2015 Fiscal Year Annual Research Report
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15H03582
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
斧 高一 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30311731)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
江利口 浩二 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70419448)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プラズマ加工 / プラズマ化学 / 表面・界面物性 / 半導体超微細化 / 超微細加工形状 / 反応粒子輸送 / プラズマエッチング / プラズマ・表面過程揺動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
塩素・臭化水素プラズマによるシリコン (Si) エッチングにおけるナノスケールのプラズマ・表面相互作用の特徴，およびその相互作用による表面ナノラフネス・ナノ周期構造 (リップル) 形成について，モデリング・シミュレーションと実験により解析を進め，表面ナノ周期構造形成を実験実証した．具体的には，(1)独自の三次元原子スケールセルモデル (ASCeM-3D) によるエッチング加工形状シミュレーションを高度化して，ラフネス・リップル構造は入射イオンの表面での反射／散乱および基板表面温度に大きく依存し，反射係数の減少ならびに表面温度の増大とともに消失することを明らかにした．さらに，リップルの波長・振幅・伝播速度は，イオン入射角度・エネルギーおよびエッチング速度に大きく依存し，波長はイオンエネルギーの増大とともに増大することを明らかにした．(2)古典的分子動力学 (MD) シミュレーションを高度化して，エッチング基礎パラメータ (エッチング収率，反応生成物の種類・速度分布など) の入射イオン／ラジカルフラックス比依存性を解析するとともに，イオン種 (原料ガスイオン，反応副生成物イオン) によって表面反射係数が異なることを明らかにした．(3)ASCeM-3DとMD により得られた知見をもとに実験を進め，表面ラフネスの発達が抑制され低い値にとどまるプラズマ条件では，表面反射係数の小さい堆積性の反応副生成物イオンが支配的であり，ラフネス低減／表面平滑化にも有効であることを実証するとともに，プラズマシース制御板を基板表面に載置して平坦基板表面へのイオン斜め入射を実現することにより，ASCeM-3Dで示されたリップルの発現を世界で初めて実験実証した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究目的のうち，ASCeM-3Dを用いたプラズマ微細加工形状シミュレーションによる「表面ナノラフネス・ナノ周期構造のプラズマパラメータ依存性」の系統的な解析を進めるとともに，ASCeM-3D解析によりナノラフネス・ナノ周期構造形成に大きな影響を及ぼすことが明らかになったイオンの表面反射係数について，MDシミュレーションを駆使して，イオン種 (原料ガスイオン，反応副生成物イオン) ごとのエッチング基礎パラメータと表面反射係数を解析した．ASCeM-3D とMDにより得られた知見をもとに，ナノ周期構造形成に最適なプラズマパラメータを与えるプラズマ条件を探索するとともに，プラズマ粒子 (PIC/MC) シミュレーションに基づき基板表面へ最適なイオン斜め入射 (角度，エネルギー，フラックス) を与えるシース制御板 (平坦基板上に載置する斜めスリット構造を有する金属製構造物) を設計製作した．これらを総合して実験を進め，「基板表面へのイオン斜め入射」を実現し，「プラズマ・表面相互作用による表面ナノ周期構造形成」を実験実証した．イオンの基板表面への入射角度に依存して発現する表面ナノ周期構造は，これまで，希ガスイオンビームとSiとの相互作用において理論的・実験的に知られるが，プラズマエッチングにおけるナノ周期構造形成の実験実証は本研究が初めてであり，目的達成の道筋の6～7合目あたりまでさしかかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度 (平成28年度) は，初年度に続き，プラズマ・表面相互作用にかかわる物理・化学を実験とシミュレーションを駆使して解析することにより，表面ナノラフネス・ナノ周期構造形成の機構解明とモデリングを進め「表面ナノ周期構造形成法」を構築する．具体的には，(1)ASCeM-3Dモデル・シミュレーションでは，モデルに考慮されている表面過程をより高度化するとともに，基板原子・吸着原子の熱拡散，およびエッチング副生成物イオン入射のモデルを完成する．また，ナノラフネス・ナノ周期構造形成のプラズマパラメータ依存性をさらに系統的に調べる． (2)MDシミュレーションでは，エッチング副生成物イオンとSi 基板との相互作用についての MD解析を完成し，表面散乱・基板内部への侵入，エッチング収率などの基礎パラメータを ASCeM-3D モデルに提供して，原子論的な表面ナノ周期構造形成機構解明をはかる．さらに，大規模MDシミュレーション (基板一辺 7～10 nm) を進め，基板表面へのイオン入射角度に依存して発現する表面ナノ周期構造を再現する．(3)プラズマ・プロセス実験では，初年度実験実証したシース制御板を用いたイオン斜め入射と表面ナノ周期構造形成法を確立するとともに，ファラデーケージ (基板ステージ電極と同電位にしたファラデーケージ内に基板を斜めに載置) を用いたイオン斜め入射とナノ周期構造形成の実験実証を進める．また，プラズマ粒子シミュレーションと，種々のプラズマ計測・診断を駆使して，基板表面へのイオン斜め入射における入射角度・エネルギー分布を明らかにし，その最適化をはかる．
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