Содержание к диссертации
Введение
1. Метод дифференциальной отражательной спектроскопии. Поверхностные фазы и силициды в системах In/Si(lll), Fe/Si(lll) и 0/Si(lll) 11
1.1. Дифференциальная отражательная спектроскопия: история развития, основные методы и перспективы 11
1.2. CHcreMaIn/Si(lll) 17
1.3.CHCTeMaFe/Si(lll) 23
1.4.CHCreMaCr/Si(lll) 29
Выводы 32
2. Методы исследований и подготовка экспериментов 34
2.1.Методы исследований 34
2.1.1. Дифракция медленных электронов 34
2.1.2. Сканирующая туннельная микроскопия 37
2.1.3. Атомная силовая микроскопия 40
2.2.Экспериментальное оборудование 44
2,3. Под готовка образцов 46
2.3.1. Подготовка образцов и получение атомарно-чистой поверхности кремния (111) 46
2.3.2. Методики формирования поверхностных фаз In и тонких пленок силицидов Fe и Сг и исследования их роста методом ДОС 47
3. Разработка методов расчета оптических функций из ДОС-экспериментов 52
3.1. Особенности обработки данных ДОС-экспериментов, проведенных с использованием неполяризованного света 52
3.2, Метод динамического эталона 54
3.3.Метод восстановленного эталона 69
3.4. Метод построения фазовых диаграмм с помощью ДОС 77
4. Оптические свойства «магических» кластеров In и Сг, поверхностных фаз In, сверхтонких и тонких пленок силицидов Fe и Сг на Si(lll) 82
4.1.Оптические свойства поверхностных фаз и «магических» кластеров In на Si(l 11) 85
4.2. Оптические свойства тонких пленок силицидов Fe на Si(l 11) 119
4.3. Оптические свойства «магических» кластеров Сг, тонких и сверхтонких пленок силицидов Сг на Si(l 11) 138
Заключение 154
Список литературы 157
- CHcreMaIn/Si(lll)
- Дифракция медленных электронов
- Метод динамического эталона
- Оптические свойства тонких пленок силицидов Fe на Si(l 11)
Введение к работе
В последнее время все чаще поднимается вопрос о дальнейших путях развития современной микроэлектроники. Один из таких путей состоит в использовании квантовых точек, квантовых проволок и нанокристаллов вместо объемных материалов, а на смену обычных масок придут поверхностные фазы, которые будут с нанометровым разрешением задавать места формирования квантовых точек. В соответствие с универсальным законом перехода количественных изменений в качественные упомянутые объекты должны обладать иными и возможно лучшими свойствами, чем объемные материалы. Особый интерес как для оптоэлектроники, так и для физики твердого тела представляют их оптические свойства, которые практически не изучены из-за недостаточной проработанности методик определения оптических характеристик низкоразмерных объектов. Поэтому построение таких методик и определение с их помощью оптических свойств упомянутых объектов являются актуальными задачами физики твердого тела.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы являлась разработка методической части дифференциальной отражательной спектроскопии и изучение с помощью построенных методик оптических свойств низкоразмерных объектов и тонких пленок. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
Разработать методики определения оптических свойств низкоразмерных объектов и тонких пленок, сформированных методами молекулярно-лучевой (МЛЭ), реактивной (РТФЭ) и твердофазной эпитаксии (ТФЭ).
Исследовать оптические свойства поверхностных фаз In и его «магических» кластеров.
Изучить влияние скорости осаждения атомов железа на рост и оптические свойства пленки, формирующейся при комнатной температуре. Исследовать влияние ее состава на результаты ТФЭ.
Исследовать оптические свойства «магических» кластеров хрома и нанокристаллов силицида CrSi2-
Обоснование выбора материалов.
Система In/Si(lll) богата на низкоразмериые объекты. В ней формируются «магические» кластеры двух типов [1] и свыше 6-ти поверхностных фаз, одна из которых, (4x1), является квазиодномерным металлом [2].
В системе Cr/Si(lll) также формируются «магические» кластеры, но, поскольку система реактивная, они имеют, по-видимому, другую природу [3]. Другой причиной выбора этой системы является непрямозонный полупроводниковый силицид CrSi2. Поскольку он является узкозонным (0.36 эВ) [4], то формирование нанокристаллов CrSi2 на Si может заметно расширить рабочий диапазон Si детектора в длинноволновую область.
Причиной выбора системы Fe/Si(lll) явилось формирование в ней прямозонного полупроводникового силицида P-FeSi2. Он представляет значительный интерес для оптоэлектроники, поскольку ширина его запрещенной зоны (0.87 эВ) [4] близка к области прозрачности оптического волокна.
Научная новизна работы.
Работа содержит новые экспериментальные и методические результаты,
наиболее важные из которых следующие:
1. Разработана новая концепция определения оптических свойств низкоразмерных объектов и тонких пленок, сформированных методом МЛЭ и РТФЭ, согласно которой оптические характеристики указанных объектов
содержатся в наклоне зависимости дифференциального коэффициента отражения (AR/R) от покрытия (толщины пленки) адсорбата.
Обнаружена новая поверхностная фаза Si(lll)7x7-In и изучены ее оптические свойства.
Впервые для поверхностных фаз Si(lU)V3xV3-In, Si(lll)V31xV31-In, Si(lU)4xl-In, Si(llI)2x2~In, Si(Ul)V7x^3-In-hex и Si(lll)V7xV3-In-rect и «магических» кластеров индия на Si(lll) были получены спектры мнимой части изменения функции отклика (6Л") относительно фазы Si(l 11)7x7, являющиеся характеристикой их оптических свойств.
Построена зависимость минимальной толщины осажденной пленки железа, при которой формируется сплошная пленка силицида, от скорости осаждения атомов железа при комнатной температуре.
Впервые для «магических» кластеров хрома и нанокристаллов CrSi2 получены спектры изменения мнимой части диэлектрической функции (Дє5")> являющиеся характеристикой оптических свойств объемных соединений.
Практическая ценность работы.
1. Предложен новый метод построения фазовых диаграмм в условиях СВВ,
использующий результаты, полученные методом дифференциальной
отражательной спектроскопии (ДОС).
Получены спектры (5Л") для поверхностных фаз индия и его «магических» кластеров. Они являются паспортами этих структур и могут быть использованы в дальнейших исследованиях для идентификации их методом ДОС.
Определены оптимальные условия для получения высокой плотности островков полупроводниковых силицидов Cr (CrSi2) и Fe (P-FeSi2) на Si(lll).
Установлено, что «магические» кластеры хрома представляют собой островки металлического моносилицида хрома (CrSi).
На защиту выносятся следующие основные положения:
Для построения фазовых диаграмм в системе металл - кремний можно применять метод ДОС.
Полупроводниковая поверхностная фаза Si(l 11)7><7-In, с покрытием насыщения 0.15 МС, является стабильной модификацией фазы Si(l 11)7x7 и формируется при адсорбции In в диапазоне температур 400 - 570 С.
На оптические свойства поверхностной фазы Si(l 1 l)V7xV3-In заметное влияние оказывает структура поверхности Si, модифицированной предшествующей поверхностной фазой.
Оптические свойства «магических» кластеров индия 1-го и 2-го типов отличаются: кластеры 1-го типа имеют металлическую природу, а кластеры 2-го типа - полупроводниковую.
«Магические» кластеры хрома представляют собой островки CrSi и при толщине осажденной пленки хрома менее 0.026 нм являются квантовыми точками.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на 4ой международной конференции по физике тонких пленок и их применению ICTFPA-4 (г. Шанхай, Китай, 2000 г.), 40М Российско-Японском семинаре по поверхностям полупроводников JRSSS-4 (г. Нагоя, Япония, 2000 г.), 60М Российско-Японском семинаре по поверхностям полупроводников JRSSS-6 (г. Тояма, Россия, 2004 г.), 40М международном симпозиуме по физике поверхности и нанотехнологии ISSS-4 (г. Сайтама, Япония, 2005 г.), 10н Азиатско-Тихоокеанской конференции по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники (г. Владивосток, Россия, 2000 г.), Зей Азиатско-Тихоокеанской конференции по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники (г. Хабаровск, Россия, 2004 г.), 5ой, 6ой и 7ой Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (г. Санкт-Петербург, Россия, 2003-2005 гг.), 10(Ж Всероссийской научной конференции
студентов-физиков и молодых ученых (г. Москва, Россия, 2004 г.), 2ой Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования» (г. Хабаровск, Россия, 2001 г.), Зси Региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования» (г. Благовещенск, Россия, 2002 г.), 7ой, 8ой, 9ой и 10ой Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (г. Владивосток, Россия, 2003-2006 гг.).
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 170 страниц, включая 120 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 165 наименований.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
Dotsenko S.A., Galkin N.G., Goroshko D.L., Kosikov SJ. Electrical and optical properties of Cr, Fe and Mg surface phases on Si(lll). II Proceedings of the Fourth Japan-Russia Seminar on Semiconductor Surfaces, Nagoya, Japan, 12-19 November 2000. Venture Business Laboratory, Nagoya University, 2000. p. 116-124.
Dotsenko S.A., Galkin N.G., Lifshits V.G. Optical and electrical properties of In surface phases. It Phys. Low-Dim. Struct., 2001, Vol. 5-6, P. 139-150.
Dotsenko S.A., Galkin N.G., Gouralnik A.S., Koval' L.A., Turchin T.V. In situ differential reflectance spectroscopy study of early stages of p-FeSi2 silicide formation. II e-J. Surf. Sci. Nanotech., 2005, Vol. 3, P. 113-119.
Dotsenko S.A., Gouralnik A.S., Koval' L.A. In situ differential reflectance spectroscopy study of Fe/ Si{lll) and Fe/Si(100) interfaces. II "Physics, chemistry and applications of nanostructures". Editors: Borisenko V.E., Gaponenko S.V., Gurin V.S., World Scientific Publishing Company, Singapore, 2005, P. 319-322.
Dotsenko S.A., Galkin N.G., Gouralnik A.S., Koval' L.A., Turchin T.V. Iron-silicon interface formation and properties by data of DRS, SMOKE and AFM measurements. //Proceeding of SPIE, 2005, Vol. 5851, P. 441-446.
Галкин Н.Г.,. Конченко A.B, Полярный B.O., Маслов А.М., Доценко С.А., Галкин К.Н., Захарова Е.С., Таланов А.О. Оптические и фотоэлектрические свойства наноструктур с захороненными кластерами из полупроводниковых силицидов на кремнии в видимом и ближнем ИК диапазонах // «Известия академии наук. Серия физическая», том 67 (2003) с. 155-158.
Dotsenko S.A., Galkin N.G., Koval' L.A., Polyarnyi In situ differential reflectance spectroscopy study of 3D CrSi2 nanocrystals and 2D nanophases on Si(lll) surface. II Proceedings of SEMINANO-2005, September 10-12, 2005, Budapest, Hungary, Editors: PedorB., HorvathZs. J., BasaP., Semiconductor nanocrystals, Vol. 1, P. 43-46.
Dotsenko S.A., Galkin N.G., Koval L.V., Polyarnyi V.O. In situ differential reflectance spectroscopy study of solid phase epitaxy in Si(lll)-Fe and Si(lll)-Cr systems. II e-J. Surf. Sci. Nanotech., 2006,Vol. 4, P. 319-329.
Доценко C.A., Коваль Л.В., Чусовитин E.A., Галкин Н.Г. Формирование и оптические свойства двумерных фаз в системе Si(lll)-Cr. // Вестник ДВО РАН, №6, доп., 2005, С. 57-60.
Личный вклад автора.
Заключается в активном участии в проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных, интерпретации полученных результатов и написании статей. Вошедшие в диссертацию результаты отражают итоги исследований, проведенных автором в НАЛУ ДВО РАН совместно с группой сотрудников. Все ДОС эксперименты проведены лично автором. Разработаны методы получения оптических свойств низкоразмерных материалов из ДОС спектров.
Участие соавторов публикаций заключалось в следующем: д.ф.-м.н. Галкину Н.Г. принадлежит идея использования ДОС для исследования оптических свойств низкоразмерных объектов на Si в процессе их формирования. Чл.-корр. РАН, профессор Лифшиц В.Г., к.ф.-м.н. Конченко А.В., к.ф.-м.н. Маслов A.M.,
Гуральник А.С., Косиков СИ., Полярный В.О., Таланов А.О., Захарова Е.С., Галкин К.Н., Турчин Т.В. участвовали в обсуждении результатов. Коваль Л.В. разработала программное обеспечение, необходимое для обработки экспериментальных результатов, и обработала часть ДОС спектров. Часть ДМЭ изображений была получена к.ф.-м.н. Горошко Д.Л. Большинство АСМ изображений было получено Чусовитиным Е.А.
CHcreMaIn/Si(lll)
Система In/Si(lll) является не реактивной [46], т.е. в ней формируются не силициды, а только ПФ, три из них были обнаружены Ландером и Моррисоном впервые, используя метод дифракции медленных электронов (ДМЭ) [47]. На данный момент обнаружены ПФ: чЗхчЗ, V31xV31,4x1, V7xV3 (lxl), 2x2 и 8x2. Две последние ПФ отсутствуют на фазовой диаграмме (рис. 1.4) [46], т.к. формируются при особых условиях.
Среди ПФ In хорошо изучена Si(lll)"v3xV3-In. Покрытие насыщения этой ПФ составляет 1/3 МС (1МС=7.8 10й атомов/см2), а покрытие кремния в ней 0 МС, т.е. атомы Si не участвуют в формировании фазы. Согласно расчетам, минимальная полная энергия структуры V3xV3-In наблюдается для 2-х положений атомов In на Si(l 11) [48]: атом In располагается в самом верхнем слое над атомом Si из 4-го слоя О 0.5 1.0 1.5 Покрытие In, МС Рис. 1.4 Фазовая диаграмма системы In/Si( 111). Si(111V3x/I-In fc. 1,5 а) Атомная структура Si(lll)V3x"V3-In. б) Зонная диаграмма, полученная для нее (линии) [55]. Точками указаны экспериментальные результаты [56]. (положение Нз) и атом In находится в верхнем слое, но располагается над атомом Si из 2-го слоя (положение Т4) (см. рис. 1.5 (а)). В этих моделях атом In насыщает 3 оборванные связи Si, что приводит к одному и тому же электронному состоянию, поэтому фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением не позволят различить их [48,49]. Существование на поверхности отдельных доменов, имеющих разную структуру, методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) не было обнаружено [50].
Методом спектроскопии ионов рассеянных при столкновениях (СИРС) [51], а позже другими методами [52-54] было показано, что модель Т4 предпочтительнее. На зонной диаграмме для этой ПФ, полученной из первых принципов в работе [55], видна запрещенная зона, шириной 1.7 эВ, отделяющая заполненные состояния S2 от свободных Sf (рис. 1.5 (б)), свидетельствующая о п/п природе Si(lll)V3xV3-In. Состояние Sj порождено избыточными атомами Si, вытеснившими In из положения Т4 (темные пятна на СТМ изображении Si(l 1 l)V3xV3-In). Не смотря на то, что фазы Si(U 1)7x7 и Si(lll)V3xV3-In хорошо изучены, переход из первой фазы во вторую остается загадкой.
При осаждении атомов In на Si(lll)V3xV3-In при температуре от 20 до 100 С, происходит формирование ПФ Si(lll)2x2-In [57]. Этот переход обратимый и осуществляется локально под иглой СТМ [58]. При температуре 200 С происходит необратимый переход Si(lll)2x2-In в металлическую фазу Si(lll)4xl-In [58]. Покрытие насыщения ПФ Si(Hl)2x2-In, природа которой еще не установлена, составляет 0.75 МС, покрытие Si в ней 0 МС. Модель структуры этой ПФ показана на рис. 1.6 (а) [58]. Осаждение In на фазу Si(l 11)2x2-In приводит к необратимому переходу в металлическую фазу Si(l 1 l)Y7xV3-In-rect [58]. Осаждение In на фазу Si(l 1 l)V3xV3-In в диапазоне температур 400 -530 С, приводит к формированию ПФ Si(lll)V31x 31 -In, сопровождающимся движением атомных ступеней [59], что указывает на вовлечение большого количества атомов Si в этот процесс (покрытие насыщения (In) - 0.53 МС, a Si - 0.88 МС [60]). Модель структуры Si(lll)V31xV31-In (см. рис. 1.6 (б)) довольно напряжена [60], поэтому эта ПФ не покрывает поверхность полностью при покрытии насыщения: до 15% площади поверхности, покрыты дефектной фазой Si(lll)4x4-In, которая снимает механическое напряжение [60]. При превышении покрытия насыщения обе ПФ преобразуется в Si(l 11)4x1-In.
Фаза Si(lll)4xl-In является довольно устойчивой: ДМЭ изображение от нее сохраняется при осаждении нескольких МС In при КТ [61]. Покрытие насыщения этой фазы - 0.75 МС, а покрытие кремния в ней - 0.51 МС [62]. Согласно модели [63] (см. рис. 1.7 (а)) фаза Si(l 1 l)4xl-In представляет собой длинные параллельные цепочки атомов индия, разделенные цепочки атомов Si. Проводимость вдоль цепочек In довольно большая, а в направлении перпендикулярном им мала, как у проводников [64]. На зонной диаграмме для этой фазы (рис. 1.7 (б)) [63] они соответствуют направлениям FX и ГХ. В первом случае зоны перекрываются, а в другом - появляется запрещенная зона шириной 2 эВ, поэтому эта ПФ называется квазиодномерным металлом и представляет большой интерес для исследователей.
При опускании температуры ниже 130 К наблюдается обратимый переход фазы Si(lll)4xl-In в Si(lll)8x 2 -In [64,65], который можно обратить не только подымая температуру, но и проводя осаждение менее 0.05 МС металла 3-ей группы (А1, In, Ga) или свыше 0.4 МС Ag при меньших температурах [66]. Поскольку ПФ Si(l 1 l)8x 2 -In является п/п [64], считается, что при температуре 130 К происходит переход Пиэрла, заключающийся в расщеплении металлической зоны, приводящем к появлению запрещенной зоны, т.е. фаза становится изолятором.
При осаждении малых покрытий In (до 0.12 МС) на Si(l 11) при КТ атомы In занимают положение центральных Si адатомов [70] и располагаются над реет (rest) атомами Si [71] (см. рис.1.9) в дефектно упакованной половинке ячейки Si(l 11)7x7. Элементарная ячейка фазы Si(l 11)7x7 состоит из двух половинок: нормально и дефектно упакованных (соответственно правый и левый треугольник на рис. 1.9) [72]. В первой половинке атомы Si в верхнем слое ПФ повторяют структуру подложки, а в последней располагаются зеркально относительно первой части. При покрытии 0.12 МС формируется упорядоченный массив In кластеров, расстояние между которыми составляет 2.7 нм [1]. При увеличении покрытия In, кластеры начинают формироваться в дефектно упакованной половинке ячейки Si(l 11)7x7 и при покрытии 0.24 МС занимают всю поверхность. Вследствие равенства размеров кластеров и периодичного расположения их назвали «магическими» кластерами соответственно 1-го и 2-го типа [73].
Структурная модель поверхностной фазы In на Si(l 11)7x7 при комнатной температуре. На рисунке цифрами отмечены: 1 - уровень "rest" атомов Si, 2 -уровень атомов Si, находящихся «в фазе», 3 - уровень атомов In, соответствующий покрытию 0.9 МС, 4 и 5 - уровни атомов In, формирующих «фон сетки». «Магические» кластеры стабильны при температурах ниже 300 С [73]. При больших температурах формируются либо Si(l 11) 3х 3-1п, либо большие островки In. Согласно данным ультрафиолетовой и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС и РФЭС) [74], формирование «магических» кластеров 2-го типа приводит к сдвигу уровня Ферми на 0.3 эВ в направлении валентной зоны и появлению поверхностного состояния на 0.6 эВ ниже уровня Ферми (0.9 эВ -состояние реет атомов в Si(l 11)7x7). Поверхность, полностью покрытая ими (при 0.24 МС) обладает п/п свойствами [74]. Однако не понятно, являются ли кластеры квантовыми точками или ПФ.
При больших покрытиях формируется ПФ, свойства которой близки к Si(lll)V7xV3-In [75], и покрывается сверху кристаллитами In [67,75]. Модель структуры данной ПФ (атомы до 3 уровня включительно) и роста на ней объемной фазы In (атомы из 4-ого и 5-ого уровней) показаны на рис, 1.9 [76].
Дифракция медленных электронов
Одним из основных и наиболее хорошо освоенных методов изучения геометрии атомной структуры поверхности, границы раздела и фазовых переходов является дифракция медленных электронов [9, 123, 124]. В основе метода ДМЭ лежит угловое распределение упруго отражённых электронов при облучении поверхности первичным электронным пучком с энергией 5-500эВ. Высокая чувствительность метода ДМЭ к структуре поверхности обусловлена малой длиной свободного пробега медленных электронов до неупругого рассеяния, которая составляет 1-3 атомных слоя (рис.2.1), т.е. картины ДМЭ формируются главным образом поверхностью. Схематическое представление ДМЭ дано на рис.2.2. Монохроматический пучок электронов с энергией Е и волновым вектором к ( = 2я7Д, где Х-длина волны электрона) падает на поверхность кристалла под углом ф к нормали. При дифракции на двумерной поверхностной решётке с периодами bj и Ь2 образуется ряд дифрагированных пучков с энергией Е и волновым вектором - вектор плоской обратной решётки. обратнорассеянные электроны первичный пучок электронов L..I II глубина выхода
Как известно из теории дифракции на периодических структурах, возникающие дифракционные пучки определяются пересечением сферы Эвальда радиусом 1/ X с обратной решёткой кристалла, имеющей в случае двумерной дифракции вид стержней (hk) (рис.2.2). Рассмотрим рассеяние электронов на поверхностном монослое атомов, т.е. дифракцию на плоской решётке с векторами основных трансляций Вх и В2. Обратная решётка в этом случае представляет собой набор прямых линий, перпендикулярных к плоскости прямой решётки. Линии пересекают эту плоскость в точках, определяемых единичными векторами обратного пространства , и В2 , где Я, 52 = 5, В2 = 0 и В} 5, = В2 В2 = 1.
Направление дифракционных максимумов определяется точками пересечения сферы Эвальда радиусом к с линиями обратной решётки. Для строго двумерной решетки линии обратной решётки непрерывны. Поэтому для любой энергии электронов может быть выполнено условие (2.1), при этом интенсивность дифракционных максимумов не зависит от длины волны.
Анализ дифракционной картины позволяет найти симметрию и периоды поверхностной решётки. При нормальном падении первый дифракционный пучок будет давать рефлекс на экране на некотором расстоянии г от центра, равном: RX 2лй г = (2.2) где R-радиус кривизны экрана, а - минимальное расстояние между атомами на поверхности. Важной характеристикой электронного пучка, применяемого для исследования поверхности, является ширина когерентности первичных электронов. Причиной некогерентности электронов в пучке является разброс скоростей электронов по величине и направлениям, что обусловлено температурой катода и несовершенством электронной оптики пушки.
Оценки показывают, что последний фактор играет главную роль и характерная величина составляет порядка 100А. Участок поверхности такого размера даёт когерентное рассеяние электронов. Малая величина Дх является причиной того, что метод ДМЭ не чувствителен к крупномасштабным несовершенствам поверхности. Чёткие картины ДМЭ наблюдаются до тех пор, пока на поверхности имеется достаточное количество участков размером больше Дх. Протяжённые дефекты дают вклад в фон. Таким образом, метод ДМЭ даёт информацию об атомной структуре, а не о топографии поверхности.
Метод ДМЭ успешно используется при изучении фазовых переходов на поверхности. При фазовых переходах первого рода, когда на поверхности сосуществуют различные поверхностные фазы, наблюдаемая дифракционная картина представляет собой суперпозицию картин от этих фаз, поскольку диаметр первичного пучка, как правило, больше, чем характерный размер островков сосуществующих фаз. В то же время, если размер этих островков меньше ширины когерентности электронов, то наблюдается заметное уширение дифракционных рефлексов, позволяющее оценить этот размер.
Таким образом, при анализе картин ДМЭ необходимо следить за интенсивностью различных рефлексов при изменении концентрации адатомов и использовать дополнительную информацию о поверхности, полученную методами СТМ,АСМиДОС.
Метод динамического эталона
Первыми будут описаны методы обработки ДОС-данных для ПФ. ПФ является двумерным объектом и характеризуется площадью поверхности, которую она покрывает S, выражаемую в относительных единицах Q=S/Smax, принимая за 1 площадь рабочей поверхности образца Smax. Поэтому использовать для описания свойств ПФ диэлектрическую функцию, как было сделано в работе [135], является не корректным.
Авторы работы [136] предложили использовать ДОС-спектр, полученный в ходе эксперимента, в качестве характеристики оптических свойств ПФ. Такой подход можно использовать только для собственных поверхностных фаз чистых поверхностей (например Si(l 11)7x7), поскольку они покрывают поверхность полностью. Другие ПФ покрывают поверхность по мере поступления адсорбата, поэтому величина AR/R зависит от количества атомов адсорбата [137]. Кроме того, в AR/R вносят вклад островки предшествующей фазы, поэтому будет меняться форма ДОС-спектра [138]. В работе [139] уточнили определение: ДОС-спектр ПФ, покрывающей поверхность полностью, является характеристикой оптических свойств этой фазы.
Покрытие адсорбата, соответствующее этому событию, предложили определять из зависимости AR/R от покрытия (экспозиции) адсорбата при выбранных энергиях (обычно для пиков или впадин) [140], на которой ему соответствует точка перегиба (при экспозиции в газе нужно искать участок насыщения) [141].
Однако некоторые ПФ, например Si(lll)V31xV31-In [60], покрывают поверхность не полностью. Свободная от этих фаз поверхность при покрытиях близких к покрытию насыщения занимается дефектными фазами [142], поэтому определить оптические свойства по предложенной схеме не возможно. Кроме того, положение точки перегиба для одной и той же ПФ может изменяться, например при осаждении Ag на Si(100) при КТ [143] (см. рис. 5.2). Это означает, что описанный подход определения оптических свойств ПФ очень не совершенный.
Следует отметить, что наклон для каждого линейного участка в обоих экспериментах не изменяется. Поэтому автором была выдвинута следующая концепция: оптические свойства исследуемых объектов содержатся в наклоне зависимости AR/R от покрытия адсорбата. Она устраняет все недостатки предшествующего подхода.
Зависимость AR/R от покрытия адсорбата для модельной системы, в которой происходит последовательное формирование двух поверхностных фаз (I и II), покрытие насыщения которых 0] и 0П соответственно. Последняя из них на заключительной стадии (III) начинает покрываться островками объемной фазы адсорбата.
Описанная выше последовательность действий и формулы (3.20) и (3.21), позволяющие определить характеристики оптических свойств ПФ, составляют метод динамического эталона (МДЭ) для ПФ. В этом методе, в отличие от метода одного эталона, для каждого линейного участка выбирается свой эталон. В результате при переходе между линейными участками эталон динамично изменяется. Если рост пленки сопровождается формированием объемного вещества, то нужно использовать обычный МДЭ, в основу которого заложена формула связывающая AR/R, рассчитанный относительного реального эталона с оптической функцией пленки [25]: где Ще )= ljz\ew(z))-(e (2))] (3.23).
В этом выражении s(z) и є (z) - значение диэлектрической функции системы до и после осаждения адсорбата. Вычислим интеграл (3.23) в общем случае (рис. 3.4), учитывающем все возможные варианты. Суть модели в следующем: островки объемной фазы III имеющие высоту d, и занимающие долю Q, поверхности формируются в ходе разрушения ПФ II и химической реакции с подложкой (фаза I), при этом расходуется некоторый объем фазы I, характеризуемый высотой d,j и той же долей поверхности.
Оно состоит из 3-х слагаемых. 1-ое слагаемое свидетельствует о формировании объемной фазы III, т.к. содержит Єщ. 2-ое слагаемое указывает на участие в этом процессе атомов подложки (Єї). 3-е слагаемое подразумевает, что в процессе формирования фазы III происходит разрушение ПФ II (Ли). Поэтому (3.33) описывает фазовый переход фаза I - фаза III, идущий с разрушением поверхностной фазы II V х б) «—2V«co r)« S)—»1 Рис. 3.5 а) Величина угла роста в высоту S для случаев: двумерного, вертикального и обычного роста островков, б) Пояснение к выводу зависимости высоты островка d от толщины пленки h. Здесь Т - угол роста в плоскости поверхности образца.
Множитель d 1 в 3-ем слагаемом подразумевает, что на заполнение поверхности сильно влияет характер роста островков (см. рис. 3.5(a)). Когда поверхность покрылась пленкой полностью (Q=l), 3-е слагаемое перестает зависеть от h. Поэтому наклон изменяется и на зависимости AR/R от толщины пленки появляется точка перегиба h , связанная со средней толщиной пленки фазы III: d = h /BA(3.34). Поскольку величина d характеризует рост островков фазы III, то по величине h также можно судить о росте пленки, если сравнить ее с известной величиной. Для этой цели лучше подходит 45 рост, т.е. когда углы роста Т и S составляют 45 (см. рис. 3.5 (а, б)).
Вследствие нелинейности (3.37) при некотором отличном от нуля значении ho AR/R может обратиться в ноль (рис. 3.6(a)). Подобный вид кривой был получен автором в некоторых экспериментах (рис. 3.6 (б)). Возможно, такие кривые были получены впервые, поскольку автору неизвестны работы, в которых сообщается о подобном ходе зависимости AR/R от толщины пленки.
Оптические свойства тонких пленок силицидов Fe на Si(l 11)
В этом и следующем разделах будут рассматриваться, в отличие от предыдущего, только силициды, являющиеся объемными фазами. Атомная структура их кристаллов достаточно хорошо исследована как экспериментально, так и теоретически. Однако, чтобы внедрить их в кремниевую технологию, этой информации не достаточно. Дело в том, что Si подложка является не только источником второго элемента для формирования силицида, но и оказывает заметное влияние на его рост. Пытаясь согласовать свою решетку с кремниевой, силицид формирует довольно причудливые структуры, которые не имеют стабильных кристаллов в нормальных условиях. Это приводит к тому, что фазовая диаграмма для систем, в которых формируются силициды, (реактивные системы) будет сильно отличаться от объемной. Поэтому основной задачей для таких систем является не исследование структуры формирующихся силицидов и их поверхностных фаз, а построение фазовой диаграммы, учитывающей по возможности основные факторы, влияющие на рост силицидов. Эта задача является фундаменталыюй и для ее решения требуется рассмотрение всех реактивных систем, чтобы определить общие тенденции.
Поскольку она довольно объемна, то в данном труде будут решаться лишь некоторые из составляющих ее подзадачей. Попутно с ними мы будем решать другую, имеющую сугубо прикладное значение, задачу, состоящую в поиске оптимальных условий для формирования высокой плотности островков полупроводникового силицида. Для этих целей мы проводили исследования оптических свойств пленок, которые в данном случае характеризуются изменением диэлектрической функции, в процессе ее формирования. Так же как и в случае с описанием оптических свойств поверхностных фаз мы будет рассчитывать только мнимую часть, поскольку корректно восстановить вещественную часть для такого узкого интервала энергий не удастся. В зависимости от метода формирования пленки будем применять разные методы обработки данных: для РТФЭ будем использовать обычный МДЭ а, для ТФЭ - только МВЭ.
После такого небольшого введения давайте приступим к решению изложенных выше задач. Начнем в этот раз с результатов исследований оптических свойств пленки (получена при осаждении Fe на Si(lll) при комнатной температуре), являющихся 1-ым этапом поиска оптимальных условий. Представляющая огромный интерес для нас зависимость ДКО от толщины осажденной пленки железа (аналог покрытия для поверхностных фаз) изображена на рис. 4.13 (а). В отличие от зависимостей, наблюдавшихся при исследовании поверхностных фаз, она возрастает во всем диапазоне значений толщины пленки Fe (сравните с рис. 4.11 (а)). Такой качественно различный вид зависимостей связан с тем, что поверхностная фаза растет исключительно за счет увеличения своей площади. Когда ее площадь достигает предельного значения, то она перестает расти, а соответственно не будет увеличиваться и величина ДКО. Дальнейшее изменение его возможно лишь при преобразовании этой фазы в новую, но это уже приведет к смене знака величины, характеризующей наклон зависимости.
Для объемных фаз ситуация немножко иная. Они могут расти за счет увеличения не только площади поверхности занимаемой островком, но и его высоты. Поэтому даже при полностью покрытой поверхности рост пленки не прекращается и сигнал продолжает увеличиваться. Кроме того, из-за стабильности объемных фаз, новая может расти сверху уже сформированной другой фазы и не разрушать ее, что также приведет к увеличению сигнала ДКО.
Представленная зависимость ДКО получена при низкой скорости осаждения Fe (3.4x10"3 нм/мин). Однако наблюдающиеся на ней стадии сохраняются и при больших скоростях осаждения (7.7 10"2 нм/мин), поэтому давайте рассмотрим эту зависимость поподробнее. На ней можно точно определить лишь одну границу между линейными участками (0.475 нм), а положение другой, находящейся при меньшей толщине пленки, можно указать лишь приблизительно. Невозможность точного определения положения этой границы на этом рисунке связана с тем, что, как было показано в главе 3, точность определения расположения границы на зависимости определяется не только количеством точек, приходящихся на рассматриваемые линейные участки, но и относительным размером этих участков на зависимости. Вот и получается, что несмотря на большое количество точек, попадающих в этот интервал, определить точное расположение этой границы на данной зависимости не удается. Поэтому мы привели начальный участок на отдельном графике (см. рис. 4.13 (б)). Это позволило без труда установить не только положение той самой границы (0.14 нм), но и обнаружить еще один участок, граница которого пролегает при толщине пленки Fe около 0.023 нм.
В итоге рассматриваемая зависимость состоит из 4-х линейных участков, причем каждый из них соответствует определенному этапу формирования пленки. На 1-ом этапе (0 - 0.023 нм), по нашим соображениям, происходит формирование квазимагических кластеров Fe. В пользу этого предположения свидетельствует наши ДМЭ исследования, согласно которым при этих значениях толщины пленки железа рефлексы 7x7 тускнеют, но сохраняются. Они исчезают полностью лишь при покрытии 0.25 МС, т.е. для разрушения фазы Si(l 11)7x7 требуется около 12 атомов железа на ячейку. С другой стороны для формирования «магического» кластера достаточно и половины этого количества атомов, поэтому он вполне может зародиться в одной из ячеек 7x7. Покрытие насыщения таких кластеров по нашим соображениям составляет 0.12 МС. Другим аргументом, указывающим на возможное существование таких кластеров, служат результаты СТМ исследований пленки железа, имеющей покрытие 0.33 МС, которое приходится на следующий этап роста пленки [99]. Согласно им, вместе с относительно большими областями нерегулярной формы, существуют локальные места, в которых наблюдаются довольно малые кластеры примерно схожих размеров, отстоящие друг от друга на одинаковые расстояния. Они, по всей видимости, формируются на предыдущем этапе, поскольку при увеличении толщины пленки уже не наблюдаются.
К сожалению, на этот участок приходится всего 5 точек, поэтому получить спектр изменения мнимой части диэлектрической функции (ИМЧДФ) с достаточной степенью точности представляется весьма затруднительным. Однако, можно провести оценочные вычисления формы спектра ИМЧДФ, по которой мы установили, что кластеры имеют металлическую природу и представляют собой островки объемной фазы, которые располагаются, как было предложено выше, на ячейке 7x7.
