Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

シリコン / イオン照射 / 表面改質 / 走査トンネル顕微鏡 / 半導体表面 / 欠陥 / アルゴンイオン / ナノ改質

1.イオン照射によるSi表面の改質効果解明の推進
高温超高真空STM/低速イオン銃複合装置を作製し、Arイオンを照射したSi表面をリアルタイムで高温STM観察し、1個のArイオンによって形成された表面改質サイトの形状変化を多数調べた。その結果、サイズの大きいイオン照射痕の多くは、熱処理によって表面のダイマー列に沿った辺を持つ正六角形に整形されることなどが明らかになった。イオン照射欠陥回復過程の基板温度依存性、入射イオンエネルギー依存性について調査し、温度が高いほど、低照射エネルギーであるほど、一旦拡大する欠陥がより多くなることが判明した。また、昨年度導入したE×Bセパレータにより、Si表面へ一価の酸素イオン(O^+)のみを抽出して高温STM観察することに成功した。この結果、活性な酸素イオンの照射時においても、Si表面を原子レベルで観察し続けられることを確認した。今後は、ドーパントイオン照射による表面改質過程についても視野に入れ、引き続き研究を続ける。
2.Si表面へのイオン照射過程のシミュレーション技術の構築
STMによって得られたイオン照射欠陥の挙動を定量的に解釈するためには、バルク中の原子や空孔の挙動の理解が不可欠である。このため、Ar, Si, Oの3元素が扱えるポテンシャルを開発し、イオン照射後の欠陥の挙動やSiO_2/Si界面構造形成の動的過程のシミュレーションを行った。また、分子動力学計算では扱いきれない長時間に及ぶ欠陥の挙動をシミュレートするために、モンテカルロ法によるシミュレータの開発も行った。

Si(111)7×7 / ナノ構造 / 自己組織化 / 表面改質 / STM / その場観察 / イオン照射 / 酸素 / RHEED / 極高真空 / 構造相転移

1) 7×7再構成に及ぼす酸素の影響
異なる基板温度、酸素分圧下でレーザー照射後のSi(111)7×7再構成の過渡現象を比較した。低い温度、高い酸素分圧ほど、7×7構造の成長が抑制された。また、この成長の抑制は7×7に相転移していない無秩序領域の優先的な酸化によるものであることをSTMのその場観察で明らかにした。
酸素含有量の異なる2つのSi基板を3つの冷却速度で急冷し、表面に形成される7×7領域の被覆率を比較した結果、酸素含有量の多い基板の方が被覆率が明らかに高かった。この結果は、酸素が7×7構造の形成影響を及ぼすことを示唆している。
7×7再構成におけるO原子の役割を分子動力学法で調査するため、Si,O混在系用ポテンシャル関数を開発した。本関数を用いた分子軌道計算により、O原子が7×7構造形成に要するエネルギー障壁を下げることを明らかにした。
2) イオン照射、STM複合装置によるSi表面改質のその場観察
イオンを超高真空中のシリコン表面に照射する装置を作成し、超高真空中のSi表面を高温その場観察すると同時にArイオンの照射を行い、イオン照射前後の構造変化をリアルタイムで観察することに世界で初めて成功した。
3)ナノ構造のウエハスケール形成
ナノ構造をウエハスケールで形成する目的で、ウエットプロセスにおける表面原子構造と金属析出の相関を研究した。水素終端Si(111)表面への銅の電析では、限られた電位窓において、50nm幅の銅細線が表面に自己組織的に形成された。このプロセスでの銅の析出はSi(111)表ハ上のダイハイドライド構造のSi上に優先的に起こり、モノハイドライド構造のSi上への析出は起こらないことがわかった。

【研究分担者】
品田賢宏	早稲田大学	理工学部	助手	(Kakenデータベース)
嶋田一義	早稲田大学	理工学部	助手	(Kakenデータベース)