26 Змінювання параметра решітки, псевдоморфний ріст плівок

Термін "псевдоморфізм" можна визначити так: утворення нерівноважної кристалічної структури в тонкому конденсованому шарі, параметри решітки якого наближаються до параметрів решітки підкладки. В теорії епітаксіального росту І.Франк та Дж. ван дер Мерве виходять з того, що перші шари епітаксіальної плівки спрягаються з підкладкою псевдоморфно, тобто решітка конденсату набуває симетрії та періоду решітки підкладки. Природно, що у плівці виникає певний запас енергії пружної деформації, необхідної для вирівнювання періодів решітки епітаксіального шару та підкладки. Наприклад, у плівках нікелю на NaCl параметри решітки у площині плівки a₁ = 0,350 нм, а у перпендикулярному напрямку а₂ =0,3546 нм, у той час як у масивних зразках а₀ = 0,3524 нм. Подібних прикладів можна навести дуже багато. Але при досягненні певної товщини плівки рівень пружної деформації решітки знижується за рахунок виникнення mіsfіt-дислокацій. Схематично цей процес показано на рисунку 2.7. Проте це не єдина можливість релаксації пружних напружень.

Крім того, підкреслимо, що товщина псевдоморфного шару (d*) дорівнює декільком нанометрам. Так, у системі Co на Cu d*  2 нм (Т_п  300 К) та d*  37,5 нм (Т_п  620 К); у системі Fe на Cu d*  1 нм; у системі Cr на Nі d*  1 нм і т.д.

Рисунок 2.7 - Схема спряження решіток монокристалічної підкладки і плівки з виникненням дислокації невідповідності

27 Види спряжень кристалів при епітаксіальному рості

У теорії епітаксіального росту Франка та Дж. ван дер Мерве аналізується питання про можливі способи компенсації невідповідності періодів решіток кристалів, що спрягаються. Розглянемо лише основні висновки цієї теорії.

Згідно з Франком та Дж. ван дер Мерве невідповідність решіток виникає не лише на межі підкладка-епітаксіальна плівка (площина ху), а й на межі спряження окремих епітаксіальних кристалів (площина уz). Невідповідність як для горизонтальних, так і вертикальних меж спряження виникає через відмінність решіток з такими характеристиками:

• період кристалічної решітки;

• їх взаємне зміщення;

• кут повороту;

• симетрія граней, що спрягаються.

Компенсація невідповідності в цих випадках відбувається за допомогою таких механізмів (див. також підрозділ 25):

• завдяки пружній деформації;

• за допомогою точкових дефектів;

• завдяки дислокаціям невідповідності;

• шляхом утворення двовимірних дефектів (межа двійникового типу та типу великокутової межі зерен).

28 Субструктура полікристалічних плівок

Для реального кристала є характерним порушення періодичної структури кристалічної решітки. З точки зору лінійних розмірів дефектів решітки їх можна класифікувати таким чином:

• нульовимірні, або точкові (вакансії, міжвузлові та домішкові атоми, пари Френкеля);

• одновимірні, або лінійні (крайові та гвинтові дислокації);

• двовимірні, або поверхневі (межа зерен і двійників, дефекти пакування, міжфазні та малокутові границі);

• тривимірні (пори, тріщини).

Якщо розглядати будову кристаліту (зерна), то він складається з субзерен (їх ще називають областями когерентного розсіювання (ОКР), або блоками мозаїки). Окремі блоки мозаїки розбиваються на менші ділянки дислокаціями (це можуть бути як малокутові, так і великокутові межі). Густина дислокацій в субмежі досягає величини 10¹⁶ м^-2, в той час як в об'ємі субзерна - 10¹⁴ - 10¹⁵ м^-2. Вони створюють в об'ємі субзерна поле напружень, що призводить до зміни міжплощинних відстаней та мікродеформацій.

Субструктура тонких плівок, як і масивних кристалів, вивчається методами електронної мікроскопії та за шириною, профілем і формою дифракційних ліній на електрограмах та рентгенограмах. Таблиця 2.4 дає уявлення про середні розміри субзерен та їх взаємне розорієнтування ()

Таблиця 2.4 - Експериментальні дані про субструктуру полікристалічних плівок Al та Ag

Алюміній			Срібло
d, нм	L, нм	, град.	d, нм	L, нм	, град.
15	22	1,6	-	-	-
40	26	1,5	-	-	-
			45	27	3,2
55	28	1,5	-	-	-
75	32	1,9	-	-	-

у плівках алюмінію та срібла. Той факт, що при d = 15 нм (плівка Al) середній розмір субзерна L=22 нм більший за товщину, говорить про те, що при відносно малих товщинах (і це стосується не тільки плівок алюмінію) кристаліти мають форму пластинки з L>d, а за товщиною плівка моноблочна.

Збільшення товщини, як правило, призводить до немоноблочності за товщиною, хоча у плівок різних металів це відбувається в різних інтервалах товщин. Наприклад, у плівках золота при 10<d<45 нм L залишається на рівні 13 нм, а в плівках хрому при 10<d<40 нм L=10 нм. Аналогічні результати одержані на даний час практично для плівок усіх металів.