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Surfaces H-Si (111) idéales par attaque chimique anisotrope

par Allongue Philippe, Anne-Marie - publié le , mis à jour le

Participants : P. Allongue, R. Cortès, C. Henry de Villeneuve

La dissolution du silicium dans NaOH peut être décrite, à l’échelle moléculaire, par le schéma réactionnel de la figure 1. Les observations STM in situ ont permis d’imager les sites Si-OH en solution basique et les mesures électrochimiques établissent que la première étape suit deux voies : la première est une réaction purement chimique et totalement anisotrope (pour des raisons stériques) ; la seconde est une réaction électrochimique et relativement isotrope. Il résulte que pour obtenir une surface présentant des plans atomiques (111) il faut favoriser la réaction chimique et réduire la composante électrochimique.

Dans le cas de l’attaque anisotrope du silicium (111) dans une solution NH4F, nous avons montré que : (i) la présence d’oxygène dissout (Fig. 1a) génère des piqûres triangulaires à grande échelle ; (ii) L’exposition de la seule face polie (Fig. 1b) induit des piqûres à plus petite échelle. L’élimination de l’oxygène dissout et la présence d’une zone dépolie sont nécessaires pour obtenir des terrasses (111) exemptes de piqûres. La direction de la désorientation du cristal (déterminée par diffraction des rayons X) est le dernier paramètre important car il détermine la morphologie des marches du substrat. Si la projection de la direction [111] sur la surface est précisément alignée avec la direction <11-2> on obtient une surface vicinale avec des marches atomiques rectilignes régulièrement espacées (Fig. 2c). Nos simulations de la dissolution indiquent que l’obtention de terrasses planes suppose une vitesse d’attaque 107 fois plus lente sur les sites atomiques de terrasses que sur les sites de crans (« kinks ») situés aux bords des marches (simulations numériques par méthode Monte-Carlo de J. Kasparian, LASIM). Les surfaces vicinales H-Si(111) de la Fig. 2c sont utilisées dans nombre de nos projets sur le dépôt électrochimique et la fonctionnalisation de surface.

Fig. 1 : Modèle réactionnel de la dissolution du silicium.

Fig. 2 : Images AFM de la topographie d’une surface H-Si(111) obtenue après attaque chimique dans 40% NH4F : (a) en présence d’oxygène dissout ; (b) avec la seule face polie exposée à la solution ; (c) Sans oxygène et avec la face arrière dépolie.

Publications :

[1] M. L. Munford, R. Cortes, P. Allongue, "The preparation of ideally flat and ordered H-Si(111) surfaces", Sensors and Materials, 13 (2001) 259-269

[2] P. Allongue, C. Henry de Villeneuve, S. Morin, R. Boukherroub, D. Wayner, "The preparation of H-Si(111) surface in 40% NH4F revisited", Electrochim. Acta, 45 (2000) 4591

[3] P. Allongue, "In-situ STM molecular imaging and LDOS determination at the Si(111) / NaOH interface", Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 1986-1989

[4] P. Allongue, V. Costa Kieling, and H. Gerischer, "Etching of Silicon in NaOH Solutions .1. In situ Scanning Tunneling Microscopic Investigation of n-Si(111)," J. Electrochem. Soc. 140 (4), 1009-1018 (1993).

[5] P. Allongue, V. Costa Kieling, and H. Gerischer, "Etching of Silicon in NaOH Solutions .2. Electrochemical Studies of n-Si(111) and n-Si(100) and Mechanism of the Dissolution," J. Electrochem. Soc. 140 (4), 1018-1026 (1993).