電気化学的溶解過程における界面の不安定性とフラクタルパターン形成の研究

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今年度はまず,再現性があり定量的な電気化学的溶解の実験系を構築するために,本研究用に最適化されたポテンショスタットと電解用セルを製作した.この装置によって,シリコンを沸酸水溶液中で陽極酸化する実験を行ったところ,これまで明確にされなかった多孔質シリコンが得られるパラメータ領域と電解研磨領域との転移が電流-電圧特性などから精密に測定できるようになった.作成された試料について原子間力顕微鏡や電子顕微鏡によってその表面形態を測定・解析した.表面の形態が多孔質状から平滑な面状に転移する点近傍では,界面の形状が自己アフィンフラクタルであることを実験的に明らかにし,そのスケーリング指数を決定した.この時,表面の荒さの指数(ハ-スト指数)は0.85程度であって,従来までの理論やモデルの範囲では説明できないクラスに属することが示された.これらの知見から,シリコンのエッチング過程においては,結晶中の不純物分布などの空間的に固定された秩序が大域的パターンに影響しているものと示唆される.さらに,半導体のエッチング過程の数理モデルを立て,界面の運動を線形安定解析し,実験結果との比較検討を行った.その結果,半導体界面における空乏層領域の存在とマクロスコピックなエッチングパターンの形態が密接に関係していることが示された.半導体の不純物濃度等を変えた系統的な実験により,モデルから予想されるパターンの転移条件が実験結果とよく一致することが明らかとなった.