電子エネルギー損失分光法を用いたフリーラジカルと半導体表面の相互作用の研究

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本研究の目的は、Si(100)面と水素および酸素ラジカルとの相互作用について、その表面反応過程を高分解能電子エネルギー損失分光(HREELS)法を用いて原子レベルで明らかにすることである。特に本年度は、水素ラジカルにより処理されたSi(100)表面の安定性と酸化過程の解明という観点から研究を行った。水素終端Si(100)表面への酸素ラジカルの吸着は室温においても観察され、その吸着位置はSi-HボンドおよびSi-Siバックボンドである。一方、酸素分子に対しては、水素終端面は基板温度380℃まで不活性である。そして、380℃以上では酸素分子の解離吸着が起こり、そのときの活性化エネルギーは2.0eVである。この値は、モノハイドライド状態のSi(100)表面からの水素の脱離エネルギーと一致する。これらの結果から、水素終端Si(100)面への酸素吸着は、表面の未結合手(ダングリングボンド)の数で律速されていると考えられる。水飽和吸着Si(100)表面を水素ラジカルに露出すると、室温においてもO-H基の酸素がSi-Siバックボンドに取り込まれる。このときの表面反応として、水素ラジカルによりSi表面のO-H結合が切られる反応過程が考えられる。すなわち、この反応過程ではSi-O-という酸素にとって不安定な状態が形成されるため、バックボンドへの酸素の取り込みが起こると思われる。水吸着Si基板を420Kに加熱することにより同様の取り込みが観察されており、本研究の結果は、反応過程の低温化に水素ラジカルが有効であることを示唆している。以上の結果より、水素ラジカルは、Si基板の酸化の抑制および促進の両方の効果を持っており、原子オーダーでの酸化膜の制御に対して有効であると考えられる。