Wzrost powłoki- etapy powstawania cienkiej warstwy

1. Zarodkowanie na powierzchni podłoża- nukleacja

2. Wzrost zarodków (klasterów atomów)

3. Zlewanie klasterów (koalescencja)

4. Tworzenie się warstwy ciągłej połączone ze wzrostem ziaren

5. Wzrost w kierunku prostopadłym do podłoża połączony z rekrystalizacją

- wzrost wyspowy

-wzrost warstwowy

-wzrost wyspowo- warstwowy

Przebieg tych etapów zależy od wielu czynników, z których najistotniejsze są:

• szybkość nanoszenia

• temperatura podłoża

• rodzaj i struktura krystaliczna podłoża

• ciśnienie i rodzaj gazów resztkowych w układzie próżniowym

• geometria układu źródło- podłoże

Etapy wczesnego wzrostu

-duża dyfuzja powierzchniowa- szybka migracja atomów

-struktury osiągają stan równowagi na jeden z trzech sposobów:

• typu Volmer- Weber

• typu Frank van der Merve

• typu Stransky

Wzrost wyspowy typu Volmer Weber

Możliwie najmniejsze stabilne klastery zarodkują na podłożu i rosną w trzech wymiarach. Zachodzi to wówczas, gdy atomy materiału osadzanego wytwarzają silniejsze wiązania ze sobą niż z podłożem.

Cechy wzrostu wyspowego:

-podłoże ma niższą energię swobodną niż granice fazowe

-atomy materiału osadzanego wytwarzają silniejsze wiązania ze sobą niż z podłożem

-kohezja jest większa niż adhezja

-materiał niejako unika podłoża

-σ_PG < σ_ZG + σ_PZ

Wzrost warstwowy typu Frank van der Merve

Wzrost zarodka występuje w dwóch kierunkach. Atomy są bardziej związane z podłożem niż same z sobą.

Cechy wzrostu warstwowego:

-adhezja znacznie większa niż kohezja

-niska energia powierzchniowa materiału powłoki, a duża podłoża, silne wiązania podłoże- powłoka

-szybka dyfuzja powierzchniowa

- σ_PG > σ_ZG + σ_PZ

P- podłoże, G- gaz, Z- zarodek

-zarodki 2D (płaskie)

-rozrastają się poprzecznie

-brak bariery dla nukleacji

-duża liczba zarodków na powierzchni

-klastry- odpowiednia liczna atomów w jednym miejscu, atomy przyłączają się, migrują i osadzają na krawędzi klastra

Wzrost mieszany typu Stranski Krastanow

Kombinacją dwóch powyższych modeli jest wzrost mieszany (warstwowo- wyspowy). Mechanizm tego typu nie jest dostatecznie znany. Niedopasowanie stałej sieci warstwy i podłoża powoduje wzrost naprężeń w rosnącej warstwie. Wzrost wyspowy od pewnej grubości warstwy może relaksować te naprężenia.

-w pierwszej fazie materiał warstwy tworzy ciągłe monowarstwy zgodnie z mechanizmem FM (1- 5 warstw)

-na nich zaczynają zarodkować 3- wymiarowe wysepki (VW)

-wzrost ten jest najczęściej obserwowany w układach metal- metal i metal- przewodnik, np. Ag na W, Ag na Si, Ge na Si

Etapy późnego wzrostu:

-procesami wzrostu zaczynają kierować czynniki kinetyczne, a nie dyfuzja powierzchniowa

-efekty kinetyczne stają się istotne, gdy ziarna osiągają pewien rozmiar krytyczny (dyfuzja po ich powierzchni staje się bardziej ograniczona)

-zbyt wolne poruszanie się atomów uniemożliwia osiągnięcie stanu równowagi

Mechanizmy późnego wzrostu warstwy:

-mechanizm polikrystaliczny

-mechanizm kolumnowy

Mechanizm polikrystaliczny

-zwarta warstwa bez znaczącej ilości pustek, ale z wyraźnymi granicami ziaren

-podłoże- materiał amorficzny lub polikrystaliczny z dużym niedopasowaniem sieci w stosunku do materiału warstwy

Mechanizm kolumnowy

-dyfuzja powierzchniowa w zasadzie nie występuje

-atomy pozostają na miejscach, na których zostały osadzone

-bardzo chropowata struktura

-kryształy kolumnowe o d= 10- 100 nm

-dużo wolnych przestrzeni (do 50%)

-struktura ta najbardziej odbiega od stanu równowagi

W procesie nanoszenia atomy zaczynają dyfundować po powierzchni, dopóki nie nastąpi ich desorpcja lub zatrzymanie w sieci krystalicznej nanoszonej warstwy. Ostatecznie osadzane atomy osiągają swoje stabilne położenia w sieci dzięki dyfuzji objętościowej. W czasie osadzania warstwy zachodzą 4 podstawowe procesy:

-ekranowanie

-dyfuzja powierzchniowa

-dyfuzja objętościowa

-desorpcja

Ekranowanie zależy od uwarunkowań geometrycznych (szorstkość rosnącej warstwy, płaszczyzna zderzeń osadzanych atomów), natomiast dyfuzja powierzchniowa, objętościowa i desorpcja zależą energii aktywacji charakterystycznych dla dyfuzji i sublimacji (energia aktywacji z kolei zależy od temperatury topnienia osadzanego materiału).

Dominacja jednego lub kilku procesów warunkuje strukturalną morfologię warstwy.

Na rysunkach przedstawiono modele stref strukturalnych dla warstw otrzymanych metodą rozpylania magnetronowego oraz naparowywanych.

Strefa 1 występuje zarówno w warstwach amorficznych, jak i krystalicznych i wynika z efektu ekranowania.

Strefa 2 jest wynikiem wzrostu kontrolowanego dyfuzją powierzchniową. Pomiędzy strefą 1 i 2 występuje strefa przejściowa (strefa T), w której dużą rolę odgrywają oba procesy (ekranowanie i dyfuzja powierzchniowa). Dla wyższych temperatur podłoża, w strefie 3, dominuje dyfuzja objętościowa, powodując rekrystalizację i wzrost ziaren.

Dla warstw naparowywanych strefy występują przy niższych temperaturach podłoża. Jest to wynikiem niższej energii atomów docierający na powierzchnię przy naparowywaniu w porównaniu do rozpylania katodowego.

Jednoskładnikowe warstwy nanokrystaliczne