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 [1]. Существенным при морфологических перестройках является генерация 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 (закалке) [2]. 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 (1×1)=>(7×7) на поверхности Si (lll) происходит значительный массоперенос между террасой и ступенью [3]. 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 присутствует большое количество работ по этой теме, однако многие вопросы до сих пор являются открытыми [см., например, обзор 4]. Это относится к морфологии поверхности кремния при повышенных температурах, что связано с трудностями визуализации процессов на поверхности при высоких температурах, когда существенным фактором становится сублимация атомов. Из-за большой термической скорости перемещения 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 [ 5, 6, 7].
Известно, что при протекании через образец кремния электрического тока наблюдается дрейф адатомов вызванный электрическим полем [8], который приводит к перераспределению атомных ступеней в эшелоны, флуктуации ступеней в фазе {in phase step wandering), попарному сближению ступеней и другим эффектам [7, 9, 10, 11]. Существует множество теоретических работ и экспериментальных данных по этой тематике, однако нет полного согласия между ними [4]. 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 [12]. Последние результаты по эшелонированию атомных ступеней в присутствии внешнего пока атомов кремния противоречивы [13, 14], в связи с чем, необходимы дополнительные эксперименты для проверки существующих теорий [15, 16, 17]. 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 [18]. В том числе, в литературе отсутствуют как экспериментальные данные, так и теоретические модели, описывающие поведение антиэшелонов в процессе эпитаксиального роста.
Большими возможностями для проведения указанных выше экспериментов является комплексное исследование морфологии поверхности методом in situ сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии (СВВ ОЭМ) и ex situ методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Преимуществом ОЭМ является возможность наблюдения за изменением морфологии поверхности непосредственно при высоких температурах, в том числе в присутствие внешнего потока атомов. Использование метода АСМ для исследования поверхности быстро охлаждённых от высоких температур в сверхвысоком вакууме образцов (когда морфология поверхности не успевает значительно измениться) позволяет существенно дополнить in situ исследования методом ОЭМ.
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:
1. Исследование влияния на морфологию поверхности 81(111) быстрого охлаждения (закалки) от высоких температур до комнатной, в частности, установление влияния адатомов и поверхностных вакансий на формирование сверхструктуры в процессе охлаждения.
2. Изучение дрейфа адатомов кремния на поверхности 81(111) в условиях электромиграции при повышенных температурах на основе анализа перемещения наклонных ступеней на участках между эшелонами ступеней.
3. Анализ зависимостей перераспределения атомных ступеней, вызванного дрейфом адатомов кремния, на поверхности 81(111) при эпитаксиальном росте, сублимации и квазиравновесии.
4. Определение влияния электрического тока, нагревающего образец, на распределение атомных ступеней на поверхности 81(001) при сублимации.
Научная новизна.
• Определена энергия активации образования сверхструктурных доменов 81(111)-(7×7) при закалке, составившая 0,7±0,1 эВ.
• Выявлены закономерности перераспределения ступеней на поверхности кремния (111) при повышенных температурах в условиях полностью скомпенсированной сублимации.
• Установлено влияние электрического тока, нагревающего кристалл, и внешнего потока атомов кремния на направление дрейфа адатомов и положение антиэшелонов в условиях электромиграции.
Практическая ценность работы.
• Разработан метод калибровки атомно-силовых микроскопов на основе измерения высоты островков адатомов (0,08 нм), образующихся на поверхности кремния (111) при закалке (патент RU 2 407 101 (2010.12.20') Бюл. № 35, 49 с. «Способ изготовления ступенчатого высотного калибровочного стандарта для профилометрии и сканирующей зондовой микроскопии»).
• Показаны возможности использования фазового и топографического контраста для анализа распределения и формы атомных ступеней под слоем естественного окисла, на основе визуализации моноатомных ступеней на Si (001) и Si (111) высотой «0,14 нм и «0,31 нм соответственно.
• Разработан держатель кремниевых образцов в геометрии плоского капилляра для электронного микроскопа, позволяющий проводить эпитаксию и сублимацию на поверхности кремния (111) при высоких температурах.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных научных конференциях:
International Workshop «Scanning Probe Microscopy-2002», (Nizhniy Novgorod, Russia, 2002) — International Autumn School on Electron Microscopy «Progress in Materials Science through Electron Microscopy» (Berlin, Germany, 2002) — Международного Симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2005, 2007) — XI национальной конференции по росту кристаллов (Москва, Россия, 2004) — III Российского совещания по росту кристаллов и пленок кремния и исследованию их физических свойств и структурного совершенства «Кремний-2006» (Красноярск Россия 2006) — 15-th International Symposium «Nanostructures: physics and technology» (Novosibirsk, Russia, 2007) — VIII Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники-2007» (Екатеринбург, Россия, 2007) — XXII Российской конференции.
— lino электронной микроскопии (Черноголовка, Россия, 2008) — 16-th International.
Symposium «Nanostructures: physics and technology» (Vladivostok, Russia, 2008) — 1-st.
Russian-Japanese Young Scientists Conference on Nanomaterials and Nanotechnology.
Moscow, Russia, 2008) — XIII Национальной конференции по росту кристаллов (Москва,.
Россия, 2008) — IV Школе по метрологии (Новосибирск, 2011) — X Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники-2011» (Нижний Новгород,.
2011).
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.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Закалка кремния (111) приводит к образованию на террасах между атомными ступенями треугольных доменов сверхструктуры (7×7), разделённых островками, состоящими из «замороженных» неупорядоченных адатомов. Количество адатомов не зависит от начальной температуры закалки в пределах точности измерений. Зарождение сверхструктуры (7×7) лимитируется концентрацией поверхностных вакансионных кластеров, характеризующейся аррениусовской зависимостью от температуры с энергией 0,7 эВ.
2. 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 12 800С, составившая 0,07±0,01 единиц заряда электрона.
3. При длительном отжиге из антиступеней формируется антиэшелон ступеней, положение которого относительно соседних эшелонов однозначно 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.
4. На поверхности кремния (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 и энтропийного взаимодействий.
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. Нумерация рисунков и формул сквозная в пределах главы.
