Geum.ru
   Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 2 11;12 Процессы в открытых системах на поверхностях кристаллов с низкими индексами Миллера й В.А. Войтенко Cанкт-Петербургский технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 31 марта 2000 г.) Собраны и проанализированы экспозиционные характеристики, полученные при выращивании различных пленок на естественных, с низкими индексами Миллера поверхностях некоторых кристаллов. Построена эволюционная терия, объясняющая их характерный вид. Показано, что наблюдаемая форма дозовых характеристик говорит о реконструкции, неравновесном структурном фазовом переходе, происходящем на поверхности. Проведен количественный анализ существующих экспериментов. В частности, получена количественная оценка того, в какой степени покрытие свинцом замедляет окисление никелевой поверхности.

При интенсивном световом или при электронном облучении кремния преимущественными центрами образования точечных и протяженных радиационных дефектов, а также локальных областей плавления являются дивакансии. Для некоторых двумерных систем (дивакансий, атомов серы на поверхностях пассивированных полупроводников, оксидных пленок) определены времена задержки и времена эволюции возникающей самоорганизованной структуры.

Введение магнитный момент железной пленки оказывается равным нулю, а сверхрешетка разрушается. С другой стоВ открытой ростовой системе на поверхностях кри- роны, при понижении температуры напыления уменьсталлов для процессов зародышеобразования пленок шение диффузии вдоль поверхности соприкосновения характерно возникновение периодических флуктуаций приводит к тому, что выращенная пленка, например концентрации адатомов. Возможны различные способы фотокатод, оказывается очень груба и высокодефектна.

развития двумерных зародышей новой фазы, по меха- Сберечь магнитную структуру пленок или кристаллическую отдельных слоев фотокатода, не ухудшив при этом низму ФольмераЦВебера и СтранскогоЦКрастанова, но определяющим является именно возникновение крупно- резкости, плоскостности границ, позволяет применение масштабных периодических флуктуаций [1]. буферных покрытий.

Сохранение стабильного роста энергетически невыВ недавних работах [2,3] производилось нанесение магнитной пленки с помощью экранируемого, охла- годной свободной поверхности железа при газоэпитакждаемого жидким азотом распылителя на подвергну- сиальном наращивании пленок его гранецентрированной тые сульфидной пассивации поверхности полупровод- кубической модификации на сульфидированную поверхников Ge и GaAs. Аналогичное распыление кислоро- ность (100) полупроводников связывается в [2,3] с взада на поверхность чистого и покрытого свинцом ни- имодействием атомов серы и растущего слоя. Уменьшекеля проделано в [4]. Пассивация поверхности се- ние энтропии роста достигается, по-видимому, за счет ребра хлором при распылении в сверхвысоком ваку- всплывания слоя серы на свободную поверхность. Конуме изучалась в [5]. Развиваются автоматизирован- троль процессов на поверхности осуществляется методами оже-электронной спектроскопии [2Ц4] и дифракции ные методы контроля ростовой поверхности. Один из них связан с определением временной зависимости яр- медленных электронов [2,3]. Несмотря на перспективы кости электронных дифракционных картин [6], кото- практических применений и большое число теоретичерая исследуется в настоящей работе. Эти исследова- ских моделей [9,10], на данный момент по-прежнему нет ния подтвердили известный из биологии [7] и эконо- ясности с эволюционными процессами, которые происхомики [8] результат, согласно которому свойства от- дят при адгезии пленок низкоиндексными поверхностями крытых систем более тесно, чем в равновесном слу- (поверхностями с малыми индексами Миллера).

чае, связаны с характером их микроскопических вза- На микроскопическом уровне залог формирования имодействий. Тем не менее обычно удается выявить идеальной пленки на полупроводниковой поверхности, общие эмпирические закономерности, объяснению ко- по-видимому, состоит в отсутствии электронной орбитаторых для случая пленок посвящена данная работа. ли у наносимых атомов, дающей энергетический уровень В частности, обсуждается роль температуры распыле- в запрещенной зоне основного кристалла. При этом не ния пленок. С одной стороны, с ростом температуры происходит переноса заряда на связывающие орбитали, распыления (магнитной пленки, или при пассивации, поэтому атомы покрытий могут свободно перемещаться окислении) происходит значительная взаимная диффу- вдоль поверхности или границы. При таком перемещезия основных контактирующих компонент. При этом нии и возникают те самые крупномасштабные флуктуа106 В.А. Войтенко ции концентрации, на базе которых формируются класте- в соответствии с уравнением ры новой фазы, как и при диффузионном распаде твердых n n растворов [1]. В целом основным явлением, определя+ div(nbF - Dn) =G(n) -. (2) t ющим структуру, морфологию и резкость возникающей пленки, является диффузия более легкого атома (серы, Здесь n Ч концентрация адсорбированных атомов в кислорода) вдоль границы между более тяжелыми веще- расчете на единицу поверхности; D Ч коэффициент ствами (полупроводником и железом, никелем и свин- диффузии атомов параллельно поверхности; Ч время цом). Например, вероятность образования сульфидных жизни атомов на поверхности относительно десорбции;

связей на поверхности полупроводника при сульфиди- G(n) есть темп генерации адсорбированных атомов на ровании определяется диффузией вакансий кислорода в поверхности; F есть упругая сила [12], которая возникает окисной пленке [11]. Примененная в [4] к случаю оки- ввиду зависимости постоянной решетки от состава пленсления чистого никеля трехмерная диффузионная теория ки; b есть подвижность. В (2) G(n) и F рассматриваются роста не позволила дать какого-либо объяснения пер- как функции концентрации n. Согласно (1), для форвому плато на экспозиционной зависимости интенсив- мирования одной сульфидной связи, способствующей адности кислородного оже-пика. Экспозиционная кривая гезии железной пленкиЦпокрытия на сульфидированную окисления никеля со свинцовым покрытием в [4] вообще полупроводниковую подложку, требуется локализация никак не интерполируется; экспериментальным точкам на одном неподвижном атоме железа сражу двух атомов не сопоставляется никакой модели. Авторы работ [2,3] серы. Оксид никеля имеет переменный состав вида NiOx также не приводят никакой аппроксимации для получен- c x [0.98, 1.7] и потому [13] может рассматриваться как ной ими экспозиционной зависимости яркости картины твердый раствор двух соединений NiO и NiO2. Таким дифракции медленных электронов. Все это проделано образом, вероятность независимой локализации сразу в настоящей работе. Показано, что удовлетворитель- пары атомов кислорода вблизи одного атома никеля существенна и для образования оксидной пленки.

ное согласие теории с экспериментом можно получить, предполагая, что эволюционные процессы на поверх- Однородно протекающие химические решеточные реакции, такие как образование составных, вторичных ности начинаются со слияния пары диффундирующих радиационных дефектов [14,15], окисление или синтез адатомов. Сетка нанокластеров, возникающая в процессе молекул (1) удовлетворяют уравнению баланса напыления на поверхности, определяется количеством начальных протопар. Внешне ситуация представляется n G(n) =. (3) так, как если бы в течение всего процесса конденсации адатомов критические зародыши содержали бы всего по В двумерном случае [11,15Ц17] уравнение (3) может одной паре.

приводить к бистабильности атомного покрытия, т. е. к его стремлению находиться в одном из двух состояний Теория эволюционных процессов с разной установившейся концентрацией n. Для этого СтранскогоЦКрастанова необходимо, чтобы темп генерации G(n) первичных квазичастиц был бы нелинейной функцией концентрации n.

Адгезия пленок железа на сульфидированные (100) Ч Среди множества открытых систем часто встречаются поверхности полупроводников стабилизируется благода- объекты рассматриваемого типа. Так, переход к бистаря непрерывной сегрегации серы сквозь упорядоченный бильности решений однородного уравнения баланса (3) C(2X2) железный слой. Стабилизация процесса, как происходит в случае, например, теплопроводящих [16] явствует из сходства дозовых характеристик, происхо- или оптических [17] cистем, а также при радиационном дит и при окислении поверхности никеля (100); здесь дефектообразовании [14,15]. Такой структурный фазовый переход может быть связан с тем, что образование поперечное поверхности движение происходит внутрь.

В обоих случаях ключевым событием служит образова- химической связи на начальной и конечной стадиях реакции происходит с разной скоростью. Например, обрание молекул типа FeS2 и NiO2, например зование молекулы сульфида FeS является более высоFe + S = FeS2. (1) коактивируемым процессом, характеризуемым меньшей вероятностью G1, чем вероятность присоединения (G2) Предположим, что не только в поперечном, но и атома серы к слою, уже имеющему такие молекулы. Это в параллельном границе раздела движении принима- означает, что G2 > G1 и график функции G(n) имеет ют участие только самые легкие из адсорбированных вид, показанный на рис. 1 сплошной кривой. Хорошо атомов (сера, кислород), миграция же тяжелых атомов установлено существование нескольких стадий окисле(железа, свинца) отсутствует. При нанесении железной ния (никеля кислородом [4] или серебра хлором [5]), пленки инициируется диффузионное движение в ранее включающих 1) хемисорбцию окислителя на свободадсорбированном слое атомов серы, которое сопровож- ную поверхность, 2) полное окисление поверхности до дается всплыванием серы на свободную поверхность в образования одного или нескольких монослоев окисла, перпендикулярном направлении. Диффузия происходит 3) медленное утолщение окисной пленки.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Процессы в открытых системах на поверхностях кристаллов с низкими индексами Миллера слой концентрация атомов n максимальна у границы и сходит на нет у свободной поверхности из-за испарения.

Приближенно это кинетическое состояние описывается установлением линейного градиента n/x = const.

В качестве оси x взят перпендикуляр к плоскости поверхности. Проведя фурье-преобразование по продольной поверхности координате y, которая ориентирована параллельно F [15,18], получим для линейной добавки к стационарной концентрации n = A(t) exp{i(ky - t)} f (x), (4) Рис. 1. Cхематические зависимости приходного G(n) (сплошная кривая) и уходного n/ (пунктир) членов кинетического где k и Ч волновой вектор и частота волнообразного уравнения (2) от концентрации частиц n. На горизонтальной возмущения.

оси отмечены устойчивые n1 и nh и неустойчивое nc решения В этом же приближении представим функции G(n) и стационарного однородного уравнения (3); на вертикальной F(n) в виде разложений по малой добавке n оси Ч предельные значения G1 и G2 для функции G(n).

F(n) =Cn, G(n) = + n. (5) Несколько стадий реакции приводят к немонотонной Здесь C Ч коэффициент линейного разложения, опредеее скорости как функции n, что соответствует нелинейляемого упругой силой [12], возникающей под действием ной зависимости G(n). Как указывалось выше, уравнение облучающего пучка частиц, частота равна (3) может в случае указанной нелинейности G(n) иметь три решения. Среди отмеченных на рис. 1 решений, G = -. (6) отвечающих разреженному n1, промежуточному nc и n плотному nh, состоянию системы адсорбированных атоПодставляя (4)Ц(6) в (2), получим, как подробнее мов или иных квазичастиц двум устойчивым ее состоописано в [15], что вдоль поверхности устанавливаетяниям отвечают крайние решения. В промежуточной ся продольная волна; пи постоянстве градиента n/x области концентраций n1 < n < nh уравнение баланса она характеризуется частотой = knCb и затухани(3) приводит к бистабильности однородного состояния ем = k2D -. Поэтому достаточным условием системы. Возникающая вследствие этого неустойчивость устойчивости решений (2) в смысле Ляпунова является решений диффузионно-кинетического уравнения (2) мозначительный сток частиц жет быть рассмотрена по аналогии с известными из гидродинамики бифуркациями [18].

1 G. (7) Существуют два известных из гидродинамики и раз n личающихся симметрией режима потери устойчивости решений дифференциальных уравнений [18]. Из экспери- Условие (7) выполняется в области крайних корней nментальные проявления весьма разнообразны и состоят и nh, вблизи которых поэтому химическая решеточная для поверхностей в том, что на них образуются геоме- реакция идет устойчиво и однородно. Если же сток трические узоры различных форм. Они наблюдаются на частиц недостаточен, так что >0, то возможно отриметаллических электродах при электрополировании [19], цательное затухание = k2D - <0. Это имеет место в виде областей плавления на освещенном кремнии [20].

в центральной части рис. 1, где в некоторой области Режим изотропной турбулентности куэттовского тече- корня (3) прямая n/ имеет меньший, чем у кривой ния (например, в пространстве между коаксиальными G(n), горизонтальный наклон. При нарушении критерия цилиндрами) соответствует в (2) случаю равной нулю устойчивости (7) происходит рост амплитуды A(t) в упругой силы F = 0. Он приводит к преобразованию соответствии с ляпуновской экспонентой [22] вследствие замкнутых изолиний. Другой режим, допускающий ли- отрицательного затухания. Вместе с тем этот рост нейный анализ устойчивости по критерию Ляпунова (см., ограничивается нелинейной природой уравнения (2).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам