スライド 1

TRG-OESによる放電プラズマ診断
Plasma diagnostics by trace rare gas optical emission spectroscopy (TRG-OES)
石原秀彦* ，勝又綾子，佐藤孝紀，伊藤秀範 (室蘭工業大学)
はじめに
実験装置および実験条件
Electrode：平行平板配置
背景
放電プラズマ中の電子の平均エネルギー，ガス温度および粒子密度を測定することは，
放電の性質を把握し制御する上で重要である
・上部電極(ステンレス製)
直径：Φ60mm 厚さ：10mm
・下部電極(真鍮製)
直径：Φ60mm 厚さ：30mm
Discharge chamber：円柱型放電
チェンバー(ステンレス製)
内径：Φ155mm 高さ：300mm
プラズマ診断法
プローブ法，粒子計測法，発光分光法，マイクロ波法，レーザ分光法
発光分光法
DC Power Supply
KEPCO社製 BOP 1000M
最大出力：±1000V，±40mA
対象元素の原子スペクトル線を検出することで定性分析，またスペクトル線の強
度を測定することで定量分析を行うことができる
プラズマに擾乱を与えない
Ionization Gauge
目的発光分光法を用いて放電気体中の電子の平均エネルギーを推定する
• 最近の報告
Malyshev et al.[1][4]
electrode gap [mm]
14
discharge current [mA]
-2.5
放電条件
放電気体に添加した数種類の微量の希ガスからの発光
を利用して電子の平均エネルギーを推定する方法として
TRG-OES (trace rare gas optical emission spectroscopy)が
報告されている
大亜真空社製 IT-L20P
Capacitance Diaphragm Analyzer
Millipore社製 COLD Series
Photonic Multi-Channel Analyzer
partial pressure [mTorr]
封入ガス
測定気体に微量の希ガス(Ar，KrおよびXe)を封入し，直流グロー放電を発生させ，
放電中の電子の平均エネルギーをTRG-OESにより推定した
H2
Ar
Kr
Xe
total pressure
[mTorr]
500
5
5
5
515
浜松ホトニクス製 PMA-11
測定範囲：200～950nm，分解能：2nm未満
Enclosed Gas：H2，Ar，Kr，Xe
純度 H2，Ar：99.999％， Kr，Xe：99.995％
推定原理
計算値(Icalc)の算出
TRG-OES (trace rare gas optical emission spectroscopy)
-3
① 電子のエネルギーをマクスウェル分布で仮定し，その平均エネルギーを
1~5eVの間で設定する
② ①の電子のエネルギー分布および励起衝突断面積を用いて速度係数
kg,xおよびkm,xを求める
• 観測値(Iobs)：観測するスペクトルの発光強度
• 計算値(Icalc)：仮定した電子エネルギー分布を利用して算出される発光強度
εthg εthm
k g , x   εthg σ g , x (ε ) v(ε ) f (ε )dε ・・・ (1)
観測する発光スペクトル
f (ε)
2
1
0
788.7
2
826.5
826.3
764.2
3
840.8
785.5
834.7
5
751.5
850.9
：電子のエネルギー分布
758.7
③ ②で求めた速度係数kg,xおよびkm,xを用い，発光強度の計算値(Icalc)を算出する
-18
6x10
I calc ( λx,s )  α( λx ,s ) Qx bx ,s ne (n g k g , x  nm km, x ) ・・・ (3)
820.6
Ar 2p1
800.6
760.2
819.0
823.2
7
810.3
866.8
769.5
829.8
840.9
8
842.5
801.5
810.4
877.7
881.9
λx, s ：観測する発光スペクトル
bx, s ：分岐率
α(λx,s ) ：分光器の感度
ne ：プラズマ中の電子密度
3
2
1
15
20
25
30
25x10
811.3
904.5
10
965.7
892.9
980.0
観測する発光スペクトルは，Paschen 2px
(x=1~10) から，1sy(y=2~5)のどれか1つへ遷移
するときの発光である
-2
811.5
• 発光効率：全圧10Torr未満の低気圧下ではQx=1としてよい[1]
• 分岐率：Pachen 2pxから1syのどの準位に遷移するかの確率
複数の希ガスを用いることによ
り閾値が広範囲に分布した発
光線のセットが得られる
-18
Ar 1s5-2p1
20
15
10
5
0
0
設定した電子の平均エネルギーに対する計算値(Icalc)を算出することが
できる
40
基底状態からPaschen 2pxへの
励起衝突断面積σg,x[2]
cross section[cm
9
35
electron energy[eV]
Qx ：発光効率
ng , nm ：希ガスの密度
4
]
763.5
5
0
10
828.0
6
40
電子エネルギー分布
(平均値1～5eV)
-2
768.5
806.0
30
：励起閾値
Xe
750.4
794.8
20
electron energy[eV]
cross section[cm
Kr
1
852.1
10
]
wave length [nm]
4
電子衝突によるArのエネルギー準位[1]
3
σ g, x (ε) σm, x (ε) ：励起衝突断面積
k g ,m   εthm σ g ,m (ε ) v(ε ) f (ε )dε ・・・ (2)
Ar，KrおよびXeから観測されるスペクトル[4]
Ar
av erage energy [eV]
1
2
3
4
5
4
0

Paschen
2px state
energy distribution
測定気体に微量の希ガスを数種類封入し，放電を発生させ，放電中の希ガスからの発光強度の
観測値(Iobs)と計算値(Icalc)の比を利用して電子の平均エネルギーを推定する方法である
5x10
10
20
30
40
electron energy[eV]
準安定状態からPaschen 2pxへの
励起衝突断面積m,x[3]
計算結果および考察
H2中のグロー放電に添加した希ガス(ArおよびXe)からの4種類の発光スペクトルの観測値(Iobs)と，
1~5eVの電子の平均エネルギーに対して算出した計算値(Icalc) の比を求め，電子の平均エネル
ギーをzero-slope法を用いて推定した
 観測した発光スペクトル
 zero-slope 法について
Cl2中の誘導結合プラズマ[1]
② 設定した電子の平均エネルギーに対する近似直線を引く
 設定した各種の密度[cm-3]
 分解能2nmのPMAにおいて使用可能なスペクトル
 文献[4] で使用されているスペクトル
ng
ne
1.77×1012
① 励起閾値に対してlog 10(Iobs／Icalc)をプロットする
③ 傾きが0に近い，すなわち観測値（Iobs）と計算値（Icalc）との
nm
誤差のばらつきが最も小さいものをその放電中での電子の
1.00×1011 ng×4.4×10-5
平均エネルギーとする
希ガスの分圧
より算出
Ar 750.4，Xe 823.2，828.0，834.7nmを選択
 発光強度の計算値(Icalc)
823.2
828.0
電子の平均エネルギーは3.63eVと推定された
 発光強度の観測値(Iobs)
各平均エネルギーに対する計算値(Icalc)[cm-3・s-1・nm]
1eV
2eV
3eV
4eV
5eV
波長[nm]
1.44
3.99×102
2.17×103
5.83×103
9.05×103
823.2
2.19×10-1
(Cl2：2mTorr，各希ガス：0.02mTorr)
8.70×101
7.86×102
2.57×103
5.35×103
観測値(Iobs
1.20×10-1
4.77×101
3.70×102
1.04×103
1.89×103
834.7
750.4
6.75×10-1
2.56×102
1.96×103
5.83×103
9.47×103
750.4
10
0.557
10
0.214
0.244
 Iobs／Icalcの算出値
波長[nm]
各閾値における観測値
(Iobs)に対する計算値(Icalc)
の比を求める
閾値[eV]
Iobs / Icalc
1eV
2eV
3eV
10
10
10
5eV
823.2
9.82
7.94×10-1
2.86×10-3
5.23×10-4
2.12×10-4
1.26×10-4
828.0
9.94
5.21×10
1.31×10-2
1.45×10-3
4.43×10-3
2.13×10-4
834.7
11.06
9.53×10
2.39×10-2
3.08×10-3
1.10×10-3
6.04×10-4
750.4
13.48
1.69×10
4.45×10-3
5.83×10-4
2.12×10-4
1.17×10-4
electron av erage
energy
1eV
2eV
3eV
4eV
5eV
slope = -0.0411
1
0
問題点
-1
-0.0805
10
-2
-0.107
10
4eV
3
2
10
10
電子の平均エネルギーの推定
電子の平均エネルギーは，傾きが-0.0411と最も0に
近い近似直線から1eVと推定された
1.14
828.0
834.7
)[cm-3・s-1・nm]
 H2中の直流グロー放電にzero-slope法
を適用した結果
log10 ( I obs / I calc )
波長[nm]
文献[1]の結果を参照
-3
-4
-0.0996
-0.0922
-5
9
10
11
12
13
14
Threshold energy [eV]
 Malyshevら[1]の報告では観測したスペクトルは23種類で
あり正確な近似直線が引かれているのに対して，本実験で
は分解能の問題から4種類の発光スペクトルしか使用でき
なかったので正確な近似直線が引かれていない可能性が
ある
(H2：500mTorr，各希ガス：5mTorr)
まとめと今後の課題
H2中に数種類の微量の希ガスを封入し，直流グロー放電を発生させ，電子の平均エネルギーをTRG-OESにより推定した
マクスウェル分布で仮定した各平均エネルギーに対する発光強度の計算値(Icalc)をそれぞれ算出した
観測値(Iobs)および算出した計算値(Icalc)との比を用い，電子の平均エネルギーをzero-slope法により推定した
使用できる発光スペクトルが少なかったため，現段階では正確な近似直線が引かれていない可能性がある
参考文献
[1] M. V. Malyshev and V. M. Donnelly : Phys. Rev. E, 60 , 6016 (1999)
[2] J. E .Chilton, J. B. Boffard, R. S. Schappe and Chun. C. Lin : Phys Rev. A , 57, 267 (1997)
[3] K. Bartschat and V. Zeman : Phys. Rev. A Soc, 59, 2552 (1999)
[4] M. V .Malyshev and V. M. Donnelly : J. Vac. Sci. Technol. A, 15, 550 (1997)
今後の課題
使用できる発光スペクトルを増加させるために，発光推定器の分解能を高くする，ある
いは新たな推定器を導入する
ガス圧およびガスの種類を変えて，同様の実験を行うことで様々な条件下における電
子の平均エネルギーを算出する

Download Report