Этапы формирования тонких пленок

Существует несколько этапов образования зародышей и роста пленки:

1 Появление адсорбированных атомов.

2 Образование субкритических кластеров разного размера.

3 Образование зародышей критического размера.

4 Рост этих зародышей до сверхкритических размеров с результирующим обеднением атомами зон захвата вокруг зародышей. Образование критических зародышей на площадях не обедненных атомами.

5 Зародыши соприкасаются друг с другом и срастаются, с образованием нового островка, занимающего площадь меньше, чем сумма площадей объединившихся зародышей, это приводит к увеличению свободной поверхности подложки.

6 Атомы адсорбируются на этих освободившихся участках, и наступает процесс вторичного образования зародышей.

7 Большие островки срастаются, оставляя каналы или полости в пленке.

8 Каналы и полости заполняются в результате вторичного зародышеобразования и образуется сплошная пленка (рисунок 4).

Рисунок 4 – Этапы формирования пленки

Наименьшие зародыши, которые можно заметить в электронный микроскоп имеют размер 20 Å. Зародыши растут в трех измерениях, но рост вдоль поверхности подложки как правило значительно более быстрый чем по нормали. Это обусловлено доминирующей ролью в процессе роста поверхностно диффундирующих адсорбированных атомов в сравнении с ролью атомов приходящих на зародыши непосредственно из паровой фазы.

Коалесценция длиться менее 0,1 с для малых зародышей и характеризуется уменьшением полной площади проекции зародышей на подложку и увеличением их по высоте. Зародыши с четко выраженными кристаллографическими формами в процессе срастания округляются. Получившийся островок снова принимает кристаллографическую форму, если он достаточно долгое время не взаимодействует с соседними островками. На стадии зародыше образования кристаллики, в основном, имеют форму треугольника, после коалесценции приобретают форму шестиугольника, но часто с дефектами (рисунок 5).

Рисунок 5 – Схема изменения формы островков в процессе их коалесценции

Процесс коалесценции приводит к увеличению свободной поверхности подложки, и к образованию вторичных зародышей между островками. Основным механизмом переноса массы при коалесценции является поверхностная диффузия. Движущей силой коалесценции является уменьшение поверхностной энергии. После того, как при коалесценции произошло основное уменьшение поверхностной энергии, дополнительное ее уменьшение происходит за счет образования граничных плоскостей с предпочтительной кристаллографической ориентацией. Островок, образующийся в ходе слияния, продолжает менять свою форму в течение довольно длительного времени.

По мере роста островков степень округления после срастания островков уменьшается. Значительные изменения формы ограничиваются областями в непосредственной близости от места соединения. Поэтому островки вытягиваются и образуют сетчатую структуру, в которой конденсированный материл разделен длинными, узкими каналами неправильной формы, шириной 50 – 200 Å. Зарастание каналов происходит по механизму образования вторичных зародышей, их роста и при прикосновении к стенкам канала образуются мостики, которые быстро разрастаются. В результате образуется пленка со множеством мелких дырок, зарастание которых происходит по аналогичному механизму через образования вторичных зародышей, их срастания, присоединения к пленке, очищение дырки и вновь образования вторичных зародышей и так до полного заполнения дырки. На стадии роста пленки, характеризующейся образованием каналов и дырок, вторичные зародыши и островки объединяются с массивными областями относительно быстро, менее чем за 0,1 с.

Общий механизм роста поликристаллических слоев похож на механизм роста эпитаксиальных пленок, за исключением того, что срастающиеся островки в этом случае имеют произвольную относительную ориентацию, подчиняющуюся случайному закону распределения. Во время срастания происходит рекристаллизация, поэтому размер зерен растет [3].

Тонкие пленки

Тонкие плёнки — тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра до нескольких микрон. Тонкие пленки получают путем осаждения атом за атомом, например путем конденсации из паровой фазы или электролитическое осаждение металлической пленки из раствора. Получение пленок с помощью вакуумного напыления или газотранспортных реакций представляет наибольший интерес с практической точки зрения. Конденсация означает переход из газообразного состояния в жидкое или твердое. С точки зрения термодинамики, для того, чтобы происходила конденсация необходимо, чтобы парциальное давление соответствующего газообразного материала было равно или больше равновесного давления паров этого материала над конденсированной фазой при данной температуре. Конденсация начинается с соединения нескольких адсорбированных атомов в небольшие скопления, которые называются зародышевыми центрами, или зародышами, а процесс их образования –зародышеобразованием. Процесс увеличения зародышевого центра и образование, в конце концов, однородной пленки называется ростом пленки. Часто образование зародышей и их рост происходят одновременно в процессе образования пленки.

Процесс конденсации нельзя рассматривать просто как случайное падение на подложку липких шариков (атомов или малых частиц, состоящих из группы атомов), которые прилипают там же, где упали. Напротив, адсорбированные атомы обладают большой поверхностной подвижностью, и в результате ярко выраженные островки из материала пленки образуются на подложке даже спустя длительное время после образования зародышей. В конце концов, эти островки сливаются и образуют непрерывную пленку, это происходит, когда средняя толщина пленки составит по крайней мере несколько атомных слоев. Конденсированные объекты, в зависимости от их формы, геометрических размеров можно условно классифицировать на одномерные, двухмерные трехмерные.

Одномерные объекты – микрочастицы конденсированной фазы (кластеры, островки, микрокапли), свойства которых зависят от их размера, по крайней мере, в 2-х направлениях. Двухмерные - тонкие пленки и покрытия, свойства которых зависят от их размера в одном из направлений (толщины пленки или покрытия). Трехмерные - твердые тела и жидкости в больших объемах, свойства которых не зависят от размеров тел. Например, плотность жидкости в ведре или стакане одинакова и поэтому жидкость в таком количестве следует рассматривать как трехмерный объект. В зависимости от способа получения покрытий их разделяют на три группы:

1. Покрытия, формируемые из газовой фазы. В данную группу входят покрытия, осаждаемые из газовой фазы, генерация которой осуществляется, как правило, в результате: ионного распыления вещества в вакууме, испарения в вакууме, проведения химических транспортных реакций, пиролиза сложных химических соединений, диспергирования полимеров или олигомеров в результате действия на них концентрированного потока энергии (электронов, ионов, электромагнитного излучения). Образование покрытия происходит при взаимодействии частиц газовой фазы с поверхностью подложки.

2. Покрытия, формируемые из жидкой фазы. В эту группу входят: лакокрасочные покрытия и образованные при затвердевании расплавов вещества, покрытия, осаждаемые из газокапельной фазы, например, методами плазменного, газопламенного, электродугового напыления, пленки Лэнгмюра-Блоджет, электролитические покрытия и другие.

3. Покрытия, при осаждении которых в качестве исходного материала используются вещества в твердом состоянии. Они образуются, например, в результате припекания или приклеивания фольги, переноса вещества при трении. В зависимости от природы материала различают следующие пленки: металлические, полупроводниковые, керамические, полимерные, композиционные (однослойные, многослойные, комбинированные) [4].