Chemical-state-selective observations on Si-SiO at nanometer scale by photoelectron emission microscopy combined with synchrotron radiation

放射光と組合せた光電子顕微鏡によるシリコン化合物の化学結合状態を選別したナノスケール観察

馬場 祐治  ; 関口 哲弘  ; 下山 巖   ; 本田 充紀   ; 平尾 法恵*; Deng, J.; 成田 あゆみ

Baba, Yuji; Sekiguchi, Tetsuhiro; Shimoyama, Iwao; Honda, Mitsunori; Hirao, Norie*; Deng, J.; Narita, Ayumi

放射光軟X線と光電子顕微鏡を組合せることにより、ナノメートルスケールの化学結合状態分布を観察するための装置を開発し、シリコン化合物に応用した。試料には、7.5ミクロン周期のパターンを持つシリコン酸化物,シリコン窒化物,有機シリコン化合物を用いた。Si K-吸収端付近で放射光のエネルギーを掃引することにより、化学結合状態(シリコンの原子価状態)に依存した画像をナノメートルスケールで観察することに成功した。また、SiとSiOが交互に並んだマイクロパターン試料について、加熱による化学結合状態変化を観察した。その結果、700Cから酸素原子の横方向の拡散が始まることがわかった。拡散の途中でSiとSiO界面の化学結合状態を詳細に観察したところ、界面にSiOなどの中間の原子価状態は存在せず、酸素の拡散はSi原子が一気に4個の酸素原子と配位することにより起こることがわかった。発表では固体表面上に作成した有機シリコン化合物(シリコンフタロシアニン塩化物)の化学結合状態観察と加熱による横方向の拡散についても報告する。

Chemical-state-selective mapping of micro-patterns for silicon compounds has been demonstrated using photoelectron emission microscopy excited by soft X-rays from synchrotron light source. The samples investigated were micro-patterns of silicon oxides, silicon nitrides, and organic silicon compounds. By scanning the X-ray energy around the Si -edge, we succeeded in observing the sub-micron images depending on the valence states. When we annealed the sample, the lateral diffusion was observed from 700C. During the annealing, however, no intermediate valence states were observed at the Si-SiO interfaces. It was elucidated that the diffusion of oxygen induced the sudden changes of the Si valence states from Si to Si without any intermediate valence states. The results for the chemical-state-selective mappings and lateral diffusions are also presented for organic silicon compounds.