Analysis of energy-selective shutter and filter effects of separatrix of confronting divergent magnetic fields on electrons in plasma

• Project/Area Number: 16K05626
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Plasma science
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Sugawara Hirotake 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (90241356)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2016: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 磁化プラズマ / 対向発散磁界 / 分界面 / 閉じ込め効果 / フィルタ効果 / 電子運動 / シミュレーション / モンテカルロ法 / 誘導結合型プラズマ / 磁気フィルタ / 磁気シャッタ

Outline of Final Research Achievements

Behavior of electrons and ions in low-pressure inductively coupled plasmas under confronting divergent magnetic fields (CDMFs) was analyzed using computer simulations based on a Monte Carlo method to reveal the mechanism of the shutter and filter effects of the separatrix of the CDMSs, that confine electrons and limit the flow of electrons by their energy and to search for their applications to downsizing of plasma reactors and damage-free material processing.
A method to quantify the confinement effect was proposed and the contribution of the confinement to ionization was confirmed. Three modes of the power deposition to electrons under the CDMFs were observed as main mechanisms to sustain the plasma. Fundamental tendencies of ion transport to the substrate were observed in various setups as informative bases for design and control of the plasma reactors. A new calculation technique for the electron transport coefficients under crossed electric and magnetic fields was also developed.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

半導体集積回路や電気電子光材料の製造工程における加工の微細化に伴いプラズマ由来の損傷の回避策が求められており，本課題で解析した対向発散磁界分界面が持つ磁気シャッタ／フィルタ効果は材料の過度なプラズマ曝露を和らげる遠隔プラズマの省空間化や変調による帯電緩和に利用可能な技術の種となる可能性がある。プラズマ中の荷電粒子の誘導や閉じ込めにしばしば用いられる磁界のエネルギー選択性や逆阻止性は学術的新規性と技術的利用価値がありながら研究例は少なく評価指標も未確立のまま未利用であった。本研究の成果は未開拓分野に挑むための基礎的知見となり，計画進行中に見出された新観点も関連研究の展開に繋がることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] A Computational Scheme of Propagator Method for Moment Equations to Derive Real-Space Electron Transport Coefficients in Gas Under Crossed Electric and Magnetic Fields (2019)
  • Author(s): Sugawara Hirotake
  • Journal Title: IEEE Transactions on Plasma Science Volume: 47 Issue: 2 Pages: 1071-1082
  • DOI: 10.1109/tps.2018.2866187
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 誘導結合プラズマに印加した対向発散磁界の電子閉じ込め効果の定量化とその制御条件依存性 (2019)
  • Author(s): 小澤良輔、菅原広剛
  • Journal Title: 電気学会論文誌Ａ Volume: 139
  • NAID: 130007641376
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stochastic electron energy gain in inductively coupled magnetized plasmas accompanying electron reflection at chamber wall (2018)
  • Author(s): Takahashi Hironori、Nakashima Katsuhiro、Yamamoto Tappei、Sugawara Hirotake
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 12 Pages: 126101-126101
  • DOI: 10.7567/jjap.57.126101
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficiency and limitation of periodic sample multiplication to reduce computational load in Monte Carlo simulations of electron swarms in gas under attachment-dominated conditions (2018)
  • Author(s): Sugawara Hirotake
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 3 Pages: 038001-038001
  • DOI: 10.7567/jjap.57.038001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 対向発散磁界下誘導結合型プラズマのシミュレーションにおける磁気閉じ込め効果評価のための電子脱出判定法について (2017)
  • Author(s): 山本達平、菅原広剛
  • Journal Title: 電気学会論文誌Ａ Volume: 137
  • NAID: 130005687890
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合プラズマ中の電子閉じ込め効果に対するシースの影響の定性的検討 (2019)
  • Author(s): 小澤良輔、菅原広剛
  • Organizer: 平成31年電気学会全国大会
• [Presentation] 誘導結合型磁化プラズマ容器器壁近傍における電子エネルギー利得の位相分解モンテカルロ解析 (2019)
  • Author(s): 高橋宏徳、菅原広剛
  • Organizer: 平成31年電気学会全国大会
• [Presentation] 交流電界・直流磁界下気体中の電子輸送係数解析 (2019)
  • Author(s): 佐藤壮、菅原広剛
  • Organizer: 平成31年電気学会全国大会
• [Presentation] Computational Study on Characteristic Mechanisms of Energy Deposition to Electrons in a Low-Pressure Inductively Coupled Magnetized Plasma (2018)
  • Author(s): Hirotake Sugawara, Katsuhiro Nakashima, Hironori Takahashi
  • Organizer: 20th Gaseous Electronics Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Monte Carlo analysis of the asymmetry in azimuthal electron flow in an inductively coupled plasma driven under confronting divergent magnetic fields (2018)
  • Author(s): Hirotake Sugawara, Katsuhiro Nakashima, Hironori Takahashi
  • Organizer: XXIV Europhysics Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Configuration of propagator method for calculation of electron velocity distribution function in gas under crossed electric and magnetic fields (2018)
  • Author(s): Hirotake Sugawara
  • Organizer: The 19th Asian Conference on Electrical Discharge
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型ＲＦプラズマ中の電子エネルギー利得と電子周方向速度のモンテカルロ解析 (2018)
  • Author(s): 中島克博、菅原広剛
  • Organizer: 平成30年電気学会プラズマ・パルスパワー研究会
• [Presentation] 誘導結合型磁化プラズマ容器器壁近傍における電子エネルギー利得機構－器壁における電子反射およびシース電界を考慮したモンテカルロ解析－ (2018)
  • Author(s): 高橋宏徳、菅原広剛
  • Organizer: 平成30年電気学会基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型磁化プラズマ中電子閉じ込め効果の定量化－磁界強度・分界面位置依存性－ (2018)
  • Author(s): 小澤良輔、菅原広剛
  • Organizer: 平成30年電気学会基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型磁化プラズマ中の特徴的なエネルギー利得の領域と要因 (2018)
  • Author(s): 中島克博、菅原広剛
  • Organizer: 平成30年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
• [Presentation] 誘導結合型磁化プラズマ容器側壁近傍シース電界下電子エネルギー利得機構－利得分布のシース形状依存性に関するモンテカルロ解析－ (2018)
  • Author(s): 高橋宏徳、菅原広剛
  • Organizer: 平成30年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型プラズマ中電子閉じ込め効果－電離増倍への影響－ (2018)
  • Author(s): 小澤良輔、菅原広剛
  • Organizer: 平成30年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
• [Presentation] 磁化プラズマ容器器壁における電子反射が電子エネルギー利得機構に及ぼす効果 (2018)
  • Author(s): 高橋宏徳、中島克博、山本達平、菅原広剛
  • Organizer: 平成30年電気学会全国大会
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型磁化プラズマ中の電子エネルギー利得と電子周方向速度の空間分布解析 (2018)
  • Author(s): 中島克博、菅原広剛
  • Organizer: 平成30年電気学会全国大会
• [Presentation] プロパゲータ法による直交電磁界下気体中電子速度分布関数計算 (2017)
  • Author(s): 菅原広剛、松本涼
  • Organizer: 平成29年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス（富山県・富山市）
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型プラズマ中の電子エネルギー分布（2）－分界面の上下および分界面通過位置により区別した電子の比較－ (2017)
  • Author(s): 山本達平、菅原広剛
  • Organizer: 平成29年電気学会全国大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス（富山県・富山市）
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] Calculation of electron velocity distribution function under crossed electric and magnetic fields using a propagator method (2017)
  • Author(s): H. Sugawara
  • Organizer: XXXIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Calculation of Real-Space Electron Transport Coefficients under Crossed Electric and Magnetic Fields by a Propagator Method (2017)
  • Author(s): H. Sugawara
  • Organizer: 10th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型プラズマ中の電子エネルギー分布（3）－分界面近傍の位置により区別した電子エネルギー分布の比較－ (2017)
  • Author(s): 山本達平、菅原広剛
  • Organizer: 平成29年電気学会基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型磁化プラズマ中電子エネルギー利得の位相分解解析 (2017)
  • Author(s): 中島克博、菅原広剛
  • Organizer: 平成29年電気学会基礎・材料・共通部門大会
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型磁化プラズマ中の電子エネルギー高利得３領域の位相分解解析 (2017)
  • Author(s): 中島克博、菅原広剛
  • Organizer: 平成29年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型プラズマ中共鳴磁界域近傍のエネルギー利得単電子運動解析 (2017)
  • Author(s): 山本達平、菅原広剛
  • Organizer: 平成29年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
• [Presentation] 単電子追跡によるＸ点プラズマ容器側壁上部近傍エネルギー利得機構の解析 (2017)
  • Author(s): 高橋宏徳、菅原広剛、中島克博、山本達平
  • Organizer: 平成29年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型プラズマ中の電子エネルギー分布－分界面通過位置により区別した電子の下部領域におけるサンプリング－ (2016)
  • Author(s): 山本達平、菅原広剛
  • Organizer: 平成28年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • Place of Presentation: 北海学園大学山鼻キャンパス（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-11-05
• [Presentation] 側面励起型X点プラズマ装置におけるイオン輸送特性解析 (2016)
  • Author(s): 仲俣涼平、菅原広剛
  • Organizer: 平成28年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • Place of Presentation: 北海学園大学山鼻キャンパス（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2016-11-05
• [Presentation] On judgement of electron transfer between two regions divided by the separatrix of confronting divergent magnetic fields applied to an inductively coupled plasma (2016)
  • Author(s): H. Sugawara and T. Yamamoto
  • Organizer: 69th Annual Gaseous Electronics Conference
  • Place of Presentation: Ruhr University, Bochum（ドイツ）
  • Year and Date: 2016-10-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 対向発散磁界下誘導結合型プラズマ中の電子閉じ込め効果定量評価法－衝突事象を加えた評価－ (2016)
  • Author(s): 山本達平、菅原広剛
  • Organizer: 平成28年電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • Place of Presentation: 九州工業大学戸畑キャンパス（福岡県・小倉市）
  • Year and Date: 2016-09-05
• [Presentation] Ⅹ点プラズマ中の電子・イオン輸送特性の解析およびバイアス制御特性の検討 (2016)
  • Author(s): 仲俣涼平、菅原広剛
  • Organizer: 平成28年電気学会プラズマ研究会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学杉本キャンパス（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2016-08-09