利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.18】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NR0060

利用課題名 / Title

電気的インピーダンス分光解析に基づく包括的プラズマ・固体相互作用モニタリング

利用した実施機関 / Support Institute

奈良先端科学技術大学院大学 / NAIST

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions

キーワード / Keywords

X線光電子分光（XPS（硬X線を含む））/ X-ray photoelectron spectroscopy, 表面・界面/ Surface and Interface

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

両角潤樹

所属名 / Affiliation

京都大学大学院工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NR-401：多機能走査型X線光電子分光分析装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

半導体デバイス製造プロセスにおいてはプラズマと呼ばれる電離気体が用いられている．プラズマ中には荷電粒子（イオン，電子）や光子，ラジカルなどが存在し，これらと材料表面との物理的・化学的相互作用を利用することでナノスケールのエッチング，薄膜堆積，表面改質といった超微細加工が実現されている．そのためプラズマを利用した微細加工技術の発展にはプラズマと材料表面との間で生じる物理的・化学的反応を捉え，理解することが重要である．そこで我々は電気化学分野で用いられるインピーダンス分光法をプラズマ・材料表面界面に適用し，プラズマと材料表面の等価回路モデルからプラズマ曝露環境下の材料表面およびプラズマ状態を捉える，その場インピーダンス分光（in-situ Impedance Spectroscopy: in-situ IS）計測システムを構築した．これまでにプラズマからの光照射による絶縁膜特性の劣化過程[1]や反応性プラズマ中の金属プローブ表面改質過程を明らかにしてきた[2]．本研究ではプラズマによる材料表面の化学反応を対象としてアルゴン（Ar）・酸素（O₂）混合プラズマによる銅（Cu）の酸化をその場インピーダンス分光法により計測し，XPSとの結果と比較することでプラズマ中の酸化過程を明らかにすることを目的とした．

実験 / Experimental

Fig. 1に本実験で使用した実験装置の概略図を示す．所属機関において銅薄膜(約200 nm)を4インチシリコン（Si）基板上に成膜したサンプルを作成し，プラズマ生成チャンバーのステージ上に円板状治具（円板中心孔：開口Φ20mm）を用いて固定した．次にAr/O₂混合プラズマ（圧力: 10 Pa，投入電力: 300 W）に３0分間曝露した．この際，ステージにはその場インピーダンス分光計測システムと直流印加電圧源を直列に接続し，直流電圧V_dcをステージに印加しながらプラズマ曝露中のプラズマ・材料表面の回路パラメータ（R, C）を計測した．次に奈良先端科学技術大学院大学のXPSを用いて酸化したサンプルの元素組成（Cu, O, C）の深さ方向分布を計測した．

結果と考察 / Results and Discussion

Fig. 2にその場インピーダンス分光法により計測した酸化銅の容量成分C_oxの時間変化を示す．C_oxが曝露時間とともに減少し，V_dc =20 Vで酸化したサンプルと比べてV_dc =30 Vで酸化したサンプルのC_oxが小さい値を示した．C_oxを単純な平行平板コンデンサーとして考えると膜厚増加によってC_oxの値は減少するため，Fig. 2における結果はプラズマ曝露時間とともに酸化層膜厚が増加することを表しており，また直流印加電圧が大きいほど酸化層膜厚が増加することを示している．Fig. 3にXPSにより計測したCuとOの深さ方向分布の結果を示す．Fig. 3においてOの深さ分布は直流印加電圧が大きいほど深い結果となった．その場インピーダンス分光法により得られた結果からV_dc=+20 V. +30 Vの両条件の酸化層膜厚比は約２倍程度であり，XPSにより得られたOの深さ分布の比と概ね一致した．以上の結果からAr/O₂プラズマによる銅の酸化においてはプラズマ中の荷電粒子又は酸化膜中の電界が酸化機構に深く関係していると考えられる．

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1 Schematic of plasma generator and in-situ impedance spectroscopy system

Fig. 2 Time variation of C_ox at V_dc=+20, +30 V

Fig. 3 Depth profile of atomic concentration

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[1] Junki Morozumi (D1), Takahiro Goya, Tomohiro Kuyama, Koji Eriguchi, and Keiichiro Urabe: “In situ electrical monitoring of SiO2/Si structures in low-temperature plasma using impedance spectroscopy”, Jpn. J. Appl. Phys. 62, SI1010 (2023).
[2]両角潤樹(M1)，久山智弘，鬼頭聖弥，占部継一郎，江利口浩二「インピーダンス分光法を用いたプラズマ曝露環境下のプローブ表面状態モニタリング」,第８２回応用物理学会周期学術講演会，2021年9月10日～23日，オンライン開催，10a-S301-5a．

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

両角潤樹，江利口浩二，占部継一郎「反応性プラズマを用いた金属表面改質プロセスのその場インピーダンス分光計測」，第85回応用物理学会秋季学術講演会，2024年9月16日～20日，朱鷺メッセ，18p-A21-5．

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件