半導体表面におけるナノ構造の緩和過程

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450021
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 一宮 彪彦 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00023292)
• 研究分担者: 中原 仁 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助手 (20293649) ; 秋本 晃一 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (40262852)
• キーワード: シリコン / ナノ構造 / ステップダイナミクス / 走査トンネル顕微鏡 / シリコン表面

研究概要

本研究では昨年度まで温度可変走査トンネル顕微鏡(VT-STM)の探針を用いてSi(111)およびSi(001)裏面にナノメートルサイズのシリコンピラミッドを形成し、その緩和課程から表面におけるステップへの付着・脱離課程とナノ構造の安定性を調べた。またSi(111)表面上に形成されたシリコン・ナノピラミッドにシリコン原子を蒸着する事によるピラミッドの形状の変化を詳細に調べた。本年度はSi(111)表面上に形成されたシリコン・ナノピラミッドへのシリコン蒸着速度を変化させてピラミッド形成および成長過程を詳細に調べた。
Si(111)表面上に形成されるナノピラミッドは通常、崩壊とともに緩和する。これらのピラミッドにシリコン原子を蒸着すると、蒸着中においても崩壊するであろうという当初の予測に反して、ピラミッドは成長することを本研究で初めて明かした。本実験では基板温度400℃から500℃の範囲において、シリコンを毎分0.2から0.05原子層の速度で蒸着しながら、VT-STMにおいてその場観察した。シリコンピラミッドの崩壊過程での結果ではピラミッドの{311}および{221}ファセットは崩壊とともに{221}ファセットが優勢になるのに対し、成長では蒸着速度によらず、初期の段階で{221}ファセットが消失し、{311}ファセットのみが残るとともに、{311}ファセットは{1255}ファセットに変化した。このことはシリコン表面において、{221}ファセットは成長速度が大きいことを示している。また{311}ファセットの比べて{1255}ファセットは成長条件ではエネルギー的に低い状態にある事を示した。
これらのピラミッドへのシリコン蒸着では蒸着速度が毎分0.2原子層では、はじめ頂上の数層が崩壊するが、その後各層は成長を始める事を見出した。成長においては下層の原子層は成長をはじめるのに対し、上層の原子層は、下層の原子層がある臨界高さまで成長した後に成長をはじめることを明らかにした。これに対して、蒸着速度が毎分0.05原子層ではピラミッドは全体に一様に成長した。この成長過程について、ステップにおける原子の付着脱離過程によって説明した。

研究成果

• [文献書誌] Hata A, Akimoto K, Hori S, Emoto T, Ichimiya A, Tajiri H, Takahashi T, Suguiyama H, Zhang X: "Crystal orientation of silver films on silicon surfaces revealed by surface X-ray diffraction"SURF REV LETT. 10(2-3). 431-434 (2003)
• [文献書誌] Nakahara H, Suzuki H, Miyata S, Ichimiya A: "Ga-induccd nano-facet formation on Si(11n) surfaces"APPLE SURF SCI. 212. 334-338 (2003)
• [文献書誌] Aoyama T, Akimoto K, Ichimiya A, Hisada Y, Mukainakano S, Emoto T, Tajiri H, Sugiyama H, Zhang X, Kawata H: "Structural study of SiC(0001)3 x 3 surface by surface X-ray diffraction"APPLE SURF SCI. 216(1-4). 356-360 (2003)
• [文献書誌] Toyoshima S, Kawamura T, Nishida S, Ichimiya A: "Surface diffusion during decay of 2-dimensional island on Si(100)"JPN J APPL PHYS 2. 42(9AB). 1087-1089 (2003)