化学気相堆積（cvd）過程の 基礎的理解とその応用materials science school of...
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北陸先端科学技術大学院大学�
化学気相堆積（ C V D ）過 程 の�基 礎 的 理 解とそ の 応 用�
材料科学研究科�
梅本 研究室�
M a t e r i a l sS c i e n c e
北陸先端科学技術大学院大学 研究室レポート�
科学技術のフロンティアを拓く�
Materials ScienceMaterials ScienceSchool ofMaterials Science
UmemotoLaboratory
化学気相堆積（CVD）過程の�基礎的理解とその応用。�そこで何が起こっているのか、科学者の目は見逃さない。�複雑なCVD過程の解明に取り組む梅本研究室が�次世代の高度な薄膜作製への道を拓く。�
Japan Advanced Institute of Science and Technology,Announcement of Researchers
北陸先端科学技術大学院大学�
材料科学研究科 梅本 研究室 ● ● ●��
CVDの科学を見つめる�産業界・学界で薄膜作製技術が重要視さ
れるようになって久しい。薄膜は半導体の
集積回路や太陽電池、液晶ディスプレイなど、
あらゆる電子デバイスに組み込まれている。
エレクトロニクスは目覚しい発展を遂げており、
製品が小型化・高度化するのに伴い、電
子デバイスもナノサイズに移行してきている。
薄膜作製についても必然的にナノスケー
ルでの緻密な制御が必要とされる。�
質が高い薄膜を効率よく作製するにはどう
いう条件が最適か、装置をどう改良すれば
よいのか。薄膜技術においては多くの研
究者が競うように研究開発を行っている。
梅本宏信助教授は、薄膜ができるまでのメ
カニズムを解析することでその基礎的な理
解を深め、応用へとつなげていく研究を展
開している研究者である。�
CVD（Chemical Vapor Deposition：化学気相堆積）とは�CVDは化学反応を利用して薄膜を作る技
術である。シリコン薄膜でいうなら、原料ガ
スであるシラン等の安定分子を分解する
過程、気相中の分解種（ラジカル種）が反
応をおこす過程、そして基板上に堆積する
過程、三つの段階を経てはじめてシリコン
薄膜が作製される。�
CVDの中にもさまざまな手法があるが、現
在多用されているのは『プラズマCVD』で
ある。しかしプラズマCVDの場合、プラズ
マによって薄膜がダメージを受け特性が劣
化する、大面積化が難しいなど問題点も
多い。この課題をクリアする新しいCVD技
術が、JAIST材料科学研究科の松村研
究室が提案する『触媒CVD』である。梅
本助教授は特にこの触媒CVDに着目。気
相中でどんな分解種がどれほど存在する
のかなど、その反応過程を逐一明らかにす
ることに挑戦している。�
�
複雑なCVD過程の�解明に挑む�CVD過程は非常に複雑な系であるという。
しかし梅本助教授は、複雑ではあるが必ず
解析できるとの信念のもと実験を繰り返し
てきた。現段階では気相反応のかなりの部
分が明らかになっている。そこからさらに触
媒体表面で何が起こっているのか、あるい
は基板表面で何が起こっているのかの情
報を得ることもできる。触媒CVD装置にお�
いて反応を巧みに制御するための指針がも
たらされるのもそう遠いことではないのだろう。�
触媒CVDについては歴史が浅いというこ
ともあり、装置自体の研究者は急増してい
るものの、気相診断については世界的に
も研究者が少ない。前人未到のテーマに
取り組んだのはなぜか。梅本助教授は、「そ
れは誰もやっていないことをやりたいから」
としなやかに答えてくれた。研究者なら誰
でもオンリーワンの研究を目指す。それを
実践する助教授の後には学生が続き、実
験のセンスと技術を磨いている。�
�準安定窒素原子、�窒素分子の反応にも注目�研究室ではCVDに関連し準安定状態の
窒素原子・窒素分子にも着目している。そ
の理由もやはり「誰もしていないから」。す
る価値がないのではなく、難しすぎて誰も
手が出せなかったテーマだったという。助
教授はある波長のレーザー光によって普
通の方法ではできないような長寿命の励
起状態（準安定状態）の窒素原子・分子
が生成されることを見出した。こうした準安
定状態の原子・分子は反応性が高く、プラ
ズマCVDにおいて反応過程の開始剤とな
ると考えられる。研究室ではこれがどんな
反応を経てどう変化していくのかという点
に注目し実験を行っている。“それまで分
からなかったことが分かるようになった”と
いう事実に喜び、“なぜそうなるのか”とさ
らなる探求を始める。研究の魅力はサイエ
ンティストを離さない。�
�レーザーを用いて�反応を制御�梅本研究室の強力な武器はレーザーである。
反応物を生成すること、生成されたものを観
測すること、そのいずれにも光を用いている。
レーザーを使うと特定の励起状態を選択的
に作ることができ、さらに反応の結果生成さ
れたものを選別して検出することが可能である。
これは欲しいものだけを副生成物なしに作る、
反応の制御へと結びつくものでもある。�
基礎研究は基礎に徹し、応用研究は製品
開発へ。基礎研究と応用研究の位置関
係がだんだん遠くなっている傾向にある今、
基礎と応用を結びつける役割の研究者の
不在が懸念されている。梅本助教授は、「私
は基礎研究と応用研究の橋渡しをしてい
きたい。それが自分の役割だと思っています」
と語ってくれた。�
キーワード ＣＶＤ（化学気相堆積）過程、レーザー分光、ラジカル反応�
使用装置 Nd:YAGレーザー（３台）、色素レーザー（５台）、飛行時間型質量分析器、四重極質量分析器、CVDチャンバ�
1）触媒ＣＶＤ過程における分解種� （ラジカル種）の同定と密度計測 �触媒CVD法とは、シラン等の原料ガスを通電加熱した金属触媒
体表面において接触分解させ、この分解種（ラジカル）を基板上
に薄膜として堆積させる技術です。これまでにシラン/水素系、お
よびシラン/アンモニア系で生成するSi、SiH、SiH3、NH、NH2お
よびH原子、N原子の検出とその絶対密度の測定を系統的に行
ってきました。その結果、どちらの系でも水素原子が多量に発生
し堆積に重要な役割を果たしていること、実際の堆積条件では
SiH3およびNH2の寄与が大きいことなどを明らかにしました。また、
膜質を一定に保つ上で、チャンバー内壁の温度制御が重要であ
ることが分かりました。今後は、シラン以外の原料ガスを用いた系
でのラジカル検出にも手を広げていきたいと思っています。 �
2）準安定窒素原子、窒素分子の反応 �励起準安定状態の窒素原子や窒素分子は窒素プラズマプロセ
ス等での反応の主役です。それにもかかわらず、その反応生成物
の同定はほとんど行われていませんでした。これは、これらの原子
や分子を他の活性種との混合物としてではなく作る方法がなか
ったためです。我々は、一酸化窒素の二光子光分解によって最
低励起二重項状態のＮ原子を、また、窒素分子の直接二光子
励起によって励起一重項状態のN2分子を選択的に生成させら
れることを見出し、その反応生成物の同定を行っています。これ
までに、最低励起二重項状態の窒素原子はメタン等のＣ-Ｈ結合
に効率良く挿入すること、挿入後形成される錯体もラジカルであり、
その結果、分子内水素原子移動等の特異な挙動を示すこと、最
低励起一重項状態の窒素分子とメタン、水分子との反応でも錯
体が形成され、効率よく水素原子が放出される過程が存在する
ことなどを見出しています。�
北陸先端科学技術大学院大学 材料科学研究科�
助教授 梅本 宏信�Associate Professor Hironobu Umemoto
梅本研究室 材料科学棟I TEL：0761-51-1651 FAX：0761-51-1149� http://www.jaist.ac.jp/̃umemoto/umemoto_lab.html� [email protected]
Research Interests
接触分解過程�
蓄積過程�
触媒体（タングステン）�
基板�
気相反応・�輸送過程�
触媒化学気相堆積過程における�ラジカル種の同定と密度計測�
アンモニアの触媒分解で生成する�NHおよびNＨ2ラジカルの�レーザー誘起蛍光スペクトル�
NH NＨ2
化学気相堆積（CVD）過程では、なんらかの方法で安定な分子を壊しラジカルを発生させ、そのラジカルが直接あるいは気相反応を
経て基板上に堆積します。どのような条件の時、どのようなラジカルが、どの程度発生しているかを知ることは、CVD過程を理解する上で、
また最適な堆積条件を設定する上で必要不可欠です。梅本研究室では、CVD過程における気相診断を主にレーザー分光法を用いて
行っています。�
主 な 研 究 テ ー マ�
北陸先端科学技術大学院大学 材料科学研究科�
助教授 梅本 宏信�Associate Professor Hironobu Umemoto
＜学位＞�東京工業大学理学士 （1975）、東京工業大学理学修士（1977）、�東京工業大学理学博士（1980）�
＜職歴＞ �米国ユタ大学化学科博士研究員（1980)、東京工業大学理学部助手（1983）、�北陸先端科学技術大学院大学材料科学研究科助教授(1994-)
梅本研究室 材料科学棟I TEL：0761-51-1651 FAX：0761-51-1149� http://www.jaist.ac.jp/̃umemoto/umemoto_lab.html E-mail [email protected]
Faculty Profile
専門�化学反応動力学, レーザー化学 �
主な研究課題�触媒ＣＶＤ過程における分解種（ラジカル種）の同定と密度計測 �触媒CVD法とは、シラン等の原料ガスを通電加熱した金属触媒体表面において接触分解させ、この分解種（ラジカル）を基板上に薄膜として堆積させる技術である。どの様な条件のときに、どの様な分解種が発生するかを知ることは、装置の設計や堆積条件の設定に欠かせない。これまでにシラン/水素系、およびシラン/アンモニア系で生成するSi、SiH、SiH3、NH、NH2およびH原子、N原子の検出とその絶対密度の測定を系統的に行ってきた。その結果、どの系でも水素原子が多量に発生し堆積に重要な役割を果たしていること、実際の堆積条件ではSiH3およびNH2の寄与が大きいことなどを明らかにした。また、太陽電池の劣化防止に関連して、微量のシアン添加系での測定なども行っている。 �
準安定窒素原子、窒素分子の反応 �励起準安定状態の窒素原子や窒素分子は窒素プラズマ等での反応の主役である。それにもかかわらず、その反応生成物の同定はほとんど行われていなかった。これは、これらの原子や分子を他の活性種との混合物としてではなく作る方法がなかったためである。我々は、ＮＯの二光子光分解によって第一励起状態のＮ原子を、また、Ｎ2の直接二光子励起によって励起一重項状態のＮ2分子を選択的に生成させられることを見出し、その反応生成物の同定を行っている。これまでに、最低励起二重項状態の窒素原子はメタン等のＣ-Ｈ結合に挿入すること、挿入後形成される錯体もラジカルであり、その結果、分子内水素原子移動等の特異な挙動を示すこと、最低励起一重項状態の窒素分子とメタン、水分子との反応でも錯体が形成され、効率よく水素原子が生成する過程が存在することなどを見出している。 �
大気化学的に重要な反応過程における同位体効果 �大気中の微量成分の生成過程や消滅過程における同位体効果を調べることは大気中の物質循環を解明する上で重要である。特にオゾンや窒素酸化物では成層圏と対流圏で同位体分布に大きな違いが観測されており、その原因の解明が求められている。我々は、一酸化二窒素の大気の窓（酸素とオゾンの吸収の狭間）領域における光分解過程について実験を行い、14Ｎ2Ｏと14Ｎ15ＮＯで１０％に上る同位体効果を観測し、同位体分布異常の原因の一つが、その光分解過程にあることを検証した。Ｏ+ＮＯ+Ａｒの三体衝突会合過程でも同様な同位体効果を観測している。 �
主な著書・論文・講演発表�・Quantification of Gas-phase H-atom Number Density by Tungsten Phosphate � Glass, T. Morimoto, H. Umemoto, K. Yoneyama, A. Masuda, H. Matsumura, � K. Ishibashi, H. Tawarayama, and H. Kawazoe, Jpn. J. Appl. Phys., 44, � [1B] 732-735 (2005).�・「化学便覧 基礎編 改訂５版」日本化学会編 第１２章 第２節 第３項, 励起原子・� 分子の反応速度, 梅本宏信, 丸善(株) 表12.29-12.69 (2004).�・Cat-CVD技術の現状と将来展望：気相診断からデバイス応用まで, 増田淳、梅本宏� 信、松村英樹,「電子情報通信学会論文誌」Vol. J87-C, No. 2, pp.203-215 (2004). �・Effect of Atomic Hydrogen on Preparation of Highly Moisture-resistive SiNx Films � at Low Substrate Temperatures, A. Heya, T. Niki, M. Takano, Y. Yonezawa, � T. Minamikawa, S. Muroi, S. Minami, A. Izumi, A. Masuda, H. Umemoto, � and H. Matsumura, Jpn. J. Appl. Phys., 43, [12A] L1546-L1548 (2004).�・Highly Moisture-resistive SiNx Films Prepared by Catalytic Chemical Vapor � Deposition, A. Heya, T. Niki, Y. Yonezawa, T. Minamikawa, S. Muroi, A. � Izumi, A. Masuda, H. Umemoto, and H. Matsumura, Jpn. J. Appl. Phys., � 43, [10B] L1362-L1364 (2004).�・Production Yields of H(D) Atoms in the Reaction of N2(a 1IIg, v=0) with H2 � and D2, H. Umemoto and T. Nakajima, Chem. Phys., 303, [1,2] 101-105 (2004).�・Catalytic Decomposition of HCN on Heated W Surfaces to Produce CN � Radicals, H. Umemoto, T. Morimoto, M. Yamawaki, Y. Masuda, A. Masuda, � and H. Matsumura, J. Non-Cryst. Solids, 338-340, 65-69 (2004).�・Cat-CVD (Hot-wire CVD); How Different from PECVD in Preparing �
Amorphous Silicon, H. Matsumura, H. Umemoto, and A. Masuda, J. � Non-Cryst. Solids, 338-340, 19-26 (2004).�・触媒化学気相成長法 －最近の進展と今後の展望－, 増田淳、和泉亮、梅� 本宏信、松村英樹, 「真空」 Vol. 46, No. 2, pp.92-97 (2003). �・触媒化学気相堆積法とその応用 「次世代エレクトロニクス薄膜技術」白木靖� 寛(監修) 第５章, 増田淳、和泉亮、梅本宏信、松村英樹, シーエムシー出版� (株) pp.77-119 (2003).�・Selective Production and Kinetic Analysis of Thermally Equilibrated N2� (B 3IIg, v=0) and N2(W
3Δu, v=0), H. Umemoto, Phys. Chem. Chem. Phys., � 5, [24] 5392-5398 (2003).�・Radical Species Formed by the Catalytic Decomposition of NH3 on Heated � W Surfaces, H. Umemoto, K. Ohara, D. Morita, T. Morimoto, M. Yamawaki, � A. Masuda, and H. Matsumura, Jpn. J. Appl. Phys., 42, [8] 5315-5321 (2003).�・Collisional Intersystem Crossing of N2(a' 1Σu-) to Produce Triplet-state � Molecular Nitrogen, H. Umemoto, M. Oku, and T. Iwai, J. Chem. Phys., � 118, [22] 10006-10011 (2003).�・Deposition Chemistry in the Cat-CVD Processes of SiH4/NH3 Mixture, � H. Umemoto, T. Morimoto, M. Yamawaki, Y. Masuda, A. Masuda, and � H. Matsumura, Thin Solid Films, 430, [1,2] 24-27 (2003).�・Recent Progress of Cat-CVD Research in Japan - Bridging between the � First and Second Cat-CVD Conferences, H. Matsumura, H. Umemoto, � A. Izumi, and A. Masuda, Thin Solid Films, 430, [1,2] 7-14 (2003).�・Production Yields of H(D) Atoms in the Reactions of N2(a' 1Σu-) with H2O, D2O, � and HOD, H. Umemoto and M. Oku, Bull. Chem. Soc. Jpn., 76, [2] 291-294 (2003).�・Cat-CVD processes to prepare SiNx films from an organic precursor; � Hexamethyldisilazane as a single source gas, H. Umemoto, T. Morimoto, � S.G. Ansari, K. Yoneyama, T. Nakajima, A. Masuda, and H. Matsumura, JAIST � International Symposium on Nano Technology 2004（Tatsunokuchi）２００４年９月�・ヘキサメチルジシラザンの触媒分解過程と窒化シリコン膜堆積, 梅本宏信、森� 本隆志、S.G. Ansari、米山浩司、中島鉄平、増田淳、松村英樹, 2004年秋季� 第65回応用物理学会学術講演会（仙台）２００４年９月�・High-rate deposition of highly moisture-resistive SiNx films on PES � substrates by Cat-CVD for flexible OLED displays, A. Heya, T. Niki, M. Takano, Y. Yonezawa, T. Minamikawa, S. Muroi, S. Minami, H. Maruyama, � H. Ito, A. Masuda, H. Umemoto, and H. Matsumura, The 11th International � Workshop on Active-Matrix Liquid-Crystal Displays (Tokyo) ２００４年８月�・H2 Dilution Effect in the Cat-CVD Processes of the SiH4/NH3 System , � S.A.A.G. Ansari, H. Umemoto, T. Morimoto, K. Yoneyama, A. Masuda, � and H. Matsumura, 3rd International Conference on Hot-Wire CVD � (Cat-CVD) Process (Utrecht, The Netherlands) ２００４年８月�・準安定励起窒素分子N2(a 1IIg)とH2(D2)分子の反応におけるH(D)原子生成収� 率, 中島鉄兵、梅本宏信, 第２０回化学反応討論会（東京）２００４年６月�・Quantification of Gas-phase H-atom Number Density by Tungsten � Phosphate Glass, T. Morimoto, H. Umemoto, K. Yoneyama, A. Masuda, � H. Matsumura, K. Ishibashi, H. Tawarayama, and H. Kawazoe, 2004 � International Symposium on Organic and Inorganic Electronic Materials � and Related Nanotechnologies (Niigata, Japan) ２００４年６月�・酸化タングステン含有燐酸ガラスによる水素原子定量法の開発, 梅本宏信、� 森本隆志、米山浩司、増田淳、松村英樹、石橋啓次、俵山博匡、川副博司, 第� １回Cat-CVD研究会（金沢）２００４年５月�・ＳｉＨ４/ＮＨ３/Ｈ２系でのＣａｔ－ＣＶＤ過程におけるＮＨ３分解効率, S.G. Ansari, 森� 本隆志, 米山浩司, 梅本宏信, 増田淳, 松村英樹, 春季第５１回応用物理学� 関係連合講演会（東京）２００４年３月�
国際貢献・国内貢献等�・日本化学会 ・応用物理学会 ・日本物理学会 ・レーザー学会�・光化学協会 ・大気化学研究会 ・分子科学研究会�・２００４年度 応用物理学会北陸・信越支部幹事、 新潟大非常勤講師、神戸大� 非常勤講師�
JR金沢駅� 西金沢駅� 新西金沢駅� 鶴来駅�
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（40分）¥750 ※本学で降車の際はあらかじめ乗務員にお知らせください。�
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〒923-1292 石川県能美市旭台1-1 TEL:0761-51-1111（代表）�http://www.jaist.ac.jp/index-jp.html
TEL：0761-51-1651 FAX：0761-51-1149�http://www.jaist.ac.jp/̃umemoto/umemoto_lab.html E-mail [email protected]
梅本研究室�
先端科学技術研究調査センター�TEL 0761-51-1070 FAX 0761-51-1944�E-mail [email protected] HPアドレス http://www.jaist.ac.jp/ricenter/index.html�
学術協力課 連携推進室 産学連携係�TEL 0761-51-1906 FAX 0761-51-1919 E-mail [email protected]
産学連携に関するお問い合せ�
※平成18年度4月より、材料科学研究科は「マテリアルサイエンス研究科」に名称変更する予定です。�