ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, < 12, с. 25-29
УДК 538.971
ФОРМИРОВАНИЕ ИАИОРЕЛЬЕФА ПРИ ИОННОМ ОБЛУЧЕНИИ ПОВЕРХНОСТИ ГЕРМАНИЯ И КРЕМНИЯ
© 2007 г. В. С. Черныш1, А. С. Патракеев2, Е. С. Солдатов1, Д. В. Петров1, С. В. Алышев1
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, Россия 2НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
Москва, Россия Поступила в редакцию 09.01.2007 г.
Экспериментально исследована топография поверхности монокристаллов кремния и германия, формирующаяся под действием облучения ионами Аг+ и №+ с энергией 10 кэВ. При помощи атом-но-силовой микроскопии обнаружен рельеф с характерными размерами нанометрового диапазона. Установлено влияние степени легированности кремния на среднюю высоту образующегося наноре-льефа. Показано также, что средняя высота определяется параметрами ионного облучения.
ВВЕДЕНИЕ
Нанорельеф, возникающий на поверхности твердых тел при ионном облучении, обнаружен около тридцати лет назад [1]. В первых экспериментах при падении пучка ионов под углом к поверхности полупроводниковой или металлической мишени наблюдался рифленый рельеф нанометрового масштаба [2-5]. Предполагалось, что при нормальном падении пучка на облучаемой поверхности должен возникать упорядоченный рельеф в виде нанохолмов. Однако впервые формирование такого рельефа под действием ионной бомбардировки было обнаружено лишь в 1999 году [6]. Образование нанохолмов шириной 50 нм, выстраивающихся в регулярную двумерную структуру с плотной гексагональной упаковкой на поверхности GaSb после облучения ионами Аг+ с энергией 420 эВ, объяснялось неоднородностью коэффициента распыления вдоль поверхности мишени, возникающей вследствие преимущественного распыления Sb, и процессами самоорганиз-ции, для описания которых привлекалась теория Харпера-Брэдли [7].
Формирование нанорельефа рассматривается в теории [7] как конкурирующее действие двух процессов: эрозии поверхности вследствие распыления и поверхностной диффузии атомов. При этом поверхностная миграция атомов стремится уменьшить, а распыление, в силу зависимости коэффициента распыления от угла падения ионов [8], -увеличить локальную кривизну поверхности.
Результаты работы [6] продемонстрировали перспективность применения ионной бомбардировки в создании наноструктур для электронных и оптоэлектронных приборов и стимулировали интенсивные теоретические и экспериментальные исследования в этой области. Особый интерес представляет изучение наноструктур на осно-
ве кремния, которые рассматриваются в настоящее время как перспективные оптические эмиттеры. Важным шагом в этом направлении явилась работа [9], в которой обнаружено, что при облучении Si (100) ионами Аг+ с энергией 1.2 кэВ, падающими по нормали к поверхности, при дозах облучения ~2 х 1017 ион/см2 на образце формируется однородный и высокоупорядоченный нанорельеф с высотой нанохолмов ~7 нм и шириной ~55 нм, аналогичный наблюдавшемуся в работе [6]. Необходимо отметить в этой связи, что при температурах, близких к комнатной, поверхность таких полупроводниковых материалов, как Si и Ge, аморфизуется при малых (~1016 ион/см2) дозах облучения. А поскольку ионное облучение представляет собой стохастический процесс, эти материалы являются идеальным объектом для изучения роли процессов самоорганизации в формировании нанорельефа.
Однако позднее в экспериментах по облучению Si(100) ионами Аг+, которое проводилось при тех же условиях, что и в работе [9], упорядоченный рельеф на поверхности Si не был обнаружен [10].
Для того чтобы понять причины такого, по мнению авторов работы [10], "загадочного" расхождения, с одной стороны, а также для изучения возможностей управления параметрами нанорельефа, в настоящей работе проводилось исследование влияния параметров как ионного облучения, так и параметров облучаемого материала на характеристики нанорельфа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты проводились в сверхвысокова-куумной ионно-лучевой установке [11]. Для проведения экспериментов из монокристаллов Ge(111) и Si(100), а также пластин легированного Si (КЭФ-0.5 и КЭФ-4.5) были вырезаны образцы размером
2
2 - пучок ионов; 3 - точка, облученная нонами.
5 х 10 мм. Образцы крепились на столике манипулятора, который позволял передвигать их без нарушения вакуумных условий по двум взаимно перпендикулярным направлениям в пределах ~10 мм с точностью ~ 1 мкм. Такой манипулятор позволял проводить изучение дозовых зависимостей параметров рельефа для различных мишеней при одинаковых условиях облучения. Схема облучения образцов представлена на рис 1.
Использовался сепарированный по массе пучок ионов Ar+ или Ne+, падающий по нормали к поверхности. Из пучка диаметром ~3 мм с помощью диафрагмы вырезалась центральная часть диаметром 1 мм. За счет этого достигалось равномерное облучение поверхности образца. Плотность ионного тока на образце была выше 0.1 мА/см2. Давление остаточных газов в камере образца не превышало 1.33 х 10-6 Па. Температура мишени в процессе облучения была близка к комнатной, что значительно меньше температур отжига дефектов как для Si, так и для Ge.
Топография поверхности изучалась в атомно-силовом микроскопе (АСМ) Solver P47-PRO, продольное разрешение которого составляло 15 А.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 представлены АСМ-изображения не-облученной поверхности нелегированных монокристаллов Ge(111) и Si(100). Видно, что на поверхности Si присутствуют хаотически расположенные ямки, в то время как на поверхности Ge имеются сплошные прямолинейные царапины, пересекающиеся в различных направлениях. Аналогичный рельеф наблюдался на поверхности Si и Ge после полировки суспензиями нанодис-персных алмазов [12]. Отметим, что средняя высота элементов рельефа на необлученной поверхности Ge значительно выше, чем на Si, и составляет 3.2 и 0.5 нм, соответственно.
Развитие рельефа поверхности монокристалла Ge во времени при облучении ионами Аг+ с энергией 10 кэВ представлено на рис. 3. Видно, что из-за наличия первоначальной шероховатости формирование стабильного рельефа на поверхности происходит не сразу: сначала сглаживаются глубокие царапины, а потом начинается процесс формирования нанохолмов, который выходит на насыщение при дозе облучения, равной 9 х 1017 ион/см2.
АСМ-изображения поверхности были получены и после облучения монокристалла Si ионами Аг+ с энергией 10 кэВ. Максимальная доза облучения в случае бомбардировки Si выбиралась в предположении, что коэффициент распыления кремния У8{ = 1.6 почти в три раза меньше, чем [13]. Таким образом, при такой дозе с поверхности Si удаляется слой такой же толщины, как и в случае распыления Ge дозой 9 х 1017 ион/см2.
Результаты компьютерной обработки АСМ-изображений поверхности Si и Ge в виде зависимости средней высоты рельефа к от дозы облучения В представлены на рис. 4. Отметим, прежде всего, что средняя высота наноструктур на Ge выше средней высоты наноструктур на Si. Из рисунка видно также, что характер зависимостей к(В)
нм 4000
(а)
нм нм 2500
(б)
нм 25
00 4000 нм
Рис. 2. Первоначальный рельеф поверхности Si (а) и Ge (б).
0
2500 нм
0
нм 2.5
500
500
Рис. 3. Развитие рельефа поверхности Ое при бомбардировке ионами Аг+ с энергией 10 кэВ. Дозы облучения: а ■ 4.3 х 1016 ион/см2; б - 1.2 х 1017 ион/см2; в - 2.4 х 1017 ион/см2; г - 4 х 1017 ион/см2; д - 9.6 х 1017 ион/см2.
для Si и Ge существенно различается. Высота нанохолмов на кремнии растет до насыщения с увеличением дозы облучения. В случае облучения Si процесс образования нанорельефа можно интерпретировать как развитие первоначального рельефа вследствие распыления поверхности. Однако характер зависимости h(D) для Ge отчетливо указывает, что нанорельеф, возникающий под действием ионной бомбардировки, определяется не первоначальной топографией поверхности, а формируется в результате процессов самоорганизации [7], и его характеристики связаны с параметрами ионного облучения. Этот вывод подтверждается сравнением средней ширины нано-рельфа L с характеристиками каскада атомных столкновений, возникающего в мишени при ионном облучении (табл. 1). Из приведенных данных следует, что средняя ширина нанорельфа коррелирует с размером каскада, характеризуемым
Средняя высота нанорельефа, нм 3.5
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0
Г
5 10 15 20 25 30 Доза облучения, 1017 ион/см2
Рис. 4. Зависимость средней высоты нанорельефа для Ge (•) и Si (■) от дозы облучения при бомбардировке ионами Ar+ с энергией 10 кэВ.
0
Таблица 1. Параметры нанорельефа и каскадов атомных столкновений
верхности к(х, у, 0 в процессе ионного облучения, имеет следующий вид:
Параметры
L - средняя ширина нанорельефа, нм
Я р - средний проективный пробег ионов, нм [12]
10 кэВ Аг+ —- Si
100 13.7
10 кэВ Аг+ —- Ge
70 9.5
1.2 кэВ Аг+ —- Si [9]
55 4
Рис. 5. Фурье-образ поверхности Ge при различных дозах облучения: а - 1 х 1017 ион/см2; б - 1 х х 1018 ион/см2; и поверхности Si: в - 1 х 1017 ион/см2; г - 8 х 1017 ион/см2; д - 1.5 х 1018 ион/см2.
дгк = д2хк + VудУк - Кд4к,
(1)
средним проективным пробегом. Результаты наших экспериментов, представленные в табл. 1 вместе с результатами работы [9], хорошо согласуются с теоретическими исследованиями [14], в которых показано, что Ь ~ ц, где ц - размер каскада атомных столкновений.
Еще одной важной характеристикой нанорельефа является степень его упорядоченности. Результаты фурье-анализа АСМ-изображений монокристаллов Ge(111) и Si(100), облученных ионами Аг+ с энергией 10 кэВ, представлены на рис. 5. Видно, что как для Si, так и Ge, с увеличением дозы облучения происходит некоторое упорядочение рельефа. Однако, несмотря на это, в режиме насыщения (когда параметры нанорельефа стабилизируются) высокоупорядоченный рельеф, аналогичный наблюдавшемуся в работе [9], в наших экспериментах не формируется.
Уравнение, описывающее в линейной теории Харпера-Брэдли [7] развитие топографии по-
где к - высота деформированной поверхности в точке с координатами х и у в момент времени V и уу - коэ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.