Взаимодействие атомарного водорода с поверхностными фазами In и Al на кремнии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ИГНАТОВИЧ Константин Викентьевич

Взаимодействие атомарного водорода с поверхностными фазами 1п и А1 на кремнии.

Специальность - 01.04.07 - Физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток 1998

Работа выполнена в Институте автоматики и процессов управления Дальне восточного отделения РАН.

Научные руководители ■

член-корр. РАН, профессор Лифшид В.Г.

доктор фпзико-матеметичесих наук Саранин A.A.

Официальные оппоненты ■

Ведущая организация -

доктор физнко-матеметичесих наук, профессор Чеботкевич Л.А.

кандидат фпзико-матеметичесих наук Коробцов В.В.

Дальневосточный государственный технический университет, (г. Владивосток)

Защита состоится 1998 года в, ^час.на заседании дис

сертационного совета К 003.30.02/в Институте автоматики и процессов управлени (ИАПУ) ДВО РАН по адресу: С90041. г.Владивосток, ул. Радио 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАПУ ДВО РАН. Автореферат разослан ^ 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

Ю.Л.Гаврилюк.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Исследование процессов на поверхности твердых тел - одно из важнейших направлен™ в современной физике конденспрованых веществ. Особенно эти слова следует отнести к изучению поверхности полупроводников и, в частности, поверхности кремния. Дело не только в том, что к этому вынуждают требования микроминиатюризации полупроводниковых приборов, что приводит к возрастанию роли поверхности. Оказалось, что при напылении адсорбата на поверхность кремния в условиях сверхвысокого вакуума на подложке формируется новое двумерное вещество - поверхностная фаза (ПФ). Этот сверхтонкий материал (ПФ) находится в термодинамическом равновесии с "объемом" образца и обладает своей собственной электронной структурой, кристаллической решеткой, а следовательно, и свойствами.

С начала исследований формирования поверхностных фаз на кремнии прошло всего 30 лет, однако в литературе содержится уже более 5000 работ, выполненных в этом направлении. Большинство из них посвящено изучению образования ПФ путем напыления на чистую поверхность Э: атомов адсорбата одного типа. Было установлено, что последние ведут себя по разному. Одни из них становятся сильно связанными с атомами подложки и входят, наравне с атомами кремния, в состав поверхностной фазы кремнпй-адсорбат. Другие оказываются избыточными по отношению к сформированной поверхностной фазой, слабо связаны с подложкой и ведут себя как адатомы на поверхности. Это и определяет характер всех поверхностных процессов при субмонослойных покрытиях адсорбата.

За последние годы удалось определить электронные и кристаллические структуры многих поверхностных фаз, построить большинство фазовых диаграмм для системы "кремний - один адсорбат", определить многие свойства ПФ. По сути дела происходит бурное развитие новой области знаний - двумерного материаловедения. Естественно, что при этом развитие этой науки проходит те же стадии, что и "объемное" материаловедение.

Поэтому вполне понятным становится интерес исследователей, возросший в последние годы, к формированию трехкомпонентных ПФ, состоящих из атомов кремния и двух сортов адсорбатов. Такие треххомпонентные ПФ могут возникать при процессах соадсорбдии (т.е. адсорбции двух различных типов атомов). В результате соадсорбции, в зависимости от соотношений энергий связи адсорбат-подложка, адсорбат-адсорбат, на поверхности могут возникнуть двух- или трехкомпонентные поверхностные фазы.

В настоящее время это направление исследований только начало развиваться и процессы соадсорбции многих элементов еще не изучены. К таким неизученным (или малоизученным) системам относятся (1п/Н)/81(111), (1п,Н)/81(100), (А1,Н)/51(100) и (А1,Н)/51(110), исследование в настоящей работе.

Выбор объектов исследования обусловлен следующими причинами:

— использование водорода в качестве третьего компонента часто приводит к вытеснению атомов металла из ПФ кремний-металл, их агломерации в металлические островки, что в свою очередь открывает возможности формирования нового класса полупроводниковых микроструктур типа "квантовые точки";

— экспозиция в водороде кремния с поверхностной фазой на анизотропных поверхностях может привести (при последующем отжиге) к формированию микросруктур типа "квантовая проволка", т.е. к созданию 1-мерного полупроводникового материала;

— кроме того, в начале выполнения работы представлялось, что взаимодействие ПФ металлов с атомарным водородом может само по себе служить методом исследований поверхностных фаз металлов на кремнии. Можно сказать, что при процессах соадсорбции атомарный водород сам будет инструментом исследования. До сих пор при исследованиях взаимодействия металла с поверхностью кремния основное внимание уделялось тому, какую структуру обрадуют атомы адсорбата на поверхности. Процессам, происходящим с атомами подложки должного внимания не уделялось из-за сложности определения реконструкции подложки. В данной работе предполагалось

использовать следующее. При собирании атомов металла из ПФ в островки при комнатной температуре (КТ) массоперенос атомов кремния и изменение реконструкции фактически не происходит, что и дает возможность использовать это обстоятельство для исследования реконструкции поверхности при формировании поверхностной фазы металл-кремний. Все вышесказанное и определило основные цели исследования.

Целью диссертационной работы было исследование особенностей взаимодействия ПФ металлов с атомарным водородом на поверхности кремния для систем Га/Б^Ш), 1п/51(100), А1/31(100), А1/3!(110), а так же исследование структуры ПФ в этих системах. Для этого необходимо было решить следующие основные задачи :

• определить устойчивость поверхностных фаз кремний-индий и кремний-алюминий на кремнии при взаимодействии с атомарным водородом;

• получить количественную информации о металлических островках, толщине п доле площади поверхности, занимаемой островками, сформировавшимся в результате агломерации атомов металла из поверхностных фаз;

• разработать метод исследования кристаллической структуры ПФ металлов на кремнии с использованием взаимодействия атомарного водорода с ПФ металла.

• построить модели строения кристаллической структуры в поверхностных фазах в системах Ь/ЭЦП!.), 1п/31(100), А^ЭЦНО), А1/Э1(100), учитывающие все особенности поведения этих систем.

Научная новизна.

1. Впервые исследованы процессы соадсорбцки в следующих системах: 81(Ш)/1п, 31(100)/1п, 31(110)/А1, 31(100)/А1;

2. Предложен новый метод исследования кристаллических структур ПФ в системе металл-кремний;

3. Получены новые трехкомпонентные фазы 51(111)-4х1-Н(1п), 51(100)-1х6-Н(А1) и81(100)-4х1-Н(1п).

4. Предложены новые модели строения фаз 51(111)4х1-1п, 51(100)-4хЗ-1п и

Si(100)c(4 x 12)-A1. . Практическая ценность.

Получена новая информация о кристаллических структурах в ПФ Si-Al, Si—In (Si(lll)-4xl-In, Si(100)-4x3-In, Si(100)c(4xl2)-Al).

Разработан метод анализа кремниевой подрешетки в поверхностных фазах путем адсорбции водорода на кремниевую подложку с ПФ Si-Me при комнатной температуре.

Предложен и опробован метод формирования двумерных объектов типа "квантовая проводка" на поверхности кремния.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Атомы In из поверхностных фаз In—Si на Si(lll), Si(100) при взаимодействии с атомарным водородом при комнатной температуре агломерируют в островки на поверхности Si. Отжиг приводит к десорбции водорода и восстановлению ПФ In-Si.

2. Атомы Al из поверхностных фаз Al-Si на Si(llO), Si(100) при взаимодействии с атомарным водородом агломерируют в металлические островки. Дальнейший отжиг приводит к восстановлению ПФ Si-Al. Существует два этапа восстановления ПФ Al-Si - при температурах ~600°С и температурах ~800°С.

3. Атомы кремния в поверхностной фазе Si(lll)4xl-In реконструированы с периодичностью 4x1.

4. При взаимодействии с атомарным водородом поверхностной фазы Si( 100)4х3-1п при комнатной температуре происходит формирование новой поверхностной фазы Si(100)4xl-H(In).

5. Атомы кремния самого верхнего слоя подложки принимают участие в формировании поверхностной фазы Si(100)4x3-In и образуют кристаллическую подрешетку с периодичностью 4x1.

6. Взаимодействие при комнатной температуре атомарного водорода с поверхностной фазой Si(100)c(4xl2)-Al приводит к формированию новой ПФ Si(100)6xl-Н(А1).

7. Поверхностная фаза Si(100)c(4x 12)-А1 формируется не только атомами алюминия, но и атомами кремния. Самый верхний слой атомов кремния в этой поверхностной фазе реконструирован с периодичностью 1хб.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 111 страниц, включая 45 рисунков и список литературы из 102 наименований.

Краткое содержание работы.

Во введении сформулирована цель работы и ее актуальность, поставлены задачи исследования, изложены защищаемые положения, описана структура диссертации.

Первая глава носит обзорный характер и раскрывает современное состояние изложенных в диссертации вопросов. В первом параграфе сделан обзор литературы по поверхностным фазам водорода на гранях кремния, имеющем ориентацию (111), (110) и (100). Отмечается, что молекулярный водород практически не взаимодействует с поверхностными фазами кремния.

Во втором параграфе рассмотрены условия формирование поверхностных фаз (ПФ) алюминий-кремний на различных гранях кремния. Описывается условия получения, структура, свойства ПФ Al на этих гранях. Приведены фазовые диаграммы системы Al/Si для исследованного диапазона температур и степеней покрытия. Отмечается, что не существует единой точки зрения о структуре поверхностных фаз алюминий-кремний.

В третьем параграфе сделан обзор данных по адсорбции In на чистой поверхностях кремния, имеющих различную ориентацию. Описываются условия получения и основные свойства ПФ In-Si на этих гранях. Приведены фазовые диаграммы для систем In/Si(lll) и In/S¡(100).

В четвертом параграфе рассматриваются результаты уже проведенных исследований взаимодействия ПФ металлов с атомарным водородом. Приводятся данные количественной электронной оже-спектроскопии (ЭОС) и дифракции медленных

элетронов (ДМЭ), описывающие изменения состава поверхности и кристаллической структуры, происходящие во время экспозиции ПФ в водороде для поверхностных фаз 51(111)ч/3хч/3^ и БЦШ^хч/З-АЬ

Завершают первую главу выводы, в которых говорится о возможных направлениях в исследовании процессов соадсорбции. В частности, упоминается о не исполу зованвых к началу работы возможностях применения второго адсорбата для анализа кристаллической структуры ПФ, для формирования микрообъектов, таких как квантовые точки и квантовые проволки. Отмечается, что системы А1/Н/81 и 1п/Н/$1 исследованы не полностью, а их поведение на некоторых ориентапиях не изучались вообще.

Вторая глава содержит описание основных методов исследований, использованных в данной работе: электронной оже-спектроскошш и дифракции медленных электронов. Кратко описана методика расшифровки картин ДМЭ - одного из основных методов исследования кристаллической структуры поверхностных фаз. Приведены основные формулы по расчету количества адсорбата на подложке для проведения исследований состава поверхностных фаз. Приведена схема экспериментальной установки.

Описана методика подготовки образцов, очистки поверхности, формирования поверхностных фаз металл-кремний, проведения исследований по взаимодействию ПФ Б1-Ме с водородом.

Все эксперименты были проведены на сверхвысоковакуумной установке, оборудованной прецезионным манипулятором, электронной оптикой ДМЭ, анализатором энергии электронов, источниками алюминия и индия, цельнометаллическим натека-телем с контролируемой подачей отфильтрованного водорода. Для диссоциацп молекулярного водорода использовалась вольфрамовая спираль, раскаленная до 1800°С. Образцы кремния, использованные в экспериментах, были размером 15x5x0.35мм3. Величина покрытия адсорбатом определялась с помощью ЭОС. Кристаллическая решетка ПФ определялась из совокупности данных ДМЭ, СТМ, ЭОС и др.

а

Ъ

о.о

0.0,

0 2000 4000 6000 Экспозиция (Ц

0 200 400 600 800

Температура (С)

Рис. 1.1:

Отношение 1п MNN 404 эВ и 511УУ 91 эВ оже-пиков (/ьДбО а - в зависимости от экспозиции в водороде и Ь - во время изохронного отжига. Исходная поверхностная структура была для кривых (1) - 4х1-1п , (2) - %ДТ х \/зГ-1п и (3) --Л х У3-1п.

Представлена схема автоматизации экспериментов по оже-электронной спектроскопии на базе гибко настраиваемого программно-аппаратного комплекса. Приведена основная схема оцифровки оже-спектров. Показана возможность тиражирования подобного комплекса и установка его на любую действующую систему без перенастройки последней.

В третьей гладе содержатся результаты экспериментов по взаимодействию атомарного водорода с ПФ металл-кремний.

В первом параграфе представлены результаты исследований взаимодействия поверхностных фаз 1п на Э1( 111) с атомарным водородом при комнатной температуре и при 300° С. При исследовании адсорбции атомарного водорода на поверхностных фазах 1п/31(111) при комнатной температуре по результатам ЭОС наблюдается процесс агломерации индия в металические островки. При этом поверхность покрывается

0.6 0.4

\ с

0.2

°'00.2 0.6 1.0

Начальное покрытие 1п (М1_)

Рис. 1.2:

Зависимость отношения ¡^/Ь-, от различных начальных покрытий 1п для атомов 1п на чистой 51(111) поверхности (квадраты), после 5000 Ь экспозиции в водороде (кружки) и после прогрева при 300°С (треугольники).

атомами водорода, остающимися на подложке. ДМЭ фиксирует следующее изменения в процессе экспозиции в атомарном водороде: для ПФ 81(111)%/Зхч/3-1п из \/3><\/3 в 1x1; для ПФ 5;(1П)Т31хч/31-1п из \/31хч/31 в 1x1 и для ПФ 51(111)4х1-1п периодичность картины ДМЭ не мепяется Приводятся результаты электронной оже-спектроскопии, показывающие динамику агломерационных процессов при экспозиции в водороде (рис. 1.1а) при комнатной температуре и при изохронном отжиге (рис. 1.1Ь) для ПФ 51(111)4х1-1п (кривая 1), 81(111)>/51хл/51-1п (кривая 2), 31(111)\/3х\/3-1п (кривая 3). Уменьшение отношения /ь/^! (рис. 1.1а) происходит вследствии агломерации атомов 1п в металлические островки.

Постоянное значение величины /ьДб! на кривой 3 (рис. 1.1а) связано с "затемнением" атомов 31 атомами водорода. Доказательством агломерации атомов 1п в этой фазе при взаимодействии с Н являются прямые наблюдения в СТМ.

Были получены картины ДМЭ поверхности 31 с ПФ 51(111)4х1-1п после ее экспо-

зиции в водороде и изохронном отжиге. Даже после полной агломерации In в островки ДМЭ показывает картину 4x1, т.е. эта картина относится уже не к ПФ металл-кремний, а к поверхности кремния с водородом. Это состояние поверхности соответствует точке "с" на рис. 1.1а. После прогрева системы In/Si/H при температуре выше 500°С наблюдается увеличение отношения /i„//s; до значений, равных-значениям до экспозиции в водороде (что соответствует точке (е) на рис. 1.1b). При этом наблюдается та же картина ДМЭ, что наблюдалась для ПФ Si(lll)4x 1-In перед экспозицией в водороде. Отсюда можно сделать вывод, что процесс агломерации атомов In в островки из ПФ обратим.

Степень агломерации пленки In можно определить по графику, показывающему зависимость отношения /ь/^sî от начального покрытия In для неэкспонированной в атомарном водороде поверхности Si—In (квадраты), после экспозиции в водороде при комнатной температуре (кружки) и после прогрева при 300° С (треугольники) (рис.1.2). Меньшие значения отношения /i„//sj для кривой, полученной при прогреве системы In/H/Si по сравнению с экспонированной в водороде ПФ индий-кремний при комнатной температуре означают, что процесс агломерации атомов In на поверхности кремния после экспозиции в водороде ПФ SI—In при комнатных температурах еще не завершен.

Для оценки агломерационных характеристик была использована следующая модель: однородная пленка In с начальной степенью покрытия 0 преобразуются в плоские островки. Используя стандартное приближение для количественного оже-анализа, была посчитала толщина островков и полная площадь, занимаемая на поверхности островками после полной агломерации, вызванной атомарным водородом. При этом были использованы данные о начальном и конечном значениях I/„/Is,, пока-заных на рис.1.2. Результаты расчетов представлены на рис.1.За и 1.3Ь. Рост кривой зависимости толщины островков от начального покрытия In (рис.1.За) и уменьшение зависимости степени покрытия островками от начального покрытия In (рис.1.ЗЬ) означает, что агломерация осуществляется путем слияния более мелких островков в

а § в

§ 6

I2

Н

0.2

0.6

1.0

Начальное покрытие 1п (МЦ

0.3

0.2

•4 &

§ I

•Д

X

0.0

о - ЯТ Н экспозиция д -300°С

0.2

0.6

1.0

Начальное покрытие 1п (МЦ

Рис. 1.3:

Результаты модельных расчетов а - толщины островков 1п и Ь - полной доли поверхности, занятой 1п островками для экспериментально полученных значений /ь/^в! в зависимости от начальных заполнений 1п.

более крупные, а не разрастания мелких островков.

Выше было указано, что согласно данным ЭОС и ДМЭ можно сделать вывод, что атомы кремния в ПФ 51(1П)4х]-1п реконструированы с периодичностью 4x1. В подтверждение этого в работе приводятся результаты сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), полученные до и после экспозиции в водороде 31(111)4х1-1п при комнатной температуре. Картины СТМ, полученные с большим разрешением, показывают, что после экспозиции в атомарном водороде вытеснении атомов индия поверхность кремния сохраняет периодичность 4x1. Эта ситуация схематично изображена на рис.1.4с.

Таким образом, приведеные экспериментальные результаты указывают, что после экспозиции в атомарном водороде при комнатной температуре ПФ 81(111)4х1-1п (рис.1.4Ь) происходит агломерация атомов индия в металлические островки (рис.1.4с) и образуется новая ПФ ПФ 51(111)4х 1-Н(1п), в которой кремниевая подрешетка остается такой же, как в ПФ 81(111)4х1-1п.

О ПФ 51(111 )4 к 1-1п согласно литературным данным и результатам наших экс-

|300t

4к1-н(1п)

S>|111)7»7 + fa

(a) <d)

| Напыление In 1400 Ъ

' «.чп * ...........

<b> ............1 <e> х^ж&А

IRT H экспозиция 1500 °C

/a * .... "V"

(с) ^ №

...........................Ш ..............................

Рис. 1.4:

Схематическое представление воздействия экспозиции в водороде п последующего отжига на структурные преобразования фазы 4 х 1-1п. Картины а,Ь,с,с1,е,Г соответствуют точкам на рис. 1.1а и 1.1Ь.

периментов известно следующее:

1. Самый верхний слой кремниевой подложки в этой ПФ реконструирован с периодичностью 4x1 (данная работа);

2. Насыщающее покрытие, при котором наблюдается наиболее четкая картина ДМЭ, составляет 0=0.75 МС In (данная работа);

3. Атомы индия связаны с самыми верхними атомами кремния и, кроме того, в реконструкции 4xl-In присутствуют атомы индия, имеющие два различных типа связи (Finney и др. [1], Abukawa и др. [2]);

4. ПФ SL(111)4 х 1-In химически пассивна и подвижность атомов индия по этой поверхности очень велика (Ofner и др. [3], Anno и др. [4];

5. Атомы индия располагаются на различной высоте. Разница составляет порядка 1 A (Nakamura и др. [5]);

6. Верхний слой индия симметричен относительно плоскостей (112) и (110) (Nakamura и др. [5], Finney и др. [6]);

7. Плотность атомов кремния на поверхности Si(lll)4xl-In составляет 2 МС [7]. Эти данные позволили предложить модель кристаллической решетки Si(l 11 )4 х 1-

Рис. 1.5:

Структурная модель реконструкции 81(111)4х1-1п (белые кружки - атомы 81 подложки, расположенные в нереконструированном слое; заштрихованные - атомы в реконструированном слое; черные кружки - атомы 1п.)

1п, представленную на рис. 1.5.

Во втором параграфе представлены результаты исследований взаимодействия поверхностных фаз 1п на 31(100) 2х2-1п, Зх4-1п, 2х1-1п с атомарным водородом при комнатной температуре.

Результаты исследований методом ЭОС показали, что при взаимодействии ПФ индий-кремний с атомарным водородом при комнатной температуре также происходит агломерация атомов индия в металлические островки, что объясняется большей величиной энергии связи 3'1-Н по сравнению с энергией связи ЭИп. При этом происходят следующие изменения в картинах ДМЭ:

для ПФ Б;(100)2х2-Ь 2x2 —► 1x1 для ПФ 31(100)3х4-1п 3x4 —у 1x4 для ПФ З1(100)2х1-Н 2x1 —>1x1

Для ПФ 100)2х2-1п и ЗЦ100)2х1-1п после экспозиции в водороде наблюдаются

образования новой ПФ. Несколько иная картина наблюдается для ПФ Si(100)3x4-In. Хотя, по данным ЭОС, атомы индия собрались в островки, а, следовательно, не присутствуют на большей части поверхности, картина ДМЭ становится 4x1. Можно сделать вывод, что обнаружена новая поверхностная фаза Si( 100)1 x4-H(In). Структура 1x4 не образуется при адсорбции только атомов водорода или индия на поверхности Si(100). Заметим, что так как экспозиция в атомарном водороде этой ПФ происходит при комнатной температуре, то массоперенос атомов кремния практически подавлен. Это означает, что наблюдаемая картина ДМЭ 4x1 соответствует периодичности атомов кремниевой подрешетки в ПФ Si(100)3x4-In. Эта же периодичность кремниевой подрешетки остается и в Si(100)4xl-H.

Взаимодействие атомарного водорода с поверхностной фазой Si(100)2x2-In хорошо согласуются со структурной моделью данной ПФ. Наблюдаемые изменения картин ДМЭ от этой ПФ при экспозиции в водороде соответствуют представлению о том, что атомарный водород сначала разрушает индиевые димеры (при этом наблюдается картина ДМЭ 2x1), затем - кремниевые.

Использовав результаты наших экспериментов и литературные данные удалось построить модель кристаллической решетки ПФ Si(100)3x4-In (рис. 1.6). Предложенная модель учитывает периодичность кремниевых атомов и подтверждается результатами СТМ.

Третий параграф включает экспериментальные результаты по изучению поведения поверхности с ПФ Al/Si при экспозиции в водороде и последующем отжиге. Приводятся сведения о строении поверхностных фаз Si(100)2x2-Al, Si(100)c(4xl2)-Al.

Из результатов ЭОС следует, что атомы алюминия из поверхностных фаз собираются в металлические островки. Это означает, что и в этом случае, как и с поверхностными фазами Si-In, атомы металла вытесняются с поверхности кремния атомарным водородом. Наблюдаются следующие изменения в картине ДМЭ при экспозиции в атомарном водороде при комнатной температуре:

Рис. 1.6:

Модель реконструкции поверхностной фазы 100)-4 х 3-1п.

для ПФ 31(100)2х2-А1 2x2 —>• 1x1 для ПФ З1(100)с(4х12)-А1 с(4х12) —>■ 1x6

Подобное изменение картины ДМЭ для ПФ 81(100)2х2-А1 означает, что произошло просто разрушение упорядоченной структуры на поверхности кремния без образования новой подрешетки. Однако, для ПФ З1(100)с(4х12)-А1 структура 81(100)1x6-Н(А1) является новой реконструкцией поверхности кремния, т.к. в системах 31(100)/Н и 51(100)/1п подобной кристалической решетки не наблюдается.

Результаты исследований ПФ 31(100)с(4х 12)-А1 после полной агломерации атомов алюминия в металлические островки свидетельствуют о том, что самый верхний слой атомов кремния реконструирован с периодичностью 1x6, так как картина ДМЭ наблюдается только от упорядоченной поверхностной структуры, образованной атомами кремния (атомы металла собраны в островки).

С использованием литературных данных и результатов наших экспериментов построена модель реконструкции ПФ 51(100)с(4х12)-А1.

Температура ("С) Температура (°С)

Рис. 1.7:

Изменение отношения 7ai//s¡ и картины ДМЭ во время изохроного отжига

(a) Si(110) "4х6',-Н(А1) системы (белые и черные треугольники) и

(b) Si(lll)lxl-H(A1) системы (квадраты).

Сделан вывод, что метод исследования реконструкции подложки, основанный на использовании взаимодействия атомарного водорода с ПФ металл-кремний при комнатной температуре, может быть успешно применен и для исследования ПФ алюминий-кремний.

В четвертом параграфе описываются экспериментальные результаты по поведению системы при адсорбции атомарного водорода на поверхностных фазах в системе Al/Si(110).

По результатам ЭОС можно сделать следующее заключение. Адсорбция атомарного водорода на ПФ в системе Al/Si(l 10) приводит к разрыву связей алюминий-кремний и замещением их связями водород-кремний. Высвобожденные атомы алюминия собираются в металлические островки. Т.е. и в этом случае энергия связей Si-H больше, чем Si-Al.

При адсорбции атомарного водорода при комнатной температуре на поверхности Al/Si(110) обнаружены следующие изменения картин ДМЭ:

для ПФ ЭЦИО)"4х6"-А1 "4x6" —>• 1x1 для ПФ 81(110)"1х9"-А1 "1x9" —> 1x1

Эти изменения соответствуют простому разрушению структуры ПФ металл-кремний без образования новой поверхностной фазы. При этом разрушается и кремниевая подрешетка.

Произведено сравнение поведения ПФ металл-кремний для ПФ 81(110)"4х6"-А1 и 81(111)л/ЗХ\/3-А1 при экспозиции в атомарном водороде и при изохронном отжиге. Эти ПФ выбраны для сравнения из-за того, что формируются примерно при одних и тех же условиях и содержат примерно одинаковое количество атомов А1. В результате экспериментов оказалось:

1. Процесс агломерации атомов металла как на поверхности 81(110) так и на поверхности 31(111) проходит в одну стадию;

2. ПФ 81(110)"4х6"-А1 разрушается с образованием структуры 81(110)1х1-Н(А1) (что аналогично процессам, происходящим при взаимодействии ПФ 31(111)\/3х т/З-А1 с атомарным водородом);

3. При изохронном отжиге процесс разрушения алюминиевых островков для ПФ 31(110) "4х6"-А1 - процесс двухстадийный, тогда как для ПФ 81(111)х/Зхл/З^А1 этот процесс проходит в одну стадию (рис. 1.7).

На рис. 1.7 видно, как происходит изменение отношения в зависимо-

сти от температуры отжига для ПФ 31(110)"4х6"-А1 и, для сравнения, для ПФ Особенности поведения кривых на рис. 1.7Ь ( 2 пика) при изохронном отжиге при температурах выше 500° С уже нельзя объяснить присутствием водорода на поверхности кремния, так как при таких температурах весь водород с поверхности практически десорбировался, в это время как весь алюминий был еще собран в островки. Причиной более сложного поведения может быть только в различие свойств поверхностей ЭЦИО) и 81(111), а именно - сильной анизотропии поверхности 81(110). Результатом анизотропии поверхности является наличие отличающихся диффузионных констант в различных направлениях. Эти различия и приводят к

тому, что процесс разрушения металллических островков на поверхности ЭЦПО) после десорбции водорода проходит в две стадии: при температуре выше 600°С атомы алюминия из островков могут мигрировать в основном вдоль одного направления; при температуре выше 750° С подвижность атомов вдоль всех направлений становится достаточно высока и атомы алюминия равномерно распределяются по всей поверхности, формируя исходную ПФ.

Таким образом прогрев подложки с островками А1 на поверхности создает условия для формирования структур типа '"квантовая прополка", размеры которых определяются размерами островков. Так как эти островки образуются из определенной ПФ, имеющей фиксированную концентрацию атомов металла, управлять этим процессом несложно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

С использованием методов дифракции медленных электронов, электронной оже-спектроскопии, температурно-программпруемой десорбции и сканирующей туннельной микроскопии проведено исследование процессов взаимодействия атомарного водорода с поверхностными фазами, образуемыми металлами (алюминием и индием) на поверхностях Б'1(111), 51(100), БЦПО). Получены количественные характеристики процесса агломерации атомов металла из поверхностной фазы в металлические островки, происходящего при экспозиции в атомарном водороде. Построены модели поведения системы " металл-водород-кремний" при процессах адсорбции-десорбции водорода. Получена информация об атомном строении поверхностных фаз металл-кремний.

Основные результаты работы приведены ниже: 1. Определено, что при взаимодействии однородных поверхностных фаз (ПФ) металл-кремний с атомарным водородом происходят следующие структурные и морфологические изменения: атомы водорода замещают атомы металла в связи металл-кремний. При этом весь вытесненный водородом металл агломерирует в трехмерные

металлические островки. Этот процесс обратим: при прогреве системы "металл-водород-кремний" происходит десорбция водорода с поверхности кремния и восстановление поверхностной фазы металл-кремний.

2. Установлено, что при взаимодействии атомарного водорода с ПФ металл-кремний в отдельных случаях происходит формирование упорядоченных ПФ водород-кремний. Обнаружены ранее неизвестные поверхностные фазы З1(111)4х1-Н(1п), 31(100)4x1-Н(1п) и 31(100)6х 1-Н(А1). Описаны условия их получения и области их термической стабильности.

3. Установлено, что на подложке 51(111) в поверхностной фазе 31(111)4х1-1п атом-нал подрешетка кремния имеет периодичность 4x1. Такую же периодичность имеет кремниевая подрешетка в поверхностной фазе ЗЦ100)4хЗ-1п. В ПФ З1(100)с(4х12)-А1 периодичность кремниевой подрешетки -6x1.

4. На основе полученных экспериментальных результатов и известных литературных данных построены новые структурные модели для поверхностных фаз 31(111)4x1-1п, 3](100)4х3-1п, 51(100)с(4х 12)-А1, которые объясняют все особенности поведения и строения данных поверхностных фаз. Эти модели хорошо согласуются с результатами известных экспериментальных и теоретических работ.

5. Установлено, что атомы кремния верхнего слоя подложки играют важную роль при формировании структуры ПФ металл-кремний. Они сами участвуют в формировании ПФ. Использование такого подхода позволило понять механизм формирования ПФ индий-кремний и алюминий-кремний.

6. Использование атомарного водорода в качестве третьего компонента в структурах ПФ З'1-Ме представляет уникальные возможности для анализа кристаллической структуры кремниевых подрешеток в поверхностных фазах, а так же в формировании микроструктур типа "квантовые точки" и "квантовая проводка".

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Saranin A.A., Khramtsova Е.А., Ignatovich K.V., Lifshits V.G. Structural Transformation in the Si(lll)/In/H System. // Physics of Low-Dimensional Structures 10-11, 397-406 (1995).

2. Saranin A.A., Khramtsova E.A., Ignatovich K.V., Lifshits V.G. Structural Transformation in the Si(lll)/In/H System. // In Abstracts of the 2nd International Conference Physics of Low-Dimensional Structures, 46 (Institute for Solid State Physics, Chernogolovka, 1995).

3. Khramtsova E.A., Saranin A.A., Ignatovich K.V., Lifshits V.G. Interaction of Atomic Hydrogen with the Si(110)(3,0)x(-1,4)-Al Surface. // In Abstracts of the 2nd International Conference Physics of Low-Dimensional Structures, 47 (Institute for Solid State Physics, Chernogolovka, 1995).

4. Khramtsova E.A., Saranin A.A., Ignatovich K.V., Lifshits V.G. Interaction of Atomic Hydrogen with the Si(110)(3,0)x(-1,4)-Al Surface. // In Abstracts of the 2nd Japan Russia Seminar of Semiconductor Surfaces, 56 (Osaka University, Osaba, 1995).

5. Kotlyar V.G., Saranin A.A., Khramtsova E.A., Ignatovich K.V., Tarasova O.L., Lifshits V.G. Effect of Atomic Hydrogen and Ammonia Exposure on the Indium Surface Phases on Si(lll). // In Abstracts of the 2nd Japan Russia Seminar of Semiconductor Surfaces, 66 (Osaka University, Osaka, 1995).

6. Khramtsova E.A., Saranin A.A., Ignatovich K.V., Lifshits V.G. Comparative study of the atomic hydrogen interaction w ith Si(110)"4x6"-Al and Si(lll)\/3x ч/3-Al surfaces. //Surface Science 366(3), 501-507 (1996).

7. Saranin A.A., Khramtsova E.A., Ignatovich K.V., Lifshits V.G., Numata Т., Kubo 0., Katayama M., Katayama I., Oura K. Indium-induced Si(lll)4xl silicon substrate atom reconstruction. // Phys. Rev. В 55(8), 5353-5359 (1997).

8. Saranin A.A., Zotov A.V., Ignatovich K.V., Lifshits V.G., Numata Т., Kubo O., Tani H., Katayama M., Oura K. Structural model for the Si(lll)-4xl-In reconstruction. //Phys. Rev. В 56(3), 1017-1020 (1997).

9. Saranin A.A.. Zotov A.V., Numata T., Kubo 0., Ignatovich K.V.. Lifshits V.G.. Katavama M., Oura K. Atomic Structure of the Metastable Si(l ll)2x'2-In Surface Phase. Phys.Loii'-Dim.Struct. 1/2, 69-76 (1997).

10. Saranin A.A.. Khramtsova E.A., Ignatovich K.V., Lifshits V.G. 4xl-Si substrate atoms reconstruction in the Si( 111)4xl-In structure. //Appl. Surf. Sci. 113/114(1), 440-444 (1997).

11. Saranin A.A., Zotov A.V., Numata T., Kubo O., Ignatovich K.V., Lifshits V.G., Katavama M., Oura K. Structural transformations at room temperature adsorption of In on Si(lll)^Tx >/3-In surface: LEED-AES-STM study. //Surf. Sci 388(1/3), 299-307 (1997).

12. Zotov A.V., Saranin A.A., Ignatovich K.V., Lifshits V.G., Katavama M„ Oura K. Si(100)4x3-In surface phase: identification of silicon substrate atom reconstruction. //Surf. Sci 391. (1-3), L118S-L1194 (1997)

Личный вклад автора. В работах [1-12] автор участвовал в постановках задач и выполнил основную экспериментальную работу. Соавторы участвовали в обсуждении экспериментальных результатов и построении теоретических моделей.

Литература

[1] M.S. Finney, C. Norris, P.B. Howes, and E. Vlieg, Surface Science 277, 330 (1992).

[2] T. Abukawa, M. Sasaki, F. Hisamatsu, M. Nakamura, T. Kinoshita, A. Kakizaki, T. Goto, and S. Kono, J.Electr.Spect.Relat.Phenom. 80, 233 (1996).

[3] H. Öfner, F.P. Netzer, and J.A.D. Matthew, Surface Science 310, L601 (1994).

[4] K. Anno, N. Nakamura, and S. Kono, Surface Science 260, 53 (1992).

[5] N. Nakamura, K. Anno, and S. Kono, Surface Science 256, 129 (1991).

[61 M.S. Finney, C. Norris, P.B. Howes, M.A. James, J.E. Macdonald, A.D. Johnson, and E. Vlieg, Physica B 198, 246 (1994).

[7] S.C. Erwin, Physical Review Letters 75, 1973 (1995).

ИГНАТОВИЧ Константин Викентьевич

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА С ПОВЕРХНОСТНЫМИ ФАЗАМИ Ш И АЬ НА КРЕМНИИ.

Автореферат

Подписано к печати 04.03.98 г.

Формат 60x84/16. Усл. п. л. 1,3 Уч. изд. л 0,8

Тираж 100. Заказ 32.

Отпечатано с оригинал-макета, изготовленного ИАПУ ДВО РАН г.Владивосток, ул. Радио 5.