新型プローブ顕微鏡による表面「元素」像の描画

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650476
• 研究機関: 理化学研究所
• 研究代表者: 田中 義人 理化学研究所, X線干渉光学研究室, 先任研究員 (80260222)
• 研究分担者: 石井 真史 理化学研究所, 高輝度光科学研究センター・利用促進I, 副主幹研究員 (90281667)
• キーワード: 表面元素 / プローブ顕微鏡 / 静電容量 / 化学状態選択 / X線吸収スペクトル / nm構造 / 量子効果 / チャネル層

研究概要

本年度新たに開発したプローブ顕微鏡に大型放射光施設SPring-8で得られる強力なX線を導入し、半導体表面の特定元素の内殻励起と価電子状態の相互作用を、静電容量を介して観測することに成功した。本装置では、微小な探針を用いて静電容量を検出しているため、nmの空間分解能を持つ元素選択観測、すなわち表面「元素」像が得られる見込みが得られたと言える。更に、照射するX線のエネルギーを変化させることで、探針を使って表面元素のみのX線吸収スペクトル(X-ray absorption fine structure ; XAFS)が測定できることを初めて実証した。また単なるスペクトル観測のみにとどまらず、探針に加える電圧を制御することで特定の結合状態に関する情報を選択的に抽出できることを見出した。この新手法を用いれば、元素種のみならず化学状態の違いにまで踏み込んで表面顕微鏡像にコントラストがつけられることが期待される。この極微小領域の状態選択観測手法は他に例が無く、産業応用においても有益かつ新たな情報を提供できる。例えば、半導体ナノ構造内部の量子効果の分析や、実際に電子デバイス作製した場合に現在予測不可能なナノ構造表面、界面の特性への影響等を、元素の局所化学状態から掘り起こして詳細に分離解析できる。実際、具体例としてトランジスタ内部のnmオーダーの電気伝導領域(チャネル層)における局所化学情報が選択抽出できることを実験的に示し、論文に発表した。これはデバイスの要の部分のみを分析できることを意味し、これまで経験やトライ&エラーに頼っていたデバイス歩留まりの向上も、定量的に進めることができるようになる。

研究成果

• [文献書誌] Yoshihito Tanaka: "Optical-switching of X-rays using laser-induced lattice expansion"Journal of Synchrotron Radiation. 9(in press). (2002)
• [文献書誌] Masashi Ishii: "Site-specific x-ray absorption spectroscopy of electron traps by x-ray induced displacement current measurement"Physical Review B. (in press). (2002)
• [文献書誌] Masashi Ishii: "Capacitance x-ray absorption fine structure measurement using scanning probe : A new method for local structure analysis of surface defects"Physica B. (in press). (2002)
• [文献書誌] Masashi Ishii: "X-ray Absorption Fine Structure Measurement Using Scanning Capacitance Microscope : Trial for Selective Observation of Trap Centers in 〜nm Region"Japanese Journal of Appliecd Physics. (in press). (2002)
• [文献書誌] Masashi Ishii: "Capacitance XAFS method : Site-selective analysis of low dimensional structures"Journal of Synchrotron Radiation. 8. 331-333 (2001)
• [文献書誌] Masashi Ishii: "Capacitance x-ray absorption fine structure method using dopant photoionization : x-ray absorption spectroscopy of 〜nm thickness channel in semiconductor device"Japanese Journal of Applied Physics. 40・12. 7129-7134 (2001)