2021 Fiscal Year Research-status Report

Development of Simulator for Super-Precision Machining by Nano-Bubbles based on Computational Method

Research Project

Project/Area Number	20K05147
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	尾澤伸樹東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 特任准教授 (60437366)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	ウルトラファインバブル / 精密加工 / 化学機械研磨 / 反応分子動力学法 / マルチフィジックス / 圧壊
Outline of Annual Research Achievements	難加工材料であるGaNやAlNは高硬度かつ高い化学的安定性を有している、従来の化学機械研磨（CMP）技術では平坦化に多大な時間とコストがかかることが問題となっている。そこで、ウルトラファインバブル（UFB）を活用することで高い研磨速度と原子レベルの平坦性を同時に実現可能なCMP手法が着目されている。一般的に、UFBに衝撃波を与えて圧壊させることで、OHラジカルとジェット流が生成し、それらが基板に衝突することで基板の変形及び酸化が起こると考えられている。そこで昨年度は、CMPの高効率化を目指したUFBの構造を明らかにするため、反応分子動力学法を用いてN2やO2といった内包ガスがUFBの圧壊のしやすさに与える影響を検討し、内包ガスの種類によって圧壊のしやすさが異なることを明らかにした。今年度はさらに、UFBのサイズがUFBの安定性に与える影響を検討するため、直径20 nm、50 nm、100 nmのO2内包UFBモデルを作成し、構造の時間変化を反応分子動力学法を用いて検討した。また、50 nm及び100 nmのUFBをモデル化するためには、それぞれ2000万原子及び8000万原子の大規模モデルが必要となり、安定構造の計算のために分子動力学計算の高速化が必要となった。そこで、水素原子を含む結合を拘束するRattle法を東北大学久保研究室で独自に開発している分子動力学計算コードに適用し、分子動力学計算の高速化を図った。その結果、タイムステップを0.25 fsから1.0 fsまで増加させることで、計算時間の大幅な短縮に成功した。また、分子動力学計算の結果、UFBのサイズが大きくなるにしたがって時間変化に伴う構造変化が小さくなることが明らかとなった。また、UFBのサイズが小さい場合は、バブル内へのH2O分子の流入が起こりやすくなり、圧壊しやすくなることを明らかにした。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 難加工材料における化学機械研磨（CMP）効率の向上のためには、ウルトラファインバブル（UFB）の圧壊によって生じるジェット流の「化学反応」と「衝撃、流体、拡散」のマルチフィジックス現象を理解することが必須である。しかし、これまでの機械分野における有限要素法、流体シミュレーションや粗視化分子動力学法では、化学反応を取り扱えないため対応できず、UFBにおけるマルチフィジックス現象の理解には至らなかった。そこで本課題では、これまで当研究室で開発したマルチフィジックス現象を解明可能な反応分子動力学シミュレーション手法を活用することで、電子・原子レベルからUFBの圧壊プロセスを理解し、AlN、SiCといった難加工基板において低スクラッチ・高平坦度のCMPに向けて、サイズ、密度、内包するガス種、スラリー中の酸化剤・添加剤といったUFBの導入条件を最適化可能とすることを目標としている。本年度は、生成するUFBのサイズは100 nmが限界であり、それ以下のサイズのUFBは生成できないことに着目し、UFBのサイズが衝撃波による圧壊のしやすさ及びCMPに与える影響を検討した。本年度は、UFBの安定構造を得るための反応分子動力学シミュレーションの高速化のためRattle法を導入し、UFBのサイズ及び内包ガス種がUFBの安定性に与える影響を検討可能にした。以上より、おおむね順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	引き続き、ウルトラファインバブル（UFB）を活用したCMPにおいて、CMP速度の向上に寄与するUFB導入条件を最適化するためのシミュレータを開発する。CMPの高効率化を目指した今年度は、異なるサイズのUFBの安定性を検討してきた。今年度はさらに、O2、N2、CO2を内包した異なるサイズのUFBについて安定性を検討し、またUFBの圧壊によって生じるジェット流による基板の酸化プロセスに与える影響を検討する。そして、UFBをAlN(0001)基板上で圧壊させた時の酸化反応プロセスと比較し、UFBのサイズ、内包ガス種の違いが酸化膜の生成速度及び形状に与える影響を検討する。また、CMPに用いられるスラリー中には砥粒が含まれており、UFBは基板だけではなく砥粒にも吸着し、UFBの安定性が変化すると考えられる。実際のCMP環境におけるUFBの圧壊プロセスを検討するため、砥粒としてよく用いられるCeO2ナノ粒子とUFBを同時にAlN(0001)基板上に配置し、サイズと内包ガス種を変えたUFBに衝撃波を加える圧壊シミュレーションを行う。そして、生じたジェット流がAlN(0001)基板の酸化プロセスに与える影響を検討し、UFBがCMP速度を向上させるメカニズムを検討する。そして、UFBの密度、大きさ、内包するガス種の組み合わせを選定し、低スクラッチ・高平坦度の基板に向けた、UFBの導入条件を最適化する。