Рис. 2.41. Схематическое изображение устройства канального электронного умножителя: а – прямой канальный электронный умножитель с длиной канала L и диаметром D; б – изогнутый канальный умножитель с прямоугольным входным отверстием; в – многоканальный электронный умножитель [19]

канала 1-2 мм (см. рис.2.41, в). Детектор такой конфигурации является пространственно-чувствительным и может использоваться для получения изображений [19].

2.8. Использование метода РФЭС в исследовании наноструктур и поверхности твердого тела

2.8.1. Образование наноструктур на поверхности Si (100), индуцированное адсорбцией кислорода

Методы РФЭС и АСМ позволили провести исследования процессов на поверхности кремния Si (100), взаимодействующей с кислородом вблизи порога зародышеобразования твердого оксида24. Установлено, что порог зародышеобразования является границей областей температур и давлений кислорода, в которых имеют место фазовый переход образования субмонослойного оксида и переход огрубления, индуцируемый адсорбцией кислорода. Обнаружено, что вблизи порога зародышеобразования на поверхности, покрытой

24) В.Д. Борман, Ю.Ю. Лебединский, В.И. Троян // ЖЭТФ 114 (1998) с.239.

114

хемосорбированным кислородом, образуются как стохастический шероховатый рельеф, так и квазипериодические структуры.

Эксперименты были выполнены на электронном спектрометре XSAM-800. Рентгеновские фотоэлектронные спектры возбуждались излучением Mg Kα источника (1253.6 эВ). Разрешение спектрометра по линии Au 4f1/2 составляло 0.9 эВ. Очистка образца производилась путем отжига в сверхвысоком вакууме в камере спектрометра (p~10-9 Торр, T=1300 К). Методика проведения исследования кинетики начального окисления поверхности Si(100) основана на измерении зависимости максимума интенсивности пика кислорода O1s от времени при экспозиции в кислороде.

На рис.2.42 представлен РФЭ спектр Si2p (BE=99 эВ) поверхности Si(100) в присутствии кислорода. Видно, что вблизи поверхно-

сти атомы кремния находятся в четырех оксидных состояниях, Sin+

(n=1, 2, 3, 4) (см. рис.2.42, спектры а и b).

Рис. 2.42. Рентгеновские фотоэлектронные спектры Si2p поверхности Si(100) в различных оксидных состояниях Sin+ (n=1-4, пунктирные кривые 1-4) после экспозиции в кислороде (t = 100 c,

p = 10− 6 торр, Т = 921 К)

(кривая а); b – спектр для поверхности неокисленного кремния 24)

Измеренный порог зародышеобразования твердого оксида при давлении кислорода р=6×10-7 Торр, соответствующему температурному интервалу 919-925 К, в котором происходит переход от режима формирования монослоя твердого оксида SiO2. При увеличении давления область порога зародышеобразования сдвигается в сторону больших температур. Это соответствует зависимости давления от температуры.

115

Рис. 2.43. Изображение, полученное методом атомно-силовой микроскопии, и профили шероховатости поверхности кремния Si(100) при давлении кислорода

Р=6 10-7 Торр: а–исходная поверхность; б-г–после прогрева в кислороде при тем-

пературах 915 К (б), 925 К (в), 945 К (г) 24)

При переходе порога зародышеобразования твердого оксида SiO2 образуется летучий оксид SiO. В результате происходит образование на поверхности кремния вакансий, что приводит в условиях постоянного потока молекул на поверхность безактивационного (спонтанного) образования вакансий на поверхности. При увеличении концентрации происходит фазовый переход конденсация вакансий образований шероховатого рельефа поверхности. Поэтому два фазовых перехода окисления и огрубления поверхности наблюдается одновременно, что соответствует установленному в проведенных опытах окислению шероховатой поверхности, которая должна быть обогащена вакансиями. Явление возникновения шероховатого рельефа при адсорбции кислорода как результат фазового перехода конденсации вакансий продемонстрировано на рис.2.43. Из рисунка видно, что для исходно гладкой поверхности измеренное изменение высоты поверхности на длине сканирования 1000 нм составляет 0.2-0.3 нм, что не превышает величины (0.2-0.3 нм) пространственного разрешения прибора в нормальном направлении. Характерной особенностью рельефа поверхности после взаимодействия с кислородом при Р=6×10-7 Торр, Т=925 К и времени экспозиции t=800c являются почти периодически расположенные на поверхности кристалла редкие глубокие ямы на фоне мелкомасштабных флуктуаций высоты поверхности. Средняя глубина ям составляет h≈30 нм, а расстояние между ямами l≈800нм. Шероховатый рельеф поверхности появляется после взаимодействия с кислородом во всей исследованной области порога зародышеобразования. Характерная высота рельефа на плоскости 4×4 мкм2 со-

116

ставляет <30 нм, а характерный размер по плоскости < 250 нм. При более высоких температурах T>940 K поверхность после экспозиции в кислороде в пределах точности измерений остается гладкой.

Из изложенного следует, что вблизи порога зародышеобразования в опытах при постоянном давлении кислорода с увеличением температуры происходит последовательная смена режимов взаимодействия кислорода с поверхностью Si(100). Режим формирования твердого оксида на гладкой поверхности сменяется режимом образования оксида на шероховатой поверхности, а при дальнейшем повышении в исследованной области температур происходит лишь огрубление поверхности в присутствии хемосорбированного кислорода.

2.8.2. Прямое наблюдения монослойного роста оксидных слоев на поверхности Si(100) на начальной стадии

окисления с помощью РФЭС

Как отмечалось ранее, вблизи поверхности атомы кремния нахо-

дятся в четырех оксидных состояниях, Sin+ (n=1, 2, 3, 4). РФЭ спектры Si2p в этих оксидных состояниях приведены на рис.2.42.

Рис. 2.44. Кинетика образования оксидной фазы кремния в разных состояниях, включая стадию начального окисления. Фиксируемое уменьшение вклада состояний Si+ и Si2+ при нагреве в СВВ изображено стрелкой. Кривая SiΣ представляет

собой суммарную концентрацию атомов Si , находящихся во всех четырех оксидных состояниях Si+, Si2+, Si3+ и Si4+ 25)

25) V.D. Borman, E.P. Gusev, Yu.Yu. Lebedinskii, V.I. Troyan // Phys. Rev. Lett. 67 (1991) p.2387.

117