論 窒 素RFプ Optical ラズマ の発光分光 診 断 正 員 伊 藤 秀 範 (室蘭工業大学) 正 員 西 山 伸 泰 (東芝) 正 員 佐 藤 孝 紀 (室蘭工業大学) 正 員 中 尾 好 隆 (室蘭工業大学) 正 員 田 頭 博 昭 (室蘭工業大学) Emission 文 Spectroscopic Diagnostics in Nitrogen RF Discharges Hidenori Itoh, Member (Muroran Institute of Technology), Nobuyasu Nishiyama, Member (Toshiba), Kohki Satoh, Member, Yoshitaka Nakao, Member and Hiroaki Tagashira, Member (Muroran Institute of Technology) The characteristics of RF plasmas as a function of driving frequency f, 0.1- 13.56MHz in nitrogen has been observed by optical emission spectroscopic method. The space- and time-resolved profiles of the net excitation rate of molecules and ions have been deduced from spatiotemporally resolved optical emission profiles of their species, i.e. the second positive and the first negative bands. It is found that ionizations due to the secondary electrons from the electrodes by positive ions play an important part in the maintaining mechanism at low frequency as f<1.5MHz, while a discharge is maintained by bulk ionizations at high frequency as f>10MHz. results also show that a discharge at middle frequency as 1.5<f<10MHz, The is explained from the point of view of the transition of the mechanism which maintains a discharge. It is also shown that the excitation profiles exhibit double layers near the electrodes in nitrogen at 13.56MHz, 60W and the gas pressure p, p>67Pa. キ ー ワ ー 1. ド:発 光 分 光 診 断,RFプ ラ ズ マ,正 イ オ ン,二 次 電 子, ダ ブ ル レイ ヤー 、 電離 、 励起 置 分 解 で き る こ と,位 置 分 解 能 はCCDの ま えが き 電 子 デ バ イ ス の 製 造,材 料 表 面 の 修 飾,薄 画 素 数 で 決 ま りそ れ が 極 め て 高 い こ と,IIを ゲ ー テ ィ ン グ す る こ と に よ っ て ス 膜 の 創製 な ど の各種 プ ロセ ス に お け る反 応 性 プ ラズ マ の利 用 技 術 は 急 速 ペ ク ト ラ ム ・プ ロ フ ァイ ル の 時 間 分 解 が 可 能 な こ と,で あ る 。 に進 歩 し,そ の 利 用 範 囲 は 広 が り続 け て い る 。こ れ ら プ ラ ズ こ れ ま で に ゲ ー トパ ル ス 回 路 の 改 良 を 重 ね て,現 在 の 時 間 分 マ プ ロセ シ ン グ 技 術 が 今 後 さ ら に 成 熟 し発 展 し て い く た め 解 能 は5nsと に は,プ ロ セ ス プ ラ ズ マ の 基 礎 特 性 を 的 確 に 把 握 す る こ と が るRF周 本 研 究 の 目 的 は,時 間 分 解 能 が 改 善 さ れ た 診 断 装 置 に よ っ 必要 で あ る 。 著 者 ら は,こ (2),こ 分 光 検 出 し,2段 こ の 診 断 装 置 は,プ Processor)を positive bandとlst negative bandの 代表 的 な 励 起 分 子 密 度 と 励 起 イ オ ン 密 度 の プ ロ フ ァ イ ル を 導 出 し,窒 メ ラ と フ レー ム メ モ 素RFプ (Digital ラズ マ内 部構 造 の 周波 数 依 存性 を調査 す る。 搭 載 した 計 算 機 で統 計演 算処 理 を施 し 2. 平 成13年 実験 装 置 と実 験方 法 ＜2・1＞分光 診 断装 置 置 の 特 長 は,装 置 を移 動 さ せ る こ と な く ス ペ ク ト ラ ム 像 を 位 121巻5号, 力 波 形 の デ ー タ を モ ニ タ しな が ら,窒 素 プ ラ 発 光 の 時 空 間 分 解 測 定 を 行 っ て 、そ れ ぞ れ の 発 光 に 対 応 す る 意波 長 の発 光 プ ロ フ ァイ ル を出 力 す る も ので あ る。装 電 学 論A, 流,電 ズ マ の2nd ラ ズ マ か らの 発 光 を リ基 板 で デ ジ タ ル 変 換 し て 計 算 機 に 取 り込 み,DSP て,任 電 圧,電 の イ メ ー ジ イ ン テ ン シ フ ァ イ ア(II)で 増 幅 した ス ペ ク ト ラ ム 画 像 デ ー タ をCCDカ ラ ズマの 内部 構 造 の変化 を 調 査 す る こ と で あ る 。そ の た め に,周 波 数 を 変 化 さ せ て, れ を容 量 結 合 ラ ズ マ に 適 用 して,各 種 プ ラ ズ マ の 基 礎 特 性 の 調 査 を 行 っ て き た(3)。 Signal て,電 源 周 波 数 に 対 す る 窒 素RFプ れ まで に画 像 処 理 法 と発光 分光 法 を組 み 合 わ せ た プ ラ ズ マ 診 断 法 を 開 発 し(1), 型RFプ な り,こ れ に よ っ て 実 際 の プ ロ セ ス に 用 い られ 波数 の プ ラズ マ診 断 が可 能 に な った 。 465 実 験 装 置 の概 略 図 を図1に 示 す 。 図1 Fig.1. Schematic 分 光 診 断 装 置 は,基 ま で のIIの 実験装置概略図 diagram 図2 of experimental Fig.2. 本 的 に は 文 献(1)と 同 様 で あ る が,こ れ 製 ・PG-200)に の ス イ ッチ ン グ を5nsに 式 を 用 い て,励 置 き 換 え る こ と に よ っ て,II な い と 思 わ れ る(5)。 は 難 し く,本 画 素数 を最大 限 素 で あ る 、 ギ ャ ッ プ 全 体 を300画 素 素 で あ れ ば0.2mmで は0.1<f<13.56と MHzと 図1の Table 発 光 分 光 診 断 装 置 を 用 い て,2nd (0,0) (C3Пu:v'=0か negative band 定 と し 、電 源 周 波 数f(MHz) した 。 以 降,周 波 数fの 単位 は すべ て す る 。使 用 し た 窒 素 ガ ス の 純 度 は99.9995%で 表1 (1) れ らを考 慮 して い な い。 ある。 り高 い 。 ＜2・2＞ 実 験 方 法 band f し か し,こ れ を 分 離 して 検 出 す る こ と 研 究 で は,こ な お 、ギ ャ ッ プ 長 は30mm一 あ り,実 際 に は こ の 問 で 画 像 を 捉 え て い る 。 し た が っ て 本 装 置 の 位 置 分 解 能 は0.2mmよ vs 準 位 な どの 準 安 定励 起 分 子 が発 光 に 及 ぼ す 影 響 は 無 視で き あ る の で,ギ ャ ッ プ 長30mmと とす れ ば 位 置 分 解 能 は0.1mm,150画 and Vs/Vp 起 分 子 密 度 分 布Aj (t,x)を 予 測 し た 。(1)式 は, の 大 き さ に よ っ て 決 ま る 。 ギ ャ ッ プ 方 向 の 画 素 数 は492で 利 用 す れ ば0.06mm/画 of Vp 階 励 起 や カ ス ケ ー ドが な い と仮 定 し て 得 ら れ る 。実 際 に はA 画 素数 と捉 え た画 像 し てCCDの values j準 位 の 励 起 分 子 の 拡 散 時 間 に 比 べ て τが 極 め て 小 さ く,段 す る こ とが可 能 にな った 。 画 像 デ ー タ の 位 置 分 解 能 は,CCDの The 周 期 に 渡 っ て 記 録 す る 。 こ の 画 像 デ ー タ(Φji(t, x))か ら(1) ゲ ー トパ ル ス 回 路 を パ ル ス 発 生 器(Princeton Instruments社 ピー ク 電 圧 と 自 己 バ イ ア ス の ピ ー ク 電 圧 に 対 す る 比 apparatus らB3Пg:v"=0へ (0,0) (B2Σu+:v'=0か 2p (0, 0)と1n 1. The values τ0 (0,0)に 関 す る τ0とkの of and k for 2p (0, 0) and 値 1n (0,0) positive の 遷 移)と1st らX2Σg+:v"=0へ の 遷 移)の ス ペ ク トル の 時 空 分 解 プ ロ フ ァ イ ル を 周 波 数 の 変 化 に 対 し て 測 定 す る 。 そ れ ぞ れ の ス ペ ク トル の 波 長 は,337, 391nmで (2) あ り,こ れ 以 降2P (0,0),1n (0, 0)と 表 す 。 3. ＜3・1＞ 放 電 維 持 電 圧 と セ ル フ バ イ ア ス 電 圧 測 定 し た 時 空 分 解 発 光 プ ロ フ ァ イ ル か ら文 献(3)の 方 法 を 用 い て,N2励 時 空 間 プ ロ フ ァイ ル を 導 出 極 の 面 積 が パ ワ ー 電 極 よ り大 き い 非 対 称 放 電 と な り,パ ワ ー す る。 電 極 側 に 負 の 直 流 電 圧,自 時 刻t'で ｊ 準 位 に 励 起 し た 粒 子 数 をAj (t', x),発 命 を τと す れ ば,時 刻tで 光 実効 寿 図2は,流 ｉ準 位 に 脱 励 起 す る 粒 子 数(発 光 強 な お,τ=(τ0-1+κ・p)-1と 位 か らi準 (0,0)と1n (0,0)のτ0とk 電 源 周 波 数fに 強 度 φji (t, x)か ら励 起 分 子 密 度 分 布Aj 対 して そ の 図 は,f<1.5で,Vp 値 が 小 さ い の に 対 し て,f>10で を 反 映 し て い る も の と考 え ら れ,f<1.5, 圧 を 表 し,Aji 位 へ の 遷 移 確 率 で あ る 。(1)式 し は, は,過 渡 的 な 状 態 を 表 し て い る 。これ らの 変 化 は プ ラ ズ マ の 内 部 状 態 の 変 化 こ こ で,τ0,k,Pは, 己 ク エ ン チ ン グ係 数,気 生 じる。 効 電 力60Wと そ れ ら が い ず れ も 反 対 と な り,1.5<f<10で τ)dt'……(1) 表 さ れ,2p 示 す 値 を 用 い た(4)。 そ れ ぞ れ 発 光 寿 命,自 はj準 圧133Pa,有 れ ぞ れ プ ロ ッ トし た も の で あ る.こ の 値 が 大 き く,Vs/Vpの の 値 は,表1に 己 バ イ ア ス 電 圧Vs,が 量50sccm,気 た と き の ピ ー ク 電 圧VpとVs/Vpを 度)Φji (t,x)は, Φji(t,x)=∫t0AjiAj(t',x)exp(-t-t'/ ステ ン レス 製 の プ ラ ズ マ 反 応 容 器 は 接 地 さ れ て い る の で,ア ー ス 電 起 分 子 数 密 度(C3Пu:v'=0)とN2+励 起 イ オ ン数 密 度(B2Σu+:v'=0)の 実験 結 果 と考 察 を そ れ ぞ れ,領 よ り発 光 な お,Vsは 域(A), 図3の (B), 1.5<f<10, f>10 (C)と し て 以 下 考 察 し て い く。 電 圧 波 形 でV=0と 破 線 で示 した 直線 の 間 の 距離 で ある 。 (t,x)を 予 測 し た 。 す な わ ち,パ ル ス で シ ャ ッ タ を 開 放 し,シ ャ ッ タ 開 放 時 間 内 の 画 ＜3・2＞ 励 起 分 子 と イ オ ンの 時 空 間 プ ロ フ ァ イ ル 素 数 で 位 置 分 解 され た画 像 デ ー タ をパ ル ス 幅 の 中 央 値 の 時 (A), 刻 に お け る 空 間 プ ロ フ ァ イ ル φji (t, x)と して 捉 え,そ 造 の 変 化 を 見 る た め に,図3に(a) れ を1 466 (B), 次に (C)そ れ ぞ れ の 領 域 に 対 応 し た プ ラ ズ マ の 内 部 構 B2Σu+ T.IEE Japan, (0,0)(励 起 イ オ ン Vol. 121-A, No.5, 2001 窒 素RFプ (a) B2Σu+ (b) C3Пu ラ ズ マ の 発 光分 光 診 断 0.1MHz 1MHz 6MHz 13.56MHz 図3 Fig.3. B2Σu+ (0,0)とC3Пuの 時 空 間 プ ロ フ ァイル の周 波 数特 性 と 対応 す る電 圧 、電 流 波形 Spatiotemporal profiles C3П u and excitation of B2 Σu+ (0, 0) and voltage-current waveform 電 学 論A, 121巻5号, 平 成13年 467 密 度)と(b) に よ る 空 間 電 荷 電 界 が 生 ず る 。こ の 空 間 電 界 に よ る 電 子 群 の C3Пu (0,0)(励 起 分 子 密 度)の 時 空 間 プ ロ フ ァ イ ル と そ れ に 対 応 した 電 圧,電 電 力 は 図2の 流 波 形 を 示 す 。 流 量,気 条 件 と 同 じ で あ る 。(a), (b),い 圧,有 移 動 が ピ ー クIII,IVを 効 形 成 す る が,N2+イ オ ン を励 起す るほ ど の エ ネ ル ギ ー を 獲 得 で き な い の で(a)で は,こ ずれ のプロフ れ らに対 応 ァ イ ル と もf=0.1の と き の 最 大 値 が240に な るよ う に規 格 す る ピ ー ク は な い 。IVに 対 応 す る 瞬 時 陽 極 側 の ピー クVIと, 化 し て い る 。 ま た,ギ ャ ッ プ の0,30mmに そ れ ぞれ パ ワー 領 域(C)で 電 極,ア 見 られ るIIIに 対 応 す る ピー クVは,そ れ ぞれ 瞬 時 陽 極 ヘ ド リ フ トす る 電 子 群 に よ っ て 形 成 さ れ る 。そ の 結 果, ー ス電 極 が あ る。ギ ャ ッ プの 外側 に見 られ る発 光 は 電 極 を 包 み 込 む よ う な 発 光 に よ る が,そ の ま ま 出 力 して い る 。 ピ ー クIVとVIが 生 じ る 位 相 の 時 間 軸 で(b)の プ ロ フ ァ イ ル を 図3か ら読 み 取 れ る こ と を 以 下 に 示 す 。 切 っ た 断 面 を み る と ダ ブ ル ピー ク と な り,N2ガ (1) (A)領 域 のf=0.1で も ダ ブ ル レイ ヤ ー 形 成 さ れ て い る こ と を 示 す(5)。 位 相 で(a), f=1で は,(a), き さ は0.2倍 は,電 (b)と もそ れ ぞ れI, 圧波 形 が 最 大値 を もつ 領 域(C)で IIと 表 示 した ピ ー ク を も ち, (b)と も にf=0.1と は,(b)に お い て も ピー クI,IIは り,時 間 軸 で 切 っ たC3Пuの き に く らべ て 密 度 の 大 に2つ 以 下 に な っ て い る 。ま た,(a)に は 無 い が(ｂ)に ス にお いて 完 全 に 無 くな 位 置 プ ロ フ ァ イ ル は,1周 の ダ ブ ル レ イ ヤ ー,III-VとIV-VIが 期内 存 在す る こ とに 新 た なIIIの ピー ク が 現 わ れ る 。こ の ピー ク は 図 に は 示 さ な か な る 。 こ の こ と は,領 域 に お け る 放 電 維 持 は 電 子 群 に よ る 空 っ た が,f=0,2く 間 電 離 衝 突(α)作 用 が 主 体 的 で あ る こ と を 意 味 す る 。 (2) ら い か ら 現 わ れ,次 (B)領 域 のf=6で は,(a)の ピ ー クIIだ け は 微 弱 な が ら(f=1の 第 に 大 き くな る。 ピ ー クIは と き の0.2倍 ダ プ ル レ イ ヤ ー は,電 子 が 空 間 電 荷 電 界 の 向 き に し た が っ 見 え な い が, 程 度)が 見 ら て ド リ フ ト して α作 用 に よ っ て 形 成 さ れ る わ け で あ り,診 断 れ る 。(b)も ピ ー クIが 消 失 し,IIは 微 弱 な が ら 残 り,ピ ー ク IIIがIIよ り も大 き く な る 。IIIとほ ぼ180° ず れ た 位 相 で ピ ー 結 果 だ け か ら は 確 認 で き な い が プ ラ ズ マ バ ル ク 内 で は,振 動 クIVが 現 わ れ て い る 。さ ら にIVよ り 僅 か 遅 れ てVIの 見 られ る 。IVの ピ ー ク の 時 間 軸 で 切 る と2つ 電 界 が 存 在 して い る こ と を 予 測 さ せ る 。 ＜3・3＞ シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と の 比 較 ピー ク が 較 検 討 を し な が ら,N2RFプ の ピー ク が 描 か れ る ことが わ か る。 (3) で,(a)は 空 白 で あ る 。(b)の い る(6)。 ダ プ ル レ イ ヤ ー の 形 成 は,負 (0,0)が 検 出 で さ れ な い の ピ ー クIIが 無 く な り,ピ ー クIII とIVが 残 っ て い る 。 さ ら にf=6で れ てV,IVよ ラ ズ マ の 特 性 を 調 査 す る た め に, 並 行 し て プ ロパ ゲ ー タ 法 に よ る シ ミ ュ レー シ ョ ン を 行 っ て (C)領 域 のf=13.56で1n 180° ず れ た 位 相 でVが 現 わ れ る 。 す な わ ち,IIIよ り僅 か 遅 れ てVIの ら に よ っ てH2ガ 見 られ た ピ ー クVIと ほ ぼ 報 告 は な い 。N2で ス で 報 告 され て い る(5)が,他 起 分 子 の 生 成 レー ト,電 極 間 の 電 界,そ れ ぞ れ の 時 空 間 プ ロ フ ァイ ル の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン結 描 か れ,切 っ た 時 間 軸 か ら 短 い 時 間 の 経 過 に した が っ て 小 さ 果 で あ る 。詳 細 は 省 く が,67Pa, い 方の ピー クが 次 第 に 大 き くな っ て い る。 周 期 目 の 結 果 で あ り,領 圧 が ほ ぼ ピー ク値 を も つ 位 相 で,ピ のガ ス での ダ ブ ル レ イ ヤ ー が 形 成 され る か 否 か に つ 図4(b),図5は,C3Пu励 の ピー ク が 以 上 の 結 果 か ら次 の よ うな 考 察 が 可 能 で あ る 。 性 ガ ス 以 外 で はLeroy い て シ ミ ュ レー シ ョ ン結 果 か ら検 討 す る 。 り僅 か 遅 ピー ク が そ れ ぞ れ 見 られ る 。 IIIとIVの ピ ー ク の 時 間 軸 で 切 る と い ず れ も2つ に お い て,電 診 断 結 果 と比 13.56MHzに 域(C)の は(b)と 同 じ 条 件 で の 実 験 結 果 で あ り,比 領 域(A) ー クI,II お け る3000 結 果 を 意 味 す る 。図4(a) 較 の た め に 図4 (b)の 座 標 軸 と 同 じ に して プ ロ ッ ト し て い る 。 図4は,励 起 が 瞬 時 陰 極 近 傍 に 現 わ れ て い る 。こ れ は 直 流 グ ロ ー 放 電 の 構 分 子 の 密 度(実 験)と 生 成 レ ー ト(計 算)の プ ロ フ ァ イ ル が 定 造 と 同 じ で あ る(4)。 性 的 に 一 致 し て い る こ と を 示 し て い る 。 ま た,図5か す な わ ち,そ イ オ ン シ ー ス が 存 在 し,正 陰 極 か ら2次 イ オ ン に よ る γ作 用 に よ っ て 瞬 時 方 が(b)よ り も 瞬 時 陰 極 に 近 く,こ の 場 合 と 同 じ で あ る(4)。 約1/8, 己 バ イ ア ス に よ る も の で あ る(2)。 の 図 か ら は 読 取 る こ と は 難 し い が,(a)の 域(A)で イ オ ン に よ る2次 き な ピー ク は,電 子 群 が 瞬 時 陽 極 側 に ド リ フ トし, る 空 間 電 荷 電 界 で あ る 。一 方,小 は 窒 素R さ な ピー ク は 極 性 が 変 っ た 瞬 間 か ら 瞬 時 陽 極 ヘ ド リ フ トす る 電 子 と トラ ッ プ さ れ て い ー ク る正 イオ ンに よ る空 問電 荷 電 界で あ る。 これ ら の 結 果 か ら,ピ ー クIII-VとIV-VIは 電子 放 出 の存在 を意 味 して い る。 領 域(B)で 置的 には 瞬 時 陽極 近 傍 で あ る。 図は 省 トラ ップ され て ほ とん ど動 けず に残 って い る正 イ オ ン によ の 結 果 も直 流 グ ロ ー 放 電 こ の こ と は,領 7/8周 期,位 い た が,大 ピー ク の Fプ ラ ズ マ は γ作 用 に よ っ て 放 電 が 維 持 さ れ て い て,ピ IとIIは,正 ク が そ れ ぞ れ 見 られ る 。矢 印 の 部 分 は,時 間 的 に は そ れ ぞ れ 現 れ て い る と解 釈 で き る 。 ピー クI とIIの 大 き さ の 違 い は,自 レイ ヤ ー に よ る も の で あ り,N2RFプ は,ピ ー クIIに 比 べ て 大 き なIIIとIVが,瞬 ら瞬 時 陰 極 で 電 界 が 大 き な ピー ク,図 中 の 矢 印 の 部 分 で 小 さ な ピ ー 電 子 を 放 出 し,こ れ ら の 電 子 に よ る 非 弾 性 衝 突 に よ っ て ピ ー クI,IIが ま た,こ れ ぞ れ 瞬時 陰 極 前面 には ま さ に ダ ブル ラズ マ にお いて も ダブ ル レイ ヤ ー が 形 成 さ れ る こ と が 確 か め られ る 。た だ し,シ ミ 時陰 極 側 に 電 圧 が ピー ク値 を もつ 前 に 現 れ て い て,放 電 維 持 に 関 ュ レ ー シ ョ ン 結 果(b)がC3Пu励 して γ 作 用 が 主 体 的 で な くな っ て い る こ と が わ か る 。 周 波 数 の を 表 現 し て い る の に対 して,実 起 分 子 の 生 成 レー トそ の も の増 加 と と も に 正 イ オ ンが バ ル ク内 に トラ ッ プ され て い っ ＜2・2＞ で 示 し た 通 り,2p (0, 0)の 発 光 プ ロ フ ァ イ ル を デ コ ンボ 験 か ら得 ら れ た 結 果(a)は て,電 子 が 印 加 電 界 の 極 性 に し た が っ て プ ラ ズ マ 中 を 移 動 す リュー シ ョン でネ ッ トの励 起 分 子 数 密度 を算 出 した も ので る こ と に な る 。電 極 の 極 性 の 変 化 に 即 応 して 瞬 時 陽 極 側 に 向 あ り,段 階 励 起 や カ ス ケ ー ド,準 安 定 励 起 分 子 の 影 響 を 含 ん か っ て 電 子 群 が 移 動 し,陰 極 側 で は トラ ッ プ さ れ た 正 イ オ ン で い る 結 果 で あ る こ と に 注 意 す る 必 要 が あ る 。こ の よ う な 条 468 T. IEE Japan, Vol.121-A, No.5, 2001 窒 素RFプ (a) ラズマの発光分光診 断 件 下 で あ っ て も,窒 素 ガ ス 中 に お い て ダ プ ル レ イ ヤ ー の 形 成 が 確 か め られ た こ と は 重 要 で あ る と 思 わ れ る 。 ＜3・4＞ ダ ブ ル レ イ ヤ ー 形 成 の 条 件 ダ ブ ル レイ ヤ ー が 形 成 さ れ る に は,正 イ オ ン が ギ ャ ッ プ に ト ラ ッ プ され,印 加 電 界 を 歪 ませ る程 度 の 空 間 電 荷 が 存 在 す る 必 要 が あ る 。し た が っ て,周 波 数,電 力,気 圧(ガ ス 分 子 数 密 度)な ど の 外 部 パ ラ メー タ の 条件 に よ って ダ プ ル レイ ヤ ー が観 測 され る か 否 か が決 定 され る 。 f=13.56 (領 域(C))で,60Wの 時,ρ>67(Pa)で ヤ ー が 観 測 さ れ た 。 ま た,133Paの ダ ブル レイ 時,40W以 上 で観測 さ れ た 。ダ ブ ル レ イ ヤ ー が 観 測 さ れ な く と も,ピ ー クIVあ る い はIII,も し く は そ の 両 方 が 観 測 さ れ る が,IとIIは さ れ ず,こ 全 く観 測 の 領 域 で は プ ラ ズ マ は α作 用 よ っ て 維 持 さ れ て い る ことが 確認 で き た。 f=6(領 (b) 域(B))で れ て い る が,60Wの は,主 に プ ラ ズ マ は α作 用 よ っ て 維 持 さ 時,ρ>80(Pa)で ピー クIIが 観 測 され, 気 圧 が 高 くな れ ば,γ 作 用 に よ る 寄 与 も 僅 か な が ら見 られ る 。 こ の 条 件 で は,133Paの 測 され る(図3)。 時 にIV-VIの 気 圧 を133Pa一 ダ ブル レイヤ ー も観 定 に して 電 力を増 加 させ て も定 性 的 に は 大 き な 変 化 は 見 られ な か っ た 。 4. む すび プ ラ ズ マ 発 光 分 光 診 断 結 果 か ら,N2RFプ 調 査 し,得 (1) ラズ マの 特性 を られ た 結 果 を 以 下 に ま と め る 。 f<1.5MHzの 領 域 で は,プ る 瞬 時 陰 極 に お け る2次 ラズ マ は正 イオ ンによ 電 子 放 出(γ)作用 で 維 持 さ れ,直 流 グ ロー放 電 と同 じで ある ことがわ か った。 (2) f<10MHzの 領 域 で は,プ ラ ズ マ は 電 子 の 衝 突 電 離 (α)作用 で 維 持 さ れ る こ と が わ か っ た 。f=13,56で,60Wの と きp>67(Pa)で,133Paの 図4 Fig.4. C3Пu励 ヤ ー が 観 測 さ れ,周 起 分 子 の 生 成 レ ー トの 時 空 間 プ ロ フ ァ イ ル Spatiotemporal profiles of excitation rate と き40W以 波 数,気 圧,電 上 で,ダ ブ ル レイ 力 な ど の 外 部 パ ラ メー タ に よ っ て,負 性 ガ ス,水 素 ガ ス 以 外 で も ダ プ ル レ イ ヤ ー が 形 for C3Пu 成 され る ことを示 した 。 (3) 1.5<f<10の 領 域 で は,過 渡 的 な 特 性 を 示 し,プ ラ ズ マ は α作 用 と γ作 用 で 維 持 さ れ る こ と が わ か っ た 。f=6で, 主 に プ ラ ズ マ は α作 用 よ って 維 持 さ れ て い る が,60Wの p>80(Pa)で γ 作 用 に よ る寄与 も僅 かな が ら見 られた 。 この 条 件 で は,133Paの (4) とき f=13.56, と き に ダ ブ ル レ イ ヤ ー も観 測 さ れ た 。 67Paで 行 っ た 計 算 機 シ ミ ュ レー シ ョ ン の 結 果 と診 断 結 果 は 定 性 的 に一 致 し,ダ ブ ル レイ ヤ ー の 形 成 に 関 す る 推 論 の 裏 付 け が 得 られ た 。 こ の 研 究 の 一 部 は,文 部 省 科 学 研 究 費 の 補 助 を受 け て 行 わ れ て い る。 (平 成12年9月1日 受 付,平 文 (1) H.Itoh, Y.Takeyama, 成13年1月24日 再 受 付) 献 M.Ikeda, K.Satoh, Y.Nakao and H. Tagashira: "Spectroscopic and Image Intensified investiga図5 Fig.5. 電 学 論A, Spatiotemporal 121巻5号, tions of RF plasmas in H2 and CH4 mixtures", IEE Proc.-Sci. 電 界 の時 空 間 変化 variation 平 成13年 of electric Meas. Technol., 141, 2, 95-98 (1994-2) field 469 (2) 伊 藤 秀 範 ・池 田 誠 ・武 山 保 人 ・佐 藤 孝 紀 ・中尾 好 隆 ・田 頭 博 昭:「 画 像 処 理 法 を 用 い た プ ラ ズ マ 分 光 診 断 法 の 開 発 と 水 素RFプ ラ ズ マ へ の 適 用 」,電 学 論C, 115, 475∼80 (1995-3) (3) 西 山 伸 泰 ・佐 藤 孝 紀 ・伊 藤 秀 範 ・中 尾 好 隆 ・田 頭 博 昭: 「13.56MHzに お け る 窒 素RFプ 会 放 電 研 究 会 資 料,ED-97-73 (4) 岩 朝 ラ ズ マ の 特 性 」 ,電 気 学 (1997) 晃 ・近 藤 敬 一 ・生 田 信 皓:「N2ガ ス 中 グ ロー放 電 の 分 光 学 的 検 討 」,電気 学 会 放 電 研 究 会 資 料,ED-80-34 (1997) (5) O. Leroy, P.Stratil, J.Perrin, J.Jolly and P.Belenguer: "Spatiotemporal analysis of the double layer formation in hydrogen radio frequency discharges", J.Phys. D: Appl. Phys., 28, 3, 500-507(1995-3) (6) 例 え ば,佐 藤 孝 紀 ・伊 藤 秀 範 ・田 頭 博 昭:「 プ ロパ ゲー タ 法 に よ る 容 量 結 合 型N2RFグ ロ ー 放 電 の 解 析 」,電 気 学 会 放 電 研 究 会 資 料,ED-99-57 (1999) 470 T. IEE Japan, Vol.121-A , No.5, 2001
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