| Project/Area Number |
23K22768
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| Project/Area Number (Other) |
22H01498 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21030:Measurement engineering-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
若家 冨士男 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (60240454)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 勝久 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20403123)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000)
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| Keywords | 磁気力顕微鏡 / 半導体不純物濃度 / 非接触計測 / 高次振動モード |
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| Outline of Research at the Start |
磁気力顕微鏡(MFM) は，プローブ顕微鏡の一種であり，通常は磁性体の表面のもれ磁場を検出して可視化するための用いられる。しかし，本研究ではMFMを非磁性の半導体を計測するために用いる。本研究の目的は，(1)MFM を用いて，不純物半導体のキャリア密度(不純物濃度)をナノメートル分解能で，非接触で測定する手法を確立すること，(2)その検出限界や空間分解能を明らかにすること，の２つである。この目的を達成するため，振動する磁性体と導電性物質の相互作用の理論を構築し，数値シミュレーションを行う。それらから求められたシーケンスを実現する装置を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に購入した磁気力顕微鏡を改造し，フォトディテクタの信号を外部に取り出しオシロスコープで観察できるようにした。また，外部から電源を接続し，ステージのコントロールとプローブ高さのコントロールを可能にした。さらに，励振電圧とフォトディテクタのシグナルをロックインアンプに入力し，位相差を検出した。これらの改造により，基板の X，Y ポジションと基板表面からのプローブ高さを外部からコントロールしながら，任意のポジションと高さにおけるプローブ振動の位相差を計測できるようになった。さらに，それらを制御するためのＰＣを接続し，Microsoft の C# を使ってＰＣ上での制御ソフトを自作した。その結果，ステージのポジションとプローブの基板からの高さをＰＣから制御しながら，プローブ振動の位相を計測し，それをＰＣに取り込むことに成功した。
また，磁気力顕微鏡の位相計測感度を向上するための新しい試みとして，カンチレバーの高次の振動モードを用いて振動周波数を上げる手法を考案し，カンチレバーの運動方程式と，基板に発生する渦電流と，渦電流が発生する磁場と，その磁場からカンチレバーが受ける力のすべてを考慮した理論を構築した。しかし，複雑な計算の結果，高次の振動モードを利用すると，かえって位相検出感度が低下することが判明した。高次の振動モードを利用すれば，振動周波数が増大し，渦電流も大きくなるのだが，高次の振動モードでは実効的なバネ定数が大きくなってしまうことがその原因であることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画していたとおり，市販の磁気力顕微鏡を改造した。フォトディテクタのシグナルを外部に取り出し，電圧源の電圧をピエゾに印加してステージを制御し，励振電圧とフォトディテクタの位相差をロックインアンプで検出した。計測するための試料が完成しなかった点が本年度の反省点である。
理論的研究は予想していなかった方向に進んだ。カンチレバーの高次の振動モードを利用した場合の，カンチレバーの運動方程式に，渦電流の大きさ，渦電流が発生する磁場，その磁場から渦電流が受ける力のすべてを考慮した複雑な方程式の解析解を求めることができた。
以上を総合的に判断し「おおむね順調に進展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
２０２３年度の理論的検討により，カンチレバーの高次の振動モードを利用することは，位相検出感度を上げることにつながらないことが判明したため，今後は，プローブ自身の改造や，プローブと基板の距離を極限まで近づけるなど，さまざまな方法で感度を上げていく。そのための理論の構築とシミュレーションも行う。
また，計測するための試料の準備も進める。絶縁体，金属，半導体をパターニングし，表面から様々な深さに様々な抵抗率の層を作製し，それらを磁気力顕微鏡で検出する。
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