Дополнительный учебный материал для профильного класса "Молекулярно-пучковая эпитаксия"

                                                                                        Поздняк Н.И.

                                                                                        СПб ГБОУ 517

Дополнительный учебный материал для профильного класса:

«Молекулярно-пучковая эпитаксия»

   Небольшая статья дает первичное знакомство с одной из наиболее востребованной сегодня технологией - метода термического напыления монокристаллических тонких и сверхтонких пленок в сверхвысоком вакууме.      

Этому методу дано собственное название – молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ), в отличии от газофазной эпитаксии, не требующей вакуума. 

   В случае использования лазерного и электроннолучевого испарителей этот метод называют молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ)[1, 2, 3]. Собственно, технологии МПЭ и МЛЭ представляют собой методы термического напыления тонких пленок, но разработанных с учетом новейших достижений в области вакуумной техники, систем контроля и управления, достижений науки. Испарение вещества мишени происходит из эффузионной ячейки, и, если надо, из двух и трех ячеек, которые могут быть нагреты до 1600 и более градусов. Тигель ячейки изготовлен из пиролитического нитрид бора или особо чистого графита, который косвенно разогревают электрическим током или лучом, чаще лазерным.

    Сверхвысокий вакуум обеспечивается средствами безмасляной откачки, предварительного прогрева всей системы и постоянного контроля параметров паровой фазы, температуры, давления остаточных газов, состояния поверхности подложки. Для этого используют квадрупольный массспектрометр, дифрактометр отраженных быстрых электронов, Оже– спектроскопия, электронная пушка с энергоанализатором вторичных электронов, ионная пушка для очистки подложки и ее травления и.т.п.

    При напылении сложных соединений компоненты соединения испаряют из отдельных эффузионных ячеек. Принято пространство между ячейкой и подложкой делить на зоны: зона генерации молекулярных пучков, зона смешения потоков частиц и зона кристаллизации, непосредственно примыкающей к подложке, в которой начинается эпитаксия. 

   К основным процессам эпитаксии на атомном уровне считаются: адсорбция атомов и молекул на подложку, поверхностная миграция, присоединение адсорбированных атомов и молекул к кристаллической решетке подложки или новым сформированным эпитаксиальным слоям, термическая десорбция. 

   Механизмы формирования эпитаксиальных покрытий непосредственно связаны с соотношениями сил поверхностного натяжения, а значит энергий активаций между: атомами и молекулами верхнего слоя подложки (𝜎_пп), между атомами и молекулами подложки и конденсата (𝜎_пк ), между атомами и молекулами конденсата (𝜎_кк ).  Для трехмерного островка или зародыша полное смачивание будет при угле смачивания равном нулю (𝜑 = 0). В общем случае, имеем связь коэффициентов поверхностного натяжения: 𝜎_{пп =}  𝜎_{пк   +}    𝜎_кк Cos  𝜑 _. Если   𝜑 = 0  _,  то механизм роста пленки    считается плоским, если 𝜑 = 9 0  градусов, то смачивания слабое и первичный слой  пленки состоит из зародышей и островков.  Для  𝜑 > 90   на поверхности подложки в основном зародыши. Однако, существует критическая температура подложки, при которой значительная часть частиц может реиспариться. От температуры подложки зависит скорость диффузии частиц на ней. Если атом или молекула успели провзаимодействовать с другими частицами на подложке, то они считаются адсорбированными. Замечено, что адсорбция отдельных атомов и молекул чаще происходит на дефектах, сколах и ступеньках кристаллической решетки подложки. 

   В случае взаимодиффузии, при которой происходит обычный обмен частиц пленки и подложки, тогда можно ожидать более гладкую структуру поверхности покрытия. Из сказанного можно сделать некоторые выводы в отношении вариантов роста пленки.  Послойный рост по Франку – ван дер Мерве[4] подразумевает, что каждый новый слой образуется после завершения роста предыдущего. Островковый рост по Вальмеру-Веберу наблюдается в случае, когда энергия активации адатомов выше энергии связи адатома и подложки.   В случае значительного несоответствия кристаллических решеток пленки и подложки более вероятен рост по Странски – Крастанова, когда на поверхности первого слоя формируются трехмерные островки, как основа для поликристаллической структуры тонкопленочного покрытия. 

   Понятно, что совершенные монокристаллические эпитаксиальные пленки можно получить при гомоэпитаксии, когда имеется полное или близкое соответствие параметров решеток пленки и подложки. Кроме того, требуется оптимальное соотношение температуры подложки и плотности насыщенного пара вблизи подложки. 

    Гетероэпитаксиальный рост пленок, когда имеется сильное несоответствие химических свойств пленки и подложки, требуется больше заботиться о параметрах напыления и контроля качества тонкопленочного покрытия.  При больших скоростях поступления конденсата на подложку трудно ожидать получение совершенных структур, поэтому в методе молекулярно-пучковой эпитаксии скорости напыления не могут быть высокими. 

    С учетом сложности проблемы, установки молекулярно-пучковой эпитаксии, по определению не могут быть простыми. Это обычно, многомодульные системы, в которых комплексно решаются задачи самой технологии напыления, подготовки, контроля, управления и.т.п. 

   В статье кратко упоминаются новые научные термины из области физики конденсированных сред, т.е. физики твердого тела.  Однако, с учетом сведений из раздела «Молекулярная физика» можно понять, что такое МПЭ и МПЛ, а также то, что эти направления науки очень интересны сами по себе, но и для профориентации.

   Литература

1.  Гапонов С.В., Лускин Б.М., Нестеров Б.А., Письма в ЖТФ, 3, с.573,  1977

2.  Эпитаксиальные пленки. Палатник Л.С., Папиров И.И., М., 1971

3.  Ориентированная кристаллизация. Палатник Л.С., Папиров И.И., М., 1964

4.  51 Процессы конденсации тонких пленок, Кукушкин С.А., Осипов А.В., УФН, 168, 1083, 1982

Краткое описание документа:

Статья молекулярно-лучковая эпитаксия относится к разделу "Молекулярная физика" и касается проблемы получения нанослоев в условиях сверхвысокого вакуума. Вопросы физики термического напыления тонкопленочных покрытий в школах не проходится.На основе этих технология построена микроэлектронная и оптическая промышленность и ученикам, думаю, это интересно знать. . Поэтому совсем не лишне любознательным ученикам знать что новое, хотя бы на уровне знакомства. Тема крайне интересная и может рассматриваться как проект, как исследование новых востребованных технологий. Под пучковой эпитаксией понимается процесс испарения твердой мишени с помощью лазерного или электронного луча, и последующим осаждением нанослоев, обладающих совершенно уникальными свойствами, по отношение к массивному материалу. В конце статьи дается список литературы, который позволит более подробно понять суть данной технологии. Цель статья имеет профориентационную направленность.