多階層シミュレーションによる新規多様材料プラズマプロセスの量子論的理解

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H05736
• 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)
• 研究分担者: 笠井 秀明 明石工業高等専門学校, その他部局等, 校長 (00177354) ; Dino Wilson 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60379146)
• 研究期間 (年度): 2015-05-29 – 2020-03-31
• キーワード: プラズマプロセス / 反応性プラズマ / プラズマ表面相互作用 / 数値シミュレーション / 原子層プロセス / 分子動力学シミュレーション / 第一原理シミュレーション

研究実績の概要

半導体デバイスの超微細加工プロセスや、バイオ材料の表面処理プロセス等、プラズマを用いた表面改質は、産業界で幅広く活用されている。例えば、半導体超微細加工プロセスにおいては、製造するデバイスの微細化が原子スケールに近づいているため、表面ダメージが少なく、原子スケールの精度で新規材料に対して形状加工のできるプロセスが求められている。こうした要求に応えるため、近年、低い入射エネルギーのイオンや熱、紫外光による非熱平衡化学反応を活用したプラズマプロセスが新たに開発されている。本研究は、こうした新規のプラズマプロセスにおける非熱平衡表面化学反応を理解するため、量子シミュレーションを最大限に活用した、多階層シミュレーションを用いて、低エネルギーイオン照射による原子層プラズマプロセスの物理機構を理解するための学術基盤を確立することを目的とする。５年目となる今年度は、多階層（マルチ・スケール）シミュレーション技術の完成を目標に、マクロな量を決定するプラズマ・シミュレーションとプラズマ実験を中心に進めた。これまで人工骨表面改質実験で用いていた低圧平行平板容量結合型放電装置における放電実験と、それに対応するセル内粒子・モンテカルロ衝突（PIC/MCC）シミュレーション、流体モデル・プラズマシミュレーションを行い、それらの対応関係を確認し、特に、低圧時における電子の非マクスウェル分布の影響を明らかにして、流体モデル・プラズマシミュレーションの精度を向上させた。またシースを正確に再現するPIC/MCCコードにより、エッチング時に表面に到達するイオン分布を求め、表面形状シミュレーション・分子動力学シミュレーションと連成し、マクロなプラズマと原子スケールのエッチング表面反応間の多階層シミュレーションを可能とした。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

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）)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 国立交通大学
• [国際共同研究] マサリク大学/ブルノ工科大学(チェコ)
  • 国名: チェコ
  • 外国機関名: マサリク大学/ブルノ工科大学
• [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)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: 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
• [国際共同研究] エクス・マルセイユ大学(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: エクス・マルセイユ大学
• [国際共同研究] ウィグナー物理学研究センター(ハンガリー)
  • 国名: ハンガリー
  • 外国機関名: ウィグナー物理学研究センター
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 6
• [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 ページ: SJJA01～SJJA01
  • DOI: https://doi.org/10.35848/1347-4065/ab8681
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] On-wafer monitoring and control of ion energy distribution for damage minimization in atomic layer etching processes (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirata A.、Fukasawa M.、Kugimiya K.、Nagaoka K.、Karahashi K.、Hamaguchi S.、Iwamoto H.
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: SJJC01～SJJC01
  • DOI: https://doi.org/10.35848/1347-4065/ab7baa
  • 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 ページ: 022610～022610
  • DOI: https://doi.org/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: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Special issue: Plasmas for microfabrication (2019)
  • 著者名/発表者名: Hamaguchi Satoshi、Agarwal Sumit、Zajickova Lenka、Wertheimer Michael R.
  • 雑誌名: Plasma Processes and Polymers 巻: 16 ページ: 1990001～1990001
  • DOI: https://doi.org/10.1002/ppap.201990001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Damage recovery and low‐damage etching of ITO in H2/CO plasma: Effects of hydrogen or oxygen (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirata Akiko、Fukasawa Masanaga、Kugimiya Katsuhisa、Karahashi Kazuhiro、Hamaguchi Satoshi、Nagaoka Kojiro
  • 雑誌名: Plasma Processes and Polymers 巻: 16 ページ: 1900029～1900029
  • DOI: https://doi.org/10.1002/ppap.201900029
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molybdenum Capping Layer Effect on Electromigration Failure of Plasma Etched Copper Lines (2019)
  • 著者名/発表者名: Su Jia Quan、Li Mingqian、Kuo Yue、Hamaguchi Satoshi
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 92 ページ: 39～46
  • DOI: https://doi.org/10.1149/09205.0039ecst
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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 ページ: 075004～075004
  • DOI: https://doi.org/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
• [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
• [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
• [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
• [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] ビーム実験による原子スケールプロセスにおける表面反応解析 (2020)
  • 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219回研究集会
  • 招待講演
• [学会発表] ALEプロセスでのダメージ最小化に向けたイオンエネルギー分布のオンウエハ・モニタリングと制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平田瑛子
  • 学会等名: 応用物理学会/シリコンテクノロジー分科会 第219回研究集会
  • 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
  • 学会等名: 62nd Annual Technical Conference of Society of Vacuum Coaters
  • 国際学会 / 招待講演
• [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
  • 学会等名: 2nd International Conference on Data Driven Plasma Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Numerical Simulation of Plasma-Liquid Interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Hamaguchi
  • 学会等名: 9th International Symposium for Plasma Bioscience
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Surface Reactions of Atomic Layer Etching (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Ito
  • 学会等名: 3rd International Symposium on Non-equilibrium Plasma and Complex-System Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Numerical analyses of plasma-induced reactive species at plasma-liquid interface (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazumasa Ikuse
  • 学会等名: 3rd International Symposium on Non-equilibrium Plasma and Complex-System Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Low pressure cyclopropylamine plasma polymerization studied by plasma diagnostics and molecular dynamic simulations (2019)
  • 著者名/発表者名: L. Zajickova
  • 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] Atomic Layer Etching: its Science and Technology (2019)
  • 著者名/発表者名: 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 / 招待講演
• [学会発表] Analyses of Hexafluoroacetylacetone (Hfac) Adsorbed on Transition Metal Surfaces (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Ito
  • 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] 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
  • 学会等名: The 4th Atomic Layer Process (ALP) Workshop
  • 招待講演
• [学会発表] ビーム実験による原子層プロセス反応解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 唐橋一浩
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • 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
• [備考] Hamaguchi Laboratory
  • URL: http://www.camt.eng.osaka-u.ac.jp/hamaguchi/
• [備考] Data Driven plasma Scinece
  • URL: http://www.ppl.eng.osaka-u.ac.jp/JSPS_Core/
• [産業財産権] 人工骨、及び人工骨の製造方法 (2019)
  • 発明者名: 浜口智志、出口智子、杦本敏司、海渡貴司、吉川秀樹、朝森千永子
  • 権利者名: 国立大学法人大阪大学、（株）Aimedic MMT
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2019/030787
  • 外国
• [学会・シンポジウム開催] 3rd International Symposium on Non-equilibrium Plasma and Complex-System Sciences (IS-NPCS3) (2019)