Исследование форм кристаллов NaCl, выращенных из водного раствора на подложке кремния с ориентациями 111 и 100, на сканирующем электронном микроскопе

Введение

Последние полвека усиленно исследуется явление эпитаксии: механизм зарождения, ориентации и формирования пленки, образование в ней дефектов. Вызвано это тем, что в процессе эпитаксиального роста образуются монокристаллические ориентированные пленки, которые используются в электронике, микроэлектронике и других областях современной техники для изготовления полупроводниковых приборов самого разнообразного назначения.

Исследования позволили достигнуть существенных успехов в понимании эпитаксии. Обнаружено много важных фактов, вскрывающих различные стороны эпитаксиального роста, особенно с помощью электронно-микроскопического наблюдения, например при помощи растрового электронного микроскопа, в основе работы которого лежит сканирование поверхности образца электронным зондом и детектирование возникающего при этом широкого спектра излучений; это позволяет получать информацию о морфологии поверхности и определять химический состав образца.

Вместе с тем эти наблюдения выявили большую сложность эпитаксиального роста, его крайнюю чувствительность к многочисленным и тонким параметрам процесса, влияния на него особенностей и состояний различных кристаллизующихся материалов и самих подложек. Именно это многообразие затрудняет создание общей аналитической модели явления эпитаксии, которая могла бы быть положена в основу конкретных экспериментальных работ над получением монокристаллических эпитаксиальных пленок.

Касаемо исследования форм кристаллов NaCl, образуемых при сублимации из водного раствора, следует отметить, что работы в этой область были начаты ещё в начале прошлого века, однако интерес к этому вопросу жив до сих пор.

1. Теория

Очень важным является выдвинутый Руайе принцип структурного соответствия эпитаксиальных партнеров по срастающимся граням и отдельным рядам.

Под структурным соответствием подразумевается подобие элементарных параллелограммов срастающихся сеток.

Руайе полагал, что возможно ограниченное несходство параметров в плоскости срастания не более чем на 15% (Δа=(аподл – аосадка)/ аподл < 15%).

Позднее обнаружилось большое количество исключений из правила Руайе о допустимости указанного различия параметров решетки. Так KI нарастает ориентировано на NaCl, не смотря на различие параметров в 25%. RbI нарастает закономерно на NaCl при Δа=30%.

Для того, чтобы сохранить и для этих отступлений справедливость принципа Руайе, прибегли к сравнению кратных плоских сеток и плоскости срастания, т.е. использовали принцип Руайе, но не для одного элементарного параллелограмма подложки и одной пленки, а для соизмеримости m-сеток и подложки и n-сеток нарастающей фазы. Однако, было показано, что если m и n менять только в пределах от 1 до 3 и 12% несоответствие считать хорошим, то при различных комбинациях m и n эпитаксия осуществляется даже при различиях в интервале от 70 до 130%. Тем не менее, несмотря на недостаточное постоянство, с которым осуществляется принцип Руайе, структурное соответствие играет весьма положительную, а чаще основную роль, облегчая или делая в принципе возможным эпитаксиальное срастание.

В 1933-1934 гг. Финчем и Кворрелом была выдвинута идея поверхностного псевдоморфизма. Она сводилась к предположению, что на самой начальной стадии формирования эпитаксиальная пленка принимает те же параметры решетки, которые имеет подложка.

Так как эта гипотеза не противоречила установившемся теоретическим представлениям и, будучи основана на эксперименте, давала им новое подтверждение, то она была встречена положительно и в свою очередь стимулировала дальнейшую теоретическую разработку идей, основанных на деформации двумерного зародыша.

Принципиальную сущность эпитаксии с позиции двумерного зарождения раскрывает теория П.Д. Данкова. Считая, что эпитаксия возникает в момент образования двумерных зародышей, Данков рассмотрел два конкурирующих процесса: образование трехмерных зародышей новой фазы и возникновение на подложке двумерного (А2) с учетом его деформации при различии Δа параметров элементарных параллелограммов, сопрягающихся по плоскости срастания кристаллических решеток

Ад2=А20+Ед<А3

Где Ад2 – работа образования деформированного двумерного зародыша; А20 – работа образования недеформированного двумерного зародыша; Ед – энергия деформации и А3 – работа образования трехмерного зародыша.

Так как А20<< А3, то условие эпитаксии можно записать еще проще: Ед<А3

От величины Ед будут зависеть направление процесса образования новой фазы (ориентированно или неориентированно) и ее скорость, которая пропорциональна exp(-Ед/kT).

Далее Данков, используя А3 (равную 2а2σ для зародыша в форме куба со стороной а), выразил через модули упругости и сдвига кристалла (С11 и С12) предельную величину несоответствия подложек и субстрата (Δаmax), при которой еще может происходить эпитаксиальное нарастание