J. Phys. France 48, 1161-1170 (1987)
DOI: 10.1051/jphys:019870048070116100

Topographie de surfaces Si(111) après bombardement d'ions Ar+ et recuit thermique

J. Fauré, A. Claverie, C. Vieu et J. Beauvillain

Groupe Structure et Matériaux, Laboratoire d'Optique Electronique du CNRS, 29, rue J. Marvig, 31055 Toulouse Cedex, France

Abstract
Flat Si(111) surfaces were submitted to a 10 keV argon bombardment and then thermally annealed, the surface being simultaneously investigated by R.H.E.E.D. and Reflection Electron Microscopy. It was found that the annealing temperature needed for recovering a trace of crystallinity and the surface roughness were strongly dependent on the implanted dose. Damage and range calculations were performed in order to estimate Ar concentrations and damage distributions in the implanted layer and close to the surface. For a dose of 6 x 1013 ions/cm2, which corresponds to the extinction of R.H.E.E.D. spots and the disappearance of atomic steps in the REM image, a 30 min-575 °C anneal restores the initial topography. Far from the amorphous state, the surface layer thus desorbs the argon atoms embedded in the lattice. For a dose of 4 × 1015 ions/cm2 which corresponds to the formation of an amorphous layer extending from the surface to a depth of 220 Å, a 20 h-750 °C anneal is needed for a partial epitaxial regrowth of the surface layer (microcrystals of a few thousand angströms in size). For an intermediate dose of 6 x 1014 ions/cm2 where defect rich and amorphous regions may be present at the surface and in the implanted layer, a 90 min-700 °C anneal is needed to recover a monocrystalline but very rough surface. These experiments suggest that a local epitaxial regrowth is obtained only if the argon concentration is lower than some upper limit in the interfacial regions. Annealing at high temperature is then necessary to lower this concentration by diffusion and desorption mechanisms.

Résumé
Nous avons étudié la réorganisation, par recuit thermique, de surfaces Si(111) préalablement bombardées par des ions argon d'énergie incidente E0 = 10 keV, en utilisant les techniques de diffraction électronique R.H.E.E.D. et d'imagerie R.E.M.. L'influence de la dose implantée sur la température et la durée du recuit nécessaire, ainsi que sur la topographie de la surface obtenue, a été mise en évidence. La théorie L.S.S. et un programme de calcul d'énergie déposée permettent d'interpréter l'ensemble des résultats. Pour une dose d'ions Ar+ associée à la disparition complète des taches de diffraction et des contrastes caractéristiques des marches atomiques ( D0 = 6 × 1013 ions/cm2), un recuit de 30 min à 575 °C permet de retrouver la topographie de la surface initiale : même disposition et même densité des marches atomiques. L'implantation de cette dose ne permet ni l'amorphisation ni une érosion importante du matériau. Le recuit permet une désorption complète de l'argon au voisinage de la surface. Après amorphisation complète de la surface de silicium (pour D a = 4 × 1015 ions/cm2), un recuit de 20 h à 750 °C permet une recristallisation partielle (la taille moyenne des monocristaux de silicium est de quelques milliers d'angströms). Pour une dose intermédiaire (Di = 6 × 1014 ions/cm2), un recuit de 90 min à 700 °C permet de réorganiser la région proche de la surface. Cette réorganisation conduit à une surface rugueuse de silicium monocristallin. Ces résultats indiquent que la recristallisation épitaxiée à partir de l'interface cristal/amorphe n'est possible que lorsque la concentration d'argon y est inférieure à une concentration limite. Une augmentation de la température de recuit est alors nécessaire pour diminuer cette concentration par diffusion et par désorption.

PACS
6172 - Defects and impurities in crystals; microstructure.
6180J - Ion radiation effects.
8140G - Other heat and thermomechanical treatments.

Key words
annealing -- electron microscope examination of materials -- elemental semiconductors -- ion implantation -- reflection high energy electron diffraction -- silicon -- surface topography