WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1997, том 67, № 7 05;11;12 Влияние состояния объема образца на образование и термостабильность поверхностного силицида на (100) W © Н.Р. Галль, Е.В. Рутьков, А.Я. Тонтегоде, М.М. Усуфов Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 4 апреля 1996 г.) С помощью оже-электронной спектроскопии высокого разрешения изучено образование и разрушение поверхностного силицида на (100) W при различных режимах очистки поверхности и объема образца.

Показано, что степень очистки объема практически не влияет на закономерности формирования ПС при адсорбции атомов Si на нагретой поверхности W, причем почти вплоть до завершения этого формирования все поступающие на поверхность атомы кремния, начиная с самых первых, остаются на ней, встраиваясь в ПС. Разрушение ПС определяющим образом зависит от состояния объема и при T = 1400 K на ранних стадиях, видимо, лимитируется переходом атомов Si с поверхности в подповерхностный слой, а на последующих стадиях диффузией кремния внутрь подложки. Сделаны оценки объемной концентрации кремния, лимитирующей разрушение ПС.

Введение его приповерхностной области, важна и для понимания природы ПС. Изучение этого влияния и является целью Поверхностное химическое соединение кремния с настоящей работы.

тугоплавким металлом–поверхностный силицид (ПС) был впервые обнаружен при изучении адсорбции кремния на поверхности (100) W в [1] и имел стехио- Приборы и методы эксперимента метрию WSi. Обнаруженный ПС обладал рядом Эксперименты были выполнены в призменном ожезамечательных свойств: в температурном интервале спектрометре высокого разрешения [8]. В качестве T = 1100-1350 K его образование предшествовало всем иным транспортным процессам и твердофазным образцов использовались ленты из вольфрамовой фольги реакциям, протекающим при адсорбции атомов Si на размером 10.02 40 мм3, прогреваемые пропусканием поверхность металла, причем вплоть до завершения через них переменного тока. Очистка лент производиформирования ПС все упавшие на поверхность ато- лась многочасовым отжигом попеременно в кислороде мы кремния встраивались в нее, а после завершения (p = 10-6 Тор) при температуре T = 1500 K и в этого формирования все вновь поступающие атомы Si сверхвысоком вакууме при T = 2600 K. После очистрастворялись в объеме W. Вскоре ПС, обладающие ки на поверхности лент наблюдались лишь оже-пики схожими свойствами были обнаружены на (1010)Re [2], вольфрама. Одновременно с очисткой ленты текстури(111)Ir [3], (100)Mo [4] и (100)Ta [5]. Высокотемпе- ровались и на поверхность выходила грань (100), при ратурные термостабильные поверхностные силициды со этом работа выхода поверхности была равна 4.65 эВ строгой стехиометрией наблюдались в [6] на поверхно- (величина, характерная для данной грани [13]). Поверхсти Ni (Ni2Si) и в [7] на поверхности Pt (PtSi2). Во ность была однородна по работе выхода. Температура многом схожими с ПС свойствами обладают и поверх- лент измерялась оптическим микропирометром, а в неностные карбиды (ПК) Re [8], W[9] и Mo [10], а также пирометрической области определялась экстраполяцией поверхностные сульфиды W [11] и Mo [12]. зависимости температуры от тока накала. Имелась возПри изучении свойств поверхностных силицидов авто- можность получать оже-спектры непосредственно при высокой температуре лент вплоть до T = 2100 K.

ры работ [1–7] основное внимание уделяли процессам, Для измерений использовались амплитуды оже-пиков протекающим на поверхности, при этом роль объема подложки, возможное влияние его состояния на обра- кремния с E = 92 эВ и W с E = 179 эВ, иззование и стабильность ПС не учитывались. В то же меренные peak-to-peak. Поскольку при формировании время, как показано в [10], образование и термостабиль- ПС поверхностные концентрации кремния заведомо не ность родственного соединения–поверхностного карбида превышали монослойной, то интенсивность оже-сигнала на (100)Mo определяющим образом зависит от концен- принималась прямо пропорциональной поверхностной трации углерода, растворенного в объеме Mo, причем концентрации адсорбата.

концентрации, необходимые для поддержания ПК на по- Кремний на поверхность напылялся со штапика размеверхности, лежат в ”следовом” диапазоне nc = 0.01 ат%.

ром 1140 мм. Поток кремния абсолютно калибровалВидимо, роль состояния объема, в частности концен- ся по методике, описанной в [10]. Точность калибровки трация кремния, растворенного в объеме или хотя бы в составляла ±10%.

138 Н.Р. Галль, Е.В. Рутьков, А.Я. Тонтегоде, М.М. Усуфов Результаты экспериментов а) Фо р ми р о в а н и е ПС. На рис. 1 представлены изменения оже-пиков кремния и вольфрама при напылении атомов Si на поверхность (100)Wпри T =1300 K, т. е. в режиме, в котором, согласно [1], формируется ПС. Действительно, кривая ISi = ISi(t) прямолинейна на начальном участке (практически до момента t = 100 с) и выходит на насыщение, соответствующее ПС при напыленной дозе атомов Si NSi = 1 · 1015 см-2, что соответствует стехиометрии ПС WSi. Высокотемпературная кривая напыления вплоть до t = 90 с с высокой точностью совпадает с кривой напыления, полученной при комнатной температуре, свидетельствуя, что практически вплоть до формирования ПС все (с точностьюдо погрешности эксперимента в 1–2%) атомы Si, начиная с самых первых упавших на поверхность атомов, остаются на ней, встраиваясь в ПС.

Важно отметить, что не удается наблюдать каких-либо Рис. 1. Зависимость оже-сигнала кремния (1–3) и W(4) от различий в закономерностях формирования ПС в завивремени напыления при напылении кремния на (100)Wпри T = 300 (1) и 1300 K (2–4). Образец очищен отжигом симости от режимов предварительной очистки образца:

при T = 2500 K в течение 100 с (звездочки) и 2000 K этот процесс идет одинаково на поверхности W, в объеме в течение 10 с (треугольники). Плотность потока атомов которого при T = 2000 K была растворена доза кремния кремния Si = 1 · 1013 ат/см2 · с.

NSi = 1017 см-2 (т. е. около 100 доз соответствующих ПС), и на поверхности металла с объемом, практически свободным от растворенного кремния.

б) Т е р м о с т а б и л ь н о с т ь П С. На рис. Авторам неизвестны прямые методы, позволяющие представлены результаты отжига ПС, образованного на измерять объемные концентрации кремния, растворенповерхности W, содержащего в объеме различные конного в приповерхностной области металла в диапазоне центрации растворенного кремния. Как видно, в первом nSi = 0.1-0.01 ат.%, особенно в условиях, когда полное случае (кривая 1), когда ПС образован растворением количество атомов Si на поверхности сравнимо или толстой пленки кремния с NSi = 1017 ат/см2 и в объпревосходит количество этих атомов, растворенных в объеме. Поэтому чистота объема оценивалась исходя из применяемого между сериями опытов режима очистки образца. Так, отжиг лент при T = 2100 K в течение 30 с (режим очистки аналогичен применявшемуся в [1]) приводил к полной очистке поверхности от атомов Si, но, видимо, не удалял их из объема металла. Для полной очистки и поверхности, и объема W применялись отжиги при T = 2500 K в течение 100 с. Как следует из данных [14], где проводилась прямая массспектрометрическая регистрация атомов Si, десорбирующихся с поверхности W, при указанных выше отжигах действительно прекращается десорбционный поток атомов Si из W. Оценим диффузионные длины для атомов Si в решетке W в таких условиях. Для диффузионной длины справедливо следующее выражение:

Рис. 2. Зависимость относительного оже-сигнала кремния от Ldif =(DSi · t)1/2 =(D0)1/2 exp[-Edif/2kT ] t. (1) времени отжига для кремния из ПС на (100)W при различных состояниях объема образца. 1 — начальное состояние — ПС;

Положив D0 = 10-3 см2/с и Edif = 2.5 эВ для диффув объеме растворена доза кремния, соответствующая 100 ПС зии атомов Si в тугоплавких металлах [15], T = 2500 K при T = 1400 K; 2 — начальное состояние — ПС; образец и время опыта 100 с, получим Ldif = 100 мкм, что очищен отжигом при T = 2000Kв течение 10с; 3(кружки) — на порядок больше толщины ленты. Таким образом, начальное состояние NSi = 2.3 · 1014 ат/см2 (0.23 П, образец отсутствие десорбционного потока, видимо, действительочищен при T = 2500 K в течение 100 с; 4 — (светлые но свидетельствует об очистке как поверхности, так и кружки) — начальное состояние NSi = 2 · 1014 ат/см2 (0.2 П, объема образца.

образец очищен при T = 2000 Kв течение 90 с).

Журнал технической физики, 1997, том 67, № Влияние состояния объема образца на образование и термостабильность поверхностного силицида... диффузионной длине Ldif, и соответствующая объемная концентрация составляет nSi = NSi/Ldif. (2) Для ее вычисления воспользуемся формулой (1).

При T = 1400 K и времени растворения 400 с величина Ldif = 2 · 10-5 см = 2000. Если теперь в этом объеме разместятся атомы кремния, прежде составлявшие ПС и имевшие поверхностную концентрацию NSi = 1 · 1015 см-2 (что соответтсвует ПС WSi), то для соответствующей объемной концентрации мы получим Рис. 3. Зависимость относительного оже-сигнала кремния из nSi = 5 · 1019 см-3 = 0.1 ат%, так как объемная конценПС от корня квадратного из времени отжига. Обозначения те трация вольфрама составляет nW = 6.3 · 1022 см-3 [17].

же, что и на рис. 2.

В литературе нет данных о величинах предельной растворимости кремния в вольфраме в указанном интервале температур, но, интерполируя в данную область значения, полученные для более высоких температур еме содаржится растворенный кремний в значительном 1900–2300 K, можно ожидать, что предельная раствориколичестве, ПС стабилен при T = 1400 K в течение по мость должна составлять nSi = 1 ат%. Таким обракрайней мере 1000 с и никаких тенденций к уменьшению зом, объемные концентрации растворенного кремния, на оже-сигнала кремния не наблюдается.

порядок меньшие, чем ожидаемая величина предельной В то же время в условиях, когда ПС образован на растворимости, уже лимитируют удаление с поверхности в значительной мере очищенном от кремния образце атомов Si из ПС.

(кривая 2–4), ПС уже при T = 1400 K оказывается Интересно понять, можно ли, используя имеющиеся нетермостабильным: в условиях, когда объем очищен не экспериментальные данные, как-нибудь оценить величиполностью, оже-сигнал кремния уменьшается и стабину Es1, т. е. энергию активации для перехода адатома Si лизируется на новом значении, а при более глубокой с поверхности в первый подповерхностный слой объема.

очистке объема уменьшается до нуля. Как показано Можно предположить, что именно данный процесс опрев [14], термодесорбция кремния с W имеет место лишь деляет скорость растворения самых первых атомов Si при T > 1500 K, так что в нашем случае уход кремния с из ПС, когда в объеме еще нет растворенного кремния.

поверхности можно объяснить только его растворением Считая данное предположение справедливым, оценим в объеме металла.

Es1, исходя из наклона самых начальных участков кривых Уход кремния с поверхности может лимитироваться ISi = ISi(t) (кривые 3 и 4 на рис. 2) и полагая прикак диффузией в объеме, так и собственно растворением, менимым соотношение Аррениуса для времени жизни т. е. переходом атомов с поверхности в объем образца.

частицы на поверхности относительно процесса раствоСами по себе кривые, приведенные на рис. 2, не позволярения sют выбрать одну из этих возможностей. Для выяснения этого вопроса на рис. 3 приведены те же кривые, но переs1 = 0 exp[Es1/kT ]. (3) строенные в иных осях. По оси ординат, по-прежнему, отложена интенсивность оже-сигнала кремния (величина, пропорциональная его поверхностной концентрации), а Положив 0 = 10-13 с, получим Es1 = 4.3 эВ, где по оси абсцисс — квадратный корень из времени отжига.

точность оценки с учетом неопределенности значения Как видно, кривая 2 слабо изменяет свою форму, зато составляет E = ±0.2 эВ.

кривые 3 и 4, характеризующие разрушение ПС на образПредставленные данные указывают на то, что реце со ”свободным от кремния” объемом, превращаются в зультаты работы [1], касающиеся физической картины прямые линии, что характерно для случая, когда именно разрушения ПС, требуют некоторой ревизии. В частобъемная диффузия определяет кинетику процесса [16].

ности, десорбции кремния с поверхности W, видимо, предшествует его частичное предрастворение, на возможность которого указано в [14]. Видимо, развитые Обсуждение результатов выше соображения актуальны и для других адсорбциОбсудим полученные результаты. Прежде всего оце- онных систем Si/поверхность тугоплавкого металла, что ним, каковы же объемные концентрации кремния в при- в частности подтверждается данными работы [5], где поверхностной области W при растворении ПС. Рас- наблюдалась зависимость термостабильности ПС тантатворившиеся атомы кремния из ПС с поверхностной ла от концентрации кремния растворенного в объеме концентрацией NSi локализованы на глубине, равной образца.

Журнал технической физики, 1997, том 67, № 140 Н.Р. Галль, Е.В. Рутьков, А.Я. Тонтегоде, М.М. Усуфов Краткие результаты и выводы Изучено влияние кремния, растворенного в объеме металла на процессы формирования ПС и на его термостабильность. Показано, что формирование ПС вольфрама при высокотемпературной адсорбции кремния на его поверхности практически не зависит от состояния объема, так что самые первые падающие на поверхность атомы Si уже встраиваются в ПС. Наоборот, разрушение ПС определяющим образом зависит от состояния объема.

Так, при T = 1400 K в первый момент скорость растворения определяется переходом атомов Si с поверхности в подповерхностный слой, а на последующих стадиях лимитируется объемной диффузией кремния в вольфраме.

Данная работа поддерживалась Российской государственной программой ”Поверхностные атомные структуры”.

Список литературы [1] Агеев В.Н., Афанасьева Е.Ю., Галль Н.Р. и др. // Поверхность. 1987. № 5. С. 7–14.

[2] Галль Н.Р., Рутьков Е.В., Тонтегоде А.Я. // ЖТФ. 1990.

Т. 60. Вып. 4. С. 125–130.

[3] Галль Н.Р., Рутьков Е.В., Тонтегоде А.Я. // Поверхность.

1989. № 10. С. 47–53.

[4] Gall N.R., Rut’kov E.V., Tontegode A.Ya., Usufov M.M. // Phys. Low Dimensional Structures. 1994. Vol. 9.

[5] Gall N.R., Rut’kov E.V., Tontegode A.Ya., Usufov M.M. // Phys. Low Dimensional Structures. 1996. In press.

[6] Bermudes V.M. // Surf. Sci. Lett. 1990. Vol. 230. P. L155– L161.

[7] Bonzel H.P., Franken A.M., Paris C. // Surf. Sci. 1981.

Vol 104. P. 625–642.

[8] Gall N.R., Mikhailov S.N., Rut’kov E.V., Tontegode A.Ya. // Surf. Sci. 1987. Vol. 191. P. 185–202.

[9] Агеев В.Н., Афанасьева Е.Ю., Галль Н.Р. и др. // Письма в ЖТФ. 1986. Т. 12. Вып. 9. С. 565–570.

[10] Rut’kov E.V., Tontegode A.Ya., Usufov M.M., Gall M.R. // Appl. Surf. Sci. 1994. Vol. 78. P. 179–184.

[11] Rut’kov E.V., Tontegode A.Ya., Usufov M.M., Gall N.R. // Appl. Surf. Sci. 1996. In press.

[12] Галль Н.Р., Рутьков Е.В., Тонтегоде А.Я., Усуфов М.М.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.