2017 Fiscal Year Annual Research Report
Quantum Theoretical Analyses of Plasma Processing for Novel and Diverse Materials Using Multi-Scale Numerical Simulations
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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。３年目となる今年度は、昨年まで行っていたZnOとITO膜のエッチング機構の解明をさらに進め、水素イオン入射などによる化学反応が伴わない場合においても、微結晶構造の変化により、スパッタリングイールドが大きく変化することを、より詳細に明らかにした。また、新たに構築した「原子層エッチング解析システム」を用いた実験において、ヘキサフルオロアセチルアセトン（hfac）等による熱的過程によるNiおよび他の金属表面の原子層エッチング機構を解析し、かつ、第一原理シミュレーションを用いて、これらの分子表面相互作用解析を行った。また、プラズマ解析に関しては、大気圧プラズマ生成に関するPIC/MCシミュレーションに、紫外線輸送を導入したモデルを構築した。
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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と各種ラジカルや反応性イオンとの相互作用について解析を行ってきた。磁性体金属に対しては、揮発性化合物を生成する反応性イオンエッチングは、未だ開発されていない。しかしながら、熱プロセスを利用して金属錯体を形成する原子層エッチングプロセスの可能性は残されており、本年度の研究では、この熱プロセスの機構解明を集中的に行い、その結果、熱反応プロセスの反応機構の概要が明らかになった。具体的には、高分解能XPSを搭載した「原子層エッチング解析システム」による反応性気体暴露・イオンビーム照射実験によって、ヘキサフルオロアセチルアセトン（hfac）等の有機分子と金属・金属酸化物表面の反応性を解析し、有機分子の金属および金属酸化物表面上の吸着状態の安定性に関する違いを明らかにした。また、第一原理シミュレーションにより、金属表面のわずかな酸化により、金属表面にイオン結合性が生じ、有機分子のカルボキシル基酸素との表面金属原子との間のイオン結合性が強まることを明らかにした。これらの実験的・理論的研究により、金属表面上で揮発性金属錯体のプリカーサー形成過程の概要が明らかになった。一方、バイオ材料プロセス解析においては、昨年まで行った、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応用し、人工骨材料であるハイドロキシアパタイト（HA）表面へのアミノ基形成に関する研究を行った。HA表面にN原子は直接結合しないため、ポリマー重合を併用し、アミノ基形成が可能となることを実験的に立証した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、いま学会で注目を集めている原子層エッチングプロセスの表面反応機構について、さらに、研究を深める。一口に原子層エッチングプロセスといっても、扱う基板材料によって、その表面反応は大きく異なる。今後の本研究では、（１）Si系材料と（２）金属材料、（３）金属酸化膜材料の３種類について、理論（数値シミュレーション）と実験（ビーム実験）を用いて、詳細に解析する。（1）のSi系材料に関しては、プラズマとの相互作用が比較的よく理解されているが、イオン入射エネルギーの低い領域におけるハロゲン系ラジカルと基板個体の反応がよく知られていない。現在、当研究室が独自に開発したMDシミュレーションを用いて、表面反応解析を行っている。（２）の金属材料については、特に磁性体材料に関して、揮発性金属錯体を形成する表面化学反応に学会の注目が集まっている。本研究では、本年度行った高分解能XPSによる表面解析と第一原子シミュレーションを今後も継続し、その反応機構を明らかにすると同時に、反応の異方性を得るために、低エネルギーイオン照射など、熱以外の新しいエネルギー注入法の可能性を探る。また、（３）の金属酸化物については、磁性体材料の場合と同様に、金属錯体形成による化学的エッチングの表面反応機構を解析すると同時に、低エネルギー水素やヘリウムイオン照射を活用したダメージ形成による物理スパッタリングによる原子層エッチングプロセスの可能性を探り、かつ、そのエッチング機構の詳細を明らかにする。
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Research Products
(66 results)
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[Journal Article] Effects of Hydrogen on the Chemically Enhanced Etching of Tin-doped Indium Oxide (ITO),2018
Author(s)
Hu Li, Kazuhiro Karahashi, Pascal Friederich, Karin Fink, Masanaga Fukasawa, Akiko Hirata, Kazunori Nagahata, Tetsuya Tatsumi, Wolfgang Wenzel, and Satoshi Hamaguchi,
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Journal Title
Jpn. J. Appl. Phys.
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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