薄膜成長初期過程における二次元核の形状制御による薄膜の三次元構造の制御

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450256
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 弓野 健太郎 東京大学, 大学院・工学系研究科, 講師 (40251467)
• 研究分担者: 鳥海 明 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (50323530)
• キーワード: 薄膜 / 結晶成長 / 走査型トンネル顕微鏡 / 分子膜

研究概要

本研究では、原子の層間移動(原子がステップエッジを乗り越えて一つ下の原子層へ移動する過程)が薄膜成長に与える影響について調べた。ステップ方位によりステップエッジバリア(原子が層間移動する際のエネルギー障壁)が異なる可能性が最近の研究で指摘されているが、このことは二次元核の形状を制御することでステップエッジの方位をコントロールし、膜の三次元構造(表面粗さ等)を制御できることを示唆している。したがって、成長中の原子の層間移動について詳細に調べることは、膜構造の制御手法の指針を得るために非常に重要となる。
ここでは、これまで電界イオン顕微鏡(FIM)により表面拡散等の結晶成長中の素過程がよく観察されているPt(111)上のPt原子、Ir(111)上のIr原子をモデルとして、膜の表面粗さに影響する層間物質移動のシミュレーションを行った。Pt(111)やIr(111)上の二次元核の表面上ではステップエッジの内側にもエネルギー障壁が存在し、原子を核の上に閉じ込める働きをしている。シミュレーションの結果、この内側の障壁により層間移動の頻度がかなり減少することが明らかとなり、結晶成長に大きく影響していることがわかった。
また、フレキシブルディスプレイ用の薄膜トランジスタ材料として期待されているペンタセン分子の薄膜成長についても調べた。表面粗さの成膜温度依存性を調べたところ、基板温度を上げるに従って、層間移動が活発になり-50℃付近までは表面ラフネスが減少するが、これ以後は増加することがわかった。これは従来の金属、半導体では見られない現象であり、分子の場合、核生成のための活性化エネルギーがかなり大きいことが示唆される。
本研究の結果、膜構造に対する層間移動の重要性が明らかなり、始めに指摘したように二次元核の形を制御することで膜構造を制御できることが示唆される。アイランドの形を決めているのは、ステップエッジに沿った拡散(エッジ拡散)であり、今後、エッジ拡散を調べることが重要であると考えている。

研究成果

• [文献書誌] T.Komoda, Y.Endo, K.Kyuno, A.Toriumi: "Field dependent mobility of highly oriented pentacene thin-film transistors"Japanese Journal of Applied Physics. 41・4B. 2767-2769 (2002)
• [文献書誌] S.M.Oh, K.Kyuno, S.J.Koh, G.Ehrlich: "Atomic jumps in surface self-diffusion : W on W(110)"Physical Review B. 66. 233406 (2002)
• [文献書誌] S.M.Oh, S.J.Koh, K.Kyuno, G.Ehrlich: "Non-nearest-neighbor jumps in 2D diffusions : Pd on W(110)"Physical Review Letters. 88. 236102 (2002)
• [文献書誌] S.M.Oh, K.Kyuno, S.C.Wang, G.Ehrlich: "Step edge versus interior barriers to atom incorporation at lattice steps"Physical Review B. 67. 075413 (2003)