Si(111)-7×7構造自己組織化過程における不純物原子の影響

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09450022
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 大泊 巌 早稲田大学, 理工学部, 教授 (30063720)
• キーワード: 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

研究概要

1) 7×7再構成に及ぼす酸素の影響
酸素含有量の異なる2つのSi基板(CZ基板:酸素含有量6.4×10^<17>/cm^3、modified-FZ基板:酸素含有量7.0×10^<15>/cm^3)における7×7構造形成の速度を比較した。それぞれの基板を3つの冷却速度で急冷し、表面に形成される7×7領域の被覆率を測定した結果、酸素含有量の多い基板の方が被覆率が明らかに高い傾向が見られ、酸素が7×7構造の形成に影響を及ぼすことがわかった。
7×7再構成における0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。分子軌道計算では、0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。更に理論的考察から7×7再構成には協同的原子変位が必要であることを示し、逆に、未再構成表面の吸着原子配列はクーロン相互作用下での無秩序な動きの結果生じることをモンテカルロシミュレーションで証明した。
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、その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。本装置により、イオン照射が表面でひきおこす現象の動的素過程の解明へ道が拓けた。
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形成された。このプロセスでの銅の析出はSi(111)表面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。また、銅クラスターの成長は二次元成長を基本することを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Watanabe et al.: "Effects of fixed particles on periodic adatom arrangements on Si(111)unreconstructed surfaces" Applied Surface Science. 130/132. 6-12 (1998)
• [文献書誌] T.Ishimaru et al.: "Stepwise change in Gibbs free energy curve observed in Si(111)DAS domain growth" Applied Surface Science. 130/132. 18-22 (1998)
• [文献書誌] K.Shimada et al.: "Reactivity of O_2 with Si(111)surfaces with different surface structures" Applied Surface Science. 130/132. 170-175 (1998)
• [文献書誌] 原 謙一、大泊 巌: "シングルイオン注入と電気化学反応を用いたウェーハスケールテクノロジー" 電子情報通信学会論文誌. J81-C-2. 675-679 (1998)
• [文献書誌] T.Ishimaru et al.: "Influence of oxygen on the formation of Si(111)-7×7 domains studied by scanning tunneling microscopy" Physical Review B. 58. 9863-9866 (1998)
• [文献書誌] K.Hara and I.Ohdomari: "Morphology control of Cu clusters formed on H-Si(111)surface in solution by Si potential" Jpnease Journal of Appled Physics. 37. L1383-L1335 (1998)
• [文献書誌] K.Shimada et al.: "Consideration on the quantitativeness of reflection high energy electron diffraction intensity as a tool to monitor the coverage of the Si(111)surface by 7×7 domains" Jpnease Journal of Appled Physics. 38(in press). (1998)
• [文献書誌] K.Hara and I.Ohdomari: "Control of metal nano-structure morphology by means of applied Si potential" Applied Surface Science. (in press). (1998)