6.8. Влияние морфологии тонких пленок на уменьшение выхода электронов

Одно из наиболее известных применений методов электронной спектроскопии состоит в описании различных механизмов пленочного роста. Вопросы относительно механизма роста становятся чрезвычайно важными при создании однородных многослойных пленок, от которых требуется высшая степень однородности состава при толщине менее 100 А. Обычные типы роста включают:

1. Послойный рост, при котором сначала возникает одни полиостью завершенный моиослой покрытия, затем другой и т. д. Этот тип роста обычно называют ростом Франка — ван дер Мерее.

2. Образование слоя с островками, при котором первый слой полностью покрывает поверхность подложки, а последующие слои формируются в виде островков из оседающего вещества. Этот тип роста называют ростом Странски — Крастанова.

3. Образование островков, при котором вещество с самого начала оседает на поверхности в виде островков. Обычно этот тип роста называют ростом Вольмера — Вебера.

4. Статистическое осаждение, при котором рост пленки происходит по мере случайного заполнения участков поверхности в соответствии со статистикой Пуассона.

6.8.1. Послойный рост

В нижеследующем обсуждении мы будем постоянно использовать экспоненциальную вероятность неупругого рассеяния для характеристических

электронов, покидающих твердое тело. В качестве первого примера рассмотрим ослабление электронного пучка из подложки в результате внешнего покрытия поверхности пленкой с послойным ростом. Хотя излагаемый здесь подход предназначен для описания ослабления выхода электронов из подложки, очень похожие соображения могут быть использованы для вывода формул увеличения выхода вторичных электронов из покрытия.

Типичный эксперимент включает в себя измерение интенсивности потока характеристических оже-электронов из подложки в зависимости от толщины покрытия. (Естественно, покрытие производится другим веществом.) Пусть средняя длина свободного пробега оже-электрона подложки в веществе равна X. Тогда при нанесении первого монослоя покрытия интенсивность потока оже-электронов может быть представлена в виде

где означает, какая часть поверхности покрыта пленкой, — интенсивность потока с чистой поверхности, t — толщина монослоя. В этой фазе роста пленки до одного монослоя зависимость интенсивности от величины покрытия линейна по

Похожая формула может быть записана в диапазоне от 1 до 2 монослоев:

где теперь означают, какая часть поверхности покрыта соответственно одним и двумя слоями. Таким образом, в диапазоне покрытия от 1 до 2 монослоев интенсивность также линейно зависит от

В общем случае можно записать формулу для перехода от n к монослою:

где — часть поверхности, покрытая n слоями, — часть поверхности, покрытая слоем. График рассматриваемой зависимости сводится к совокупности отрезков прямой, каждый из которых соответствует линейному участку, с изломами при толщине покрытия, равной целому числу монослоев. Вершины ломаной лежат на экспоненциально спадающей кривой (рис. 6.11).

6.8.2. Образование монослоя и островков

Вторым типом роста пленок является образование однородного монослоя с последующим возникновением на нем островков. Пользуясь результатом предыдущего раздела, можно записать ослабление интенсивности потока электронов на первой стадии покрытия до завершения одного монослоя в виде

Рис. 6.11. Кривые экстинкции для характеристических электронов подложки как функции средней толщины покрытия. В этих примерах средняя длина свободного пробега X взята равной двум монослоям, что близко к минимально достижимой средней длине свободного пробега. В случае однородного покрытия предполагается послойный рост пленки, а кривая экстинкции является ломаной линией, вершины которой лежат на убывающей экспоиеите и соответствуют целому числу моиослоев. Указаны также кривые для монослоя с островками и для случая чистых островков. В последних случаях считается, что островки покрывают 50% поверхности. 1 — налетающий электрон; 2 — оже-электрон; 3 — покрытие; 4 — подложка; 5 — островки, покрывающие 50% поверхности; 6 — монослой с островками; 7 — однородное покрытие.

где х обозначает покрытую часть поверхности. На второй стадии роста осаждаемое вещество образует островки неопределенных размеров, и мы не можем записать простую аналитическую формулу, так как реальное ослабление зависит от того, какая часть поверхности покрыта островками. Однако возьмем в качестве примера очень простой случай, когда островки покрывают 50% поверхности образца. Тогда можно записать соответствующую формулу покрытия для роста второго монослоя в виде

где — часть поверхности, покрытая островками «высотой в 2 монослоя». Похожая формула может быть записана для любого режима покрытия, но она всегда будет содержать член плюс дополнительные положительные добавки. В итоге выход оже-электронов из подложки всегда

Рис. 6.12. Кривая выхода оже-электронов в случае создания свинцовой пленки на Си (100) при комиатиой температуре [Culbertson R.J., не опубликовано]. Показано ослабление сигнала из медной подложки и увеличение сигнала из свинцовой пленки. Такой тип роста пленки соответствует "монослою с островками". Средняя толщина Pb-покрытия измеряется методом обратного резерфордовского рассеяния. Слева по оси ордннат приведена шкала для нормированного выхода оже-электроиов из , справа — для выхода из Рb (в произвольных единицах). 1 — налетающий электрон; 2 — оже-электрон из Рb; 3 — оже-электрон из Cu.

конечен и с ростом покрытия не стремится к нулю, как в случае сплошного послойного нарастания. Соответствующая кривая затухания изображена схематично на рис. 6.11. Реальный случай нарастания Рb на Си (100) показан на рис. 6.12. Отметим почти постоянный уровень оже-выхода из меди при толщине покрытия свыше одного монослоя. Такие кривые могут быть хорошо согласованы с простыми моделями островков, подобными указанной выше. Оже-сигнал из свинцовой пленки растет с увеличением покрытия, но также достигает насыщения, характерного для механизма образования островков.

6.8.3. Образование островков

Как показано в предыдущем разделе, зависимость выхода оже-электронов из подложки от толщины покрытия не имеет экспоненциального спада в случае образования островков. Для этого типа роста выход из подложки остается высоким, поскольку некоторая ее часть не покрыта пленкой. На рис. 6.11 изображена ожидаемая кривая для простого случая, когда островки

заполняют 50% поверхности. Очевидно, в этой схеме выход не может упасть ниже значения 0,5. Различия между кривыми экстинкции на рис. 6.11 обнаруживают разные типы роста. Для интерпретации этих кривых требуются точные измерения абсолютной толщины покрытия и знание средней длины свободного пробега.

6.8.4. Распределение осажденных атомов

Под статистическим осаждением мы понимаем процесс, в котором атомы осаждаемого вещества располагаются на поверхности согласно распределению Пуассона — так, как если бы их бросали случайно и они просто прилипали бы на месте падения. При средней толщине покрытия в вероятность обнаружения на поверхности структуры высотой в к атомных слоев равна

причем

есть обычное выражение для части поверхности, не покрытой адсорбатом.

Тогда, если толщина атомных слоев равна t, то оже-выход определяется формулой

или

Это выражение можно переписать в виде

или

Заметим, что эта кривая затухания является чистой экспонентой для всех покрытий! Эффективная длина экстинции теперь равна не , а .