摩擦と化学反応が複雑に絡み合ったマルチフィジックス化学機械研磨シミュレータの開発

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難加工材料として加工効率の向上が求められる窒化ガリウム（GaN）基板研磨プロセスについて，化学機械研磨（CMP）メカニズムの解明に基づき，高効率研磨に向けた材料設計・プロセス設計を行った．OHラジカルを活性種として用いたGaN CMPシミュレーションを行った結果，摩擦界面においてSiO2砥粒と酸化したGaN基板との化学反応により砥粒-基板間でSi-O-Gaの結合が形成されることを明らかにした．砥粒と結合を形成したGa原子は砥粒の移動により基板から引き抜かれるGa原子の除去メカニズムを明らかにした．Ga原子の除去に対する高効率化に向けて，第一原理計算を用いて砥粒材料がGa原子の引き抜きプロセスに及ぼす影響について検討した．酸化したGaN基板と砥粒粒子をモデル化し，基板と砥粒が離れた状態（状態Ⅰ），砥粒が基板に結合した状態（状態Ⅱ），砥粒と結合する基板のGa原子が引き抜かれた状態（状態Ⅲ）をモデル化した．砥粒材料としてSiO2砥粒とナノダイヤモンド（ND）砥粒をモデル化し，砥粒材料がGa原子の引き抜きプロセスに及ぼす影響を検討した．状態Ⅰを基準として状態Ⅱと状態Ⅲのエネルギーを比較するとSiO2砥粒を用いた場合，状態Ⅱが+6.5 kcal/mol，状態Ⅲが+3.7 kcal/molであり，砥粒-基板間の結合形成とGa原子の引き抜きが吸熱反応となりSiO2砥粒によるGa原子の引き抜きプロセスは進行しづらいことを明らかにした．ND砥粒を用いた場合，状態Ⅱが+1.4 kcal/mol，状態Ⅲが-5.9 kcal/molであり，Ga原子の引き抜きが発熱反応となりND砥粒によるGa原子の引き抜きプロセスはSiO2砥粒と比較して進行しやすいことを明らかにした．この結果を基に，ND砥粒を用いた実証実験をおこない従来のSiO2砥粒を用いたプロセスと比較して10倍以上の加工効率の向上に成功した．