"Charakterisierung der Photonen-stimulierten Desorption von halogenierten Siliziumoberflächen mit stehenden Röntgenwellenfeldern"

"Characterization of the photon stimulated desorption of halogenated silicon surfaces with x-ray standing waves"

Kurzfassung

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Systeme Cl/Si(001), Cl/Si(113) und Cl/Si(111) sowohl in struktureller Hinsicht, als auch zur eingehenden Charakterisierung des Röntgenphotodesorptionsprozesses von desorbierenden Cl⁺- und Cl²⁺-Ionen untersucht. Den Schwerpunkt der Strukturbestimmung auf atomarer Skala bilden die Messungen mit der Methode der stehenden Röntgenwellenfelder (XSW), welche durch Experimente mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie theoretischen ab initio-Rechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie komplettiert worden sind. Zusätzlich liefern die durchgeführten STM-Untersuchungen Aufschluß über die Oberflächentopographie und damit den experimentellen Zugang zu Aufrauhungs- und Ätzprozessen.

Für das System Cl/Si(001)-(2x1) konnten das bekannte symmetrische Dimermodell für die Majoritätsadsorptionsplätze bestätigt und verschiedene Defektplätze, darunter auch Dichloridspezies, mit DFT berechnet werden, die mit den XSW- und XPS-Daten verträglich sind. Die Kombination von XSW mit der Photonen-stimulierten Desorption (PSD) zeigt, daß direkte und indirekte Desorptionsprozesse für Cl⁺-Ionen etwa im Verhältnis von 2:1 auftreten.

Die experimentellen und theoretischen Ergebnisse für das erstmalig untersuchte System Cl/Si(113) führen zur Aufstellung eines atomaren Strukturmodells aus Dimer-, Adatom- und on top-Plätzen (DAO-Modell), in dessen Rahmen die mit STM beobachteten (2xn)-Rekonstruktionen und die XSW-Daten erklärt werden können. Anhand der XPS-Daten konnte nur die Existenz von Monochloriden konstatiert werden. Die PSD-Resultate belegen die Cl⁺- und Cl²⁺-Desorption von den Majoritätsplätzen der Oberfläche, mit einem Anteil direkter Prozesse von ca. zwei Drittel. Die STM-Aufnahmen zeigen eindeutig die anisotropen Umordnungsprozesse bei einer Adsorptionstemperatur von 600°C mit präferentieller Stufenkantenausrichtung parallel zur [1-10]-Richtung.

Bei Cl/Si(111)-(1x1) tritt eine stark bevorzugte stimulierte Desorption von Minoritätsplätzen auf, die durch die kombinierten XSW/PSD-Experimente und XSW-Simulationen mit DFT-Strukturmodellen als Trichloridspezies (SiCl_3) identifiziert werden konnten. Ihr Anteil an der gesamten Chlorbedeckung beträgt etwa 3%, und die platzspezifischen Desorptionsquerschnitte bei Cl-K-Schalen-Anregung konnten zu 430 barn und 73 barn für Cl⁺- bzw. Cl²⁺-Ionen bestimmt werden; diese sind 60-80 mal höher als die entsprechende Werte für die Photodesorption vom on top-Platz. Die STM-Bilder für bei Raumtemperatur chlorierte und nachträglich ausgeheilte Proben illustrieren die Formierung von dreizähligen, doppellagentiefen Fehlstelleninseln mit Stufenkantennormalen in den <-1-12>-Richtungen bei gleichzeitiger, analoger Ausrichtung der intrinsischen Stufen. Für Cl_2-Adsorption bei 600°C wurde die Bildung von <-1-12>-orientierten, atomar glatten Stufenkanten mit Längen im Sub-Mikrometerbereich beobachtet.

Titel

Kurzfassung

Summary

The structure of the adsorbate systems Cl/Si(001), Cl/Si(113) and Cl/Si(111) have been studied using x-ray standing waves (XSW), scanning tunneling microscopy (STM) and x-ray photoemission (XPS). In addition the x-ray induced photodesorption of Cl⁺ and Cl²⁺ ions from Si surfaces has been investigated in detail. Ab initio total energy calculations using density functional theory were also performed. The STM measurements revealed the surface morphology of the samples and provided information about surface roughening and etching.

The symmetrical dimer model for the Cl/Si(001)-(2x1) system was confirmed for majority adsorption sites. In addition various defect sites including dichloride species were calculated using DFT and were found to be consistent with the XSW and XPS results. The combination of XSW with photodesorption detection revealed that direct and indirect desorption processes for Cl⁺ ions occur in a 2:1 ratio.

For the Cl/Si(113) adsorbate system the experimental and theoretical results revealed a model comprised of dimers, adatoms and on-top sites (DAO-Model). The model explains the (2xn)-reconstruction found by STM and is consistent with the XSW results. The XPS data showed that only monochloride species were present. The PSD measurements revealed predominantly direct desorption of Cl⁺ and Cl²⁺ ions from majority sites. For an adsorption temperature of 600°C anisotropic surface reorganization with step edges aligned along the [1-10]-direction was observed in STM.

For the Cl/Si(111)-(1x1) surface preferential stimulated desorption of Cl⁺ and Cl²⁺ species from SiCl_3 minority sites was identified from the XSW/PSD experimental data combined with an XSW simulation based on structural models from the DFT studies. The minority sites contributed about 3% to the total Cl-coverage. The site specific desorption cross sections for excitation at the Cl K-edge were 430 barn for Cl⁺ ions and 73 barn for Cl²⁺ ions which are 60-80 times higher than the corresponding values for photodesorption from the on-top site. For chlorine adsorption at RT followed by annealing the STM images revealed the formation of etch pits with a depth of two atomic layers and three-fold symmetry with step edges perpendicular to <-1-12>-directions. In contrast for chlorine adsorption at 600°C atomically smooth step edges extending over several hundred nm perpendicular to <-1-12>-directions were observed.