走査プローブ顕微鏡の開発と半導体表面研究への応 用

走査プローブ顕微鏡の開発と半導体表面研究への応 用

著者 北村 真一

雑誌名 静岡大学大学院電子科学研究科研究報告

巻 28

ページ 78‑81

発行年 2007‑03‑22

出版者 静岡大学大学院電子科学研究科

URL http://hdl.handle.net/10297/1174

氏名 。 (本 籍 )   ^{北    村}    真    ^― (埼 玉県 )%幻

学位 の種 類    博   ^士  (工 学

学位 記番 号    工博 甲第   272   号 学位授与の日付    平成 18年 3月 24日

学位授与の要件    学位規程第 5条 第 1項 該当 研究科 ・ 専攻の名称    電子科学研究科   電子材料科学

学位論文題目    走査 プローブ顕微鏡の開発 と半導体表面研究への応用

論 文 審 査 委 員    (委 員長

教 授 田 部 道 晴   ^助教授 村 上 健 司 教 授 立 岡 浩 一   ^{教 授} 福 田 安 生

論 文 内 容 の 要 旨

1981年 に Binnigら により開発 された走査 トンネル顕微鏡 (釘 M)は 、直接実空間の原子配列が観察 できる画期的な顕微鏡であ り、開発以来急速に普及 し、表面科学の分野に多大な貢献を与えた。 MM

は、金属探針 を試料表面の極近傍 まで近づけたときに流れる トンネル電流を検出することで原子オー ダーの分解能を得ているため、基本的には導電性試料の観察に適 している

MMの 開発か らわずか 5年 後 に開発 された原子間力顕微鏡

劇Ⅵ _)は 、探針― 試料 間に働 く原子間力 を検出するため、探針、試料 ともに導電性の必要がなく、絶縁体試料の観察 も可能である。また酬 は釘 Mに 比べ大気 中で も比較的安定動作するため、その利用範囲は格段 に広が り、摩擦 (Ⅱ M)/粘

弾性 (VE― AFM)/磁 _気 (MFM)/表 面電位 (SKPM)/静 電容量 (SCM)等 様々な情報 をも画像化で きる 顕微鏡へ発展 し、現在では釧 Mや 斑 wを 含め走査 プローブ顕微鏡 (SPM)と して多 くの研究者 に利用

されている。       li .

超高真空

「 HV)瀕 Mで は、大気中で観察で きない比較的活性な半導体表面 も比較的容易 に原子 レ ベルの観察が可能である。一方、■ ^lHV… コンタク ト AFMで は探針― 試料間の相互作用が過剰 とな り、

そのような比較的活 Lな 半導体表面の原子像観察は不可能であった。ノンコンタク ト AFM(NC― 細

は、その過剰 な相互作用 を軽減で きるが、原子像観察には至っていなかった。

そこで本研究では、半導体表面において、研究開始当初 まだ誰 もなしえなかった ^860℃ の高温下で の

HV MMに よる原子像観察、及び原子像観察可能なuHv NC― AFMの 開発 とその応用 について研 究 し、以下のことを明 らかにした。

1.Si(111)表 面における 1× 1⇔ 7× 7相 転移温度 (860℃ )付 近での釘 M観 察の結果、ステップ上段の

テラスで 7× 7構 造が原子 レベルの分解能で観察 され、ステップ下段のテラスでは周期的な構造がな

い表面が観察 された。860℃ 付近で温度 を徐々に下げたときの連続 STM観 察か らは、 ^7× 7構 造はス テップエ ッジの上段か ら同 じテラスのステップ下段 に成長 し、テラス全体 を覆 うことが分かった。ま た、 7× 7構造が支配的になって くると、そのステップエ ッジは 7× 7ユ ニツトの一辺に沿って直線的に なって くることが分か り、 3方 向のステップが取 り得ることが考えられた。直線的に揃 ったステップ エ ッジは 7× 7ユ ニ ット単位で揺 らいでいることが分か り、 7× 7構造が全面 を完全 に覆った 840℃ の表 面 においても、その現象が確認 された。

2.一 定加振方式の剛 検出を用いたUHV NC― 測翻 ^[を 開発 し、既 に STMで 原子像観察 されている ^Si (111)7× 7構造、 Si(100)2× 1構 造の観察、及び田 Mで は観察不可能なサファイアとポリプロピレンの 結晶表面の観察を行 った。その結果、Si表面の観察では釘 Mと 同様な構造力ヽ ^C― AFMで 観察 された。

Si(100)2× 1構 造ではダイマーの個々の原子 まで分離で きてお り、 MM以 上の分解能が得 られた。サ ファイア (1000)表 面 において原子像観察 までには至 らなかったが ^3マ 3× 3マ 3構造 とマ 31× マ31構 造 と いつた長周期構造が観察でき、ポリプロピレンフィルムにおいてはポリプロピレンの分子鎖が明瞭に 観察で きた。このように、 ^lTHV NC‐ AFMで はЛ Mと 同等か、それ以上の高分解能観察が可能である

ことが分かった。

3.Si(111)7× 7構 造、 Si(100)2× 1構 造、及び酸素 を吸着 させた ^Si(111)7× 7構 造 において釘 M像 と

NC― AFM像 との比較 を行 った。瀕 M観 察では試料バイアス電圧の極性 によって も画像が異なるよう に、幾何学的な表面形状以外の情報が含 まれた画像 となる。一方、 NC― AFMで は静電気力の影響 を無 視すれば、幾何学的な表面形状 をより正確 に反映 しているもの と考 えられ、 Si(100)2× 1表 面のよう

なより平坦な表面 においては瀕 M以 上の水平方向の分解能が得 られるため、 より正確 な表面構造 を 解析できる可能性が示 された。また酸素を吸着 させた表面においても瀕 Mと NC― 赳刊 [を 比較 しなが ら 表面形状 を解析することで、正確 な表面形状が把握できるだけでな く、吸着状態 も予測できる可能性

を示す ことがで きた。

4.原 子像観察可能なUHV NC― AFMと 同様 に、比較的硬いカンチ レバーを用いて静電気力の勾配を

Iバ

  検出する方式の LrHV SKPMを 開発 した。 Ag及 び Auを _{蒸着 した} Si(111)7× 7表面の表面電位観察では、

10meV程 度の電位分解能で原子 レベルの電位分布 を観察することがで きた。原子 レベルの電位分布は 表面の局所電子密度を反映 していると解釈することで説明でき、一般的な仕事関数 との比較 とは必ず しも一致 しないことがわかった。一方、一般的な仕事関数 との関係 は CPD像 のバ ックグラン ドの値が それを反映 してお り、同 じ p型 の基板 において Auの 被覆率が大 きい程仕事関数が大 きく、また同 じ 被覆率ならば n型 より p型 の方が仕事関数が大 きい という結果が得 られ、一般的に考 えられる仕事 関数の大小関係 と一致 した結果であつた。

高温下で起 こる化学的・物理的な現象や年々微細化するデバイス開発 に欠かすことのできない薄膜 成長のメカニズムを解明するためには、その場観察による原子スケールの構造解析が非常 に重要な役 割を果たす。また、より実用的な試料 には必ず絶縁体が含 まれるようにな り、このような試料 に対 し て も原子スケールでの構造解析が必要 となる。従 って、本研究で800℃ を越 える高温下での原子ス ケールでの構造解析が可能であ り、又、絶縁体 に対 して も■ ^rHv NC― 赳 Mに より瀕 Mと 同様 な原子ス

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ケールでの構造解析が可能であることを立証できたことは、非常に大きな成果であ り、高温瀕 Mは

現在では温度可変 SPMと して多 くの研究者力滞 J用 している。

論 文 審 査 結 要   旨

Binnigら による走査 トンネル顕微鏡 (瀕 M:Scanning Tumeling Microscope)の 開発 は原子 1個 を視 覚化出来ることで画期的であつた。又、原子間力顕微鏡 (AFM:Atomic Force Microscope)の 開発は絶 縁物表面の原子像が観察可能な装置 として脚光を浴びた。 しか し、前者では高温 における観察は不可 能であった。後者では非接触で超高真空での明瞭な原子像の観察には成功 していなかった。本研究で はこれらの問題 を解決するために装置の改良・開発 を行い、半導体などの表面研究に応用 した。以下 に本論文 について述べ る。

第 1章 に SIM,劇 Mの 歴史について、第 2章 に開発 した STM,AFM装 置 について述べている。第 3章 ではSi(111)表面 を高温 (840‑880℃ )で 観察 した結果 を述べている。 Si(111)表 面 における 1× 1→ 7

×7相転移 (860℃ )に おいて温度減少 に伴い 7× 7構造はステップエ ッジの上段から同 じテラスのステッ プ下段 に成長する。 7× 7構造が支配的になると、そのステップエ ッジは 7× 7ユ ニ ッ トの一辺 に沿って 揃い、ステ ップエ ッジは 7× 7ユ ニ ッ ト単位で揺 らいでいることが分かつた。第 4章 では開発 した非 接触 鰊C)超 高真空越 Mを 用いた観察結果を述べている。 Si(100)2× 1構 造 におけるSiダ イマーの個々 の原子 まで観察することが出来た。サファイア (1000)に おいては 3で 3× 3で 3と で 31× マ31長周期構造、

ポリプロピレンフィルムではポリプロピレンの分子鎖が明瞭に観察で きた。第 5章 では瀕 M像 と NC―

AFM像 を比較 し、以下の結果を得た。 STMfaよ り非接触赳硼像 の方が幾何学的な表面形状 を反映 し てお り、より正確 な表面構造が解析できる可能性が示 された。また酸素を吸着させた表面では、吸着 状態 も予測で きることを示す ことがで きた。第 6章 では静電気力の勾配を用いた超高真空走査ケル ビンプローブ顕微鏡 (SKPM:Scanning Kelvin Probe Microscope)に よる Ag及 び Auを 蒸着 した Si(111) 7× 7の 表面電位観察を行い、以下の結果を得た。即ち、 ^10血 ガ程度の電位分解能で原子 レベルの電位 分布を観察することがで きた。原子 レベルの電位分布 は表面の局所電子密度 を反映 し、その画像の バ ックグラン ドの値が仕事関数を反映 していると考えられた。第 7章 では本研究で得 られた結果が

まとめ られている。         ^・

以上の研究は従来の MM,NWの 限界 を突破するものであ り、表面工学の分野 において多大な貢 献 をした。従 つて、本論文は博士 (工 学 )を 授与するに充分であると認める。

︲ の 果 ︲

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