超音速酸素分子線照射による非平衡ハフニウム吸着シリコン(111)表面界面での酸化反応

Oxidation of non-equilibrium hafnium-adsorbed silicon (111) surface/interface induced by supersonic oxygen molecule beam irradiation

垣内 拓大*; 穴井 亮太*; 佐伯 大殊*; 津田 泰孝   ; 吉越 章隆 

Kakiuchi, Takuhiro*; Anai, Ryota*; Saiki, Taiju*; Tsuda, Yasutaka; Yoshigoe, Akitaka

ハフニウム(Hf)が吸着したSi(111)-77(Hf-Si(111),約0.5原子層)の初期酸化機構を解明するため、酸素分子曝露もしくは超音速酸素分子ビーム照射後の表面界面化学状態の変化を放射光光電子分分光法で追跡した。Si2pおよびHf4f光電子スペクトル解析より、Hfモノシリサイド(HfSi)を表面に形成することが分かった。この表面に超高純度O分子(並進運動エネルギー(Et)=0.03eV)を照射したところ、ハフニウムシリケート(Hf-O-Si構造)が形成し、Hfの酸化数は最大+3価、Siの酸化数は最大+4価まで進行することが分かった。次いで、Hf-Si(111)に超音速O分子ビーム(Et=0.39eV)を照射するとHfの酸化数が最大+4価まで進行した。Si基板側のHf-Si結合が安定であることを考慮すると、Si基板の酸化にはH-Si酸化の活性化エネルギーを越える高いO分子が必要であることが分かった。

Initial oxidation mechanism of hafnium adsorbed Si(111)-77 [Hf-Si(111), the thickness of Hf:0.5 monolayer] was studied by synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy. The individual Hf atoms were associated with the back bonds of Si rest atoms or Si adatoms on Si(111)-77, and the Hf monosilicide HfSi) unit was formed on the outermost surface. Following the HfSi units immediately reacted with the thermal O molecules [translational energy (Et=0.03eV], Hf silicates (Hf-O-Si) were produced. In addition, some dissociated O atoms were inserted between the adsorbed Hf atoms. As a result, Hf sub-oxides/silicates up to 3+ states were formed. When a non-equilibrium condition was induced by irradiation of the supersonic O molecular beam of Et = 0.39 eV, the Hf4+ state was confirmed along with and the oxidation of Si bulk. This indicates that there is an activation energy to oxidize the Hf-Si bonds of the bulk side.