水素終端シリコン
水素終端シリコンとシリコンと多価イオン多価イオンとのイオンとの相互作用との相互作用（相互作用（2）山田千樫研究室 Ｂ4 小松 明浩

1.背景及
1.背景及び背景及び目的とする。

研究室にて多価イオンと固体表面の相互図2.1. ヨウ素
ヨウ素の価数と価数とエネルギーのネルギーの関係作用についての研究が行われている。その一環として多価イオンと水素終端シリコンの相互作用の研究を行っている。そのため、

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ポテンシャルエネルギー5

イオン化
イオン化エネルギー10試料である水素終端シリコンを作成し、多価イオンを照射し、ナノ領域で水素を引き剥がす。その後、酸素を噴きつけ、ナノ酸

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103化膜持つ水素終端シリコンを作成す（図1021.1）。
図 1.1 ナノ酸化膜作成過程
ナノ酸化膜作成過程

101

多価イオン
多価イオン

酸素

ナノ酸化膜
ナノ酸化膜の衝突の吹きつけの形成

H+
HO

多価イオン
多価イオン-OOH

H He-OO01020304050価数 q

3.原理
3.原理
（ⅰ）水素終端の水素終端の作成法及作成法及び確認

H HOO OHH
シリコン表面シリコン表面Si(111)面に水素終端を行う。まずシリコンを清浄表面化する。真空度 10-9Torr 以下でシリコン基盤を約 600℃で 15 時間通電加2.多価
2.多価イオン
多価イオンとはイオンとは熱した後、約 1000℃に数回加熱し、表面上一般に 2 価以上の正負のイオンを多価の酸化膜を蒸発させる。約 900℃～室温まイオンと言う。我々の研究室で扱っているで毎秒 2℃未満の速度で行い清浄表面を露

多価イオンは 20～80 価程度に高度に電離出させる。

したイオンである。高電離したイオンは膨

次に水素ガスを約 1500 度に加熱し原子大なポテンシャルエネルギーを持つ、ヨウ化させ、シリコン基盤に吹き付け、シリコ素の多価イオンの価数とエネルギーの関係ンのダングリングボンドを水素終端させる。の図 2.1 を示す。図 2.1 から見て明らかな

また、FT
FTFT-IＲを用いて、水素終端結合に特ように価数があがるにつれて、ポテンシャ有な振動スペクトル（2100cm-1）を観測す

ルエネルギーが膨大になっていくのが分かる。

る。そのため、多価イオンは電子に対してブラックホールのように振る舞い、近くから電子をところかまわず電子を引き抜こう

（ⅲ）表面原子（表面原子（分子）分子）の赤外線吸収（ⅱ）FT-IＲＲ(Fourier Transform InfraRed Spectroscopy )赤外線吸収は図 3.3 のような分子振動にフーリエ変換赤外分光法と呼ばれ、マイ伴って双極子モーメントが変化する時に起ケルソンの干渉計を用い、干渉波を試料にこる。また、酸素分子や水素分子の場合、照射する。この干渉波は赤外光源で連続波

分子間の電子密度の偏りがないため、双極あり、また干渉計内の可動鏡による干渉の子モーメントはない、そのため分子が伸縮ため図 3.1 のような干渉パターンである。

振動をしても赤外線吸収は起こらない。

試料にこの干渉波を反射させると、表面上の原子や分子が固有の振動をするため、赤外線吸収が起こり、対応する波長の干渉成分が減少する。

図 3.3
3.3 水の振動

HO

それをコンピュータでフーリエ変換をして、
図 3.2 のような周波数の関数としての吸収子（分子）を同定する。

ＨＨＨ対称伸縮偏角振動

スペクトルが得られる。これにより表面原非対称伸縮振動振動

図 3.1 干渉計からの干渉計からの干渉波形からの干渉波形

Intensity[arb.unit]

インターフェログラム

4.測定装置及び測定装置及び実験方法・作成した水素終端シリコンを FTFT-IR で水素の分析

各波長の各波長の正弦波・多価イオンビームを EBIT（Electron BeamIon Trap）を用いて試料に照射。
・ナノ酸化膜の作成
・ FTFT-IR による水素終端上のナノ酸化膜

光路差の分析
図 4.1 実験装置

図 3.2 吸収スペクトル
吸収スペクトル

Intensity[arb.unit]

FT-IR
赤外光

Wave number[cmnumber[cm-1]試料

マイケルソンの干渉計

5.測定結果
5.測定結果及測定結果及び考察
実際に作成した水素終端シリコンのの吸収スペクトルが出ていないように見え

FTFT-IR での測定を行うと図 5.1 のようなスる、しかし、水素終端結合の吸収スペクトペクトルが見られた。左から順に、水の非ルは元々非常に少ない、また、試料につい対象伸縮振動、水の伸縮振動、二酸化炭素た水素の量によるため、かなり試料についの非対象伸縮振動、水の偏角振動である。

た水素が少なかった可能性がある。また、

このような大きな吸収が見られる原因は、水の偏角振動による吸収スペクトルは、水赤外光が空気中を通るためであり、試料上素の吸収スペクトルより大きいため、そのの分子原子による振動のためのものでない。

中に紛れてしまった可能性がある。

また、水素終端結合に特有な振動は2100cm-1 のため、その付近を拡大したのが
図 5.2 である。図 5.2 を見てみると、水素

図 5.1 全波長での全波長での吸収での吸収スペクトル
吸収スペクトル

Intensity[arb.unit]

水 素終端 シリコンB a ckG roun d
H2OH2O

CO250 0 0

40 0 0Ｈ2Ｏ

3 00 02 00 0w av e nu m b er[cm -1 ]1 00 00

図 5.2 水素の水素の吸収スペクトル
吸収スペクトル周辺
スペクトル周辺

Intensity[arb.unit]

水 素 終 端 シ リコン
ＢackＧround

2130

2120

2110
2100
2090
wave number[cm-1]

2080

2070

そのため、水の偏角振動による吸収スペ全てをビニールで覆い、窒素ガスで満たしクトルを除去する必要があり、赤外光が空同様の実験を行ったところ図 5.3 のような気中通る道とマイケルソンの干渉計の内部結果が得られた。

図 5.3 水の偏角振動の偏角振動の吸収スペクトル
吸収スペクトルのスペクトルの比較

BackGround（処理後）

intensity

BackGround（処理前）

1800

1750

1700

16501600wave number[cm-1]

図 5.3 から、水の偏角振動が減っているの

7.参考文献7.参考文献が分かるが、これだけでは、まだ水素の吸（ⅰ）Y.J.Chabal(Ed.)

収スペクトルを見るに到らなかった。

「 Fundamental

AspectsofSiliconOxidation」

6.まとめ
6.まとめ
シリコン上で水素の振動がみられなかっ（ ⅱ）Y.J.Chabal, AT&T Bell Laboratories,
Murray Hill, NJ 07974,USA

た。また、水の除去をするのに窒素ガスが「Surface Infrared Spectroscopy」

効果的であるが、それだけでは見られない

Surface Science Reports 8(1988)211-357

ことが分かった。水の除去の他に、水素終North-Holland, Amsterdam

端の水素の付着が少ない可能性もあるため、水素を吹き付ける角度や時間、シリコンの加熱時間などを工夫する必要がある。
今後の展開としては水素の振動を見られる工夫をする。次に水素の吸収を確認後ナ
ノ酸化膜を作り、ナノ酸化膜を FT-IR にて測定を行いたい。

（ⅲ）日本表面科学会編「新訂版・表面科学の基礎と応用」
株式会社 エヌ・ティー・エス
（ⅳ）浮田宏生「電子光計測」株式会社 コロナ社