка, в ре­ зультате чего энергия сорбции определяется не ковалент­

на границе раздела при гетерозпитаікеии. На примере линейной цепочки, расположенной на поверхности с пе­ риодическим потенциальным рельефом, он показал, что средняя энергия связи атома с поверхностью Д’и (рис. 37) меньше энергии адсорбции одиночного атома.

связи между ними Е2 для типичных пар металл—под­ ложка значительно выше Еадс. Следовательно, равно­ весное расстояние с между атомами двойника, опре­ деляемое энергией Е2, может быть не равно расстоянию между минимумами периодического рельефа и поэтому атомы не лежат на дне соседних потенциальных ям. При этом простейший жристаллогеометрический подход показывает [214]. что энергия активации для мигра­ ции двойника может быть даже меньше ЕДИф отдельно­

160