Технология полупроводникового кремния - Фалькевич Э.С.
ISBN 5-229-00740-0
Скачать (прямая ссылка):
Если температура ниже Tnn, то силы взаимодействия становятся больше и атомы могут чаще удерживаться на поверхности. Ho существует более совершенный механизм присоединения атомов к поверхности - это одновременное прилипание целого слоя атомов.
43
Рис. 16. Переход из жидкого (пара) в твердое состояние:
а — одиночный атом на поверхности кристалла (всего одна связь, максимальная сфера теплоотвода); б — двумерный зародыш радиусом г'* (атом у ступени зародыша; две связи и максимальная сфера теплоотвода); в — трехмерный зародыш г*; г — атом у высокой ступени (две связи и ограниченная сфера теплоотвода)
Конечно, вероятность того, что одновременно большое количество атомов совершит такое действие, мала, но в пределах десятка или нескольких десятков атомов это вполне вероятно. Коллективный переход выгоден уже потому, что большинство атомов попадает в более надежное окружение, чем один атом. Кроме сил, направленных нормально, в этом случае действуют еще силы со стороны соседей. Теперь не отрывается одиночный атом, а, наоборот, прижимается образовавшаяся поверхность к твердой или жидкой фазе. И как только избыточное тепло будет отведено, вновь образовавшаяся поверхность становится органическим продолжением растущей фазы. Теперь только периферийные частицы подвергаются опасности возврата в окружающую среду и если их больше, чем частиц внутри мономолекулярного слоя, то такое образование может снова разрушиться. Поэтому существует некоторая критическая величина поверхности, способная устоять против разрушительного действия материнской фазы (фазы, из которой образуется новое вещество). Ее обычно называют критическим двумерным зародышем и характеризуют величиной критического радиуса г' *. Если радиус слоя на одну молекулу меньше г' *, то слой неустойчив
и, однажды образовавшись, в следующее мгновение снова растворится. Если же он больше/-'*, то выгодным является его рост за счет присоединения атомов к ступеньке - границе слоя (рис. 16,6).
Если на поверхности имеются естественные выступы (мономолеку- . лярные), например выход винтовых дислокаций, то они могут способствовать нарастанию слоев кристалла. При этом рост может происходить при меньшем переохлаждении, чем в случае, когда каждый процесс образования слоя связан с возникновением двумерного зародыша1.
Обычно переохлаждение, при котором кристалл начинает расти,
44
называют границей метастабильности. Это значит, что выше этой границы (д T - меньше) материнская фаза выведена из состояния равновесия, но потенциальная энергия взаимодействия между частицами еще слишком мала для образования двумерного зародыша достаточной величины.
Еще раз подчеркнем, что фазовый переход - это переход из состояния с одной потенциальной энергией взаимодействия (которая определяется межатомным расстоянием и взаимным расположением большого количества атомов) в состояние с другой потенциальной энергией. В более низкотемпературной фазе она больше. При этом кинетическая энергия поступательного движения как в той, так и в другой фазе при одной и той же температуре одинакова. Все определяется уровнем поступательной энергии по отношению к кинетической, т.е. температурой.
Когда происходит плавление, оно поглощает тепло на разрыв межатомных связей. При обратном превращении связи восстанавливаются и энергия выделяется в виде тепла. Количество тепла, выделяющееся при кристаллизации (или поглощаемое при плавлении), показывает, насколько изменилась внутренняя энергия д?.
До сих пор рассматривался процесс перехода газа или жидкости в твердое тело, если граница раздела уже существует, причем эта граница плоская и довольно протяженная. А если такой границы нет? Тогда начало образования новой фазы требует гораздо большего переохлаждения. Некоторые чистые вещества требуют переохлаждения, равного десяткам и даже сотням градусов. Многие вещества (стеклообразные) так и не переходят в состояние с упорядоченной кристаллической решеткой, а остаются в твердом, но аморфном состоянии. Фактически такое состояние фиксирует мгновенную структуру жидкости. Ясно, что и при отсутствии готовой поверхности трудности перехода в более упорядоченное состояние связаны с тем, что для его реализации требуется одновременное скачкообразное возникновение некоторого объема упорядоченной фазы. Тогда внутренние атомы благодаря достаточному количеству связей могут удерживать поверхностные атомы от перехода обратно в материнскую фазу.
В этом случае вводится понятие критического зародыша - новой фазы, но уже не двумерного, а трехмерного. Если это зародыш жидкости, образованный из пара, то он может быть сферическим и тогда его критический размер определяется критическим радиусом г*.
Если это субмикроскопический кристаллит, то его критический
1 Иногда в литературе упоминается, что рост с помощью винтовой дислокации определяет другую кинетику роста. В действительности он уменьшает лишь AT, т.е. границу метастабильности. Это хорошо подтверждается опытами.
45
размер определяется длиной ребра параллелепипеда или соизмеримой с ним величиной Г* (рис. 16, в).
