電気化学的エッチング法によるシリコンウエハー表面の原子レベルの平坦化

• 研究課題/領域番号: 12750723
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 工業物理化学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 叶 深 北海道大学, 触媒化学研究センター, 助教授 (40250419)
• 研究期間 (年度): 2000 – 2001
• 研究課題ステータス: 完了 (2001年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2001年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2000年度: 1,300千円 (直接経費: 1,300千円)
• キーワード: Si(100) / ATR-IR / 平坦化 / 水素種終端化 / エッチング / 電気化学的制御 / 金属超薄膜 / 表面増強赤外分光法 / Si(111) / HF

研究概要

本研究は全反射赤外(ATR-FTIR)分光測定により、種々の湿式エッチング法で得た水素終端化したH-Si(100)表面構造を調べ、Si(100)表面の平坦化の可能性について議論した。
(1)HF溶液のpHと濃度の依存性:エッチング用のHF溶液pHの減少により、(111)方向の異方性エッチングが抑制され、平坦な(100)表面の形成が可能だとSTM測定による研究成果が報告された。種々の低pHのエッチング溶液にSi(100)を所定時間浸漬した後、ex situ ATR-IR測定により、Si(100)表面の水素終端化の状態を観察した。ブロードなdehydride(SiH_2)とmonohydride(Si-H)のピークが観測され、溶液pH及び濃度の違いによるATR-IRスペクトル形状に大きな変化は認められなかった。STM測定で観察する表面の範囲は非常に小さいため、本分光測定結果により、低pHでエッチングする場合、平坦なSi(100)ドメンサイズは極めて小さいと推測した。
(2)電気化学的制御による効果:Siの電極電位を制御することにより、Si(100)のエッチング速度の制御を試みた。N-Si(100)の電位をSiのフラットバンド電位より負の電位領域で制御しながらSi-H/SiH_2の赤外バンドの強度、ピーク位置及び半値幅をエッチング時間及び電極電位の関数としてin situ及びex situ ATR-FTIR測定により調べた。水素発生領域まで電位を制御することにより、Si(100)表面の平坦さの増加は確認されたが、H-Si(111)ほどの平坦な表面はまだ実現されていない。また、実際工業プロセスへの応用には問題がまだ多くある。
(3)Si表面に金属薄膜の成長:上記のATR-IR測定を行う際、より強い表面増強赤外吸収の効果を出すために、Si表面に金属の超薄膜の成長の可能性についても同時に検討した。これまでに実現したCuの他に、Si電極の表面にAu,Pt,Pd及びその合金の成長をエッチング溶液中に無電解法によって試みた。これらの超薄膜を表面増強赤外分光法(SEIRAS)の測定に適用し、PtやPdなどの貴金属の超薄膜のSEIRAS測定に初めて成功した。

研究成果

• [文献書誌] Yu, H.Z.: "Molecular Orientation and Electrochemical Stability of Azobenzene Self-Assembled Monolayers on Gold : An In-Situ FTIR Study"Langmuir. 16. 6948-6954 (2000)
• [文献書誌] Imamura, T.: "Coupling of Ground-State Molecular Vibrations to Low-Energy Electronic Transition of Ruthenium(III, II)Porphyrin Dimers"J.Am.Chem.Soc.. 37. 9032-9033 (2000)
• [文献書誌] Ye, S.: "Spectroscopic Studies on Electroless Deposition of Copper on a Hydrogen Terminated Si(111)Surface in Fluoride Solutions"J.Electrochem.Soc.. 148. C421-C426 (2001)
• [文献書誌] Ye, S.: "Sum Frequency Generation(SFG)Study of the pH-Dependent Water Structure on the Fused Quartz Surface Modified by Octadecyltrichlorosilane(OTS)Monolayer"Phys.Chem.Chem.Phys(PCCP). 3. 3463-3469 (2001)
• [文献書誌] Ye, S.: "Stability of the Si-H Bond on the Hydrogen Terminated Si(111)Surface Studied by Sum Frequency Generation(SFG)"Surf.Sci.. 476. 121-128 (2001)
• [文献書誌] Sato, A.: "A ligand substitution reaction of oxo-centred triruthenium complexes assembled as monolayers on gold"Phys.Chem.Chem.Phys(PCCP). 3. 3420-3426 (2001)
• [文献書誌] 魚崎浩平: "「界面ハンドブック」、第6章第2節、電極界面構造制御"エヌ・ティー・エス. 8 (2001)
• [文献書誌] Naohara, H., Ye, S.and Uosaki, K.: "Electrocatalytic Reactivity for Oxygen Reduction at Epitaxially Grown Pd Thin Layers of Various Thickness on Au (111) and Au (100)"Electrochim.Acta. 45. 3305-3309 (2000)
• [文献書誌] Ye, S., Nihonyanagi, S.and Uosaki, K.: "pH-Dependent Water Structure at a Quartz Surface Modified with an Amino-Terminated Monolayer Studied by Sum Frequency Generation (SFG)"Chem.Lett.. 734-735 (2000)
• [文献書誌] Yu, H.Z., Ye, S., Zhang, H.L. ,Uosaki, K.and Liu, Z.F.: "Molecular Orientation and Electrochemical Stability of Azobenzene Self-Assembled Monolayers on Gold : An In-Situ FTIR Study"Langmuir. 16. 6948-6954 (2000)
• [文献書誌] Imamura, T., Funatsu, K., Ye, S., Morioka, Y., Uosaki, K, and Sasaki, Y.: "Coupling of Ground-State Molecular Vibrations to Low-Energy Electronic Transition of Ruthenium ( III, II ) Porphyrin Dimers"J.Am.Chem.Soc.. 37. 9032-9033 (2000)
• [文献書誌] Ye, S., Nihonyanagi, S., Shimazu, K.and Uosaki, K.: "Sum Frequency Generation ( SFG ) Studies on the Conformational Order of the Self-assembled Monolayers of Alkanethiols on Silver Surface"Nonlinear Optics. 24. 93-98 (2000)
• [文献書誌] Ye, S., Ichihara, T., Uosaki, K.: "Spectroscopic Studies on Electroless Deposition of Copper on a Hydrogen Terminated Si ( 111 ) Surface in Fluoride Solutions"J.Electrochem.Soc.. (印刷中).