Siウエハ研削の分子動力学解析
目 的
・ ダイヤモンド研削現象の解明
・ 加工変質層の最小化条件，加工能率向上条件など，最適加工条件の推定
分子動力学解析の概要
図のようなシミュレーションモデルを利用する．工作物にSi(100)基板，砥粒に完全剛体のダイヤモンドを想定する．Siの原子間相互作用の記述にはTersoffポテンシャル，Si-C間にはMorseポテンシャルを用いる．工作物は原子レベルで完全な表面を持っているものとする．ここでは，砥粒と工作機械との間の剛性は考慮しない．
背 景
ダイヤモンド研削は，従来のラッピング加工に対し，加工能率および平坦度の面で優位性を持っており，近年，シリコンウエハ加工に導入されつつある．しかしながら，最終仕上げ工程にはCMPやエッチングのような化学援用加工が必要となる．その理由は，加工変質層の生成によるものである（TEM写真を参照，上はCMP後，下はダイヤモンド研削後）．また，ダイヤモンド研削における最適加工条件は，砥石の構成条件を含め，まだまだ模索中である．
得られた成果
・ 材料変形の温度依存性（高温の方が変形大）を確認した（文献1）．
・Si-C間の相互作用を変化させ凝着力の強弱を表現し，凝着が弱くなると砥粒の摩耗とSiの変形が小さくなることを確認した（文献2）
・ナノスクラッチ実験との定性的比較を試み，結果の一致をみた（文献3）．
・ ポテンシャルパラメータ制御により化学作用を模擬したモデルによりCMGやCMPを模擬し，その有効性を示した（文献4,5）．
日本学術振興会 科学研究費補助金 若手研究 H17～18年度 No. 17760099
「Ｓｉおよび次世代半導体基板材料の無欠陥加工メカニズムと最適加工環境・条件の解明」 （代表 清水 淳）
現在の状況
・ 前加工による加工変質層がその後の仕上げ加工に及ぼす影響の検討
参考論文
(1) Hidemitsu Okabe, Takashi Tsumura, Jun Shimizu, Libo Zhou, Hiroshi Eda: Experimental and Simulation Research on Influence of Temperature on Nano-Scratching Process of Silicon Wafer, Key Engineering Materials, 329, (2007.1) pp.379-384
(2) Jun Shimizu, Hiroshi Eda, Libo Zhou, Hidemitsu Okabe: Molecular Dynamics Simulation of Adhesion Effect on Material Removal and Tool Wear in Diamond Grinding of Silicon Wafer, Tribology Online, 3, 5 (2008.9) pp.248-253
(3) 清水 淳，周 立波，山本武幸，津村貴史，岡部秀光，江田 弘: 微小引っかきによるシリコンウエハ研削現象の解析, 砥粒加工学会誌, 53, 12 (2008.12) pp.603-608
(4) 清水 淳，周 立波，山本武幸: ポテンシャルパラメータ制御によるシリコンウエハ化学作用援用研削の分子動力学シミュレーション, 砥粒加工学会誌, 54, 1 (2010.1) pp.41-44
(5) Jun Shimizu, Libo Zhou, Takeyuki Yamamoto: Molecular Dynamics Simulation of Chemical Reaction Assisted Grinding of Silicon Wafer by Controlling Interatomic Potential Parameters, J. Computational and Theoretical Nanoscience, 7, 10 (2010.10) pp.2165-2170
解析の概要
ここでは，一例として，ダイヤモンド単粒による引っかき過程を示す（動画）．
