J. Phys. France 47, 1805-1812 (1986)
DOI: 10.1051/jphys:0198600470100180500

RHEED and REM study of Si(111) surface degradation under Ar bombardment

A. Claverie, J. Faure, C. Vieu, J. Beauvillain et B. Jouffrey

Laboratoire d'Optique Electronique du CNRS, 29, rue J. Marvig, B.P. 4347, 31055 Toulouse, France

Abstract
The effect of 10 to 40 keV argon ion bombardment on Si(111) surfaces, at room temperature, has been investigated by RHEED and REM imaging using an electron microscope. Both RHEED intensity measurements and REM images show that the disorder of the first top-layers proceeds more slowly when increasing ion energy. The decrease of the specularly reflected beam intensity for increasing fluence can be fitted using a simple model in which the energy-dependent parameter is a « mean damaged area » per incident ion incoming on the surface. From 10 to 40 keV, this parameter varies from 4.7 × 10-14 to 1.4 × 10-14 cm2 while the dose needed for the complete disordering of the surface, Dc, varies from 5 x 10 13 to 1.8 × 1014 ion/cm2. Damage energy depositions on the near-surface region were calculated and did not show a variation of more than 15 % over the whole energy range. This variation cannot account for the more than 3-time variation of Dc. A rough estimate of argon concentration in the first layers with increasing energy shows better agreement, and suggests that the RHEED intensity decrease is related to increasing distortions of the surface network due to argon entrapment.

Résumé
L'effet d'un bombardement d'ions argon de 10 à 40 keV sur des surfaces Si(111) à température ambiante est étudié par RHEED et REM en utilisant un microscope électronique. Les mesures d'intensités RHEED et les images obtenues en REM montrent que le désordre dans les premières couches atomiques est d'autant plus faible que l'énergie des ions incidents est élevée. La décroissance de l'intensité de l'onde électronique « spéculaire » en cours de bombardement peut être décrite en utilisant un modèle simple dans lequel le paramètre dépendant de l'énergie est une « aire moyenne endommagée » par ion frappant la surface. De 10 à 40 keV, ce paramètre varie de 4,7 x 10-14 à 1,4 × 10-14 cm2 alors que la dose nécessaire à la disparition complète des tâches de diffraction, Dc, varie de 5 x 1013 à 1,8 x 1014 ion/cm2. Le calcul de l'énergie déposée, en collisions nucléaires, au voisinage de la surface, montre que celle-ci ne varie que de 15 % dans la gamme d'énergie étudiée et ne peut donc pas rendre compte des fortes variations de Dc . Une estimation grossière de la concentration d'argon dans les premières couches atomiques, en fonction de l'énergie montre une meilleure concordance et suggère que la décroissance de l'intensité RHEED est liée à l'augmentation des distorsions du réseau cristallin au voisinage de la surface, dues à l'incorporation de l'argon.

PACS
6180J - Ion radiation effects.
6835 - Solid surfaces and solid-solid interfaces: Structure and energetics.

Key words
electron microscope examination of materials -- elemental semiconductors -- ion beam effects -- reflection high energy electron diffraction -- silicon -- surface structure