機械学習支援によるプラズマ表面反応解析原理の確立

• 研究課題/領域番号: 18K18753
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 浜口 智志 大阪大学, 工学研究科, 教授 (60301826)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2018年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: 機械学習 / 深層学習 / スパースモデリング / ノンパラメトリック回帰 / 人工知能（AI） / 記述子 / プラズマ・インフォマティクス / プロセス・インフォマティクス / プラズマ表面相互作用

研究成果の概要

本研究の目的は、プラズマ表面相互作用研究分野において、機械学習により、まだ研究のなされていない物質とプラズマの組み合わせに対するプラズマ表面相互作用を予測する技術を確立し、その予測手法に学術的基礎を与えることにある。本研究では、文献から収集した大量のスパッタ率実験データをもとに、ノンパラメトリック回帰であるGaussian process regression等によるスパッタ率の予測システムを開発し、かつ、系を記述する各種の記述子（系を特徴づける物理量）の相対的重要性を、系統的に解析し、定量的に評価した。これにより、当初の研究目的を達成した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

プラズマ科学は、巨大データの宝庫であり、プラズマ表面相互作用研究だけに限っても、センサーの数や精度が上がるにつれ、データが巨大化し、機械によるデータの自動処理は近い将来、間違いなく、必要不可欠となる。機械学習といっても、その物理系に応じた予備知識の導入や訓練が必要である。「勘と経験に基づく予測能力」をコンピュータに付与することは、自然を支配する物理法則を観測データから演繹する研究であり、基礎方程式をできるだけ正確に解いて自然法則を理解するという、これまでの学術の体系や方向を大きく変革、転換させる潜在性を有するという意味で、学術的にもきわめて意義深い。

研究成果

• [国際共同研究] 国立交通大学(その他の国・地域 (台湾）)
• [国際共同研究] ヨーク大学/ケント大学/ベルファスト大学(英国)
• [国際共同研究] ボローニャ大学/バリ大学(イタリア)
• [国際共同研究] エクス・マルセイユ大学(フランス)
• [国際共同研究] ルール・ボーフム大学/カールスルーエ工科大学/ライプニッツ研究所 INP Greifswald(ドイツ)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] ハンガリー科学アカデミー(ハンガリー)
• [国際共同研究] マサリク大学(チェコ)
• [国際共同研究] カリフォルニア大学バークレー 校(米国)
• [国際共同研究] ルールボーフム大学/カールスルーエ工科大(ドイツ)
• [国際共同研究] ヨーク大学(英国)
• [雑誌論文] Experimental and numerical analysis of the effects of ion bombardment in silicon oxide (SiO2) plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) processes (2020)
  • 著者名/発表者名: Li Hu、Ito Tomoko、Karahashi Kazuhiro、Kagaya Munehito、Moriya Tsuyoshi、Matsukuma Masaaki、Hamaguchi Satoshi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SJ ページ: SJJA01-SJJA01
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab8681
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Stability of hexafluoroacetylacetone molecules on metallic and oxidized nickel surfaces in atomic-layer-etching processes (2020)
  • 著者名/発表者名: Basher Abdulrahman H.、Krstic Marjan、Takeuchi Takae、Isobe Michiro、Ito Tomoko、Kiuchi Masato、Karahashi Kazuhiro、Wenzel Wolfgang、Hamaguchi Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Vacuum Science & Technology A 巻: 38 号: 2 ページ: 022610-022610
  • DOI: 10.1116/1.5127532
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulation of Si and SiO2 reactive ion etching by fluorine-rich ion species (2019)
  • 著者名/発表者名: Capdos Tinacba Erin Joy、Isobe Michiro、Karahashi Kazuhiro、Hamaguchi Satoshi
  • 雑誌名: Surface and Coatings Technology 巻: 380 ページ: 125032-125032
  • DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.125032
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of excitation voltage pulse shape on the characteristics of atmospheric-pressure nanosecond discharges (2019)
  • 著者名/発表者名: Donko Zoltan、Hamaguchi Satoshi、Gans Timo
  • 雑誌名: Plasma Sources Science and Technology 巻: 28 号: 7 ページ: 075004-075004
  • DOI: 10.1088/1361-6595/ab270e
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 小特集 プラズマ・インフォマティクス:データ駆動科学のプラズマへの応用 1. はじめに (2019)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 95 ページ: 535-536
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 小特集 プラズマ・インフォマティクス:データ駆動科学のプラズマへの応用 3. 機械学習によるプラズマエッチング率予測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木野日織、幾世和将、DAM Hieu Chi、浜口智志
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 95 ページ: 542-547
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 小特集 プラズマ・インフォマティクス:データ駆動科学のプラズマへの応用 6. まとめ (2019)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 95 ページ: 560-561
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 数値シミュレーション技術の今後 (2019)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 雑誌名: 静電気学会誌 巻: 43 ページ: 197-197
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] プラズマ・インフォマティクス: プラズマ科学におけるデータ駆動科学の応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 雑誌名: 静電気学会誌 巻: 43 ページ: 198-202
  • 査読あり
• [雑誌論文] The future for plasma science and technology (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Plasma Process Polym. 巻: 16 号: 1
  • DOI: 10.1002/ppap.201800118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ion energy and angular distributions in low-pressure capacitive oxygen RF discharges driven by tailored voltage waveforms, (2018)
  • 著者名/発表者名: Zoltan Donko, Aranka Derzsi, Mate Vass, Julian Schulze, Edmund Schuengel, and Satoshi Hamaguchi
  • 雑誌名: Plasma Sources Sci. Technol. 巻: 27 号: 10 ページ: 104008-104008
  • DOI: 10.1088/1361-6595/aae5c3
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Challenges of Advanced Plasma Etching Technologies (2020)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: 3rd International Symposium of the Vacuum Society of the Philippines
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulation of Etching, Deposition, and Surface Modification in Plasma Processing (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Hamaguchi, Michiro Isobe, Tomoko Ito, Kazuhiro Karahashi
  • 学会等名: the 62nd Annual Technical Conference of Society of Vacuum Coaters
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular dynamic simulation of F-based reactive ion etching of Si, SiO2 and Si3N4 substrates (2019)
  • 著者名/発表者名: Erin Joy Capdos Tinacba, Michiro Isobe, Kazuhiro Karahashi, and Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: the 62nd Annual Technical Conference of Society of Vacuum Coaters
  • 国際学会
• [学会発表] Sputtering Yield Prediction by Machine Learning (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazumasa Ikuse, Hiori Kino, and Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: 2nd International Conference on Data Driven Plasma Science
  • 国際学会
• [学会発表] Prediction ability and importance of descriptors of single-element physical sputtering yields based on sparse modeling (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiori Kino, Kazumasa Ikuse, Hieu Chi Dam, and Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: 2nd International Conference on Data Driven Plasma Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular Dynamics Simulation: Nanometer-scale Hole Etching of SiO2 with Carbon Mask (2019)
  • 著者名/発表者名: Charisse Marie D. Cagomoc, Michiro Isobe, Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: 24th International Symposium on Plasma Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] Atomic Layer Etching: its Science and Technology (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Hamaguchi, Michiro Isobe, Tomoko Ito, and Kazuhiro Karahashi
  • 学会等名: Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sputtering of surfaces made of Lennard-Jones atoms: A Molecular Dynamics study (2019)
  • 著者名/発表者名: Nicolas Mauchamp, Michiro Isobe, Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
  • 国際学会
• [学会発表] Analyses of Hexafluoroacetylacetone (Hfac) Adsorbed on Transition Metal Surfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Ito, Kazuhiro Karahashi, Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: AVS 18th International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2019) and the 5th International Atomic Layer Etching Workshop (ALE 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Prediction of Etch Rates for New Materials by Machine Learning - Case Study for Physical Sputtering (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazumasa Ikuse, Hiori Kino, and Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: the AVS 66th International Symposium & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanisms of thermal atomic layer etching (ALE) of metals by deprotonation and complex formation of hexafluoroacetylacetone (hfacH) (2019)
  • 著者名/発表者名: Abdulrahman H. Basher, Ikutaro Hamada, Marjan Krstic, Michiro Isobe, Tomoko Ito, Karin Fink, Kazuhiro Karahashi, Yoshitada Morikawa, Wolfgang Wenzel, and Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: the AVS 66th International Symposium & Exhibition
  • 国際学会
• [学会発表] Computational study on the formation of nickel hexafluoro-acetylacetonate complexes Ni(hfac)2 on a rough NiO surface during plasma enhanced thermal atomic layer etching (ALE) processes (2019)
  • 著者名/発表者名: Abdulrahman H. Basher, Marjan Krstic, Michiro Isobe, Tomoko Ito, Karin Fink, Masato Kiuchi, Kazuhiro Karahashi, Takae Takeuchi, Wolfgang Wenzel, and Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: the 72nd Annual Gaseous Electronics Conference GEC
  • 国際学会
• [学会発表] 原子層エッチングプロセスにおける表面反応解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 伊藤智子, 唐橋一浩, 浜口智志
  • 学会等名: 4th Atomic Layer Process (ALP) Workshop
  • 招待講演
• [学会発表] 半導体デバイス製造用プラズマプロセスにおける表面反応機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 学会等名: 日本表面真空学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Challenges for the development of plasma-based atomic layer processing － numerical and experimental analyses of plasma-exposed surface reactions at the atomic level (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: 45th Conference on Plasma Physics, European Physical Society (EPS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Surface reactions mechanisms of atomic layer etching for SiO2, SiN, and metal films (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: RUB Japan Science Days 2018 : Society 5.0, Chance and Risks of Digital Transformation and the Responsibility of Universities
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Atomistic simulations of plasma-surface interaction for ALD and ALE processes, (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: High Performance Computing for Plasma Applications Workshop, 71st Annual Gaseous Electronics Conference (GEC)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] アトミックレイヤーエッチングにおける表面反応解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 唐橋一浩
  • 学会等名: CVD反応分科会主催第28回シンポジウム「アトミックレイヤープロセッシングの基礎と最新技術動向」
  • 招待講演
• [学会発表] アトミックレイヤーエッチング：その科学と技術 (2018)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] ナノデバイス作製のためのプラズマ制御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 学会等名: 日本学術振興会「先端ナノデバイス・材料テクノロジー第151委員会」平成３０年度第５回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 最先端プラズマプロセスのシミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 学会等名: 第29回プラズマエレクトロニクス講習会 プラズマプロセスの基礎と先端分野への応用
  • 招待講演
• [学会発表] フッ素を含む分子イオンによるエッチング反応 (2018)
  • 著者名/発表者名: 唐橋一浩
  • 学会等名: 応用物理学会/シリコンテクノロジー分科会 第215回研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] Atomic-Scale Numerical Simulation of a Nanometer-Scale Hole Etching of SiO2 with a Carbon Mask (2018)
  • 著者名/発表者名: Charisse Marie D. Cagomoc
  • 学会等名: 応用物理学会/シリコンテクノロジー分科会 第215回研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習を用いたスパッタ率予測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 幾世和将
  • 学会等名: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [図書] 第29回プラズマエレクトロニクス講習会；プラズマプロセスの最前線.最先端プラズマプロセスのシミュ レーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 浜口智志
  • 総ページ数: 21
  • 出版者: 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会
• [備考] Hamaguchi Labotatory
  • URL: http://www.camt.eng.osaka-u.ac.jp/hamaguchi/
• [備考] Data Driven Plasma Science
  • URL: http://www.ppl.eng.osaka-u.ac.jp/JSPS_Core/
• [備考] IRHAPS, Osaka University
  • URL: http://www.ppl.eng.osaka-u.ac.jp/IRHAPS/
• [備考] 研究室案内
  • URL: http://www.camt.eng.osaka-u.ac.jp/hamaguchi/