小特集

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小特集
マイクロプラズマー基礎から応用まで一
3．高周波（HF》励起マイクロセルプラズマ
真壁利明，栗原
優
（慶慮大学理工学部）
Micro−Cell−Plasma Driven by High Frequency Voltage Source
MAKABE Toshiakl and KUR田ARA Masaru
D8pαπ配εn∫げEl6αron∫csαn4EZ8c尻6αZ Eng∫n667’ng，κE10Un’vαsの，yoんohα配α223−8522，／卯αn
（Received27January2000）
Abstract
Thispaper（lescribesthe basicconcept ofamicro−cellplasmainagasmixture，sustainedbyaHighFrequency
（HF）voltage source．The key to maintaining a micro−cell plasma is to re（luce awamoss andincrease plasma
pro（1uction．THe advantage ofHFmicro−ce且plasmais the spatialtrappingofionsan（lpartly electronsbythe
extemal HF voltage source。As a result，the efficiency of UV ra（iiation caused by the high rate of excitation
is improved as compared with that of low｛requency operation．
Keywords＝
micro−cell−plasma，relaxation contlnuum mo（lel，high frequency operation，plasma display panel，
efficiency ofUV ra（liation，excitation proces亀Penning ionization，stepwise ionization，Xe／Ne mixture
3，1 はじめに
点と，（2）パルス印加時に2個の金属電極を被覆している
新材料や超微細加工によるエレクトロニクスの発展は
誘電体表面に十分な量の単極性電荷が蓄積し逆極性の表
留まるところを知らない．極限サイズのプラズマはPDP
面電位が生まれ，この壁電位が引き続くプラズマ維持パ
（Plasma Display Pane1）の光源要素としての応用に加
ルスの大きさを生成時に比べ十分低く押さえることがで
え，新しい機能を持った要素としてより広い立場で21世
きる利点が生まれる．この2つの現象は誘電体バリア放
紀のエレクトロニクスを支えることになるであろう．こ
電に本質的なものであり，低電力でかつLSIと整合性が
こでは，一個のマイクロセルが高周波電源で維持される
いい駆動回路を設計しようとすると（1）と（2）はトレードオ
プラズマ（highfrequencymicro−celLplasma）の可能性に
フの関係になる．低周波誘電体バリア放電を使用した現
ついて論じてみたい．
用PDPに本質的な効率改善を望めない点がここにあ
μsオーダのパルス幅をもった低周波電源でマイクロ
る．
セルに放電を生成し維持する慣用的な駆動では，電源の
LSIと整合性のいい低電圧駆動が可能で，しかも低消
パルス幅がイオンのセル内走行時間程度となる［1，2］．こ
費電力化が見込めるマイクロセルプラズマ（Micro−CelL
のとき，（1）投入パワーの約半分が質量の大きいイオンの
Plasma；MCP）源として高周波（HF）駆動タイプがある
ドリフト輸送に使われ，セル側壁の高温加熱に消費され
［3］．しかし，マイクロセルにプラズマを生成し維持する
るため，プラズマ生成や励起分子（発光源）生成に費や
ことはそう容易ではなく，極限サイズのプラズマ維持の
されるパワー効率が原理的に低く押さえられてしまう欠
観点から放電プラズマを研究することは，現在大変意義
α漉ho〆58一規α〃’規αん訪8＠規肋己818αんε∫ααc伽
444
小特集
3．高周波（HF）励起マイクロセルプラズマ
lnsulator
真壁，栗原
［eV1
Ne＋
20．7
1．2mm
1m
十
晒撫繍恥倒纏剛el 毒
HF Cbb
Xe2
Ne★
16．3
か無
12、1
II陶
鍛
曝細も
Xe＊★ 9．8
美馨陶§・葦
一銅禰1
0．8mm
m胴
Xe2（3Σ〉
Xe2（1Σ）
十
Xe
Xe2（Ou）
譲㌧一
メ篇
Xe
Ne
0．3mm
Xe2
Fig．2 Excitation Ievels of Ne and Xe．
些i ∼ 齪鍵舞
z翫 −箔
一15
10
Fig、1 Micro−cell considered inthisstudy．
O
o① 一17
ノ
！
！
ノ
！
Qsi”
■
’＃
（VHF）に上げることにより，センチサイズのプラズマ
Qsi3P2
ω10
ω
の維持電圧が低くなることに着目し［4，5］，マイクロセル
ω
o
o
−18
プラズマの予測とその後のデザインを緩和連続モデル
10
（Relaxation ConTinuum（RCT）model）［6，7］をもとに行
＼
’
’
O −16
−10
ζ
筆者はプラズマの励起源を高周波（HF），超高周波
、 ↓
∈
がある．
！一 Qi
Qm
『
Qsiex
Xe
一一一Ne
” 、藁
、
xl∼
寒
“
’ 悪、
ぺノヨ
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・Q3P ￥
ノ、、、
ノ，、、￥ト
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レロペ
1：1 ＼ρex
l目 Q3P2＼、
：昌
っている［3］．
0．01 0．1 1 10 100 1000
electron energy［eV］
3．2 マイクロセルプラズマのモデリング
3．2．1マイクロセル構造と衝突素過程
Fig．3 Cross section ofXe（solid line）and Ne（dashed line），
本研究で考慮したマイクロセルの構造をFig．1に示
Fig。3にNeとXeの電子衝突断面積を，また，Fig．4
す．マイクロセルは円筒形で底部にアース電極を配し，
リング状側壁の一部がドライブ電極でブロッキングコンデ
に電子ボルツマン方程式から解析したNe／Xe（10％）混
ンサを介して高周波電源に接続されている．電極を除い
合ガス中の反応レート係数を示す．ゐ、n，κi，たexはそれぞ
たセル壁材は比誘電率ε，ニ3，8のガラス（誘電体）である．
れ運動量移行，電離，電子励起衝突の反応レート係数で
Fig。2は慣用的PDPの原料となるNeとXeの励起準位
ある．また尭siは励起状態からの累積電離衝突の反応レー
図である．PDPはXe原子，分子の共鳴準位Xe（3P1），X♂
ト係数である．
（1βΣ，0、）から放射される紫外光が蛍光板を通して可視光
3、2．2 RCTモデル
に変換される機構を利用している．電子生成の観点から
ここではRCTモデルが数密度連続の式，有効電界緩和
は，Xe基底状態からの直接電離とともに準安定励起準位
の式，ポアソンの式で構成された高圧力の系を対象とす
Xe（3P2）からの多段階電離が重要である．また，現用機で
る．この方程式系の時間発展を数値解析し，放電構造が
はペニング効果による電子生成を期待してNe／Xe混合
周期定常状態になるまで続ける．
ガスを使用している．ここでは，電子，XeちXeを
数密度連続の式は，
Ne＋の4種の荷電粒子と，7種の励起分子を考慮した．
これらの粒子の時空間数密度分布をRCTモデルから解
警一Σ為階Σ碗一▽・r♪
析した［8］．
l m
445
（1）
プラズマ・核融合学会誌第76巻第5号 2000年5月
境界条件として，数密度は壁表面でOである．正弦波
10『6
の高周波維持電圧V（♂）はブロッキングコンデンサCb
一一8
1
r 10
ω
一’蓑S罵i3p2ksi㎝kiXe罵”k隔匿”’1；”≡…
を介してリング電極に印加されている．したがって，リ
kex紐Ne ，一一二二星．ブ鰐び
ング状のRF電極には70sin碗＋耽の電位が現れる．
”レ／5グ一
E −10
010 払てニニ・4二写勿”’ ／’”’
の
＝
q）は1．OpFとした．
3．2．3 紫外光の発光効率
44イ kex3P2Ne
⊂
．虫
O −12
ε10
80
kex3PIN！ノ
Φ ＿14
お10
L
マイクロセルの消費電力と紫外光発光効率について考
『kexI e
察するために励起粒子からの紫外光エネルギーは
！！
！！
隔一ナ∫丁万v伸dVdあ
〆
， kexNe
ノ
！ kex2Ne
10『16 ！ kiNe Ne／Xe（10％）
で表すことができる．Tとhはそれぞれ印加電圧の周期
！
10
100
（6）
とプランク定数，レjと窃は紫外光の周波数と発光ライフタ
1000
イムである．7はマイクロセルの体積である．
dc−E／N［Tdl
セル内で電子とイオンの加熱に消費される電力はj種
Fig，4 Ratecoefficient in Ne／Xe（10％）．
荷電粒子の伝導電流密度を謀r，オ）とすると，
楕はj種粒子の数密度，％1、，％1，，％mは1種粒子の生成消滅
に関係する粒子の数密度を表す・T」は粒子フラックスで
四D一Σナ∬v綱・E（r，オ）dVdあ
あり，荷電粒子と中性粒子のフラックスはそれぞれ次式
」
で表される．
（7）
と求まる．
乃＝叩dj一身▽楕，
（2）
Tj一一Po▽循，
（3）
結局，紫外光発光効率ρは
Σ確UVj
ρニ1 。（8）
ここで％と易はそれぞれドリフト速度と拡散係数，
マVD
Z）oは中性粒子の等方拡散係数である．電子の輸送係数と
と表せる．また，非弾性衝突により失われる電子のエネ
反応レート係数はボルツマン方程式からDC換算電界
ルギーは
E／ノ〉の関数として算出している．その他の反応レートは
肱一払丁∫γεj脚1d臨
文献から引用した．電子の各反応レートはそのしきい値
（9）
エネルギーを超えた電子の有効電界E，ffを緩和式から求
め，奴E。κ／N）と求まる．例として電離に関する有効電界
ここで角と亀は非弾性衝突のしきい値エネルギーと反応
の式は
レート係数である．
∂ E2−E2
3．3 高周波マイクロセルプラズマの特性
∂渉（％e鴫）一一e監、％e
Flg．5は圧力100Torr，印加電圧の振幅100V，電源周
（4）
一▽｛噛鴫一Pレ▽（躍eE藷）］，
波数50MHz，Ne／Xe（10％）におけるマイクロセルプ
ラズマの結果である．プラズマはマイクロセル内に広く
ここでEは瞬時局所電界を，Ee∬とτ，、は有効電界と電離
分布している．マイクロセルプラズマはそのスケールの
しきい値エネルギー以上の電子のエネルギー緩和時問で
微小さゆえに，内壁における損失が支配的で，セル近傍
ある．また，ポアソン方程式は
でその数密度が急激に減少する．このために周期定常プ
ラズマをマイクロセル内に維持するには，電子のネット
プ7一一▽・E一一舌［早咽・
生成レートを1020cm−3s−1と，センチオーダのリアクタ
（5）
内に比べ4桁も高くなる．マイクロセルプラズマでは，
であり，銘Pjと編はそれぞれ正イオンと電子の数密度で，
このようにいかに表面損失を減らし生成量を増加させる
6とεoは素電荷と真空中の誘電率である．
かが鍵となる．高周波（HF）源を使用すれば，イオンと
446
小特集
真壁，栗原
3．高周波（HF）励起マイクロセルプラズマ
（a）
（a〉
2．4
一1．O
T
臣
1
σ）
叩
∈
ξ…o・5
Q1．2
8
さ
孚
o
ド
』ざ0。0
マー0．0
⊂
ロ
ぐ
0
0
1．2
α6 。賃αぜ
zfm呵糠％o
1．2
0．6
zfm呵
（b）
。鴛αぜ
怨〃o
（b）
rr6．4
一1．O
Tの
マ
の
叩
叩
∈32
ρ
る
∈o・5
8
ら
γ0．0
ド0．0
ロ
ぐ
ロ
ぐ
0
α6 ・一。鷺αぜ
zfm呵熾％O
0
α6 。貧αぜ
1，2
1，2
z絢徹％o
Fig，5 Time averaged（a）electron number density and（b）net
Fig。6
Timeaveraged（a）stepwiseionizationbywayofX（3P2）and
（b）penning lonization ofNe＊．
iOniZatiOn rate．
一部の電子がセル内に捕捉される利点が生きる．また，
励起粒子の生成レートが増加し，結果として，電子生成
投入電力の大半が電子に供給されるため，電子衝突によ
が増加することになる．この機構により，放電維持電圧
る励起粒子の生成が増加し，発光効率の改善が期待でき
を低下させることができる．
る．
現用PDPではXe（3P1）共鳴励起粒子からのλ＝147nm
さて現用機ではペニング電離を利用して電子生成レー
の紫外光（Fig．7（a））を蛍光材にあて可視光を発光させ画
トを増加させる目的で，混合ガスNe／Xe（10％）を使用
像を表示している．このほかにもXeエキシマ粒子からの
している．本研究によると，定常状態ではXe（3P2）準安定
紫外光（Fig。7（b））も利用される．紫外光を放射する励起
励起粒子からの累積電離（Fig．6（a））が電子生成レートの
粒子はおもに，電子衝突で生成されるため，より電子に
98％を占め支配的となる．一方，Ne＊準安定原子によるペ
エネルギーが注入可能な高周波（HF）駆動のマイクロセル
ニング電離（Fig．6（b））の寄与は少ない．これはNe＊の励
プラズマがこの目的に有用である．本研究では147nm
起準位が高いためネット生成レートが低いことと，さら
の共鳴線は全紫外光の45％を占め，173nmのエキシマ線
にバルクプラズマ中で，電子との累積電離衝突により枯
は54％であった．Xe混合比が低くなるにつれ，共鳴線が
渇してしまうためである．このように定常状態ではペニ
支配的になる．しかし，Xe（3P1）からの共鳴線は，放射閉
ング効果による電子生成レートの増加は原理的に望めな
じ込め効果により蛍光材に届きにくい．このため，Xe
い．しかし，非弾性衝突の断面積がXeに比べ小さいNe
の混合比を増加し，エキシマ線を多くすることが発光効
ガスを混合すると，電子の高エネルギー成分が増加しXe
率を高くする鍵となる．
447
プラズマ・核融合学会誌第76巻第5号 2000年5月
電維持電圧の低下が望める．また，発光効率については，
（a）
［
12．0
σ）
Xe混合比の増加が電子生成の減少を導くマイナス点と
λ＝147nm
紫外光放射効率の改善という利点を生み，トレードオフ
叩
の関係にある．
EO1．0
じ
oア
3．4 おわりに
マイクロセルプラズマ（MCP）を用いたPDPが実用化
』一〇．0
され，極限サイズのプラズマにもわずかではあるが関心
3
が注がれているのは大変喜ばしい．マイクロサイズのプ
く
ラズマはこれを生成する容器，すなわち，リアクタ壁で
0
1．2
α6 。貧αぜ
z伽呵楡〃o
のプラズマ損失過程に強く依存し，リアクタ形状がMCP
実現の鍵となることを述べた．極限サイズのプラズマ源
はPDPに限らず，今後各種の機能材料の高効率発現セル
（b）
一
19．7
の
や生体治療用としてその役割を演ずると筆者は考えてい
λ＝173nm
る．この小解説により読者諸氏がMCPに関心を持たれる
機会となれば幸いである．
叩
∈
04．8
参考文献
㌍
o
ア
ー0．0
3
く
1．2
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78，731（ig95）．
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P’α5用αProcε35貌8（Nagasaki，2000〉．
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α6 。質αぜ
zfm呵怨〃0
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PDPではマイクロセルプラズマの放電維持電圧の低
［7］T．Makabe，N Nakano，and Y．Yamaguchi，Phys．Rev．
下，および発光効率の改善が重要な鍵である．以上述べ
A45，2520（1992）．
てきたように高周波（HF〉でプラズマを維持すれば，放
［8］M．Kurihara and T．Makabe，s諭n漉8めoJ。ApPl．P鼓ys．
448

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