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分子線により誘起されるAlN薄膜形成過程の表面温度依存性寺岡 有殿; 神農 宗徹*; 高岡 毅*; Harries, J.; 岡田 隆太; 岩井 優太郎*; 吉越 章隆; 米田 忠弘*
電気学会論文誌,C, 134(4), p.524 - 525, 2014/04
Surface temperature dependence on the translational energy induced nitridation of Al(111) has been investigated by using synchrotron radiation photoemission spectroscopy. Incubation time for N1s photoemission onset was found to be longer at lower temperatures than 473 K, indicating precursor formation followed by proper nitridation. The major product is the three-fold N atom. The minor four-fold one decreased at higher temperatures. Three step reaction mechanisms, that is, translational energy induced nitridation, precursor formation, and proper nitridation of the precursor states, were presented.
molecular beam as observed by synchrotron radiation photoemission spectroscopy寺岡 有殿; 神農 宗徹*; Harries, J.; 吉越 章隆
Journal of Physics; Conference Series, 417, p.012031_1 - 012031_7, 2013/03
被引用回数：1 パーセンタイル：38.99Aluminum can not react with N gas around 473 K, we found the direct nitridation of Al(111) surface at 473 K by using supersonic N molecular beam. We analyzed the thin film by using synchrotron radiation photoemission spectroscopy. At the surface temperature of 473 K, clear uptake of N-1s spectrum was observed depending on the N dose at the incident N energy of 2.0 eV. The N1s photoemission intensity increased almost linearly with increasing N dose. When surface temperature was 373 K, clear uptake of N1s spectrum was also observed at the incident N energy of 2.0 eV. In the case of surface temperature of 300 K, the N-1s photoemission peak was not observed until the N dose of 1.0
10
molecules/cm
. Such large temperature dependence may be attributed to the N atom diffusion into bulk aluminum from the topmost surface because N atoms were observed even in a depth of 1 nm by angle resolved photoemission measurements.
寺岡 有殿; 井上 敬介*; 神農 宗徹*; Harries, J.; 岡田 隆太; 岩井 優太郎*; 高岡 毅*; 吉越 章隆; 米田 忠弘*
第56回日本学術会議材料工学連合講演会講演論文集, p.360 - 361, 2012/10
産業上重要な金属表面に超音速酸素・窒素分子線を照射して、反応分子の運動エネルギーの作用で極薄酸化膜・窒化膜を形成する化学反応過程を、高輝度・高分解能放射光光電子分光でその場観察した。触媒として重要なNi(111)表面の酸化の場合には、酸素分子の運動エネルギーを2.3eVまで上げることで活性化吸着が促進され、NiOの生成効率が高くなることが見いだされた。また、紫外発光ダイオードや圧電材として重要なAlN薄膜に関しては、窒素分子の運動エネルギーを2eVにすることでAl(111)表面を窒化することができることを見いだした。この反応では表面温度が高いほど表面に窒素が検出されるまでに要する待機時間が短くなる。このことは窒素分子の単純な活性化吸着でも物理吸着状態を経由した解離吸着でもないことを意味している。わずかに吸着した窒素の拡散で形成される前駆体が再び窒化される二段階反応機構を提案する。
寺岡 有殿; 井上 敬介*; 神農 宗徹*; Harries, J.; 吉越 章隆
第55回日本学術会議材料工学連合講演会講演論文集, p.236 - 237, 2011/10
原子力機構では、超音速分子線と高輝度・高分解能放射光を同時に試料表面に照射して、リアルタイムで表面をその場光電子分光観察する装置を開発し、SPring-8の専用軟X線ビームライン:BL23SUに設置した。質量分析器も併用すれば、表面の化学結合状態の変化と反応生成物の脱離収率を同時にモニタすることもできる。入射分子の運動エネルギーを反応制御パラメータとして、表面反応のダイナミクスにまで立ち入った反応機構の解明が期待できる。Si酸化では、900K以上の温度でO分子線と反応するSi(001)表面を光電子分光観察すると同時に、脱離するSiO分子の収率をモニタすることで、酸化膜形成とエッチングが同時に起こる一見奇妙な表面反応の機構を解明した。アルミニウムはNガスと反応しないが、N分子の運動エネルギーを2eVにまで高めたところ、表面温度が473Kで1nm程度の窒化膜が形成されることを見いだした。Ni酸化では酸素吸着曲線に見られるプラトーがO分子の運動エネルギーに大きく依存して消失することを見いだした。他にTi, Ru, Cuの酸化においてもO分子の運動エネルギー効果が見いだされた。
の有効減衰長(EAL)と非弾性平均自由行程(IMFP)計算値の比較井上 敬介*; 寺岡 有殿; 神農 宗徹
no journal, ,
有効減衰長EALは、X線光電子分光(XPS)を用いて薄膜の膜厚を求めるときに必須のパラメーターである。EALは実験的に求められていないことが多く、非弾性平均自由行程(IMFP)の計算値が代用される。今回SiOのEALを放射光エネルギー480-800eVの範囲で放射光光電子分光(SR-XPS)を用い測定した。実測したEALの値はIMFP計算値とは異なる値となった。
中の実測有効減衰長と非弾性平均自由行程計算値の比較井上 敬介*; 神農 宗徹; 寺岡 有殿
no journal, ,
本研究ではSiO中の光電子の実測有効減衰長と非弾性平均自由行程計算値の比較を行った。試料としてSiO極薄膜付きのSi(001)基板を使用した。放射光のエネルギーを400
1700eVとし、Si 2pの光電子スペクトルを測定して、有効減衰長のエネルギー依存性を調べた。有効減衰長にはSiO膜厚依存性はなく、SiO膜の膜質は一定であった。サブオキサイド(Si
, Si
, Si
)をバルク(Si基板)側に含めるか、無視するか、SiO膜に含めるかにより有効減衰長に差が生じた。サブオキサイドをバルク側に含めるときTPP-2MというIMFPの計算値と最も近い値となった。
中の光電子の見かけの有効減衰長測定とその問題点神農 宗徹*; 井上 敬介*; 寺岡 有殿
no journal, ,
軟X線放射光光電子分光法を用いて薄膜の膜厚測定が可能である。膜厚計算時、有効減衰長の値が必要になるが、それは実験的に求められておらず、非弾性平均自由行程の理論値で代用されることが多い。本研究では、放射光エネルギーの範囲を400-1700eVとし、Si(001)基板上に急速熱酸化法(RTO)によってSiO極薄膜を作製したものを使い、膜厚既知のものから見かけの有効減衰長を測定し、見かけの有効減衰長とIMFPの理論値の比較を行った。放射光では、Si(001)基板由来の成分、酸化膜由来の成分の他に完全に酸化していないサブオキサイド成分が観測できる。本研究では、サブオキサイドをSi(001)基板として考える場合、無視する場合、酸化膜として考える場合に分けて有効減衰長を評価した。サブオキサイドは表面近傍の酸化膜とバルクのSi(001)基板の界面付近に局在するので、本来は放射光エネルギーが高いときほど相対的にサブオキサイドの影響は小さくなるが、結果は逆の傾向を示した。これは、バルク内にある格子欠陥や不純物などの化学シフトが偶然にサブオキサイドのピークと重なり、サブオキサイドを過剰に評価しているからではないかと考えられる。
運動エネルギー誘起Al(111)窒化におけるインキュベーション時間の表面温度依存性神農 宗徹*; 寺岡 有殿; 高岡 毅*; Harries, J.; 吉越 章隆; 米田 忠弘*
no journal, ,
アルミニウムはNガスとは直接反応しない。しかし、Al(111)面では基板温度473Kのとき、超音速N分子線を用いると並進運動エネルギーが1.8eVをしきい値として直接窒化反応が起こることがわかっている。本研究では、超音速N分子線の並進運動エネルギーを2eVとして300Kから473Kの範囲で窒素吸着曲線の表面温度依存性を調べた。表面温度が300Kでは、N分子を1.010 molecule/cm供給してようやくN 1s光電子スペクトルを痕跡程度確認できた。373k, 473kではそれぞれ6.410
molecules/cm, 1.810
molecules/cm供給して窒化が確認できた。このような窒化の表面温度の依存性と膜の深さ分析から吸着前駆体の形成が考えられ、インキュベーション時間はその前駆体の形成にかかる時間であると推測している。
神農 宗徹*; 寺岡 有殿; 高岡 毅*; Harries, J.; 吉越 章隆; 米田 忠弘*
no journal, ,
Alminium does not react with N gas, but we found the direct nitridation of Al(111) at 473 K by using supersonic N molecular beam. We analyzed the thin film by using synchrotron radiation photoemission spectroscopy. Photoemission measurements were conducted keeping surface temperature at 473 K, 373 K and 300 K. In the case of surface temperature at 300 K, the N1s photoemission peak was not observed until the N dose of 1.010 molecules/cm. In the case of surface temperature at 473 K and 373 K, the N1s photoemission peak could be observed after the N dose of 1.810 molecules/cm and 2.410 molecules/cm, respectively. These results and depth profiling mean that the formation of adsorption precursors and controls the incubation time.
observed by synchrotron radiation photoemission spectroscopy神農 宗徹*; 井上 敬介*; 寺岡 有殿
no journal, ,
The thickness of ultra thin film on a substrate can be measured by synchrotron radiation (SR) XPS. Effective attenuation length (EAL) corresponding to the SR energy is necessary to calculate the film thickness. The SR energy dependence of EAL was obtained for SiO films. The SR energy range was from 400 eV to 1700 eV. SiO thin films, produced by a rapid thermal oxidation method on the Si(001) substrate, were prepared. The maximum thickness was measured as 3.57 nm by ellipsometry. Si2p photoemission spectra were measured and deconvoluted. Si suboxides were included into calculations as three patterns in this study; (1) included into an silicon dioxide, (2) neglected, (3) included into an silicon bulk. Si suboxides are overestimated in high energy side. This is due to contribution of defects and impurities in the bulk overlapping on the chemical shifts of Si suboixides.
運動エネルギー誘起Al(111)窒化におけるインキュベーション時間の623K以下での表面温度依存性神農 宗徹*; 寺岡 有殿; 高岡 毅*; 吉越 章隆; 米田 忠弘*
no journal, ,
473KのAl(111)表面に超音速N分子線を照射すると並進運動エネルギー1.8eVをしきい値として直接窒化反応が起こる。このとき、N原子が1nm程度バルク側に拡散することも見いだされ、基板温度の影響を示唆する結果を得ているので、300Kから623Kの範囲での並進運動エネルギー誘起窒化の表面温度依存性について調べた。本来、物理吸着を経由した解離吸着では、基板温度が高いほど物理吸着状態の寿命が短くなるため反応確率が小さくなる。しかし、並進運動エネルギー誘起窒化においては逆の傾向を示したことから、この反応は最表面での物理吸着経由の解離吸着ではない。そこで、二段階の反応を仮定した。第一段階は非常に小さな確率でN分子が運動エネルギー誘起吸着する。基板温度に依存してN原子の拡散が起こり、より安定な吸着構造が局所的に形成される。第二段階は、その局所吸着構造にN分子が衝突して解離吸着が起こり表面窒化が進行する。N原子の拡散で形成される局所吸着構造を窒化の前駆体と考え、その前駆体形成に基板温度が影響すると解釈する。
運動エネルギー誘起窒化におけるインキュベーション時間の表面温度依存性神農 宗徹*; 寺岡 有殿; 高岡 毅*; 吉越 章隆; 米田 忠弘*
no journal, ,
473KのAl(111)表面に超音速N分子線を照射すると並進運動エネルギー1.8eVをしきい値として直接窒化反応が起こる。このとき、N原子は1nm程度バルク側に拡散していることも見いだされ、基板温度の影響を示唆する欠課を得ていたので、300Kから623Kの範囲での並進運動エネルギー誘起窒化の表面温度依存性について調べた。本来、物理吸着を経由した解離吸着では表面温度が高い時物理吸着の寿命が短くなり、反応確率は小さくなる。しかし、今回の結果では逆の傾向を示したことから、二段階の反応過程を仮定している。第一段階は非常に小さな確率でN分子が運動エネルギー誘起窒化を起こす。これは基板温度に依存してN原子が拡散し、バルク内部でより安定な吸着構造が局所的に形成される。第二段階は、その吸着構造にN分子が衝突して解離吸着が起こり表面での窒化が進行する。N原子の拡散で形成される局所吸着構造を窒化の前駆体と考え、インキュベーション時間は前駆体形成するまでに要する時間であると解釈する。
岡田 隆太; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 神農 宗徹*; 山田 洋一*; 佐々木 正洋*
no journal, ,
次世代デバイス材料としてSiよりも移動度などで優れた物性を有するGeが期待されている。Geを電界効果トランジスタ(FET)に応用するためには、Ge酸化膜の制御が不可欠である。またデバイスではさまざまな結晶面上のGe酸化膜が考えられる。本研究によってGeの代表的な低指数面である(100)及び(111)の室温酸化反応に対して、超音速酸素分子線によって、バックフィリングより酸化が進むことが放射光XPSによるその場観測から明らかになった。本研究で観測されたGeのXPSスペクトルの比較から、超音速酸素分子線による酸化はバックフィリング酸化よりも、Geの酸化成分が増加する明らかになった。本研究は高品質なGe酸化膜を形成する応用上重要な基礎的知見となる。
8) caused by supersonic O
beam岡田 隆太; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 神農 宗徹*; 山田 洋一*; 佐々木 正洋*
no journal, ,
次世代FET材料としてSiよりも移動度などで優れた物性を有するGeが注目されている。また、FETの応用技術としてさまざまな結晶面方位が利用されることが想定されている。Geを用いたFETを実用化するには、Ge酸化膜の特性を理解することが不可欠である。本研究の目的の一つは、Ge酸化膜の特性の一つである酸化状態を超音速酸素分子線によって制御することである。われわれはGe(100)-21表面において並進運動エネルギーが高い超音速酸素分子線によって、室温酸化反応が促進されることを報告している。本実験では、Geの代表的な低指数面である(111)-c(28)表面上の酸化膜に注目した。表面構造に由来する(100)とは異なる酸化状態を形成できることが期待されるので、高分解能放射光XPSによってバックフィリング及び超音速酸素分子線によるGe室温酸化膜を分析した。実験の結果、高エネルギーの超音速酸素分子線によって形成したGe(111)酸化膜には、(100)表面上では形成されなかったGe
成分が明瞭に観測された。これはGe酸化膜を形成する際に面方位によって酸化状態に変化が起きることを示している。この発見はGe単結晶表面の酸化状態の制御に重要な基礎的知見を与える。
1 formed by supersonic O beam吉越 章隆; 岡田 隆太; 寺岡 有殿; 神農 宗徹*; 山田 洋一*; 佐々木 正洋*
no journal, ,
Si系LSIの高性能化に対して移動度の優れたGe材料の導入が有望視され、Ge単結晶表面の酸化膜の形成機構及び安定性の研究が活発化している。Ge酸化において、酸化を誘起する酸素分子の並進運動エネルギーは、酸化膜形成を理解するうえで重要な要素である。われわれは、Ge(100)表面の室温酸化において高エネルギーの超音速酸素分子線を用いることで、バックフィリング酸化よりも吸着酸素量が増加することを見いだしている。本研究では、超音速酸素分子線及びバックフィリング酸化によって形成した吸着酸素量の異なるGe(100)上の酸化膜を放射光XPSによって分析することで、酸化膜形成を理解するうえで重要なGeの酸化状態の分析を行った。Ge 3d XPSスペクトルの比較から、双方のGe酸化の価数に違いがないことがわかった。しかし、超音速酸素分子線による酸化膜では2価の酸化成分の量が増加することを確認した。これは新たなGe(100)表面への酸素の吸着を示唆している。この発見はGe(100)表面酸化膜の形成機構を理解するうえで重要な基礎的知見を与える。
8)表面の酸化促進効果岡田 隆太; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 神農 宗徹*; 山田 洋一*; 佐々木 正洋*
no journal, ,
次世代電界効果トランジスタ(FET)の材料として、移動度でSiよりも優れるGeが期待されている。Ge材料をFETに用いる際は、その酸化膜の制御が不可欠であり、Ge単結晶表面上の酸化膜形成に関する研究が活発化している。Ge酸化を誘起する酸素分子の持つ並進運動エネルギーは、形成される酸化膜の酸化状態を決定する重要な要素の一つである。本研究では、室温の酸素曝露及び超音速酸素分子線によってGe(111)室温酸化膜を形成し、放射光XPSによって分析し比較を行った。酸化膜のGe 3dスペクトルの比較から、超音速酸素分子線の並進運動エネルギーを高めることで酸化が促進され、Ge成分が形成されることを明らかにした。この結果は、Ge酸化膜の形成を理解するうえで重要な基礎的知見を与える。
運動エネルギー誘起Al(111)窒化膜の773K以下における熱変性神農 宗徹*; 寺岡 有殿; 高岡 毅*; 岡田 隆太; 岩井 優太郎*; 吉越 章隆; 米田 忠弘*
no journal, ,
Al(111)表面に超音速窒素分子線を照射すると並進運動エネルギー1.8eVをしきい値として直接窒化反応が起こる。また、反応温度に大きく依存したインキュベーション時間が存在し、反応温度によりできる膜の成分に大きな違いがあることもわかっている。そこで、今回は反応温度を300Kから473Kの範囲で50度おきに設定し、成膜した薄膜を最高773Kまで加熱し、薄膜の熱変性を調べた。作製した薄膜は、成膜時の反応温度より高温になると変化が顕著になり、N
とN
が減少しN
が増加する傾向であった。これは、1配位や4配位に比べ3配位が安定であることを示している。また、反応温度300Kの薄膜は623K以上の昇温で1配位と4配位に加え、3配位も減少し、2配位が急増した。これは、反応温度300Kでは、作製した薄膜に比較的多くNとNが比較的多く含まれていたため、膜が脆弱であったためであると考えている。
8)表面の飽和酸化膜におけるGe成分の並進運動エネルギーによる変化岡田 隆太; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 神農 宗徹*; 山田 洋一*; 佐々木 正洋*
no journal, ,
Geを用いた電界効果トランジスタの実現には、その酸化膜の制御が不可欠である。本研究の目的は、超音速酸素分子線によってGe酸化膜の酸化状態を制御することである。われわれは、高い並進運動エネルギーを持つ超音速酸素分子線によってGe(111)表面を室温酸化することで、Ge成分を形成できることを明らかにしている。これは、酸化を誘起する酸素分子の並進運動エネルギーを制御することで、Ge(111)表面室温酸化膜の酸化状態を制御できることを示唆している。本実験では、広範囲の並進運動エネルギーの酸素分子によって十分に酸化されたGe酸化膜を放射光XPSによって分析した。飽和酸化膜のGe 3dスペクトルの比較から、Ge成分の形成はエネルギー閾値を境に活性化吸着が起きることが原因であることを明らかにした。この結果は、Ge(111)表面上の酸化膜の制御するうえで重要な基礎的知見を与える。
1表面に対する酸素分子の初期吸着確率の並進運動エネルギーによる変化吉越 章隆; 岡田 隆太; 寺岡 有殿; 神農 宗徹*; 山田 洋一*; 佐々木 正洋*
no journal, ,
Geを用いた電界効果トランジスタ等のデバイスを実用化するためには、Ge酸化膜の制御が不可欠である。Ge酸化膜の制御を行うには、酸化を誘起する酸素分子の反応ダイナミクスを詳細に理解する必要がある。本研究では、酸化反応ダイナミクスにとって重要な初期吸着確率に注目した。本実験では、Ge(100)室温表面酸化における酸素分子の並進エネルギーの変化に伴う、初期吸着確率の変化を放射光XPSによって観測した。実験の結果、超音速酸素分子線による酸化は、バックフィリング酸化よりも初期吸着確率が小さいことが明らかとなった。これは、酸素分子のトラッピング確率の減少に起因すると考えられる。一方、超音速酸素分子線の並進運動エネルギーが増加すると初期吸着確率が大きくなることから、活性化吸着が誘起されていることが明らかとなった。この結果は、Ge(100)表面上の酸化反応ダイナミクスを理解するうえで重要な基礎的知見を与える。
molecular beam寺岡 有殿; 井上 敬介*; 神農 宗徹*; 岡田 隆太; 吉越 章隆
no journal, ,
The effects of O incident energy have been widely studied by soft X-ray photoemission spectroscopy with high brilliance and high energy-resolution synchrotron radiation. Real-time in-situ photoemission spectroscopy of chemical bonding states for the oxidized surface was conducted during SSMB irradiation. Oxygen uptake has been observed at various O incident energies. The first plateau was found to disappear and an oxygen content at saturation of 5.5 ML was observed for an incident energy of 2.3 eV. This is 1.8 times larger than that observed at a low energy region of 0.06 eV to 0.6 eV (3 ML). The initial sticking rate continued to increase as incident energy increased up to 1.0 eV, and a remarkable re-increase was observed in the region around 2.3 eV. The first increase is due to the activated dissociative adsorption of O molecules and the second increase around 2.3 eV implies that another potential energy barrier exists with a height larger than 2.3 eV.
