全エピタキシャル金属/絶縁体積層構造形式とデバイスの研究

1992 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 04452202
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 山田 公 京都大学, 工学部, 教授 (00026048)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高岡 義寛 京都大学, 工学部, 助教授 (90135525)
• Keywords: エピタキシャル成長 / 積層構造 / 超薄膜 / 低温成長 / ICB法 / 反応性ICB法 / 走査トンネル顕微鏡 / トンネルデバイス

Research Abstract

本年度は、エピタキシャル金属/絶縁物積層デバイスの開発のための基礎研究を行うために、超高真空型ICB蒸着装置とRICB蒸着装置の二つの蒸着装置間を真空中で試料搬送するための超高真空チャンバーを設計・製作した。また、半導体基板上に金属薄膜や絶縁物薄膜をそれぞれICB法やRICB法によって積層蒸着し、格子不整が極めて大きな材料でもエピタキシャル成長が可能であることを明らかにした。具体的には、Al/Al_2O_3/Al/Si(111)構造のin situ成長を行い、各層がそれぞれエピタキシャル成長することを明らかにした。また、Al_2O_3膜は数原子層の膜厚でもエピタキシャル成長した一様な連続膜となり、電気的絶縁性も優れていることが分った。さらに、トンネル電流も観測され、Al/Al_2O_3/Al積層エピタキシャル構造による量子デバイスへの応用が可能となった。
さらに、金属膜の蒸着初期過程を現有の走査トンネル顕微鏡(STM)を用いて超高真空中でin situに観察した。その結果、Si(111)清浄表面上のAlの薄膜形成過程では、蒸着の極く初期では3次元的な成長を行うが、蒸着量の増加とともに2次元的な成長へ変化することを原子・分子レベルで明らかにした。また、蒸着の極く初期では、ICB法によるAl膜はAl(100)が成長するのに対して、従来の真空蒸着法ではAl(111)が成長し、成長様式が大きく異なることを明らかにした。さらに、イオンの照射効果についてSTM観察によって調べると薄膜形成の初期過程では通常の動作条件のもとでイオン照射により核密度や核の大きさはほとんど影響されないことがわかった。運動エネルギーが数百eV以上になると基板上に欠陥が発生することも認められた。
これにより、薄膜形成に及ぼすイオンビーム照射効果が原子レベルで解明され、今後の研究に大きな指針が得られた。

Research Products

• [Publications] I.Yamada: "Irradiation Effects of Gas-Cluster CO_2 Ion Beams on Si" To be published in Nuclear Instruments and Methods. (1993)
• [Publications] J.A.Northby: "A Method and Apparatus for Surface Modification by Gas-Cluster Ion Impact" To be published in Nuclear Instruments and Methods. (1993)
• [Publications] I.Yamada: "Surface Modification and Other Advanced Ion Beam Processing Projects in Japan" Surface and Coatings Technology. 51. 514-521 (1992)
• [Publications] I.Yamada: "Novel Paths for Nucleation and Growth of Thin Films by Ionized Cluster Beam(ICB) Technigues:Atomic-Scale Observation" Materials Research Society Symposium Proceedings. 235. 597-607 (1992)
• [Publications] S.Wada: "Epitaxial Al(110) Films Grown on Heavily-Doped Si(100) by Cluster Beam Deposition" Materials Research Society Symposium Proceedings. 235. 621-626 (1992)
• [Publications] G.H.Takaoka: "Surface Modification of Bio-Active Ceramic(Artificial Bone) by Ion Implantation" Materials Research Society Symposium Proceedings. 252. 23-28 (1992)
• [Publications] I.Yamada: "Advanced Ion Beam Material Processing Projects in Japan" Materials Research Society Symposium Proceedings. 268. 261-272 (1992)
• [Publications] G.H.Takaoka: "Surface and Interface Properties of Copper Phthalocyanine Multilayer Structure Propared by ICB Method" Proceedings of the First Meeting on the Ion Engineering Society of Japan. 251-254 (1992)
• [Publications] Y.Yamashita: "Irradiation Effects of a Mass Analyzed Gas Cluster Ion Beam on Silicon Substrates" Proceedings of the First Meeting on the Ion Engineering Society of Japan. 247-250 (1992)
• [Publications] I.Yamada: "Physics and Chemistry: From Clusters to Crystals" Kluwer Academic Publishers, (1992)