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Synchrotron radiation photoemission spectroscopic study on the room temperature oxidation of Si(001); H formed by hyperthermal atomic/molecular beams

超熱原子/分子ビームにより形成されたSi(001); H室温酸化膜のシンクロトロン放射光光電子分光研究

田川 雅人*; 横田 久美子*; 吉越 章隆 ; 寺岡 有殿

Tagawa, Masahito*; Yokota, Kumiko*; Yoshigoe, Akitaka; Teraoka, Yuden

レーザーデトネーションによるビーム法では大きな強度,超熱エネルギー,広がったパルス原子/分子ビームを生成することができる。並進運動エネルギーは1-10eV程度であるので物理スパッタリングを起こさないで表面化学反応を誘起できる。そのため、超熱エネルギーの原子状ビームは表面改質の際にプロセス温度を下げるのに有効である。本研究では室温でSi(001):H表面を酸素原子ビームにさらし、形成された表面酸化膜をSPring-8のBL23SUで放射光光電子分光法によって分析した。その結果、超熱酸素原子ビームによって形成された酸化膜には以下の特徴があることが明らかになった。(1)通常の高温酸化で形成した膜に比べて超熱酸素原子で形成した膜はサブオキサイドをあまり含まない。(2)サブオキサイドの分布も異なる;すなわち、Si/SiO$$_{2}$$界面よりは表面に存在する。それは格子間シリコン原子の逆拡散で説明できる。(3)入射エネルギーは直接的な酸化反応に影響を与える。(4)窒化シリコンも超熱N/N$$_{2}$$ビームで形成できる。

A laser detonation atomic beam method forms intense, hyperthermal, pulsed broad atomic/molecular beams. Translational energy of impinging atoms ranging 1-10eV can promote surface chemical reactions without activating physical sputtering. Therefore, atomic beams with hyperthermal energies are effective for lowering a process temperature of surface modification. In this study, an Si(001):H surface was exposed to hyperthermal O-atom beam at room temperature and the surface oxide film formed was analyzed by synchrotron radiation photoemission spectroscopy at BL23SU in SPring-8. It was made clear that the oxide film formed by a hyperthermal O-atom beam exhibited some unique features. (1)The atomic beam oxide film contains less amount of suboxides compared with conventional high-temperature oxidation. (2)A distribution of suboxide is different from high-temperature oxidation; i.e., suboxides concentrated at SiO$$_{2}$$ surface rather than Si/SiO$$_{2}$$ interface. The suboxide distribution can be explained by the back diffusion of interstitial Si atom. (3)An impinging energy affects the direct oxidation reaction. (4)Silicon nitride can also be formed by hyperthermal N/N$$_{2}$$ beam.

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