Волнообразные периодические структуры на поверхности кремния, инициируемые облучением фокусированным ионным пучком галлия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Исследованы процессы формирования микрорельефа на поверхности Si(100) при облучении пучком ионов Ga+ с энергией 30 кэВ и флуенсом D = 1.25 × 1018–2 × 1019 cм–2 при углах падения θ = 30°–85°. Установлено, что в угловом диапазоне θ = 40°–70° на поверхности Si формируется фасетированный волнообразный рельеф, а при θ = 30° — синусоидальный. Получена экспериментальная зависимость длины волны периодической структуры от времени облучения λ(t) ~ tn, n = 0.33–0.35. Определены средние скорости распространения рельефа и их направление относительно направления падающих ионов в случае θ = 30° и 40°, которые составили –5.3 ± 0.6 и –6.3 ± 0.6 нм/с соответственно. Полученные результаты подробно рассмотрены в рамках существующих моделей формирования волнообразного рельефа поверхности при ионной бомбардировке.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. И. Бачурин

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: vibachurin@mail.ru

Ярославский филиал 

Россия, Ярославль

М. А. Смирнова

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: vibachurin@mail.ru

Ярославский филиал

Россия, Ярославль

К. Н. Лобзов

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: vibachurin@mail.ru

Ярославский филиал

Россия, Ярославль

М. Е. Лебедев

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: vibachurin@mail.ru

Ярославский филиал

Россия, Ярославль

Л. А. Мазалецкий

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: vibachurin@mail.ru

Ярославский филиал 

Россия, Ярославль

Д. Э. Пухов

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Email: vibachurin@mail.ru

Ярославский филиал 

Россия, Ярославль

А. Б. Чурилов

Физико-технологический институт им. К.А. Валиева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vibachurin@mail.ru

Ярославский филиал

Россия, Ярославль

Список литературы

  1. Navez M., Sella C., Chaperot D. // C. R. Acad. Sci. 1962. № 254. P. 240. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k3206x/f248.item
  2. Bradley R.M., Harper M.E. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1988. V. 6. P. 2390. https://doi.org/10.1116/1.575561
  3. Sigmund P. // J. Mater. Sci. 1973. V. 8. P. 1545. https://doi.org/10.1007/BF00754888
  4. Cuerno R., Kim J.-S. // J. Appl. Phys. 2020. V. 128. P. 180902. https://doi.org/10.1063/5.0021308
  5. Makeev M.A., Cuerno R., Barbasi A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2002. V. 197. P. 185. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(02)01436-2
  6. Valbusa U., Borgano C., Mongeot F. // J. Phys.: Condens. Matter. 2002. V. 14. P. 8153. https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/35/301
  7. Muñoz-García J., Vázquez L., Castro M., Cago R., Redondo-Cubero A., Moreno-Barrado A., Cuerno R. // Mater. Sci. Eng. R. 2014. V. 86. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.09.00
  8. Vázquez L., Redondo-Cubero A., Lorenz K., Palomares F. J., Cuerno R. // J. Phys.: Condens. Matter. 2022. V. 34. P. 333002. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac75a1
  9. Carter G., Vishnyakov V. // Surf. Interface Anal. 1995. V. 23. P. 514. https://doi.org/10.1002/sia.740230711
  10. Elst K., Vandervorst W. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1994. V. 12. P. 3205. https://doi.org/10.1116/1.579239
  11. Smirnov V.K., Kibalov D.S., Krivelevich S.A., Lepshin P.A., Potapov E.V., Yankov R.A., Skorupa W., Makarov V.V., Danilin A.B. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 1999. V. 147. P. 310. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(98)00610-7
  12. Hofsäss H. // Appl. Phys. A. 2014. V. 114. P. 401. https://doi.org/10.1007/s00339-013-8170-9
  13. Bobes O., Zhang K., Hofsäss H. // Phys. Rev. B. 2012. V. 86. P. 235414. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.235414
  14. Carter G., Vishnyakov V. // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 17647. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.17647
  15. Norris S., Brenner M.P., Aziz M.J. // J. Phys.: Condens. Matter. 2009. V. 21. P. 224017. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/22/224017
  16. Norris S., Samela J., Bukonte L., Backman M., Diurabekova F., Nordlund K., Madi C.S., Brenner M.P., Aziz M.J. // Nat. Commun. 2011. V. 2. P. 276. https://doi.org/10.1038/ncomms1280
  17. Eckstein W. Computer Simulation of Ion-Solid Interaction. Berlin: Springer, 1991. 279 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-73513-4
  18. Habenicht S., Lieb K.P., Koch J. Wieck A.D. // Phys. Rev. B. 2002. V. 65. P. 115327. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.11532
  19. Smirnova M.A., Ivanov A.S., Bachurin V.I., Churilov A.B. // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2086. P. 012210. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2086/1/012210
  20. Smirnova M.A., Bachurin V.I., Mazaletsky L.A., Pukhov D.E., Churilov A.B., Rudy A.S. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2021. V. 15. P. 150. https://doi.org/10.1134/S1027451022020380
  21. Smirnova M.A., Bachurin V.I., Lebedev M.E., Mazaletsky L.A., Pukhov D.E., Churilov A.B., Rudy A.S. // Vacuum. 2022. V. 203. P. 111283. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111238
  22. Frey L., Lehrer C., Ryssel H. // Appl. Phys. A. 2003. V. 76. P. 1017. https://doi.org/10.1007/s00339-002-1943-1
  23. Kramczynski D., Reuscher B., Gnaser H. // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. P. 205422. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.205422
  24. Cuerno R., Barabasi A.L. // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 74. P. 4746. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.74.4746
  25. Kahng B., Jeong H., Barbasi A.I. // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 78. P. 805. https://doi.org/10.1063/1.1343468
  26. Carter G., Nobes M. J., Paton F., Williams J.S., Whitton J.L. // Radiat. Eff. 1977. V. 33. P. 65. https://doi.org/10.1080/00337577708237469
  27. Vishnyakov V., Carter G., Goddard D.T., Nobes M. J. // Vacuum. 1995. V. 46. P. 637. https://doi.org/10.1016/0042-207X(95)00003-8
  28. Carter G., Vishnyakov V., Martynenko Yu.V., Nobes M.J. // J. Appl. Phys. 1995. V. 78. P. 3559. https://doi.org/10.1063/1.359931
  29. Alkemade P.F.A. // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 107602. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.107602
  30. Smirnov V.K., Kibalov D.S., Lepshin P.A., Bachurin V.I. // IzV. Akad. Nauk. Ser. Fiz. 2000. V. 64. P. 626.
  31. Karmakar P., Mollick S.A., Ghose D., Chakrabarti A. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. P. 103102. https://doi.org/10.1063/1.2974086
  32. Wittmaack K. // Surf. Interface Anal. 2000. V. 29. P. 721. https://doi.org/10.1002/1096-9918(200010)29: 10<721:: AID-SIA916>3.0.CO;2-Q
  33. Bachurin V.I., Lepshin P.A., Smirnov V.K. // Vacuum. 2000. V. 56. P. 241. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(99)00194-3
  34. Bhowmik D., Mukherjee M., Karmakar P. // Nucl. Instrum. Methods B. 2019. V. 444. P. 54. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2019.02.010
  35. Bachurin V.I., Zhuravlev I.V., Pukhov D.E., Rudy A.S., Simakin S.G., Smirnova M.A., Churilov A.B. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2020. V. 14. P. 784. https://doi.org/10.1134/S1027451020040229
  36. Rudy A.S., Kulikov A.N., Metlitskaya A.V. // Russ. Microelectron. 2011. V. 40. P. 109. https://doi.org/10.1134/S1063739711020089
  37. Rumyantsev A.V., Borgardt N.I., Volkov R.L. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2018. V. 12. P. 607. https://doi.org/10.1134/S1027451018030345
  38. Erlebacher J., Aziz M.J. // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 82. P. 2330. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.2330
  39. Yewande E.O., Hartmann A.K., Kree R. // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 195405. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.195405
  40. Aste T., Valbusa U. // New J. Phys. 2005. V. 7. P. 122. https://doi.org/10.1088/1367-2630/7/1/122
  41. Munoz-Garcia J., Castro M., Cuerno R. // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 086101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.086101
  42. Munoz-Garcia J., Castro M., Cuerno R. // Phys. Rev. B. 2008. V. 78. P. 205408. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.2054081

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимости коэффициентов кривизны Sx (1) и Sy (2) от угла падения ионного пучка, расчитанные по модели “функции кратера” с помощью программы SDTrimSP.

Скачать (14KB)
Метаданные
3. Рис. 2. РЭМ-изображения поверхности Si при различных углах падения пучка ионов Ga+: а, б — 40°; в, г — 50°; д, е — 60°. D = 3.75 × 1018 см–2 (а, в, д) и 6.25 × 1018 см–2 (б, г, е).

Скачать (93KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Увеличенный фрагмент рельефа поверхности Si, сформированного в результате облучения пучком ионов Ga+ при θ = 50° и D = 1019 см–2.

Скачать (12KB)
Метаданные
5. Рис. 4. РЭМ-изображения поперечных сечений Si образцов, полученных в результате облучения пучком ионов Ga+ при θ = 30°, D = 2.5 × 1018 см–2 (а) и θ = 50°, D = 6.25 × 1018 см–2 (б).

Скачать (16KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Экспериментальные зависимости длины волны рельефа от времени облучения при θ = 30° (пустые символы) и 40° (закрашенные символы). Штриховой и штрихпунктирной линиями соответственно показаны аппрокимации степенными зависимостями λ ~ tn, где n = 0.33, 0.35.

Скачать (11KB)
Метаданные
7. Рис. 6. РЭМ-изображения фрагментов облученной поверхности Si ионами Ga+ при θ = 30° (а) и 40° (б). Изображения получены in situ на двулучевой установке Quanta 200i. Белыми точками отмечены положения отдельных участков волн на каждом этапе облучения. При последовательном увеличении t наблюдается их смещение в направлении, противоположном направлению падения ионного пучка.

Скачать (74KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ПРЭМ-изображения приповерхностных областей Si после облучения ионами Ga+ с энергией 30 кэВ при θ = 30° (а) и 40° (б), D = 1017 см–2.

Скачать (33KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Схематическое изображение процесса зарождения волнообразного рельефа на краю кратера распыления при облучении повехности Si пучком ионов Ga+ в случае θ > 40°.

Скачать (11KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024