2011年7月31日 (日) 17:33時点における版

プラズマ・宇宙・半導体

誘導結合型プラズマ

航空宇宙機の推進に関連する作業媒質である 電離気体（プラズマ） に関する基礎研究並びに応用研究をおこなっています。それらの力学的性質と共に、構成要素である原子分子やイオンの気相中での反応過程並びに固体表面との相互作用に関する研究にも重点を置いています。

現在の主な研究課題

1. 化学反応を伴う電離気体 (反応性電離気体) の電磁場下での基本的性質の解明と制御
2. 電離気体・反応性気体と固体表面および表面の微細構造との相互作用の機構解明と制御
3. 先進的プラズマプロセス技術の開発
4. 先進的プラズマ・イオン源の開発
5. 荷電粒子の加速とビーム伝播
6. プラズマ・イオンスラスター
7. マイクロ・ナノテクノロジーに関する研究

等です。これらの研究では、実験を主体として数値シミュレーションを併用し、航空宇宙工学に加え広く先端技術における工学的諸課題も対象としています。

概要

次世代超小型・高機能衛星　“シリコンナノサテライト”

超小型人工衛星（ナノサテライト）概念図

近年宇宙工学では、質量が10kg以下、または1kgを切るようなナノサテライトと呼ばれる超小型衛星の研究開発が盛んになっています。このような衛星の小型化による大きな利点は以下のようなものが挙げられます。

1. 衛星の構造を簡素化することで製作時間を大幅に短縮することが可能になります
2. 小型ロケットで1度に複数個打ち上げたり、大型ミッションの便乗ペイロードとして打ち上げたりすることで現在の打ち上げコストを劇的に下げられます
3. 複数の小型衛星を組み合わせることによりミッション全体の信頼性を向上させることができます

特に 3 に関しては、これまでにない新しい概念のミッションも可能になります。

例えば、複数の小型衛星に異なる機能を持たせれば、別の衛星を追加することでそのシステムを変更することが可能になり、また、そのうち1つが壊れた場合にもその衛星を交換することでミッションの継続が可能となります。

このように、衛星の小型化がもたらす利点は非常に大きなものですが、1kg以下のナノサテライトでは、重量、体積、消費電力などの節約が極めて厳しいた め、現行の衛星に利用されている技術の単純なスケールダウンによる小型衛星の開発は難しく、これまでにない新たな技術を必要とします。衛星の推進、姿勢・ 軌道制御に必要なアクチュエータ、いわゆるスラスタもその例外ではなく、化学推進、非化学推進の枠に捕らわれない新たな推進機の開発が要求されます。

このような背景の下、特に、シリコンナノサテライトに注目しています。

シリコンナノサテライトは、マイクロエレクトロニクスとMEMS（マイ クロエレクトロメカニカルシステム）の混載デバイスの1つともいうことができ、衛星に必要な電子的・機械的な機能のほとんど全てを1～2枚のシリコン基板 上に作り込んで超小型・高機能衛星を構成するものです。

シリコンはアルミニウムと同等かそれ以上の強度、比重、熱伝導を有し、半導体だけでなく、衛星の構成材料としても優れているといわれます。さらに最近ではMEMSの材料としても用いられ、従来のシリコン半導体プロセスを駆使できることも利点です。

本研究では、まずスラスタに関して、これまで推進機には用いられることのなかった表面波励起プラズマを利用して次世代の超小型・高機能衛星に搭載可能なマイクロスラスタの研究開発をおこなっています。

新規材料加工・機能素子創製のための先進的プラズマプロセス技術

プラズマによる材料加工・新規材料創製

情報化社会の高度化に伴い超大規模集積回路（ULSI）の集積度は増大し続けています。その変遷の中、ULSIデバイス作製(微細加工・形成技術)において中心的役割を担うプラズマプロセスの高精度化は重要なテーマです。

次世代ULSIに登場する高誘電率ゲート絶縁膜材料やゲートメタル電極材料などをナノメートル精度で成形する微細加工技術をはじめ、超高速演算処理プロ セッサ作製において重要な技術となる低誘電率材料薄膜形成技術など、未来社会を担う情報処理素子を実現するための研究開発をおこなっています。

そのためには、プラズマプロセス中での、MEMS、ULSIデバイスの表面・界面の反応機構を解明することも重要です。例えば、プラズマを構成するイオン、電子との相互作用により、ULSIデバイスの信頼性が著しく低下することが知られています。プラズマからなる宇宙空間を航行する衛星の構成材料においても同様です。新しい光学的・電気的表面・界面解析技術やミュレーション技術を駆使し、ナノスケールでのプラズマとそれら機能素子表面・界面との反応機構の解明を探求します。

また、半導体微細加工には反応性プラズマが用いられますが、このプラズマは既存の材料を加工するのみならず、これまでにない全く新しい材料を生み出す可能 性をも秘めています。ちょうど宇宙空間でこの地球という天体が生まれたように、プラズマという媒質中でこれまでに見たことがないものが生成されるのです。

研究テーマ紹介

ナノサテライトを想定したマイクロプラズマスラスタ
Y. Takao et al., Pure Appl. Chem. 80 (2008) 2013

ナノサテライト用の新型スラスタ（推進器）の研究開発

シリコンナノサテライトの実現のための重要な要素である、マイクロプラズマ源とマイクロノズルから成るマイクロ波励起の電熱加速型マイクロプラズマスラスタの具現化・実用化に取り組んでいます。当研究室では、マイクロ波源として移動体通信地上基地向けの半導体高周波素子を用いた、マイクロ波励起超小型プラズマ推進機（マイクロプラズマスラスタ）を開発しました。

本研究のスラスタは電熱加速型であり、マイクロプラズマ源とマイクロノズルの2つの部分から構成されます。マイクロプラズマ源は、内径 2 mm、長さ約 10 mm の円筒型誘電体容器とそれを覆う金属の同軸構造をなし、この容器内部に推進剤ガスを数 10 kPa 程度の圧力で導入し、同軸ケーブルを介してマイクロ波を供給することでプラズマを生成します。プラズマ源で生成された高温高圧のプラズマは、容器の端に取り付けられたマイクロノズルで膨張し、空力的に加速されて推力を得ます。

FTIR概略図

塩素ガスによる誘導結合型プラズマ (ICP) でエッチングされたシリコン基板の分光測定結果

プラズマエッチング中の材料の表面診断

プラズマによる材料加工（プラズマエッチング）においては、反応が進展する過程やメカニズムを明らかにすることが重要になります。FT-IR (フーリエ変換赤外吸収分光法) により、反射光の強度を測定し、基板の表面にどのような粒子が存在するかを明らかにします。

図に示しているのは吸光度 (エッチング前の基板を測定した結果をエッチング後の測定結果で割って対数をとったもの) です。ピークが得られた波数 (wavenumber) から存在する粒子を同定することができます。

Y. Takao et al., Jpn. J. Appl. Phys. (2011) in press

粒子モデルを用いたプラズマ気相の数値解析

2次元の粒子モデル(PIC/MC: particle-in-cell/Monte Carlo)を用いて容量結合型高周波プラズマの数値解析を行っています。容量結合型のプラズマ源は、大口径のウェハを均一に加工することができる利点を有しています。本研究では、プラズマ密度・温度・ポテンシャル分布のほか、基板へ入射するイオンのエネルギー・角度・フラックス等を算出しています。右図は、本研究で取り扱っているプラズマ源の概略図と、ポテンシャル分布の計算結果を示しています。電極付近にきわめてポテンシャルドロップが大きい領域（シース）の存在が見てとれます。

Y. Osano & K. Ono, JVST B 26 (2008) 1425; H. Tsuda et al., JJAP 49 (2010) 08JE01; K. Ono, et al., Thin Solid Films 518(13) (2010) 3461

H. Tsuda, et al., Jpn. J. Appl. Phys. (2011) in press.

Si エッチングのモデリング・シミュレーション

原子スケールによるプラズマ・Si 表面相互反応の理解のため、当研究室では独自に原子スケールセルモデル（Atomic-Scale Cellular Model：ASCeM）を開発しています。本モデルでは、被エッチング表面を、基板 Si 原子1個を中央に含む矩形の微小セルに分割するとともに、パターン内（Vacuum）も同じ大きさの矩形セルに分割して、表面/界面移動を取り扱います。粒子輸送、表面反応過程にはモンテカルロ法を用い、イオンの散乱や内部への侵入はでは、入射イオンと基板原子との間の二体ポテンシャルにもとづき、入射イオンの基板原子による古典的な弾性衝突過程を連続的に計算し、表面反射や内部への侵入を表現しています。

これまでにASCeMを使い、Cl₂/O₂ 混合プラズマによる Si エッチングにおける残渣形状（剣山状の形状）発現メカニズム解明に取り組んできました。右図は、粒子輸送における幾何学的シャドーイング効果により表面の粗さが発達する様子を示しています。残渣形状の発現にはパターン形状と連動した組成の違い（凸部にはO原子が多く凹部には少ない）と、それに伴うエッチング/スパッタリングレートの差が関与していることを明らかにし、そのメカニズムを解明しました。

3次元原子スケールセルモデル (ASCeM-3D)

さらにこれまでの 2次元モデルを改良して、奥行き方向の形状解析を可能とする 3次元原子スケールセルモデル（Three-Dimensional Atomic-Scale Cellular Model：ASCeM-3D）を新たに開発しています。ASCeM-3D はセル･リムーバル法を使った当研究室独自のモデルであり、従来のシミュレーターでは再現しにくい残渣形状や nm スケールの微小な表面ラフネスの形成メカニズムを詳細に解析することが可能です。

大規模スケール分子動力学 (MD) 法

分子動力学（Molecular Dynamics）法を駆使し、Cl₂/O₂ 混合プラズマによる Si エッチングにおける表面反応を追跡しています。これまでの研究により、エッチング時の微小な表面ラフネス形成の形成メカニズムを明らかにしました。このラフネスは、さらに大きなスケール（ナノ～マイクロオーダー）のラフネス形成を誘発すると考えられ、今後のデバイス開発においては、こうした微小な表面ラフネスの正確な制御が強く要求されます。