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第一原理分子動力学シミュレーション |
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[各図をクリックすると別ウインドウで拡大図が表示されます]
第一原理分子動力学シミュレーションは、実験から得られた経験的なパラメータを一切用いず、計算対象となる原子の種類と電子数のみを入力パラメータにして、物理・化学現象の素過程を量子力学に基づいて解析する方法です。原子・電子レベルでの解析を必要とする「原子論的生産技術」の開発には必要不可欠です。第一原理計算を用いて、加工・成膜現象を実際の実験に代わって解析し、計算結果を実験にフィードバックすることにより、プロセスの実用化が可能になります。
下図は、EEM加工で加工微粒子(SiO2)が被加工物であるシリコン表面の表面原子を除去加工していく過程を、第一原理分子動力学シミュレーションにより解析したものです。微粒子によりシリコン表面原子が除去加工されていく様子がわかります。このようにシミュレーションを行うことにより、最高性能の顕微鏡を駆使しても観測することが困難な現象を、コンピュータのモニター上で観察することができます。
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また、シミュレーションによる物理・化学現象の解析・予測と同時に、シミュレーションを行う新しい計算手法の開発にも取り組んでいます。その結果、従来の方法では容易に成しえなかった電界下でのシミュレーションも可能にしました。図は、新たに開発した実空間差分法による第一原理分子動力学プログラムを用いて、タングステンの表面原子が外部電界により蒸発していく過程をシミュレートしたものです。表面タングステン原子は、電界の効果により価電子を失い陽イオンとして蒸発していく様子がわかります。このプログラムの完成により、電界下での物理現象や表面反応などをより実際に近い環境下でシミュレートすることが可能になりました。
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| このように、計算プログラムを開発し、シミュレーションを実行することにより、加工・成膜プロセスの解析や実験条件の最適化、半導体デバイスの機能予測、さらには新たな物理現象に基づいたプロセス技術の開発が可能になります。 |
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