Исследование взаимодействия висмута с поверхностью кремния (001) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

рГй

- 8 ,',ч?

НАЦІОНАЛЬНА. АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

ІГЯТНИЦЬКИЙ Максим Юрійович

УДК 537.534

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЗАЄМОДІЇ ВІСМУТУ З ПОВЕРХНЕЮ КРЕМНІЮ (001)

Спеціальність 01.04.04 — фізична електроніка

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі кріогенної та мікроелектроніки радіофізичного факультету Київського університету ім.Тараса Шевченка.

доктор фіз.-мат. наук, професор

Находкін Микола Григорович,

завідувач кафедри кріогенної та мікроелектроніки

радіофізичного факультету

Київського унівгрситету ім. Тараса Шевченка

члги-кореспондент НАН України, доктор фіз-мат. наук, професор Птушинський Юрій Григорович, завідувач відділом адсорбційних явищ Інституту Фізики НАН України

член-кореспондент НАН України, доктор фіз.-мат. наук, професор Літовченко Володимир Григорович, завідувач відділом фізичних основ інтегральної електроніки Інституту Напівпровідників НАН України

Провідна установа Харківський державний університет

спеціалізованої вченої рад. ., .01 при Інституті Фізики НАН

України за адресою 252650, ГСП, Київ-22, проспект Науки, 46.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту Фізики НАН України за адресою 252650, ГСП, Київ-22, проспект Науки, 46.

Науковий керівник академік НАН України,

Офіційні опонента

Захист відбудеться

%#1997 р. о ціні на засіданні

Автореферат розісланий

1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. фіз.-мат. наук

ЬцукВА.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Присутність на поверхні твердого тіла чужорідних атомів може суттєво змінити її характеристики. Один з прикладів — зміна хімічної активності поверхні кремнію під час адсорбції атомів металів. Адсорбція лужних металів призводить до підвищення активності цієї поверхні по відкоїпеїглЗв до окислення; з іншого боку, адсорбція на тій же поверхні деяких елементів V-! групи (наприклад, арсену) призводить до її пасивації. Дослідження подібних явшц має великий науковий інтерес, оскільки дозволяє поглибити і деталізувати наші уявлення про природу хімічного зв’язку і реакціях па поверхні.

Прикладний інтерес щодо розвитку технології мікроелекгроніки має мшїляйість маніпулювати хімічною активністю поверхні за допомогою субмоиошарових кількостей адсбрбатів, зокрема, керувати одним з ключових процесів мікроелекгронної технології — контрольованим окисленням ішсрхні 81. Ще один напрямок досліджень прикладного характеру, що пов’язаний з адсорбцією субмоиошарових кількостей чужорідних атомів — інтенсивний пошук шляхів створення досконалих гетерострукіур Ое/Бі. Головною перешкодою є те, що Єє має помітно більшу сталу кристалічної граткй, ніж іфемкіЙ, В результаті на чистій поверхні кремнію, не вдається виростати епітаксійну плівку германію. Плівка росте острівцевою.іВиявилось, одначе, що деякі речовини, зокрема, такі елементи У-ї групи, як Аб, БЬ, Ві, ЗМІШАЮТЬ умови росту гетерострукіури і дозволяють в ряді випадав Одержувати майже епітаксійне покриття. Ці речовини мають назву поверхаеаизсгивних речовин, або сурфакгантів. Вважають, що дія сурфактантів багато в чому обумовлена їх властивістю пасивувати поверхню. Тому для розуміння процесів, що ідуть під час гетероепітаксії з участю сурфахтшпів, необхідні відомості про властивості систем сурфаетаят/нЕпІвпровідпик окремо.

\

За літературними даними, майже “ідеальним” сурфактантом є вісмут. Він практично не розчиняється в об’єму гетероструктури під час її росту, отасе, не має побічного впливу на її електрофізичні характеристики. Ця ж властивість робить його зручним модельним об’єктом для досліджень впливу сурфактантів на електронну структуру і хімічну активність поверхні напівпровідника, оскільки можна знехтувати дифузією адсорбату в глибину. В роботі в якості такої модельної системи була вибрана система Ві/8і(001). Поверхня кремнію 8і(001) була вибрана тому, що вона є одною з таких, що найбільш часто використовується в технології мікроелекгроніки. Ц« поверхня має більш просту атомну структуру, ніж грань Бі( 111), що також часто використовується в мікроелектроніці.

Окислення поверхні кремнію є чи не найважливим процесом мікроелектронної технології, тому вплив вісмуту на хімічну активність поверхні кремнію оцінювався за зміною характеру адсорбції кисню.

Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з планом наукових досліджень, що проводились на кафедрі кріогенної і мікроелектроніки радіофізичного факультету Київського університету ім. Тараса Шевченка в рамках бюджетної науково-дослідної роботи “Розробка фізичних основ кількісного контролю параметрів, процесів формування, структурних та топографічних характеристик, вивчення властивостей об’єктів нанометрових розмірів з метою створення фізичних основ перспективних технологій”, № ДР 0194Ш310.

Метою роботи було одержати» нові дані про властивості системи сурфактант/напівпровідник на прикладі конкретної системи Ві/8і(001), а саме про початкові стадії формування покриттів Ві/Бі(001); про вплив вісмуту на електронну структуру поверхні 5і(001) і, як наслідок, на її хімічну активність на прикладі взаємо. лекулярним киснем.

Для досягнення цієї мети було необхідно вирішити такі задачі:

—реалізувати методики, що дозволяють проводити дослідження границь метал-напівпровідник в умовах надвисокого вакууму;

—дослідити механізм росту плівки Ві на 8і(001) з товщинами порядку кількох моношарів, характер зв’язку вісмуту з підкладкою.

—дослідити вплив адсорбованого вісмуту на електронні поверхневі стани 8і(001) та зміну в наслідох цього хімічної активності поверхні на прикладі адсорбції молекулярного кисню.

Наукова новизна роботи .

1.Більш детально, ніж в відомих роботах, досліджено процес формування іраниці розділу Ві/8і(001) з потоку вісмуту в вакуумі при кімнатній температурі.

2.Ввдначено термодесорбційні характеристики субмоношарових покріггь вісмуту на кремнії (001).

З .Показано, що під час адсорбції на поверхню 8і(00і) вісмут пригнічує незаповнені поверхневі стани, породжені обірваними зв’язками поверхні. Для системи Ві/8і(001) ці дослідження проведені вперше.

4.Вперше одержано дані про вплив адсорбованого вісмуту на адсорбцію молекулярного кисню поверхнею 8і(001) в діапазоні доз 102—10б ленгмюр (Л). Показано, що зміна характеру адсорбції не вичерпується простою пасивадією поверхні вісмутом. Запропоновано модель, що описує вплив ісмуіу на кінетику адсорбції кисню поверхнею 8і(001).

Практична цінність роботи

* Одержані в роботі нові дані про структуру і властивості системи

Ві/8і(001)+кисень дозволяють запропонувати систему Ві/Бі(001) як

модельну при вивченні взаємодії кисню з поверхнею кремнію в присутності атомів адсорбату.

• Одержано дані про умови створення субмоношарових покриттів вісмуту на поверхні ві(001), одержано кількісні термодесорбційні характеристики системи Ві/8і(001), що необхідні для розробки технологічних процесів мікроелектроніки з участю вісмуту юс сурфактанту.

• Результати, що одержані з дослідження адсорбційних властивостей системи ВіУ8і(001) показують, що вісмут може бути використаний, в залежності від дози кисню, або як пасивуючий агент, або як каталізатор формування на поверхні кремнію тонкого шару оксиду БЮ?, Одержані дані входять до фізичних основ створення технологій мікро» і наноелекгроніки.

• В процесі виконання роботи розроблено оригінальний програмно-апаратний комплекс збору і обробки електронних спектрів. Програмна частина комплексу може бути використана для обробки даних електронної спектроскопії та споріднених методів і в теперішній час використовується в лабораторії електронної спектроскопії, лабораторії фізичної електроніки Київського університету ім. Тараса Шевченка і лабораторії розмірних електронних явищ Інституту Фізики НАНУ.

Положення, що виносяться на захист

1. Вісмут на поверхні Бі(001) зі ступенем покриття 0£®з>=О,65±О,15 моношару утворює поверхневу фазу, для якої енергія активації (£«/) і передекспоненційний фактор (и>) десорбції не залежать від ступеня покриття. Виміряно величини £/=2,8±0,1 еВ і у0=2-1О(13±0,6)с'1.

2. Під час адсорбції на поверхню Бі(001) вісмут насичує обірвані зв’язки кремнію (пасивує поверхню), утворюючи переважно ковалентні зв’язки з поверхневими атомами Бі(001).

3. Шар вісмуіу зі ступенем покриття 0* впливає на окисленні поверхні кремнію (001) таким чином, що при малих дозах молекулярного кисню (<103Л) переважає пасивація поверхні, що проявляється в зменшенні в >100разів початкового коефіцієнта прилипання Оі, а при великих дозах (>105Л) спостерігається стимульоване вісмутом окислення поверхні кремнію.

4. Окислення поверхні 5і(001), стимульоване шаром вісмуту 0Я> при дозах 02 ~106Л призводить до формування тонкого шару оксиду, близького за стехіометрією до віОг. Вісмут знаходиться на поверхні шару оксиду і залишається неокисленим. Запропонована модель, що описує кінетику накопичення кисню поверхнями 8і(001) і Ві/8і(001). Параметрами моделі є початковий коефіцієнт прилипання кисню Зо і коефіцієнт А, що є імовірністю в одиницю часу стрибку хемосорбованого атому кисню з поверхні під перший шар кремяійових атомів. В рамках моделі різниця в характері адсорбції пояснюється зменшенням 5о на поверхні ВіЛЗі(001) при збільшенні імовірності стрибків к, що призводить до утворення поверхневого шару вІО}.

Особистий внесок автора. Дисертація є підсумком результатів досліджень, що виконані автором особисто і в співпраці з колегами по роботі. Конкретна особиста участь автора полягає в тому, що він особисто модернізував експериментальну установку, на якій були проведені всі експерименти, створив програмну частину системи автоматизації збору і обробки експериментальних даних з установки на персональному компьютері. Дисертант провів більшість експериментів і вимірів, результати яких лети в основу роботи і визначиш її наукову новизну. Дисертант особисто обробив всі експериментальні дані, написав і оформив наукові праці. Дисертанту

належить суттєва роль в інтерпретації отриманих результатів, зокрема модифікація моделі адсорбції кисню на поверхні Bi/Si(001).

Анробаціа робота і публікації

Основні результата та положення дисертації докладались та обговорювались на 14-й Европейскій конференції з науки про поверхню (ECOSS-14, Лейпціг, Германія, 1994р.), Міжнародному симпозіумі з вгоринноелекгронної, фотоелектронної «ласіям і електронній спектроскопії поверхні твердих тіл (Ташкент, жовтень 19S4p.), NATO Advanced Science Institute “Frontires in nanoscale science of micron/submicron devices” (Київ, серпень 1995р.), Міжнародній науковій конференції, присвяченій 150-річчю з дня народження Івана Пулюя (Львів, тралень 1995р.), Міжнародній конференції по виготовленню поверхонь і інтерфейсів (ICFSI-5, Прінстон, США, червень 1995р), 5-й міжнародній конференції зі структури поверхні (ICSOS-5, Екс-ен-Прованс, Франція, липень 1996г.), 16-й Европейскій конференції з науки про поверхню (ECOSS-16) (Генуя, Італія, вересень 1996г.).

За матеріалами дисертації опубліковано 3 статті в міжнародних та українських наукових журналах, 1 стаття в міжнародній науковій збірці за матеріалами NATO Advanced Science Institute “Frontires in nanoscale science of micron/submicrcn devices” (Київ, серпевь 1995р.), 2 робота в збірках наукових праць, 6 тезах коференцій. Перепік основних публікацій наведено в кінці автореферату.

Структура та обсяг дисертації

Диссертаційна робота викладена на 123 сторінках, містить в собі 40 рисунків і графіків па 39 сторінках, 2-х таблиць на 2-х сторінках, складається з

вступу, чотирьох розділів з короткими висновками, заключного розділу з

\

основними висновками дисертації, списку літератури з 116 назв.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми, формулюється мета роботи, наукова новизна і практична цінність одержаних результатів, подаються основні результати, що виносяться на захист, дається опис структури дисертації.

Перший розділ дисертації являє собою огляд літературних даних з питань адсорбції металів У-ї групи на поверхнях кремнію. Особлива увага приділяється поверхні 8і(001).

Напочатку розглядається структура грані 8і(001), що змодельована за даними ряду експериментальних робіт. Розглядаються теоретичні моделі поверхні 8і(001), що включають в себе розрахунки електронної структури поверхні методами квантової хімії. Відмічено, що за сучасними уявленнями поверхня 8і(001) з реконструкцією (2x1) являє собою ряди димерів, що утворені сусідніми атомами кремнію. В цій моделі кожний атом кремнію має один ненасичений обірваний зв’язок. Ці обірвані зв’язки породжують специфічні поверхневі електронні стани і обумовлюють високу адсорбційну активність поверхні.

Далі розглядається адсорбція Аз, 8Ь і Ві на гранях Бі. Відмічено, що ці метали утворюють на поверхнях Бі структури, що характерізуються повною відсутністю обірваних зв’язків. Це обумовлено тим, що три р-електрони металів У-ї групи утворюють хімічні зв’язки з атомами підкладки і з сусідніми атомами адсорбату. Насичення обірваних зв’язків призводить до зникнення поверхневих електронних станів, що вони ними породжені. В таких системах як атоми адсорбату, так і атоми підкладки мають таку ж координацію, як і у відповідних об’ємних зразках. Це повинно призводити до зниження

адсорбційної активності (пасивації) ^поверхні. Розглядаються також властивості плівок металів У-ї групи з товщинами, більшими за моношар.

В наступному підрозділі 1-го розділу розглядаються експериментальні дані по адсорбції кисню на гранях кремнію з субмоношаровими покриттями металів У-ї групи. Відмічено, що за літературними даними субмоношарові покриття металів У-ї групи пригнічують адсорбцію молекулярного кисню.

У висновках до 1-го розділу вказується, що, спостерігаючи за зміною електронних поверхневих станів за допомогою методів електронної спектроскопії, можна досліджувати явища, пов’язані з адсорбцією, зокрема насиченая обірваних зв’язків. .

Вказується, що елементи 5-ї групи таблк ;і Менделєєва (Ав, БЬ, Ві) утворюють на поверхнях кремнію структури, що не мають обірваних зв’язків, тобто пасивують поверхню. Пасивація поверхні 5і атомами цих елементів грає важливу роль в процесах гетероепітаксії германію на кремнії, причому вісмут має перевагу в порівнянні з іншими елементами У-ї групи (Аэ, 5Ь). Ця перевага полягає в дуже низький розчинності вісмуту в кремнії і германії, що запобігає проникненню вісмуту в об’єм гетероструктури під час її росту.

З усіх металів У-ї групи вісмут утворює на поверхні Бі (001) найбільшу кількість різних структур. Моделі цих структур передбачають відсутність на поверхні обірваних зв’язків. Одначе, властивості і умови формування тонких (порядку кількох моношарів) покриттів вісмуту на кремнії, зокрема на 8і(001), до сих пір вивчені недостатньо. Дані про механізми росту плівки вісмуту на початкових стадіях формування покриттів Ві/8і(001) неповні і суперечливі. Дані про зміну хімічної активності поверхні 8і(001) з покриттям вісмутом поодинокі. Мало експериментальних даних про електронну структуру і хімічну активність поверхні Ві/8і(001), які б підтверджували насичення обірваних зв’язків.

Таким чином, для обгрунтування існуючих моделей структур Ві/8і(001) необхідно проведення подальших систематичних експериментальних досліджень з метою виявлення деталей формування границі вісмут-кремнін.

Розділ закінчується формулюванням задач дисертаційної роботи.

В другому розділі дисертації описані особливості експериментальних методів, описана експериментальна установка і деталі експерименту. Для вирішення задач, що поставлені в роботі, були використані методи електронної спектроскопії: оже-електронна і іонізаційна спектроскопія, а також метод термодесорбції.

Для реалізації цих методів був використаний стандартний оже-спектрометр 09ИОС-2 з певними доробками. Наведена схема експериментальної надвисоковакуумної камери спектрометру та функціональна схема вимірювального тракту. Стандартно спектрометр оснащенні', аналізатором енергій електронів типу “ціліндричне дзеркало” з коаксіальною електронною пушкою, іонною пушкою та системою напуску газів (аргону). Система відкачки забезпечує граничний тиск залишкових газів <Ю'10 мм.рт.ст.

Спектрометр дороблений наступним чином. Маніпулятор оснащений тримачом зразку кремнію з можливістю прямонакального прогріву. В камеру спектрометру добавлені джерело вісмуту та джерело кисню. Оже-спектрометр додатково оснащений квадрупольним мас-спектрометром МС7303. Мас-аналізатор було розташовано таким чином, щоб аналізувати склад прямого потоку, що випаровується зі зразка.

З метою поліпшити якість регістрації і обробки експериментальних даних розроблено оригінальний програмно-апаратний комплекс, поданий його короткий опис.

В якості об’єктів дослідження були використані зразки 8і(001) промислової якості. В розділі дається опис методик підготовки елементно-

чистої поверхні кремнію, напорошення плівок вісмуту та напуску в камеру кисню.

Третій розділ присвячений дослідженню взаємодії вісмуту з поверхнею кремнію 8і(001). Досліджено формування вісмутових покрить на поверхні 8і(001) при кімнатній температурі напорошенням вісмуту молекулярним пучком. З аналізу залежностей оже-лікій вісмуту та кремнію

Ьз.з''/'/ від часу показано, що ріст вісмуту на Бі(001) іде за механізмом Странскі-Крастанова, тобто на першому суцільному моношарі вісмуту формуються тривимірні острівці. В роботі ступінь покриття в один моношар вісмуту визначається як максимальна поверхнева густина атомів вісмуту, що утворює на поверхні 8і(001) двовимірне покритя.

Ступінь покриття поверхні острівцями в системі Странскі-Крастанова оцінена таким чином. Були розраховані залежності інтенсивностей оже-ліній кремнію і вісмуту від ступеня покриття поверхні вісмутом в моделі системи Странскі-Крастанова, параметром якої була ступінь покриття поверхні острівцями 0,. Зміною цього параметра було досягнуто найкраще узгодження між експериментальними та розрахунковими залежностями. В інтервалі товщин плівки вісмуту 2-3 МШ величина ступеня покриття поверхні острівцями становила 0,=0,3-0,5.

Показано, що вісмутові покриття на 8і(001) мають різну стійкість по відношенню до прогріву в залежності від їхньої товщини. Відпал вісмутових покрить з товщиною >1МШ при температурах ~500°С призводить до формування стійкого до подальшого прогріву при температурах <500°С покриття з ©Й=0,65±0,15МШ. В той же час відпали при вказаних температурах покрить З 0(ВІ)<031 не призводять до зміни кількості вісмуту на поверхні. Показано, що для покрить з ©(Ві)<0й енергія активації і передекспоненційний фактор десорбції не залежать від ступеня покриття. Це є аргументом на користь того, що при 0(Ві)<0й на поверхні кремнію існує одна поверхнева

фаза вісмуту. Для цієї фази за допомогою оже-спектроскопії та термодесорбції визначені енергія активації десорбції £/=2,8±0,1еВ і передекспоненційний фактор vt>=2-1 о( 13±0,в>с‘І. Достатньо велика енергія активації десорбції свідчить про утворення хімічних зв’язків між атомами вісмуту і поверхнею кремнію.

Аналіз іонізаційних спектрів вісмуту в області ліній О45 дозволив оцінити ступінь іонності хімічного зв’язку Bi-Si. Дані іонізаційної спектроскопії показують, що вісмут утворює переважно ковалентний зв’язок з поверхневими атомами кремнію (ступінь іонності зв’язку -0,2).

Вплив адсорбованого вісмуту на незгловнені електронні стани поверхні Si(001) також досліджено за допомогою іонізаційної спектроскопії. Знайдено, що адсорбція вісмуту призводить до зникнення особливостей в іонізаційному спектрі в області іонізаційних ліній кремнію L23, що пов’язані з електронними переходами в пільні стани, які породжені обірваними зв’язками поверхні Si(001). Відмічається, що іонізаційний спектр Si Ь2,з в системі Bi/Si(001) при 0(Ві)=0£„ що була одержана відпалом покриття Bi/Si(001) при температурі ~500°С, не відрізняється від спектру Si L2,j в системі Bi/Si(001) зі ступенем покриття вісмуту, більшим 1МШ. З цього робиться висновок, що стійке до відпалу при температурах <500°С покриття вісмуту з ©(В i)=0s,=0,65+0,15МШ майже повністю насичує обірвані зв’язки поверхні Si(001). Виходячи з цього, зроблено припущення, що поверхня Bi/Si(001) з 0(Bi)=0SI повинна мати низьку хімічну активність, зокрема бути стійкою до взаємодії з молекулярним киснем.

В четвертому розділі досліджена взаємодія молекулярного кисню з системою Bi/Si(001). Показано, що при дозах кисню ~103Л вісмут зі ступенем покриття 0(Bi)=0s, помітно (в 5-8 разів) зменшує кількість кисню, що адсорбується поверхнею. Таким чином, вісмут дійсно пасивує поверхню кремнію. Кількісно ступінь пасивації можна описати за допомогою коефіцієнта прилипання. Для оцінки зміни величини початкового коефіцієнта

прилипання молекулярного кисню до поверхні 8і(001) в присутності передадсорбованого вісмуту була досліджена залежнісь кількості адсорбованого кисню від його дози на поверхні Ві/8і(001) [0(Ві)=0м] і чистій поверхні Бі(001).

Було знайдено, що на поверхні Ві/8і(001) [0(Ві)=0п] початковий коефіцієнт прилипанння зменшується більш ніж в 100 разів. Виявилося, одначе, що, не дивлячись на менший коефіцієнт прилипання, кількість адсорбованого кисню в стані насичення на поверхні Ві/8і(001) досягає більших (в 1,5-2 рази) значень, ніж на чистій поверхні 8І(001). Насичення кількості адсорбованого поверхнею Ві/8і(001) кисню починається при великих дозах (>106Л).

Для відповіді на питання, в якому стані кисень адсорбується поверхнею Ві/5і(001), була використана іонізаційна спектроскопія. Дослідження енергетичного положення і форми О4 5 іонізаційних ліній вісмуту показало, що вісмут в системі Ві/5і(001) [0(Ві)=05І] + 10бЛ Ог залишається неокисленим, в той час як масивний зразок вісмуту помітно окислюється при вказаних дозах.

В той же час в іонізаційних спектрах в області лінії кремнію з’являється інтенсивна лінія, яка відповідає оксиду, що близький за стехіометрією до 5і02. На чистій поверхні кремнію, підданій окисленню за тих же умов, спостерігається лише відносно слабка лінія суміші ненасичених оксидів 8і. Таким чином, субмоношарове покриття висмутом стимулює утворення на поверхні 8і(001) поверхневого оксиду зі стехіометрією, близькою до ЗІОг-

Відпали системи Ві/8і(001) [0(Ві)=©5,] + 106Л Ог показують, що енергія активації десорбції вісмуту в такій системі на ~0,8еВ менша, ніж в системі Ві/Бі(001), не підданій окисленню. Після випаровування вісмутового покриття інтенсивності іонізаційних ліній оксиду кремнію і елементного кремнію

збільшуються. Ці факти дозволяють зробити висновок, що вісмут в системі Ві/8І(001) [О(ВІ)=05,] + 106Л 02 знаходиться на поверхні шару оксиду.

Досліджена залежність кількості адсорбованого поверхнею Ві/Бі(001) кисшо від кількості вісмуту в діапазоні покрить 0(В»)<05І. Знайдено, що при дозах кисню ~106Л кількість адсорбованого поверхнею кисню лінійно збільшується зі збільшенням ступеня покриття вісмутом. Таким чином, стимульоване окислення кремнію проходить в місцях локалізації атомів вісмуту.

.. Спираючись на експериментальні дані, запропонована модель, що зписує кінетику окислення поверхні Ві/8і(001). В моделі покладається, що адсорбція кисню дисоціатиета, передадсорбовані стани не розглядаються. Модель містить два параметри — початковий коефіцієнт прилипання і тараметр к, який є ймовірністю перескоку в одиницю часу адсорбованого ітому кисню під перший шар кремнійових атомів, що необхідно для утворення поверхневого шару 5і02. Показано, що підгонкою параметрів 50 і к ложна апроксимуваги експериментальні дані як для адсорбції кисню на чисту товерхіпо ЙЦООІ), так і на поверхню, вкриту вісмутом. В рамках моделі юверхня Ві/5і(001) відрізняється від чистої 8і(001) меншим в «100 разів гочатковим коефіцієнтом прилипання 5о і більшою величиною параметра к. ібільшенкя параметру к можна пояснити напруженням приповерхневих в’язків Зі-Бі в присутності вісмуту, який має значно більший атомний радіус, ііж Бі. Таке напруження може полегшувати розрив зв’язків 8І-8І і іроникнення атомів кісню в матрицю кремнію.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. На базі електронного спектрометру 09ИОС-2 реалізовані кспериментальні методики, що дозволяють проводити дослідження границь іетал-напівпровідкик в умовах надвисокого вакууму. Розроблений і

реалізований оригінальний програмно-апаратний комплекс, що дозволяє проводити автоматизований збір і обробку спектральних даних з установки. ’

2. Досліджено систему вісмут/грань кремнію (001), для якої встановлені такі властивості:

1) Ріст плівок вісмуту на поверхні 5і(001) при кімнатній температурі відбувається за механізмом Странскі-Крастанова з утворенням острівців вісмуту на першому суцільному моношарі.

2) Відпал вісмутових покриттів товщиною >1МШ на Бі(001) при Т*500°С призводить до формування стійкої до подальшого відпалу при цій температурі поверхневої фази вісмуту зі ступенем покриття ©51=0,65+0,15МШ. Визначені енергія активації (£,г=2,8±0,1 еВ) і передекспоненційний фактор (210<ІЗі06)с'1) десорбції вісмуту в цій фазі.

3) Атоми вісмуту насичують обірвані поверхневі зв’язки 8і(001).

4) Насичення обірваних зв’язків 5і(001) вісмутом при ступені покриття ©й призводить до зменшення в >100 разів початкового коефіцієнту прилипання молекул ного кисню до поверхні.

5) Присутність на поверхні 5і(001) шару вісмуту зі ступенем покриття 0« змінює хйр&кгер адсорбції кисню. Початковий коефіцієнт приляпанії» зменшується принаймні в 100 разів. Однак, при дозах >105Л адсорбція продовжується і відбувається стимульоване вісмутом окислення кремнію, причому утворюється поверхневий шар оксиду кремнію, що близький за стехіометрією до БіОг- Вісмут в системі Ві/Бі(001 )+Ог (дози >105Л) залишається на поверхні шару оксиду кремнію в неокисленому стані. Енергія активації десорбції вісмуту з цієї поверхні в порівнянні з поверхнею Ві/8і(001) до дії кисню, зменшується на величину ~0,8еВ. Це дозволяє легко видалити вісмут з окисленої поверхні відпалом при температурі ~450°С.

6) Запропоновано кінетичну модель, що описує різницю в характері накопичення кисню' поверхнями 8і(001) і Ві/5і(001). Параметрами моделі є початковий коефіцієнт прилипання кисню Бо і коефіцієнт к, що є ймовірністю стрибку хемосорбованого атому кисню з поверхні під перший шар кремнійових атомів. В рамках моделі зміна характеру адсорбції пояснюється зменшенням Бо на поверхні Ві/8і(001) при збільшенні ймовірності перескоку к, що призводите до утворення повертшеЕого пару ЗІОг

Осно іні результата дисертації викладено в роботах:

1. Koval I.F., Melnik P.V., Nakfiodkin N.G., Pyatnitsky M.Yu., AJancsUva T.V. Adsorption of bismuth on Si(OOl) studied by AES, REELS and mass spectrometry If Surf.Sci. - 1995. - Vol. 331-333. -P.585-589.

2. Пятницкий М.Ю., Коваль И.Ф. Мельник П.В. Находкин Н.Г., Афанасьева ТВ. Влияние адсорбированного висмута на электронные состояния поверхности Si(001). // Теорет.Эксперим.Хим. -1996. - Том 32, N3. - С.168-171.

3. Пятницкий М.Ю., Коваль И.Ф., Мельник П.В., Находкин Н.Г., Афанасьева ТВ. Взаимодействие кислорода с покрытой висмутом поверхностью Si(001) // Теорет.Эксперим.Хим. - 1997. - Том 33, N2. - С.124-127.

4. Koval I.F., Melnik P.V., Nakhodkin N.G., Pyatnitsky M.Yu., Afanasieva TV. Si(001) surface passivation caused by Bi adsorption // Frontiers in Nanoscale Science of Micron/Submicron Devices. Kluwer Academic Publishers, 1996. P. 105108.

5. Коваль И.Ф., Мельник П.В., Находкин Н.Г., Пятницкий М.Ю., Афанасьева Т.В. Исследование системы Bi/Si(100) методами электронной спектроскопии // Фізико-хімічні, структурні і емісійні властивості тонких плівок і поверхні твердого тіла. Тематична зб. наук. пр. Випуск 2. Книга 1. Запоріжжя: ЗГУ, 1995. С.255-267.

6. Пятницкий М.Ю., Афанасьева Т.В. Электронная структура и

термодесорбционные свойства системы Bi/Si(100): ионизационная

спектроскопия и масс-спекгрометрия // Сучасні фізико-математичні дослідження молодих науковців України: Зб.науклр. К.:Київ.ун-т, 1995. С.85 91.

П'яткицький М.Ю. Досліджеїшя взаємодії вісмуту а поверхнею кремнію (001). - Рукопис.

Дисертація т здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 - фізична електроніка. - Інститут Фізики НАН України. Київ, 1997.

Дисертація присвячена експериментальному дослідженню впливу сурфахтапів на електронну структуру і адсорбційні властивості поверхні напівпровідників на прикладі системи ВІ/8і(001). Показано, що на початкових етапах росту вісмутової плівки на поверхні кремнію (001) формується стійке покриття вісмуту зі ступенем покриття *0,65 моношару, ідо насичує поверхневі обірвані зв'язки 8і(001). За рахунок цього початковий коефіцієнт прилипання молекулярного кисшо зменшується більш ніж в сто разів в порівнянні з чистою поверхнею Бі(001). Разом з тим, вісмут змінює характер взаємодії молекулярного кисню з поверхнею таким чином, що при дозах кисню >10* лекгмюр спостерігається стимульоване вісмутом окислення кремнію. Запропонована модель, що описує зміну характеру адсорбції кисню поверхнею кремнію в присутності вісмуту.

Ключові слова: вісмут, кремній, пасивація поверхні, стимульоване і кисленім, електронні стани.

Пятницкий М.Ю. Исследование взаимодействия висмута с юверхностью кремния (001). - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-«атематических наук. Специальность 01.04.04 — физическая электроника. Інститут Физики НАН Украины. Киев, 1997 г.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию влияния урфактантов на электронную структуру и адсорбционные свойства юверхности полупроводников на примере системы Ві/Бі(001). Показано, что іа начальных этапах роста висмутовой пленки на поверхности кремния (001)

формируется стойкое покрытие висмута со степенью покрытия «0,65 монослоя, которое насыщает поверхностные оборваные связи Si(OOl). За счет этого начальный коэффициент прилипания молекулярного кислорода уменьшается более чем в сто раз по сравнению с чистой поверхностью Si(OOfr). Вместе с тем, висмут изменяет характер взаимодействия молекулярного кислорода с' поверхностью таким образом, что при дозах кислорода >105 ленгмюр наблюдается стимулированное висмутом окисление кремния. Предложена модель, которая описывает изменение характера адсорбции кислорода поверхностью кремния в присутствии висмута.

Ключевые слова: висмут, кремний, пзсивация поверхности,

стимулированное окисление, электронные состояния.

Pyatnitsky M.Yu. Investigation of interaction of bismuth with Si(001) surface. - Manuscript.

Thesis for a degree of Candidate of Science by speciality 01.04.04 - physical electronics. - The Institute of Physics of National Academy of Science of Ukraine. Kyiv, 1997.

The dissertation is c&voted to experimental study of surfactant -semicondastor sarfsce ictmclica for which a Bi/Si(001) system has been chosen. Ii was shows, ti-at at tba initial stegesj of bismuth film formation a stable Bi coverage i: formed wits a degree of cavsregs of ebout 0,65 monolayer. This coverage saturates surface dangling bonds of Si(001). Such a saturation reduces an initial sticking coefficient of molecular oxygen in compare with clean Si(001) surface. Meanwhile bismuth changes an interaction of molecular oxygen with the surface so that a oxygen doses of >105Langmuir bismuth-stimulated oxidation of silicon is observed A model has been proposed to describe the change of oxygen adsorption character.

Keywords: bismuth, silicon, surface passivation, stimulated oxidation electron states.