完全表面の創成

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08CE2004
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 森 勇蔵 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00029125)
• 研究分担者: 青野 正和 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10184053) ; 片岡 俊彦 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50029328) ; 芳井 熊安 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30029152) ; 森田 瑞穂 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50157905) ; 広瀬 喜久治 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10073892)
• キーワード: 完全表面 / 超精密加工 / EEM / プラズマCVM / 大気圧プラズマCVD / 超純水電解加工 / 第一原理分子動力学シミュレーション / ウルトラクリーンテクノロジー

研究概要

本研究では、完全表面の創成を目的とした独創的な超精密加工および成膜方法を確立するため、新しい加工プロセスの開発、加工プロセスの計測と制御、加工表面の評価と評価技術の開発、加工現象の理論的な解明という4項目の目標を達成しなければならない。各項目について、それぞれ特筆すべき研究の進展および新たに得られた知見について述べる。
1.新しい加工プロセスの開発
(1)プラズマCVMでは、開発した数値制御プラズマCVM加工装置を用いて、SPring-8の1km長尺ビームラインにおいてX線の反射率を測定するための平面ミラーの加工を行い、60×15mmの範囲で平面度8.8nm(P-V)を達成した。また、Si層厚さ200nmのSOIウエハを加工し、Si層を13nm±2nmまで薄膜化することに成功するとともに、80nmまで薄膜化したSOIウエハ上に形成したMOSFETが正常に動作することを確認した。(2)EEMでは、超高圧カノズル吐出流れを利用する加工ヘッドを搭載した超清浄数値制御EEM加工システムを完成させ、放射光用のミラーおよびSi(001)基板を加工した。その結果、約1nmの加工面形状精度を達成し、世界最高水準のX線ミラーの製作に成功した。さらに、SPring-8(理研)との共同研究でコヒーレントX線による評価も行い、X線のコヒーレンシーを完全に保存できるミラー製作のための指針を得た。さらに、Si(001)表面加工では、STMによる加工面の原子像の観察に成功し、EEMによって、実用環境下(超高真空・高温以外)で製作された最も平坦な表面(表面の95%が3原子層により構成)の創成に成功した。(3)大気圧プラズマCVDでは、従来技術の200〜1000倍の成膜速度(1m×1mの基板に換算すると約10倍の速度)でアモルファスSi薄膜太陽電池デバイスの作製に成功した。また、エピタキシャルSiについては、一般的な熱CVD法に対して成長温度の200℃以上の低温化と、成長速度の10倍以上の高速化を同時に達成した。さらに、100倍以上の成膜速度で均質かつ耐薬品性に優れた水素化アモルファスSiC薄膜の作製を可能とした。(4)超純水のみによる電気化学加工では、SiやAlの陰極表面反応の第一原理分子動力学シミュレーションを行い、OHが生成されることによって加工現象が誘起されることを示し、その実証実験を行った。ま た、超純水電解加工システムによって、Ra=10nmのCu平坦面が得られることを示した。さらに、高速せん断流による不純物微粒子の除去作用を利用した、薬液を使用しない超純水のみによる新しい洗浄方法を提案し、洗浄システムを試作するとともに、その性能と問題点を評価する基礎実験を行った。
2.加工プロセスの計測と制御技術
(1)大気圧・高周波プラズマの計測では、プラズマ分光計測システムがすべて完成し、各計測法ごとに以下のことが明らかになった。すなわち、(1)空間分解発光スペクトルによる電極間のHe,O,CF,CF_2,Fの空間分布、(2)赤外吸収分光法によるCF_3の数密度変化、(3)レーザー誘起蛍光分光法によるCF,CF_2ラジカルの数密度変化とHeリュードベリ状態からの蛍光による電界強度の絶対値等である。
3.加工表面の評価と評価技術の開発
(1)光ファイバの先端から発せられる回折球面波を計測基準面とした位相シフト干渉計として、PDI(Point Diffraction Interferometer)計測装置を開発した。ファイバへのレーザー光導入の際の偏光制御(干渉縞のビジビリティーの向上と時間的な安定化)と,ファイバ先端部の化学エッチングによる先鋭化(光学系を理想的な配置に近づける)を実施することで,計測系の安定度が増加し,ファイバ配置条件による計測誤差が低減された。(2)超精密加工表面上の粒径0.1μm以下の付着微粒子を、高精度で計測できる散乱光計測装置を開発している。Siウエハ表面上で粒径15nmの微粒子計測に成功し、同時にマイクロラフネスを測定できる方法を開発した。(3)SREM/STMにより、湿式洗浄Si(001)水素終端化表面の昇温過程における原子構造を明らかにした。その結果、Si(001)2×1表面を650℃(従来1200℃)で作製することに成功した。(4)高精度光反射率スペクトル測定装置を開発し、水素終端表面上でのごく初期の自然酸化膜成長の光反射率スペクトルによる検出に成功した。これから表面準位の検出とそれによる表面評価が可能であることを示した。(5)表面電子デバイスによる加工表面評価法の開発では、超精密加工シリコン表面に極薄シリコン酸化膜を有するMOSデバイスを形成し、電気特性が表面汚染に敏感であることを実証した。
4.加工現象の理論的な解明
(1)新しい計算手法である実空間差分法に基づくプログラムを開発し、Si表面における電界蒸発現象をシミュレーションすることに成功し、本計算手法により強電界下における物理現象の定量的な議論が可能であることを確認した。また、新たに螺旋境界計算法を提唱し、非直交周期系計算プログラムを開発した。(2)加工現象の第一原理分子動力学シミュレーションでは、EEM、超純水電気化学加工、プラズマCVMなどの各種加工現象のシミュレーションに成功した。その結果、各種加工における加工メカニズムを解明するとともに、加工特性の材料依存性が実験と対応することを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] Yuzo Mori: "Development of Numerically Controlled Plasma Chemical Vaporization Machining System"Technol.Repts.Osaka Univ.. 50・2374. 63-69 (2000)
• [文献書誌] 森勇藏: "大気圧プラズマによる超精密加工と高速成膜"精密工学会誌. 66・4. 517-522 (2000)
• [文献書誌] 森勇藏: "数値制御プラズマCVMによるX線ミラーの加工に関する研究(第1報)"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演会講演論文集. 27-28 (2000)
• [文献書誌] 森勇藏: "数値制御プラズマCVMによるSOIウエハの薄膜化"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演会講演論文集. 29-30 (2000)
• [文献書誌] 森勇藏: "大気圧・高周波プラズマのインピーダンス計測-電磁場解析による測定原理の検証と測定結果について-"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演会講演論文集. 79-80 (2000)
• [文献書誌] 森勇藏: "プラズマCVMの開発"精密工学会誌. 66・8. 1280-1285 (2000)
• [文献書誌] Yuzo Mori: "The study of fabrication of the X-ray mirror by numerically controlled plasma chemical vaporization machining : Devlopment of the machine for the X-ray mirror fabrication"Rev.Sci.Instrum.. 71・12. 4620-4626 (2000)
• [文献書誌] Yuzo Mori: "Development of plasma chemical vaporization machining"Rev.Sci.Instrum.. 71・2. 4627-4632 (2000)
• [文献書誌] 森勇藏: "数値制御プラズマCVMによるX線ミラーの加工に関する研究(第1報)-X線ミラー加工用装置の開発-"精密工学会誌. 67・1. 131-136 (2000)
• [文献書誌] 森勇藏: "プラズマCVMによる機能材料の切断加工-内周刃型切断加工装置の試作とその切断加工特性-"精密工学会誌. 67・2. 295-299 (2000)
• [文献書誌] Yuzo Mori: "Development of New Machining Processes for Ultra Precision Surface Preparation-EEM, Plasma CVM and Atmospheric Pressure Plasma CVD-"Book of Lecture Notes, Second International School on Crystal Growth Technology, Zao. 212-233 (2000)
• [文献書誌] 山村和也: "プラズマCVM(Chemical Vaporization Machining)による超精密加工"表面科学. 22・3. 160-166 (2000)
• [文献書誌] 大参宏昌: "中性原子ビーム速度分光装置の開発"精密工学会誌. 66・12. 1938-1942 (2000)
• [文献書誌] K.Yasutake: "Velocity spectrometer for a neutral atomic beam"Applied Physics B. 71・6. 787-793 (2000)
• [文献書誌] 大参宏昌: "Li原子ビームのレーザーコリメーション"精密工学会誌. 67・3. 433-437 (2001)
• [文献書誌] M.Shimizu: "Lifetime of metastable fluorine atoms"Applied Physics B. 72・2. 227-230 (2001)
• [文献書誌] 清水正男: "半導体素子保護用ポリイミド表面のプラズマ処理"精密工学会誌. 66・5. 725-729 (2000)
• [文献書誌] Hidekazu GOTO: "First-Principles Molecular-Dynamics Simulations of Etching Process by OH Molecules"Technol.Repts.Osaka Univ.. 50・2370. 33-39 (2000)
• [文献書誌] 森勇藏: "超純水のみによる電気化学的加工法の研究-触媒反応を利用した超純水中のOH-イオンの増加方法-"精密工学会誌. (投稿中).
• [文献書誌] 森勇藏: "超純水のみによる電気化学的加工法の研究-Si(001)水素終端化表面のOH-イオンによる加工現象の第一原理分子動力学シミュレーション-"精密工学会誌. (投稿中).
• [文献書誌] 後藤英和: "超純水のみによる電気化学的加工法の研究-Si(001)水素終端化表面原子のOHによる加工現象の反応素過程-"精密工学会誌. (投稿中).
• [文献書誌] 後藤英和: "超純水のみによる電気化学的加工法の研究-水素終端化されていないSi(001)表面原子とOHとの反応素過程-"精密工学会誌. (投稿中).
• [文献書誌] 後藤英和: "超純水のみによる電気化学的加工法の研究-陽極Si(001)表面の反応素過程-"精密工学会誌. (投稿中).
• [文献書誌] 井上晴行: "レーザー光散乱法によるSiウエハ表面上の微小欠陥の観察"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演会講演論文集. 99-100 (2000)
• [文献書誌] 片岡俊彦: "シリコンウエハ表面上の微粒子・微小欠陥による光散乱-散乱光強度およびレンズによる像形成の計算-"精密工学会誌. 66・11. 1716-1722 (2000)
• [文献書誌] 押鐘寧: "大気圧・高周波CF_4プラズマにおけるレーザー誘起蛍光分光法を用いたCFおよびCF_2ラジカルの計測"第48回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 30aA10 (2001)
• [文献書誌] 押鐘寧: "微小球内のWGM共振を利用した走査型近接場光学顕微鏡の開発"2000年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 293 (2000)
• [文献書誌] 押鐘寧: "共振球プローブを用いた走査型近接場光学顕微鏡の開発-標準試料の走査結果とプローブの性能評価-"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. L68 (2000)
• [文献書誌] 押鐘寧: "大気圧・高周波プラズマの計測と制御 -発光分光を中心としたCVM用プラズマ中のフリーラジカル密度の分光計測-"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. E84 (2000)
• [文献書誌] 井上晴行: "光散乱法によるSiウエハ表面上のナノ形状欠陥の計測"2000年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 60 (2000)
• [文献書誌] 押鐘寧: "高分解能レーザ分光法を用いた大気圧・高周波CVMプラズマ中のCFxラジカル粒子の時空間分解密度計測"2000年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 479 (2000)
• [文献書誌] Kenta Arima: "Scanning Tunneling Microscopy Study of Hydrogen-terminated Si(001)Surfaces After Wet Cleaning"Surface Science. 446・1-2. 128-136 (2000)
• [文献書誌] 池田和浩: "ファイバ端からの回折球面波を用いた位相シフト干渉計の開発"第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 1002 (2000)
• [文献書誌] 片岡俊彦: "光散乱法によるシリコンウエハ表面上の微粒子・微小欠陥の計測I理論"第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 791 (2000)
• [文献書誌] 井上晴行: "光散乱法によるシリコンウエハ表面上の微粒子・微小欠陥の計測II微粒子計測"第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 792 (2000)
• [文献書誌] 片岡俊彦: "光散乱法によるシリコンウエハ表面上の微粒子・微小欠陥の計測III表面欠陥計測"第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 792 (2000)
• [文献書誌] 有馬健太: "STMによる希HF洗浄後の水素終端化Si(001)表面の原子構造の観察"第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 805 (2000)
• [文献書誌] 大参宏昌: "単色Li原子ビームの生成とナノリソグラフィーへの応用"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 379 (2000)
• [文献書誌] 大参宏昌: "原子光学用レーザーの周波数安定化と光の増幅"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 380 (2000)
• [文献書誌] 大参宏昌: "注入同期による狭帯域シングルモード色素レーザーの増幅"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演会講演論文集. 67-68 (2000)
• [文献書誌] 森勇蔵: "超清浄EEM(Elastic Emission Machining)システムに関する研究(第1報)、シリコン表面の平坦化および評価"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 190 (2000)
• [文献書誌] 森勇蔵: "EEM(Elastic Emission Machining)による超精密数値制御加工に関する研究(第1報)、nmオーダの形状修正加工システムの開発"2000年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集. 195 (2000)
• [文献書誌] 森勇蔵: "EEM(Elastic Emission Machining)による超精密数値制御加工に関する研究(第2報)"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演会講演論文集. 25-26 (2000)
• [文献書誌] 山内和人: "SPV(Surface Photo-Voltage)スペクトロスコピーによる超精密加工表面評価法の開発"精密工学会誌. 66・4. 630-634 (2000)
• [文献書誌] 森勇蔵: "数値制御EEM(Elastic Emission Machining)加工システムの開発-nmオーダでの加工精度の評価-"精密工学会誌. 67・4. 33-38 (2001)
• [文献書誌] K.NISHIMURA: "Ultrathin Silicon Dioxide Film Formation by Precise Control of Heating-up Process in Thermal Oxidation"Extended Abstracts of the 6th Workshop on FORMATION, CHARACTERIZATION AND RELIABILITY OF ULTRATHIN SILICON OXIDES. 6. 291-294 (2001)
• [文献書誌] 有馬健太: "湿式洗浄Si(001)水素終端化表面のSTM観察と第一原理計算による考察"シリコンテクノロジー分科会第4回ミニ学術講演会特集号. 17. 10-13 (2000)
• [文献書誌] H.Okada: "Detailed analysis of scanning tunneling microscopy images of the Si(001)reconstructed surface with buckled dimmers"Phys.Rev.B. (in press).
• [文献書誌] Satoshi SASAKI: "Evaluation of Particles on a Si Wafer before and after Cleaning Using a New laser particle Counter"PROCEEDINGS OF THE NINTH INTERENATIONAL SYMPOSIUM ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURING. 317-320 (2000)
• [文献書誌] 安弘: "微粒子測定機を用いたSiウエハの洗浄効果の測定と表面評価"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演会講演論文集. 101-102 (2000)
• [文献書誌] 安弘: "微粒子測定機によるナノメータオーダのSiウエハ表面形状の測定"2000年度砥粒加工学会学術講演会講演論文集. 401-402 (2000)
• [文献書誌] 安弘: "光散乱法を用いた粒径測定法"戦略的砥粒加工技術専門委員会第3回オープンシンポジウム. 81-90 (2000)
• [文献書誌] 安弘: "微粒子測定機による粗さ測定法とSiウエハ表面評価"2000年度精密工学会秋季学術講演会講演論文集. 286
• [文献書誌] 安弘: "光散乱法を用いたSiウエハのナノ表面構造およびナノ微粒子の測定"第48回応用密理学関係連合講演会講演予稿集. (予定). (2001)
• [文献書誌] 佐々木都至: "光散乱法を用いた複合表面評価システムによるSiウエハ表面ナノ構造評価"2001年度精密工学会春季学術講演会講演論文集. (予定). (2001)
• [文献書誌] 神尾豪: "EEM(Elastic Emission Machining)における加工機構の解明-ZrO_2微粒子とSi表面との反応過程の解明-"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演回講演論文集. 19-20 (2000)
• [文献書誌] 稲田敬: "ハロゲンによるSi表面エッチング過程の第一原理分子動力学シミュレーション-ハロゲン原子によるSi(001)表面原子の挙動-"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演回講演論文集. 21-22
• [文献書誌] 大橋和朗: "実空間差分法による水分子解離過程の第一原理分子動力学シミレーション"精密工学会2000年度関西地方定期学術講演回講演論文集. 23-24 (2000)
• [文献書誌] Kazuto YAMAUCHI: "First-principles Molecular-Dynamics Simulations of Atomic Removal Process and Binding Energy Analysis in EEM (Elastic Emission Machining)"TECHNOLOGY REPORTS OF THE OSAKA UNIVERSITY. 50・2369. 27-32 (2000)
• [文献書誌] Kouji INAGAKI: "Development of Surface State Evaluation Method by High Precision Photo-Reflaectance Spectrum Measurement"TECHNOLOGY REPORTS OF THE OSAKA UNIVERSITY. 50・2369. 49-54 (2000)
• [文献書誌] 稲垣耕司: "スーパーコンピュータを用いたシミュレーションによる超精密加工プロセスの原子レベルでの解析"東北大学大型計算機センター広報. 33・3. 25-34 (2000)
• [文献書誌] 広瀬喜久治: "超平滑・高精度表面形成プロセスのモデリングとシミュレーション"O plus E. 22・5. 573-582 (2000)
• [文献書誌] 広瀬喜久治: "超平滑・高精度表面形成プロセスのモデリングとシミュレーション(招待講演)"日本表面科学会関西支部第7回関西支部セミナー. 7. 15-24 (2000)
• [文献書誌] 塚本茂: "積分方程式を用いた方法による原子架橋の電子状態計算"日本物理学会講演概要集. 55・2. 805 (2000)
• [文献書誌] 藤本義隆: "ブロッホ波に接続する固体表面電子状態の決定 其の弐"日本物理学会講演概要集. 55・2. 805 (2000)
• [文献書誌] 角田信彦: "スラブモデルを用いない半無限系における表面電子状態計算手法の開発"日本物理学会講演概要集. 55・2. 778 (2000)
• [文献書誌] 小野倫也: "螺旋周期境界条件を用いた実空間差分法による第一原理電子状態計算"日本物理学会講演概要集. 56・1(未定). (2001)
• [文献書誌] 稲垣耕司: "水素終端化Si表面とZrO2微粒子の水中での接触過程の第一原理計算による解析"日本物理学会講演概要集. 56・1. 822 (2001)
• [文献書誌] 藤本義隆: "Si(001)SAステップでのSTMバイアス依存性に関する電子状態計算"日本物理学会講演概要集. 56・1. 802 (2001)
• [文献書誌] 広瀬喜久治: "Si表面反応の第一原理計算機シミュレーション(招待講演)"応用物理学会関西支部セミナー要旨集. 2000・1. 8-37 (2000)
• [文献書誌] M.V.Lebedev: "Valence band photoemission, band bending, and ionization energy of GaAs (100) treated in alcoholic sulfide solution"J.Appl.Phys.. 87. 289-294 (2000)
• [文献書誌] J.Onoe: "In situ FTIR, XPS, and STM studies of the nano-structure of a photopolymerized C60 film"Mol.Cryst.and Liq.Cryst.. 340. 689-694 (2000)
• [文献書誌] H.Uchida: "Analysis of sinsle Si atoms deposited on the Si (111)7x7 surface"Thin Solid Films. 369. 73-78 (2000)
• [文献書誌] M.Sakurai: "Nanoscale growth of dilver on prepatterned hydrogen-terminated Si (001) surfaces"Phys.Rev.B. 62. 16167-16174 (2000)
• [文献書誌] Y.Okawa: "Nanoscale control of chain polymerization"Nature. 409. 683-684 (2001)
• [文献書誌] Gengmin Zhang: "Scanning Tunneling Microscopy Observation of Binary Monolayers of 10,12-Ticosadiynoic Acid and Stearic Acid Deposited by Horizontal Lifting Method"Surf.Sci.Lett.. (in press). (2001)
• [文献書誌] Y.Kuwahara: "Scanning Tunneling Microscopy Observation of Self Assembled Monolayers of Two Component Organic Molecules"1st Int.Sym.on Nanoarchitectonics Using Suprainteractions. 130 (2000)
• [文献書誌] K.Takami: "Construction of Independently-Driven Double-Tip Scanning Tunneling Microscope"4th Int.Symp.On InterMaterials. (2001)
• [文献書誌] M.Akai-Kasaya: "Scanning Tunneling Microscopy/Spectroscopy Investigations of PTCDAn-Stacking Monolayer on HOPG"4th Int.Symp.On InterMaterials. (2001)
• [文献書誌] 齋藤彰: "Si(001)表面上のビスマス原子細線の構造"日本物理学会講演概要集. 55・2. 769 (2000)
• [文献書誌] 齋藤彰: "Si(001)面内Bi原子細線のX線定在波法による構造解析"第一回表面エレクトロニクス研究会予稿集. 21 (2000)
• [文献書誌] A.Saito: "Elemental analysis STM on 27m soft X-ray ID beamline"The 4th International Workshop on the Use of Coherenet Soft X-ray from a 27m Long Undulator at SPring-8. 10 (2000)