CC BY
36
Аверин И.А., Аверин К.И., Аношкин Ю.В., Бадерин К.В., Печерская Р.М. ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ КОНДЕНСАЦИИ НА МОРФОСТРУКТУРУ ПЛЕНОК МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация. Исследовано влияние температур испарения исходной загрузки и подложки на скорость конденсации пленок многокомпонентных материалов. Разработана физико-математическая модель управления скоростью конденсации и морфроструктурой многокомпонентных пленок различного состава на низкоразмерном уровне, которая изучалась с помощью атомно-силового микроскопа.
Структурное совершенство пленок определяется скоростью конденсации, задаваемой температурами испарения исходной загрузки и подложки. При образовании адсорбированного слоя моноатомной высоты рост пленок происходит за счет формирования центров образования новых фаз, их развития и интенсивного разрастания зародышей и зерен, имеющих благоприятную ориентацию.
На структуру и кристаллографическую ориентацию пленок оказывает влияние подложка. Аморфная си-талловая подложка, используемая в настоящей работе, не оказывает упорядочивающего действия, а распределение зародышей новой фазы по поверхности подложки носит случайный характер. Поэтому кристаллизация происходит в направлении уменьшения свободной энергии.
Скорость конденсации пленок определяется степенью пересыщения газовой фазы. При минимальном пересыщении газовой фазы наблюдаются низкие скорости конденсации пленок, что усиливает влияние остаточных газов вакуумной камеры и процессов реиспарения адсорбированных атомов, приводящих к ухудшению структурного совершенства. Использование высоких пересыщений газовой фазы также вызывает ухудшение кристаллической структуры и свойств пленок из-за того, что адсорбированные атомы мигрируют на небольшие расстояния от места адсорбции по поверхности подложки.
Для определения скорости конденсации пленок, полученных методом термического испарения в вакууме, используют уравнение Герца - Кнудсена [1], согласно которому число частиц <Япп , испаряющихся
с площади поверхности 5 за единицу времени & , равно числу частиц, соударяющихся с поверхностью
подложки в единицу времени при давлении Р* за вычетом потока, реиспаряемых с поверхности подложки частиц. Следует отметить, что на реальной поверхности испарения или конденсации атомы имеют различное число соседей, а следовательно, неодинаковую прочность с поверхностью. Значит, вероятность перехода частицы газовой фазы в конденсированное состояние и наоборот не будет одинаковой для всех частиц, находящихся на поверхности подложки. Поэтому в уравнение для скорости конденсации необходимо ввести дополнительный член акон, который называется коэффициентом конденсации. В результате уравнение Герца - Кнудсена примет следующий вид:
йпп Р* - Р
-----= аКон • > , (1)
5 • лп л/2п • Шш • к • Т
где тм-масса атома или молекулы.
Следует отметить, что условия зарождения пленки отличаются от равновесных. Поэтому при расчете скорости конденсации многокомпонентных пленок хромоникелевых сплавов разного состава по X учтем фактор неравновесности Ф , определяющий долю испаряющихся частиц конденсируемых на подложке:
Vк (Тисп ,Тп ) = акон (Тисп ,Тп ) • Ф • и(Тисп ,Тп ) Х
( рисп (т ) Рп (Т ) ^
_____________ общ (Т исп )___________________________________общ (Т п )_________________
,л/2п • тм (Тисп ,Тп ) • к • Тисп л/2п • тм (Тисп ,Тп ) • к • Тп
(2)
где Рисп (Тшп) - общее давление газовой фазы над испарителем исходной загрузки; РобЩ(Тп) - об-
щее давление газовой фазы над подложкой, определяемые для бинарной системы следующим образом:
Ро"бЩ (Тисп ) = РГ (Тисп ) • %,■ (Тисп,Тп ) • Ум (ТиспТп ) + РСсп (Тисп ) • *ег (Тисп Тп ) • Тег (Тисп ,Тп ) ; (3 )
Робщ (Тп ) = Р№ (Тп ) • ХМ (Тисп5Тп ) • Ум (Тисп5Тп ) + РСг (Тп ) • ХСг (Тисп5Тп ) • Уег (Тисп ,Тп ) ,(4)
где -^М(Сг) - состав никеля и хрома соответственно; У №(Сг) - коэффициенты активности соответственно никеля и хрома.
Температурная зависимость коэффициента конденсации определяется следующим выражением:
еПИ (Т )
акон(Тисп,Тп) = 1 - Скон • еХР( ° ,тисп ) , (5)
кТп
где Скон - константа, зависящая от плотности потока частиц, поступающих на подложку, и температуры; Еа пл (Тисп) - энергия адсорбции атомов пленки.
Величина константы Скон находится по наилучшему совпадению рассчитанных и экспериментальных значений скорости конденсации пленок. Определенные таким образом значения акон от температур испарения исходной загрузки и подложки для бинарного сплава на основе хромоникелевого твердого раствора приведены на рисунке 1.
Видно, что коэффициент конденсации является сложной функцией температур испарения исходной загрузки и подложки. Это связано с взаимодействия не только между атомами одного сорта, но и между разнородными атомами с образованием твердого раствора.
Рисунок 1 - Зависимость коэффициента конденсации для хромоникелевых пленок, полученных методом термического испарения в вакууме, от условий синтеза
Экспериментальную величину скорости конденсации определяют по толщине пленок, конденсируемых за фиксируемое время методом термического испарения в вакууме на ситалловых подложках. Рассчитанные и экспериментальные значения скорости конденсации находятся в хорошем согласии (рисунок 2).
• - экспериментальные данные; — расчет по уравнению (2) Рисунок 2- Зависимость скорости конденсации хромоникелевых пленок от условий получения
Показано влияние условий получения на морфологию поверхности пленок многокомпонентных материалов, которая оценивалась по результатам её исследования на атомно-силовом микроскопе с разрешающей способность до 2 0 нм. Типичная морфология поверхности пленок для различной степени пересыщения газовой фазы приведены на рисунке 3, из которого следует, что на поверхности пленок имеются крупные кластеры (рисунок 3,а) характерные для материалов, синтезированных при неравновесных условиях конденсации.
На рисунке 3,6 представлено изображение гладкой поверхности пленки, полученной при условиях конденсации, близких к равновесным.
а) б) в)
Рисунок 3 - Типичные поверхности многокомпонентных пленок на основе хромоникелевых сплавов
Поверхности пленок (рисунок 3,в), синтезированных при низких температурах испарения исходной загрузки и высокой температурах подложки, имеют фигуры роста в виде ямок травления.
Таким образом, показана возможность контролируемого управления кинетикой роста, механизмами испарения и конденсации, а также морфоструктурой пленок, что подтверждается экспериментальными результатами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология тонких пленок / Под ред. Л. Майссел, Р. Глэнг. - М.: Сов. Радио, 1977. - Т. 2. -7 68 с.
