2019 Fiscal Year Annual Research Report
ウルトラファインバブルの流動・圧壊ダイナミクスの解明と機械加工への展開
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19H00734
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
厨川 常元 東北大学, 医工学研究科, 教授 (90170092)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水谷 正義 東北大学, 工学研究科, 准教授 (50398640)
嶋田 慶太 東北大学, 工学研究科, 助教 (30633383)
久保 百司 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90241538)
今野 豊彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (90260447)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ウルトラファインバブル / GaN研磨加工 / Ti 切削加工 / マイクロテクスチャリング / 分子動力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はウルトラファインバブル(UFB)の基礎的な流動・圧壊ダイナミクスを大規模分子動力学シミュレーションにより解明し、その知見に基づき窒化ガリウム(GaN)等のウエハの最終仕上げ研磨加工（化学メカニカル研磨CMP）とチタン合金の超高能率切削加工に応用展開し、加工の高能率化、高精度化を実現することを目的とする。そしてUFBの効果を最大化するため研磨加工においては超音波援用供給法を、また切削加工においては工具すくい面と逃げ面にマイクロテクスチャリング処理を施した機能性工具を試作し、それぞれの加工性能の向上を実現する。本年度は主として、UFBの大規模分子動力学シミュレーション、並びのGaNウエハの基礎的研磨実験を行い、UFBの基礎特性に関して検討した。以下にその結果を示す。
① UFBの流動・圧壊ダイナミクス解明：UFBの大規模分子動力学モデルを作成した。従来の10倍以上の数100万原子のモデルを構築するとともに、その圧壊過程をシミュレーションすることに成功した。
② UFBの圧壊装置の設計試作：UFBは液体中で相互に結合、上昇することが非常に少ないため、加工液中に長期間残留する。しかし加工液中に残留しているだけでは効果が無く、衝撃波等で圧壊させないと所期の効果が期待できない。そこで1MHz、40Wの超音波振動援用供給装置を試作した。
③ UFB含有スラリーを用いた研磨加工実験：GaN半導体基板の高能率・高品位最終仕上げ研磨加工において、UFBを用いた予備実験を行った。
④ 研磨加工における加工ダメージ評価：実際にGaN基板をUFB含有ナノダイヤモンドスラリーを用いて研磨加工し、その研磨特性に関して検討を始めた。また透過型電子顕微鏡(TEM)による表面の断面観察を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年の進捗状況は下記の通り。
① UFBの流動・圧壊ダイナミクス解明：UFBの大規模分子動力学モデルを作成した。従来の10倍以上の数100万原子のモデルを構築するとともに、その圧壊過程をシミュレーションすることに成功した。またさらに工作物のCMP過程をモデル化した。
② UFBの圧壊装置の設計試作：UFBは液体中で相互に結合、上昇することが非常に少ないため、加工液中に長期間残留する。しかし加工液中に残留しているだけでは効果が無く、衝撃波等で圧壊させないと所期の効果が期待できない。そこで1MHz、40Wの超音波振動援用供給装置を試作した。その結果、超音波を印加することによってUFBが圧壊し、OHラジカルが発生していることを電子スピン共鳴装置（ESR）により確認した。
③ UFB含有スラリーを用いた研磨加工実験：GaN半導体基板の高能率・高品位最終仕上げ研磨加工を用いて、UFB予備実験を行った。その結果、UFB+超音波援用を用いることにより、研磨効率が増加することを確認した。
④ 研磨加工における加工ダメージ評価：実際にGaN基板をUFB含有ナノダイヤモンドスラリーを用いて研磨加工し、その研磨特性に関して検討を始めた。また透過型電子顕微鏡(TEM)による表面の断面観察が可能であることを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1年目に引き続き、下記の項目を継続して検討するとともに、UFB加工液の伝熱特性把握のため、膜沸騰曲線の実測を追加検討することにしたい。
① UFBの流動・圧壊ダイナミクス解明：UFB含有加工液の挙動は次の2工程からなる。一つは加工点近傍、例えば切削用工具すくい面と工作物あるいは切り屑界面へのUFB含有加工液のマイクロ流動解析である。本研究では、熱流体解析ソフトウエア（ANSYS Fluent）を用いて、加工界面へのUFB供給状態を可視化する。もう一つは、加工点に供給されたUFBがどのように変形、圧壊していくのかを可視化するための分子動力学シミュレーションを行う。本年度はUFBの大きさを実際の100nmに近づけるよう、検討する。
② UFBの圧壊装置の設計試作：1年目に引き続き、UFB発生装置、並びに圧壊装置の改良を行う。UFBの発生効率を向上させる改良を行い、10億個/CCを目指す。また超音波振動援用時のUFB圧壊挙動の観察を試みる。
③ UFB加工液の伝熱特性評価実験：UFB加工液の基礎的な伝熱特性の把握が重要であることがわかったため、本年度はUFB加工液の膜沸騰曲線(film boiling現象)を測定し、通常の加工液との比較検討を行う。
④ GaN研磨加工における加工ダメージ評価：1年目の研磨したGaN基板の加工表面評価を行う。表面粗さ、平坦度などの幾何学的な評価に加え、微小硬度、フォトルミネッセンスによる加工変質層の分布測定、透過型電子顕微鏡(TEM)による表面の断面形状と結晶粒界の観察、エネルギー分散型X線分析（EDS）、X線結晶構造解析（XRD）による結晶状態の評価を行う。
⑤ UFB含有加工液を用いた高能率切削加工実験：Tiの高能率切削加工のためのUFB用切削工具の試作を行う。またその効果を切削実験により、評価を行う。
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