(57)【要約】【課題】  金属吸着法を用いて均一な単原子ステップを有する固体結晶表面を形成する方法を提供する。【解決手段】  固体結晶の両端に直流電圧を印加して所定の温度に加熱する段階と、直流電圧印加を保持しつつ、所定の温度に加熱された固体結晶の表面に金属原子を所定の蒸着速度で蒸着することで、固体結晶の表面に当該固体結晶を構成する原子の単原子ステップを形成する段階と、を含む固体結晶表面の形態制御方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体結晶の両端に直流電圧を印加して所定の温度に加熱する段階と、
前記直流電圧の印加を保持しつつ、前記所定の温度に加熱された前記固体結晶の表面に金属原子を所定の蒸着速度で蒸着することによって、当該固体結晶を構成する原子の単原子ステップを当該固体結晶の表面に形成する段階と、を含むことを特徴とする固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項２】
前記固体結晶の加熱温度は、７００〜１０００℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項３】
前記金属原子の蒸着速度は、０．００１〜１．０００分子層／分の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項４】
前記金属原子の蒸着時間は、１〜１０００秒の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項５】
前記金属原子の蒸着時間を調節することによって、前記単原子ステップ間の平均距離を調節することを特徴とする請求項４に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項６】
前記金属原子の蒸着は、約９．９×１０−９〜１．０×１０−１１ｔｏｒｒの真空状態で行われることを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項７】
前記金属原子は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｖ、Ｒｅ、Ｍｏ、及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つの金属原子であることを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項８】
前記固体結晶は、単結晶であることを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項９】
前記金属原子が蒸着される前記固体結晶の表面は、（１１１）表面、（１００）表面、及び（１１０）表面のうち、何れか１つであることを特徴とする請求項８に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項１０】
前記固体結晶はシリコン単結晶であり、前記固体結晶の両端に印加される前記直流電圧の大きさは１０〜１００Ｖの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項１１】
前記固体結晶の両端に印加される前記直流電圧の方向を調節することによって、前記単原子ステップの形成方向を調節することを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【請求項１２】
前記固体結晶の表面に前記単原子ステップを形成した後、当該固体結晶の表面に蒸着された前記金属原子を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の固体結晶表面の形態制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属吸着を用いた固体結晶表面の形態制御方法に係り、より詳細には、金属吸着を用いて均一な単原子ステップ（ｍｏｎｏａｔｏｍｉｃ  ｓｔｅｐ）を有する固体結晶表面を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ技術の重要性が叫ばれつつある中、原子レベルでの固体結晶の表面反応とその構造に関する多くの研究が進行しつつある。特に、原子レベルで境界明瞭な安定した固体結晶の表面形態構造を形成し、制御する技術を開発するための研究が進行している。しかし、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＧａＡｓなどの固体結晶の表面を特定の形の原子ステップ構造にするために意図的に表面形態を制御しようとする試みはほとんどなかった。このように、固体結晶の表面を所望の形の原子ステップ構造に制御する技術は、今後、ナノサイズの物体を製造するに当たって非常に有用に活用できると見込まれている。
【０００３】
固体結晶の表面を微細に制御する従来の技術のうち、１つは、下記の特許文献１に開示されている。特許文献１は、主にシリコン結晶の表面に発生する欠陥（ｄｅｆｅｃｔ）を除去するためのものである。特許文献１によれば、シリコンウェーハの表面を約１１００℃の温度でＨ２、ＨＦ、又はＨＣｌ雰囲気で露出させて洗浄した後、洗浄されたシリコンウェーハの表面を再び約１１００℃の温度で単原子希ガスを含む雰囲気または真空に露出させることによって、シリコンウェーハ表面の欠陥を除去する。しかし、特許文献１は、シリコンウェーハの表面を原子レベルできれいにすることはできるが、所望の形の原子ステップを制御することは不可能である。
【０００４】
シリコン結晶の表面を所望の形の原子ステップに制御するための方法としては、下記の非特許文献１に開示されている。非特許文献１に開示された方法によれば、超高真空（約１×１０−１０ｔｏｒｒ）下でシリコン結晶に直接ＡＣまたはＤＣ電流を印加して約１２６０℃の高温でアニーリングする場合、シリコン結晶の表面原子の移動が誘導されて比較的に均一な原子ステップが得られた。上記方法は、半導体内の電流と電圧とが一定に保たれると同時に、電子の移動が活発で温度が非常に高い時、原子が移動する現象（すなわち、エレクトロマイグレーション現象）を用いることである。
【０００５】
図１は、上記のような方法によってＳｉ（１１１）表面にＤＣ電流を印加し、１２６０℃でアニーリングすることによって得られるシリコン表面の形態を示す図である。図１に示されたように、ＤＣ電流を用いてシリコン表面を高温に加熱する場合、比較的均一なシリコンの原子ステップが得られた。
【０００６】
しかし、上記方法によれば、一般的に、約１０００℃の温度で、シリコン結晶表面の原子ステップがステップアップ方向に平行移動し始めるが、原子ステップの移動方向と大きさとを任意に正確に制御できない。また、１０００℃以下の温度では、シリコンの昇華が抑制されて、表面形態の構造が安定に保たれるので、所望の形の原子ステップを制御できなかった。しかし、従来のように１２００℃以上の高温で熱処理を行う場合、シリコン表面でシリコンの蒸発または昇華によって均一な原子ステップを得るのが非常に難しく、比較的均一な原子ステップを得るためには、数時間程度の相当長い反応時間が要求されるという問題がある。
【特許文献１】米国特許第６７４３４９５号明細書
【非特許文献１】Ａ．Ｖ．Ｌａｔｙｓｈｅｖら、「Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ｃｌｅａｎ  Ｓｉ（１１１）ｓｔｅｐｐｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｄｕｒｉｎｇ  ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ」、Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９８９年４月２日、第２１３巻、ｐ．１５７−１６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題点を改善するために創案されたものであって、原子レベルできれいな結晶表面を有するシリコンのような固体結晶表面の形態構造を超高真空環境下で制御する方法を提供することをその目的とする。
【０００８】
本発明の他の目的は、比較的低い温度と短い反応時間でも、シリコンなどの固体結晶の表面が均一な原子ステップを有するように制御する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一類型による固体結晶表面の形態制御方法は、固体結晶の両端に直流電圧を印加して所定の温度に加熱する段階と、前記直流電圧の印加を保持しつつ、前記所定の温度に加熱された前記固体結晶の表面に金属原子を所定の蒸着速度で蒸着することによって、当該固体結晶を構成する原子の単原子ステップを当該固体結晶の表面に形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の一実施の形態によれば、前記固体結晶の加熱温度は、７００〜１０００℃の範囲であり、前記金属原子の蒸着速度は、０．００１〜１．０００ＭＬ／分（ＭＬ：分子層）の範囲である。この際、金属原子の蒸着は、約９．９×１０−９〜１．０×１０−１１ｔｏｒｒ（約１．３×１０−６〜１．３３×１０−９Ｐａ）の真空状態で行われる。ここで、前記金属原子は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｖ、Ｒｅ、Ｍｏ、及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つの金属原子であることを特徴とする。また、前記固体結晶は、半導体の単結晶である。
【００１１】
また、本発明による固体結晶表面の形態制御方法は、固体結晶の表面に単原子ステップを形成した後、当該固体結晶の表面に蒸着された金属原子を除去する段階をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、原子レベルで固体表面の形態構造を制御することができる。特に、本発明によれば、比較的低い温度と短い反応時間でも、固体結晶表面が均一な原子ステップを有するように制御できる。したがって、均一な原子ステップを有する固体結晶表面を形成するのに時間と費用とを節減しうる。
【００１３】
また、本発明によって均一な原子ステップを有する固体結晶表面を形成することによって、非常に滑らかに平坦化された結晶表面を得られ、また、結晶表面の汚染物が除去されて原子レベルできれいな結晶表面を得られる。このように表面処理された結晶を用いる場合、非常に優秀な特性の素子を製造することができる。例えば、単原子ステップの数が多いほど、エピタキシャル成長が非常によくなされるということを確認しうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付した図面に基づいて本発明の実施の形態による固体結晶表面の形態制御方法について詳細に説明する。
【００１５】
図２は、本発明によって固体結晶表面の形態を制御するための装置を概略的に示す図である。図２に示されたように、本発明による固体結晶表面の形態構造制御は、例えば、超高真空反射電子顕微鏡（ｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈ  ｖａｃｕｕｍ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＵＨＶ−ＲＥＭ）の真空チャンバ４０内でなされうる。真空チャンバ４０内には、試料結晶基板１０及び試料結晶基板１０に電圧を印加するためのＤＣ電源１５が装着されている。また、試料結晶基板１０に金属原子を蒸着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）するための金属蒸着器２０と金属蒸着器２０に電圧を印加するためのヒーター電源２５が設けられる。図示されてないけれども、真空チャンバ４０内には、試料結晶基板１０を加熱するためのホットプレートがさらに含まれうる。また、試料結晶基板１０の両端に印加されるＤＣ電圧の方向は、試料結晶基板１０の表面に金属原子が蒸着される方向に対して略垂直である。
【００１６】
また、真空チャンバ４０内には、試料結晶基板１０の表面から反射された電子ビーム３０により形成される映像及び回折パターンを観察及び分析するための蛍光板３５がさらに設けられる。したがって、蛍光板３５を通じて試料結晶基板１０の表面の微細な形態変化をリアルタイムで確認しうる。ＵＨＶ−ＲＥＭを通じた微細表面のリアルタイム観察は、公知のものなので、それについてのさらに具体的な説明は省略する。
【００１７】
前述したように構成された超高真空チャンバ４０内で、本発明による固体結晶表面の形態を制御する方法は次の通りである。まず、超高真空チャンバ４０の内部を約１×１０−１０ｔｏｒｒの真空状態に保持し、試料結晶基板１０にＤＣ電圧を印加して約７００〜１０００℃の温度に加熱する。この際、前述したホットプレートを用いて試料結晶基板１０を加熱することもできる。
【００１８】
次いで、金属蒸着器２０を通じて試料結晶基板１０の表面に金属原子を蒸着する。金属原子の蒸着速度は単原子ステップの均一度などを考慮して適切に変化させうるが、０．００１ＭＬ／分〜１．０００ＭＬ／分（ＭＬ／分：１分あたりに堆積される分子層数）の範囲内にあることが適当である。ここで、試料結晶基板１０の表面に蒸着可能な金属としては、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、バナジウム（Ｖ）、レニウム（Ｒｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、または白金（Ｐｔ）を使用しうる。特に、Ａｕを使用することが適当である。また、試料結晶基板１０の両端に印加されるＤＣ電圧の大きさは、固体試料の種類によって変わり、通常、固体試料の表面を７００℃以上の温度に加熱可能な範囲であれば、適用可能である。具体的にシリコン単結晶の場合、ＤＣ電圧の大きさが１０〜１００Ｖであることが望ましい。また、真空チャンバの性能および単原子ステップの均一度の見地から、金属原子の蒸着は、約９．９×１０−９〜１．０×１０−１１ｔｏｒｒ（約１．３×１０−６〜１．３３×１０−９Ｐａ）の真空状態で実施されることが望ましい。なお、ここでいう蒸着とは、真空蒸着法に限らず、他の物理蒸着法（たとえば、スパッタリング）および化学蒸着法などの堆積法を含む。
【００１９】
従来の技術の説明と同様に、１０００℃以下の温度では固体の表面で昇華（Ｓｉ  ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ）が抑制されて表面形態の構造が安定的に保持されるので、所望の形態の原子ステップを制御できなかった。しかし、本発明のように金属原子を蒸着すれば、結晶表面が熱力学的に不安定になる。したがって、試料結晶基板１０にＤＣ電圧を印加しつつ、金属原子を蒸着させれば、前述したエレクトロマイグレーション現象によって結晶表面の原子が一定の方向に移動し始める。その結果、図３に例示的に示したように、結晶表面の不均一なステップが一定の方向に動き始めつつ、所定時間後には、結晶の表面に非常に均一でかつ滑らかな単原子ステップが形成される。このような本発明では、試料結晶基板１０の表面に蒸着された金属原子により試料結晶を構成する原子の移動が促進されるために、試料結晶の種類、加熱温度、及び金属原子の蒸着速度によって約１〜１０００秒程度であれば、均一で、かつ滑らかな単原子ステップを得ることができる。なお、原子及び単原子ステップの移動方向は、ＤＣ電圧の印加方向と平行である。
【００２０】
一方、ＤＣ電圧の印加方向が反対となれば、電流が反対方向に流れつつ、ステップの移動方向も反対となる。この場合、図３と同じ方向にステップが形成されているならば、均一な単原子ステップが不均一なステップの集まり（ｓｔｅｐ  ｂｕｎｃｈ）に変わる。一方、図３の反対方向にステップが形成されているならば、不均一な原子ステップが均一な単原子ステップに変わる。したがって、固体結晶の両端に印加されるＤＣ電圧の印加方向を調節することによって、原子ステップの形成方向及び原子ステップの状態などを適切に制御することが可能である。
【００２１】
前述したように、従来にはこのようなエレクトロマイグレーション現象が１２００℃程度の非常に高い温度で発生したが、本発明では、金属原子を固体結晶の表面に蒸着することで、１０００℃以下の低い温度でもエレクトロマイグレーション現象が発生する。したがって、本発明では、高い温度による固体表面の昇華または蒸発現象が発生しないので、さらに微細で、かつよく制御された単原子ステップを形成しうる。また、本発明では、ＤＣ電圧だけを用いて原子ステップを常に同じ方向に移動させるので、単原子ステップの幅を任意に制御することができる。
【００２２】
図４Ａないし図４Ｄは、本発明の第１の実施の形態による固体結晶表面の形態変化を経時的に示した図面である。第１の実施の形態は、前述したＵＨＶ−ＲＥＭの超高真空チャンバ４０内で試料の表面に電子ビームを入射させてリアルタイムで試料表面の変化を観察しつつ行われた。試料は、ステップ間の距離が約１００ｎｍに該当する切断角（ｍｉｓｃｕｔ  ａｎｇｌｅ）を有する（１１１）シリコン単結晶よりなる標準ウェーハを８ｍｍ×１ｍｍ×０．３ｍｍの大きさに切り取って使用した。この際、原子ステップが試料の長い面に対して垂直に形成されるように切断方向を配置した。試料のホルダーは、試料に直接電流を流せるように特別に製作された。一方、この実施の形態では、（１１１）表面のシリコン単結晶を使用したが、（１００）表面又は（１１０）表面のように屈折率の小さい平面を表面とする結晶を使用することもできる。
【００２３】
このような状態で、まず、電子顕微鏡の超高真空チャンバ４０内でシリコン試料を１２６０℃の温度で数分間高温熱処理して表面をきれいにした。このように、原子レベルできれいな試料にＤＣ電圧を印加して約８６０℃の温度で加熱しつつ、０．０１８ＭＬ／分の速度で試料の表面にＡｕを蒸着した。その結果、シリコン結晶の表面が、図４Ａないし図４Ｄの順に変化する。図４Ａないし図４Ｄに示されたように、経時的に試料表面のシリコンの原子ステップが順次に均一になった。図４Ｄは、Ａｕを蒸着し始めて、約５０秒後の表面状態であって、図４Ａないし図４Ｃのような不均一な原子ステップが非常に均一な単原子ステップに変わったことが分かる。従来の方法では、比較的均一な単原子ステップを形成するのに長くは数時間程度が必要であったが、本発明では単に５０秒だけで、それより均一な単原子ステップを形成できた。
【００２４】
一方、図５は、本発明による固体結晶表面の形態制御方法で経時的な単原子ステップ間の平均距離の変化を表すグラフである。第１の実施の形態のように、（１１１）シリコン単結晶を約８６０℃の温度で加熱しつつ、０．０１８ＭＬ／分の速度でＡｕを蒸着する場合、経時的に単原子ステップ間の平均距離（Ｗ）が増加している。これは経時的に結晶の表面がさらに滑らかになるということを意味する。図５に示されたように、時間をｘ軸、単原子ステップ間の平均距離をｙ軸とする時、おおむねｙ〜ｘ０．４７の関係（ｙとｘ０．４７が相関関係を有する）が成立する。したがって、金属原子の蒸着時間を調節することによって、単原子ステップ間の平均距離を任意に制御することができる。
【００２５】
さらに、固体結晶表面の形態を任意に調節した後には、必要によって固体結晶表面に蒸着されている金属原子を、例えば、エッチングなどを通じて除去しうる。
【００２６】
前述した実施の形態では、シリコン単結晶を使用したが、本発明による固体結晶表面の形態制御方法は、シリコンにのみ限定されるものではない。シリコン以外に、例えば、Ｇｅ及びＧａＡｓなどのような半導体の単結晶表面をも制御でき、また他の種類の固体単結晶にも十分に適用されうる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明による固体結晶表面の形態制御方法は、今後のナノサイズの物体を製造するに当って、非常に有用に活用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の方法によってＳｉ（１１１）表面にＤＣ電流を印加し、１２６０℃の温度でアニーリングして得たシリコン表面の形態を示す図面である。
【図２】本発明によって固体結晶表面の形態を制御するための装置を概略的に示す図面である。
【図３】本発明による固体結晶表面の形態制御方法の原理を説明する図面である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施の形態による固体結晶表面の形態変化を経時的に示す図面である。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施の形態による固体結晶表面の形態変化を経時的に示す図面である。
【図４Ｃ】本発明の第１の実施の形態による固体結晶表面の形態変化を経時的に示す図面である。
【図４Ｄ】本発明の第１の実施の形態による固体結晶表面の形態変化を経時的に示す図面である。
【図５】本発明による固体結晶表面の形態制御方法で経時的な単原子ステップ間の平均距離の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１０    試料結晶基板、
１５    ＤＣ電源、
２０    金属蒸着器、
２５    ヒーター電源、
３０    電子ビーム、
３５    蛍光板、
４０    真空チャンバ。
【図２】
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【図３】
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【図１】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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