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摩擦と化学反応が複雑に絡み合ったマルチフィジックス化学機械研磨シミュレータの開発

Research Project

Project/Area Number 15J02619
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Design engineering/Machine functional elements/Tribology
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

河口 健太郎  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2017-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2016)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords化学機械研磨 / 量子分子動力学法 / 半導体
Outline of Annual Research Achievements

難加工材料として加工効率の向上が求められる窒化ガリウム(GaN)基板研磨プロセスについて,化学機械研磨(CMP)メカニズムの解明に基づき,高効率研磨に向けた材料設計・プロセス設計を行った.OHラジカルを活性種として用いたGaN CMPシミュレーションを行った結果,摩擦界面においてSiO2砥粒と酸化したGaN基板との化学反応により砥粒-基板間でSi-O-Gaの結合が形成されることを明らかにした.砥粒と結合を形成したGa原子は砥粒の移動により基板から引き抜かれるGa原子の除去メカニズムを明らかにした.Ga原子の除去に対する高効率化に向けて,第一原理計算を用いて砥粒材料がGa原子の引き抜きプロセスに及ぼす影響について検討した.酸化したGaN基板と砥粒粒子をモデル化し,基板と砥粒が離れた状態(状態Ⅰ),砥粒が基板に結合した状態(状態Ⅱ),砥粒と結合する基板のGa原子が引き抜かれた状態(状態Ⅲ)をモデル化した.砥粒材料としてSiO2砥粒とナノダイヤモンド(ND)砥粒をモデル化し,砥粒材料がGa原子の引き抜きプロセスに及ぼす影響を検討した.状態Ⅰを基準として状態Ⅱと状態Ⅲのエネルギーを比較するとSiO2砥粒を用いた場合,状態Ⅱが+6.5 kcal/mol,状態Ⅲが+3.7 kcal/molであり,砥粒-基板間の結合形成とGa原子の引き抜きが吸熱反応となりSiO2砥粒によるGa原子の引き抜きプロセスは進行しづらいことを明らかにした.ND砥粒を用いた場合,状態Ⅱが+1.4 kcal/mol,状態Ⅲが-5.9 kcal/molであり,Ga原子の引き抜きが発熱反応となりND砥粒によるGa原子の引き抜きプロセスはSiO2砥粒と比較して進行しやすいことを明らかにした.この結果を基に,ND砥粒を用いた実証実験をおこない従来のSiO2砥粒を用いたプロセスと比較して10倍以上の加工効率の向上に成功した.

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2017 2016 2015

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Atomistic Mechanisms of Chemical Mechanical Polishing of a Cu Surface in Aqueous H2O2: Tight-Binding Quantum Chemical Molecular Dynamics Simulations2016

    • Author(s)
      Kentaro Kawaguchi, Hiroshi Ito, Takuya Kuwahara, Yuji Higuchi, Nobuki Ozawa, and Momoji Kubo
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: - Issue: 18 Pages: 11830-11841

    • DOI

      10.1021/acsami.5b11910

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Polishing Simulation of Gallium Nitride Substrate Assisted by Chemical Reactions with Hydroxyl Radicals2017

    • Author(s)
      Kentaro Kawaguchi, Takuya Igarashi, Yuji Higuchi, Nobuki Ozawa, and Momoji Kubo
    • Organizer
      41st International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites
    • Place of Presentation
      Hilton Daytona Beach Resort/Ocean Walk Village, Florida, USA
    • Year and Date
      2017-01-22
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子分子動力学シミュレーションによる単結晶ダイヤモンド基板研磨プロセスの検討2016

    • Author(s)
      河口健太郎, 樋口祐次, 尾澤伸樹, 久保百司
    • Organizer
      2016年度精密工学会春季大会学術講演会
    • Place of Presentation
      東京理科大学(千葉県)
    • Year and Date
      2016-03-15
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Chemical Reactions at Friction Interface during Chemical Mechanical Polishing of Gallium Nitride Assisted by OH Radicals2015

    • Author(s)
      Kentaro Kawaguchi, Yuji Higuchi, Nobuki Ozawa, Momoji Kubo
    • Organizer
      51st Symposium on Theoretical Chemistry
    • Place of Presentation
      Potsdam, Germany
    • Year and Date
      2015-09-20
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Atomic-Scale Removal Mechanisms during Chemical Mechanical Polishing of Gallium Nitride Assisted by OH Radicals2015

    • Author(s)
      Kentaro Kawaguchi, Yuji Higuchi, Nobuki Ozawa, Momoji Kubo
    • Organizer
      1st European Conference on Physical and Theoretical Chemistry
    • Place of Presentation
      Catania, Italy
    • Year and Date
      2015-09-14
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子化学計算を用いたGaN CMPにおけるOHラジカルの量が化学反応および研磨 プロセスに及ぼす影響の解明2015

    • Author(s)
      河口健太郎, 樋口祐次, 尾澤伸樹, 久保百司
    • Organizer
      2015年度精密工学会秋季大会学術講演会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県)
    • Year and Date
      2015-09-04
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] GaN基板研磨プロセスにおける基板表面のステップ構造が研磨特性に及ぼす影響の解明:量子分子動力学シミュレーション2015

    • Author(s)
      河口健太郎, 樋口祐次, 尾澤伸樹, 久保百司
    • Organizer
      トライボロジー会議2015春
    • Place of Presentation
      姫路商工会議所(兵庫県)
    • Year and Date
      2015-05-27
    • Related Report
      2015 Annual Research Report

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Published: 2015-11-26   Modified: 2024-03-26  

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