| 研究概要 |
気体分子と固体表面との反応機構を研究するために,新たに分子線装置を作成し,複合表面分析装置と接合した。これによって分子線と反応した表面試料を大気に曝すことなく,表面分析ができるようになった。本研究では,主としてシリコン表面の炭化および窒化反応について詳しく調べた。
炭化反応については,エチレン分子線をシリコン表面に照射し,X線光電子分光(XPS),低速電子回折(LEED)などの方法で研究した。この場合の炭化反応は600℃以上で起ることが観測された。炭化初期には,シリコン表面に炭素原子が規則的に配列するのがLEEDパタンから観測された。シリコン炭化膜が成長する過程では,表面に付着した炭素原子と固体内部から拡散してきたシリコン原子が表面で反応する。低温領域ではシリコンの拡散が律速になり,炭素過多な結合の乱れたシリコン炭化層ができる。逆に,シリコン原子の内部からの拡散の激しい高温領域では,シリコン過多な炭化層を形成しながら進む。エチレン分子線による炭素原子の供給と内部からのシリコン原子の供給がバランスするところで膜成長は最大になり,SiとCの組成比が1:1に近いSiC膜ができる。本実験条件下では680℃が最適であった。窒化反応はN_2^+イオンビームを室温のシリコン表面に照射して調べた。100‐1000eVの範囲でイオンの運動エネルギーを変化させ,窒化膜の形成過程をXPSで追跡した。イオン照射量の増加につれて,シリコン原子に結合する窒素原子数が増加し,やがて飽和する様子がXPSスペクトルの解析から得られた。低エネルギーイオン照射による生成膜の組成は化学量論的なSi_3N_4に近いが,高エネルギー側では欠陥の発生による不飽和な結合が生じ,組成比から期待されるSi-N結合のXPSスペクトルは得られなかった。この欠陥は高温でのアニーリングによってかなり解消されることもXPSスペクトルから判った。
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