超解像Raman断層計測を用いた結晶損傷発生機構の解明と先端加工技術への応用

利用超分辨率拉曼断层扫描阐明晶体损伤产生机制及其在先进加工技术中的应用

• 批准号: 21H01223
• 负责人: 小貫 哲平
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: Ibaraki University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01223/
• 关键词: 加工変質層; 半導体ウエハ; 顕微Raman分光; 断層イメージング; 非破壊計測; 超解像; Ramanイメージング; 断層計測; 加工損傷; 顕微Raman断層イメージング計測; 無機材料; 研削面; 結晶構造

超解像Raman断層イメージング測定装置の基盤となる構成（主に顕微鏡筐体，光源、分光器，試料ステージからなる）を概ね構築することができた．試験的な測定実験の結果，素の装置構成と測定条件で300ナノメートルの解像度での計測が達成された．測定試料としてSiCウエハやGaNウエハなどワイドバンドギャップ半導体を中心に測定条件を最適にするための研究を進め，そのほかに，環境半導体Mg2Si，強誘電体LiTaO3，エンジニアリングセラミックスAl2O3，PSZなどの材料への計測も試み，適用可能な材料範囲を拡大させた．本計測技術の応用先として電子デバイス基板材料を中心に研究を進め，そのほかに，工具などのセラミックス製品への適用において有望な用途を見出し，新たな連携研究先などの輪を広げることができた．分析方法として，Ramanスペクトルから特徴量抽出を行うデータ処理における確かさや信頼性についての指標を開発し，得られた断層像の妥当性を保証する手法を開発した。加工変質層の状態とピーク特徴量との関係を理論的に示すために，第一原理計算によるRamanスペクトルシミュレーションの方法を確立し，任意の結晶格子状態に対する電子状態，格子振動状態を計算し，それらから変形ポテンシャル，Ramanテンソル成分を導出し，Raman散乱スペクトルを求める一連の方法を開発した．サファイア(Al2O3)をモデルとして，c軸，a軸などの主軸に対する主ひずみ，およびせん断ひずみに対する各Ramanピークのピーク位置のシフト量を求めた．これらの実績について，論文1報，解説記事1報，国際会議3報，学会発表3報の形で公開した．

我们能够大致构建出超分辨率拉曼断层成像测量装置的基本结构（主要由显微镜外壳、光源、光谱仪和样品台组成）。实验测量实验的结果是，使用基本的装置配置和测量条件实现了分辨率为300纳米的测量。我们正在以SiC晶片和GaN晶片等宽禁带半导体为测量样品，进行测量条件优化的研究。此外，我们还对环境半导体Mg2Si、铁电LiTaO3、工程陶瓷Al2O3和PSZ等材料进行研究我们还进行了测量实验，扩大了适用材料的范围。我们一直致力于电子器件基板材料的研究，作为这种测量技术的应用，并且在工具等陶瓷产品中也发现了有前景的应用，扩大了我们新的合作研究伙伴的范围。作为一种分析方法，我们开发了从拉曼光谱中提取特征的数据处理的准确性和可靠性指标，并开发了一种保证所获得的断层图像的有效性的方法。为了从理论上论证过程影响层的状态与峰特征之间的关系，我们建立了利用第一性原理计算的拉曼光谱模拟方法，计算了任意晶格状态的电子状态和晶格振动状态，并由此，我们推导出变形势和拉曼张量分量，并开发了一系列获得拉曼散射光谱的方法。使用蓝宝石（Al2O3）作为模型，计算了每个拉曼峰的峰位置相对于c轴和a轴等主应变以及剪切​​应变的偏移量。这些成果以一篇论文、一篇解释性文章、三篇国际会议报告和三篇会议报告的形式发表。

项目成果

第一原理電子構造計算によるRamanスペクトルシミュレーションを用いた結晶格子損傷状態の解析法の検討

基于第一性原理电子结构计算的拉曼光谱模拟晶格损伤状态分析方法检验

• 发表时间: 2022
• 作者: 黒田隼乃介;小貫哲平;金子和暉;尾嶌裕隆;清水淳;周立波
• 通讯作者: 周立波

Chemo-mechanical grinding by applying grain boundary cohesion fixed abrasive for monocrystal sapphire

单晶蓝宝石晶界凝聚固定磨料化学机械磨削

• DOI: 10.1016/j.precisioneng.2021.01.015
• 发表时间: 2021-02-13
• 期刊: PRECISION ENGINEERING-JOURNAL OF THE INTERNATIONAL SOCIETIES FOR PRECISION ENGINEERING AND NANOTECHNOLOGY
• 影响因子: 3.6
• 作者: Wu, Ke;Touse, Daichi;Yuan, Julong
• 通讯作者: Yuan, Julong

Crystallographic subsurface damages observations using super-resolution Raman tomographic imagingin advanced semiconductor and ceramics materials

使用超分辨率拉曼断层成像对先进半导体和陶瓷材料中的晶体地下损伤进行观测

• 发表时间: 2021
• 作者: 福地 里菜;伊藤 久敏;山口 飛鳥;木村 学;Teppei Onuki
• 通讯作者: Teppei Onuki

Micro Raman Tomographic Imaging on Laser Beam Internal Damage into Sapphire for Laser Cleaving Process

激光切割过程中激光束对蓝宝石内部损伤的显微拉曼断层成像

• 发表时间: 2022
• 作者: Teppei ONUKI;Junnosuke KURODA;Kazuki KANEKO;Hirotaka OJIMA;Jun SHIMIZU;Libo ZHOU
• 通讯作者: Libo ZHOU

Investigation of nanoscratch anisotropy of C-plane sapphire wafer using friction force microscope

• DOI: 10.1016/j.precisioneng.2021.08.011
• 发表时间: 2022
• 期刊: Precision Engineering-journal of The International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology
• 影响因子: 3.6
• 作者: Wangpiao Lin;J. Shimizu;Li-bo Zhou;T. Onuki;Hirotaka Ojima