触媒反応を利用した純水のみによる超精密表面加工法の開発

• Project/Area Number: 14J01623
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Production engineering/Processing studies
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 礒橋 藍 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 研磨 / 炭化ケイ素 / ガラス / 触媒 / エッチング / 純水 / 加水分解 / 遷移金属 / 炭化珪素 / 窒化ガリウム / 触媒反応

Outline of Annual Research Achievements

加工能率の向上を目的とし，①反応速度自体の向上，②新規反応（表面酸化）の援用という2手法を提案した．①の達成には触媒活性に優れたNi触媒の使用が効果的であると予想される．Niの表面酸化などを原因とした触媒被毒を回避した，長期的・安定的な触媒活用手法として電解めっき技術を応用した加工雰囲気下での触媒再生機構を考案した．本手法では電極上でのNiのイオン化反応を利用し，電極電位を制御する事で触媒薄膜の形成，溶解を繰り返し行う．4H-SiC基板の加工を行った結果，従来のPt触媒を使用した系を大きく上回る加工能率を実現した．加工条件こそ異なるが，先行研究成果として報告されていたHF溶液，Pt触媒を使用した加工系に迫る加工速度であった．
②に対しては，紫外光を照射することで光電気化学反応を援用し，サンプルの表面酸化を促進，加工の容易な酸化物の加工系へと変容させることで従来の純水，白金の反応系と比較し，1000倍にあたる加工能率が実現されることを明らかにした．
また，加工原理の解明を目的として，重水を利用した速度論的同位体効果 (Kinetic Isotope Effect; KIE) による反応律速過程の同定実験を実施した．本加工法では加水分解をベースとした材料除去反応が進行すると考えており，重水を加工液に用いることでKIEを利用した反応機構の考察が可能であると考えた．実験の結果，重水中では，純水に比べて約2～4倍の加工速度となることを明らかにした．これは逆同位体効果と呼ばれる現象であると考察した．本加工法における材料除去反応は①水の触媒上への解離吸着過程，②プロトンの移動反応の2つの素反応から成るが，このうち，②では同位体効果が確認されるとの報告が既にある．そのため，①水の解離吸着過程における逆同位体効果が支配要因であり，①こそが反応律速過程であると結論付けた．

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Planarization of 6-inch 4H-SiC wafer by using Catalyst-referred etching (2015)
  • Author(s): A. Isohashi, Y. Sano, T. Kato, and K. Yamauchi
  • Journal Title: Material Science Forum Volume: 821-823 Pages: 537-540
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.821-823.3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Planarization of 4H-SiC(0001) by Catalyst-Referred Etching Using Pure Water Etchant (2014)
  • Author(s): A. Isohashi, Y. Sano, and K. Yamauchi
  • Journal Title: 014 International Conference on Planarization/CMP Technology (ICPT2014) Proceedings Volume: ー Pages: 273-274
  • DOI: 10.1109/icpt.2014.7017297
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Planarization of SiC and GaN Wafers by Catalyst-Referred Etching Employing a Photo-electrochemical Reaction (2016)
  • Author(s): 礒橋藍
  • Organizer: 11th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ECSCRM 2016)
  • Place of Presentation: Halkidiki, Greece
  • Year and Date: 2016-09-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of catalytic metals for a catalyst referred etching in pure water" Euspen's 16th International Conference (2016)
  • Author(s): 礒橋藍
  • Organizer: Euspen's 16th International Conference
  • Place of Presentation: Nottingham, UK
  • Year and Date: 2016-05-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of the mechanism of a catalytic etching method in pure water for SiO2 using first-principles calculations (2016)
  • Author(s): Ai ISohashi
  • Organizer: 12th International Conference of Computational Methods in Science and Engineering (ICCMSE 2016)
  • Place of Presentation: Metropolitan Hotel, Athens, Greece
  • Year and Date: 2016-03-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電気化学反応による表面酸化現象を利用した4H-SiC基板に対する触媒表面基準エッチング法の開発 (2015)
  • Author(s): 礒橋藍
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会第2回講演会
  • Place of Presentation: 大阪国際交流センター（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2015-11-09
• [Presentation] Effect of catalyst potential on removal reaction in catalyst‐referred etching for 4H-SiC(0001) in pure water (2015)
  • Author(s): Ai Isohashi
  • Organizer: International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2015 (ICSCRM 2015)
  • Place of Presentation: Giardini Naxos, Italy
  • Year and Date: 2015-10-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A new mirror-like finish method for oxide materials by catalytically induced chemical etching in pure water (2015)
  • Author(s): Ai Isohashi
  • Organizer: 15th European society for precision engineering & nanotechnology 2015 (Euspen 2015)
  • Place of Presentation: Universiteitshal, Naamsestraat 22, 3000 Leuven, Belgium
  • Year and Date: 2015-06-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電気化学反応を利用した4H-SiC基板に対する触媒表面基準エッチング法の開発 (2015)
  • Author(s): 礒橋藍
  • Organizer: 2015年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東洋大学白山キャンパス，東京都文京区
  • Year and Date: 2015-03-17 – 2015-03-19
• [Presentation] 純水を加工液とした触媒表面基準エッチング (CARE) 法による4H-SiC基板の高精度平坦化加工 (2015)
  • Author(s): 礒橋藍
  • Organizer: 第139回プラナリゼーションCMP委員会
  • Place of Presentation: 金沢工業大学虎ノ門キャンパス，東京都港区
  • Year and Date: 2015-02-23
  • Invited
• [Presentation] Planarization of 4H-SiC (0001) by Catalyst-Referred Etching Using Pure Water Etchant (2014)
  • Author(s): Ai Isohashi
  • Organizer: 2014 International Conference on Planarization/CMP technology (ICPT2014)
  • Place of Presentation: Kobe Conventional Center, Kobe, Japan
  • Year and Date: 2014-11-19 – 2014-11-21
• [Presentation] Planarization of 6-in 4H-SiC wafer by Catalyst-referred etching (2014)
  • Author(s): Ai Isohashi
  • Organizer: 2014 European Conference on Silicon Carbide and Relative Materials (ECSCRM2014)
  • Place of Presentation: Grenoble, France
  • Year and Date: 2014-09-21 – 2014-09-25
• [Presentation] 触媒表面基準エッチング法における白金に代わる新規触媒の検討 (2014)
  • Author(s): 礒橋藍
  • Organizer: 2014年度精密工学会秋季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 鳥取大学，鳥取県鳥取市
  • Year and Date: 2014-09-16 – 2014-09-18
• [Remarks] 大阪大学山内研究室 Achevement
  • URL: http://www-up.prec.eng.osaka-u.ac.jp/research/confe2014.htm