半導体用語集
表面拡散
英語表記：surface diffusion
結晶表面に吸着した原子、分子、原子クラスタなどの吸着子の、主にホッピングによる表面上のランダムな移動を表面拡散と呼ぶ。吸着子は表面上でエネルギー的に安定ないく種類かの定まった位置にのみ吸着し、これらの位置を吸着位置と呼ぶ。吸着子は表面上でエネルギー的に安定ないく種類かの定まった位置にのみ吸着し、これらの位置を吸着位置と呼ぶ。吸着子は吸着位置間のホテンシャル障壁を熱的に飛び越えて移動 (ホッピング) し、拡散を引き起こす。 拡散の起こりやすさは表面拡散係数Dで表わされ、表面拡散は通常、結晶内のバルク拡散にくらべて大きな拡散係数を持つ。これは、安定位置間のホテンシャル障壁の高さが 表面では結晶内より低いことによる。表面拡散係数Dは一般的に下記の熱活性化型の温度T依存性を持ち、高温領域で表面拡散は起こりやすくなる。
D=va2exp(—Ea/kT)
ここで、ｖは振動数因子、aはホッピ ング距離、Eaはポテンシャル障壁に よる活性化エネルギー、Kはボルツマン定数を表わす。ｖは1011～1013S-1aは1 Å程度, Eaは0 . 1 evから数 ev程度の大きさを持つ。
表面拡散により個々の吸着子の表面上の位置ｘはランダムに変化する。 時間ｔの間の変位⊿ｘの2乗平均〈⊿ｘ2〉は下式で与えられ、時間ｔに比例して増加する。
〈⊿ｘ2〉= 2Dｔ
吸着子濃度cが一様でない場合は、表面拡散により吸着子濃度の高い場所から、低い場所に向かって濃度勾配∇cに比例して吸着子の流れ(拡散フラックス)Jが生じる。
J=—D∇c
表面拡散は、結晶成長、表面形態変化、表面構造変化などで重要な役割をする。結晶の気相成長では、吸着子が再蒸発による寿命τの間に表面拡散により動ける距離、拡散長λｓが結晶成長モードを決める重要な因子になる。
λｓ=
λｓが結品表面の原子ステップ間隔より大きな場合は、吸着子がステップ端に取り込まれて結晶成長するステップフロー成長、逆の場合はテラス上の核形成による核形成成長となる。 単結晶表面が湾曲している場合の熱平衡状態での吸着子濃度は、 Gibbs Thomson の定理により凸部では高くなり凹部では低くなる。表面拡散により凸部から凹部への拡散フラックスが生じ、凹凸構造は緩和され平坦になる。緩和速度の測定から表面拡散係数が巨視的に評価される。徴視的な評価は、電界イオン顕微鏡(FIM)や走査型トンネル顕微鏡(STM)を用いて、結晶表面上の吸着子位置変化の直接測定からなされている。
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