Рост Странского – Красстанова

Рост Странского-Крастанова ( рост SK , также Странского-Крастанова или « Странского-Крастанова» ) является одним из трех основных режимов, с помощью которых тонкие пленки растут эпитаксиально на поверхности или границе раздела кристаллов. Режим SK, также известный как «рост слоев плюс островок», представляет собой двухэтапный процесс: первоначально полные пленки адсорбатов толщиной до нескольких монослоев растут слой за слоем на кристаллической подложке. За пределами критической толщины слоя, которая зависит от деформации и химического потенциала осажденной пленки, рост продолжается за счет зарождения и слияния «островков» адсорбата. Этот механизм роста впервые был отмечен Иваном Странским и Любомиром Крастановом в 1938 году. Однако только в 1958 году в плодотворной работе Эрнста Бауэра, опубликованной в Zeitschrift für Kristallografie , механизмы СК, Фольмера-Вебера и Франка-ван дер Мерве были систематически классифицированы как основные процессы роста тонких пленок. С тех пор рост SK стал предметом интенсивных исследований не только для лучшего понимания сложной термодинамики и кинетики, лежащих в основе формирования тонких пленок, но и как путь к созданию новых наноструктур для применения в микроэлектронной промышленности.

Режимы роста тонких пленок

Рисунок 1 . Виды в поперечном сечении трех основных способов роста тонких пленок, включая (а) Фольмера-Вебера (VW: образование островков), (b) Франка-ван дер Мерве (FM: слой за слоем) и (c) Странски-Крастанов (Слов.: слой-плюс-остров). Каждая мода показана для нескольких различных степеней покрытия поверхности Θ.

Рост эпитаксиальных (гомогенных или гетерогенных) тонких пленок на поверхности монокристалла критически зависит от силы взаимодействия адатомов с поверхностью. Хотя эпитаксиальные слои можно выращивать из жидкого раствора, большая часть эпитаксиального роста происходит с помощью метода паровой фазы, такого как молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ). При росте Фольмера-Вебера (ВВ) взаимодействия адатом-адатом сильнее, чем взаимодействие адатома с поверхностью, что приводит к образованию трехмерных кластеров или островков адатомов. Рост этих кластеров, наряду с укрупнением , приведет к росту шероховатых многослойных пленок на поверхности подложки. Напротив, во время роста Франка-ван дер Мерве (ФМ) адатомы преимущественно прикрепляются к поверхностным участкам, в результате чего образуются атомарно гладкие, полностью сформированные слои. Этот послойный рост является двумерным, что указывает на то, что полные пленки формируются до роста последующих слоев. Рост Странского-Крастанова представляет собой промежуточный процесс, характеризующийся ростом как 2D-слоя, так и 3D-островков. Переход от послойного к островковому росту происходит при критической толщине слоя, которая сильно зависит от химических и физических свойств, таких как поверхностная энергия и параметры решетки, подложки и пленки. Рисунок 1 представляет собой схематическое изображение трех основных режимов роста для различных покрытий поверхности.

Для определения механизма роста тонкой пленки необходимо учитывать химические потенциалы первых нескольких осажденных слоев. Модель химического потенциала слоя на атом была предложена Марковым как:

$\mu (n)=\mu _{\infty }+[\varphi _{a}-\varphi _{a}'(n)+\varepsilon _{d}(n)+\varepsilon _{e}(n)]$

где $\mu _{\infty }$ - объемный химический потенциал материала адсорбата, $\varphi _{a}$ – энергия десорбции атома адсорбата из смачивающего слоя того же материала, $\varphi _{a}'(n)$ энергия десорбции атома адсорбата из подложки, $\varepsilon _{d}(n)$ – энергия дислокации несоответствия на атом, $\varepsilon _{e}(n)$ энергия однородной деформации, приходящаяся на атом. В целом значения $\varphi _{a}$, $\varphi _{a}'(n)$, $\varepsilon _{d}(n)$, и $\varepsilon _{e}(n)$ сложным образом зависят от толщины растущих слоев и несоответствия решеток подложки и пленки адсорбата. В пределе малых деформаций $\varepsilon _{d,e}(n)\ll \mu _{\infty }$критерий режима роста пленки зависит от ${\frac {d\mu }{dn}}$.

• Рост VW: ${\frac {d\mu }{dn}}<0$ (сила сцепления адатома сильнее, чем сила поверхностного сцепления)
• Рост ФМ: ${\frac {d\mu }{dn}}>0$ (поверхностная сила сцепления сильнее, чем сила сцепления адатомов)

Рост SK можно описать обоими неравенствами. Хотя первоначальный рост пленки происходит по механизму ФМ, т.е. с положительным дифференциалом ц, в осажденных слоях накапливается нетривиальное количество энергии деформации. При критической толщине эта деформация вызывает смену знака химического потенциала, т.е. отрицательный дифференциал ц, что приводит к переключению режима роста. В этот момент энергетически выгодно зарождение островков и дальнейший рост происходит по механизму типа VW. Термодинамический критерий роста слоя, аналогичный представленному выше, можно получить, используя баланс сил поверхностного натяжения и угла смачивания .

Рисунок 2 . Рост SK, показывающий образование островков после достижения критической толщины, $h_{C}$. Линии представляют собой плоскости решетки с более толстыми линиями для решетки подложки и более тонкими линиями для растущей пленки. Краевые дислокации на границе пленка/островок выделены красным цветом.

Рисунок 3 . Когерентное островковое образование при росте SK. Локальная кривизна приповерхностной области, окружающей остров, приводит к упругой деформации острова и смачивающего слоя, тем самым уменьшая накопленную деформацию. Эти острова бездефектны.

Поскольку образование смачивающих слоев происходит соразмерно на поверхности кристалла, часто возникает связанное с этим несоответствие между пленкой и подложкой из-за различных параметров решетки каждого материала. Прикрепление более тонкой пленки к более толстой подложке вызывает деформацию несоответствия на границе раздела, определяемую выражением ${\frac {a_{f}-a_{s}}{a_{s}}}$. Здесь $a_{f}$ и $a_{s}$ – постоянные решетки пленки и подложки соответственно. По мере утолщения смачивающего слоя соответствующая энергия деформации быстро возрастает. Чтобы уменьшить напряжение, образование островков может происходить как дислоцированным, так и когерентным образом. В дислоцированных островках разгрузка от напряжений возникает за счет образования межфазных дислокаций несоответствия . Уменьшение энергии деформации, вызванное введением дислокации, обычно превышает сопутствующие затраты на увеличение поверхностной энергии, связанной с созданием кластеров. Толщина смачивающего слоя, при которой начинается зарождение островков, называемая критической толщиной. $h_{C}$, сильно зависит от несоответствия решеток пленки и подложки, причем большее несоответствие приводит к меньшим критическим толщинам. Ценности $h_{C}$ Толщина покрытия может варьироваться от субмонослоев до нескольких монослоев. На рис. 2 показан дислоцированный островок во время роста SK после достижения критической высоты слоя. На границе островков показана чистая краевая дислокация, чтобы проиллюстрировать рельефную структуру кластера.

В некоторых случаях, особенно в системе Si / Ge , во время роста SK могут образовываться наноразмерные бездислокационные островки путем введения волнистости в приповерхностные слои подложки. Эти области локальной кривизны служат для упругой деформации как подложки, так и островка, снимая накопленную деформацию и приближая смачивающий слой и постоянную решетки островка к объемному значению. Эта упругая неустойчивость при $h_{C}$ известна как неустойчивость Гринфельда (ранее Асаро-Тиллера-Гринфельда; ATG). Полученные островки являются когерентными и бездефектными, что вызывает значительный интерес для использования в наноразмерных электронных и оптоэлектронных устройствах. Такие приложения кратко обсуждаются позже. Схема полученной эпитаксиальной структуры показана на рисунке 3, где показан индуцированный радиус кривизны на поверхности подложки и в островке. Наконец, стабилизация деформации, указывающая на когерентный рост SK, уменьшается с уменьшением расстояния между островками. При большой плотности островов (меньшем расстоянии друг от друга) эффекты кривизны соседних кластеров приведут к образованию дислокационных петель, что приведет к созданию дефектных островов.

Мониторинг роста SK

Методы широкого луча

Рисунок 4 . Эволюция высоты оже-пика в зависимости от покрытия поверхности во время роста SK. График представляет собой серию сегментированных линейных кривых с четкой точкой излома, указывающую критическую толщину (четко обозначенную на диаграмме) и начало роста островков. Различия в уклонах обусловлены разными способами роста. Начальный участок с крутым уклоном соответствует режиму роста FM, а более поздний участок с пологим уклоном соответствует режиму VW. Эта схема характерна для «идеального» роста SK, когда начало нуклеации начинается при покрытии двумя монослоями.

Аналитические методы, такие как электронная оже-спектроскопия (AES), дифракция низкоэнергетических электронов (LEED) и дифракция отраженных электронов высоких энергий (RHEED), широко использовались для мониторинга роста SK. Данные AES, полученные in situ во время роста пленок в ряде модельных систем, таких как Pd / W (100), Pb / Cu (110), Ag /W(110) и Ag/ Fe (110), показывают характерные сегментированные кривые типа представленные на рисунке 4. Высота оже-пиков пленки, построенная как функция покрытия поверхности Θ, первоначально представляет собой прямую линию, что указывает на данные AES для роста FM. Имеется четкая точка разрыва при критическом покрытии поверхности адсорбатом, за которой следует еще один линейный участок с уменьшенным наклоном. Парная точка излома и пологий наклон линии характерны для зарождения островков; аналогичный график роста FM будет содержать множество таких пар линий и разрывов, тогда как график режима VW будет представлять собой одну линию с низким наклоном. В некоторых системах реорганизация двумерного смачивающего слоя приводит к уменьшению пиков АЭС с увеличением покрытия адсорбата. Такие ситуации возникают, когда для достижения критического размера зародыша на поверхности требуется много адатомов и при зародышеобразовании образовавшийся адсорбированный слой составляет значительную часть монослоя. После зарождения метастабильные адатомы на поверхности включаются в ядра, вызывая падение оже-сигнала. Особенно это явление проявляется для осадков на молибденовой подложке.

Эволюция образования островков во время SK-переходов также была успешно измерена с использованием методов LEED и RHEED. Данные дифракции, полученные с помощью различных экспериментов LEED, эффективно использовались в сочетании с AES для измерения критической толщины слоя в начале образования островков. Кроме того, колебания RHEED оказались очень чувствительными к переходу от слоя к островку во время роста SK, а данные дифракции предоставляют подробную кристаллографическую информацию о зародившихся островках. После временной зависимости сигналов LEED, RHEED и AES была собрана обширная информация о кинетике и термодинамике поверхности для ряда технологически важных систем.

Микроскопии

В отличие от методов, представленных в последнем разделе, в которых размер зонда может быть относительно большим по сравнению с размером островка, поверхностная микроскопия, такая как сканирующая электронная микроскопия (SEM), просвечивающая электронная микроскопия (TEM), сканирующая туннельная микроскопия (STM) и атомно-силовая микроскопия ( AFM) предоставляют возможность прямого просмотра событий комбинации депозит/субстрат. Чрезвычайное увеличение, обеспечиваемое этими методами, часто вплоть до нанометрового масштаба, делает их особенно применимыми для визуализации сильно трехмерных островков. UHV-SEM и TEM обычно используются для визуализации образования островков во время роста SK, что позволяет собрать широкий спектр информации, начиная от плотности островков и заканчивая равновесными формами. АСМ и СТМ все чаще используются для корреляции геометрии островков с морфологией поверхности окружающей подложки и смачивающего слоя. Эти инструменты визуализации часто используются для дополнения количественной информации, собранной в ходе широколучевого анализа.

Приложение к нанотехнологиям

Как упоминалось ранее, когерентное образование островков во время роста SK привлекло повышенный интерес как средство изготовления эпитаксиальных наноразмерных структур, особенно квантовых точек (КТ). Широко используемые квантовые точки , выращенные в SK-режиме, основаны на комбинациях материалов Si / Ge или InAs / GaAs . Значительные усилия были потрачены на разработку методов контроля организации, плотности и размера островков на субстрате. Такие методы, как углубление поверхности с помощью импульсного лазера и контроль скорости роста, были успешно применены для изменения начала SK-перехода или даже полного его подавления. Возможность контролировать этот переход в пространстве или во времени позволяет манипулировать физическими параметрами наноструктур, такими как геометрия и размер, что, в свою очередь, может изменять их электронные или оптоэлектронные свойства (т.е. запрещенную зону). Например, Шварц-Зелинджер и др. использовали углубление на поверхности для создания неровностей на поверхности кремния, которые обеспечивают предпочтительные места зарождения островков Ge, окруженные оголенной зоной. Аналогичным образом подложки с литографическим рисунком использовались в качестве матриц для зарождения кластеров SiGe. Несколько исследований также показали, что геометрию островков можно изменять во время роста SK, контролируя рельеф подложки и скорость роста. Бимодальное распределение островков Ge по размерам на Si является ярким примером этого явления, при котором пирамидальные и куполообразные островки сосуществуют после роста Ge на текстурированной подложке Si. Такая способность контролировать размер, расположение и форму этих структур могла бы обеспечить неоценимые методы для схем изготовления «снизу вверх» устройств следующего поколения в микроэлектронной промышленности.

См. также

• Эпитаксия
• Тонкие пленки
• Молекулярно-лучевая эпитаксия