2018 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 / 第一原理シミュレーション |
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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。４年目となる今年度は、「原子層プロセス（ALP）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, Co, Cuなどの金属において、酸化と加熱のステップを多数回繰り返すことにより、金属表面原子層エッチング（ALE）を行うことが可能であることを実証し、その表面反応機構を解析した。また、第一原理シミュレーションにより、金属と金属酸化膜上におけるhfacの反応性の違いを明らかにし、前述した実験結果と比較検討することにより、金属ALE反応の物理機構を明らかにした。更に、低圧プラズマからのイオン入射に関するPIC/MCシミュレーションを行い、プラズマから表面反応に関する多階層シミュレーションを実行するための基盤システムを構築した。
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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やCoを例にとり、それらの金属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い、特に、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（ALE）プロセスの可能性を追求した。本年度の研究では、実際に、基板を加熱することと表面を酸化するプロセスを繰り返すことにより、熱ALEプロセスが可能であることを実証し、さらに、NiやCoだけでなく、Cu等、他の金属に関する解析も同様に行い、金属一般とhfac の表面反応機構を明らかにした。具体的には、高分解能XPSを搭載した「原子層プロセス（ALP）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Ni, Co, Cuなどの金属・金属酸化物表面の反応性を解析し、基板加熱時の有機分子の金属および金属酸化物表面上の吸着・脱離反応を、実験と第一原理シミュレーションにより、明らかにした。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、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い、特に、直径100ミクロン以下の微細孔内部のHA表面まで、奥深くアミノ基が形成されることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる来年度は、これまで研究を行ってきたALEの逆方向プロセスである原子層堆積（ALD）プロセスに関して、表面反応機構の解析を行い、プラズマプロセスにおける幅広い表面反応の解析を可能とするシミュレーションシステムを構築する。また、これまでの研究で、気相であるプラズマ、プラズマと物質の接するマクロな系であるシース、そして、エッチング、堆積、表面改質等の反応場となる物質表面の原子レベルの物理機構を解析するシミュレーションコードを開発してきたが、今後、これらのシステムを連成し、本研究の最終目的である多階層シミュレーションを実現し、プラズマプロセスを、マクロからナノレベルで統合的に理解する。
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[Journal Article] The future for plasma science and technology2018
Author(s)
Klaus-Dieter Weltmann, Juergen F. Kolb, Marcin Holub, Dirk Uhrlandt, Milan Simek, Kostya (Ken) Ostrikov, Satoshi Hamaguchi, Uros Cvelbar, Mirko Cernak, Bruce Locke, Alexander Fridman, Pietro Favia, Kurt Becker
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Journal Title
Plasma Process Polym.
Volume: 16
Pages: 197001-1, 29
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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