「プラズマ工学」講義資料 ２０１５年度版 熊本大学工学部情報電気電子工学科 勝木 淳 プラズマ工学の体系 新エネルギー 航空・宇宙 磁場閉込め方式 核融合 環境 ｶﾞｽ分解 ・合成 水浄化・殺菌 ﾚｰｻﾞｰ 核融合 光源・ ﾚｰｻﾞｰ ﾌﾟﾗｽﾞﾏ推進 ＭＨＤ発電 熱電子発電 機能性薄膜・ ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ プロセス・ 新素材 加工・溶接 ﾌﾟﾗｽﾞﾏﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ 半導体ﾌﾟﾛｾｽ 光源・ 電磁波 照 明 外傷治療・ 生体親和処理 医療 １２．プラズマの応用(１) 電磁波・光源 １２.１ 照明 １２.２ レーザー １２.３ 短波長光源 １２.４ フラットパネルディスプレイ １２.５ 電磁波現象の利用 「プラズマ工学」講義資料 ２０１５年度版 熊本大学工学部情報電気電子工学科 勝木 淳 １２.１ 照明 ◆ 白熱電球 ・ 高融点材料をジュール加熱してその熱放射を利用。 ・ 電気入力の大部分は熱として失われる。 （発光効率が低い） ◆ プラズマを利用したランプ 高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ） グロー放電やアーク放電の陽光柱からの可視 光を直接利用した光源。 高圧水銀ランプ、高圧ナトリウムランプ、メタル ハライド（ハロゲン）ランプ、キセノンランプ 蛍光ランプ プラズマから放射される紫外線を蛍光物質を 介して可視光に効率よく変換する光源。 ◆ 水銀の放電特性 ・ 他の金属に比べて蒸気圧が低い。（10-3 Torr） ・ 電離電圧が高い。（10.44 eV） ・ 励起エネルギー 5～9 eV の準位が多く存在。 電離してイオンになってし まうと電界ドリフトして空間 からいなくなる？ → 条件によって紫外から可視にわたって幅広い波長の光を放射。 水銀： ランプにとって極めて大きな役割を担っている。 低気圧グロー放電 非熱平衡プラズマ （Te ≫ Tg） 発光量 小、フォトンエネルギー 大 → 紫外領域の光 → 蛍光ランプ 高圧アーク放電 熱平衡プラズマ （Te 〜 Tg） 水銀からの可視領域の高輝度発光 → HIDランプ 水銀放電の電子温度とガス温度 （放電電流一定） ◆ 蛍光ランプ 水銀の低気圧グロー放電： ・ 管壁での再結合による粒子損失が大。 → 密度の低下 → 電子温度大 → 紫外線（185 nm、253.7 nm）放射 ・ 原子密度の低下 → 再吸収が少ない → 効率よく紫外線を発生 ・ 紫外線を管壁に塗布した蛍光物質に あて可視光に変換。 蛍光ランプの構造 ・ 明るさを増すには．．． ① 管を長くして陽光柱部分を長くする。 ② 管径を小さくして陽光柱の電界を大きくし、陽光柱に注入される電力 を大きくする。 ③ 放電電流を大きくし、励起に関与する電子数を増やす。 ◆ 高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ） 水銀高圧アーク放電： ・ 陽光柱は熱平衡状態 温度10,000 K ・ 励起準位間の遷移による可視領域の発 光が多い。 ・ 水銀の蒸気圧を高くする為、管壁を高温 （600℃）に維持。 → 石英ガラス利用 ・ 赤色が不足(演色性が悪い）。 → 蛍光物質と併用。（蛍光水銀ﾗﾝﾌﾟ） → 水銀に赤色を発する成分（Sc, Tl, Sn） を添加するためハロゲン化金属を容器内 に封入。 メタルハライド（ﾊﾛｹﾞﾝ）ランプ 高圧水銀ランプの構造 ナトリウム高圧アーク放電： ・ 高い蒸気圧。低い電離エネルギー。多くの可視帯発光バンド。 ・ 発光効率が良い。 ・ ナトリウムＤ線（589.0 nm、589.6 nm、オレンジ）。霧中の透過性が良い。 １２.２ レーザー ◆ レーザーの特徴 レーザー （ＬＡＳＥＲ、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation） ① 単一波長の光のみが発振される。(単色性） ② 時間的・空間的に位相が揃って伝搬する。（可干渉性、コヒーレント） ③ 指向性が良い。ビームがほとんど広がらない。 ④ 高パワー密度ビームである。 → 収束によりパワー密度を増大可能。 ◆ レーザー発振の条件 媒質中での光の減衰（吸収係数α） I = I0 exp(−αx) 光増幅のためには α＜0 鏡反射を含めて光強度が増大する条件、 すなわち、発振条件は、 R1R2 exp(−αL) ≥ 1 Bhυ α = − ( n − n ) 上式と （ B は遷移確率） 2 1 c から、 c n2 − n1 = (1 − R1R2 ) BhυL レーザー発振するための 反転分布の閾値 光共振器と光の増幅 E2 n2 入射電磁波 hυ 21 = E2 − E1 n1 E1 共鳴吸収 ◆ Ｈｅ-Ｎｅレーザー He-Neレーザー模式図 エネルギー準位図 Ne 2s、2pの寿命（ns） He-Ne ﾚｰｻﾞｰの発振波長 0.543 µm グリーン 0.594 µm イエロー 0.612 µm オレンジ 0.6328 µm 赤 1.15 µm （赤外） 1.52 µm （赤外） 3.39 µm （赤外） 中型He-Neレーザー 内部ミラー型レーザー管を金属円筒ケース 収容した発振器と電源とで構成されます。出 力1～12mW程度。（日本電気（株）） He-Neレーザーの光 (Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ引用) ◆ レーザーの応用 ・ エネルギー開発応用 レーザー同位体分離、群分離、消滅処理、レーザー核融合、レーザー誘雷、レーザー加速器 ・ レーザープロセッシング レーザーアブレーション、レーザーＣＶＤ、表面改質、レーザーアニール、除染、微細加工、 リソグラフィ、切断、溶接、分子マニピュレーション ・ レーザー計測 光検出、干渉、物質分析、センサ、距離・位置・方向の測定、流れの測定、環境計測、 宇宙計測、非破壊検査、レーザー顕微鏡、レーザー冷却 ・ 光通信・情報処理 宇宙通信、光通信素子、光集積回路、光ディスク、レーザープリンタ、ホログラム、。。。 ・ レーザーバイオ・医学応用 レーザーメスを用いた様々な治療、光化学治療、光ＣＴ、 ・ レーザー化学 光分子作用、蛍光、光合成、感光、視覚、光機能性高分子、光触媒、マイクロ化学、 クラスター化学 電磁波（光）の放射 ・ バンド間遷移放射 ・ 再結合放射 プラズマからの放射 ・ 制動放射 エネルギー準位[eV] １２.３ 短波長光源 120 100 80 4f 5p 外殻軌道 ・ シンクロトロン放射 内殻電子軌道 0 高エネルギー（短波長）フォトン放射 多価イオンのエネルギー準位 （Ｘ線，軟Ｘ線，極端紫外線など） ⇒ 原子番号の大きい原子の内殻電子 を弾き出す必要あり．（多価イオンを 生成する） 高速電子 hv ⇒ 高速電子を高密度で生成する． ⇒ 高エネルギー密度（高温・高密度） プラズマ Xe10+ 多価イオン ◆ 高温・高密度プラズマの生成法 Jz hυ J×B Bθ 高エネルギー密度プラズマ 環状低密度プラズマ 放電生成プラズマ（Ｚ-pinch方式） 大強度パルスレーザー Nd:YAG CO2 発光材料液滴 高エネルギー密度 プラズマ レーザー生成プラズマ hυ 例１： 半導体リソグラフィーのためのＥＵＶ光源 膜形成工程を終えた ウェーハ レジスト塗布 重ね合わせ 高度情報通信機器 露光（リソグラフィー） 中身は… 集積回路の集合体 レジスト現像 下地エッチング レジスト剥離 次の工程へ 集積回路の中身は．． 集積回路 製造工程 ◆ リソグラフィー 高輝度光 水銀ランプ（g線、i線） エキシマレーザー（KrF、ArF） マスク （回路パターン） レンズ レジスト ウェハー 解像度（最小加工寸法） R k1λ R= NA k1：プロセスパラメーター λ：露光波長 NA：光学系の開口率 半導体集積回路の微細化とリソグラフィー技術の進展 岡崎信次，応用物理, 75巻, 11号, 2006 ◆ ＥＵＶリソグラフィーシステム レクチル反射率：65% -光源波長は13.5ｎｍ -光学系は全て反射光学系 1064ｎｍ ミラー枚数：７枚/８枚 レーザ発振効率： 25% EUV発光効率：１% ミラー枚数：６枚 集光鏡反射率：60% 窓：２枚×50% 利用可能立体角：π レジスト感度：５mJ/ｃｍ2 ※光源はLPP（Laser Produced Plasma）を例とした 実露光効率：50% 例２： 生体顕微鏡 軟Ｘ線領域には、炭素のｋ殻吸収端（4.4ｎｍ）と酸素のｋ殻吸収端（2.3ｎｍ） が位置しており、この間の波長領域では炭素の軟Ｘ線吸収が酸素の軟Ｘ 線吸収を約一桁上回っている。この「水の窓」と呼ばれる波長領域の軟Ｘ 線を用いると、水を構成している酸素によるＸ線吸収の影響を抑えて、生 物試料をその主な構成元素である炭素の密度分布として画像化（イメージ ング）することができる。 例２： 生体顕微鏡 １２.４ フラットパネルディスプレイ ディスプレイ ブラウン管（ＣＲＴ, Cathode Ray Tube） フラットパネルディスプレイ 液晶ディスプレイ（ＬＣＤ, Liquid Crystal Display） ブラウン管 プラズマディスプレイ (PDP, Plasma Display Panel) 電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ, Field Emission Display） 表面電子放出ディスプレイ（ＳＥＤ, Surfaceconduction Electron-emitter Display） 有機ＥＬディスプレイ（OELD, Organic Electroluminescence, Display） フラットディスプレイパネル（ＦＤＰ） ◆ プラズマディスプレイ プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ, Plasma Display Panel）は放電による発光 を利用した平面型表示素子。 電極を形成したガラス板と､電極および蛍光体付きの微小な溝を形成したガ ラス板とを狭い間隔で対向させて希ガスを封入し、電極間で放電させて紫外 線を発生させ、蛍光体を光らせる。 AC型プラズマディスプレイパネルの構造 AC型ＰＤＰの放電セルの発光過程 ◆ その他のディスプレイ 液晶 （ＬＣＤ） バックライト等により発せられた光を、液晶と 偏光フィルタの組み合わせによって、遮ったり 透過させたりして表示する。 有機ＥＬ （ＯＥＬＤ） 有機ELは有機物中に注入された電子と正孔 の再結合によって生じた励起子（エキシトン） によって発光する現象である。 電界放出 （ＦＥＤ） ＣＲＴと同様に、陰極部分から電子を真空 中に放出し、蛍光体へぶつけることで、発 光を得る。 表面電子放出 （ＳＥＤ） ＦＥＤとは電子放出機構が異なり、トンネ ル効果で電子を放出させる。 １２.５ 電磁波現象の応用 ◆ プラズマ中の電磁波伝搬 電磁波は、無磁界の場合、プラズマ周波 数ωpe より高い周波数のみ伝搬できる。 低い周波数の電磁波はプラズマ表面で 反射される。 分散関係： ω 2 = ωpe2 + c 2 k 2 2 ω c ck pe = = 1− 屈折率： µ = vp ω ω 分散関係 ◆ 電磁波伝搬現象の利用 ・ 電離層： 地球上層にある気体が太陽からの放射によって電離されて形成。 地表に近いものから Ｄ層、Ｅ層、Ｆ層。 ・ 電離層による電波の反射を利用した通信 → 短波通信 電離層の種類 電波の種類 電波 周波数帯 反射層 中波 0.3~3 MHz Ｅ層 短波 3~30 MHz Ｆ層 VHF、UHF など 30 MHz < 反射されない
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