Физика

Содержание раздела

Новости физики

Новости науки 03.03.01. Механизм аномально быстрой низкотемпературной диффузии кислорода в SiO₂

Окисление твердотельных материалов -- и в особенности кремния -- является, безусловно, крайне важным вопросом в современной технологии. С точки зрения теории этот процесс, однако, до сих пор не понят в деталях. Дело в том, что относительно недавние эксперименты показали, что при низких температурах присутствие ультрафиолетового излучения драматическим образом усиливает процесс окисления кремния. Поскольку УФ излучение приводит к диссоциации молекул кислорода, напрашивается вывод о том, что окисление атомарным кислородом идет гораздо быстрее, чем молекулярным. Детальный, "пошаговый" механизм этого явления оставался долгое время неясным, пока, наконец, не нашел своего объяснения в недавней работе корейских ученых [Y.Jin and K.Chang, Phys.Rev.Lett. 86, 1793 (2001)].

Рис.1 Различные состояния атома/иона кислорода, внедренного в кварцевый монокристалл

При окислении твердотельных образцов кислород проникает в толщу материала, диффундируя через уже образовавшийся слой оксида. Поэтому при изучении окисления кремния вопросом первостепенной важности является изучение скорости диффузии кислорода через SiO₂, в частности, выяснение того, как эта скорость зависит от температуры.

Обычно свободный кислород существует в молекулярном виде, и как следствие этого его диффузия сквозь SiO₂ становится заметной лишь при очень высоких температурах, порядка 1000 ¦C: просто при своем движении через кристаллическую решетку молекуле приходится преодолевать энергетические барьеры в несколько эВ. Однако если какая-то часть кислорода находится в атомарном состоянии (что может быть достигнуто, например, УФ излучением), то скорость диффузии кислорода резко возрастает, а значит, сильно ускоряется и окисление образца (см. экспериментальную работу [J.Zhang and I.Bowl, Appl.Phys.Lett.71, 2964 (1997)]). Особенно сильно этот эффект заметен при относительно низких температурах (200-300 ¦C), когда тепловая диффузия молекул подавлена.

Рис.2 Механизм диффузии отрицательных ионов кислорода в SiO₂

Очевидно, этот экспериментальный факт означает, что типичный энергетический барьер для атомарного кислорода должен быть очень низким. Однако доказать это из первых принципов до сих пор не удавалось. Эта задача и была решена в работе [Y.Jin and K.Chang, Phys.Rev.Lett. 86, 1793 (2001)]. В этой работе были поставлены следующие вопросы: 1) каково состояние атома кислорода, внедренного в кристаллическую решетку SiO₂, и 2) как это состояние изменится в случае положительного и отрицательного иона кислорода.

Численный расчет показал следующее. На Рис.1а изображена часть кристалла a-кварца SiO₂. Два ближайших атома кремния связаны мостиком Si-O-Si. Когда в эту конструкцию встраивается нейтральный атом кислорода, то энергетически наиболее выгодной является пероксидная связь (Рис. 1b). Понятно, что разорвать такую связь достаточно трудно. Если мы имеем дело с положительным ионом кислорода, то наиболее предпочтительной оказывается троичная конфигурация (Рис. 1c). В случае же отрицательных ионов кислорода связь между двумя атомами кислорода рвется (слишком сильно отталкивание), а вместо этого образуется второй мостик Si-O-Si.

Оказывается, эта "двухмостиковая" структура очень рыхлая. На Рис.2 "пошагово" показано, как за счет разрыва и воссоединения этой связи мигрирует ион кислорода. Было подсчитано, что высота эффективного потенциального барьера для такого скачка составляет 0.27 и 0.11 эВ для ионов O^- и O^2- соответственно.

Таким образом, было выяснено, что именно двухмостиковая конфигурация порождает аномально низкие потенциальные барьеры и тем самым приводит к очень высокой подвижности отрицательных ионов кислорода в SiO₂.

перейти к началу страницы