Дрейф двумерных вакансионных островков на поверхности Si(100) в условиях электромиграции

Воронцова Ю.А., Ситников С.В. Дрейф двумерных вакансионных островков на поверхности Si(100) в условиях электромиграции // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 5. С. 664–669. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-5-664-669

Предмет исследования. С применением in situ метода сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии выполнено экспериментальное исследование морфологических изменений поверхности Si(100) в условиях электромиграции. Целью исследования является определение температурной зависимости эффективного электрического заряда адсорбированного атома на поверхности Si(100). Метод. С помощью бомбардировки низкоэнергетическими ионами аргона и последующего высокотемпературного отжига на поверхности образцов Si(100) сформирована система концентрических двумерных вакансионных островков. На поверхности образцов созданы квазиравновесные условия путем компенсации сублимирующего потока с поверхности из внешнего источника кремния. В условиях электромиграции при компенсации сублимации выполнена запись видеоизображений дрейфа вакансионных островков. Основные результаты. В результате обработки и анализа видеоизображений получена зависимость скорости движения вакансионных островков на поверхности Si(100) для различных температур и направлений электрического тока вдоль и поперек димерных рядов сверхструктуры (2 × 1) внутри островка. Показано, что в квазиравновесных условиях скорость дрейфа вакансионных островков не зависит от их размеров. Построена упрощенная одномерная теоретическая модель, которая включает в себя одну атомную ступень. Ступень движется посредством отрыва от нее атомов и их дрейфа под силой электромиграции в условиях отсутствия десорбции и осаждения атомов на поверхность. На основе предложенной модели дана оценка эффективного электрического заряда, и построена температурная зависимость величины эффективного заряда в интервале температур 1010–1120 °С. Абсолютная величина эффективного заряда линейно уменьшается с увеличением температуры. Знак эффективного заряда отрицательный, а его средняя величина составляет Z = –0,5 ± 0,3 элементарных зарядов. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть востребованы при создании структур со счетным количеством атомных ступеней для использования в качестве вторичных мер высоты с привязкой к кристаллической решетке кремния.

1. Yasunaga H., Natori A. Electromigration on semiconductor surfaces // Surface Science Reports. 1992. V. 15. N 6-7. P. 205–280. https://doi.org/10.1016/0167-5729(92)90007-x

2. Тамм И.Е. О возможности связанных состояний электронов на поверхности кристалла // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1933. Т. 3. С. 34–43.

3. Rogilo D.I., Fedina L.I., Kosolobov S.S., Latyshev A.V. On the role of mobile nanoclusters in 2D island nucleation on Si(111)-(7 × 7) surface // Surface Science. 2018. V. 667. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.susc.2017.09.009

4. Brocks G., Kelly P.J., Car R. Binding and diffusion of a Si adatom on the Si(100) surface // Physical Review Letters. 1991. V. 66. N 13. P. 1729–1732. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.1729

5. Latyshev A.V., Krasilnikov A.B., Aseev A.L. Application of ultrahigh vacuum reflection electron microscopy for the study of clean silicon surfaces in sublimation, epitaxy, and phase transitions // Microscopy Research and Technique. 1992. V. 20. N 4. P. 341–351. https://doi.org/10.1002/jemt.1070200405

6. Rogilo D.I., Fedina L.I., Kosolobov S.S., Ranguelov B.S., Latyshev A.V. Critical terrace width for two-dimensional nucleation during Si growth on Si(111)-(7х7) surface // Physical Review Letters. 2013. V. 111. N 3. P. 036105. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.036105

7. Curiotto S., Müller P., El-Barraj A., Cheynis F., Pierre-Louis O., Leroy F. 2D nanostructure motion on anisotropic surfaces controlled by electromigration // Applied Surface Science. 2019. V. 469. P. 463–470. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.049

8. Curiotto S., Cheynis F., Müller P., Leroy F. 2D manipulation of nanoobjects by perpendicular electric fields: Implications for nanofabrication // ACS Applied Nano Materials. 2020. V. 3. N 2. P. 1118–1122. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b02517

9. Myers-Beaghton A.K., Vvedensky D.D. Generalized Burton-Cabrera-Frank theory for growth and equilibration on stepped surfaces // Physical Review A. 1991. V. 44. N 4. P. 2457–2468. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.44.2457

10. McLean J.G., Krishnamachari B., Peale D.R., Chason E., Sethna J.P., Cooper B.H. Decay of isolated surface features driven by the Gibbs-Thomson effect in an analytic model and a simulation // Physical Review B. 1997. V. 55. N 3. P. 1811–1823. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.1811

11. Kandel D., Kaxiras E. Microscopic theory of electromigration on semiconductor surfaces // Physical Review Letters. 1996. V. 76. N 7. P. 1114–1117. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.1114

12. Stoyanov S. Electromigration induced step bunching on si surfaces-how does it depend on the temperature and heating current direction? // Japanese Journal of Applied Physics. 1991. V. 30. N 1. P. 1–6. https://doi.org/10.1143/JJAP.30.1

13. Латышев А.В. Атомные процессы на поверхности кристалла: учеб. пособие / Новосибирский государственный университет. Новосибирск, 2006. 96 с.

14. Nielsen J.-F., Pelz J.P., Hibino H., Hu C.-W., Tsong I.S.T. Enhanced terrace stability for preparation of step-free Si(001)-( 2×1) surfaces // Physical Review Letters. 2001. V. 87. N 13. P. 136103. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.136103

15. Minoda H. Study of an effective charge of si adatoms on a Si(111) 1 × 1 surface // Journal of the Physical Society of Japan. 2002. V. 71. N 12. P. 2944–2947. https://doi.org/10.1143/JPSJ.71.2944

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License