完全表面の創成

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08CE2004
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 森 勇藏 大阪大学, 工学部, 教授 (00029125)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森田 瑞穂 大阪大学, 工学部, 教授 (50157905) ; 広瀬 喜久治 大阪大学, 工学部, 教授 (10073892) ; 青野 正和 大阪大学, 工学部, 教授 (10184053) ; 片岡 俊彦 大阪大学, 工学部, 教授 (50029328) ; 芳井 熊安 大阪大学, 工学部, 教授 (30029152)
• Keywords: 完全表面 / 超精密加工 / EEM / プラズマCVM / 大気圧プラズマCVD / STM / 第一原理分子動力学シミュレーション / ウルトラクリーンテクノロジー

Research Abstract

本研究では、完全表面の創成を目的とした新しい超精密加工および成膜方法を確立するため、新しい加工プロセスの開発、加工プロセスの計測と制御技術の開発、加工表面の評価と評価技術の開発、加工現象の理論的な解明という4項目の目標を達成しなければならない。各項目について、それぞれ特筆すべき研究の進展および新たに得られた知見について述べる。
1.新しい加工プロセスの開発
数値制御EEM装置、数値制御プラズマCVM装置を開発した。それぞれ回転軸とステージに加工雰囲気の超純水、Heガスを用いた世界で初めての静圧軸受けを採用した。加工雰囲気のウルトラクリーン化と加工特性安定化のため、EEM用加工液精製システムとCVM用ガス循環・精製システムを開発した。大気圧プラズマCVDでは、極紫外光・X線用光学素子材料としてのアモルファスSiCの高速成膜を試み、従来法では不可能な約100nm/sの成膜速度を得た。
新しい電気化学的加工プロセスの開発では、第一原理分子動力学シミュレーションにより、水酸基の作用で材料表面原子間の結合エネルギーが低下し、加工現象が誘起されることを予測した。超純水中の水酸基による加工実験から、Siや各種金属材料の表面酸化膜形成や除去加工を確認し、超純水のみによる電気化学加工プロセスの可能性を示した。
走査型トンネル顕微鏡を用いた固体表面の原子スケール加工では、自己組織化を利用してSi表面上の金属原子による導電性量子細線の構築実験を行った。電磁波を用いたナノストラクチャー形成プロセスでは、中性Li原子について共鳴レーザー光による原子運動制御を行い、ナノストラクチャー作製を行うと共に、レーザーコリメーションされたF原子ラジカルによる異方性ドライエッチング技術の開発に着手した。また、酸化膜成長によるSiウエハ表面平坦化法の開発を開始した。
2.加工現象の理論的な解明
第一原理分子動力学シミュレーションを高速実行できる新しい計算手法を開発し、性能を評価した。従来のプログラムを改良し、EEMと超純水電気化学加工の素過程のシミュレーションを行った。実験による加工特性と合致する結果が得られ、加工現象の解明と加工特性の予測が可能であることを示した。
3.加工プロセスの計測と制御技術の開発
大気圧・高周波(145MHz)プラズマの内部構造の時間変化について、ストリークカメラによる時空間分解発光分光計測および局所電界近似法による理論計算を行った。プラズマ構造は、負グローであり、電極近傍のイオンシース領域で強い発光が生じ、電極間中央まで発光がのびていることが分かった。
EEM回転球型加工ヘッドと加工物表面間における粉末粒子の運動を、3次元弾性流体潤滑理論に基づいて解析し、加工ヘッド設計の指針を得た。EEM用粉末粒子表面のゼータ電位計測により、SiO_2表面の水酸基からH^+イオンが放出されること、昇温脱離ガス分析によりSiO_2粒子表面には3種類の水酸基構造があることを明らかにした。
4.加工表面の評価と評価技術の開発
従来の実体基準に代わる直接基準として方向安定化レーザー光を用い、内径65mm、長さ500mmの大型光学素子形状を高精度計測する装置を試作し、センサーヘッドの追尾性能として10nmを得た。
超高真空中でSi(001)2×1表面に吸着したAl原子について、電子局所状態密度のSTM/STSによる計測結果が、第一原理分子動力学シミュレーション結果と一致することを確かめ、表面元素分析の可能性を示した。また、STM探針を電子源として表面原子から発生するオージェ電子や特性X線をエネルギー分析することで単一原子の元素分析を行うSTM-AES・XMAを開発している。STM探針から放出される電子により発生した特性X線の検出に成功した。
Siウエハ表面上の0.1μm以下の微粒子を計測できる散乱光計測装置を開発している。粒径20nmの微粒子を計測するための基礎データ得ると共に装置設計を行った。また、走査型近接場光学顕微鏡の高空間分解能化のため、微小共振球を用いたプローブ開発に着手した。

Research Products

• [Publications] T.Kataoka: "Growth of Crystalline Silicon on a Cryogenic Substrate by Photochemical Reaction in a Condensed Phase" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36, No.12A. 7395-7398 (1997)
• [Publications] 井上晴行: "レーザ光散乱法によるSiウエハ付着微粒子計測装置の開発" 精密工学会誌. 63巻8号. 1117-1121 (1997)
• [Publications] K.Endo: "STM/STS and the first principles calculations on Al/Si(001)2×1" Applied Physics A. Vol.66. S1-S4 (1998)
• [Publications] K.Yasutake: "Deep Level Characterization in Semi-Insulating GaAs by Photo-Induced Current and Hall Effect Transient Spectroscopy" J.Mater.Sci.Materials in Electronics. Vol.8. 239-245 (1997)
• [Publications] K.Yasutake: "Thermal and Photo-induced Surface Damage in Paratellurite" J.Mater.Sci.Vol.32, No.24. 6595-6600 (1997)
• [Publications] K.Yasutake: "Molecular beam epitaxial gorwth of AlN single crystalline films on Si(111) using radio-frequency plasma assisted nitrogen radical source" J.Vac.Sci.Tech.A. (in the press).
• [Publications] 清水正男: "半導体素子特性に対するコンタクトホール内部の残留有機物薄膜の影響" 精密工学会誌. (投稿中).
• [Publications] Y.Oshikane: "Capacitive VHF Plasma Simulation at Atmospheric Pressure by Local Field Approximation Method" Report of the Institute of Fluid Science,Tohoku University. Vol.10. 147-155 (1997)
• [Publications] 押鐘 寧: "容量結合型・大気圧・高周波ヘリウムプラズマの分光計測" 第15回「プラズマプロセシング研究会」プロシ-ディングス. 358-361 (1998)
• [Publications] 片岡俊彦: "エキシマレーザーによる基板表面凝集相の光化学反応" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 109 (1997)
• [Publications] 遠藤勝義: "STM/STSによる金属吸着Si(001)表面の観察" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 271 (1997)
• [Publications] 森 勇藏: "回転電極を用いた大気圧プラズマCVDによるSi薄膜の高速成膜に関する研究(第4報)-a-Siの成膜速度の高速化-" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 191 (1997)
• [Publications] 堂本洋一: "回転電極を用いた大気圧プラズマCVDによるSi薄膜の高速成膜に関する研究(第5報)-高速形成薄膜の特性-" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 192 (1997)
• [Publications] 竹内昭博: "Si(111)基板上AlN単結晶薄膜のド-ピングに関する研究" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 112 (1997)
• [Publications] 大参宏昌: "レーザー冷却法による中性原子ビームのコリメーション" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 111 (1997)
• [Publications] 後藤英和: "水酸基と相互作用するシリコン単結晶(001)水素終端化表面の第一原理分子動力学シミュレーション" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 95 (1997)
• [Publications] 広瀬喜久治: "水酸基による金属表面原子の除去加工の第一原理分子動力学シミュレーション" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 96 (1997)
• [Publications] 広瀬喜久治: "EEMにおける原子除去過程の第一原理分子動力学シミュレーション" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 97 (1997)
• [Publications] 片岡俊彦: "微小共振球をプローブとした近接場光学顕微鏡の開発-微小共振球プローブの開発-" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 269 (1997)
• [Publications] 広瀬喜久治: "金属窒化物セラミックスの薄膜成長過程の第一原理シミュレーション" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 113 (1997)
• [Publications] 遠藤勝義: "高圧力・高周波プラズマの計測と制御-プラズマの時空間分解発光分光測定-" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 110 (1997)
• [Publications] 遠藤勝義: "光ファイバリング共振器を用いた近接場の発生・検知システムの開発" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 246 (1997)
• [Publications] 井上晴行: "レーザー光散乱によるSiウェーハ表面上の微粒子計測-冷却CCDカメラによる測定-" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 244 (1997)
• [Publications] 島田尚一: "光線基準を用いた円筒内面の高精度形状計測法" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 241 (1997)
• [Publications] 森 勇藏: "数値制御プラズマCVM加工装置の開発(第1報)" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 186 (1997)
• [Publications] 森 勇藏: "プラズマCVMにおける切断加工に関する研究(第3報)-各種材料の切断加工特性-" 1997年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 185 (1997)
• [Publications] 押鐘 寧: "微小共振球をプローブとした近接場光学顕微鏡の開発" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 629 (1998)
• [Publications] 遠藤勝義: "高圧力・高周波プラズマの計測と制御-吸収分光法による準安定粒子の診断-" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 516 (1998)
• [Publications] 冨田 彰: "方向安定化レーザービームを直線基準とした高精度形状測定" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 506 (1998)
• [Publications] 稲垣耕司: "EEMにおける原子除去過程の計算機シミュレーション(第2報)" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 176 (1998)
• [Publications] 竹内昭博: "Si(111)基板上AlN単結晶薄膜のド-ピングに関する研究" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 425 (1998)
• [Publications] 森 勇藏: "数値制御プラズマCVM加工装置の開発(第2報)" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 514 (1998)
• [Publications] 森 勇藏: "EEM(Elastic Emission Machining)用微粒子作製装置の開発" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 430 (1998)
• [Publications] 片岡俊彦: "エキシマレーザーによる基板表面凝集相の光化学反応" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 431 (1998)
• [Publications] 森 勇藏: "EEM加工システムの超清浄化とその効果" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 517 (1998)
• [Publications] 大参宏昌: "中性原子ビームのコリメーションとナノリソグラフィへの応用" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 520 (1998)
• [Publications] 清水正男: "レーザー冷却法を用いた異方性ドライエッチングプロセスの開発" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 521 (1998)
• [Publications] 有馬健太: "STM/STSによるSiウェーハ表面の金属汚染物の極微量元素分析" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 674 (1998)
• [Publications] 安 弘: "光散乱法によるナノオーダーの粒径測定法(第7報)-ウルトラクリーンルーム内でのSiウェーハ面の微粒子測定と表面評価-" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 675 (1998)
• [Publications] 井上晴行: "レーザー光散乱法によるSiウェーハ表面上の微粒子計測-冷却CCDカメラによる標準試料の測定-" 1998年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. N82 (1998)
• [Publications] 大参宏昌: "Li原子ビームのコリメーションとナノファブリケーションへの応用" 第45回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. (掲載予定). (1998)
• [Publications] 清水正男: "フッ素ラジカルビームのレーザーコリメーション" 第45回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. (掲載予定). (1998)
• [Publications] 後藤英和: "Si(001)水素終端化表面の水酸基によるエッチング現象の第一原理計算(I)" 日本物理学会講演概要集. 52巻2号. 331 (1997)
• [Publications] 広瀬喜久治: "STM-XMA法における電界中の電子状態計算" 日本物理学会講演概要集. 52巻2号. 349 (1997)
• [Publications] 広瀬喜久治: "GGAを用いた実空間差分電子状態計算II" 日本物理学会講演概要集. 52巻2号. 807 (1997)
• [Publications] 小野倫也: "実空間差分法を用いた二原子分子の電子状態計算" DV-Xα研究協会会報. 10巻2号. 40-44 (1997)
• [Publications] 杉本光宏: "EEM加工機構の第一原理分子動力学シミュレーション" DV-Xα研究協会会報. 10巻2号. 45-48 (1997)
• [Publications] 中村隆喜: "GGAを用いた実空間差分電子状態計算III" 日本物理学会講演概要集. 53巻1号(掲載予定). (1998)
• [Publications] 稲垣耕司: "固体表面間相互作用による除去加工プロセスの計算機シミュレーション" 第58回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. 584 (1997)
• [Publications] H.GOTO: "Chemisorption of OH on the H-terminated Si(001)" Abstracts and program IUMRS-ICA-97. 555 (1997)
• [Publications] H.TOYOTA: "An explanation of the wetting and the mutual diffusion mechanisms of liquid metals using ab-initio atomic orbital calculation" Abstracts and program IUMRS-ICA-97. 562 (1997)
• [Publications] K.YAMAUCHI: "First-principle simulations of removal process in EEM(Elastic Emission Machining)" Abstracts and program IUMRS-ICA-97. 578 (1997)
• [Publications] K.ARIMA: "Observation of metal on Si(001) by STM/STS and its consideration based on the first principles calculations" Abstracts and program IUMRS-ICA-97. 579 (1997)
• [Publications] H.GOTO: "First-principles molecular dynamics simulations of H-terminated Si(001) surfaces interacting with OH molecules" Institute for Numerical Simulations and Applied Mathematics Symposium 1997. (1997)
• [Publications] Y.TATARA: "STM/STS observation and the first-principles calculations on Al/Si(001)2×1" Institute for Numerical Simulations and Applied Mathematics Symposium 1997. (1997)
• [Publications] K.INAGAKI: "First-principles simulations of removal process in EEM(Elastic Emission Machining)" Institute for Numerical Simulations and Applied Mathematics Symposium 1997. (1997)
• [Publications] 大津元一: "近接場ナノフォトニクスハンドブック" (株)オプトロニクス社, 270 (1997)