水素終端シリコン表面

水素終端シリコン表面は化学的に不動態化されたシリコン基板であり、表面のSi原子は水素と結合している。^[1] 水素終端表面は疎水性で発光し、化学修飾を受けやすい。^{[2]水素終端シリコンは}シランからバルクシリコンを成長させる際の中間体である。^[3]この終端はシリコン表面の酸化や汚染を防ぐ役割を果たすため、半導体産業では重要であり、マイクロエレクトロニクスやナノテクノロジーを含むさまざまなアプリケーションにとって極めて重要である。^[4]

SiH ₄ → Si + 2 H ₂

準備

シリコンウェハーは、水、緩衝水、またはアルコールに溶解した電子グレードのフッ化水素酸溶液で処理されます。関連する反応の 1 つは、単純にシリコン酸化物を除去することです。

SiO ₂ + 4 HF → SiF ₄ + 2 H ₂ O

しかし、重要な反応はヒドロシラン官能基の形成です。

原子間力顕微鏡（AFM）は水素終端シリコン表面の操作に使用されている。^[5]^[6]

プロパティ

水素終端によりダングリングボンドが除去されます。表面のSi原子はすべて四面体です。水素終端により周囲環境での安定性が確保されます。つまり、表面は（酸化物が）きれいで、比較的不活性です。これらの材料は、特別な注意を払うことなく数分間空気中で取り扱うことができます。^[7]

実際、Si-H結合はSi-Si結合よりも強い。2種類のSi-H中心が提案されており、どちらも末端Si-H結合を特徴としている。1種類のサイトには1つのSi-H結合がある。もう1種類のサイトにはSiH ₂中心がある。^[3]

有機ヒドロシランと同様に、表面のH-Si基は末端アルケンおよびジアゾ基と反応する。この反応はヒドロシリル化と呼ばれる。水素末端表面のヒドロシリル化により、さまざまな機能を持つ多くの種類の有機化合物をシリコン表面に導入することができる。水素末端シリコンの赤外スペクトルは2090 cm ⁻¹付近に吸収帯を示し、有機ヒドロシランのνSi-Hとあまり変わらない。^[7]

潜在的な用途

あるグループは、シリコン表面から水素原子を除去することで、量子ドットでできたデジタル回路を作成するためにこの材料を使用することを提案しました。 ^[5]水素終端シリコン表面は、半導体デバイスの製造に広く使用されています。これは、さまざまな表面機能化技術の前駆体として機能し、シリコンオンインシュレータ（SOI）ウェーハの形成にも不可欠です。^[8]

安定性と反応性

水素終端シリコンは安定しているが、空気にさらされると徐々に酸化され、薄い酸化物層を形成する。このプロセスは、X線光電子分光法（XPS）や原子間力顕微鏡（AFM）などの技術を使用して監視することができる。^[9]

参照

シリコンと雲母のシラン化

参考文献

^ Fenner, DB; Biegelsen, DK; Bringans, RD (1989). 「水素終端によるシリコン表面パッシベーション：調製方法の比較研究」. Journal of Applied Physics . 66 (1): 419–424. Bibcode :1989JAP....66..419F. doi : 10.1063/1.343839 .
^ Lauerhaas, Jeffrey M.; Sailor, Michael J. (1993). 「多孔質シリコンのフォトルミネセンス消光の化学的修飾」. Science . 261 (5128): 1567–1568. Bibcode :1993Sci...261.1567L. doi :10.1126/science.261.5128.1567. PMID 17798116. S2CID 12722221.
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^ ab 「シリコン原子を操作して将来の超高速、超低消費電力チップ技術を開発」www.kurzweilai.net 2017-02-17 2017-02-22閲覧。
^ Labidi, Hatem; Koleini, Mohammad; Huff, Taleana; Salomons, Mark; Cloutier, Martin; Pitters, Jason; Wolkow, Robert A. (2017-02-13). 「水素終端シリコン表面の AFM 画像における化学結合コントラストの兆候」. Nature Communications . 8 : 14222. Bibcode :2017NatCo...814222L. doi :10.1038/ncomms14222. ISSN 2041-1723. PMC 5316802. PMID 28194036 .
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^ 篠原正則; 片桐輝明; 岩辻啓太郎; 松田佳伸; 藤山宏; 木村康雄; 庭野道雄 (2005 年 3 月). 「酸素プラズマによる水素終端シリコン表面の酸化の in-situ 赤外分光法による調査」. Thin Solid Films . 475 (1–2): 128–132. doi :10.1016/j.tsf.2004.08.054. ISSN 0040-6090.

外部リンク

UAlbertaScience (2016-10-31)、原子スケールの製造では、Less is more、2021-12-13 にオリジナルからアーカイブ、2017-02-22に取得
UAlbertaScience (2017-02-13)、原子レベルでの電子回路のパターン化とイメージング、2021-12-13にオリジナルからアーカイブ、2017-02-22に取得

[1] Fenner, DB; Biegelsen, DK; Bringans, RD (1989). 「水素終端によるシリコン表面パッシベーション：調製方法の比較研究」. Journal of Applied Physics . 66 (1): 419–424. Bibcode :1989JAP....66..419F. doi : 10.1063/1.343839 .

[2] Lauerhaas, Jeffrey M.; Sailor, Michael J. (1993). 「多孔質シリコンのフォトルミネセンス消光の化学的修飾」. Science . 261 (5128): 1567–1568. Bibcode :1993Sci...261.1567L. doi :10.1126/science.261.5128.1567. PMID 17798116. S2CID 12722221.

[Yates-3] Waltenburg、Hanne Neergaard;ジョン・イェーツ (1995)。「シリコンの表面化学」。化学。 Rev . 95 (5): 1589–1673。土井：10.1021/cr00037a600。

[4] Neergaard Waltenburg, Hanne; Yates, John (1995年7月). 「シリコンの表面化学」.化学レビュー. 95 (5): 1589–1673. doi :10.1021/cr00037a600. ISSN 0009-2665.

[:0-5] 「シリコン原子を操作して将来の超高速、超低消費電力チップ技術を開発」www.kurzweilai.net 2017-02-17 2017-02-22閲覧。

[6] Labidi, Hatem; Koleini, Mohammad; Huff, Taleana; Salomons, Mark; Cloutier, Martin; Pitters, Jason; Wolkow, Robert A. (2017-02-13). 「水素終端シリコン表面の AFM 画像における化学結合コントラストの兆候」. Nature Communications . 8 : 14222. Bibcode :2017NatCo...814222L. doi :10.1038/ncomms14222. ISSN 2041-1723. PMC 5316802. PMID 28194036 .

[Perk-7] 「水素終端シリコン表面の有機修飾1」。Journal of the Chemical Society、Perkin Transactions 2 : 23–34。2002年。doi :10.1039/B100704L。

[8] Blake, Robert B.; Pei, Lei; Yang, Li; Lee, Michael V.; Conley, Hiram J.; Davis, Robert C.; Shirahata, Naoto; Linford, Matthew R. (2008-04-18). 「水素終端シリコン上への約 2～15 nm のポリマー薄膜のワンステップ成長」。Macromolecular Rapid Communications。29 ( 8): 638–644。doi : 10.1002 /marc.200700752。ISSN 1022-1336 。

[9] 篠原正則; 片桐輝明; 岩辻啓太郎; 松田佳伸; 藤山宏; 木村康雄; 庭野道雄 (2005 年 3 月). 「酸素プラズマによる水素終端シリコン表面の酸化の in-situ 赤外分光法による調査」. Thin Solid Films . 475 (1–2): 128–132. doi :10.1016/j.tsf.2004.08.054. ISSN 0040-6090.