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研究生： 連國勝
Kuo-sheng Lien
論文名稱： 利用STM觀察鈷原子蒸鍍在矽（111）面的表面形貌之研究
The study of surface morphology of evaporation Cobalt on Si(111) by STM
指導教授： 鄭偉鈞
Wei-chun Cheng
口試委員: 蘇維彬
Wei-bin Su
姚永德
Yeong-der Yao
任盛源
Shien-uang Jen
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 124
中文關鍵詞： 二矽化鈷 、掃瞄穿遂式電子顯微鏡 、鈷 、矽
外文關鍵詞： STM
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    • 本研究於超高真空系統中，用熱蒸鍍的方式，於矽（111）的單晶基板上成長鈷（Co）超薄膜，再進行熱退火，退火溫度由200 ℃增加到800 ℃，最後再利用掃描式穿隧顯微鏡（Scanning Tunneling Microscopy；STM）來進行表面形貌之研究。其主要分為兩部分，第一部分是以短時間蒸鍍鈷70秒，其中以5秒為一個間隔；第二部分是以長時間蒸鍍鈷600秒，以30秒為一個間隔。以下為實驗結果：
    在500 nm×500 nm的掃瞄範圍下，在台階上皆沒有觀察到有鈷矽
    島狀物（island）之存在；而在100 nm×100 nm的掃瞄範圍下，表面上鈷原子的數量並不會隨著蒸鍍時間增加而增加。
    隨後將蒸鍍70秒的樣品進行熱退火，在退火溫度由200 ℃增加到400 ℃時發現其原本存在的7×7表面相已經有瓦解的現象發生；但當退火溫度增加到550 ℃時，其7×7表面相又會出現；退火溫度到達到700 ℃時7×7表面相已可於大範圍下被觀察到且台階上也可以發現到有鈷矽島狀物的存在；而當退火溫度增加到800 ℃時其7×7的表面相已經完全的恢復，而且在台階上的鈷矽島狀物也有明顯變大且增加的現象。
    表面缺陷的分析上不論是蒸鍍70秒或是蒸鍍600秒，其表面缺陷都會隨著蒸鍍時間增加而增加；但在蒸鍍70秒熱退火後其表面缺陷會隨著溫度增加而大量的減少。而在表面粗糙度的分析上，在短時間70秒的蒸鍍上其粗糙度是無法觀察到任何規律一致的現象；相反的在長時間600秒的蒸鍍和蒸鍍70秒後熱退火的結果上是可以觀察到一致性的變動現象。

    This research adopts a evaporation method to grow Co ultra thin film on Si(111) substrate, and post annealing temperature ranging from 200 oC to 800 oC is carried out in the ultra high vacuum (UHV) system. Meanwhile, the scanning tunneling microscopy (STM) is employed to study their electronic properties and surface morphology. It can be divided into two parts mainly. First, Co is grown with shorter time for 70 seconds, regarding 5 seconds as a unit. Second, Co is evaporated with longer time for 600 seconds, regarding 30 seconds as a unit. The results are as follows:
    At scanning range of 500 nm × 500 nm, no cobalt silicide island is observed. On the other hand, the amount of the Co atoms does not linearly increase with increment of the evaporation time on Si(111) surface at scanning range of 100 nm × 100 nm.
    Through post annealing of Co grown on Si(111) 7 × 7 surface for evaporated time of 70 seconds, we can find that with increasing annealing temperature from 200 oC to 400 oC, original 7 × 7 phase is gradually disintegrated, but 7 × 7 phase reappears for annealing of 550 oC. For annealing of 700 oC, 7 × 7 phase can be observed at the large part of range on the Si(111) surface and the cobalt silicide islands are found on the terrace. Furthermore, 7 × 7 phase already completely recovers and the size and the volume fraction of cobalt silicide islands on the terrace become coarse and increase as annealing temperature is increased to 800 oC.
    From the surface defect analysis, no matter evaporation for 70 seconds or evaporation for 600 seconds, the volume fraction of their surface defect increase with evaporation time. But the volume fraction of surface defect reduces drastically with increasing post annealing temperature for 70 seconds Co grown on the Si(111) surface. Based on surface roughness analysis, no regularity is found for evaporation time of 70 seconds, on the contrary, the periodic fluctuation phenomenon appears for both 600 seconds Co grown on the Si(111) surface and for post annealing after 70 seconds Co grown on the Si(111) surface.

    目錄 第一章 緒論……………………………………………………… …..1 1.1 前言…………………………………………………………...1 1.2 文獻回顧……………………………………………………...3 1.3 研究動機…………………………………….………………..5 第二章 實驗原理………...…………………………………………...12 2.1 掃描式穿隧顯微鏡…….………...………………………….12 2.1.1量子穿隧應……...……….………..…………………….13 2.1.2 STM取像方式…………………………………………..15 2.1.3 STM儀器架構…………………………………………..16 2.2 矽（111）的表面特性……………………………………....19 2.2.1 矽（111）表面重構……………………………...……..19 2.2.2 矽（111）表面的相變化和7×7的重構現象……….....20 2.2.3 金屬矽化物……...............................................................22 2.2.4 二矽化鈷………………………………………………...23 2.3 薄膜成長理論………………………………………………..24 2.3.1 沈積現象………………………………………………...25 2.3.2 薄膜成長模式…………………………………………...29 2.3.3 影響薄膜成長性質的因素……………………………...30 2.4 熱蒸鍍原理…………………………………………………..30 2.4.1 真空蒸鍍系統…………………………………………...31 2.4.2 系統原理………………………………………………...31 2.4.3 蒸鍍系統的構造………………………………………...33 第三章 實驗儀器與方法……………………………………………...46 3.1 超高真空系統（UHV）……………………………………..47 3.1.1 超高真空理論…………………………………………...47 3.1.2 超高真空技術…………………………………………...48 3.2 釋氣…………………………………………………………..48 3.2.1 影響氣體釋氣率的因素………………………………...50 3.3 超高真空設備之幫浦配置…………………………………..52 3.3.1 超高真空環境之備製…………………………………...53 3.4 探針的製作…………………………………………………..57 3.5 樣品的備製與清潔…………………………………………..58 3.5.1 樣品座…………………………………………………...58 3.5.2 樣品之清潔……………………………………………...59 第四章 結果與討論…………………………………………………...67 4.1矽（111）的7×7表面重構………………………………….67 4.1.1不同偏壓下的7×7表面重構……………………………67 4.2 在矽（111）7×7下成長鈷超薄膜之表面形貌…………….68 4.2.1 實驗一：短時間的蒸鍍……………. ………………….68 4.2.1.1 掃描尺寸為500 nm × 500 nm…………………….69 4.2.1.2 掃描尺寸為100 nm × 100 nm…………………….69 4.2.1.3 掃描尺寸為30 nm × 30 nm……………………….70 4.2.2 實驗二：長時間的蒸鍍………………………………...70 4.2.2.1 掃描尺寸為500 nm × 500 nm…………………….70 4.2.2.2 掃描尺寸為100 nm × 100 nm…………………….70 4.2.2.3 掃描尺寸為50 nm × 50 nm……………………….71 4.2.2.4 掃描尺寸為50 nm × 50 nm（偏壓-2V）………...71 4.2.2.5 掃描尺寸為30 nm × 30 nm……………………….72 4.2.2.6 掃描尺寸為30 nm × 30 nm（偏壓-2V）………...72 4.3 熱退火後之表面形貌………………………………………...72 4.4 影像分析……………………………………………………...74 4.4.1表面缺陷之分析……………………………………….....74 4.4.2表面粗糙度之分析…………………………………….....74 第五章 結論…………………………………………………………..121 參考文獻………………………………………………………………122

    參考文獻
    [1] D. P. Pappas, C. R. Brundle, and H. Hopster, Phys. Rev. B, 45, 8169 (1992).
    [2] S. Muller, P. Bayer, C. Reischl, K. Heinz, B. Feldmann, H. Zillgen, and M. Wuttig, Phys. Rev. Lett., 74, 765 (1995).
    [3] M. T. Lin, J. Shen, W. Kuch, H. Jenniches, M. Klaua, C. M. Schneider, and J. Kirschner, Phys. Rev. B, 55, 5886 (1997).
    [4] R. C. O’Handley, Modern magnetic materials, A Wiley-Interscience Publication, chapter 17 (2000).
    [5] 溫金瑞,劉全璞, ”磊晶二矽化鈷(CoSi2)之成長”, 工業材料
    p.170-p.174(2001)。
    [6] R.T.Tung, Mater. Chem. Phys. 32, 107 (1992).
    [7] H. Von Kanel, Mater. Sci. Rep. 8, 193 (1992).
    [8] 吳文發國家奈米元件實驗室，奈米通訊，第五卷第二期P20.金屬矽化物的研製。
    [9] B. Ilge *, G. Palasantzas, J. de Nijs, L.J. Geerligs, Surf. Sci. 414, 279 (1998).
    [10] A.E. Dolbak, B.Z. Olshanetsky *, S.A. Teys, Surf. Sci. 373, 43 (1997).
    [11] J. S. Tsay, C. S. Yang, Y. Liou, and Y. D. Yao, J. Appl. Phys. 85, 4967 (1999).
    [12] F. Arnaud d’Avitaya, J. Cryst. Growth. 81, 463(1987).
    [13] J.M. Philips, J.L. Batsone, J.C. Hensel, M. Cerullo, Appl. Phys. Lett. 51, 1895 (1987).
    [14] J. Derrien, F. Arnaud d’Avitaya, J. Vac. Sci. Technol. A 5, 2111 (1987).
    [15] J.Y. Veuillen, J. Derrier, P.A. Badoz, E. Rosencher, C. d’Anterroches, Appl. Phys. Lett. 51, 1448 (1987).
    [16] A.E. Dolbak, B.Z. Olshanetsky, S.A. Teys, Phys. Low-Dim. Struct. 3/4, 113 (1997).
    [17] F. Arnaud d’Avitaya, S. Delage, E. Rosencher, J. Derrien, J. Vac. Sci. Technol. B 3, 770 (1985).
    [18] 楊長謀，材料分析：掃描式探針顯微鏡分析，中國材料學會，新竹市 (1998)。
    [19] C. J. Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, New York (1993).
    [20] 楊正成，國立交通大學物理研究所碩士論文 (2003)。
    [21] 柴惠騰，國立交通大學物理研究所碩士論文 (2003)。
    [22] 張嘉升，黃英碩，掃描穿隧顯微術 (2002)。
    [23] P. K. Hansma and J. Tersoff, J. Appl. Phys. 61, R1 (1987).
    [24] Kittel, Introduction to Solid State Physics, 7th ed, USA (1996)
    [25] 黃淑琪，國立中正大學物理研究所碩士論文 (2003)。
    [26] J. A. Stroscio and W. J. Kaiser, Scanning Tunneling Microscopy, USA (1993).
    [27] 羅榮立，物理雙月刊，廿五卷五期，P.686 (2003年10月)。
    [28] S. R. Wilson et. al., Handbook of Multilevel Metallization for Integrated Circuits, Noyes Publications, New Jersey (1993).
    [29] K. N. Tu and J. M. Mayer, Silicide Formation, in Thin Films-Interdifusion and Reactions, edited by J. M. Poate, K. N. Tu and J. W. Mayer, p.359, Wiley, New York (1978).
    [30] GJ. Van Gurp and C. Langereis, Cobalt Silicide Layer on Si. l. Structure and Growth, J. Appl. Phys. 49, 4301 (1975).
    [31] S. S. Lau, J. W. Mayer, and K. N. Tu, “Interaction in the Co/Si Thin Film System. I. kinetics”, J. Appl. Phys.49, 4005 (1978).
    [32] K. N. Tu, G. Ottaviani, R. D. Thompson, and J. W. Mayer, Thermal Stabilityy and Growth Kinetics of Co2Si and CoSi in Thin-Film Reaction, J. Appl. Phys. 53, 4406 (1982).
    [33] G. J. van Grup, W. F. van der Weg, and D. Sigurd, interaction in the Co/Si Thin Film System. Ⅱ. Diffusion Maker Experimenrts, J. Appl. Phys. 49, 4011 (1978).
    [34] 溫金瑞，國立成功大學材料工程科學及工程學系碩士論文 (2002)。
    [35] 聶亨芸，國立清華大學材料科學工程學系碩士論文 (2002)。
    [36] 莊達人，VLSI製造技術，高立圖書，台北市 (1997)。
    [37] L. Eckertova and T. Puzicka, Diagnostics and Applications of Thin Films, Ch. 1 & Ch. 2, Institute of physics Publishing (1993).
    [38] K. Chopra, Thin Film Phenomena, Robert & Krieger (1969).
    [39] K. N. Tu, et. al., Electronic Thin Film Science for Electrical Engineers and Materials Scientists, Ch. 1, Macmillan Publishing (1992).
    [40] 王坤池，國立台灣科技大學機研所碩士論文 (2001)。
    [41] 陳宿惠，國立台灣師範大學物理研究所碩士論文 (2000)。
    [42] 陳元宗，國立台灣科技大學機研所碩士論文 (2003)。
    [43] M. Faraday, Phil. Trans., 147, 145 (1857).
    [44] R. Nahrwold, Ann. Physik, 31, 467 (1887).
    [45] R. Pohl and P. Pringsheim, Verhandl, Deut. Physik Ges., 14, 506 (1912).
    [46] M. Auwarter, Balzers, Austrian Pat. Nr. 192650 (1952).
    [47] 高健薰，真空技術與應用：熱電阻式蒸鍍系統，精密儀器發展中心，新竹市 (2001)。
    [48] 林思宏，國立台灣師範大學物理研究所碩士論文 (2003)。
    [49] B. Dodson, Phys. Rev. B, 36, 6288 (1987).
    [50] 許瑤真，真空技術與應用：熱過程導致的氣體放出，精密儀器發展中心，新竹市 (2001)。
    [51] J. F. O，Hanlon, A User，s Guide to Vacuum Technology, New York: John Wiley and Sons (1980).
    [52] 呂登復，實用真空技術，國興出版 (1986)。
    [53] 張世汯，真空技術與應用：影響氣體釋氣率的因素，精密儀器發展中心，新竹市 (2001)。
    [54] J. R.Chen, K. Narushima, and H. Ishimaru, J. Vac. Sci. Technol. A, 3 (6), 2200 (1985).
    [55] 堀越源一，小林正典，堀洋一郎，墟本雄一，真空排氣與氣體的放出，共立出版社 (1996)。
    [56] Y. C. Liu, S. C. Wu, J. R. Chen, and H. S. Tzeng, Chinese J. of Physics, 23 (4), 273 (1985).
    [57] 劉遠中，陳俊榮，曾湖興，除武雄，核子科學，21 (3)，168 (1984)。
    [58] 吉川秀司，真空ハンドブツク，日本真空技術(株)，46 (1982)。
    [59] R.T. Tung, J. Vac. Sci. Technol. A 7, 599 (1989).
    [60] C. Pirri, J.C. Peruchetti, G. Gewinner, J. Derrien, Phys.Rev. B 29, 3391 (1983).

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