Кинетика двумерно-островкового зарождения при гомоэпитаксиальном росте на поверхности Si(111) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Рогило Дмитрий Игоревич

• Рогило Дмитрий Игоревич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Рогило Дмитрий Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. 2D ЗАРОЖДЕНИЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ Si(111) (обзор литературы)

§1.1. Атомные процессы на ростовой поверхности кристалла

§1.2. Классическая теория скоростей зародышеобразования

§1.3. Особенности кинетики роста и 2D зарождения за пределами

применимости классических теорий

1.3.1. Обратимое агрегирование адатомов в процессе

2D зарождения

1.3.2. Взаимосвязь проницаемости ступеней и кинетики роста

1.3.3. Кинетические причины многослойного роста

§1.4. Эффект эшелонирования атомных ступеней на поверхности

Si( 111) при сублимации

§1.5. Атомная структура поверхности Si(111)-(7*7)

§1.6. Режим кинетики массопереноса на поверхности Si( 111)

§1.7. Атомы и кластеры на поверхности Si(111)-(7*7)

§1.8. Выводы

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И АППАРАТУРА

§2.1. Сверхвысоковакуумная отражательная электронная

микроскопия

§2.2. Компьютерное управление in situ экспериментом

§2.3. Атомно-силовая микроскопия

§2.4. Численное Монте-Карло (МК) моделирование

2.4.1. Модель для расчётов методом кинетического МК моделирования

2.4.2. Атомные процессы на МК поверхности (111)

§2.5. Выводы

ГЛАВА 3. ЗАРОЖДЕНИЕ ПЕРВОГО 2D СЛОЯ Si НА ПОВЕРХНОСТИ

Si(111) В ОТСУТСТВИЕ СТОКА В СТУПЕНИ

§3.1. 2D зарождение на нереконструированной поверхности Si(111)

§3.2. Проблемы анализа 2D зарождения Si/Si(111) и параметров его

масштабирования

§3.3. 2D зарождение на атомно-гладких террасах Si(111)-(7x7)

§3.4. Расширенная теоретическая модель 2D зарождения с учётом

динамики нанокластеров

§3.5. Вклад нанокластеров в механизм Si/Si(111)-(7x7) роста

§3.6. Выводы

ГЛАВА 4. ПИРАМИДАЛЬНЫЙ РОСТ НА ПОВЕРХНОСТИ

Si(111)-(7x7)

§4.1. Формирование пирамидальных волн на эшелонированной

поверхности

§4.2. Морфология пирамидальных волн, сформированных в

различных условиях

§4.3. Критическая ширина террасы для 2D зарождения на

пирамидальной волне

§4.4. Самоорганизующиеся пирамидальные морфологические

структуры на сингулярной поверхности Si( 111)

§4.5. Выводы

ГЛАВА 5. МОНТЕ-КАРЛО МОДЕЛИРОВАНИЕ РОСТА Si НА Si(Ш)

§5.1. Кинетическая длина и режим кинетики

§5.2. Концентрация 2D островков на сингулярной МК подложке

§5.3. Формирование пирамидальных волн при моделировании

длительного роста

§5.4. Критическая ширина для 2D зарождения при кМК

моделировании

§5.5. Выводы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика двумерно-островкового зарождения при гомоэпитаксиальном росте на поверхности Si(111)»

ВВЕДЕНИЕ

Современная полупроводниковая электроника является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей мировой промышленности. Прогресс в этой области во многом обеспечен совершенствованием эпитаксиальных технологий на основе понимания атомных процессов на ростовой поверхности кристалла. Под действием кинетических ограничений, упругих напряжений и других факторов, такие элементарные процессы как диффузия адсорбированных атомов (адатомов), их взаимодействие между собой и с атомными ступенями могут приводить к зарождению двумерных (2D) островков и неустойчивости морфологии поверхности [1]. Глубокое понимание этих фундаментальных процессов лежит в основе контролируемого изменения морфологии ростовой поверхности кристалла и технологий создания полупроводниковых систем с заданной структурой и морфологией границ раздела [2]. Основным элементом структуры атомно-чистой поверхности кристалла являются моноатомные ступени [3,4], высота которых связана с ориентацией поверхности и равна расстоянию между соответствующими плоскостями, выходящими на поверхность кристалла. В частности, высота моноатомной ступени на поверхности Si(111) равна а^111)=3.14±0.01 А, и может быть использована, например, в метрологии [5,6]. На основе минимизации концентрации ступеней, достигаемой за счёт управления неустойчивостью морфологии вицинальной поверхности Si( 111) при сублимации [7], в ИФП СО РАН разработаны способы создания высотных калибровочных тест-объектов в диапазоне 0.1-20 нм [8].

Структура атомно-чистой поверхности полупроводника в условиях сверхвысокого вакуума, как правило, отличается от структуры аналогичной грани в его объёме и, при наличии поверхностной сверхструктуры, характеризуется большим периодом трансляции. Присутствие сверхструктуры существенно модифицирует процессы на поверхности кристалла, а механизм эпитаксиального роста становится более сложным. В частности, эпитаксиальный рост на поверхности Si(111)-(7*7) является, по данным in situ исследований методом

сканирующей туннельной микроскопии, сложным многостадийным процессом, включающим образование кластеров атомов диаметром до 1 нм, называемых нанокластерами [9]. В процессе роста нанокластеры совершают диффузионные скачки и взаимодействуют с атомными ступенями [10]. Необходимым условием эпитаксиального Si/Si(l 11 )-(1 /1) роста является трансформация структуры нанокластеров и нижележащего атомного слоя к атомной структуре объёма кристалла [11]. Необходимость такой трансформации затрудняет не только зарождение 2D островков, но и двойных изломов на прямолинейных участках ступеней типа [112], которые имеют на поверхности Si(lll)-(7x7) размер сверхструктурной полуячейки [11—13]. В присутствии сверхструктуры механизм эпитаксиального роста настолько усложняется, что все процессы, составляющие 2D зарождение и рост, характеризуются гораздо большим количеством параметров (критических размеров зародышей, их энергий связи, энергий активации диффузии и взаимодействия с атомными ступенями, и др.), чем в соответствии с классической теорией зародышеобразования [14]. Поскольку фактически все эпитаксиальные технологии связаны с использованием реконструированных поверхностей, детальное изучение атомных процессов, их количественная характеризация и определение влияния сверхструктуры на эволюцию морфологии поверхности представляют собой важную научную проблему. Однако, большинство параметров атомных процессов, обусловленных поверхностной сверхструктурой, остаются неизвестными, их экспериментальное измерение затруднено, а классические теории движения ступеней [3,4] и зарождения двумерных островков (2D зарождения) [14] требуют расширения.

Для экспериментального изучения атомных процессов на ростовой поверхности кристалла особенно информативен метод сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), который в ряде случаев позволяет непосредственно (in situ) визуализировать атомные процессы в динамике при температурах вплоть до 500°С [9-13,15]. Помимо непосредственного наблюдения, для получения качественной и количественной информации о механизме эпитаксиального роста применяются теоретические подходы к анализу распределения атомных ступеней [1], размеров

2D островков [2], их концентрации [14,16-18], площадей захвата [19] и критической ширины террасы для 2D зарождения [20] в зависимости от температуры подложки и скорости осаждения атомов. Однако, обобщение доступных экспериментальных данных о 2D зарождении на поверхности Si( 111), полученных различными методами1 обнаруживает большой разброс значений эффективной энергии активации 2D зарождения и роста Е2р, а также резкий скачок Е2р при 500°С [34-36]. В опубликованных работах данный скачок не обсуждается, несмотря на то, что его величина (Е2в~1 эВ [22-26] при Г^450°С, Е2о~2 эВ [2833] при Г^500°С) предполагает существенное изменение механизма 2D зарождения.

Одним из наиболее дискуссионных является вопрос о проницаемости атомных ступеней и кинетике массопереноса на поверхности $^111)-(7х7). Наблюдаемое экспериментально формирование двух- и трёхслойных 2D островков в процессе роста Si при Г=400-550°С [37,38] предполагает появление массопереноса с нижележащей террасы на поверхность 2D островков (восходящего потока адатомов) через ограничивающие их ступени без встраивания. Данное явление известно в литературе как проницаемость ступеней и краёв островков для адатомов. Однако, согласно другим данным, полученным на вицинальной поверхности Si(111)-(7x7), при Г=530°С массоперенос через ступени пренебрежимо мал [39]. Теоретический подход к описанию проницаемости ступеней, развиваемый Филимоновым и Эрвье [40], показывает, что процессы встраивания адатомов в ступень и их перехода на соседнюю террасу взаимозависимы и определяются скоростями элементарных атомных процессов, а также концентрацией изломов ступени. Экспериментальная проверка и применение этой теории для изучения эволюции морфологии ростовой

1 СТМ [21-24], сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопией (СВВ ОЭМ) [25-32], микроскопией медленных электронов (ММЭ) [33,34], дифракцией быстрых электронов на отражение (ДБЭО) [35] и анализом профиля рефлексов на картине дифракции медленных электронов (ДМЭ) [36]

поверхности на примере Si/Si(111)-(7*7) эпитаксии является актуальной задачей, но ограничивается скудностью данных об элементарных процессах и противоречивостью информации о кинетике 2D зарождения и роста [39,41,42]. В частности, сообщается, что при Г~500°С кинетика массопереноса лимитируется поверхностной диффузией (DL кинетика, diffusion limited) [41], либо встраиванием в ступени, связанным с преодолением дополнительных энергетических барьеров Швёбеля (AL кинетика, attachment limited) [42], либо находится в промежуточном режиме [39]. Проблема определения режима кинетики Si/Si(111)-(7*7) роста усложняется также отсутствием надёжных экспериментальных данных о таких ключевых параметрах, как барьеры Швёбеля.

Попытка установления связи между режимом кинетики роста и эволюцией морфологии вицинальной поверхности Si(111)-(7*7) в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) при Г=650-800°С предпринята в работе [43]. Обнаружено, что вплоть до Г~680°С регулярное распределение ступеней сохраняется, но при более высоких Г=700-800°С возникает морфологическая неустойчивость в виде различных типов эшелонирования атомных ступеней. Показано, что смена типов эшелонирования сопровождается изменением структуры ступеней и изломов на них, что указывает на взаимосвязь между режимом морфологической неустойчивости и кинетикой взаимодействия адатомов со ступенями. При этом, используемый авторами феноменологический подход [43,44] позволяет макроскопически описать эволюцию морфологии поверхности, но не проясняет физические причины смены режимов кинетики. Поэтому в данном интервале Т представляется актуальным изучение взаимодействия адатомов со ступенями при Si/Si(111)-(7*7) эпитаксии на основе анализа движения ступеней, зарождения и роста 2D островков, их концентрации, размеров, формы и других макроскопических характеристик с использованием взаимодополняющих in situ и ex situ экспериментальных методов, а также соответствующих теоретических подходов [1,2,14,16-20].

В настоящей работе использован метод сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии (СВВ ОЭМ) [45], обладающий

временным и пространственным разрешением, достаточным для визуализации динамики таких элементов морфологии поверхности, как моноатомные ступени и 2D островки. Данный метод позволяет проводить in situ эксперименты в условиях МЛЭ в широком диапазоне скоростей осаждения и температур (вплоть до Гпл). Из-за специфических особенностей метода СВВ ОЭМ, приводящих к сжатию изображений, для детального анализа морфологии поверхности использовался ex situ метод атомно-силовой микроскопии (АСМ). В ряде случаев проведение экспериментальных исследований сопровождалось кинетическим Монте-Карло моделированием2.

Целью данной работы являлось определение количественных параметров двумерно-островкового зарождения и взаимодействия адатомов со ступенями, а также установление физических закономерностей морфологической нестабильности ростовой поверхности Si(l 11).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение процессов 2D зарождения на начальных и поздних стадиях гомоэпитаксиального роста (в первом слое и при длительном росте) в зависимости от размера террасы, температуры подложки и скорости осаждения;

2. Получение количественной информации о поверхностной диффузии и энергетических барьерах для встраивания адатомов в ступени, размере критического зародыша, режиме кинетики роста, проницаемости атомных ступеней, кинетической длине на поверхности Si(l 11);

2 Кинетическое Монте-Карло моделирование проводилось под руководством Натальи Львовны Шварц при активном участии сотрудников её группы: А. Г. Настовьяк, С. В. Усенкова и А. Н. Карпова. Автор выражает им свою благодарность за помощь в построении кМК моделей и обсуждении полученных результатов.

3. Изучение закономерностей 2D зарождения и роста на сингулярных участках поверхности Si( 111), ограниченных эшелонами ступеней и в их отсутствие. Определение условий перехода от двумерно-островкового к многослойному механизму роста Si/Si(111).

Научная новизна работы:

• Экспериментально определено значение энергетического барьера Е¡¡^ ~0.9 эВ для формирования двойного излома на прямолинейных участках ступеней с ориентацией типа [112] при встраивании сверху-вниз.

• Обнаружено формирование пирамидальных волн на террасах эшелонированной поверхности, которое связано с непрерывным стоком адатомов в эшелоны ступеней и постепенно сокращающейся до критического значения шириной террасы с областью 2D зарождения.

• Обнаружен переход режима роста Si/Si(111)-(7x7) от AL кинетики (при Г<720°С) к DL кинетике (при Г>720°С), при котором исчезает огранка ступеней и эффективная энергия активации 2D зарождения и роста изменяется от Е20 -2.4 эВ к Е20 -0.5 эВ, соответственно.

• Показано, что при росте пирамидальной волны на эшелонированной поверхности Si(111)-(7x7) размер критического зародыша 2D островка Si меняется от ¿=1 в первом слое (на широких террасах вдали от ступеней) до ¿=2-10 на наивысшей террасе пирамидальной волны в зависимости от температуры подложки и количества моноатомных ступеней в пирамидальной волне, что связано с их проницаемостью и формированием нисходящего потока с наивысшей террасы в удалённые стоки.

• Обнаружена морфологическая неустойчивость сингулярной поверхности Si(111)-(7x7) в процессе длительного 2D зарождения и роста Si при температурах >600°С и достаточно больших скоростях осаждения.

• Анализ экспериментальных данных о 2D зарождении в первом слое на основе развитой теоретической модели 2D зарождения свидетельствует о

доминирующей роли нанокластеров в массопереносе и 2Т> зарождении в процессе 81/81(111 )-(7х7) роста при Т>600°С.

Теоретическая и практическая значимость работы

Вскрыты механизмы морфологической нестабильности ростовой поверхности 81(111), которые определяют дополнительные возможности управления её рельефом в процессе эпитаксиального роста при повышенных температурах. Результаты могут быть использованы для оптимизации технологий выращивания эпитаксиальных наноструктур (пирамидальных волн, отдельных холмов) либо для сохранения планарной морфологии ростовой поверхности. Полученные количественные данные о параметрах взаимодействия адатомов со ступенями и механизмах массопереноса представляют интерес для построения адекватных моделей 2D зарождения и роста кремния, а также эволюции морфологии ростовой поверхности при повышенных температурах в условиях существования сверхструктуры 81(111)-(7х7).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Высокотемпературное зарождение и рост 2D островков округлой формы на поверхности 81(111)-(1><1) в интервале Г=850-1090°С характеризуется кинетикой, не лимитированной встраиванием, с эффективной энергией активации Е2д~1.02 эВ и размером критического зародыша ¿»9, который свидетельствует о нестабильности зародышей 2D островков при высоких температурах.

2. Зарождение и рост огранённых 2D островков 81 в первом слое на широкой террасе 81(111)-(7х7) в интервале Г=600-750°С с эффективной энергией активации Е2£)~1.8эВ и ¿=1 соответствуют кинетике, лимитированной встраиванием в прямолинейные края островков типа [112]. Близость

экспериментального и теоретического значения Е2р -1.9 эВ, полученного на основе предложенной модели 2D зарождения с учётом нанокластеров, позволяет декларировать их доминирующую роль в массопереносе и встраивании в края 2D островков на поверхности Si( 111)-(7х7) при Г^500°С.

3. Формирование пирамидальных волн на эшелонированной поверхности Si( 111)-(7^7) в процессе длительного осаждения Si связано со стоком в эшелоны ступеней, который приводит к постепенному уменьшению ширины террасы с 2D зарождением до критического значения А(Я,Т). Режим 2D зарождения на пирамидальной волне контролируется кинетикой встраивания в нисходящие ступени, лимитированной барьером Швёбеля Её5-0.9 эВ, который связан с образованием двойных изломов на ступенях с огранкой типа [112]. Такая огранка обеспечивает проницаемость ступеней и нисходящий поток адатомов в удалённые стоки, определяющий размер критического зародыша на узких террасах шириной Я.

4. Рост пирамидальных волн и холмов при длительном 2D зарождении на террасах Si(111)-(7x7) и высокой скорости осаждения Я связан с асимметрией барьеров Швёбеля для встраивания в ступени типа [112] сверху-вниз (Е^) и снизу-вверх (Е^) и проницаемостью таких ступеней. Чуть меньшее значение Её5 , по сравнению с Е%5, и неполная коалесценция 2D островков в нижележащих слоях обеспечивают при Г<720°С доминирующий нисходящий поток адатомов и формирование пирамидальных волн, но при Г>720°С начинает преобладать восходящий поток, что приводит к образованию отдельных холмов.

Степень достоверности и апробация работы

Достоверность представленных результатов обеспечивается использованием уникального метода in situ СВВ ОЭМ для визуализации 2D зарождения и эволюции морфологии поверхности при повышенных температурах, высокой воспроизводимостью результатов, а также с использованием адекватных теоретических подходов для их анализа.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конкурсах научных работ сотрудников ИФП СО РАН, конкурсах молодых учёных ИФП СО РАН, а также следующих российских и международных научных конференциях: 19th European Workshop on Molecular Beam Epitaxy (Korobitsyno, St. Petersburg, Russia, 2017), XI Конференция по актуальным проблемам физики, материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе «Кремний 2016» (Новосибирск, 2016), 5th European Conference on Crystal Growth (Bologna, Italy, 2015), Excellent Graduate Schools 2012 Annual Meeting in conjunction with Japan-Russia Workshop on Advanced Materials Synthesis Process and Nanostructure (Sendai, Japan, 2013), Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials (Vladivostok, 2013), Asia-Pacific Academy of materials topical SEMINAR "Films and Structures for Innovative Applications" (Novosibirsk, 2012), 4-я школа «Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии. Функциональные наноматериалы» (Новосибирск, 2012), Международная молодёжная конференция «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» (Новосибирск, 2012), X Российская конференция по физике полупроводников, секция «Поверхность, плёнки, слои» (Нижний Новгород, 2011), International Conference and Seminar of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (Erlagol, Russia, 2011), XXIII и XXV Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2010, 2012).

Публикации

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 3 статьях в рецензируемых научных журналах, 1 главе в монографии и 12 тезисах докладов в трудах российских и международных конференций. Полный список работ приведён в конце диссертации.

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами и заключения с общими выводами. Список литературы содержит 161 наименование. Общий объём диссертации составляет 205 страниц, включая 52 рисунка и 5 таблиц.

Личный вклад соискателя заключался в разработке системы компьютерного управления экспериментом для метода СВВ ОЭМ, проведении in situ экспериментов, ex situ измерений методом АСМ и численных расчётов методом кинетического Монте-Карло моделирования, обработке и анализе экспериментальных данных, формулировке выводов, их представлении на научных семинарах, конференциях и конкурсах, а также написании научных статей.

ГЛАВА 1. 2D ЗАРОЖДЕНИЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ Si(111) (обзор литературы)

§1.1. Атомные процессы на ростовой поверхности кристалла

Согласно современным теоретическим представлениям идеальную атомно-чистую поверхность кристалла можно представить как границу раздела вакуум-полубесконечный кристалл, содержащую атомные ступени, ограничивающие атомно-гладкие (сингулярные) участки поверхности, называемые террасами. На рис.1.1 показано схематическое изображение участка такой поверхности, разориентированной на малый угол а относительно кристаллографической грани. Такую ступенчатую поверхность называют вицинальной. Для поверхности Si(111)

Lr а111

± ,, х между ступенями определяется как L =-, где а111 =

t3H tt

Vi-Ti+i~3.14 ^ — межплоскостное расстояние в направлении [111], а=0.543 нм —

параметр решётки монокристалла кремния, а — угол разориентации вицинальной поверхности относительно сингулярной грани.

Базовые представления об атомных процессах, происходящих на вицинальной поверхности кристалла, были сформулированы в классической теоретической работе Бартона, Кабреры и Франка [3,4] задолго до возможности визуализации основных элементов морфологии поверхности — адатомов (адсорбированных атомов), атомных ступеней и изломов ступеней (см. рис.1.1). Последние играют важную роль в процессах сублимации и эпитаксиального роста, поскольку встраивание дополнительного атома в излом или его выход не изменяют длину ступени и, соответственно, её энергию, и характеризуются малыми энергетическими барьерами. Поэтому изломы являются активными центрами не только роста кристалла, но и обмена адатомами процессах морфологических трансформаций, происходящих на поверхности [7].

моноатомная ступень

адатомы

двумерный островок 1

моноатомная ступень

изломы ступени

Рисунок 1.1. Схематическое изображение участка атомно-чистой поверхности кристалла, разориентированной на малый угол а относительно кристаллографической грани. Атомные процессы на поверхности обозначены цифрами:

1 — осаждение атомов на террасу из внешнего источника;

2 — миграция адатомов по террасе;

3 — присоединение адатома к восходящей ступени; 3' — присоединение адатома к нисходящей ступени;

4 — миграция атома вдоль прямолинейного участка ступени;

5 — встраивание атома в излом ступени из положения адсорбции на ступени;

6 — восходящее встраивание адатома в излом ступени; 6' — нисходящее встраивание адатома в излом ступени;

7 — отделение адатома от ступени на нижележащую террасу; 7' — отделение адатома от ступени на вышележащую террасу;

8 — кластерирование адатомов;

9 — диссоциация зародыша;

10 — разрастание зародышей сверхкритического размера (2D островков).

При температуре, отличной от абсолютного нуля, на поверхности кристалла всегда имеются адатомы с концентрацией п. Равновесное значение концентрации адатомов neq определяется в условиях равновесия с паровой фазой выражением:

neq = п0 ехр^р

где ead — энергия, необходимая для перехода атома из излома на ступени в положение адсорбции на террасе (энергия адсорбции адатома на террасе), а множитель п0 имеет порядок поверхностной концентрации атомов.

Рассмотрим элементарные атомные процессы, происходящие на вицинальной поверхности монокристалла в условиях молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) (рис.1.1). После адсорбции атомов из внешнего источника на террасу (1), при температуре, отличной от абсолютного нуля, они совершают прыжки между различными положениями адсорбции на террасе (2). При приближении диффундирующего адатома к ступени он может присоединиться к ступени (3, 3') и продолжить диффундировать, совершая прыжки между соседними положениями адсорбции на ступени (4). Встраивание адатома в излом возможно из положения адсорбции на ступени (5), из положения адсорбции на террасе (6, 6'), а также напрямую из вакуума3. Кроме того, в процессе диффузии вдоль прямолинейного участка ступени адатом может отделиться от неё на нижележащую (7) или вышележащую террасу (7'). Способность адатомов пересекать ступени без встраивания в изломы (процессы 3^4^-7' и 3'^4^7) получило название проницаемости или прозрачности ступеней (step permeability [46], step transparency [47]). Проницаемость приводит к появлению поверхностного массопереноса через ступени и детально обсуждается, например, в работе [48]. В частности, было показано, что на поверхности Si( 111) проницаемость краёв островков с выраженной огранкой прямолинейными участками с ориентацией типа [112]

3 Несмотря на то, что попадание атома из вакуума в излом ступени возможно, данный процесс считается незначительным ввиду малости доли площади поверхности кристалла, занятой изломами ступеней.

приводит к формированию двух- и трёхслойных островков [37,38], а на поверхности Si(001) — существенно влияет на кинетику релаксации морфологических структур [46].

Представленные выше процессы 1-7 происходят при достаточно малых расстояниях между ступенями, когда все адатомы, попавшие на террасу из внешнего источника, успевают диффундировать к ступеням и встроиться в них. Если же расстояние между ступенями достаточно велико4, то удалённость стоков для адатомов приводит к росту их концентрации, взаимодействию адатомов друг с другом (8, 9) и формированию, в конечном итоге, двумерных (2D) островков. В процессе роста 2D островки растут за счёт присоединения адатомов к их границе (10), которая представляет собой замкнутую моноатомную ступень, ограничивающую участок террасы более высокого атомного слоя.

Осаждение атомов на поверхность монокристалла приводит к расту плёнки сориентированной относительно кристаллографических направлений подложки. Рост такой плёнки называют эпитаксиальным. В процессе эпитаксиального роста всегда присутствует конкуренция между кинетическими эффектами, связанными с поступлением атомов на подложку, и силами поверхностного натяжения, приводящие поверхность к состоянию термодинамического равновесия. Какой из двух факторов — термодинамический или кинетический — в большей степени определяет свойства и морфологию плёнки, определяется выбором осаждаемых атомов, подложки и параметрами роста. Типичными примерами последних являются скорость осаждения и температура подложки. В частности, более высокие температуры и низкие скорости осаждения способствуют формированию термодинамически равновесной плёнки: её свойства будут в большей степени определяться требованием минимизации поверхностной свободной энергии. Наоборот, низкие температуры и высокие скорости осаждения усиливают роль

4 Предел бесконечно больших расстояний реализуется для идеальной сингулярной грани полубесконечного кристалла.

кинетических ограничений в процессе роста и позволяют получать термодинамически «менее выгодные» плёнки.

При рассмотрении роста в условиях, близким к равновесным, в зависимости от соотношения поверхностных свободных энергий подложки, эпитаксиальной плёнки и границы раздела между ними обычно выделяют три механизма роста [49,50]: Франка-ван дер Мерве, Фольмера-Вебера и Странского-Крастанова. В случае гомоэпитаксиального роста кристаллическая структура подложки и плёнки почти всегда совпадает, упругие напряжения на границе раздела отсутствуют и плёнка растёт по механизму Франка-ван дер Мерве (послойный рост). В этом случае принцип минимизации поверхностной свободной энергии требует, чтобы формирование каждого следующего монослоя начиналось после заполнения предыдущего.

Поскольку рост является неравновесным процессом, и каждый из атомных процессов (см. рис.1.1) связан с определённым энергетическим барьером, даже в случае гомоэпитаксии морфология поверхности реальных кристаллов эволюционирует по-разному в зависимости от условий роста (температуры и скорости осаждения атомов) [1,51]. Если в процессе эпитаксиального роста расстояние между атомными ступенями L не превышает некоторой критической ширины Я, то процесс роста из паровой фазы состоит из следующих основных стадий: адсорбция атомов на поверхности, их поверхностная диффузия к ступеням, присоединение и диффузия вдоль ступени и встраивание адсорбированных атомов (адатомов) в излом ступени. При этом ступени двигаются в направлении нижележащих террас. Такой механизм эпитаксиального роста называют ступенчато-слоевым (рис.1.2а). Важно отметить, что при определённых условиях ступенчато-слоевой рост может оказаться неустойчивым, что приводит к группированию (эшелонированию) атомных ступеней либо к их совместному изгибанию (step meandering). Обзор современных теоретических подходов к описанию неустойчивости ростовой вицинальной поверхности представлен в работе [1].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рогило Дмитрий Игоревич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Misbah, С. Crystal surfaces in and out of equilibrium: A modern view / Chaouqi Misbah, Olivier Pierre-Louis, Yukio Saito // Rev. Mod. Phys. — 2010. — Vol. 82.

— PP. 981-1040.

2. Aqua, J.-N. Growth and self-organization of SiGe nanostructures / J. N. Aqua, I. Berbezier, L. Favre, T. Frisch, A. Ronda // Phys. Rep. — 2013. — Vol. 522, No. 2.

— PP. 59-189.

3. Burton, W. K. The growth of crystals and the equilibrium structure of their surfaces / W. K. Burton, N. Cabrera, F. C. Frank // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. — 1951. — Vol. 243, No. 866. — PP. 299-358.

4. Бартон, В. Элементарные процессы роста кристаллов / В. Бартон, Н. Кабрера, Ф. Франк. — 1959. — СС. 10-109.

5. Fedina, L. I. Precise surface measurements at the nanoscale / L. I. Fedina, D. V. Sheglov, S. S. Kosolobov, A. K. Gutakovskii, A. V. Latyshev//Meas. Sci. Technol.

— 2010. — Vol. 21, No. 5. — P. 054004.

6. Martin, J. The silicon lattice parameter - an invariant quantity of nature? / J. Martin, U. Kuetgens, J. Stumpel, P. Becker // Metrologia. — 1998. — Vol. 35, No. 6. — P. 811.

7. Latyshev, A. V. Transformations on clean Si(lll) stepped surface during sublimation / A. V. Latyshev, A. L. Aseev, A. B. Krasilnikov, S.I. Stenin // Surf. Sci. — 1989. — Vol. 213, No. 1. — PP. 157-169.

8. Щеглов, Д. В. Способ изготовления ступенчатого высотного калибровочного стандарта для профилометрии и сканирующей зондовой микроскопии / Д. В. Щеглов, С. С. Косолобов, Е. Е. Родякина, А. В. Латышев // пат. RU 2371674.

9. Ong, W. Self-assembly, dynamics, and structure of Si magic clusters / Weijie Ong, Eng Soon Tok, Harman Johll, Hway Chuan Kang // Phys. Rev. B. — 2009. — Vol. 79. — P. 235439.

10. Ho, M.-S. Formation of Si clusters and their role in homoepitaxial growth on Si(m)-7x7 surface / Mon-Shu Ho, Ing-Shouh Hwang, Tien T. Tsong // Surf. Sci.

— 2004. — Vol. 564, No. 1-3. — PP. 93-107.

11. Shimada, W. Microscopic mechanism of the homoepitaxy on Si(111)7x7 / Wataru Shimada, Tomoshige Sato, Hiroshi Tochihara // Phys. Rev. B. — 2016. — Vol. 94.

— P. 035402.

12. Shimada, W. Step-structure dependent step-flow: models for the homoepitaxial growth at the atomic steps on Si(111)7x7 / Wataru Shimada, Hiroshi Tochihara // Surf. Sci. — 1994. — Vol. 311, No. 1-2. — PP. 107-125.

13. Voigtländer, B. Magic Islands in Si/Si(111) Homoepitaxy / Bert Voigtländer, Martin Kästner, Pavel Smilauer // Phys. Rev. Lett. — 1998. — Vol. 81. — PP. 858861.

14. Venables, J. A. Rate equation approaches to thin film nucleation kinetics / J. A. Venables // Philos. Mag. — 1973. — Vol. 27, No. 3. — PP. 697-738.

15. Wang, Y. L. Random and ordered arrays of surface magic clusters / Y. L. Wang, A. A. Saranin, A. V. Zotov, M. Y. Lai, H. H. Chang // Int. Rev. Phys. Chem. — 2008. — Vol. 27, No. 2. — PP. 317-360.

16. Venables, J. A. Nucleation and growth of thin films / J. A. Venables, G. D. T. Spiller, M. Hanbücken // Rep. Prog. Phys. — 1984. — Vol. 47, No. 4. — PP. 399359.

17. Venables, J. A. Atomic processes in crystal growth / John A. Venables // Surf. Sci.

— 1994. — Vol. 299-300. — PP. 798-817.

18. Kandel, D. Initial Stages of Thin Film Growth in the Presence of Island-Edge Barriers / Daniel Kandel // Phys. Rev. Lett. — 1997. — Vol. 78. — PP. 499-502.

19. Pimpinelli, A. Capture-Zone Scaling in Island Nucleation: Universal Fluctuation Behavior / Alberto Pimpinelli, T. L. Einstein // Phys. Rev. Lett. — 2007. — Vol. 99, No. 22. — P. 226102.

20. Ranguelov, B. Critical terrace width for step flow growth: Effect of attachment-detachment asymmetry and step permeability / Bogdan Ranguelov, M. S. Altman, Ivan Markov // Phys. Rev. B. — 2007. — Vol. 75. — P. 245419.

21. Ander söhn, L. Nueleation behavior in molecular beam and chemical vapor deposition of silicon on Si(lll)(7x7) / L. Andersohn, Th. Berke, U. Köhler, В. Voigtländer // J. Vac. Sci. Technol. A. — 1996. — Vol. 14, No. 2. — PP. 312-318.

22. Voigtländer, В. Modification of growth kinetics in surfactant-mediated epitaxy / Bert Voigtländer, André Zinner, Thomas Weber, Hans P. Bonzel // Phys. Rev. B.

— 1995. — Vol. 51. — PP. 7583-7591.

23. Filimonov, S. Multistage nueleation of two-dimensional Si islands on Si(l 11)-7*7 during MBE growth: STM experiments and extended rate-equation model / Sergey Filimonov, Vasily Cherepanov, Yuri Hervieu, Bert Voigtländer // Phys. Rev. B. — 2007. — Vol. 76. — P. 035428.

24. Cherepanov, V. Influence of material, surface reconstruction, and strain on diffusion at the Ge(l 11) surface / Vasily Cherepanov, Bert Voigtländer // Phys. Rev. B. — 2004. — Vol. 69. — P. 125331.

25. Iwanari, S. Surfactant epitaxy of Si on Si(lll) surface mediated by a Sn layer I. Reflection electron microscope observation of the growth with and without a Sn layer mediate the step flow / S. Iwanari, K. Takayanagi // J. Cryst. Growth. — 1992.

— Vol. 119, No. 3^. — PP. 229-240.

26. Iwanari, S. Surfactant epitaxy of Si on Si(lll) surface mediated by a Sn layer II. Critical step flow of the growth with and without mediate / S. Iwanari, Y. Kimura, K. Takayanagi // J. Cryst. Growth. — 1992. — Vol. 119, No. 3-4. — PP. 241-247.

27. Ситников, С. В. Зарождение двумерных островков на Si(lll) при высокотемпературном эпитаксиальном росте / С. В. Ситников, С. С. Косолобов, А. В. Латышев // ФТП. — 2017. — Т. 51, № 2. — СС. 212-215.

28. Latyshev, А. V. Initial stages of silicon homoepitaxy studied by in situ reflection electron microscopy / A. V. Latyshev, A. L. Aseev, A. B. Krasilnikov, S. I. Stenin // phys. stat. sol. (a). — 1989. — Vol. 113, No. 2. — PP. 421-430.

29. Latyshev, A. V. In situ reflection electron microscope observation of two-dimensional nueleation on Si(l 11) during epitaxial growth / A. V. Latyshev, A. B. Krasilnikov, A. L. Aseev // Thin Solid Films. — 1996. — Vol. 281-282. — PP. 20-23.

30. Aseev, A. L. Reflection electron microscopy observation of the behavior of monoatomic steps on the silicon surfaces / A. L. Aseev, A. V. Latyshev, A. B. Krasilnikov // Surf. Rev. Lett. — 1997. — Vol. 4, No. 3. — PP. 551-558.

31. Nakahara, H. Migration of Ga atoms during Si molecular beam epitaxial growth on a Ga-adsorbed Si(l 11) surface / Hitoshi Nakahara, Masakazu Ichikawa // Surf. Sei.

— 1993. — Vol. 298, No. 2-3. — PP. 440-449.

32. Nakahara, H. Molecular beam epitaxial growth of Si on Ga-activated Si(lll) surface / Hitoshi Nakahara, Masakazu Ichikawa // Appl. Phys. Lett. — 1992. — Vol. 61, No. 13, —PP. 1531-1533.

3 3. Altaian, M. S. LEEM Determination of Critical Terrace Widths for Si/Si( 111) Step Flow Growth / M. S. Altaian, W. F. Chung, T. Franz // Surf. Rev. Lett. — 1998. — Vol. 5, No. 1. — PP. 27-30.

34. Chung, W. F. The Transition to Step Flow Growth on the Clean and Surfactant Covered Si(lll) Surface Studied by In-Situ LEEM / W. F. Chung, K. Bromann, M. S. Altaian // Int. J. Mod. Phys. B. — 2002. — Vol. 16. — PP. 4353-4362.

35. Fissel, A. RHEED investigations of MBE-growth kinetics of Si on Si(l 11) and SiC on SiC(100) / A. Fissel, M. Oehme, K. Pfennighaus, W. Richter // Surf. Sei. — 1997. — Vol. 383, No. 2-3. — PP. 370-377.

36. Horn von Hoegen, M. Homoepitaxy of Si(l 11) is surface defect mediated / Michael Horn von Hoegen, Holger Pietsch // Surf. Sei. — 1994. — Vol. 321. — PP. L129-L136.

37. Köhler, U. Scanning tunneling microscopy study of low-temperature epitaxial growth of silicon on Si(l 1 l)-(7x7) / U. Köhler, J. E. Demuth, R. J. Hamers // J. Vac. Sei. Technol. A. — 1989. — Vol. 7, No. 4. — PP. 2860-2867.

38. Voigtländer, B. Nucleation and growth of Si/Si(l 11) observed by scanning tunneling microscopy during epitaxy / Bert Voigtländer, Thomas Weber // Phys. Rev. B. — 1996. — Vol. 54, No. 11. — PP. 7709-7712.

39. Chung, W. F. Kinetic length, step permeability, and kinetic coefficient asymmetry on the Si(l 11) (7x7) surface / W. F. Chung, M. S. Altaian // Phys. Rev. B. — 2002.

— Vol. 66.— P. 075338.

40. Filimonov, S. N. Terrace-edge-kink model of atomic processes at the permeable steps / S. N. Filimonov, Yu. Yu. Hervieu // Surf. Sci. — 2004. — Vol. 553, No. 1-3, —PP. 133-144.

41. Hildebrandt, S. Scanning tunneling microscopy investigation at high temperatures of islands and holes on Si(l 11)7x7 in real time: evidence for diffusion-limited decay / S. Hildebrandt, A. Kraus, R. Kulla, G. Wilhelmi, M. Hanbucken, H. Neddermeyer // Surf. Sci. — 2001. — Vol. 486. — PP. 24-32.

42. Ichimiya, A. Thermal relaxation of silicon islands and craters on silicon surfaces / Ayahiko Ichimiya, Yoriko Tanaka, Kazuhiko Hayashi // Surf. Sci. — 1997. — Vol. 386, No. 1. — PP. 182-194.

43. Omi, H. New Types of Unstable Step-Flow Growth on Si(lll)-(7x7) during Molecular Beam Epitaxy: Scaling and Universality / Hiroo Omi, Yoshikazu Homma, Vesselin Tonchev, Alberto Pimpinelli // Phys. Rev. Lett. — 2005. — Vol. 95. — P. 216101.

44. Pimpinelli, A. Scaling and Universality of Self-Organized Patterns on Unstable Vicinal Surfaces / A. Pimpinelli, V. Tonchev, A. Videcoq, M. Vladimirova // Phys. Rev. Lett. — 2002. — Vol. 88. — P. 206103.

45. Latyshev, A. V. Application of ultrahigh vacuum reflection electron microscopy for the study of clean silicon surfaces in sublimation, epitaxy, and phase transitions / A. V. Latyshev, A. B. Krasilnikov, A. L. Aseev // Microsc. Res. Tech. — 1992. — Vol. 20, No. 4. — PP. 341-351.

46. Tanaka, S. Step Permeability and the Relaxation of Biperiodic Gratings on Si(001) / S. Tanaka, N. C. Bartelt, С. C. Umbach, R. M. Tromp, J. M. Blakely // Phys. Rev. Lett. — 1997. — Vol. 78. — PP. 3342-3345.

47. Stoyanov, S. Properties and dynamic interaction of step density waves at a crystal surface during electromigration affected sublimation / S. Stoyanov // Phys. Rev. B. — 1998. — Vol. 58, No. 3. — PP. 1590-1600.

48. Эрвье, Ю. Ю. Элементарные процессы на ступенях в кинетике эпитаксиального роста и легирования при сильных отклонениях от

равновесия : дис. ... д-ра физ.-мат. наук : 01.04.07 / Юрий Юрьевич Эрвье. — Томск, 2012. — 238 с.

49. Оура, К. Рост тонких плёнок / К. Оура, В. Г. Лифшиц, А. А. Саранин, А. В. Зотов, М. Катаяма // Введение в физику поверхности; под общ. ред. В. И. Сергиенко. — М. : Наука, 2006. — СС. 403-438.

50. Markov, I. V. Crystal Growth for Beginners / Ivan V. Markov. — World Scientific Publishing, 2003.

51. Evans, J. W. Morphological evolution during epitaxial thin film growth: Formation of 2D islands and 3D mounds / J. W. Evans, P. A. Thiel, M. C. Bartelt // Surf. Sci. Rep. — 2006. — Vol. 61, No. 1-2. — PP. 1-128.

52. Ehrlich, G. Asymmetric capture at steps / G. Ehrlich, F. G. Hudda // J. Chem. Phys. — 1966. — Vol. 44. — PP. 1039-1052.

53. Schwoebel, R. L. Step Motion on Crystal Surfaces / Richard L. Schwoebel, Edward J. Shipsey // J. Appl. Phys. — 1966. — Vol. 37, No. 10. — PP. 3682-3686.

54. Walton, D. Nucleation of Vapor Deposits / D. Walton // J. Chem. Phys. — 1962. — Vol. 37, No. 10. — PP. 2182-2188.

55. Evans, J. W. Nucleation and growth in metal-on-metal homoepitaxy: Rate equations, simulations and experiments / J. W. Evans, M. C. Bartelt // J. Vac. Sci. Technol. A. — 1994. — Vol. 12, No. 4. — PP. 1800-1808.

56. Hwang, I.-S. Exchange-Barrier Effects on Nucleation and Growth of Surfactant-Mediated Epitaxy / Ing-Shouh Hwang, Tien-Chih Chang, Tien T. Tsong // Phys. Rev. Lett. — 1998. — Vol. 80. — PP. 4229-4232.

57. Voigtländer, B. Influence of surfactants on the growth-kinetics of Si on Si(111) / Bert Voigtländer, André Zinner // Surf. Sci. — 1993. — Vol. 292, No. 1-2. — PP. L775-L780.

58. Bartelt, M. C. Transitions in critical size for metal (100) homoepitaxy / M. C. Bartelt, L. S. Perkins, J. W. Evans // Surf. Sci. — 1995. — Vol. 344, No. 1-2. — PP. L1193-L1199.

59. Mehl, H. Models for adatom diffusion on fee (001) metal surfaces / Hanoch Mehl, Ofer Biham, Itay Furman, Majid Karimi // Phys. Rev. B. — 1999. — Vol. 60. — PP. 2106-2116.

60. Bales, G. S. Self-consistent rate theory of submonolayer homoepitaxy with attachment/detachment kinetics / G. S. Bales, A. Zangwill // Phys. Rev. B. — 1997.

— Vol. 55. — PP. R1973-R1976.

61. Amar, J. G. Transitions in critical size in metal (100) and metal (111) homoepitaxy / Jacques G. Amar, Fereydoon Family // Surf. Sci. — 1997. — Vol. 382, No. 1-3.

— PP. 170-177.

62. Popescu, M. N. Self-consistent rate-equation approach to transitions in critical island size in metal (100) and metal (111) homoepitaxy / Mihail N. Popescu, Jacques G. Amar, Fereydoon Family // Phys. Rev. B. — 1998. — Vol. 58. — PP. 1613-1619.

63. Oliveira, T. J. Scaling in reversible submonolayer deposition / T. J. Oliveira, F. D. A. Aarao Reis // Phys. Rev. B. — 2013. — Vol. 87. — P. 235430.

64. Ratsch, C. Saturation and scaling of epitaxial island densities / C. Ratsch, A. Zangwill, P. Smilauer, D. D. Vvedensky // Phys. Rev. Lett. — 1994. — Vol. 72. — PP. 3194-3197.

65. Ratsch, C. Submonolayer epitaxy without a critical nucleus / C. Ratsch, Pavel Smilauer, A. Zangwill, D. D. Vvedensky // Surf. Sci. — 1995. — Vol. 329, No. 1-

2. — PP. L599-L604.

66. Неизвестный, И. Г. Двумерное зарождение в процессе эпитаксии при большом размере критического зародыша / И. Г. Неизвестный, Н. Л. Шварц,

3. Ш. Яновицкая // Микроэлектроника. — 2002. — Т. 31, № 2. — СС. 84-92.

67. Neizvestny, I. G. 2D island system formation during initial stage of MBE growth with large critical island size /1. G. Neizvestny, N. L. Shwartz, Z. S. Yanovitskaja // Phys. Low-Dimens. Str. — 2000. — Vol. 11. — PP. 137-145.

68. Man, K. L. Kinetic length and step permeability on the Si(l 11) (lxl) surface / K. L. Man, A. B. Pang, M. S. Altaian // Surf. Sci. — 2007. — Vol. 601, No. 20. — PP. 4669^674.

69. Hervieu, Y. Y. Kinetics of second layer nucleation with permeable steps / Yu. Yu. Hervieu, Ivan Markov // Surf. Sci. — 2014. — Vol. 628. — PP. 76-81.

70. Elkinani, I. Growth roughness and instabilities due to the Schwoebel effect : a one-dimensional model / Ilya Elkinani, Jacques Villain // J. Phys. I France. — 1994. — Vol. 4, No. 6. — PP. 949-973.

71. Krug, J. Island nucleation in the presence of step-edge barriers: Theory and applications / Joachim Krug, Paolo Politi, Thomas Michely // Phys. Rev. B. — 2000. — Vol. 61, No. 20. — PP. 14037-14046.

72. Kalff, M. No coarsening in Pt(111) homoepitaxy / M. Kalff, P. Smilauer, G. Comsa, T. Michely // Surf. Sci. — 1999. — Vol. 426, No. 3. — PP. L447-L453.

73. Pierre-Louis, O. Edge Diffusion during Growth: The Kink Ehrlich-Schwoebel Effect and Resulting Instabilities / O. Pierre-Louis // Phys. Rev. Lett. — 1999. — Vol. 82, No. 18. — PP. 3661-3664.

74. Politi, P. Crystal symmetry, step-edge diffusion, and unstable growth / Paolo Politi, Joachim Krug // Surf. Sci. — 2000. — Vol. 446, No. 1-2. — PP. 89-97.

75. Murty, M. V. R. Instability in Molecular Beam Epitaxy due to Fast Edge Diffusion and Corner Diffusion Barriers / M. V. Ramana Murty, B. H. Cooper // Phys. Rev. Lett. — 1999. — Vol. 83, No. 2. — PP. 352-355.

76. Politi, P. Instabilities in crystal growth by atomic or molecular beams / Paolo Politi, Geneviève Grenet, Alain Marty, Anne Ponchet, Jacques Villain // Phys. Rep. — 2000. — Vol. 324, No. 5-6. — PP. 271-404.

77. Evans, J. W. Low-temperature epitaxial growth of thin metal films / J. W. Evans // Phys. Rev. B. — 1990. — Vol. 41, No. 8. — PP. 5410-5413.

78. Korutcheva, E. Slope selection of mounds with permeable steps in homoepitaxy / Elka Korutcheva, Kostadin Koroutchev, Ivan Markov // Eur. Phys. J. B. — 2013. — Vol. 86, No. 2. — PP. 1-5.

79. Латышев, А. В. Поведение моноатомных ступеней на поверхности кремния (111) при сублимации в условиях нагрева электрическим током / А. В. Латышев, А. Л. Асеев, А. Б. Красильников, С. И. Стенин, А. В. Ржанов. — 1988. — Т. 300. — СС. 84-88.

80. Siewierska, K. Scaling of the minimal step-step distance with the step-bunch size : Theoretical predictions and experimental findings (f^H ^r V—(DSiH : X f V 4 't^.^T.h t^^Ett^!^) / Katarzyna Siewierska, Vesselin Tonchev // J. Jap. Assoc. Cryst. Growth. — 2016. — Vol. 43, No. 4. — PP. 204-212.

81. Inoue, N. In situ observation by ultrahigh vacuum reflection electron microscopy of terrace formation processes on (100) silicon surfaces during annealing / N. Inoue, K. Yagi // Appl. Phys. Lett. — 1989. — Vol. 55, No. 14. — PP. 1400-1402.

82. Litvin, L. V. Transformations of the stepped Si(001) surface structure induced by heating the specimen by a current / L. V. Litvin, A. B. Krasilnikov, A. V. Latyshev // Surf. Sci. — 1991. — Vol. 244, No. 3. — PP. L121-L124.

83. Hata, K. Spontaneous appearance of high index facets during the evolution of step bunching on vicinal GaAs(OOl) / K. Hata, T. Ikoma, K. Hirakawa, T. Okano, A. Kawazu, T. Ueda, M. Akiyama // J. Appl. Phys. — 1994. — Vol. 76, No. 9. — PP. 5601-5603.

84. Stoyanov, S. Heating Current Induced Conversion between 2x1 and 1x2 Domains at Vicinal (001) Si Surfaces-Can it be Explained by Electromigration of Si Adatoms? / S. Stoyanov // Jpn. J. Appl. Phys. — 1990. — Vol. 29, No. 4A. — PP. L659-L662.

85. Stoyanov, S. Electromigration Induced Step Bunching on Si Surfaces - How Does it Depend on the Temperature and Heating Current Direction? / Stoyan Stoyanov // Jpn. J. Appl. Phys. — 1991. — Vol. 30, No. Part 1, No. 1. — PP. 1-6.

86. Ranguelov, B. Instability of vicinal crystal surfaces with transparent steps: Transient kinetics and non-local electromigration / B. Ranguelov, S. Stoyanov // Surface Science. — 2009. — Vol. 603, No. 18. — PP. 2907-2911.

87. Yagi, K. Step bunching, step wandering and faceting: self-organization at Si surfaces / Katsumichi Yagi, Hiroki Minoda, Masashi Degawa // Surf. Sci. Rep. — 2001. — Vol. 43, No. 2-4. — PP. 45-126.

88. Jeong, H.-C. Steps on surfaces: experiment and theory / Hyeong-Chai Jeong, Ellen D. Williams // Surf. Sci. Rep. — 1999. — Vol. 34, No. 6-8. — PP. 171-294.

89. Латышев, А. В. Моноатомные ступени на поверхности кремния / Александр Васильевич Латышев, Александр Леонидович Асеев. — Новосибирск : Изд-во Сибирского отд-ния Российской академии наук, 2006. — 241 с.

90. Osakabe, N. Direct observation of the phase transition between the (7x7) and (1x1) structures of clean (111) silicon surfaces / N. Osakabe, Y. Tanishiro, K. Yagi, G. Honjo // Surf. Sci. — 1981. — Vol. 109, No. 2. — PP. 353-366.

91. Takayanagi, K. Structure analysis of Si(111)-7x7 reconstructed surface by transmission electron diffraction / Kunio Takayanagi, Yasumasa Tanishiro, Shigeki Takahashi, Masaetsu Takahashi // Surf. Sci. — 1985. — Vol. 164, No. 2-3. — PP. 367-392.

92. Zhachuk, R. Strain-induced structure transformations on Si( 111) and Ge(111) surfaces: A combined density-functional and scanning tunneling microscopy study / R. Zhachuk, S. Teys, J. Coutinho // J. Chem. Phys. — 2013. — Vol. 138, No. 22.

— P. 224702.

93. Latyshev, A. V. Reflection electron microscopy study of clean Si(111) surface reconstruction during the (7x7)^> (1x1) phase transition / A. V. Latyshev, A. B. Krasilnikov, A. L. Aseev, L. V. Sokolov, S. I. Stenin // Surf. Sci. — 1991. — Vol. 254, No. 1-3. — PP. 90-96.

94. Yang, Y.-N. High atom density in the "1x1" phase and origin of the metastable reconstructions on Si(111) / Y. N. Yang, E. D. Williams // Phys. Rev. Lett. — 1994.

— Vol. 72. — PP. 1862-1865.

95. Frisch, T. Effect of Step Stiffness and Diffusion Anisotropy on the Meandering of a Growing Vicinal Surface / Thomas Frisch, Alberto Verga // Phys. Rev. Lett. — 2006. — Vol. 96. — P. 166104.

96. Kim, Y. Coarsening Kinetics of a Spinodally Decomposed Vicinal Si(111) Surface / Yongsam Kim, M. H. Jo, T. C. Kim, C. W. Yang, J. W. Kim, J. S. Hwang, D. Y. Noh, N. D. Kim, J. W. Chung // Phys. Rev. Lett. — 2009. — Vol. 102. — P. 156103.

97. Kryukov, Y. A. Scaling of the island density and island-size distribution in irreversible submonolayer growth of three-dimensional islands / Y. A. Kryukov, J. G. Amar // Phys. Rev. B. — 2010. — Vol. 81. — P. 165435.

98. Ala-Nissila, T. Collective and single particle diffusion on surfaces / T. Ala-Nissila, R. Ferrando, S. C. Ying // Adv. Phys. — 2002. — Vol. 51, No. 3. — PP. 949-1078.

99. Pang, A. B. Step line tension and step morphological evolution on the Si(l 11)(1x 1) surface / A. B. Pang, K. L. Man, M. S. Altaian, T. J. Stasevich, F. Szalma, T. L. Einstein // Phys. Rev. B. — 2008. — Vol. 77. — P. 115424.

100. Hibino, H. Decay kinetics of two-dimensional islands and holes on Si(l 11) studied by low-energy electron microscopy / H. Hibino, C. W. Hu, T. Ogino, I. S. T. Tsong // Phys. Rev. B. — 2001. — Vol. 63. — P. 245402.

101. Pimpinelli, A. Equilibrium step dynamics on vicinal surfaces / A. Pimpinelli, J. Villain, D. E. Wolf, J. J. Métois, J. C. Heyraud, I. Elkinani, G. Uimin // Surf. Sci.

— 1993. — Vol. 295, No. 1-2. — PP. 143-153.

102. Gibbons, B. J. Influence of Si deposition on the electromigration induced step bunching instability on Si(l 11) / B. J. Gibbons, J. Noffsinger, J. P. Pelz // Surf. Sci.

— 2005. — Vol. 575, No. 1-2. — PP. L51-L56.

103. Gibbons, B. J. Evidence for diffusion-limited kinetics during electromigration-induced step bunching on Si(l 11) / B. J. Gibbons, S. Schaepe, J. P. Pelz // Surf. Sci.

— 2006. — Vol. 600, No. 12. — PP. 2417-2424.

104. Man, K. L. Kinetic regime of step motion on the Si(l 11) (1 x 1) surface / K. L. Man, W. X. Tang, X. F. Jin, M. S. Altaian // Surf. Interface Anal. — 2006. — Vol. 38, No. 12-13,—PP. 1632-1635.

105. Gibbons, B. J. Electromigration induced step instabilities on silicon surfaces : Ph. D. thesis / Brian J. Gibbons. — The Ohio State University, 2006. — 165 p.

106. Ситников, С. В. Способ формирования плоских гладких поверхностей твёрдотельных материалов / С. В. Ситников, С. С. Косолобов, А. В. Латышев // пат. RU 2453874.

107. Lanczycki, C. J. Growth of Si on the Si(111) surface / C. J. Lanczycki, R. Kotlyar, E. Fu, Y. N. Yang, E. D. Williams, S. Das Sarma // Phys. Rev. B. — 1998. — Vol. 57. — PP. 13132-13148.

108. McLean, J. G. Decay of isolated surface features driven by the Gibbs-Thomson effect in an analytic model and a simulation / James G. McLean, B. Krishnamachari, D. R. Peale, E. Chason, James P. Sethna, B. H. Cooper // Phys. Rev. B. — 1997. — Vol. 55, No. 3. — P. 1811.

109. Voigtländer, B. High temperature scanning tunneling microscopy during molecular beam epitaxy / Bert Voigtländer, André Zinner, Thomas Weber // Rev. Sci. Instrum.

— 1996. — Vol. 67, No. 7. — PP. 2568-2572.

110. Köhler, U. Time-resolved observation of CVD-growth of silicon on Si(111) with STM / U. Köhler, L. Andersohn, B. Dahlheimer // Appl. Phys. A. — 1993. — Vol. 57, No. 6. — PP. 491-497.

111. Myslivecek, J. Magic islands and barriers to attachment: A Si/Si(111)7x7 growth model / J. Myslivecek, T. Jarolimek, P. Smilauer, B. Voigtländer, M. Kästner // Phys. Rev. B. — 1999. — Vol. 60. — PP. 13869-13873.

112. Maeda, S. Kink fluctuations at monoatomic step edges on the Si(111) surface / S. Maeda, T. Fukuda, H. Nakayama // Thin Solid Films. — 2004. — Vol. 464-465.

— PP. 31-34.

113. Fukuda, T. Stochastic motion of 7 x 7 kinks at monoatomic step edges on the Si(1 1 1) surface / T. Fukuda, S. Maeda, H. Nakayama // Appl. Surf. Sci. — 2003. — Vol. 216, No. 1-4. — PP. 30-34.

114. Voigtländer, B. Forschungszentrum Jülich - STM Movies [Electronic resource] / Bert Voigtländer, Martin Kästner, Pavel Smilauer. — URL: http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-3/EN/UeberUns/Organisation/Gruppe2/STM-Movies/_node.html (accessed: 25.09.2016).

115. Einax, M. Colloquium: Cluster growth on surfaces: Densities, size distributions, and morphologies / Mario Einax, Wolfgang Dieterich, Philipp Maass // Rev. Mod. Phys. — 2013. — Vol. 85. — PP. 921-939.

116. Patella, F. Self-assembly of InAs and Si/Ge quantum dots on structured surfaces / F. Patella, A. Sgarlata, F. Arciprete, S. Nufris, P. D. Szkutnik, E. Placidi, M. Fanfoni, N. Motta, A. Balzarotti // J. Phys.: Condens. Matter. — 2004. — Vol. 16, No. 17.— P. S1503.

117. Sato, T. Initial adsorption process of Si atoms on an Si(l 11)7x7 surface studied by scanning tunneling microscopy / Tomoshige Sato, Shin ichi Kitamura, Masashi Iwatsuki // Surf. Sci. — 2000. — Vol. 445, No. 1. — PP. 130-137.

118. Sato, T. Surface diffusion of adsorbed Si atoms on the Si(l 11)7x7 surface studied by atom-tracking scanning tunneling microscopy / Tomoshige Sato, Shin ichi Kitamura, Masashi Iwatsuki // J. Vac. Sci. Technol. A. — 2000. — Vol. 18, No. 3.

— PP. 960-964.

119. Chang, C. M. Diffusion of an adsorbed Si atom on the Si(l 1 l)-(7x7) surface / C. M. Chang, C. M. Wei // Phys. Rev. B. — 2003. — Vol. 67. — P. 033309.

120. Wang, Y.-L. Toward a Detailed Understanding of Si(lll)-7x7 Surface and Adsorbed Ge Nanostructures: Fabrications, Structures, and Calculations / Ye-Liang Wang, Hai-Ming Guo, Zhi-Hui Qin, Hai-Feng Ma, Hong-Jun Gao // J. Nanomater.

— 2008. — Vol. 2008. — P. 40:1-40:18.

121. Saranin, A. A. Structural properties of Cu clusters on Si(l 1 l):Cu2Si magic family / A. A. Saranin, A. V. Zotov, O. A. Utas, V. G. Kotlyar, C. M. Wei, Y. L. Wang // Surf. Sci. — 2009. — Vol. 603, No. 18. — PP. 2874-2878.

122. Kotlyar, V. G. Formation of the ordered array of A1 magic clusters on Si(l 11)7x7 / V. G. Kotlyar, A. V. Zotov, A. A. Saranin, T. V. Kasyanova, M. A. Cherevik, I. V. Pisarenko, V. G. Lifshits // Phys. Rev. B. — 2002. — Vol. 66. — P. 165401.

123. Wu, K. Na Adsorption on the Si(lll)-(7x7) Surface: From Two-Dimensional Gas to Nanocluster Array / Kehui Wu, Y. Fujikawa, T. Nagao, et al. // Phys. Rev. Lett.

— 2003. — Vol. 91. — P. 126101.

124. Myslivecek, J. Unconventional features of Ag epitaxy on the Si(l 11)7x7 surface / J. Myslivecek, P. Sobotik, I. Ost'adal, T. Jarolimek, Pavel Smilauer // Phys. Rev. B.

— 2001. — Vol. 63. — P. 045403.

125. Sonnet, P. Adsorption and diffusion mechanisms of Pb on Si(111)-(7x7) in the initial stages of Pb chemisorption / Ph. Sonnet, L. Stauffer, C. Minot // Surf. Sci. — 1998. — Vol. 407, No. 1-3. — PP. 121-132.

126. Yoon, M. Self-assembled nanodot arrays on Si(111)-(7x7) surfaces / M. Yoon, X. F. Lin, I. Chizhov, H. Mai, R. F. Willis // Phys. Rev. B. — 2001. — Vol. 64. — P. 085321.

127. Li, J.-L. Spontaneous Assembly of Perfectly Ordered Identical-Size Nanocluster Arrays / Jian-Long Li, Jin-Feng Jia, Xue-Jin Liang, et al. // Phys. Rev. Lett. — 2002.

— Vol. 88. — P. 066101.

128. Asaoka, H. Size of small Si and Ge clusters on Si(111) and Ge(111) surfaces / Hidehito Asaoka, Vasily Cherepanov, Bert Voigtländer // Surf. Sci. — 2005. — Vol. 588, No. 1-3. — PP. 19-25.

129. Chuang, F.-C. Global structural optimization of Si magic clusters on the Si(111) 7x7 surface / Feng-Chuan Chuang, Bei Liu, Cai-Zhuang Wang, Tzu-Liang Chan, Kai-Ming Ho // Surf. Sci. — 2005. — Vol. 598, No. 1-3. — PP. L339-L346.

130. Chang, H. H. Structure Determination of Surface Magic Clusters / H. H. Chang, M. Y. Lai, J. H. Wei, C. M. Wei, Y. L. Wang // Phys. Rev. Lett. — 2004. — Vol. 92.

— P. 066103.

131. Ho, M.-S. Direct Observation of Electromigration of Si Magic Clusters on Si(111) Surfaces / Mon-Shu Ho, Ing-Shouh Hwang, Tien T. Tsong // Phys. Rev. Lett. — 2000. — Vol. 84. — PP. 5792-5795.

132. Ho, M.-S. Biased diffusion of Si magic clusters on Si(111) surface / Mon-Shu Ho, Ing-Shouh Hwang, Tien T. Tsong // J. Appl. Phys. — 2005. — Vol. 97, No. 2. — P. 023522.

133. Hwang, I.-S. Dynamic Behavior of Si Magic Clusters on Si(111) Surfaces / Ing-Shouh Hwang, Mon-Shu Ho, Tien T. Tsong // Phys. Rev. Lett. — 1999. — Vol. 83.

— PP. 120-123.

134. Hwang, I.-S. Dynamic behavior of Si magic clusters on Si(111) surfaces / Ing-Shouh Hwang, Mon-Shu Ho, Tien-Tzou Tsong // Surf. Sci. — 2002. — Vol. 514, No. 1-3. — PP. 309-318.

135. Ong, W. J. Real time dynamics of Si magic clusters mediating phase transformation: Si(l 11)-(1 * 1) to (7x7) reconstruction revisited / Wei Jie Ong, Eng Soon Ток // Surf. Sci. — 2012. — Vol. 606, No. 13-14. — PP. 1037-1044.

136. Filimonov, S. N. Si nucleation on Si(lll)-7x7: From cluster pairs to 2D islands / S. N. Filimonov, V. Cherepanov, Yu. Yu. Hervieu, B. Voigtlander // Surf. Sci. — 2007. — Vol. 601, No. 18. — PP. 3876-3880.

137. Крошков, А. А. Устройство для дифференциальной сверхвысоковакуумной откачки электронного микроскопа / А. А. Крошков, Э. А. Баранова, О. А. Якушенко, А. В. Латышев, А. Л. Асеев, С. И. Стенин // ПТЭ. — 1985. — Т. 1.

— СС. 199-202.

138. Sakamoto, Т. Rheed intensity oscillations during silicon MBE growth / T. Sakamoto, N. J. Kawai, T. Nakagawa, K. Ohta, T. Kojima, G. Hashiguchi // Surf. Sci. — 1986. — Vol. 174, No. 1-3. — PP. 651-657.

139. Osakabe, N. Reflection electron microscopy of clean and gold deposited (111) silicon surfaces / N. Osakabe, Y. Tanishiro, K. Yagi, G. Honjo // Surf. Sci. — 1980.

— Vol. 97, No. 2-3. — PP. 393^08.

140. Metois, J. J. Step flow growth of vicinal (lll)Si surface at high temperatures: step kinetics or surface diffusion control / J. J. Metois, J. C. Heyraud, S. Stoyanov // Surf. Sci. — 2001. — Vol. 486, No. 1-2. — PP. 95-102.

141. Stoyanov, S. Current induced bunches of steps on the Si(lll) surface - a key to measuring the temperature dependence of the step interaction coefficient / S. Stoyanov, J. J. Metois, V. Tonchev // Surf. Sci. — 2000. — Vol. 465, No. 3. — PP. 227-242.

142. Takayanagi, K. Structural analysis of Si(lll)-7x7 by UHV-transmission electron diffraction and microscopy / K. Takayanagi, Y. Tanishiro, M. Takahashi, S. Takahashi // J. Vac. Sci. Technol. A. — 1985. — Vol. 3, No. 3. — PP. 1502-1506.

143. Nasimov, D. A. AFM and STM Studies of Quenched Si(lll) Surface / D. A. Nasimov, D. V. Sheglov, E. E. Rodyakina, S. S. Kosolobov, L. I. Fedina, S. A. Teys, A. V. Latyshev // Phys. Low-Dimens. Str. — 2003. — Vol. 3/4. — PP. 157-166.

144. Hannon, J. B. Dynamics of the silicon (111) surface phase transition / J. B. Hannon, H. Hibino, N. C. Bartelt, B. S. Swartzentruber, T. Ogino, G. L. Kellogg // Nature.

— 2000. — Vol. 405, No. 6786. — PP. 552-554.

145. Latyshev, A. V. Direct REM observation of structural processes on clean silicon surfaces during sublimation, phase transition and epitaxy / A. V. Latyshev, A. B. Krasilnikov, A. L. Aseev // Appl. Surf. Sci. — 1992. — Vol. 60. — PP. 397-404.

146. Sitnikov, S. Attachment-detachment limited kinetics on ultra-flat Si(111) surface under etching with molecular oxygen at elevated temperatures / Sergey Sitnikov, Sergey Kosolobov, Alexander Latyshev // Surf. Sci. — 2015. — Vol. 633. — PP. L1-L5.

147. National Instruments VISA - National Instruments [Electronic resource]. — URL: https://www.ni.com/visa/ (accessed: 10.01.2017).

148. Binnig, G. Atomic Force Microscope / G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber // Phys. Rev. Lett. — 1986. — Vol. 56, No. 9. — PP. 930-933.

149. Zverev, A. V. A Monte Carlo simulation of the processes of nanostructure growth: The time-scale event-scheduling algorithm / A. V. Zverev, K. Yu. Zinchenko, N. L. Shwartz, Z. Sh. Yanovitskaya // Nanotechnol. Russ. — 2009. — Vol. 4, No. 3-4.

— PP. 215-224.

150. Sitnikov, S. V. Advacancy-mediated atomic steps kinetics and two-dimensional negative island nucleation on ultra-flat Si(111) surface / S. V. Sitnikov, A. V. Latyshev, S. S. Kosolobov // J. Cryst. Growth. — 2017. — Vol. 457. — PP. 196201.

151. Рогило, Д. И. Распределение концентрации адатомов на экстраширокой террасе поверхности Si( 111) в условиях сублимации / Дмитрий Игоревич Рогило, Никита Евгеньевич Рыбин, Людмила Ивановна Федина, Александр Васильевич Латышев // Автометрия. — 2016. — Т. 52, № 5. — СС. 103-110.

152. Rogilo, D. I. Critical Terrace Width for Two-Dimensional Nucleation during Si Growth on Si(11 1)-(7x7) Surface / D. I. Rogilo, L. I. Fedina, S. S. Kosolobov, B. S. Ranguelov, A. V. Latyshev // Phys. Rev. Lett. — 2013. — Vol. 111. — P. 036105.

153. Рогило, Д. И. Формирование двумерных островков на поверхности Si(lll) при гомоэпитаксиальном росте / Д. И. Рогило, Л. И. Федина, С. С. Косолобов, А. В. Латышев // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. — 2014. — Т. 9, №2. — СС. 156-166.

154. Latyshev, А. V. Self-diffusion on Si(lll) surfaces / A. V. Latyshev, A. B. Krasilnikov, A. L. Aseev // Phys. Rev. B. — 1996. — Vol. 54. — PP. 2586-2589.

155. Teys, S. A. Formation of Ge nanoislands before the completion of a wetting layer in the Ge/Si(l 11) system / S. A. Teys, A. B. Talochkin, B. Z. Olshanetsky // J. Cryst. Growth. — 2009. — Vol. 311, No. 15. — PP. 3898-3903.

156. Rogilo, D. I. 2D Si island nucleation on the Si(l 11) surface at initial and late growth stages: On the role of step permeability in pyramidlike growth / D. I. Rogilo, L. I. Fedina, S. S. Kosolobov, B. S. Ranguelov, A. V. Latyshev // J. Cryst. Growth. — 2017. — Vol. 457. — PP. 188-195.

157. Rogilo, D. I. Pyramid growth animation 7 eng XviD [Electronic resource] / D. I. Rogilo, L. I. Fedina, S. S. Kosolobov, B. S. Ranguelov, A. V. Latyshev // ResearchGate. — 2014. — URL: https://www.researchgate.net/publication/260753822_Pyramid_growth_animation _7_eng_XviD (accessed: 28.09.2016).

158. Voigtlander, B. Fundamental processes in Si/Si and Ge/Si epitaxy studied by scanning tunneling microscopy during growth / Bert Voigtlander // Surf. Sci. Rep. — 2001. — Vol. 43. — PP. 127-254.

159. Beausoleil, A. Impact of nucleation on step-meandering instabilities during step-flow growth on vicinal surfaces / A. Beausoleil, P. Desjardins, A. Rochefort // Phys. Rev. E. — 2014. — Vol. 89. — P. 032406.

160. Kallunki, J. Breakdown of step flow growth in unstable homoepitaxy / J. Kallunki, J. Krug // Europhys. Lett. — 2004. — Vol. 66, No. 5. — PP. 749-755.

161. Delagrange, R. Dimensionality transition in submonolayer growth on carbon nanotubes / R. Delagrange, F. Tournus, L. Bardotti, J. M. Benoit, O. Pierre-Louis // Phys. Rev. B. — 2014. — Vol. 89. — P. 035425.

- 196 -ПРИЛОЖЕНИЕ

В данном разделе подробно описаны интерфейс взаимодействия с пользователем и блок-схема алгоритма работы компьютерного приложения для управления in situ экспериментом, представленного в §2.2. Интерфейс приложения представляет собой окно в операционной системе Windows, содержащее элементы управления (кнопки, шкалы, поля, графики), объединённые в группы (рис.П.1). Клик пользователя по элементам (Bi) и (B2) вызывает включение/выключение напряжения на силовых выходах источника тока образца (Bi) и испарителя (B2). Группа элементов (Ei) служит для управления пределами тока и напряжения источника образца. Поле е задаёт максимальное напряжение источника. В in situ эксперименте максимальные напряжения (~70 В) необходимы для пробоя образца, в процессе которого температура и электропроводность образца резко возрастают, что вызывает увеличение силы тока J. Максимальное значение силы тока, пропускаемого через образец, ограничивается значением поля е, графическое представление которого в виде шкалы е позволяет не только визуально контролировать силу тока, но и плавно изменять её в процессе in situ эксперимента. По умолчанию, диапазон доступных величин составляет 0-3.5 А, необходимый для экспериментов с образцами кремния размерами 8^1x0.3 мм. Проведение экспериментов с образцами больших размеров требует пропускания тока большей силы. Нажатие кнопки е расширяет диапазон значений шкалы и силы тока до 0-6 А. Кроме того, пределы шкалы е могут быть перенастроены пользователем по своему усмотрению, но максимальная реально доступная сила тока ограничивается предельными характеристиками используемого источника тока. Группа элементов (E2) служит для управления пределами тока и напряжения источника, служащего для нагрева испарителя и содержит элементы, аналогичные е, е, е.

(E2) (I2)

Рисунок ПЛ. Интерфейс приложения для управления in situ экспериментом. Группы элементов управления: (А) — формой тока образца, (Bi) и (В2) — включением/выключением тока образца и испарителя, соответственно, (С) — таймером, (D) — прекращением работы приложения, (Ei) и (Е2) — пределами тока и напряжения источников для образца и испарителя, соответственно, (G) — журналом приложения, (Ii) и (Ь) — измерением параметров максимального значения напряжения, силы тока на источниках нагрева образца и испарителя, соответственно, (О) — шкалой температуры, (U) — автоматизированной сменой режимов работы источников тока, (Y) — опорным напряжением промежуточной линзы. Строчными буквами с диакритическими знаками обозначены отдельные элементы управления (кнопки, шкалы, поля, графики), описанные в тексте.

Величина силы тока J, пропускаемого через образец, определяет его температуру Т. Экспериментально установлено, что две данные величины связаны нелинейным соотношением T(J), которое можно сначала измерить пирометром и/или термопарой, и затем использовать для управления температурой образца без них. Применение такой зависимости необходимо для проведения in situ ОЭМ экспериментов, поскольку приложение термопары к образцу приводит к загрязнению последнего, а использование пирометра без нарушения сверхвысоковакуумных условий вблизи образца невозможно из-за конструктивных особенностей микроскопа и СВВ камеры. Группа элементов интерфейса (O) служит для управления описанной шкалой Т, однозначно связанной со шкалой J (е, е). При каждом изменении J пользователем значение Т в поле о рассчитывается согласно полиномиальной аппроксимации измеренной функции T(J), и наоборот, при изменении Т с использованием поля о или шкалы о новое значение Т подставляется в полиномиальную аппроксимацию функции J(T), и значение поля е и шкалы е приводятся к рассчитанному значению J. Таким образом и шкала J и шкала Т могут использоваться для контроля температуры образца в процессе in situ эксперимента. Важно заметить, что размеры реальных образцов кремния всегда отличаются от 8x1x0.3 мм, для которых определена точная зависимость T(J), поэтому для достижения требуемой Т каждый образец будет требовать установления уникального значения J. На практике, геометрические размеры образца мало отличаются от эталонных (не более, чем на 15%), поэтому зависимости T(J) для разных ширин и толщин образца с отклонением в этих пределах могут быть получены из эталонных T(J) и J(T) масштабированием J на некоторый множитель к (J = kJ), который можно определить, зная ток образца /0 в момент, когда его температура

T = TQ известна (к =На поверхности Si(111) такая перенормировка

НГо)

зависимости T(J) может осуществляться при температуре сверхструктурного перехода (1x1)^>(7x7) Т0 = Тс=830°C нажатием кнопки о. В случае, если перенормировка зависимости T(J) осуществляется при температуре Т0,

отличной от 830°С, значение поля о может быть изменено на требуемое значение Т0. В результате многочисленных экспериментов установлено, что отклонение перенормированной зависимости Г(/) от истинной может достигать значений, превышающих погрешность пирометра 20°С и зависимости Г(/). Тем не менее, такое сильное отклонение происходит только при Т отличающихся от Тс на >400°С. В экспериментах, представленных в Главах 3 и 4, в диапазоне Т=600-1100°С ошибка АГ составляет не более 20°С. Последний элемент управления в группе (О) — кнопка о, которая позволяет заменить температурную шкалу б со значениями Т в поле б на шкалу обратных температур 106/Г, что может быть удобно при проведении некоторых экспериментов, например, при измерении зависимости какой-либо величины в координатах Аррениуса.

Выше в §1.4 было показано, что при нагревании образца пропусканием через него электрического тока эволюция морфологии поверхности зависит от его формы (переменный или постоянный) и направления среднего электрического поля вблизи поверхности образца. Группа элементов интерфейса (А) служит для управления данными параметрами. Нажатие кнопки а приводит к переключению между нагревом образца постоянным током (ОС) и переменным током (АС). Если данная кнопка находится в положении БС, то кнопка а контролирует полярность напряжения, подаваемого на один из краёв образца, относительно потенциала земли. Используемый для нагрева образца источник позволяет осуществлять переключение полярности за время <10 мкс, в течение которого скачок Т оценивается на уровне <0.01°С. Кроме того, источник позволяет программировать любую форму электрического тока в диапазоне — 6— +6 А, —60-+60 В с минимальным шагом по времени 1 мкс. Используя данные возможности, при нагреве образца переменным током его форма контролируется нажатием кнопки а (синусоидальная либо меандр), а частота — значением поля а (в диапазоне -0-104 Гц). Режимы программирования источника переменного тока подобраны таким образом, чтобы элементы интерфейса ё, ё, б и б контролировали действующее значение силы тока, и переключение между постоянным током и переменным током не вызывало изменения температуры

образца. Поле а и его графическое представление в виде ручки а реализуют возможность управления средним электрическим полем вблизи поверхности образца, если используется переменный ток в форме меандра. Когда значение поля а равно нулю, время «положительной» полярности меандра совпадает со временем «отрицательной» полярности, при этом среднее приложенное электрическое поле равно нулю. При увеличении значения поля а в направлении + 1 время «положительной» полярности увеличивается пропорционально (1+а)2, а «отрицательной» — уменьшается пропорционально (1-а)/2. При значении поля а=+1 форма меандра вырождается в постоянный ток с положительной полярностью. Аналогично, уменьшение значения поля а ниже ноля вплоть до а=-1 позволяет плавно увеличивать величину среднего электрического поля в противоположном направлении вплоть до постоянного тока с отрицательной полярностью.

В процессе in situ эксперимента некоторые манипуляции с токами, нагревающими образец и испаритель, могут многократно повторяться или требовать высокой точности исполнения во времени. Данный спектр задач решает группа элементов (U), предназначенная для автоматизации смены режимов работы программируемых источников тока (процедур). Основным элементом группы является массив й, содержащий список исполняемых команд. Каждая строка данного списка симулирует изменение пользователем состояния определённого элемента интерфейса и исполняется только после выполнения предшествующей строки списка. Каждая строка массива состоит из набора элементов, который определяет реализуемую команду (слева направо): поле Channel определяет программируемый источник тока, получающий команду (1 — источник нагрева образца, 3 — источник нагрева испарителя, 0 — служит для обозначения конца списка команд); кнопка DC/AC определяет форму пропускаемого тока (постоянный либо переменный); кнопка -/+ определяет полярность напряжения, если пропускается постоянный ток; поле Volt содержит максимальное напряжение программируемого источника тока; поле I/T служит для выбора программирования силы электрического тока I либо температуры T

(при выборе Channel 3 доступен только первый вариант); поле Value содержит требуемое значение силы тока либо температуры (в зависимости от значения поля I/T); поле Start содержит момент времени начала исполнения сформулированной в данной строке команды (в секундах с начала исполнения списка команд, допускает вещественные значения); поле Duration содержит длительность исполнения команды в секундах, по истечении которого силовой выход соответствующего источника отключается, если нижеследующие строки не отдают данному источнику новые команды. Кнопка u начинает исполнение сформулированного в й списка команд и фиксирует данный момент как начало отсчёта времени для всех команд. В процессе исполнения команд индекс строки, исполнение которой будет следующим содержится в поле и. Когда выполнение программы доходит до строки, содержащей в поле Channel значение 0, новые команды источникам не передаются, и приложение ожидает завершения текущих команд, после чего отключает соответствующие источники. Исполнение последовательности команд может быть прервано пользователем в любой момент времени нажатием кнопки и. Кнопки й и и служат для записи текущей последовательности команд в текстовый файл и загрузки команд из текстового файла, соответственно. Нажатие кнопки й скрывает либо делает видимыми все остальные элементы группы (U), что позволяет уменьшить площадь, занимаемую окном, если пользователь не планирует использовать её функционал. Кроме дополнительных возможностей при проведении in situ экспериментов, группа элементов управления (U) позволяет автоматизировать повторяющиеся технологические операции и существенно сократить трудозатраты при мелкосерийном изготовлении образцов с одинаковыми характеристиками, например, тест-объектов [8].

Группы элементов интерфейса (Ii) и (Ь) служат для контроля пользователем действующих параметров нагрева образца и испарителя, соответственно. Если кнопка 1 нажата, и программируемые источники поддерживают измерение параметров генерируемого тока, а также их передачу управляющему приложению на компьютере, тогда, после их получения, приложение приводит

действующие значения напряжения и силы тока (для образца — в полях i и i, соответственно). На основе данных характеристик рассчитываются электропроводность (поле 1=1/1) и электрическая мощность (поле i=i-i), выделяющаяся в цепи образца (образец, подводящие к нему ток провода, контакты и вводы). Элемент i представляет собой скользящий временной график зависимости электропроводности (левая ось, зелёный линия) и мощности (правая ось, красная линия), на котором самые правые точки зависимостей по умолчанию соответствуют настоящему моменту, а слева от них — история значений определённой глубины. По желанию пользователя пределы осей могут перенастраиваться. Поле i позволяет управлять интервалом между запросами значений напряжения и тока (в миллисекундах). Между обращением к источнику тока и получением значений проходит около 80 мс, в течение которых исполнение приложения приостанавливается. В процессе типичного in situ эксперимента такие задержки незаметны, но при выполнении с использованием группы (U) последовательностей команд, требующих высокой прецизионности исполнения во времени, подобные задержки могут быть недопустимы. Нажатие кнопки i позволяет автоматизировать отключение измерений при запуске запрограммированной последовательности команд нажатием кнопки и. Последняя кнопка группы (I1) — i — позволяет в случае необходимости записывать в журнал приложения каждое измеренное значения напряжения и тока, а также рассчитанные электропроводность и мощность. Запись журнала исполняющегося приложения контролируется группой элементов (G). При изменении параметров режима нагрева образца или испарителя в журнал записываются следующая информация: время записи, канал (образец/испаритель), состояние силовых выходов (при

включении/выключении), форма тока (переменный или постоянный), полярность (+ либо -), значение силы тока (при изменении), напряжения (при изменении) и температуры (при изменении, только для образца). В конце каждой строки дополнительно записывается пользовательский комментарий из поля g. Кнопка g позволяет отключить ведение записей в журнал по умолчанию. Кнопка

£ позволяет создать новый текстовый файл в произвольном месте на диске, в который будут дублироваться все записи стандартного журнала, пока пользователь не нажмёт кнопку £ повторно. Группа (Ь) содержит элементы, аналогичные (Г), для контроля действующих значений силы тока, напряжения, электропроводности и мощности, полученных от источника тока для нагрева испарителя.

Группа вспомогательных элементов интерфейса (С) предоставляет пользователю возможности секундомера. Отчёт времени ведётся в секундах с момента запуска приложения и отображается в поле с. Кнопка с задаёт новое начало отсчёта данного секундомера. Дополнительный секундомер с аналогичен с за одним исключением. Его значение обнуляется автоматически, когда изменяется любой из параметров источников тока, нагревающих образец и испаритель: включение/выключение силовых выходов, сила тока, максимальное напряжение, полярность, форма сигнала (БС/АС, меандр/синус, частота, среднее электрическое поле).

Служебная группа элементов (У) контролирует опорное напряжение промежуточной линзы. Поле у задаёт значение опорного напряжения в цепи управления током промежуточной линзы, что позволяет настраивать увеличение микроскопа при его юстировке. Кнопка у включает/выключает соответствующий источник постоянного напряжения. Была разработана специальная версия приложения с возможностями контроля тока не только в промежуточной линзе, но также в объективной, проекционной и отклоняющих линзах. Данное приложение продемонстрировало возможность компьютеризации управления получением картин микродифракции, электронно-микроскопических изображений, увеличением и фокусным расстоянием микроскопа, что открывает возможности глубокой модернизации системы управления электронной оптикой микроскопа.

Группа элементов интерфейса (Б) служит для корректного завершения работы приложения. Кнопка сР останавливает исполнение приложения и, если кнопка (1 нажата, снимает напряжение на силовых выходах всех используемых

источников тока. Если кнопка d не нажата, после завершения работы приложения все источники продолжают работу в последних использованных режимах.

На рис.П.2 приведена блок-схема основных элементов алгоритма, лежащего в основе работы приложения для управления in situ экспериментом. После запуска приложения в операционной среде Windows, первым этапом его работы является инициализация необходимого оборудования. Затем начинается исполнение основного цикла программы, на каждой итерации которого реализуются следующие функции. (1) Происходит считывание значений элементов интерфейса, изменения которых будут интерпретироваться как пользовательские команды. (2) Затем, если включён режим автоматического исполнения команд по списку и требуется смена режимов работы источников тока, то производятся соответствующие изменения значений элементов интерфейса. Такие изменения эквивалентны пользовательским действиям; дальнейшая обработка пользовательских и автоматизированных команд происходит одинаковым образом. (3) Далее для значение каждого элемента интерфейса проверяется на наличие изменений, по сравнению с предыдущей итерацией основного цикла. Каждое зафиксированное изменение вызывает исполнение соответствующих команд. Если исполнение команд требует изменения состояния силовых выходов источников тока (включение/выключение, изменение силы тока, предельного напряжения, полярности или формы сигнала), тогда секундомер с обнуляется, и в журнал приложения вносится новая запись. (4) Если используемое оборудование допускает измерение текущих значений силы тока и напряжения, то в рамках основного цикла такие измерения осуществляются с интервалом, определённым в поле i. Выход из основного цикла осуществляется по нажатии кнопки d'. Если кнопка d нажата, то силовые выходы обесточиваются, после чего приложение завершает работу.

Запуск

Рисунок П.2. Блок-схема основных элементов алгоритма программы.