Файл: Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах.pdf

ОСТРОВКОВЫЕ ПЛЕНКИ

Об этом стоит рассказать

Среди физиков, занимающихся исследованием тонких

пленок, в ходу понятие «островковая пленка». Это значит,

что некогда сплошная пленка на твердой подложке разор­ валась и превратилась в ансамбль разобщенных островков

или же островки сформировались в процессе напыления

вещества пленки на подложку и еще не успели разрастись

настолько, чтобы, слившись, образовать сплошную пленку.

Так или иначе, островковая пленка — совокупность не

соприкасающихся друг с другом крупинок вещества на

твердой подложке.

Островковые пленки — это очень интересно и с точки зрения «рафинированного» физика, которого интересует атомный механизм процессов, происходящих в тонких пленках, и с точки зрения «чистого» технолога и творчес­

кого конструктора, которые сообща находят островковым пленкам важные применения в современном приборо­ строении.

Наличие трех различных категорий читателей, для ко­

торых островковые пленки представляют интерес,— вполне достаточное основание, чтобы о таких пленках расска­ зать. Разумеется, не все, а лишь кое-что относящееся к диффузии.

Диффузионное разрушение тонких пленок

Речь идет не о свободных пленках, к которым можно при­ коснуться пальцами одновременно с обеих сторон, а о

пленках, осажденных на гладкую полированную поверх­

ность твердого тела — кристалла или стекла. И еще одно

уточнение, продиктованное заботой о сохранении объекта

исследования,— вещество пленки и вещество подложки

должны быть взаимно нерастворимы. Если будет иметь место взаимная растворимость, во время отжига при высо­

210

кой температуре (а разрушение мы будем наблюдать

именно во время отжига) пленка как структурная едини­ ца просто-напрасто исчезнет, диффузионно слившись с

подложкой, растворяясь н ней.

Итак, тонкая пленка расположена на поверхности твердого вещества. Имеется в виду, что степень сродства между пленкой и подложкой велика и сдвинуть пленку по подложке практически невозможно. Подумаем над тем, что должно происходить с нашим образцом, если его наг­

реть до высокой температуры. Непременно произойдет следующее: и подложка, и расположенная на ней пленка испытают тепловое расширение. Так как подложка и

пленка состоят из различных веществ, их тепловое расши­

рение будет различным, и тонкая пленка окажется либо

сжатой, либо растянутой. В ней возникнут напряжения, величина которых пропорциональна разнице коэффици­ ентов линейного расширения веществ подложки —"f2) и пленки и изменению температуры при нагреве:

<3= (Ti— Т2)£ЛГ,

где G — модуль упругости, АТ — изменение температуры

при нагреве.

Вначале, не вдаваясь в подробности и не рискуя оши­

биться, можно утверждать, что в пленке начнут разыгры­ ваться процессы, которые в конечном счете приведут к снятию возникших в ней напряжений. Эти процессы нем­ ного различны для случаев, когда пленка сжата и когда она растянута.

Обсудим вначале судьбу сжатой пленки. Сжатая —

это означает, что в данном объеме содержится вещества

немного больше, чем должно было бы быть в нормальном

состоянии. В связи с этим естественно предположить, что

пленка постарается часть вещества вытолкнуть из себя, перенеся его на свободную поверхность. Если мы попыта­ емся концы ковровой дорожки сблизить, двигая их по полу, т. е. будем сжимать вещество дорожки, на ней воз­ никнет складка. Аналогия в данном случае идет недалеко,

потому что ковровая дорожка, создавая складку, отрыва­

ется от пола, а наша пленка прочно связана с подложкой.

Общность явлений заключается лишь в том, что и на до­

рожке, и на пленке должны возникнуть выпуклости на

поверхности. В связи с тем, что пленка испытывает не односторонние сжимающие напряжения, как ковровая до-

211

режка, а напряжения, которые в плоскости ориентирова­

ны во всех направлениях, можно было бы ожидать, что на ней должна возникнуть одна колоколообразная поверх­ ность. Легко, однако, догадаться, что это не должно прои­ зойти, так как для образования такой выпуклости веще­

ство должно переместиться на расстояние порядка разме­ ра пленки. В связи с тем, что пленка может иметь любой, сколь угодно большой размер, то, очевидно, она должна

искать и найти иной способ переноса на поверхность из­

быточного вещества. Естественным будет следующий: об­

разовать не одну большую, а множество мелких выпукло­

стей, которые хаотически, но приблизительно с постоян­

ной плотностью расположатся на поверхности пленки. В этом случае вещество должно перемещаться лишь на

расстояние, примерно равное расстоянию между выпукло­

стями, которое не может зависеть от площади пленки. Так ставил бы задачу о формировании выпуклостей на

пленке физик-теоретик, так должна поступить и пленка.

Очагами зарождения выпуклостей на поверхности

пленки могут быть различные неоднородности ее строения.

Например, выходы дислокаций на поверхность или участ­ ки, степень дефектности которых отличается от соседних, и др. Для нашего рассказа не это существенно, существен­

но лишь то, что на поверхности сжатой пленки должны появиться бугорки. Зародившись, бугорки будут подрас­ тать за счет атомов пленки, которые находятся вблизи них. Атомы будут диффундировать к бугорку в связи с тем, что в пленке они испытывают на себе действие сжи­ мающих напряжений, а на поверхности бугорка могут устроиться вольготно. Диффузионный поток атомов по поверхности пленки к бугорку должен будет привести к увеличению размера бугорка и к утонению пленки вблизи него. Закончится этот процесс оголением подложки, т. е. нарушением сплошности пленки. Именно это и имелось в виду, когда очерк назывался «Диффузионное разрушение

тонких пленок». Опуская расчет, сообщу, что время, кото­

рое должно пройти, прежде чем пленка толщинохт d разор­ вется, определяется формулой

212

эти канавки становятся настолько глубокими, что дости­ гают поверхности подложки А. Это и значит, что пленка

разорвалась. А так как перенос вещества из канавки к

берегам происходит диффузионно, то и разрыв пленки

следует называть диффузионным.

Итак, оказывается, что и сжатые, и растянутые плен­

ки при нагреве теряют сплошность, превращаются в ан­

самбль обособленных островков. Разумеется, если пленки

достаточно топки. Толстые пленки, создавая на поверх­ ности возвышенности, могут освободиться от напряже­

ний, прежде чем впадины рядом с возвышенностями

станут настолько глубокими, что достигнут подложки.

И еще одно замечание. Если бы кристаллическая пленка была расположена не на твердой подложке, а, скажем, на поверхности расплавленной ртути, никакой разрыв ее ни при каких температурах не происходил бы, так как напряжения в пленке не возникли б,ы, жидкая ртуть легко подстраивалась бы под расширяющуюся или

сжимающуюся пленку. Рассказанное о диффузионном

разрыве тонких пленок имеет отношение только к таким,

которые прочно связаны с поверхностью твердого тела.

Прежде чем рассказывать о существе и механизме удовлетворения этого настойчивого требования, я предла­ гаю читателю представить себе, как выглядит капля

масла на поверхности воды. Вид сверху обычный — про­

сто круглый пяточок. А сбоку капля выглядит вот как: она

как бы немного вдавилась в поверхность воды. Участки

поверхности капли, которые граничат с воздухом и водой,

имеют различную кривизну. Капля масла, не полностью

смачивающего воду, не может сохранить плоской поверх­

ность контакта с водой, так как в этом случае лапласов­

214

ляную каплю в воду до тех пор, покуда граница масло —

требующееся вдавливание произошло, немного воды

должно уйти из-под капли. С легкоподвижной водой это

произойдет без особого труда.

В фотографиях капли масла на воде и в рассказе о

них нет ничего специфически «жидкого». И на кристал­

ней ямку, поверхность которой является частью поверх­

ности сферы.

Это требование капли законно в самом прямом смыс­

ле слова: оно основано на незыблемых законах термоди­

намики, предсказывающих, что в системе самопроизволь­

но должны протекать те процессы, которые приводят к

уменьшению свободной энергии. А из расчета следует,

что поверхностная энергия, связанная с каплей, будет уменьшаться в процессе ее внедрения в кристалл и ста­

нет минимальной, когда процесс внедрения завершится. Каков механизм формирования ямки в кристалле под

каплей? Диффузионный! Происходит вот что. Часть объема кристалла, подобно жидкости, «вытекает» из-под капли. Давление Pi2, прижимающее каплю к поверхно­

сти кристалла, приводит к тому, что в кристалле под

каплей концентрация вакансий понижается. Рис. 11 по­

ясняет, как и почему это происходит. Так как под каплей

канцентрация вакансий нижз, чем в кристалле вокруг капли, под каплю диффузионно будут перемещаться ва­

формировании вогнутой поверхности ямки будет возни­

чать, что требование капли удовлетворено, т. е. сформи­ ровалась ямка нужного ей объема и формы.

215