完全表面の創成

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08CE2004
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 森 勇蔵 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00029125)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 青野 正和 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10184053) ; 片岡 俊彦 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50029328) ; 芳井 熊安 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30029152) ; 森田 瑞穂 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50157905) ; 広瀬 喜久治 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10073892)
• Keywords: 完全表面 / 超精密加工 / EEM / プラズマCVM / 大気圧プラズマCVD / 超純水電解加工 / 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独創的な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、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
(1)プラズマCVMでは、開発した数値制御プラズマCVM加工装置を用いてSi製X線用平面ミラーの加工を行い、320×40mmの範囲で平面度22.5nm(p-v)を達成した。また、SO1ウエハにおけるSi層の薄膜化においては初期厚さ200nmのSi層を41nm±8%まで薄膜化することに成功し、目標値である膜厚0.1μm(100nm)±5%をほぼ実現した。(2)EEMでは、超高圧力ノズル噴射流れを応用した新しい加工ヘッドの開発に成功した。その結果、数値制御EEM加工システムを完成し、約10nm(P-V)の形状誤差をもつ前加工表面の形状修正を実施し、約1nmの加工面形状精度を得た。(3)大気圧プラズマCVDでは、従来技術の200倍の成膜速度でアモルファスSi薄膜太陽電池デバイスの作製に成功した。また、100倍以上の成膜速度で均質かつ耐薬品性に優れた水素化アモルファスSiC薄膜の作製を可能とした。(4)超純水による電気化学加工では、これまでに実証した超純水電解加工法の実用試験を目的として、超純水電解加工システムを設計・製作し、性能評価を行った。また、新たに開発した繊維状の触媒材料を用いて、Si単結晶やCu、Mo、Fe、Alなどの各種金属材料を、最高30μm/minの速度で加工できることを示した。
2.加工プロセスの計測と制御技術
(1)大気圧・高周波プラズマの計測では、レーザー誘起蛍光分光システムを構築し、CVMプラズマ中のCFxラジカルの蛍光の空間分布を観測して、同ラジカル粒子がプラズマバルク部に多く存在する可能性を示した。(2)加工プロセスにおける表面反応の観察では、フッ素、塩素によるSi(001)表面原子のエッチング機構をSTM,LEED観察ならびに第一原理分子動力学計算を用いて原子レベルで解明した。STM,LEED観察からフッ素はSi表面から数原子層潜り込んでエッチングするが、塩素は最表面でエッチングすることがわかった。
3.加工表面の評価と評価技術の開発
(1)光ファイバの先端から発せられる回折球面波を計測基準としたPD1による超精密形状計測装置を開発した。この干渉計により、直径200mm、曲率半径1500mmの凹面鏡の絶対形状を、PV値100nm程度の精度で計測できた。また、光学系の工夫により平面形状の計測を試行し、直径100mmの平面まで測定できるシステムを構築した。(2)超精密加工表面上の0.1μm以下の付着微粒子を、短時間に高信頼度で測定できるレーザー散乱光測装置を開発している。Siウエハ表面上で粒径20nm以下の微粒子を計測するための基礎データを得て、Siウエハ表面上に存在する溝幅6nmスクラッチの検出に成功した。(3)STMによる超精密加工表面の観察では、希HF洗浄およびその後に超純水リンスを行ったSi(001)水素終端化表面のそれぞれのSTMによる原子像観察に世界で初めて成功した。また、得られた原子像から洗浄時の表面原子構造の形成メカニズムを第一原理分子動力学シミュレーションにより解明した。
4.加工現象の理論的な解明
(1)新しい計算手法である実空間差分法に基づくプログラムを開発し、様々な分子・クラスターにおいて、従来の計算手法と比べ高精度なシミュレーションが可能であること、従来の平面波基底を用いた方法では困難であった表面垂直方向に電界がかかった電界蒸発などのシミュレーションも可能であることを確認した。(2)加工現象の均一原理分子動力学シミュレーションでは、EEM、超純水電気化学加工、プラズマCVMなどの各種加工現象のシミュレーションに成功した。その結果、各種加工における加工メカニズムを解明するとともに、加工特性の材料依存性が実験と対応することを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Kazuto Yamauchi: "First-principles simulation of removal process in EEM (Elastic Emission Machining)"Computational Materials Science. Vol.14. 232-235 (1999)
• [Publications] Hidekazu Goto: "Chemisorption of OH on the H-terminated Si(001) surface"Computational Materials Science. Vol.14. 77-79 (1999)
• [Publications] Mizuho Morita: "Si Oxidation in Heating-up for Gate Oxide Formation"International Symposium on Future of Intellectual Integrated Electronics. 153-156 (1999)
• [Publications] 青野正和: "一次元分子鎖の構造と電子状態"生産技術誌. Vol.61. 61-65 (1999)
• [Publications] 大柳宏之: "チューナブルX線アンジュレータによるXAFS"電子技術総合研究所彙報. Vol.62,No.9. 9-20 (1999)
• [Publications] 有馬健太: "STMによる溶液処理水素終端化Si(001)表面の原子構造の観察(2)"第46回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 第2分冊. 28a2T8 (1999)
• [Publications] 押鐘寧: "Whispering Gallery Modesにより微小球表面に発生する近接場と物質との相互作用"第46回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 第3分冊. 29pE19 (1999)
• [Publications] 大川祐司: "STM誘起連鎖重合反応"東京大学物性研短期研究会「表面ダイナミクス」. (1999)
• [Publications] 森勇藏: "大気圧プラズマCVD法によるアモルファスSiの高速成膜に関する研究(第1報)-回転電極型大気圧プラズマCVD装置の設計・試作-"精密工学会誌. 65[11]. 1600-1604 (1999)
• [Publications] 森勇藏: "大気圧プラズマCVD法によるアモルファスSiC薄膜の高速成膜に関する研究(第1報)-成膜速度および膜構造の検討-"精密工学会誌. (投稿中).
• [Publications] 森勇藏: "大気圧プラズマCVD法によるアモルファスSiの高速成膜に関する研究(第2報)-成膜速度の高速化-"精密工学会誌. (投稿中).
• [Publications] 森勇藏: "大気圧プラズマCVDシステムにおけるプロセス雰囲気の清浄化"精密工学会誌. (投稿中).
• [Publications] Y.Mori: "Atmospheric pressure plasma chemical vapor deposition system for high-rate deposition of functional materials"Review of Scientific Instruments. (投稿中).
• [Publications] Y.Mori: "High-rate deposition of hydrogenated amorphous Sil-xCx films by atmospheric pressure plasma CVD"Journal of Applied Physics. (投稿中).
• [Publications] Y.Mori: "High-Rate Deposition of Amorphous Silicon Filme by Atmospheric Pressure Plasma CVD"TECHNOLOGY REPORTS OF THE OSAKA UNIVERSITY. (accepted).
• [Publications] Kenta Arima: "Scanning tunneling microscopy study of hydrogen-terminated Si(001) surfaces after wet cleaning"Surf.Sci.. 446. 128-136 (2000)
• [Publications] Kenta Arima: "Atomically resolved scanning tunneling microscopy of hydrogen-terminated Si(001) surfaces after HF cleaning"Appl.Phys. Lett.. Vol.76[4]. 463-465 (2000)
• [Publications] 押鐘寧: "SNOM用微小共振球プローブの電磁場解析による特性診断"1999年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 74 (1999)
• [Publications] 中川: "微小共振球プローブを用いた走査型近接場光学顕微鏡の特性"1999年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 75 (1999)
• [Publications] 有馬: "STMによる溶液処理水素終端化Si(001)表面の原子構造観察"1999年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 76 (1999)
• [Publications] 押鐘寧: "高圧力・高周波プラズマの計測と制御 -赤外半導体レーザー吸収分光法によるプラズマ中のラジカル計測"1999年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. N64 (1999)
• [Publications] 遠藤: "STM/STSによるAl,Cu吸着Si(001)表面の観察"精密工学会1999年度関西地方定期学術講演会講演論文集. B05 (1999)
• [Publications] 遠藤: "高圧力・高周波プラズマの計測と制御 -赤外半導体レーザー吸収分光法によるプラズマ計測-"精密工学会1999年度関西地方定期学術講演会講演論文集. B15 (1999)
• [Publications] 片岡: "PDI/PSIを用いた球面形状の高精度計測"精密工学会1999年度関西地方定期学術講演会講演論文集. B19 (1999)
• [Publications] 井上: "レーザー光散乱を用いたSiウエーハ表面上の微粒子計測-微粒子検出限界-"精密工学会1999年度関西地方定期学術講演会講演論文集. B20 (1999)
• [Publications] 片岡: "走査型近接場光学顕微鏡 -微小突起プローブの開発-"精密工学会1999年度関西地方定期学術講演会講演論文集. B26 (1999)
• [Publications] H.Goto: "First-principles Molecular Dynamics Simulation of Metal Surfaces Interacting with OH Molecule"Transactions of the Materials Research Society of Japan. Vol.24,2. 225-228 (1999)
• [Publications] 後藤英和: "シリコンおよび金属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. 54[1]. 314 (1999)
• [Publications] 森勇蔵: "金属・半導体と水酸イオンの電気化学反応及び超純水による加工への応用(第3報)"1999年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 571 (1999)
• [Publications] Hidekazu GOTO: "First-Principles Molecular-Dynamics Simulations of Etching Frocoss by OH Moleeules"Technology Reports of The Osaka University. (投稿中).
• [Publications] Y.Mori: "Activites on Perfect Surfaces in Osaka University Ultra Precision Machining Research Center"Proc.of the 9th ICPE. iii-xxii (1999)
• [Publications] M.Aono: "Structure Fabrication and Physical Property Measurement on the Nanometer Scale by STM-Based New Methods"Proc.of the 9th ICPE. 665-670 (1999)
• [Publications] K.Hirose: "First-Principles Molecular-Dynamics Simulations Aiding Creation of Perfect Surfaces"Proc.of the 9th ICPE. 913-922 (1999)
• [Publications] Y.Mori: "Development of Numerically Controlled EEM (Elastic Emission Machining) System for Ultraprecision Figuring and Smoothing of Aspherical Surfaces"Proc.of the 9th ICPE. 207-212 (1999)
• [Publications] Y.Mori: "Development of Numerically Controlled Plasma CVM (Chemical Vaporization Machining) System for Fabrication of Ultra Precision Optical Devices"Proc.of the 9th ICPE. 213-218 (1999)
• [Publications] H.Takino: "Plasma Chemical Vaporization Machining with a Pipe Electrode for Large Optics"Proc.of the 9th ICPE. 219-224 (1999)
• [Publications] Y.Mori: "Slicing of Functional Materials by Plasma CVM (Chemical Vaporization Machining)"Proc.of the 9th ICPE. 225-230 (1999)
• [Publications] Y.Mori: "Development of Ultra-precision and Ultra-clean Electro-chemical Processing Method Using Hydroxyl Ion in Ultrapure Water"Proc.of the 9th ICPE. 237-242 (1999)
• [Publications] J.Uchikoshi: "Laser Beam Straight Datum with Nanometric Accuracy-Analytical Estimation of Ultimate Straightness"Proc.of the 9th ICPE. 323-328 (1999)
• [Publications] Y.Oshikane: "Development of Phase-shifting Point Diffraction Interferometry Method with Fiber Point Sources"Proc.of the 9th ICPE. 336-341 (1999)
• [Publications] H.An: "Evaluation of Si Wafer Surface Using a New Apparatus for Measuring Particles of the Order of Nanometer"Proc.of the 9th ICPE. 372-377 (1999)
• [Publications] H.Inoue: "Measurement of Ultra Fine Particles on the Si Wafer Surface Using Laser Light Scattering"Proc.of the 9th ICPE. 378-383 (1999)
• [Publications] H.Takeuchi: "High Rate Polishing of Silicon Surface using Plasma CVM with Rotary Drum Electrode"Proc.of the 9th ICPE. 405-410 (1999)
• [Publications] M.Shimizu: "Development of Anisotropic Dry Etching Method Using Laser-Collimated Fluorine Radical Beam"Proc.of the 9th ICPE. 450-458 (1999)
• [Publications] K.Endo: "Scanning Tunneling Microscopy Observations of Hydrogen Terminated Si(001) Surfaces after Wet Cleaning"Proc.of the 9th ICPE. 485-490 (1999)
• [Publications] Y.Mori: "High-Rate Deposition of Amorphous Si Thin Films by Atmospheric Pressure Plasma CVD"Proc.of the 9th ICPE. 537-542 (1999)
• [Publications] S.Nakano: "High Speed Patterning of Integrated-Type a-Si Solar Cell Submodules by Plasma CVM"Proc.of the 9th ICPE. 543-548 (1999)
• [Publications] A.Takeuchi: "Doping of Single Crystalline AlN Thin Films Grown on Si(111) by Plasma-Assisted MBE"Proc.of the 9th ICPE. 624-629 (1999)
• [Publications] H.Ohmi: "Creation of Mono-Velocity Neutral Atomic Beam"Proc.of the 9th ICPE. 630-638 (1999)
• [Publications] H.Kuramochi: "Control of Atomic Defects of TiC(001) by Its Chemical Activity"Proc.of the 9th ICPE. 699-704 (1999)
• [Publications] Y.Okawa: "Ordering and Reaction of Diacetylene Molecules on a Graphite Surface Observed with STM"Proc.of the 9th ICPE. 705-710 (1999)
• [Publications] K.Terabe: "A Scanning Tunneling Microscope Tip Made of an Ionic Conductor as a Metal Atom Source to Fabricate Nanostructures"Proc.of the 9th ICPE. 711-717 (1999)
• [Publications] A.Saito: "Newly Applied X-ray Standing Wave Analysis to the YSZ Crystal"Proc.of the 9th ICPE. 787-791 (1999)
• [Publications] K.Inagaki: "Development of Evaluation Method for Ultra Precision Machined Surfaces by Photo-Reflectance Spectra"Proc.of the 9th ICPE. 792-795 (1999)
• [Publications] A.Saito: "Structural Study of Ni/YSZ(001) by Coaxial Impact-collision Ion Scattering Spectroscopy"Proc.of the 9th ICPE. 796-801 (1999)
• [Publications] M.Sakurai: "Visible Light Emission from Silver Atom Clusters Formed on Deuterium-terminated Si(001) Surface"Proc.of the 9th ICPE. 837-842 (1999)
• [Publications] K.Endo: "Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy Observations of Metal Adsorbed Si(001)2×1 Surfaces"Proc.of the 9th ICPE. 843-848 (1999)
• [Publications] Y.Mori: "Development of X-ray Microanalysis by Using STM Probe"Proc.of the 9th ICPE. 849-853 (1999)
• [Publications] H.Nakagawa: "Development of a High Sensitive Probe for Scanning Near-field Optical Microscope with a Micro Cavity"Proc.of the 9th ICPE. 905-912 (1999)
• [Publications] H.Goto: "First-Principles Molecular-Dynamics Simulations of Electro-Chemical Etching Process in Ultrapure Water"Proc.of the 9th ICPE. 923-928 (1999)
• [Publications] K.Inagaki: "First-Principles Molecular-Dynamics Calculation for Evaluating Separation Energy and Force between Powder and Work Surfaces in EEM (Elastic Emission Machining) Process"Proc.of the 9th ICPE. 929-934 (1999)
• [Publications] H.Okada: "First-Principles Molecular-Dynamics Simulation and STM Observation of Dissociative Adsorption Process of F_2 and Cl_2 on the Si(001) Surface"Proc.of the 9th ICPE. 941-946 (1999)
• [Publications] H.Toyota: "Wettability and Atomic Diffusibility of Liquid Metals on Solid Surfaces"Proc.of the 9th ICPE. 983-988 (1999)
• [Publications] T.Ono: "Development of Ab Initio Molecular-Dynamics Simulation Program Based on Real-Space Finite-Difference Method"Proc.of the 9th ICPE. 1037-1042 (1999)
• [Publications] N.Sumida: "First-Principles Molecular-Dynamics Simulation Based on Real-Space Finite-Difference Method : Dissociation of H_2O Molecule"Proc.of the 9th ICPE. 1043-1046 (1999)
• [Publications] K.Toda: "Ab Initio Monte Carlo Simulation : Stable Structure of Carbon Cluster"Proc.of the 9th ICPE. 1047-1050 (1999)
• [Publications] S.Tsukamoto: "Development of Ab Initio Molecular-Dynamics Simulation Program for Analyzing Semi-infinite System"Proc.of the 9th ICPE. 1051-1056 (1999)
• [Publications] H.Toyata: "An explanation of the wetting and the mutual diffusion mechanisms of liquid metals using ab-initio atomic orbital calculation"Computational Materials Science. Vol.14. 129-131 (1999)
• [Publications] H.Toyota: "A Fundamental Study on Atomic Diffusion Phenomenon between Liquid Metal and Carbon Substrate"Transactions of the Materials Research Society of Japan. Vol.24,2. 233-236 (1999)
• [Publications] 瀧野日出雄: "バイプ電極プラズマCVMによる光学平面の創成加工"精密工学会誌. 65[11]. 1650-1651 (1999)
• [Publications] 森勇蔵: "プラズマCVMの開発"精密工学会誌. (投稿中).
• [Publications] 森勇蔵: "数値制御プラズマCVM加工装置の開発-X線ミラー加工用装置の開発-"精密工学会誌. (投稿中).
• [Publications] 森勇蔵: "数値制御プラズマCVM加工装置の開発(第4報)"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. (2000)
• [Publications] 森勇蔵: "プラズマCVMにおける切断加工に関する研究(第5報)"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. (2000)
• [Publications] 安弘: "光散乱法による粒径測定機を用いたSiウエハの表面評価"日本機械学会「生産に関する学術講演会'99」第1回生産加工・工作機械部門講演会講演論文集. 65 (1999)
• [Publications] 安弘: "光散乱法による粒径測定機を用いたSiウエハのスクラッチ形状の欠陥測定"精密工学会1999年度関西地方定期学術講演会講演論文集. 95 (1999)
• [Publications] 安弘: "光散乱法によるナノメータオーダの粒径測定法の開発 -Siウエハ表面に対する洗浄前後の微粒子測定による表面評価-"精密工学会誌. 65[11]. 1435-1439 (1999)
• [Publications] 佐々木都至: "微粒子測定機によるナノメータオーダのSiウエハ表面形状の測定"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. (2000)
• [Publications] 佐々木都至: "微粒子測定機を用いたSiウエハ表面のナノスケール構造の測定による表面評価"第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 30a-YG-2 (2000)
• [Publications] 森勇蔵: "大気圧プラズマによる超精密加工と高速成膜"精密工学会誌. 66[4](印刷中). (2000)
• [Publications] 大参宏昌: "中性原子ビーム速度分光装置の開発"精密工学会誌. (投稿中).
• [Publications] 大参宏昌: "Li原子ビームのレーザーコリメーション"精密工学会誌. (投稿中).
• [Publications] K.Yasutake: "Velocity Spectrometer for Neutral Atomic Beam"Phys.Rev.A. (submitted).
• [Publications] 大参宏昌: "単色Li原子ビームの生成とナノリソグラフィーへの応用"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. H38 (2000)
• [Publications] 大参宏昌: "原子光学用レーザーの周波数安定化と光の増幅"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. H39 (2000)
• [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47回応用物理学関係連合講演会講演予稿. 第II分冊. 28a-ZC-16 (2000)
• [Publications] 青野正和(編著): "表面科学シリーズ5.表面の組成分析"丸善. (1999)
• [Publications] 森勇蔵(共著): "超精密ウェーハ表面制御技術(プラズマCVM技術、担当)"サイエンスフォーラム. (2000)