주사터널링현미경(STM) 기법으로 확인된 $Si(5\\;5\\;12)-2\\times1$ 호모에피텍시 성장 방법 Homoepitaxial Growth Mode of $Si(5\\;5\\;12)-2\\times1$ Confirmed by Scanning Tunneling Microscope (STH)원문보기
초고진공 아래에서 주사터널링현미경을 이용해서 $495^{\circ}C$의 Si(5 5 12) 기판에 호모에피텍시를 시도하여 층상성장의 미세한 과정을 연구하였다 최초에는 Si Dimer가 기본블록이 되어 Si(5 5 12) 단위세포 내 (337)과 (225) 부분의 Si Dimer/Adatom 자리에 우선적으로 흡착하여 Si(5 5 12) 단위세포는 Si addimer로 채워진 $3\times(337)$ 세부 부분과 $1\times(113)$ 세부 부분으로 변한다. 이 과정 중 Si(5 5 12) 단위세포 내 또 다른 (337)에 있는 Tetramer는 Si Dimer를 흡착할 수 있는 Dimer/Adatom 자리로 변환한다 추가적인 Si 흡착으로 각각의 (337) 부분은 (112)과 (113)으로 나뉘어, 마침내 Si(5 5 12) 단위세포는 $3\times(112)\;와\; 4\times(113)$의 패싯들로 바뀐다. 이 단계에서 벌집사슬형과 Dimer/Adatom의 1차원 구조의 상호 변환이 선택적으로 일어난다. 기판의 단위세포 주기를 가지는 패싯의 높이는 2.34 효까지 성장하며, 끝으로 이 패싯 사이의 골짜기가 채워진다. 마지막 단계가 끝나면 균일하고 평평한 Si(5 5 12) 테라스가 복원된다. 본 연구로부터 Si(5 5 12) 호모에피텍시가 단위세포 당 28 개의 Si 원자가 흡착됨으로써 주기적으로 이루어지고, 기판 단위세포 내에서 패시팅이 균일한 오버레이어 필름 두께를 유도하는 데에 결정적 역할을 한다는 점에서 그 성장 방식이 독특하다고 할 수 있다.
초고진공 아래에서 주사터널링현미경을 이용해서 $495^{\circ}C$의 Si(5 5 12) 기판에 호모에피텍시를 시도하여 층상성장의 미세한 과정을 연구하였다 최초에는 Si Dimer가 기본블록이 되어 Si(5 5 12) 단위세포 내 (337)과 (225) 부분의 Si Dimer/Adatom 자리에 우선적으로 흡착하여 Si(5 5 12) 단위세포는 Si addimer로 채워진 $3\times(337)$ 세부 부분과 $1\times(113)$ 세부 부분으로 변한다. 이 과정 중 Si(5 5 12) 단위세포 내 또 다른 (337)에 있는 Tetramer는 Si Dimer를 흡착할 수 있는 Dimer/Adatom 자리로 변환한다 추가적인 Si 흡착으로 각각의 (337) 부분은 (112)과 (113)으로 나뉘어, 마침내 Si(5 5 12) 단위세포는 $3\times(112)\;와\; 4\times(113)$의 패싯들로 바뀐다. 이 단계에서 벌집사슬형과 Dimer/Adatom의 1차원 구조의 상호 변환이 선택적으로 일어난다. 기판의 단위세포 주기를 가지는 패싯의 높이는 2.34 효까지 성장하며, 끝으로 이 패싯 사이의 골짜기가 채워진다. 마지막 단계가 끝나면 균일하고 평평한 Si(5 5 12) 테라스가 복원된다. 본 연구로부터 Si(5 5 12) 호모에피텍시가 단위세포 당 28 개의 Si 원자가 흡착됨으로써 주기적으로 이루어지고, 기판 단위세포 내에서 패시팅이 균일한 오버레이어 필름 두께를 유도하는 데에 결정적 역할을 한다는 점에서 그 성장 방식이 독특하다고 할 수 있다.
The homoepitaxy of Si(5 5 12) at $495^{\circ}C$ has been studied by Scanning Tunneling Microscopy under ultrahigh vacuum. A Si-dimer is the basic building-block and preferentially adsorbs on a unique site, that is, the Si-dimer/adatom site at the (337) and the (225) subsections within the...
The homoepitaxy of Si(5 5 12) at $495^{\circ}C$ has been studied by Scanning Tunneling Microscopy under ultrahigh vacuum. A Si-dimer is the basic building-block and preferentially adsorbs on a unique site, that is, the Si-dimer/adatom site at the (337) and the (225) subsections within the Si(5 5 12) unit cell. The Si(5 5 12) unit cell is faceted to $3\times(337)$ subsections filled with Si-addimers and $1\times(113)$ subsection. In this step the tetramer at the other (337) section within the unit cell is transformed to a dimer/adatom site which can accept Si-dimers. Each (337) section is faceted to $1\times(112)\;and\;1\times(113)$, and then finally the unit cell of Si(5 5 12) is faceted to $3\tiems(112)\;and\;4\times(113)$ and forms the facet of effective height, $2.34{\AA}$. In this step, mutual transformation between the honeycomb chain and the dimer/adatom occurs. Finally, the valley between (112) and (113) facets is filled. If once the last step is completed, the uniform and planar Si(5 5 12) terrace is recovered. From the present study, therefore, it can be concluded that the homoepitaxy on Si(5 5 12) is periodically achieved and such growth mode is quite unique since faceting of the substrate-unit-cell plays a critical role for controlling uniformity of the overlayer.
The homoepitaxy of Si(5 5 12) at $495^{\circ}C$ has been studied by Scanning Tunneling Microscopy under ultrahigh vacuum. A Si-dimer is the basic building-block and preferentially adsorbs on a unique site, that is, the Si-dimer/adatom site at the (337) and the (225) subsections within the Si(5 5 12) unit cell. The Si(5 5 12) unit cell is faceted to $3\times(337)$ subsections filled with Si-addimers and $1\times(113)$ subsection. In this step the tetramer at the other (337) section within the unit cell is transformed to a dimer/adatom site which can accept Si-dimers. Each (337) section is faceted to $1\times(112)\;and\;1\times(113)$, and then finally the unit cell of Si(5 5 12) is faceted to $3\tiems(112)\;and\;4\times(113)$ and forms the facet of effective height, $2.34{\AA}$. In this step, mutual transformation between the honeycomb chain and the dimer/adatom occurs. Finally, the valley between (112) and (113) facets is filled. If once the last step is completed, the uniform and planar Si(5 5 12) terrace is recovered. From the present study, therefore, it can be concluded that the homoepitaxy on Si(5 5 12) is periodically achieved and such growth mode is quite unique since faceting of the substrate-unit-cell plays a critical role for controlling uniformity of the overlayer.
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문제 정의
여러 가지 실험 방법에 의한 Si(5 5 12)-2X1 의 연구가 있었지만, 모든 것을 만족스럽게 설명하는 모델은 아직 알려지지 않았다. 최근 2X 주기의 Dimer/Adatom 선과 Tetramer 선, 그리고 IX의 1차원 벌집 사슬로 이루어진 새로운 모델을 STM과 제일원리계산을 통하여 제안하였다 [6], 본 논문에서는 재구조된 Si(5 5 12)-2X1위에 Si을 적층으로 성장시키면서 그 과정을 STM을 통해 관찰함으로써 어떻게 호모에피텍시가 일어나며 이로부터 최근 제안된 Si(5 5 12)-2X1 원자 구조 모델이 얼마나 잘 맞는가를 확인하고자 한다.
가설 설정
36 A이다. (a) 호모에피텍시시작 전, (b) 호모에피텍시로 한 층 완성 후의 모델이다.
제안 방법
적외선 온도측정기로 확인하여 시료 고정대 자체를 700℃ 이하로 유지하면서 열 두 시간 이상 아웃개싱을 하였다. 그리고 1200℃ 정도에서 압력을 3X1O-10 Torr 이하로 유지하면서 3 초간 짧게 여러 번 순간 가열함으로써 시료 표면의 자연 산화막을 제거한 후 900℃에서 상온까지 l℃/s 정도의 속도로 서서히 식혀서 표면의 재구조를 유도하였다. 표면의 재구조를 STM으로 확인한 후 기판의 온도를 495℃로 유지하면서 Si 웨이퍼를 통전 가열함으로써 0.
증착 후, 2 A 이상 증착을 했을 때는 515℃에서 3분간 추가적 가열을 통하여 표면을 안정화시켰다. 본 연구에서 기판의 온도 조절은 기판에 전류를 직접 흐르게 하는 통전 가열 방법을 사용하였다. 본 논문에서 제시된 모든 STM의 영상은 바이어스 전압 -1.
5 nA, 스캔 넓이 25 nmX25 nm에서 얻은 filled state이다. 이때 토포그래피와 함께, 보다 세부 구조를 잘 볼 수 있도록 하는 그것의 error signal을 동시에 구하였다.
이것을 기본 압력이 2X1O'10 Torr인 진공 챔버에 넣었다. 적외선 온도측정기로 확인하여 시료 고정대 자체를 700℃ 이하로 유지하면서 열 두 시간 이상 아웃개싱을 하였다. 그리고 1200℃ 정도에서 압력을 3X1O-10 Torr 이하로 유지하면서 3 초간 짧게 여러 번 순간 가열함으로써 시료 표면의 자연 산화막을 제거한 후 900℃에서 상온까지 l℃/s 정도의 속도로 서서히 식혀서 표면의 재구조를 유도하였다.
대상 데이터
본 연구에서 기판의 온도 조절은 기판에 전류를 직접 흐르게 하는 통전 가열 방법을 사용하였다. 본 논문에서 제시된 모든 STM의 영상은 바이어스 전압 -1.8~-2.0 V, 터널링 전류 0.5 nA, 스캔 넓이 25 nmX25 nm에서 얻은 filled state이다. 이때 토포그래피와 함께, 보다 세부 구조를 잘 볼 수 있도록 하는 그것의 error signal을 동시에 구하였다.
본 실험에서 사용한 시료는 Si(5 5 12) 웨이퍼를 13X3X0.25 mn? 의 크기로 잘라서 유기 용매로 닦아낸 후 몰리브덴으로 만든 시료 홀더에 장착하였다. 이것을 기본 압력이 2X1O'10 Torr인 진공 챔버에 넣었다.
본 연구에서 다룰 Si(5 5 12) 기판은 (001) 면과 (111) 면 사이에 존재하는 1차원 대칭성을 가지고 있는 면 중의 하나로써, 모든 구성 요소가 [口0] 방향의 1차원 구조들로 이루어져 있다. [그림 1]은 (H 0) 면에서 본 Si 결정 격자의 단면을 보여주고 있다.
성능/효과
이 모든 단계에서 dangling bond의 수는 스물여덟 개로 일정함을 알 수 있다. 따라서, 성장 과정에서는 표면의 안정적 구조가 dangling bond의 숫자보다는 결과적인 알짜 스트레스에 의해 결정되는 것을 알 수 있다.
이상의 결과에서 Si(5 5 12)-2X1 호모에피텍시는 495℃ 라는 비교적 저온에서 수행할 경우 임 계 높이가 있는 facet을 먼저 형성하는 아주 독특한 방식으로 성장하고, 이 임계 높이가 한 층의 높이로 결정된다는 사실을 확인하였다. 또한 이 결과는 정석민 등이 제안한 Si(5 5 12)-2X1 모델과 잘 맞아떨어짐을 알 수 있으나 IX 주기의 벌집 사슬 구조이외의 다른 IX 주기의 사슬 구조가 이 Si(5 5 12) 표면에 존재 할 수 있다는 사실을 밝히고 있다[6].
재구조된 Si(5 5 12)-2X1을 Si를 495℃로 유지하고 호모에피텍시를 시도한 결과, 우선적으로 ad- dimer/} 2X 주기로 dimer/adatom 위에 흡착하고, (225) 위에 흡착한 dimer들이 가장 먼저 IX 주기를 가지는 사슬로 변하면서 동시에 D(337)과 (225) 사이의 벌집 사슬에 압축적 스트레스를 가하여 tetramer 선으로 변하게 하는 사실을 확인하였다. 이어 (225)의 tetramer 는 잡아당기는 스트레스 (tensile stress)로 인 하여 dimer/adatom 선으로 변형되고 dimer들이 비로소 흡착한다.
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