分子ビ-ム・イオンビ-ム法による炭化水素分子と固体表面の反応過程の研究

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アセチレンビ-ムをシリコン単結晶表面(001)上に照射し、シリコンカ-バイド薄膜の形成過程について研究した。超高真空中で加熱して清浄化したシリコン表面は、780℃以上でアセチレンと反応して、シリコンカ-バイド膜を形成することがオ-ジェ電子分光法などで確認された。膜形成機構は入射ビ-ムの濃度および表面温度に依存して二つに区別される。ビ-ム濃度が小さいか表面温度が高い場合は、成長表面上に常にシリコン原子が内部から拡散して過剰に存在し、外部から到達するアセチレン分子数が律速になって、表面反応が成長速度を支配している。この場合は、エピタキシ-成長が起こっており、面方位に沿って単結晶膜ができる。これは表面反射エックス線回折、電子線回折、走査形電子顕微鏡などによって確認された。それに対して、表面温度が820℃で、入射ビ-ム濃度が高い場合は、表面は熱分解したカ-ボン膜によって覆われ、走査顕微鏡でみるとクレ-タ状のでこぼこしたものが一面に広がっている。このような場合には、反応物(シリコン原子および炭素原子とその化合物)の生成膜中の拡散が律速になり、成長速度は時間と共に遅くなる。表面反応が律速になっているときの反応確率は、入射ビ-ム濃度にあまり依存せず、表面温度が高くなると減少する傾向にある。反応確率は0.005から0.02までの範囲にあった。しかし、表面温度が比較的低い場合は、入射ビ-ム濃度をあげてゆくと拡散が律速する領域に入るので、反応確率は急速に減少した。成長膜の断面を透過型電子顕微鏡で観測すると、元の基板の上にはほぼ一様にシリコンカ-バイド膜が成長しているが、基板内部にはピラミッド状の浸食がみられる。この浸食部にはアモルファス状または多結晶状のシリコンカ-バイドが形成されているように見える。