Metallorganisch chemische ... - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

2.2 Schichtabscheidung 21
ße eines Mehrteilchenaggregates darstellt, ab dem es günstiger für das Aggregat ist weiterzuwachsen
als durch Zerfall zu schrumpfen.
Zur Bestimmung eines kritischen Keimes sind folgende Annahmen notwendig: a·r² ist die
Oberfläche des Keimes, die der Dampfphase ausgesetzt ist mit der Oberflächenspannung σKD,
b·r² ist die Kontaktfläche zwischen dem Keim und dem Substrat mit der Grenzschichtspannung
σKS und σSD ist die Oberflächenspannung (freie Energie) des Substrates, c·r 3 ist das Volumen
des Keimes und ∆GV ist die Kondensationsenthalpie des Beschichtungsmaterials. Dann
lässt sich die gesamte freie Energie wie folgt angeben:
3
2
2
2
∆G
= c ⋅ r ⋅ ∆G
+ a ⋅ r ⋅σ
+ b ⋅ r ⋅σ
− b ⋅ r ⋅σ
V
KD
Bei der Keimbildung sind zwei Fälle zu unterscheiden: Die homogene Keimbildung, d.h. es
treffen nur Atome der kondensierten bzw. kristallisierten Phase aufeinander und bilden
Mehrteilchenaggregate und die heterogenen Keimbildung. Hier erfolgt die Nukleation an Defekten
des Substrats wie z.b. Punktdefekten, Stufen oder chemisch adsorbierten Verunreinigungen.
Die Keimbildung verläuft über mehrere Schritte. Angefangen von den adsorbierten Atomen
über die Bildung von kritischen Keimen und dem Zusammenwachsen dieser Keime. Diese
berühren einander und Koaleszenz setzt ein. Die entstehende Insel nimmt weniger Platz in
Anspruch, sodass Nukleationspunkte wieder frei werden. Große Inseln wachsen zusammen
und dazwischen entstehen Löcher und Kanäle. Diese Löcher und Kanäle werden durch sekundäre
Nukleation aufgefüllt und eine durchgehende Schicht entsteht.
Man unterscheidet verschiedene Arten des Wachstums. Beim Frank-van-der-Merve Wachstum
dominiert die Substrat-Adatom Wechselwirkung über der Adatom-Adatom Wechselwirkung,
so dass der Aufbau einer neuen Atomlage immer erst dann begonnen wird, wenn die
vorhergehende vollständig ist. Unter Berücksichtigung der Beiträge aller Oberflächen- bzw.
Grenzflächenenergien bedeutet dies:
SD
KS
KD
KS
σ ≥ σ + σ
2.9
D.h. die σSD ist größer als die Summe der anderen Beiträge und eine Bedeckung des Substrats
führt insgesamt zu einer Energieerniedrigung. Dieses Wachstum über monoatomare Stufen
kann man auch als zweidimensionales Lagenwachstum bezeichnen. Einzelne Inseln vergrößern
sich so lange, bis sich eine geschlossene Monolage gebildet hat. Erst dann beginnt die
nächste Monolage zu wachsen.
Dreidimensionales- oder Inselwachstum wird als Vollmer-Weber-Wachstum bezeichnet, hier
dominiert die Adatom-Adatom Wechselwirkung, freie Substratoberflächen sind energetisch
günstig.
σ < σ + σ
2.10
SD
KS
KD
Direkt auf der Substratoberfläche bilden sich kleine Cluster, die zu Inseln oder Säulen heranwachsen.
Diese Säulen bilden schließlich eine geschlossene Schicht. Eine Zwischenstufe wird
durch Stranski Krastanov beschrieben, bei dem nach dem schichtweisen Aufwachsen einer
oder mehrerer Atomlagen ein Inselwachstum einsetzt. Für den Fall des Inselwachstums ergibt
sich bei Vernachlässigung der kristallinen Anisotropie der Kontaktwinkel θ zwischen Substrat
und Keim aus der Forderung nach dem Kräftegleichgewicht der Oberflächespannungen (Gleichung
2.11 und Abbildung 2.9).
σ σ + σ ⋅ cosθ
SD = KS KD
2.11
SD
2.8