Transcript 結果および考察 - 京都大学大学院工学研究科 材料工学専攻

AFM電圧印加による変化した有機単分子膜被覆シ
リコンの変成と界面状態評価
○韓 智元，一井 崇, 邑瀬 邦明，杉村 博之
京都大学大学院工学研究科
材料工学専攻
背景
◇ Self-assembled monolayer(SAM)：特別な制御なしに、厚さ約1-2 nm程度の超薄膜を 均一に形
成する  ナノ構造を形成するために最適の材料である。
◇ 走査型プローブ顕微鏡を用いて局所的に電圧を印加し、ナノスケールで加工。
◇ 微細な酸化膜の生成の研究(エッチングマスク)
◇ 酸化膜の上に他の分子
を吸着させる研究
◇ 分子の上にさらに分子を
吸着させる研究
FAS
OTS
NTS
ODS
Adv. Mater. 14 (2002) 524.
Adv. Mater. 11 (1999) 55.
◇ しかし、SAMとSPMを用いて、印加電圧によってパターニングを行っているほとんどの 研究にお
いて、電圧を印加した領域のSAMと基板の界面の変化について何の情報も得られ ていない。
目的
SAMとシリコン基板の間にシリコン
酸化膜が有る状態と無い状態
局所部分に電圧を印加
Lateral Force Microscopy (LFM)
Kelvin probe Force Microscopy (KFM)
Scanning Capacitance Microscopy (SCM)
SAM状態と
SAM / シリコン界面の状態
SAM試料の準備
ODS-SAM
◇ 形成したSAMの情報
◇ 作製方法
ー 水滴接触角 : 103゜
ー 膜厚 :
HD-SAM
◇ 形成したSAMの情報
◇ 作製方法
1-Hexadecene
CH2=CHC14H29
ー 水滴接触角 : 109゜
ー 膜厚 :
180 度、2時間
AFMパターニング
AFM プローブ：
Pt-Ir 両面コーティング、バネ定数 2.2 Ｎ/m、共振周波数 74 kHz
ODS-SAMのパターニングの環境：
大気中（24 ˚C、35% RH）
HD-SAMのパターニングの環境：
大気中（21 ˚C、42% RH）
測定方法
LFM
KFM
表面摩擦の変化を測定。
表面の局所的な部分に蓄積された電荷の
ドメインを測定。
SCM
絶縁膜と半導体間の界面の電荷の分布と局
所部分のキャパシタンスの変化を測定。
特定部分のキャパシタンスの変化、すなわ
ちdc/dvを測定すれば、n-型シリコンのカー
ブのピークは下凸となる。酸化膜または酸化
膜と半導体の間の界面に負電荷のトラップ
が起ればdc/dvのピークは左側に移動する。
結果および考察
LFM
KFM
SCM
ODS-SAMが
吸着した基板
9Vだけ酸化膜の
生成
すべての領域で電荷のトラップ
HD-SAMが
吸着した基板
6Vから酸化膜の
生成
酸化膜がある部分のみ電荷のトラップ
結果および考察
ODS-SAMが
吸着した基板
印加電圧(1-8 V)
(9 V)
印加電圧(1-5 V)
(6-9 V)
HD-SAMが
吸着した基板
LFM測定で、ODS-SAMとHD-SAMの膜厚差と酸化膜の有無によって、SAMの分解や酸化膜の
生成が起こる電圧に差が生じることがわかった。
KFM測定で、ODS-SAMが吸着された試料ではAFMプローブから注入された電荷がすべての領
域でトラップされたが、HD-SAMが吸着された試料では酸化膜が生成した部分でだけ電荷のト
ラップが起った。
SCM測定で、酸化膜がなければ電荷のトラップが起らないことがわかった。KFMの結果でも同様
にODS-SAMとHD-SAMの両方の試料において酸化膜または酸化膜とSAMの界面に電荷のト
ラップが起こると考えられる。
結果および考察
基準(0 V): 電圧を印加しない場合のdc/dvカーブのピーク
印加された電圧が大きくなるにつれてカーブ
のピークが左に移動
1Vから5Vまでの電圧が印加された部分
のカーブのピークは0Vの場合とほとんど一致
酸化膜または酸化膜とSAMの界面に
負電荷がトラップ
酸化膜がなければ電荷のトラップが起らない
まとめ
LFM、KFM、SCMを用いて電圧が印加された部分のSAMおよびSAMと界面の変化を
観察した。
ODS-SAMとHD-SAMの膜厚差と酸化膜の有無によって、酸化膜の生成の電圧差が
起こることがわかった。
酸化膜がなければ電荷のトラップが起らないことがわかった。
KFMとSCMを用いることで、LFMだけではわからなかった電荷トラップ現象を検出でき
た。このように、有機薄膜と半導体間の界面の電気的特性研究にKFMとSCMを用いる
ことは重要である。