2017 Fiscal Year Research-status Report
COガスを用いたSi表面炭化における平衡反応のメカニズム解明
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16K20915
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
出浦 桃子 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90609299)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | シリコン表面炭化 / 平衡反応 / シリコン基板 / 炭化ケイ素バッファ層 / 窒化物半導体成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，SiC-SiO2-CO系平衡反応を用いたSi基板の表面炭化によるSiC薄膜形成において，炭化メカニズムを解明し，高品質なSiC薄膜を得ることを目的としている．申請者は，Si基板上の窒化物半導体成長用バッファ層として，表面炭化という簡便な手法で形成したSiC薄膜を提案している．しかし，熱力学データベースから作成した相安定図による予測と実験結果が一致せず，炭化反応の精密な制御が困難であった．そこで本研究では，反応炉内ガス分圧の時間変化と到達値を詳細に測定し，炉内で生じている反応を正確に把握するとともに平衡定数と反応速度定数を定量的に求める．これにより，炭化メカニズムを包括的に明らかにし，高品質SiC薄膜を得ることを最終目標としている．
平成29年度は研究代表者が所属機関を異動したことにともない，上記の目的を達成するため，ガス分圧測定および炭化実験のためにSiC-SiO2-CO平衡反応を生じさせる小型反応装置，COガス除害設備およびガス分圧分析用の赤外吸収装置について，立ち上げ・配管接続・ガスセル準備を行った．除害設備・赤外吸収装置・炭化反応炉の真空系については正常に動作することが確認できた．一方，反応炉の加熱については，熱電対による測温に工夫が必要であること，ヒータ出力が不足する場合があること，炉部材から外部への放熱が予想より大きいこと，が判明した．測温・放熱の問題については平成29年度にほぼ解決できたが，加熱については平成30年度にも引き続き検討が必要である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究代表者の異動にともなう装置の移動・再立ち上げに時間を要したため．また，反応炉の加熱部および測温部の不具合・故障が相次いだ上，加熱部に改造が必要なことが判明したため．
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| Strategy for Future Research Activity |
1) ガス分圧の時間変化・平衡値の温度依存性
粉末とガスを導入した反応炉を速やかに設定温度に到達させ，内部が平衡状態に達するまで保持する．その間，反応炉内のガスを取り出し．CO以外にどのようなガス種が存在するかを調べ，分圧の時間変化を平衡値を求める．これをさまざまな温度で行い，温度依存性を系統的に調べる．なお，測定のために反応炉から取り出すガス量と測定時間を考慮すると，一度の加熱実験で測定できる回数が多くないことから，本研究では先に長時間領域測定を行い平衡分圧を求める．一方，反応は一般に時間に対して指数関数的に進行するため，ガス分圧変化が大きい加熱初期段階に着目して時間依存性を測定し，両者を組み合わせて統一的な時間変化を見る．これらの測定で求めたガス種や分圧変化から，系内で生じている平衡反応を決定する．
2) 炭化メカニズムの考察
1)で決定した平衡反応のすべてについて，実測した平衡分圧をもとに平衡定数を算出する．これを熱力学データベースの値と比較することで，データベースの値の妥当性を検討する．また，ガス分圧の時間変化から反応速度定数を求める．これらのデータをもとに，SiC-SiO2-CO系平衡反応の炭化メカニズムを考察し，統一的な理解を得る．さらに，Si基板炭化に適切な実験条件を推定する．
3) Si基板の炭化
2)で推定した実験条件をもとに，高品質SiC薄膜を形成する炭化プロセス条件を調べる．得られたSiC薄膜の膜厚や平坦性・構造および結晶性などは，各種顕微鏡やX線回折等を用いて評価する．
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