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作成： 1997/12/15 前田 裕司
データ番号 ：040101
イオン蒸着法で成長させた膜の結晶性評価
目的 ：人工的に蒸着製作した薄膜の結晶構造の評価
放射線の種別 ：重イオン
放射線源 ：3MVペレトロン加速器(He2+ 1.5-3.7 MeV)
利用施設名 ：Bhubanewar物理研究所(インド)
照射条件 ：室温
応用分野 ：半導体デバイス、半導体工業、薄膜創製技術、
概要 ：
異種金属の単原子層を交互に蒸着させることにより、自然界に存在しない規則合金を作製する事が可能である。また、異種元素をイオンビーム法によりSi基板上に蒸着して、ナノオーダーで積層した人工半導体薄膜の作製が可能であり、新しい半導体デバイスの作製が期待されている。 金属人工格子作製手法の極限に挑戦して、異種金属の単原子層交互蒸着を行うことにより、単層構造型の人工規則合金を合成する事が可能になっている。これらの薄膜の結晶評価法が確立しつつある。
詳細説明 ：
金属及び半導体物質の組み合わせとして、平衡状態図では規則合金を形成が出来ないものを選べれば、自然界に存在しない規則合金をも作製する事が可能である。金属人工格子作製手法の極限に挑戦して、異種イオンの打ち込み及び異種金属を用いて単原子層交互蒸着を行うことにより、単層構造型の人工規則合金を合成する事が可能である。
Si化合物基板上に積層させて成長させたCoSi2やNiSi2は半導体デバイスに広い応用がある。Si基板上に成長させたCoSi2は電気抵抗は少なく、熱伝導がよいので、高速度デバイス作製上また、薄膜作製技術の研究の上でも興味のある物質である。分子ビーム蒸着法は、Si基板上にCoイオンを蒸着する薄膜作製上非常に有効で、また新しい方法の一つである。
イオンビーム蒸着により作製された薄膜には照射欠陥が形成されている。これらを消滅させるために焼鈍が必要である。この温度上昇のために、蒸着した膜(Co)とSi基板とで反応が起きる。反応生成物(CoSi2)層は2つの方位を持った薄膜に成長する。
A―タイプではSi反応物層はSi基板と同じ方位を持って成長する。B―タイプは蒸着面の方位はSi基板面に垂直な軸を中心にして180度回転している。このタイプの薄膜では、電気的性質を変えてしまう(Schottky障壁は高い)。従って、膜の結晶特性を詳細に知る事か必要である。これらを完全に知るには結晶成長膜と基板との反応過程を知ることが重要である。
ラザフォード後方散乱には3MVペレトロン加速器を使用した。2.5MeVの He2+を用いてランダム及びチャンネル条件で測定した結果, CoSi2は680Å、Si基板は880Åの厚さであった。薄膜の結晶特性はチャンネル法により調べた。 Si基板のイールドの減衰は7.2%で CoSi2膜では7.4%であり、特性は良好であった。
Si/CoSi2/Si(111)薄膜のタイプをイオンビーム法できめた。111軸を中心に角度走査を行い、イールドの変化を調べて基板と蒸着薄膜の結晶方位のミスマッチを調べ、Si基板と蒸着膜の結晶方位はほぼ同じであり、 A―タイプであることが分かった。一方、ミスマッチによる基板と蒸着膜との界面からの歪みを評価するために、3MeVのイオンチャンネリング法により、チャンネリング軸［110］に対してチャンネリング・イールドの最大値を角度走査により測定した。結果は、(1.1±0.2)%であった。
また膜の内部の歪みはX線回折法により調べ、格子定数は0.77%バルクの値とは小さく、歪み量は表面に垂直方向では、一0.77%で、平行方向は、0.33%と評価した。X線回折により表面の111方向の格子はバルク領域と比べて0.7%収縮している。Si基盤と蒸着層の界面ではCo原子はSi原子と反応してCoSi2層を形成していることが分かった。
FeとAuの平衡状態図は包晶型で、いかなる中間層も存在せず、室温での固溶限は非常に小さい。しかしFeの格子定数a(Fe)と金の格子定数a(Au)との間には21/2a(Fe)≒a(Au)の関係があり、格子定数の整合性は良く、Fe［110］//Au［110］の方位関係を持つエピタクシャル成長が多くの研究者によって報告されている。
試料は超高真空の電子ビーム蒸着装置を用いて、分子膜エピタクシー(MBE)法により作製した。基板には単結晶MgO(100)の研磨表面を使い、まず1nmのFeシード層を蒸着し、それから50nmのAu層を蒸着してバッファ層とした。これを570-770K程度の温度に加熱保持すると、Au表面の5x1の再配列構造が反射高速電子回折(RHEED)で明確に観察できる。その上にFe及びAuを交互に1原子層ずつ蒸着してFeAu規則合金を成長させる。成長温度は約340Kで、成長過程ではRHEEDでモニターした。Fe及びAuの1原子層が100周期に積層した状態を確認した。試料の組成に関してはin-situのオージェ分析及び ex-situのラザフォード後方散乱によって、FeとAuの原子濃度比がほぼ0.5であることを確認した。
X線回折の測定によりMgO基板およびAuバーファのビークに加えて、FeAu規則合金からの回折ピークを観測した。これらの回折線のうち(002),(004)は基本線であり、(001)及び,(003)が規則格子の回折線に対応して、 Ll0型規則構造を形成していることがわかった。この回折線で、基本線と規則格子線の比が規則度S、すなわち長距離規則度を示す。
測定結果はS=0.4±0.1であった。完全規則度の場合はS=1.0であり、またFePtの場合にはS=0.8±0.1の値を得ている。しかし、 FeAuの場合、S値は小さい。この合金組成では、平衡に存在し得ない準安定な合金であり、試みとして実際に作製出来た点で評価出来る。FeAuのLl0型規則構造は420K程度まで加熱に対して安定であり、473K以上の温度に加熱保持するとS値は減少し始め、ランダムな原子配列に近づいていく。
コメント ：
X線回折法は、原子レベルで試料の平均構造や一次元的周期構造を非破壊で、高温、高圧、低温等の特殊条件下で測定できる。プロファイルーフィッティング法により、薄膜層の平均面間隔や歪みを定量的にかなり精度よく求めることが出来るようになっている。
しかし、構造を位相空間(逆格子空間)の情報として捕らえるために、実空間における周期性を持つ成分を抽出した情報が主体となり、「周期性のゆらぎ」としての局所構造(格子欠陥、粒界)の評価には、更に検討が必要である。また薄膜という試料の形状のために三次元的構造の評価が容易ではない。
ラザフォード後方散乱法による結晶評価が有利な点は、繰り返し周期が長く( > 10nm )、X線回折測定が困難な長周期構造の解析の場合である。一方試料中にどのような現象がどんな場所に起きているか、簡単に素速く診断する事が出来る。また作製中に混入した不純物を非破壊的にかつ敏速に定量が可能である。
原論文１ Data source 1：
Characterization of ion beam synthesized epitaxial Si/CoSi2(111)system with ion and X-ray scattering techniques
P.V.Satyam, B.Sundaravel, K.Sekar, G.Kuri, S.K.Ghose, B.Rout, D.P.Mahapatra and B.N.Dev
Insititute of Physics ,Sachivalaya Marg, Bhubaneswar ,Orissa,India
Semiconductor Devices, ed(s) K.Lai (Narosa Publishing House, New Delhi, India, (1996) p.370- 372.
原論文２ Data source 2：
金属人工格子積層構造の極限への挑戦 -単原子層積層制御による人工規則合金合成の試み-
高梨 弘毅、三谷 誠司、藤森 啓安、中嶋 英雄*)
東北大学金属材料研究所、*)岩手大学工学部材料工学科
まてりあ, 第35巻 (1996) 1204-1207.
参考資料１ Reference 1：
-新素材を拓く-金属人工格子
藤森 啓安、新庄 輝也、山本 良一、前川 禎道、松井 正顕 編著
アグネ技術センター(1995)
キーワード：イオン蒸着薄膜、人工蒸着膜、X線回折、ラザフォード散乱法、結晶構造評価
ion beam deposition, artificial multilayers, x-ray diffraction, Rutherford backscattering spectroscopy, crystal structure analysis
分類コード：010205,040504,040502
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