Sự tăng trưởng bằng nhiệt kích hoạt

b) Vị trí hấp phụ điển hình trên mạng bề mặt.

2.5.3. Sự tăng trưởng bằng nhiệt kích hoạt

Khi nhiệt độ màng T tăng để atrong phư ơng trình (2.2.14) thì quá trình khuếch tán bề mặt sẽ trở thành yếu tố xác định hình thái học của màng. Lỗ trống sẽ đư ợc lấp đầy bằng adatomkhuếch tán, và màng phát triễn theo cấu trúc hạt cột đặc trư ng cho vùng II . Trong tiết diện ngang, cấu trúc hạt tinh thể trong vùng II là cấu trúc cột. (Đối với màng epitaxi và vơ định hình trong chế độ T này biên cột cĩ thể biến mất ). Tại tiếp giáp đế, các hạt của màng đa tinh thể bắt đầu như mầm và tăng trư ởng theo hư ớng đi lên như cột sau khi kết tụ. Với tăng độ dày, nhiều cột mở rộng trên sư ï lấn chiếm của cột khác, cho đến khi đư ờng kính cột đạt đến giá trị tới hạn như đư ợct rình bày trên hình (2.5.4) .

Hình 2.5.4: Đặc trưng của bốn vùng cấu trúc trong tiết diện ngang T TM tăng theo hướng ZI ZT ZII ZIII (Z_ vùng )

Lư ïc điều khiển đối với tăng trư ởng hạt cột trong vùng II là năng lư ợng bề mặt cư ïc tiểu . Mơ hình phát triển tiết diện ngang của cấu trúc cột đang tăng trư ởng đư ợc trình bày trên hình (2.5.5). Trong mục trư ớc chúng ta đã thấy rằng, m àng cĩ khuynh hư ớng phát triển ghồ ghề. Khi năng lư ợng bề mặt là đẳng hư ớng và kích thư ớc cột nhỏ, sư ï ghồ ghề đĩ một cách gần đúng, cĩ thể xem như mái vịm. Nếu bỏ qua quá trình khuếch tán bề mặt, như õng

mái vịm sẽ tăng trư ởng dốc hơn do hiệu ư ùng tư ï_che chắn, và thung lũng giư õa chúng sẽ trở thành lỗ trống như cấu trúc trong vùng I. Trong vùng II, xu hư ớng đĩ khơng cịn tác dụng do khuếch tán bề mặt. Khuếch tán bề mặt sẽ làm cho sư ïchuyển động của adatom hư ớng về thung lũng để thoả lư ïc cân bằng của tại đĩ như trên hình (2.5.5). Sư ï cân bằng đĩ tư ơng tư ï sư ï cân bằng của gốc thấm ư ớt (2.3.24). Do liên kết tại biên hạt luơn yếu hơn bên trong tinh thể, nên ở đĩ luơn tồn tại sư ùc căng mặt tiếp giáp itrên biên giư õa hai cột. Cho nên dù cĩ sư ï khuếch tán bề mặt, như ng mặt của cột khơng bằng phẳng hồn tồn, thay vào đĩ xuất hiện mái vịm cĩ bán kính cong r như thế nào để các thành phần thẳng đư ùng của 1 2 cân bằng với ivà như vậy đư ờng rảnh xuất hiện dọc biên cột. Đư ờng rảnh tư ơng tư ï cũng xuất hiện khi vật liệu đa tinh thể đãláng bĩng đư ợc ủ nhiệt _ như đã biết, đĩ là “đư ờng rảnh nhiệt”. Khi cột tăng theo đư ờng kính, chúng muốn sang bằng đỉnh vịm để diện tích bề mặt cư ïc tiểu, như ng chúng giư õ lại đư ờng rảnh nhiệt trên các mép biên .

Hình 2.5.5 : Hình dáng và năng lượng bề mặt của hạt cột .

Để thoả mãn lư ïc cân bằng phía bên trên hình (2.5.5) sư ï khám nghiệm chư ùng tỏ rằng, cột đư ờng kính bé hơn sẽ xuất hiện bán kính cong bé hơn. Bây giờ, do bề mặt bán k ính cong nhỏ hơn, nên nồng độ adatom trên bề mặt đĩ theo (2.4.9) sẽ lớn hơn. Lư ïc điều khiển này sẽ làm cho dịng khuếch tán bề mặt tư ø cột nhỏ đến cột lớn hơn, cuối cùng cột nhỏ bị co lại và cĩ thể hồn tồn biến mất. Như õng vi ảnh tiết diện ngang của màng kim loại tăng trư ởng bằng bay hơi hay phún xạđã minh hoạ rõ ràng tính chất đĩ, cũng như hình ảnh minh hoạ sư ï dịch chuyển tư ø vùng một hoặc vùng T sa ng vùng II .

Khi tăng Ts cao hơn nư õa, sư ï di chuyển biên hạt cũng cĩ thể xảy ra bên trong khối của màng. Đĩ là cơng đoạn nung nhiệt khối trong quá trình phủ. Hình (2.5.6) trình bày tiết diện ngang qua khối màng và song song với bề mặt. Hạt trụ nhỏ đư ợc bao quanh bởi ba hạt lớn hơn. Vì bán kính cong của hạt nhỏ là lồi so với bán kính cong lõm của ba hạt lớn, nên nguyên tư û sẽ truyền ngang qua biên hạttư ø hạt nhỏ sang các hạt bên cạnh, và cuối cùng hạt nhỏ sẽ biến mất. Đĩ chính là quá trình tăng trư ởng hạt bằng nhiệt_kích hoạt xảy ra trong luyện kim khối, như đư ợc biết là “Otswald ripening”. Vận tốc chuyển động của biên hạt tỷ lệ với expEa RT, ởđo _ Eanăng lư ợng kích hoạt đối với sư ï chuyển động của biên hạt. Như vậy, cột cĩ thể liên tục tăng theo đư ờng kính ở dư ới bề mặt tăng trư ởng

Vịm 2  1  Thung lũng i  Đế 2 r 1 r

tại nhiệt độ ở mư ùc cao Ts, để cho đư ờng kính của chúng gần đến độ dày màng. Khi đĩ hạt cĩ cấu trúc đẳng trục của vùng III.

Hình 2.5.6. Tiết diện màng song song với bề mặt đế, trình bày sự tăng trưởng hạt theo mặt bên .

Như õng bàn luận trên đối với vùng II chúng ta đã giả thiết rằng, khơng phụ thuộc vào mặt tinh thể. Thư ïc tế,thư ờng là bất đẳng hư ớng, nên sư ï tăng trư ởng cột cĩ tính lọc lư ïa. Như vậy, ngay cả màng đư ợc thành lập tư ø mầm với hư ớng hồn tồn hổn độn, cũng cĩ thể phát triển theo hư ớng ư u tiên tinh thể học khi tăng độ dày màng. Như õng cột đĩ định hư ớng bằng cách như õng mặt cĩcao sẽ mất vật liệu và dần biến mất. Ngư ợc lại, cột đư ờng kính nhỏ cĩ thể phát triển thuận lợi hơn như õng cột lớn, nếu của nĩ nhỏ hơn. Trạng thái đĩđư ợc gọi là hạt tăng trư ởng “dị_thư ờng” .