2016 Fiscal Year Annual Research Report
多階層シミュレーションによる新規多様材料プラズマプロセスの量子論的理解
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15H05736
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
浜口 智志 大阪大学, 工学研究科, 教授 (60301826)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
笠井 秀明 明石工業高等専門学校, その他部局等, 校長 (00177354)
Dino Wilson 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60379146)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 反応性プラズマ / プラズマ表面相互作用 / 数値シミュレーション / プラズマプロセス / 原子層プロセス / 分子動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体デバイスの超微細加工プロセスや、バイオ材料の表面処理プロセス等、プラズマを用いた表面改質は、産業界で幅広く活用されている。例えば、半導体超微細加工プロセスにおいては、製造するデバイスの微細化が原子スケールに近づいているため、表面ダメージが少なく、原子スケールの精度で新規材料に対して形状加工のできるプロセスが求められている。こうした要求に応えるため、近年、低い入射エネルギーのイオンや熱、紫外光による非熱平衡化学反応を活用したプラズマプロセスが新たに開発されている。本研究は、こうした新規のプラズマプロセスにおける非熱平衡表面化学反応を理解するため、量子シミュレーションを最大限に活用した、多階層シミュレーションを用いて、低エネルギーイオン照射による原子層プラズマプロセスの物理機構を理解するための学術基盤を確立することを目的とする。これにより、ラジカルや活性酸素（ROS）による化学反応が主体となる最先端半導体プロセスや、プラズマバイオプロセスの新しい学術体系の創生が可能となると期待される。２年目となる今年度は、Ni などの金属、および、ZnOやITOの金属酸化物への水素化、および水素イオン入射によるダメージ形成にともなるエッチング機構の変化について、理論的、実験的に解析した。また、バイオ材料応用に関しては、 ポリスチレン表面への、プラズマ処理による、アミノ基形成プロセスを理論的・実験的にさらに詳細に解析した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまでの研究では、磁気抵抗メモリ（MRAM）等に用いられる強磁性体膜の一種としてNiを例にとり、Niへの水素、炭素、酸素、一酸化炭素等のイオンによる照射実験及び分子動力学（MD）シミュレーションを行った。これにより、水素イオン入射によるダメージ形成や、他の反応性イオンによるNi基板のエッチング特性について詳細に検討した。例えば、イオン入射では、入射イオンエネルギーが低い場合においても、Ni基盤表面でカルボニル形成がほとんど起こらないことを明らかにした。また、水素イオン入射に関しては、入射角が大きな場合においても、水素イオンが薄膜内部に侵入することにより、表面ダメージが形成されやすいことを理論的に明らかにした。更に、透明電極として産業界で用いられる機会の多いITOやZnO等、金属酸化物に対する炭化水素プラズマによるエッチング特性やダメージ形成過程を、マルチイオンビーム装置を用いて、解析した。この研究により、ITOやZnOのような金属酸化物に対しては、水素イオンおよびヘリウムイオン入射により表面改質が起こり、その後の物理的スパッタリングイールドが大きく上昇することが明らかになった。この結果、軽イオン入射によるダメージ形成により、結晶粒が小さくなることとエッチング率の増加に相関があることが予想される。一方、バイオ材料プロセス解析においては、培養皿材料であるポリスチレン表面におけるアミノ基形成プロセスを、低周波インバータ―プラズマ装置およびRFプラズマ装置によって、解析した。特に、誘導体化法実験を積極的に行い、プラズマ条件と第一級アミン（-NH2）の生成プロセス条件について明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
微細加工プロセスに関して、ZnOとITOを例にとり、金属酸化物材料に対する軽イオンビーム入射によるダメージ形成と、その物理スパッタリング上昇の関係を検討する。水素イオンやヘリウムイオン等のビーム入射により微結晶が破壊され、より細かな微結晶になる現象と、上昇するスパッタリングイールドの関係を定量的に明らかにする事より、エッチング機構の詳細な解明が期待される。シリコン系材料及びマスク材として用いられるアモルファスカーボンに対するフロロカーボンプラズマによるエッチング機構の解明を目的に、引き続き、第一原理シミュレーション、古典的MDシミュレーション、およびイオンビーム照射実験を行う。また、インバータプラズマやRFプラズマを用いて、微細表面構造をもつバイオ材料プロセス実験と表面解析を行う。
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