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Faits d’actualité

Détermination tout-optique de l’oxydation du silicium et de sa cinétique : expérience et théorie

L’oxydation de la surface de silicium Si(100), base de l’électronique actuelle, bien que très étudiée, n’est pas complètement élucidée. Ce travail représente une approche de ce problème via la réponse optique de la surface. Bien que celle-ci soit macroscopique, elle est néanmoins reliée à sa structure cristalline au niveau atomique, par la présence d’états électroniques correspondants. L’adsorption d’oxygène modifie l’organisation atomique et donc la réflectivité de la surface. Nous avons mené une étude, combinant la spectroscopie optique expérimentale et les théories ab initio les plus récentes, qui nous a permis de déterminer précisément les configurations d’incorporation de l’oxygène et la cinétique de celle-ci.

(a) : cliché de microscopie à effet tunnel de Si(100)2x1 propre montrant les dimères Si-Si (ovales verticaux). (b) : Les quatre configurations les plus stables pour 1/2 monocouche d'oxygène (boules rouges) incorporé à la surface de Si(100)

Fig. 1. (a) : cliché de microscopie à effet tunnel de Si(100)2x1 propre montrant les dimères Si-Si (ovales verticaux). (b) : Les quatre configurations les plus stables pour 1/2 monocouche d’oxygène (boules rouges) incorporé à la surface de Si(100)

La surface Si(100)2x1, préparée sous ultra-vide, est formée de rangées de dimères de silicium toutes alignées, comme le montre la microscopie à effet tunnel (fig. 1.a). Du fait de cette anisotropie structurale, la réflexion de la lumière est différente suivant que sa polarisation est parallèle ou perpendiculaire aux dimères. La figure 2.a donne la réflectivité anisotrope spectroscopique (RAS) expérimentale, différence relative des réflectivités entre les deux directions, pour la surface propre et pour des doses croissantes d’oxygène moléculaire adsorbé à température ambiante. Les structures spécifiques de la surface propre, faisant intervenir des transitions entre états électroniques de surface, sont progressivement supprimées, ce qui permet de suivre l’oxydation de la surface avec les quantités croissantes d’oxygène.

La comparaison des spectres expérimentaux avec les spectres théoriques (fig.2.b), calculés pour les configuration les plus stables de l’oxygène incorporé dans la surface (fig.1.b) nous a permis de montrer que :

- les molécules d’oxygène incidentes se dissocient en arrivant sur la surface.
- les atomes d’oxygène ainsi obtenus se lient aux atomes de Si en formant des entités Si-O-Si.
- deux types de régions coexistent en surface : des régions de type (3) ou les atomes d’oxygène sont incorporés dans les liaisons arrière Si-Si, et les régions de de type (4), où les atomes d’oxygène se mettent dans les dimères.

La cinétique d’incorporation dans ces deux microstructures a été suivie pour des quantités croissantes d’exposition à l’oxygène. Elle suit une loi de croissance régulière et est très bien reproduite par un modèle exponentiel de type Langmuirien, avec des coefficients de collage proches mais différents pour les deux configurations (fig. 3). La saturation en oxygène de la surface est obtenue rapidement, et celle-ci devient alors très peu réactive. Il faut alors des doses très importantes (et une température plus élevée) pour poursuivre le processus d’oxydation

Fig.2. (a) : Spectres expérimentaux de réflectivité anisotrope, pour la surface propre et pour des expositions croissantes à l’oxygène, mesurées en langmuirs (L). (b) : spectres calculés pour la surface propre et les différentes configurations les plus stables de la figure 1 (b) : les spectres expérimentaux sont reproduits par des combinaisons linéaire des spectres théoriques 3 et 4, indiquant une coexistence sur la surface de régions soit propre, soit avec la configuration (3), soit avec la configuration (4). (c) : cinétique de croissance des configurations (3) et (4) en fonction de l’exposition (points) ; les courbes sont un ajustement avec des fonctions de type exponentiel.

 

Pour en savoir plus :

All-optical determination of initial oxidation of Si(100) and its kinetics N. Witkowski, K. Gaál-Nagy, F. Fuchs, O. Pluchery, A. Incze, F. Bechstedt, Y. Borensztein, G. Onida and R. Del Sole Eur. Phys. J. B66, 427-431 (2008)

Optical spectra and microscopic structure of the oxidized Si(100) surface : Combined in situ optical experiments and first principles calculations Katalin Gaál-Nagy, Andrei Incze, Giovanni Onida, Yves Borensztein, Nadine Witkowski, Olivier Pluchery, Frank Fuchs, Friedhelm Bechstedt, and Rodolfo Del Sole Phys. Rev. B79, 045312 (2009)

Probing the Si-Si dimer breaking on Si(100)2x1 surfaces upon molecule adsorption by optical spectroscopy Y. Borensztein, O. Pluchery and N. Witkowski Phys. Rev. Lett. 95, 117402 (2005)

(a) : cliché de microscopie à effet tunnel de Si(100)2x1 propre montrant les dimères Si-Si (ovales verticaux). (b) : Les quatre configurations les plus stables pour 1/2 monocouche d'oxygène (boules rouges) incorporé à la surface de Si(100)