Морфология поверхности кремния при закалке и сублимации Родякина, Екатерина Евгеньевна

Введение к работе

Актуальность темы. Взаимодействие собственных точечных дефектов (междоузельных атомов и вакансий) с поверхностью полупроводников оказывает существенное влияние на процессы формирования тонких плёнок в эпитаксиальных технологиях. На сегодняшний день определение вклада точечных дефектов в структурные процессы на поверхности кремния затрудненно в связи с их малой концентрацией в объёме кристалла по сравнению, например, с концентрацией точечных дефектов в металлах. Существенным при морфологических перестройках является образование и взаимодействие точечных дефектов (адатомов и вакансий), генерируемых на поверхности и в приповерхностных слоях.

Одним из классических способов изучения точечных дефектов на поверхности являются эксперименты по быстрому охлаждению кристалла. Атомные ступени на поверхности кристалла, являясь источником и стоком для адатомов и поверхностных вакансий, могут влиять на их распределение по поверхности. Если поверхность содержит равномерно расположенные атомные ступени на малом расстоянии друг от друга, то взаимодействие атомов и вакансий с поверхностью приведёт к смещению ступеней. Вдали от ступеней на достаточно широких террасах поведение адатомов и вакансий является слабо изученным, так как экспериментальное получение больших террас затруднено. Например, известно, что при сверхструктурном фазовом переходе (1x1)^(7x7) на поверхности Si( 111) происходит значительный массоперенос между террасой и ступенью [1]. Интересным представляется анализ зарождения сверхструктурных доменов на достаточно широкой террасе и выяснение роли собственных точечных дефектов (адатомов и вакансий) в реконструкции поверхности. Таким образом, необходимо проведение экспериментов по быстрому охлаждению кристалла кремния с малой плотностью ступеней на грани (111).

В последнее время наблюдается интерес к процессам самоорганизации на поверхности кремния: атомные ступени в условиях электромиграции, германиевые квантовые точки, металлические кластеры на кремнии и так далее. Для всех этих исследований значимым является морфология поверхности кремния и её трансформации вследствие изменения характеристик адатомов и вакансий (диффузионной длины, концентрации, времени жизни и т.д.) под действием различных внешних условий (температура, давление, поток атомов на поверхность). В научной литературе этой теме посвящено большое количество работ, но многие вопросы до сих пор являются открытыми [см., например, обзор 2]. Это относится к морфологии поверхности кремния при повышенных температурах, что связано с трудностями визуализации процессов на поверхности при высоких температурах, когда существенной становится сублимация атомов. Из-за большой термической скорости движения адатомов невозможно проследить экспериментально за их перемещением по поверхности, а, следовательно, и определить распределение и концентрацию в каждой отдельной точке. Косвенно судить о концентрации адатомов можно по перемещению ступеней при высоких температурах, так как скорость ступени непосредственно зависит от концентрации точечных дефектов на террасах. Для описания кинетики ступеней используются теоретические модели и сравниваются с результатами экспериментов и компьютерного моделирования.

Известно, что при протекании через образец кремния электрического тока наблюдается дрейф адатомов вызванный электрическим полем, который приводит к перераспределению атомных ступеней атомных ступеней в эшелоны, флуктуациям ступеней в фазе, попарному сближению ступеней и другим эффектам. Существует множество теоретических работ и экспериментальных данных по этой тематике, однако нет полного согласия между ними [2]. В частности, в литературе отсутствуют теории, объясняющие все экспериментально наблюдаемые особенности формирования эшелонов атомных ступеней под действием электрического тока, протекающего через образец, в связи со сложной зависимостью от температуры и направления электрического тока [3]. Последние результаты по эшелонированию атомных ступеней в присутствии внешнего потока атомов кремния противоречивы, в связи с чем, необходимы дополнительные эксперименты для проверки существующих теорий. Также обнаружено, что при определённых условиях формируется более сложная структура - антиэшелоны ступеней (скопление ступеней, противоположно направленных относительно ступеней в эшелоне), формирование которых не полностью объяснено. В том числе, в литературе отсутствуют как экспериментальные данные, так и теоретические модели, описывающие поведение антиэшелонов в процессе эпитаксиального роста.

Целью настоящей диссертационной работы является анализ атомных процессов, происходящих на поверхности кремния при повышенных температурах и при закалке.

Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:

Исследование влияния на морфологию поверхности Si(111) быстрого охлаждения (закалки) от высоких температур до комнатной, в частности, установление влияния адатомов и поверхностных вакансий на формирование сверхструктуры в процессе охлаждения.

Изучение дрейфа адатомов кремния на поверхности Si(111) в условиях электромиграции при повышенных температурах на основе анализа перемещения наклонных ступеней на участках между эшелонами ступеней.

Анализ зависимостей перераспределения атомных ступеней, вызванного дрейфом адатомов кремния, на поверхности Si(111) при эпитаксиальном росте, сублимации и квазиравновесии.

Определение влияния электрического тока, нагревающего образец, на распределение атомных ступеней на поверхности Si(001) при сублимации.

Научная новизна работы

1. 1. Определена энергия активации образования сверхструктурных доменов Si(111)- (7x7) при закалке, составившая 0,7+0,1 эВ.

   2. Выявлены закономерности перераспределения ступеней на поверхности Si(111) при повышенных температурах в условиях полностью скомпенсированной сублимации.

   3. Установлено влияние электрического тока, нагревающего кристалл, и внешнего потока атомов кремния на направление дрейфа адатомов и положение антиэшелонов в условиях электромиграции.

   Практическая ценность работы

   1. 3. 1. Разработан метод калибровки атомно-силовых микроскопов на основе измерения высоты островков адатомов (0,08 нм), образующихся на поверхности кремния (111) при закалке (патент RU 2407101 (2010.12.20) Бюл. № 35, 49 с. «Способ изготовления ступенчатого высотного калибровочного стандарта для профилометрии и сканирующей зондовой микроскопии»).

         2. Показаны возможности использования фазового и топографического контраста в методе атомно-силовой микроскопии для анализа распределения и формы атомных ступеней под слоем естественного окисла, на примере визуализации моноатомных ступеней на Si(001) и Si(111) высотой «0,14 нм и «0,31 нм соответственно.

         3. Разработан держатель кремниевых образцов в геометрии плоского капилляра для in situ экспериментов в электронном микроскопе, позволяющий проводить эпитаксию и сублимацию на поверхности Si(111) при высоких температурах.

         На защиту выносятся следующие положения:

         1. Закалка Si( 111) приводит к образованию на террасах между атомными ступенями треугольных доменов сверхструктуры (7х7), разделённых островками «замороженных» неупорядоченных адатомов. Количество адатомов не зависит от начальной температуры закалки в пределах точности измерений. Зарождение сверхструктуры (7х7) лимитируется концентрацией поверхностных вакансионных кластеров, характеризующейся аррениусовской зависимостью от температуры с энергией 0,7 эВ.

         1. 3. 3. 1. На поверхности Si(111) градиент концентрации адатомов, возникающий вследствие дрейфа адатомов под действием электрического тока, нагревающего образец, приводит к изгибу одиночной ступени на участках между эшелонами и формированию ступени противоположного знака (антиступени). На основе экспериментальных данных и предложенного модельного описания поведения наклонных ступеней между эшелонами, а именно, из зависимости положения антиступени от расстояния между эшелонами проведена оценка величины эффективного заряда адатомов при 1280С, составившая 0,07±0,01.

                  2. При длительном отжиге из антиступеней формируется антиэшелон ступеней, положение которого относительно соседних эшелонов связано с пересыщением на поверхности: при сублимации (отрицательном пересыщении) он формируется ближе к нижнему эшелону, при эпитаксиальном росте (положительном пересыщении) - к верхнему, при условиях близких к равновесным (пересыщении близком к нулю) - в центре между эшелонами.

                  3. На поверхности кремния Si(001) среднее расстояние между ступенями в эшелоне обратно пропорционально корню из количества ступеней в эшелоне. Это, согласно существующей теории, соответствует зависимости потенциала взаимодействия ступеней в эшелоне от расстояния между ступенями в виде суммы двух потенциалов с разными коэффициентами - логарифмического за счёт образования силовых монополей и обратно- квадратичного вследствие упругого (дипольного) взаимодействий.

                  Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных научных конференциях:

                  International Workshop "Scanning Probe Microscopy", Russia, Nizhniy Novgorod, (2002, 2003, 2004); International Autumn School on Electron Microscopy "Progress in Materials Science through Electron Microscopy" (Berlin, Germany, 2002); Международный Симпозиум "Нанофизика и наноэлектроника" Россия, Нижний Новгород, (2005, 2007); XI, XIII Национальная конференция по росту кристаллов, Москва (2004, 2008); III Российское совещание по росту кристаллов и пленок кремния и исследованию их физических свойств и структурного совершенства "Кремний-2006", Красноярск (2006); 15-th, 16-th International Symposium "Nanostructures: physics and technology" Russia, Novosibirsk (2007), Vladivostok (2008); VIII, X Российской конференции по физике полупроводников, Екатеринбург (2007), Нижний Новгород (2011); XXII Российская конференция по электронной микроскопии, Черноголовка (2008); 1-st Russian-Japanese Young Scientists Conference on Nanomaterials and Nanotechnology, Russia, Moscow (2008); IV Школа по метрологии, Новосибирск (2011).

                  Личный вклад соискателя заключался в постановке задачи, разработке системы плоского капилляра, активном участии в проведении экспериментов методом СВВ ОЭМ, проведении измерений методом АСМ, анализе и обработке полученных результатов, формулировке выводов и написании статей.

                  Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 20 публикациях: 6 статьях в рецензируемых международных и российских научных журналах, 2 патентах и 12 тезисах ведущих отечественных и международных конференций, в том числе 4 из них удовлетворяют перечню рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.

                  Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения с выводами, содержит 183 страницы, 45 рисунков, 7 таблиц и список литературы, состоящий из 184 наименований.

                  Похожие диссертации на Морфология поверхности кремния при закалке и сублимации

                  

                  Структура и морфология поверхности кремния(III) при адсорбции кислорода и золотаКосолобов Сергей Сергеевич

                  

                  Влияние морфологии поверхности на магнитные свойства ферромагнитных сплавовКовалева Наталья Павловна

                  

                  Структура и морфология поверхности эпитаксиальных пленок Cu2Se и CuInSe2Харин Алексей Николаевич

                  

                  Закономерности формирования структуры, внутренних напряжений и морфологии поверхности наноразмерных углеродных покрытий, осаждаемых импульсным вакуумно-дуговым методомПоплавский, Александр Иосифович

                  

                  Морфология и структура поверхности на начальных стадиях роста пленок GeSi и GeSiSn на Si(100) Тимофеев Вячеслав Алексеевич

                  

                  Кинетика формирования наноструктур при вакуумной конденсации металлов на поверхность с развитой морфологиейОмороков, Дмитрий Борисович

                  

                  Электронная структура и морфология графена, синтезированного на монокристаллических поверхностях никеля и кобальтаУсачев Дмитрий Юрьевич

                  

                  Влияние ионно- и электронно-пучковых воздействий на химический состав, морфологию и адгезионную прочность покрытий из молибдена или тантала на поверхности никелида титанаАрышева, Галина Владиславовна

                  

                  Процессы роста на чистой и модифицированной бором поверхности кремнияКоробцов Владимир Викторович

                  

                  Динамика структурно-фазовых переходов на поверхности кремния при импульсном световом облученииЗахаров Максим Викторович