스트란스키-크라스타노프 성장

세 박막 성장 모델과 관련된 부분을 모두 박막#성장 모드라는 또 다른 기사로 나눠볼 것을 제안했다.(논의) (2021년 6월)

스트란스키-크라스타노프 성장(SK 성장, 스트란스키-크라스타노프 또는 '스트란스키-크라스타노프'도)은 박막이 결정 표면이나 인터페이스에서 전형적으로 성장하는 세 가지 일차 모드 중 하나이다.'층+섬 성장'으로도 알려진 SK 모드는 두 가지 과정을 따른다. 처음에는 최대 몇 개의 단층 두께인 흡착제의 완전한 필름이 결정 기판 위에서 층별 방식으로 성장한다.응고된 필름의 변형과 화학적 전위에 따라 달라지는 임계층 두께를 넘어, 흡착제 '섬'의 핵화와 결합을 통해 성장이 지속된다.^[1][2][3][4]이 성장 메커니즘은 이반 스트란스키와 류보미르 크라스타노프가 1938년에 처음으로 주목했다.^[5]그러나 1958년에야 에른스트 바우어가 Zeitschrift für Kristalographie에 발표한 세미콜론 작품에서 SK, 볼머-베버, 프랭크-반 데르 메르베 메커니즘이 1차 박막 성장 과정으로 체계적으로 분류되었다.^[6]이후 SK의 성장은 박막 형성의 핵심에 있는 복잡한 열역학, 운동학 등을 보다 잘 이해하기 위해서뿐만 아니라 마이크로전자 산업에서 응용할 수 있는 새로운 나노구조를 제작하는 경로로서 강도 높은 조사의 대상이 되었다.

박막 성장 모드

단일 결정 표면에서 상피(동종 또는 이종) 박막의 성장은 아다톰과 표면 사이의 상호작용 강도에 따라 결정적으로 좌우된다.액체로 된 용액에서 에피레이저를 재배하는 것은 가능하지만, 대부분의 상피성장은 분자빔 상피(MBE)와 같은 증기상 기법을 통해 발생한다.VW(Volmer-Weber) 성장에서는 아달톰-아달톰 상호작용이 표면과의 아달톰 상호작용보다 강하여 3차원 아달톰 클러스터나 섬이 형성된다.^[3]이러한 성단의 성장은 응고 작용과 함께 거친 다층 필름을 기질 표면에 자라게 할 것이다.반대로 Frank-van der Merwe (FM) 성장 중에 아다톰은 표면 현장에 우선적으로 부착되어 원자적으로 매끄럽고 완전히 형성된 층이 된다.이 층별 성장은 2차원적인 것으로, 완전한 필름이 후속 층의 성장에 앞서 형성됨을 나타낸다.^[2][3]스트란스키-크라스타노프 성장은 2D 레이어와 3D 섬 성장이 모두 특징인 중간 과정이다.층별에서 섬별 성장으로의 전환은 표면 에너지와 격자 매개변수와 같은 기질과 필름의 화학적 물리적 특성에 크게 의존하는 임계 층 두께에서 발생한다.^[1][2][3]그림 1은 다양한 표면 커버에 대한 세 가지 주요 성장 모드를 개략적으로 나타낸 것이다.

박막이 자라는 메커니즘을 결정하려면 처음 몇 개의 축적된 층의 화학적 전위성에 대한 고려가 필요하다.^[2][7]원자당 층 화학전위성에 대한 모델은 다음과 같이 마르코프에 의해 제안되었다.^[7]

${\displaystyle \mu(n)=\mu _{\infit }+[\varphi _{a}-\varphi _{a}(n)+\varepsilon _{d(n)+\varepsilon _{e}(n)]}$

where ${\displaystyle \mu _{\infty }}$ is the bulk chemical potential of the adsorbate material, ${\displaystyle \varphi _{a}}$ is the desorption energy of an adsorbate atom from a wetting layer of the same material, ${\displaystyle \varphi _{a}'(n)}$ the desorption energy of an adsorbate atom from기질, $\epsilon {\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle d_{}}$( ${\displaystyle n}$) ${\displaystyle \var렙실론 _{d}(n)}$은 원자당 미스핏 탈구 에너지이며, ${\displaystyle e_{}}$ e${\displaystyle {}_{}}$(${\displaystyle n}$ ${\displaystyle )}$ ${\displaystyle \var렙실론 _{e}(n)}$ 원자당$$ 균질 변형 에너지이다.In general, the values of ${\displaystyle \varphi _{a}}$, ${\displaystyle \varphi _{a}'(n)}$, ${\displaystyle \varepsilon _{d}(n)}$, and ${\displaystyle \varepsilon _{e}(n)}$ depend in a complex way on the thickness of the growing layers and lattice misfit between the subs필름을 트립하여 흡착하다작은 균주의 $한계인{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {dd}_{}}$ ${\displaystyle {,}_{}{e}_{}}$($n$ )${\displaystyle {}_{\mathrm{}}}$μ μ ∞ ${\$ \$mu _$${\inflty$에서 필름 성장 모드의 기준은 $d{\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{\mathrm{\mu d}}{}}$ d ${\d}에 따라$ 달라진다$.$

• VW 성장: < ${\displaystyle {\frac {d\mu }{dn}}<0}($아드톰 응집력이 표면 접착력보다 강함)
• FM 성장: > 0 ${\displaystyle {\frac {d\mu }{dn}}>0}($표면 접착력이 아달톰 응집력보다 강함)

SK의 성장은 이 두 가지 불평등 모두로 설명할 수 있다.초기 필름 증가는 FM 메커니즘, 즉 양의 미분 μ를 따르는 반면, 비극량의 변형 에너지는 축적된 층에 축적된다.임계 두께에서 이 변종은 화학적 전위, 즉 음의 미분 μ에 신호 반전을 유도하여 성장 모드의 스위치를 유도한다.이 시점에서 핵섬에 에너지적으로 유리하며 VW형 메커니즘에 의해 추가 성장이 발생한다.^[7]위에 제시된 것과 유사한 층 성장에 대한 열역학적 기준은 표면 장력과 접촉 각도의 힘의 균형을 사용하여 얻을 수 있다.^[8]

습식 층의 형성은 결정 표면에서 상응한 방식으로 발생하기 때문에 각 재료의 격자 매개변수가 다르기 때문에 필름과 기질 사이에 연관성이 있는 경우가 많다.얇은 막을 두꺼운 기질에 부착하면 ${\displaystyle \frac{f_{}}{}}$- ${\displaystyle \frac{s_{}}{}}$ ${\$ {$a_{f}-a_{s}{s$}}{s}}{s$\}\}.$ 여기 ${\displaystyle f_{}}$ ${\$와 $s{\displaystyle {}_{}}$ ${\$가 각각 필름과 기판 격자 상수이다$$.습윤층이 두꺼워짐에 따라 관련 변형 에너지가 급격히 증가한다.긴장을 완화하기 위해, 섬 형성은 탈구되거나 일관성 있는 방식으로 발생할 수 있다.탈구된 섬에서는 계면 부적응 탈구를 형성하여 변형 릴리프가 발생한다.탈구를 도입함으로써 수용되는 변형 에너지 감소는 일반적으로 클러스터 생성과 관련된 표면 에너지 증가의 상응 비용보다 크다.임계두께 ${\displaystyle h_{}}$ C {\$displaystyle h_{C}$라고 하는 섬 핵이 시작되는 습윤층의 두께는 필름과 기질 사이의 격자 불일치에 크게 의존하며, 불일치가 더 커서 임계두께가 작아진다$.$^[9]$h{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle C_{}}$ ${\$의 값은 하위 계층 적용 범위부터 최대 몇 개의 단일 계층 두께까지 다양할$$ 수 있다.^[1][10]그림 2는 SK 성장 중 임계 레이어 높이에 도달한 후 탈구된 섬을 보여준다.순수한 가장자리 탈구는 군집의 완화 구조를 나타내기 위해 섬 인터페이스에 표시된다.

시·지 시스템 중에서도 특히 나노 크기의 탈구 없는 섬은 SK 성장 과정에서 기판의 가까운 표면층에 분해를 도입해 형성될 수 있는 경우도 있다.^{[11][12][13][14][10]}국소 곡률의 이러한 영역은 기질과 섬 모두를 탄력적으로 변형시켜 누적된 긴장을 완화시키고 습윤층과 섬 격자 상수를 그것의 부피 값에 더 가깝게 한다.$h{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle C_{}}$ ${\$의 이러한 탄성 불안정은 그릭펠트 불안정(이전의 Asaro-Tiller-Grinfeld; ATG)으로 알려져$$ 있다.^[7]결과 섬들은 일관성이 있고 결함이 없어 나노스케일 전자 및 광전자 장치에 사용하는 데 상당한 관심을 가지고 있다.그러한 신청은 나중에 간단히 논의된다.기판 표면과 섬에서 유도된 곡률 반경을 강조하는 그림 3에 결과 상피 구조의 개략도가 표시된다.마지막으로, 일관성 있는 SK 성장을 나타내는 변형률 안정화는 섬간 분리가 감소함에 따라 감소한다.큰 섬 밀도(간격이 더 작음)에서는 인접 성단의 곡률 효과가 탈구 루프를 형성하여 섬이 훼손될 수 있다.^[11]

SK 성장 모니터링

와이드 빔 기법

오거전자분광기(AES), 저에너지 전자회절기(LEED), 반사고에너지 전자회절기(RHID) 등 분석기법이 SK 성장세를 감시하는 데 광범위하게 활용됐다.Pd/W(100), Pb/Cu(110), Ag/W(110), Ag/Fe(110)와 같은 수 모델 시스템에서 필름 증가 중에 현장에서 얻은 AES 데이터는 그림 4와 같은 특성 세그먼트 곡선을 보여준다.^[1][2][11]표면 커버리지 θ의 함수로 표시된 필름 오거 피크의 높이는 처음에는 직선을 나타내며, 이는 FM 성장을 위한 AES 데이터를 나타낸다.임계 흡착 표면 커버리지에 명확한 중단점이 있고 그 다음에 감소된 슬로프에서 또 다른 선형 세그먼트가 뒤따른다.쌍체 중단점과 얕은 선 경사는 섬 핵의 특성이다. FM 성장의 유사한 그림은 그러한 선과 브레이크 쌍을 많이 나타내지만 VW 모드의 그림은 낮은 경사의 단일 선일 것이다.일부 시스템에서는 2D 습식 계층의 재구성은 흡착 커버리지가 증가함에 따라 AES 피크를 감소시킨다.^[11]그러한 상황은 표면과 핵에서 중요한 핵 크기에 도달하기 위해 많은 아다톰이 필요할 때 발생하며, 결과적으로 흡착된 층은 단열재의 상당한 부분을 차지한다.핵화 후 표면의 전이성 아다톰이 핵에 통합되어 오거 신호가 떨어지게 된다.이 현상은 몰리브덴 기질에 침전된 경우 특히 뚜렷하다.

SK 전환 중 섬 형성의 진화는 또한 LEED와 RHID 기술을 사용하여 성공적으로 측정되었다.다양한 LEED 실험을 통해 얻은 회절 데이터는 섬 형성이 시작될 때 임계 층 두께를 측정하기 위해 AES와 함께 효과적으로 사용되어 왔다.^[2][11]또한 RHID 진동은 SK 성장 중 층간 이동에 매우 민감한 것으로 입증되었으며, 회절 데이터는 핵섬에 대한 상세한 결정학적 정보를 제공한다.LEED, RHID 및 AES 신호의 시간 의존성에 따라, 표면 운동학 및 열역학에 대한 광범위한 정보가 기술적으로 관련된 여러 시스템에 대해 수집되었다.

현미경

탐사선 크기가 섬 크기에 비해 상대적으로 클 수 있는 마지막 섹션에서 제시된 기법과는 달리, 전자현미경 검사(SEM), 전송전자현미경 검사(TEM), 터널링현미경 검사(STM), 원자력현미경 검사(AFM)와 같은 표면현미경은 입출고/하중을 직접 볼 수 있는 기회를 제공한다.결합 사건을 ^[1][3][11]추적하다이러한 기법이 제공하는 극단적인 확대는 종종 나노미터 길이 눈금까지 내려가는 것으로, 강력한 3D 섬을 시각화하는 데 특히 적용 가능하다.UHV-SEM과 TEM은 SK 성장기 동안 섬 형성을 영상화하는 데 일상적으로 사용되어 섬 밀도부터 평형 모양까지 다양한 정보를 수집할 수 있다.^[1][2][3]AFM과 STM은 섬 기하학을 주변 기질 및 습식층의 표면 형태학과의 상관관계에 점점 더 활용되고 있다.^[14]이러한 시각화 도구는 넓은 빔 분석 중에 수집된 정량적 정보를 보완하는 데 종종 사용된다.

나노기술 적용

앞서 언급했듯이 SK 성장기의 일관성 있는 섬 형성은 상피 나노스케일 구조, 특히 양자점(QD)을 조작하는 수단으로 관심이 높아졌다.^{[12][13][14][15][16]}SK-성장-모드에서 크게 사용되는 양자점은 재료 조합 Si/Ge 또는 InAs/GaAs를 기반으로 한다.^[17]섬 조직, 밀도, 기질 위의 크기를 조절하는 방법을 개발하는 데 상당한 노력을 기울였다.SK 전환의 시작을 바꾸거나 아예 억제하기 위해 펄스 레이저로 표면 디밍, 성장률 제어 등의 기법이 성공적으로 적용됐다.^[14][18]이러한 전환을 공간적으로 또는 일시적으로 제어할 수 있는 능력은 기하학 및 크기와 같은 나노 구조물의 물리적 매개변수 조작을 가능하게 하며, 이는 다시 그들의 전자적 또는 광전자적 특성(즉, 밴드 간격)을 변경할 수 있다.예를 들어, 슈바르츠-셀링거 외.Si에 표면 디밍을 사용하여 디노이드 존으로 둘러싸인 우선적인 게섬 핵 부지를 제공하는 표면 오타를 만들었다.^[14]유사한 방식으로 석판 패턴 기판이 SiGe 클러스터를 위한 핵 템플릿으로 사용되어 왔다.^[13][15]기질 완화 및 성장률을 조절해 SK 성장 과정에서 섬 기하학적 구조가 바뀔 수 있다는 연구도 여러 차례 나왔다.^[14][16]시 섬들의 바이모달 크기 분포는 질감 있는 시 기질에 게가 성장한 후 피라미드와 돔 모양의 섬들이 공존하는 이 현상을 보여주는 두드러진 사례다.^[14]이러한 구조의 크기, 위치 및 모양을 제어하는 그러한 능력은 마이크로 전자공학 산업에서 차세대 장치의 '상향식' 제작 계획에 귀중한 기술을 제공할 수 있다.

참고 항목

• 에피택시
• 박막
• 분자빔 상피

참조