| 研究課題/領域番号 |
17K06110
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
尾澤 伸樹 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (60437366)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 化学機械研磨 / 計算科学 / 分子動力学法 / 第一原理計算 / メカノケミカル反応 |
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| 研究実績の概要 |
α-Al2O3及びSiC基板は次世代パワー半導体素子材料の成長基板であり、その基板の平坦度がデバイスの性能に影響するため、化学機械研磨（CMP）による平坦化が行われている。これらの基板は高硬度と高い化学安定性を有する難加工材料であり、高効率な研磨手法の開発が強く求められている。本研究では、α-Al2O3及びSiCといった難加工材料のCMPに有効な研磨液中の化学反応活性種及び研磨砥粒の組成・構造を検討可能とする、第一原理計算と分子動力学法に基づいた難加工材料の高効率なCMPシミュレータの開発を目的とする。初年度は、分子動力学法に基づくCMPシミュレーションを行うため、SiC基板モデルの構築を行った。ここでは化学反応を考慮するためにReaxFFの反応力場を用いた。また、CMPプロセスは水環境下で起こるため、H2OとSiC間のパラメータを最適化し、水和したSiC(0001)基板を作成した。次に、高性能な新規砥粒材料に関する知見を得るため、第一原理計算を用いてSiO2砥粒とα-Al2O3基板間の化学反応プロセスを検討した。これまでα-Al2O3(0001)面上におけるCMPについては、SiO2砥粒の押し込みという機械的作用によって、Al2O3基板のO原子とSiO2砥粒のSi原子間の化学反応によってAl-O結合が弱まり、水分子によってAl-O結合が切断されるというCMPメカニズムを示している。そこで、異なる面方位がα-Al2O3のCMPプロセスに与える影響を解明するため、α-Al2O3(1-102)に対しても同様にSiO2砥粒を押し込み、第一原理計算による構造最適化を行った。押し込みに対するAl-O結合距離とSi原子の電荷の変化調べた、(0001)と同様にα-Al2O3(1-102)のO原子とSiO2砥粒のSi原子との化学反応によって、Al-O結合が弱まることを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題では、難加工材料のCMPに有効な砥粒及び研磨液中の酸化剤を最適化を可能とする、α-Al2O3、SiCに対して第一原理計算と分子動力学法に基づく難加工材料の高効率なCMPシミュレータの開発を行うことを目標としている。ここで化学反応と応力、摩擦といった機械的作用が複雑に絡み合ったCMPプロセスを検討するためには、量分子動力学法を活用した研磨シミュレーションが有効であるが、正しく研磨性能を評価するためにより高精度かつ大規模なシミュレーションを行う必要がある。本課題では化学反応と機械的作用を同時に考慮可能なTight-Binding量子分子動力学法プログラムの使用を計画していたが、研究期間内にCMPシミュレーションを終了させるために、化学反応を考慮可能であり、かつ並列化効率が高くより大規模なモデルに対応することが可能な、申請者が所属する研究室で開発済みの反応力場を用いた分子動力学計算プログラムLASKYOの使用に計画を変更した。また、反応力場のパラメータは、第一原理計算で得た結合エネルギー、結合次数、反応プロセスなどを再現するように最適化する必要がある。本年度は、反応力場を用いた分子道理力学法によるSiC基板のCMPシミュレーションを行えるように、水環境におけるSiC(0001)基板モデルを構築した。また、SiO2砥粒によるα-Al2O3基板のCMPの化学反応プロセスを明らかにするため、第一原理計算によってSiO2砥粒の押し込み計算を行い、SiO2砥粒とα-Al2O3(1-102)基板間で起こる化学反応プロセスを明らかにした。得られた知見は今後、反応力場を用いた分子動力学法に基づくα-Al2O3基板のCMPシミュレーションにおけるパラメータ作成に役立てる。以上より、本研究における進捗状況はおおむね順調に進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度に引き続き、SiC及びα-Al2O3基板といった難加工材料に有効なCMP手法を設計するためのCMPシミュレーション手法を開発するため、反応力場であるReaxFFを用いた分子動力学シミュレーション用のパラメータの最適化を行う。α-Al2O3基板については、格子定数、結合長、結合角度の実験値だけではなく、第一原理計算によって得た結合エネルギー、結合次数などと一致するようにReaxFFのパラメータの調整を行う。また、CMPは水環境で行われるため、α-Al2O3表面はOH基で終端されていると考えられる。そこで、第一原理計算を活用してα-Al2O3とOH間の相互作用を再現するようにReaxFFのパラメータを最適化する。また、α-Al2O3及びSiC基板のCMPに有効な砥粒を理論的に設計するため、水環境中で水和したSiO2およびナノダイヤ砥粒モデルの構築を行い、またN、F、Pなどを添加したSiO2およびナノダイヤ砥粒モデルも作成する。具体的には第一原理計算で得たN、F、Pを添加したSiO2およびナノダイヤの電子状態に対して、反応力場を用いた分子動力学計算で求めたSiO2およびナノダイヤ砥粒モデルの電子状態が一致するようにパラメータを調整する。そして、CMPシミュレーションを行い、上記の砥粒の化学反応ダイナミクス、電子状態ダイナミクス、原子拡散ダイナミクス、化学反応活性を解析する。また、作成した砥粒モデルを用いてCMPにおける基板の変質層の形成プロセスを明らかにするため、数千万原子で構成されるSiC及びα-Al2O3基板モデルを作成し、ReaxFFを用いた分子動力学法に基づくCMPシミュレーションを行い、基板の酸化反応といった化学反応プロセスを解析する。
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