N„ N„ N3: 2-d nucleation density 1 st nucleation
(a) N,
Atomic layer step
All adsorbed molecules are grown as 2-d nucleation.
Many atomic layer steps are made by nucleation.
= 1/(7X2)
の こ とか ら,(001)基 板 に お け る 核 発 生 密 度 と表 面 拡 散 距 離 の 相 関 関係 は 実 験 的 か っ 理 論 的 に も証 明 で きた が,そ の核 発 生 密 度 を 定 量 的 に 予 測 す る こ とが 困難 で あ る こ と が明 らか とな っ た.
(4)(lll)基 板 に お け る ス テ ッ プ バ ン チ ン グ 機 構 と 表 面 拡 散 距 離 の 関 係 の 場 合
ス テ ッ プ フ ロ ー 成 長 で は,テ ラ ス に 飛 来 し た 分 子 が 原 子 層 ス テ ッ プ ま で 表 面 拡 散 し て,同 ス テ ッ プ で 捕 捉 さ れ な け れ ば な ら な い.図3.26(a)に 示 す よ う な 原 子 層 ス テ ッ プSに 対 し て,ス テ ッ プ 上 段 お よ び 下 最 の テ ラ ス か ら そ れ ぞ れ 付 着 分 子M 。pおよ び M、̲が 入 射 す る 状 況 を 仮 定 す る.シ ュ ウ ェ ー ヴ ェ ル 効 果 が ほ と ん ど 無 視 で き る と す れ ば,両 分 子 が 捕 捉 位 置Mstepに 遷 移 す る た め の 障 壁 エ ネ ル ギ が 同 様 と な る.こ れ ら の 条 件 の も と で は,ス テ ッ プ フ ロ ー 成 長 が 保 持 さ れ る た め に は,図3.26(b)に 示 す よ う に, 以 下 の 条 件 式(3.6)を 満 た さ な け れ ば な ら な いs3).
L≦2λ (3.6)
した が っ て,創 成 さ れ る ス テ ソ プ 列 に お け る テ ラ ス の 最 大 長 さ は,付 着 分 子 の 表 面 拡 散 距 離 に 依 存 す る と 考 え ら れ る.図3.24に 示 し た よ う に 付 着 分 子 の 表 面 拡 散 距 離 は, 基 板 温 度 が 高 い ほ ど 長 く,そ し て 分 子 線 入 射 量 が 高 い ほ ど 短 い.こ れ ら の 相 関 関 係 は 表 面 拡 散 距 離 を 創 成 さ れ た ス テ ッ プ 列 の テ ラ ス 長 さ に 置 き 換 え て も 成 立 す る 。 し た が っ て,上 述 で 定 義 し た ス テ ッ プ フ ロ ー 成 長 の 成 立 条 件 が,創 成 さ れ る ス テ ッ プ 長 さ
に 影 響 を 及 ぼ し て い る こ と が 証 明 さ れ た.
し か し,図3.26で 示 し た モ デ ル は 原 子 層 ス テ ッ プ を 対 象 と し て い る の 対 し て,実 際 に 創 成 さ れ て い る ス テ ッ プ は 原 子 層 ス テ ッ プ が バ ン チ ン グ さ れ た 形 状 で あ る.そ こ で, 以 下 で は ス テ ッ プ バ ン チ ン グ を 考 慮 し て,表 面 拡 散 距 離 と 創 成 さ れ る ス テ ッ ア 列 の 相 関 関 係 を 考 察 す る,
は じ め に を 図3.27に 示 す よ う な ス テ ッ プ バ ン チ ン グ の 初 期 段 階 を 仮 定 す る.前 述 の よ う に,ス テ ッ プ バ ン チ ン グ は 特 定 の 原 子 層 ス テ ッ プ の 成 長 速 度 が 相 対 的 に 速 く(遅 く)な る こ と で,下 駿(上 段)の 原 子 層 ス テ ッ プ と 重 ね ら れ る こ と で あ る.特 定 の ス テ ッ プS… の 成 長 が 促 進 さ れ,ス テ ッ プ 上 段 側 の テ ラ ス 長 さ が2λ を 超 え た と す る
((a)).そ の 結 果,S。‑Sn.1で 囲 ま れ た テ ラ ス で は,(1)式 が 満 た さ れ な い た め,ス テ ッ プ に 到 達 で き な い 付 着 分 子 が2次 元 核 を 形 成 す る((b)).2次 元 核 の 周 囲 に は ス テ ッ プS、お よ びS、.1が 新 た に 形 成 さ れ て,テ ラ ス 長 さ を 調 節 す る.こ れ ら の 過 程 はS,‑
S、間 の テ ラ ス が 埋 め ら れ る ま で の 一 時 的 な ス テ ッ プ 再 編 成 で あ り,S,後 方 のS, ,1な どが 成 長 し て ス テ ッ プ 列 全 体 が 再 編 成 さ れ な が ら,ス テ ッ プ バ ン チ ン グ が 進 行 す る と 考 え ら れ る.図3.28(a)は 原 子 層 ス テ ッ プS. .2〜S。お よ びS。.、〜S。‑aが バ ン チ ン グ さ れ た 形 状 で あ り,こ れ ら の テ ラ ス 長 さLI〜L、 は(1)式 を 満 た し て い る.し か し,図3.28(b)の よ う にSn ‑,〜S。が デ バ ン チ ン グ さ れ て ス テ ッ プS,が 前 進 し て も(1)式 が 満 た さ れ て い る.
す な わ ち,個 々 の テ ラ ス 長 さ が2λ 以 下 で あ れ ば,バ ン チ ン グ さ れ た ス テ ッ プ 形 状 は
Mup
step""down j~
/7/,i////.'/~--- Atomic layer step/;////,/.%/,/
(a) Molecule position Z Terrace length
v~x Lc2X, Step height /2/
;Sn//'~,i ,.
Sn+l
(b) Condition to keep step-flow growth
Fig. 3.26 Necessary condition for step-flow growth
LA,
Fig. 3.27
L>2k
//S ////////////'~---'/i/
Sn-1
(a) Too longer terrace for step-flow growth
LB, Lc c 2XSk, Sk±l : Newly formed steps LA Nucleation
re___><---B > < Lc rm
//,n1/"n/////SkSk// /1S ,1
(b) Adjusted terrace length by nucleation
Self-adjustment of terrace length in step-flow growth
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様 ・々な 形 態 を とる こ とが 可 能 で あ る.し た が って,ス テ ップバ ン チ ン グに よ っ て創 成 され る ス テ ップ 列 は,表 面 拡 散 距 離 λす な わ ち付 着 分 子 が 表 面 拡 散 可 能 な 最 長 距 離 に 基 づ い た形 状 とな るが,基 本 的 に 不 安 定 な 形 状 で あ る と考 え られ る.こ の こ とが,ス テ ップ 側 面 に特 定 の 低 指 数 面 の フ ァセ ッ ト形 成 が 生 じな か っ た原 因 で あ る と考 え られ る.
図3.20お よび3.21に 示 したAFMの 観 察 結 果 に よれ ば,実 際 に創 成 され た テ ラ ス の ほ とん どが2λ 以 上 で あ る.ま た,そ れ らの テ ラス と基 板 の 水 平 面 が な す 角 度 は,基 板 の 面 方 位 ず れ の 角 度 よ り も浅 か っ た.し た が っ て,AFMで 観 察 され た テ ラ ス は 単 独 で は な く,単 原 子 層 ス テ ッブ で 隔 て られ た 複 数 のテ ラ スが 連 な っ た 形 状 で あ った と考 え られ る.こ の こ とか ら,(111)基 板 上 に創 成 され た ス テ ップ形 状 は,図3 .28(c)に 示 す よ うな 形 状 で あ る と推 測 で き る.す な わ ち,原 子 層 ス テ ップ の テ ラ ス が 重 な っ て い
る面 積 が 小 さい 領 域(A‑B)と 大 き な領 域(C‑D)が 存 在 し,前 者 が テ ラ ス 部,後 者 が ス テ ップ 側 面,そ して 両 者 の境 界 部 が ステ ップ 端 と して それ ぞ れ 観 察 され た もの
と考 え られ る.A‑B間 を 構 成 して い る個 々 の テ ラ ス の 長 さが,付 着 分 子 の 表 面 拡 散 距 離 に 基 づ い て い る た め に,結 果 的 に観 察 上 の テ ラ ス長 さす な わ ちA‑B間 も表 面 拡 散 距 離 に 依 存 して い た と考 え られ る.た だ しTス テ ップ バ ン チ ン グ は表 面 自 由エ ネ ル ギ を よ り低 くす る た め と考 え られ るの で,ス テ ップ 同 士 の 重 な りが 小 さ いA‑B問 で は,単 位 長 さ あ た りの ス テ ップ密 度 を よ り低 くす る よ うに ス テ ップ 列 の 再 編 成 が 進 行 して い る と 考 え られ る.こ の こ とが,付 着 分 子 の 表 面 拡 散 距 離 が 異 な る条 件 の も とで は,創 成 され た ス テ ップ列 の テ ラ ス長 さが 等 し く な らな い 理 由 で あ る と考 え られ る.
以 上 の こ とか ら,単 原 子 層 ス テ ップ お よび バ ンチ ン グ され た ス テ ッフ の い ず れ の場 合 にお い て も,付 着 分 子 の 表 面 拡 散 距 離 が長 い ほ どテ ラス が長 く な り,か つ ス テ ソア
も高 くな る こ とを 明 らか に で きた.
3.6結 言
基 板 温 度 と分 子 線 入 射 量 を付 着 分 子 の エ ネ ル ギ ー と密 度 に そ れ ぞ れ 相 当す る物 理 量 と して 考 え,そ れ らを パ ラ メー タ と した実 験 を行 う こ とに よ り,基 板 温 度 と分 子 線 入 射 量 が 面 創 成 機 構 に及 ぼ す 影 響 を 明 らか に し,エ ピ タ キ シ ャル 成 長 機 構 を 実 験 的 に 体 系化 した.
仮 説 に よれ ば,基 板 温度 す な わ ち付 着 分 子 の エ ネ ル ギー が 高 く,か つ 分 子 線 入 射 量 す な わ ち付 着 分 子 密 度 が低 い ほ ど,成 長 面 は 結 晶 性 が 良 好 で,か つ 幾 何 学 的 に も平 滑 な面 が創 成 され る と考 え られ る.し か し,実 験 に よれ ば 付 着 分 子 の エ ネ ル ギー が 高 い ほ ど,成 長 面 の結 晶 性 は 良好 とな るが,幾 何 学 的 に は 荒 れ て しま う こ とが 明 らか と な っ た.ま た,付 着 分 子 の密 度 は成 長 面 の 結 晶性 に ほ とん ど影 響 を 及 ぼ さな い が,基 板 温 度800℃ で は付 着 分 子 密 度 が 高 い ほ ど成 長 面 は 平 坦 とな っ て い た.し た が っ て,
実 験 結 果 よ り,幾 何 形 状 に 関 して は,仮 説 が 成 立 し な い こ と が 明 らか と な っ た.
エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 の 表 面形 状 の観 察 か ら,(001)基 板 は3次 元 核 成 長 で あ り, (IIl)基 板 で は ス テ ップ フ ロー 成 長 で あ る と推 定 で きた 。 これ らの 成 長 モ ー ドの も と
で,付 着 分 子 の エ ネ ル ギ ー と密 度 は,3次 元 核 成 長 に お け る核 の 発 生 密 度 な らび に ス テ ップ フ ロ ー 成 長 にお け るバ ンチ ン グ され る ス テ ップ 数 に影 響 を及 ぼ す こ とを 明 らか
Sn_, — Sn, S„,,—S„,,: Bunched step L„ L2, L3, L4 c 2X
L -, Lo
);r:.L, ~1>i-L,
/L-L4
// /s// P-i ///////////is
Sn r, Sn ; sn-4 (a) Terrace length for bunched steps
---
<Lo>---LL,
y/4,7--->i L
n-2~// /7's///'//'IT
At 4
//S1 Debunching//Snl,,
ssn'Sn~a n 2
(b) Terrace length for debunched steps
— True surface
--- Observed surface by AFM
Observed step edge Lower step-density
Atomic layer step
Higher step-density
i/44-„, / / / / //
Eitaxiall/~~
Epitaxiallygrown layer
(c) Proposed model of "Macro-steps" composed by bunched atomic layer step
Fig. 3.28 Proposed model of step-bunching
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に で き た ・ ま た,そ の 関 係 が付 着 分 子 の表 面 拡 散 距 離 に 起 因 して い る こ とが 明 らか と な っ た.
以 上 の こ と か ら,エ ピタ キ シ ャル 成 長 機構 が 面 の創 成 とい う加 工 目的 に 及 ぼ す 影 響 につ い て,そ の 基 礎 を 明 らか にす る こ とが で き た