レーザアブレーションプルームのプラズマ制御および微粒子の生成に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11750245
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 須田 善行 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (70301942)
• Keywords: レーザアブレーション / RFプラズマ / パルスレーザ堆積 / アモルファスカーボン / 微粒子 / 微粒子成長 / クーロン結晶 / 光圧力

Research Abstract

プラズマ制御したレーザアブレーション法により炭素微粒子・薄膜を堆積するとともに、アブレーションプルーム(放出原子・分子群)をレーザ吸収分光法により解析した。また微粒子プラズマを実験・シミュレーションの両面より解析し、プラズマ制御レーザアブレーションによる微粒子・薄膜プロセスを検討した。研究結果を以下に要約する。
1. 本手法により0.13 Pa Arという低ガス圧雰囲気でもアモルファスカーボン微粒子(nmサイズ)が生成されることをAFM観察・XPS分析で確かめた。また、(1)ガス圧に伴い、微粒子サイズは単調増加する、(2)高い圧力(〜13Pa Ar)では微粒子同士の凝集により微粒子はさらに大きく成長する(〜100nm)、(3)微粒子サイズはプラズマ電力によっても制御される、ことが明らかになった。
2. レーザ吸収分光法により、励起した炭素およびアルゴン原子密度を時空間測定した。どちらの原子ともプルーム中心部において最大密度をとること、また雰囲気圧力の増加に伴い励起炭素原子密度が減少する傾向が得られた。
3. 酸素プラズマ中において炭素薄膜を堆積した。基板温度が450℃付近のとき酸素プラズマの効果が最も強く現われ、ダイヤモンド成分を多く含むアモルファスカーボン膜が堆積されたことがXPS分析より明らかになった。
4. クーロン結晶の解析を行った。クーロン結晶中にパルスレーザを照射し、光圧力による微粒子の挙動を観察した。クーロン結晶が破壊されるレーザエネルギー閾値を測定した。また、2次元流体モデルで解析したアルゴンプラズマ空間構造を用いて、微粒子がどのようにクーロン結晶を作るかをシミュレートした。微粒子は重力に比べイオンドラグ力および静電気力の影響を強く受け浮遊する、数%の微粒子質量の分散により微粒子が重力方向にまたほぼ等間隔に並ぶこと、が分かった。

Research Products

• [Publications] Y.Suda, T.Nishimura, T.Ono, M.Akazawa, Y.Sakai and N.Homma: "Deposition of fine carbon particles using pulsed ArF laser ablation assisted by inductively coupled plasma"Thin Solid Films. 374. 287-290 (2000)
• [Publications] Y.Suda, T.Ono, M.Akazawa and Y.Sakai: "Carbon particle deposition by pulsed laser deposition coupled with RF plasma in rare gas environment."Program of the 53rd Annual Gaseous Electronics Conference, AT2.007. 45・6. 11 (2000)
• [Publications] M.A.Bratescu, Y.Sakai, Y.Suda and M.Mizuno: "Spatial distribution of excited C and Ar concentration in laser ablation carbon plume in Ar filling gas"Program of the 53rd Annual Gaseous Electronics Conference, ETP.063. 45・6. 32 (2000)
• [Publications] Y.Suda, T.Ono, M.Akazawa and Y.Sakai: "Influence of oxygen plasma on the structure of the carbon thin films deposited by pulsed laser deposition"Program of the 53rd Annual Gaseous Electronics Conference, JWP.069. 45・6. 51-52 (2000)
• [Publications] Y.Sakai, M.A.Bratescu, Y.Suda and M.Mizuno: "Measurement of Ar (1s_2) population in a carbon plume excited by ArF excimer laser using a laser absorption method"IEEE Conference Record-Abstracts The IEEE International Conference on Plasma Science, 2P19. 143-144 (2000)
• [Publications] K.Itoh, K.Tomita, A.Oda, Y.Sude, H.Sugawara and Y.Sakai: "A simulation of fine particle behavior in RF Ar plasma"プラズマ科学シンポジウム2001/第18回プラズマプロセシング研究会 (PSS-2001/SPP-18) プロシーディングス,P1-102. 215-216 (2000)
• [Publications] M.A.Bratescu, Y.Sakai, Y.Suda and M.Mizuno: "Spatial and temporal distribution of C (3^1P_1^°) ablation plume in various buffer gases"プラズマ科学シンポジウム2001/第18回プラズマプロセシング研究会(PSS-2001/SPP-18) プロシーディングス,P2-52. 381-382 (2000)
• [Publications] K.Tomita, K.Itoh, Y.Suda, H.Sugawara and Y.Sakai: "Motion of levitated particles by excimer laser irradiation"プラズマ科学シンポジウム2001/第18回プラズマプロセシング研究会(PSS-2001/SPP-18)プロシーディングス,P2-57. 391-392 (2000)
• [Publications] Y.Suda, T.Ono, M.Akazawa and Y.Sakai: "Surface density of carbon nanoparticle prepared by plasma assisted PLD method at various plasma condition"プラズマ科学シンポジウム2001/第18回プラズマプロセシング研究会 (PSS-2001/SPP-18) プロシーディングス,P3-08. 551-552 (2000)
• [Publications] T.Ono, Y.Suda, M.Akazawa, H.Sugawara and Y.Sakai: "Effect of oxygen and substrate heating on deposition of a-C films by plasma assisted PLD method"プラズマ科学シンポジウム2001/第18回プラズマプロセシング研究会(PSS-2001/SPP-18)プロシーディンゲス,P3-27. 589-590 (2000)
• [Publications] 松田浩之,菅原広剛,須田善行,酒井洋輔: "レーザアブレーションプルームのモデリング (3) -カーボンターゲット内部の温度分布の効果-"2000年度 第36回応用物理学会北海道支部/第6回レーザ学会東北・北海道支部合同学術講演会 講演予稿集,No.A-6. 6 (2000)
• [Publications] 水野学,M.A.Bratescu,須田善行,菅原広剛,酒井洋輔: "レーザーアブレーションプルームのレーザー吸収分光診断-Cプルーム中Ar (1s_2) 密度の測定-"平成12年度 電気関係学会北海道支部連合大会講演論文集,No.79. 113 (2000)
• [Publications] 小野智之,須田善行,赤澤正道,菅原広剛,酒井洋輔: "プラズマ制御PLD法による炭素薄膜堆積"平成12年度 電気関係学会北海道支部連合大会講演論文集,No.80. 114 (2000)
• [Publications] 富田研,伊藤克実,須田善行,菅原広剛,酒井洋輔: "パルス(エキシマ)レーザ照射によるプラズマ中微粒子の挙動"平成12年度 電気関係学会北海道支部連合大会講演論文集,No.81. 115 (2000)
• [Publications] 須田善行,小野智之,赤澤正道,酒井洋輔: "プラズマ制御PLD法による炭素微粒子生成-低圧プラズマ中で生成された微粒子の観察-"平成12年度 電気関係学会北海道支部連合大会講演論文集,No.82. 116 (2000)
• [Publications] 水野学,M.A.Bratescu,須田善行,酒井洋輔: "レーザーアブレーションプルームのレーザー吸収分光診断-Cプルーム中Ar (1s_2) 密度の測定-"2000年 電気学会 基礎・材料・共通部門大会講演論文集,No.13-1. 299-304 (2000)
• [Publications] 伊藤克実,富田研,小田昭紀,須田善行,菅原広剛,酒井洋輔: "RF Ar プラズマ中の微粒子挙動のシミュレーション"2000年 (平成12年) 秋季 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集,5p-F-1. 1. 86 (2000)
• [Publications] 富田研,伊藤克実,須田善行,酒井洋輔: "RE Ar プラズマ中微粒子クーロン結晶の挙動"2000年 (平成12年) 秋季 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集,7a-F-10. 1. 103 (2000)
• [Publications] 松田浩之,菅原広剛,須田善行,酒井洋輔: "レーザアブレーションプルームのモデリング(2)-ターゲット表面温度の効果-"2000年 (平成12年) 秋季 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集,6a-N-1. 3. 971 (2000)
• [Publications] 小野智之,須田善行,赤澤正道,酒井洋輔: "プラズマ制御PLD法による炭素薄膜堆積-酸素プラズマが表面の結合状態に与える影響について-"2000年 (平成12年) 秋季 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集,6p-N-10. 3. 978 (2000)
• [Publications] 須田善行,小野智之,赤澤正道,酒井洋輔: "プラズマ制御PLD法による炭素微粒子生成-プラズマによる C (1s) スペクトル変化-"2000年 (平成12年) 秋季 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集,6p-N-11. 3. 978 (2000)
• [Publications] 伊藤克実,富田研,須田善行,酒井洋輔: "RF Ar プラズマ中のクーロン結晶構造"2000年 (平成12年) 春季 第47回応用物理学会学術講演会講演予稿集,30p-C-14. 1. 130 (2000)
• [Publications] 水野学,須田善行,M.A.Bratescu,酒井洋輔: "レーザーアブレーション MgO プルームの発光スペクトル"2000年 (平成12年) 春季 第47回応用物理学会学術講演会講演予稿集,30a-V-2. 3. 1129 (2000)
• [Publications] 西村卓真,須田善行,小野智之,赤澤正道,酒井洋輔: "プラズマ制御PLD法による炭素微粒子生成"2000年 (平成12年) 春季 第47回応用物理学会学術講演会講演予稿集,31p-V-1. 3. 1142 (2000)
• [Publications] 須田善行,西村卓真,水野学,小野智之,酒井洋輔: "レーザアブレーションカーボンプルームの電流波形"平成12年 電気学会全国大会講演論文集,1-107. 1. 133 (2000)