Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 7, стр. 43-55

ВВЕДЕНИЕ

Современные микроэлектроника и фотоника предъявляют все более жесткие требования к качеству и размерам многослойных структур. В ближайшей перспективе рассматривается использование 2D-наноразмерных структур. С этим связано постоянное развитие технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) [1–3], проявляется повышенный интерес к исследованиям закономерностей роста пленок [4–7 ] (появление островков, их разрастание, плотность ступеней, скорость их движения, плотность изломов на ступенях и т.д.). Одно из направлений таких исследований – экспериментальное и теоретическое изучение адсорбции. Чтобы управлять процессом роста пленок на поверхности с расстоянием между ступенями в единицы нанометров, необходимо знание таких параметров адсорбции как, диффузионная длина пробега, время жизни частицы на поверхности, критический размер зародыша и т.д.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию процессов роста пленок на поверхности на основе простейшей модели адсорбции. Для этой цели используется специализированная сверхвысоковакуумная установка для измерения временных параметров переходных процессов при взаимодействии молекулярных пучков с поверхностью. В этой методике рост пленки происходит через стадию адсорбции на поверхности кристаллической подложки из молекулярных пучков, а потоки десорбции с поверхности кристалла измеряются встроенным масс-спектрометром. Такие измерения позволяют определять многие характеристики адсорбции: времена жизни частиц на поверхности, длину свободного пробега, скорости поверхностной диффузии и других реакций на поверхности. Впервые такая методика была применена для исследования адсорбции атомов металлов на W [8, 9 ] .

В нашей работе используется измерительный комплекс [10, 11] для исследования молекулярно-лучевой эпитаксии CdTe. На этой установке ранее [12, 13] были исследованы переходные процессы на поверхности кристалла CdTe в диапазоне температур 550–730 К при интенсивности потоков V ~ 0.2–5 МС/с (МС – монослой). Были измерены характерные времена процессов порядка долей секунд. В дальнейшем при изучении влияния подготовки подложек из сапфира на качество растущих пленок CdTe [14] наблюдались переходные процессы с гораздо большими временами (~мин). В данной работе главное внимание уделено изучению кинетики таких “медленных” процессов.

МОДЕЛЬ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ

Основные понятия и термины на примере молекулярно-лучевой эпитаксии на кристалле CdTe достаточно подробно рассмотрены ранее в работах [12, 13]. Кратко повторим главное. На поверхности в адсорбированном состоянии находятся атомы Cd и Te, а также молекулы Te₂ (соответствующие поверхностные концентрации n_Cd, n₁= = n_Te и n₂= n_Te2). В это состояние атомы Cd и Te попадают, “испаряясь” из кристалла. Поток атомов из кристалла в адсорбционный слой J_ev – поток испарения. Прибывающие на поверхность из соответствующих источников пучков (ИП) молекулы Te₂ и атомы Cd переходят в адсорбированное состояние, падающие потоки – V_Cd и V_Te. Адсорбированные атомы Cd могут либо десорбироваться, либо встроиться в кристалл, соединяясь с адсорбированными атомами Te. Aтомы Te (кроме встраивания) могут объединяться, образуя молекулу Te₂, но не десорбируются. Адсорбированные молекулы Te₂ могут десорбироваться или диссоциировать на атомы Te. Потоки десорбции пропорциональны поверхностным концентрациям: J_Cd= n_Cdp₁= J₁ и J_Te= n₂p₂= J₂, (уходящие потоки Cd и Te₂ соответственно), где p₁ – скорость десорбции атомов Cd, а p₂ – скорость десорбции молекул Te₂. Поток ассоциации атомов Те – ${{K}_{{{\text{as}}}}}n_{1}^{2}$ (скорость ассоциации K_as). Поток диссоциации молекул Te₂ – p_disn₂ (скорость диссоциации Те₂ – p_dis). Поток атомов, встраивающихся в кристалл или поток роста – J_gr = K_grn₁n_Cd. Скорость встраивания K_gr – обобщенный параметр, который зависит от структуры поверхности, длины диффузионного пробега атомов Cd и Te, и т. д. Рассматриваются только эти процессы, влияющие главным образом на поверхностные концентрации атомов Cd и Te.

В данной методике падающие пучки Cd и Te₂ перекрывают модуляторы М₁ и М₂. Если пучок закрыт, то М_i = 0, открыт М_i = 1. В соответствии с предложенной моделью можно записать кинетические уравнения – зависимость поверхностных концентраций n_Cd, n₁ и n₂ от времени при изменении состояния модуляторов:

Имеется четыре стационарных состояния системы уравнений (1)–(3). При изменении любого М_i происходит изменение поверхностных концентраций. Измерение потоков десорбции, которые пропорциональны поверхностным концентрациям, дает возможность измерять параметры переходного процесса между стационарными состояниями, и это составляет экспериментальную основу данной методики.

В состоянии равновесия реакции 2CdTe (кристалл) = 2Cd (пар) + Te₂ (пар) давление компонент соответствует константе равновесия $K_{e}^{2}(T)$ = = P_e(Cd)²P_e(Te₂) [15–17]. Здесь T – температура в К. По кинетической теории при давлении пара P_e в замкнутом объеме на 1 см² поверхности падает за 1 с поток молекул V_e = 3.5 × 10²²P_e(Торр)/(m T)^1/2, (m – масса молекулы). Столько же молекул улетает (из условия равновесия), т.е. равны “равновесные” потоки между газовой фазой и адсорбционным слоем (падающие и уходящие потоки): V_e = = V_e(Cd) = 2V_e(Te₂ ) = J_e(Cd) = 2 J_e(Te₂).

Следовательно, равны и потоки между адсорбционным слоем и кристаллом (потоки роста и испарения) $J_{{gr}}^{e}$ = J_ev(Cd) = J_ev(Te) = $J_{{e{v}}}^{e},$ а также потоки на поверхности (в адсорбционном слое) ${{K}_{{{\text{as}}}}}n_{1}^{2}$ = = $2{{p}_{{{\text{dis}}}}}{{n}_{{\text{2}}}}.$ Заметим, что по определению кинетических характеристик этой модели: J_gr = K_grn₁n_Cd = = K_grn₁J_Cd/p₁, $n_{1}^{2}$ = 2p_disJ_Te/(p₂K_as).

В таком случае равновесный поток V_e (поток падающий и уходящий) и “равновесный поток испарения” $J_{{e{v}}}^{e}$ (потоки роста и испарения) связаны соотношением: $J_{{e{v}}}^{e}$ = V_e(4B ²D)^1/3, где D = p_dis/p₂ и B = K_gr/(2p₁)(J_ev/K_as)^1/2 – комплексные безразмерные параметры. Можно предположить, что поток атомов из кристалла в адсорбционный слой J_ev не зависит от состояния адсорбционного слоя, т.е. J_ev = $J_{{e{v}}}^{e},$ при этом J_ev не зависит от всех n и в уравнения (1)–(3) входит как константа:

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Методика измерений также достаточно подробно описана в работах [12–14]. Эксперименты проведены с монокристаллом СdTe. Поверхность монокристалла орошалась молекулярными пучками Сd и Те₂. Состояние поверхности кристалла контролировалось in situ методом дифракции быстрых электронов (ДБЭ).

В данной работе проведено измерение “медленной” кинетики поверхностных процессов в диапазоне температур кристалла 350–720 К. Интенсивность падающих потоков в диапазоне 0.1–5 МС/с задавалась температурой соответствующих ИП. Потоки десорбции с поверхности кристалла J_Cd и J_Te измерялись встроенным в камеру масс-спектрометром. Ионные токи масс-спектрометра $I_{{{\text{Cd}}}}^{ + }$ и $I_{{{\text{Te}}}}^{ + }$ регистрировались компьютером: J_Cd= ${{C}_{{\text{1}}}}I_{{{\text{Cd}}}}^{ + },$ 2J_Te= C₂$I_{{{\text{Te}}}}^{ + },$ где C₁, C₂ – калибровочные коэффициенты. Заслонки, модулирующие падающие на кристалл пучки молекул Cd и Te₂, по заданной программе меняли свое положение. Данные, записанные в компьютер за определенный промежуток времени (при постоянных температурах кристалла и ИП) составляли кадр. Длительность кадра ~20–50 мин, в то время как при исследованиях [12, 13] длительность кадра ~20 с. Кадр разбит на интервалы с постоянными положениями модуляторов M_i.

ПРИМЕР ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ КАДРА

Для некоторых условий эксперимента масс-спектрометр настраивался на одну массу (Cd или Te), но основная масса данных получена в режиме совместного измерения ионных токов Cd и Te. Типичный результат измерения и обработки кадра представлен на рис. 1. Данный кадр состоит из следующих интервалов: открыты оба ИП – (М₁ = = М₂ = 1), закрыт масс-спектрометр (измерение фона), закрыты оба ИП – (М₁ = М₂ = 0), закрыт ИП Cd – (М₁ = 0, М₂ = 1), закрыт ИП Te (М₁ = 1, М₂ = 0). На верхней диаграмме (рис. 1а) приведены измеренный за время одного кадра ионный ток ${{I_{{{\text{Cd}}}}^{ + }} \mathord{\left/ {\vphantom {{I_{{{\text{Cd}}}}^{ + }} {{{A}_{{{\text{Cd}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{A}_{{{\text{Cd}}}}}}}$ и теоретическая функция F_Cd, а на нижней диаграмме (рис. 1б) одновременно измеренный ионный ток ${{I_{{{\text{Te}}}}^{ + }} \mathord{\left/ {\vphantom {{I_{{{\text{Te}}}}^{ + }} {{{A}_{{{\text{Te}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{A}_{{{\text{Te}}}}}}}$ и соответствующая теоретическая функция F_Te. Теоретические функции получены решением системы (1)–(3). Ионные токи нормированы к 1 (A – размерный коэффициент). Суммарный поток атомов, входящий в адсорбционный слой, изменяется от интервала к интервалу при изменении М₁ или М₂. Нормированный суммарный поток на рис. 1 обозначен пунктиром: Cd – (V_СdМ₁ + J_ev)/(V_Сd + J_ev) (рис. 1а), Te – 2V_TeМ₂ + J_ev/(2V_Te + J_ev) (рис. 1б). На этом рисунке отчетливо видно, как закрытие одного из ИП вызывает увеличение десорбции другого компонента с поверхности образца.

При решении системы (1)–(3) введена нормировка для потоков десорбции и испарения:

Нормированные функции-решения имеют общий вид: “Стационарный” уровень F_si для Cd и Te различается: Здесь f(t) = n₁(K_as/J_ev)^1/2= E(1 – R)/(1 + R) – E₀,

где R = R(t) = С₀exp[–2^E(J_evK_as)^1/2t], E = [1 + $E_{0}^{2}$ + + (2J_Te/J_ev)D]^1/2, E₀ = BJ_Cd/J_ev.

Безразмерные параметры D и B постоянны в кадре, а E и E₀ зависят от положения модуляторов M_i.

Таким образом, для построения обеих функций F_Cd(t) и F_Te(t) требуется семь параметров: ev₁, ev₂, p₁, p₂, D, B и K_as, по-разному влияющих на вид каждой функции. Для F_Cd(t) важнейшими являются ev₁, p₁ и B, который определяет долю корректирующей функции f(t). Для F_Te(t) важнейшими является ev₂, p₂, а влияние f(t) определяет D. Теоретические функции F_i вычислялась для всего кадра с общими параметрами и корректирующей функцией, но в каждом интервале в соответствии с изменением M_i, изменяются значения E и E₀. Конечные значения F_s(t) на s-ом интервале являются начальными для следующего F_s + 1(0). Для каждого кадра методом наименьших квадратов определялась константа A, связывающая экспериментально измеренный ток масс-спектрометра и расчетную функцию. Программа поиска методом перебора выбирала набор параметров по минимальному среднему квадратичному отклонению dev = ∑_j(I⁺(t_j) – AF(t_j))²/N, где N – полное число точек в кадре. A = ∑_j(I⁺(t_j)F(t_j))/∑_j(F(t_j))² (j – номер точки в кадре). A – для Cd и Te рассчитывается отдельно, независимо друг от друга. Однако, большинство измерений выполнено совместно для Cd и Te и надо учитывать связь между A_i. Обозначим A₁/(2A₂) = CalS. Отметим, что J_Cd= ${{C}_{{\text{1}}}}I_{{{\text{Cd}}}}^{ + },$ 2J_Te= ${{C}_{{\text{2}}}}I_{{{\text{Te}}}}^{ + },$ J_i = K_iF_i(t) = ${{C}_{i}}I_{i}^{ + };$ $I_{i}^{ + }$ = A_iF_i(t), K_i = C_iA_i. В табл. 1 приведены соотношения потоков для стационарных состояний системы уравнений (1)–(3). Из анализа наших данных выводим константу C₂/C₁ = 2. Тогда из табл. 1 получаем расчетную формулу, в которой имеются только безразмерные величины:

Это накладывает ограничения на выбор параметров для функций F_i при совместной обработке данных от Cd и Te.

Для заданных параметров можно рассчитать значения J_gr(М₁М₂) при любой позиции модуляторов. Ранее мы полагали, что при М₁М₂ = 00, 01, 10 можно положить, что C_g $ \ll $ 1 (C_g = J_gr/J_ev – коэффициент конденсации). Оказалось, что это не всегда верно. Корректно сравнение C_g с выражениями (V_CdM₁ + J_ev)/J_ev и (2V_TeM₂ + J_ev)/J_ev. Для расчета C_g составлена программа J_gr = J₁n₁K_gr/p₁, подставляя J₁= V₁M₁ + J_ev – J_gr, n₁= f(t)(J_ev/K_as)^1/2, f(∞) = E – E₀, получаем уравнение для C_g в любой позиции М₁М₂:

где (E – E₀) зависит от C_g, E₀= B(1 + M₁V_Cd/J_ev – C_g), Таким образом, здесь уравнение для каждого из четырех C_g (00, 01, 10, 11), в которых четыре параметра, заданные при построении F(t): Решение уравнения дает значение C_g.

После первичной обработки каждого кадра, значения параметров уточнялись в последующих расчетах с учетом результатов обработки всего массива данных. Для калибровки выполнено сравнение экспериментальных данных (J_ev, B и D) с равновесным потоком по соотношению (4). В равновесии C_g = 1. Интенсивность потока испарения J_ev определяется температурой кристалла T_s. Интенсивность потока роста J_gr зависит от падающих потоков Cd и Te. При температуре равновесия уходящие и падающие потоки Cd и Te равны равновесному потоку. В наших экспериментах обработано ~90 кадров при этом рассчитанный C_g близок к единице при измеренной температуре T_s ~ 800 К. Равновесный поток при такой температуре: V_e(800 К) ≅ 750 МС/с, на порядки превосходит рассчитанные значения потоков V_Cd, V_Te. Величина равновесного потока взята из работ [12], [15–17]: V_e = 5.9 × 10¹⁴exp(–1.89 эВ/k_bT_s) МС/с (k_b = 8.625 × 10^–5 эВ/К – постоянная Больцмана). Интенсивность падающих потоков по нашим расчетам составляла: V_Cd= 0.01–2 МС/с и V_Te = = 0.5–5 МС/с. Предполагалось, что это связано с разностью измеренной температуры Т_s и реальной температуры поверхности. Для коррекции введена поправка: Т_кор = Т_s/1.27, полученная на основании баланса тепловых потоков Q в образце от излучения внутрь и наружу: Q = σT  ⁴ = ${\text{2}}\sigma T_{{{\text{cor}}}}^{4},$ T_cor = T_s/(2)^1/4 = T_s/1.27. При дальнейшей обработке кадров за температуру образца принималось откорректированное значение, а для вычисления функций F_i параметры J_ev, B и D задавались с учетом соотношения (4), связывающим эти параметры с равновесным потоком. Теоретические функции с этими параметрами (рис. 2) хорошо согласуются с экспериментом и с соотношением (4) при такой коррекции в диапазоне температур образца T = 500–700 К.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Удовлетворительное согласие большинства экспериментальных данных (~60 кадров) с теоретическими расчетами дают значения параметров J_ev, p₁, p₂, p_dis, K_as и K_gr, приведенные в табл. 2. В верхней строке таблицы представлены значения параметров P при Т = 630 К, в нижних – характеристики их экспоненциальной зависимости от температуры – P = P₀exp(–E_а/k_bT). Величина E_а характеризует энергию активации соответствующего процесса.

Некоторые характерные примеры показаны на рис. 3–5. Параметры для расчета теоретических функций в каждом кадре вычисляются из табл. 2 по величине Т. При расчете теоретических функций использовалась величина обратная скорости десорбции – среднее время адсорбции – t_i = 1/p_i. В табл. 3 указаны значения Т, параметры теоретических функций, вычисленные из табл. 2, и результаты их расчета – калибровочные константы А_Cd, А_Те (в пикоамперах) и средние квадратичные отклонения dev_Cd, dev_Те. Кадры расположены по мере снижения температуры кристалла. При этом доля собственного испарения кристалла в общем потоке десорбции снижается со снижением температуры. При низких температурах наблюдается только десорбция падающих потоков. Кадры на рис. 4 и 5 получены при изменении отношения интенсивностей Cd/Te. На рис. 4 увеличивалась интенсивность падающего потока Те: А_Cd = 0.18 и 0.07; А_Те = 0.08 и 0.15, а на рис. 5 уменьшалась интенсивность падающего потока Cd, в случае (a₂) – до уровня шума.

Кинетические характеристики процесса (табл. 2 и 3) J_ev, p₁, p₂ входят в расчеты функции F непосредственно. Другие коэффициенты p_dis, K_as и K_gr извлекаются из комплексных параметров:

Результаты измерений скорости десорбции молекул Те₂(р₂) в диапазоне температур образца 500–700 К представлены на рис. 6. Значения р₂ изменяются на два порядка – р₂(1/с) = 3.3 × 10⁴ ×× exp(–0.59 эВ/k_bТ). Энергия активации десорбции Те₂ – E_a(р₂) = 0.59 эВ.

Рис. 6.

Скорость десорбции молекул Те₂ – р₂ и аппроксимирующая функция. Сплошная линия – аппроксимирующая функция р₂ (1/с) = 3.3 × 10⁴ exp(–0.59 эВ/k_bТ), ◻ – p₂, полученная из совместных измерений Cd и Te. △ – p₂, полученная из отдельных измерений Te.

Скорость десорбции атомов Cd: р₁(1/с) = 8.33 × × 10⁴exp(–0.5 эВ/k_bТ) достаточно высока и измерения проведены на пределе возможностей данной методики в небольшом диапазоне (рис. 7). Энергия активации десорбции Cd составляет E_a(р₁) = 0.5 эВ.

Рис. 7.

Скорость десорбции атомов Cd – p₁ и аппроксимирующая функция. Сплошная линия – аппроксимирующая функция – р₁ (1/с) = 8.33 × 10⁴exp(–0.5 эВ/k_bТ); ◇ – p₁, полученная из совместных измерений Cd и Te; △ – p₁, полученная из отдельных измерений Cd.

Потоки J_ev для Cd и Те (в атомах) равны между собой (согласно модели, в пучке Те – молекулы Те₂, а на поверхности в реакцию с Cd вступают атомы). На рис. 8 даны экспериментально полученные значения J_ev и аппроксимирующая функция зависимости потока испарения от температуры J_ev – F(T) = 1.3 × 10¹⁵exp(–2 эВ/k_bТ). Энергия активации процесса перехода атомов Cd и Te из кристалла в адсорбционный слой – E_a (J_ev) = 2 эВ. Величина потока испарения – J_ev (~0.1–5 МС/с) в наших экспериментах становилась измеримой при температуре кристалла выше T = 630 К (1000/Т = 1.59). Значения J_ev при более низких температурах – аппроксимация, не противоречащая эксперименту.

Рис. 8.

Экспериментальные точки потока испарения J_ev (МС/с) из обработки ~60 кадров. Обозначения: сплошная линия – аппроксимирующая функция J_ev – F(T); ⚫, ◇ – потоки испарения, полученные при совместном измерении Cd и Te соответственно; ◻ и △ – потоки испарения, полученные при раздельном измерении Cd и Te соответственно.

На рис. 9 представлены экспериментальные значения параметра D и аппроксимирующая функция D(T) = 3.41 × 10⁵exp(–0.79 эВ/k_bT). Отсюда, p_dis= Dp₂ = 1.1 × 10¹⁰exp(–1.38 эВ/k_bT). Энергия активации диссоциации Те₂ на поверхности – E_a(p_dis) = 1.38 эВ.

Рис. 9.

Экспериментальные значения параметра D для вычисления функций F_Cd и F_Te и аппроксимирующая функция. Обозначения: сплошная линия – аппроксимирующая функция; ⚫ – параметр D из кадров, полученных в режиме совместного измерении Cd и Te; ◻ и △ – из кадров, полученных при раздельном измерении Cd и Te соответственно.

На рис. 10 показаны экспериментальные значения параметра B и аппроксимирующая функция B(T) = 2.8 × 10^–3exp(0.23 эВ/k_bT).

Рис. 10.

Экспериментальные значения параметра B для вычисления функций F_Cd и F_Te и аппроксимирующая функция. Обозначения: сплошная линия – аппроксимирующая функция; ⚫ – параметр B из кадров, снятых в режиме совместного измерении Cd и Te; ◻ и △ – из кадров, полученных при раздельном измерении Cd и Te.

Скорость ассоциации атомов Те на поверхности K_as вычисляется из параметра (K_asJ_ev), непосредственно входящего в расчет F(t). Полученные значения параметра K_as в зависимости от температуры кристалла представлены на рис. 11.

Рис. 11.

Экспериментальные точки K_as из обработки кадров. Обозначения: сплошная линия – аппроксимирующая функция; ⚫ – параметр K_as из кадров, снятых в режиме совместного измерении Cd и Te; ◻ и △ – K_as из кадров, полученных при раздельном измерении Cd и Te соответственно.

На рис. 9–11 выпадающая точка при 10³/Т = 1.8 относится к кадру, для которого дано два варианта теоретических функций F_Cd(t) и F_Te(t). На рис. 12 показан этот кадр: рис. 12(а₁, б₁) – F_Cd(t) и F_Te(t) – параметры, вычислены из табл. 2, рис. 12(а₂, б₂) – параметры подобраны отдельно для этого кадра. В верхних двух строках табл. 4 приведены их значения. Параметры B и D отличаются почти на порядок, а K_as даже более, чем на порядок. Оба варианта расчета этого кадра иллюстрируют работу программы и показывают величину и характер отклонений. Экспериментальные условия в данном кадре: малая интенсивность испарения, падающий поток Te значительно превышает поток Cd. Различия в обработке касаются верхней части диаграмм – рис. 12 (а₁, а₂), относящейся к Cd (с интенсивностью ~ в четыре раза меньшей). Наибольшее отличие теоретических функций от экспериментальных кривых наблюдается при t ≈ ≈ 20:00. Экспериментальные данные по десорбции Cd в этом интервале значительно превышают значения, полученные при расчете из табл. 2. Разница среднего квадратичного отклонения для Cd – dev_Cd ≈ 30% (табл. 4, второй столбец справа). При индивидуальном расчете интенсивность десорбции Cd также выше на ~12% (табл. 4, четвертый столбец справа – A_Cd).

Рис. 12.

Cовместные измерения ионных токов Cd (a₁) и (a₂) и Te (б₁) и (б₂). Обозначения такие же, как на рис. 1. На диаграммах (а₁) и (б₁) – параметры теоретических функций F_Cd(t) и F_Te(t): t_Cd, t_Te, B, D и K_as, соответствуют табл. 2, а на (а₂) и (б₂) параметры подобраны отдельно для этого кадра. Параметры в табл. 4.

Таблица 4.  

Заданные параметры и результаты расчета для кадров на рис. 12−15. Результат расчета − константа A и средние квадратичные отклонения − dev

Рис.	tCd	tTe	evCd	evTe	Kas	D	B	ACd	ATe	devCd	devТе
12(а1, б1)	0.42	6.52	3 × 10–4	4 × 10–4	0.056	0.0225	0.345	0.037	0.174	8.3 × 10–5	2 × 10–4
12(а2, б2)	0.42	6.13	3 × 10–4	4 × 10–4	3.9 × 10–4	0.0783	0.044	0.045	0.18	6 × 10–5	2 × 10–4
13(а1, б1)	0.99	19.1	2 × 10–5	2 × 10–5	8 × 10–5	1.7	0.003	0.13	0.06	1 × 10–4	7 × 10–5
13(а2, б2)	0.99	19.1	6 × 10–4	3 × 10–5	2 × 10–2	0.007	0.45	0.09	0.04	5 × 10–4	2 × 10–4
14(а1, б1)	0.95	19.8	2 × 10–5	1 × 10–5	2 × 10–3	0.39	0.23	0.23	0.17	4 × 10–4	4 × 10–4
14(а2, б2)	0.91	20.6	3 × 10–5	2 × 10–5	2 × 10–2	0.006	0.51	0.15	0.14	9 × 10–4	2 × 10–3
15(а1, б1)	0.22	3.2	2 × 10–2	3 × 10–2	2 × 10–3	1.6	0.26	0.15	0.05	2 × 10–4	8 × 10–5
15(а2, б2)	0.22	3.2	2 × 10–2	3 × 10–2	3 × 10–3	0.06	0.26	0.11	0.03	4 × 10–4	2 × 10–4

Имеется ~20 кадров, где параметры теоретических функций не подходят к результатам, представленным в табл. 2, но достаточно хорошо согласуются с измеренными токами. Такие кадры отнесены к группе “исключения”.

На рис. 13–15 даны три пары примеров. Отклонения от табличных значений здесь гораздо сильнее (более порядка), чем в примере на рис. 12. Параметры для этих кадров также даны в табл. 4. Такое различие характеристик адсорбционного слоя может быть связано с изменением структуры поверхности кристалла (шероховатости, поликристалличность, мозаичности). В процессе экспериментов изменялись температура образца и интенсивности падающих потоков, т.е. условия роста или испарения кристалла. В этих случаях методом ДБЭ были отмечены изменения на поверхности (на дифрактограммах появлялись кольца, характерные для поликристаллической пленки). На рис. 16 показаны дифрактограммы от поверхности образца на разных этапах экспериментов. Поверхность кристалла в начале экспериментов достаточно гладкая. Дифрактограмма с явно выраженными рефлексами (рис. 16а). После серии экспериментов с низкими температурами кристалла при больших коэффициентах конденсации C_g (поток роста значительно превышает поток испарения) на поверхности образовалась некоторая поликристаллическая пленка (рис. 16б). Эта пленка при нагреве кристалла до высоких температур испарилась (рис. 16в).

Рис. 13.

Пример из группы исключения (параметры в табл. 4). Обозначения такие же, как на рис. 1. На диаграммах (а₁) и (б₁) параметры теоретических функций F_Cd(t) и F_Te(t) подобраны отдельно для этого кадра, а на (а₂) и (б₂) – параметры t_Cd, t_Te, B, D и K_as соответствуют табл. 2.

Рис. 14.

Пример из группы исключения (параметры в табл. 4). Обозначения такие же, как на рис. 1. На диаграммах (а₁) и (б₁) параметры теоретических функций F_Cd(t) и F_Te(t) подобраны отдельно для этого кадра, а на (а₂) и (б₂) – параметры t_Cd, t_Te, B, D и K_as соответствуют табл. 2.

Рис. 15.

Пример из группы исключения (параметры в табл. 4). Обозначения такие же, как на рис. 1. На диаграммах (а₁) и (б₁) параметры теоретических функций F_Cd(t) и F_Te(t) подобраны отдельно для этого кадра, а на (а₂) и (б₂) – параметры t_Cd, t_Te, B, D и K_as соответствуют табл. 2.

Рис. 16.

Дифрактограммы от поверхности образца, полученные на разных этапах экспериментов.

ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РОСТА ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ ПАДАЮЩИХ ПОТОКОВ

Одним из важных следствий, вытекающим из результатов данной работы, является возможность рассчитать зависимость скорости роста пленки от интенсивности падающих потоков. Скорость роста = J_gr – J_ev= (C_g – 1)J_ev. На рис. 17, 18 даны примеры результатов таких расчетов для значений параметров при T = 650 K, B = 0.17, D = = 0.26, J_ev = 0.42 МС/с. На рис. 17 показана зависимость C_g от потока Cd при фиксированном превышении потока Te над потоком испарения (в 3, 10 и 30 раз). Скорость роста пленки увеличивается пропорционально V_Cd (интенсивности потока Cd) до значений V_Cd ~ 15J_ev. При дальнейшем повышении V_Cd соответствующего увеличения скорости роста не происходит (насыщение на уровне ~1.6, 3.1 и 7.2 для V_Te/J_ev = 3, 10 и 30 соответственно). На рис. 18 зависимость C_g от потока Te, а фиксирован Cd. Скорость роста пленки от потока Te изменяется более плавно. Скорость роста пленки ~2, 6, 12J_ev при V_Cd/J_ev = 3, 10, 30 достигается при V_Te/J_ev ~ 70. Эти особенности важно учитывать при разработке технологических процессов МЛЭ для получения тонкопленочных структур.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Получены параметры процессов, происходящих на поверхности кристалла CdTe при росте и испарении в состоянии, близком к равновесию. По измеренным значениям можно оценить величины потока “встраивания”, суммарного роста и реальных заполнений в адсорбционном слое растущего кристалла. В наших экспериментах интенсивности потока J_ev ~ 0.1–5 МС/с, значения потока “встраивания” – J_gr(11) почти везде меньше J_ev, т.е. фактически испарение C_g < 1.

Оценка заполнений в адсорбционном слое при открытых пучках Cd и Te в основной массе измерений:

n_Cd = J_Cd/p_Cd ~ 0.1 монослоя (диапазон 0.01–1),

n₂= J₂/p₂ ~ 1 монослой (диапазон 1–20),

n₁= f(t)(J_ev/K_as)^1/2 ~ 3–20 монослоев (диапазон 0.001–100).

При вычислении n₁= (E–E₀)/(K_as/J_ev)^1/2 используется много параметров, поэтому величина ошибки достаточно высока. Тем не менее, надо отметить, что заполнение атомами Te может быть более монослоя, что выходит за пределы применимости модели, и велика вероятность образования больших “агрегатов” Te. Это, возможно, требует коррекции модели и уравнений (2) и (3).

Эксперименты проведены для разных ростовых условий на поверхности: температура образца, интенсивности падающих потоков, модуляция. При больших отклонениях от равновесия возможно изменение структуры поверхности кристалла (шероховатости, поликристалличность, мозаичности). Появление поликристаллической пленки в процессе исследования наблюдалось методом ДБЭ. Поэтому наличие данных с параметрами, отличающимися от табличных, можно объяснить изменением адсорбционного слоя на поверхности в процессе измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено комплексное исследование процессов на поверхности CdTe при облучении молекулярными пучками Cd и Te. Разработаны методики и программы для управления условиями эксперимента и обработки получаемой информации.

Показано, что предложенная модель адсорбции может быть использована для описания процессов испарения и конденсации на поверхности CdTe в условиях роста из молекулярных пучков Cd и Te. Полученные результаты согласуются с предложенной моделью адсорбции, что позволило определить энергии активации процессов.

Показан пример использования этих результатов для расчета скорости роста в зависимости от интенсивности падающих потоков Cd и Те при заданной температуре кристалла. Данные расчеты показывают, что зависимость скорости роста от потока Те при постоянном потоке Cd в широком диапазоне близка к линейной. В то же время, при увеличении потока Cd при постоянном потоке Те происходит “быстрое насыщение” скорости роста. Эти особенности важно учитывать при разработке технологических процессов МЛЭ для получения тонкоплёночных структур.

Исследованные описанным методом процессы зависят от структуры поверхности кристалла (шероховатости, поликристалличность, мозаичности). Появление поликристаллической пленки в процессе исследования наблюдалось методом ДБЭ. В связи с этим наличие данных с параметрами, отличающимися от табличных, объясняется изменением адсорбционного слоя на поверхности, структура которой изменялась в процессе измерений при больших отклонениях от равновесия. Для уточнения этого предположения требуются исследования с привлечением дополнительных методов контроля поверхности образца (например, метод атомно-силовой микроскопии).