[論文レビュー] Variation of the metallic content of Focused Electron Beam Induced Deposition of Cobalt

Laurent Bernau, Mihai Gabureac+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2010

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques参考文献 18被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、コバルトカルボニルを用いた平面状フォーカスド電子ビーム誘起堆積（FEBID）において、留置時間の調整によりコバルト含有量を20〜70 at.%の範囲で正確に制御できることを示した。この変動は、室内の背景に存在する炭化水素の共堆積に起因し、長時間の留置時間では炭化水素が選択的に消費され、堆積物に与えるコバルトカルボニルの相対的寄与度が増加することで生じる。この現象により、磁気センシング用途に適した金属的組成の制御が可能となる。

ABSTRACT

Cobalt-containing deposits from Cobalt carbonyl are experimentally produced and their composition is measured. The Cobalt concentration is found to be readily tunable between 20 and 70 at.% by variation of the dwell time. The variations in metallic concentration are explained by co-deposition of hydrocarbons present in the chamber background pressure.

研究の動機と目的

• ジコバルトオクタカルボニルを前駆体として用いた平面状FEBID堆積物における金属的コバルト含有量の可変性を調査すること。
• FEBID堆積物の組成変動の原因を特定し、特に室内の残渣炭化水素が果たす役割を特定すること。
• 観測された留置時間依存性を説明する二種類の物質共堆積モデルを構築すること。
• FEBID堆積物の磁気的および電気的性質を、0.1 µm未満のホールセンサなどに応用可能なように正確に制御すること。
• 低ビーム電流条件下で、組成変動の主因が熱的効果ではなく、炭化水素の共堆積であることを実証すること。

提案手法

• 25 kV、1 nAの電子ビームを用い、SiO2被膜を有するシリコン基板上に、約4.4 × 10^15 個分子/sの制御された前駆体フラックスでFEBIDを実施した。
• 留置時間を2桁の範囲（500 ns から 50 µs）で変化させ、総堆積線量を10 C/cm²で一定に保った。
• ピクセル間隔を30 nmに設定し、ビームの重なり率を約2倍にし、有効な留置時間を2倍にした。
• 組成測定には3 keVプローブを用いたエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDX）を用い、±5 at.%の精度でキャリブレーションを行った。
• 表面サイトの占有状態と解離収率に基づくキネティックモデルを構築し、ジコバルトカルボニルおよび炭化水素種（例：ベンゼン、PPE）を含めた。
• モデルは、成長速度と組成を予測する式 R_tot = V₁σ₁ft_d⁻¹∫₀^{t_d} n₁(t)dt + V₂σ₂ft_d⁻¹∫₀^{t_d} n₂(t)dt を用い、各電子に対する解離収率を Y_i = σ_i t_d⁻¹ ∫₀^{t_d} n_i(t)dt として定義した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジコバルトオクタカルボニルからの平面状FEBID堆積物における金属的コバルト含有量は、留置時間の変化によってどのように変化するか？
• RQ2 室内の残渣炭化水素が、FEBID堆積物の組成を決定づける役割を果たすのか？
• RQ3 二種類の物質共堆積モデルが、留置時間に依存するコバルト含有量の変動を説明できるか？
• RQ4 同じ条件下でも、報告されるFEBIDにおけるコバルト含有量が広範囲にわたる理由は何か？
• RQ5 低電流FEBIDにおいて、熱的効果が組成変動に与える寄与度はどの程度か？

主な発見

• ジコバルトオクタカルボニル（Co2(CO)8）からの平面状FEBID堆積物におけるコバルト含有量は、留置時間を500 ns から 50 µs の範囲で変化させることで、20 から 70 at.% に調整可能である。
• 短い留置時間（≤1 µs）では、炭化水素の共堆積が支配的となり、コバルト含有量は約20 at.% に低下する。
• 長い留置時間（>20 µs）では、局所的な炭化水素の消費が進行し、コバルトカルボニルの相対的寄与度が増加し、コバルト含有量は約70 at.% に上昇する。
• 非常に長い留置時間では、コバルトカルボニルの枯渇によりコバルト含有量がわずかに減少するが、この傾向は実験的トレンドと整合的である。
• EDX測定による(3 µm)²の堆積物から、Co2(CO)8の解離生成物の組成をCo2C0.61O0.46と推定した。
• 二種類の物質共堆積モデルは、成長速度および組成の両方を正確に予測でき、炭化水素の共堆積が組成制御の主因であることを確認した。