2017 Fiscal Year Research-status Report
負イオンエネルギー分布測定を可能とする減速電界エネルギー分析器の開発
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16K04995
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
松田 良信 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (60199817)
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| Project Period (FY) |
2016-10-21 – 2019-03-31
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| Keywords | イオンエネルギー分布 / 反射電界型エネルギー分析器 / マグネトロンスパッタリング / 金属添加酸化亜鉛 / 負イオン / 透明導電膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
各種の酸化物ターゲットを用いた直流もしくは高周波マグネトロンスパッタリング法に共通する課題は，ターゲット浸食領域に対向する基板面内で，膜質が著しく劣化することである．この原因は，酸化物ターゲット浸食領域から放出され陰極シース内で加速された高エネルギー酸素負イオンが対向基板に入射するために，過剰な酸素供給と微結晶化が生じ，その結果，キャリア密度が低下しキャリア移動度が低下するためと考えられているが，その詳細は完全には解明されていない．
本研究の目的は，スパッタリング成膜環境下で基板に入射する正・負イオンのエネルギー分布関数を安価で簡便に計測することができる反射（減速）電界エネルギー分析器（RFEA）を開発し，それを用いて基板入射エネルギー束を評価し，酸化物ターゲットのスパッタ成膜過程を明らかにすることである．
本研究では，H28年度にマルチグリッドRFEAを設計・制作し、H29年度はこのRFEAヘッドをGa添加ZnO用RFマグネトロンスパッタ装置に組み込み，基本動作特性を調査した．また，これと並行して，バッファ層を利用したGa添加ZnO膜の抵抗率の均一成膜実験も実施し、2E-4Ωcmの低抵抗均一分布を得た．
RFEA本体へのスパッタ成膜の影響が少ない気圧1Pa，RF投入電力10Wで動作試験を行い、浮遊電位電極に流入する正イオンのエネルギー分布関数の計測が可能であることを確認した．正イオンのエネルギー分布関数は約25eVの単一ピークをもつイオンビーム状であり，RFEA内部では荷電交換衝突の影響が小さいことがわかった．また，-70V以上の反射電位以上のエネルギーをもつ負帯電粒子の流入があることを確認した．RFEAをマグネトロン前方で径方向に移動させて，正イオンと高エネルギー負帯電粒子による電流の空間分布を測定したところ，両者の空間分布に明確な違いがあることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
H29年度は，H28年度に設計・制作を完了したマルチグリッド反射（減速）電界型エネルギーアナライザ（RFEA）の基本動作特性の調査を行った．
RFEAは4枚のグリッド（プラズマ側からプラズマ対向グリッドPG，負電荷粒子に対する反射グリッドR，正イオンの反射グリッドD，コレクタCからの二次電子放出を抑制する反射グリッドCR）とコレクタCから成り，各電極間は絶縁シートで絶縁した．RFEAの基本動作特性の評価は， RFEA本体へのスパッタ成膜の影響を少なくするため，気圧1Pa，RF投入電力10Wで実施した．
電極間の絶縁を確認した後．各電極への流入電流を測定してRFEA内のグリッドにおける荷電粒子数の透過率を調査した．その結果，4枚グリッド配置では，空間電荷効果によるビーム発散も相まってコレクタ電流が数nAまで低下し，十分なSN比を確保できなかった．そこで，信号増強のために，3枚グリッド配置に変更し，グリッドRを浮遊電位，Dを0V，CRを-70VとしてC電圧を±60Vの範囲で変化させて動作特性を評価した．その結果，100nA程度の正・負のコレクタ電流が確認され，正イオンのエネルギー分布関数を導出できた．正イオンのエネルギー分布は約25Vに狭い幅の単一ピークを示し，プラズマ中の正イオンが約25Vの浮遊電位でビーム状に加速されて入射することがわかった．RFEA内での走行距離2mm中の荷電交換衝突の影響が少ないことがわかった．また，負イオンの存在を示唆する-70Vの反射電位を超えて高エネルギーの負帯電粒子が常時コレクタに入射することが確認された．RFEAをマグネトロンの前方で径方向に水平移動させ，正イオンと高エネルギー負帯電粒子による電流の空間分布を測定したところ，両者には大きな違いがあることがわかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は，RFEA計測のSN比向上，データ収集の効率化と高速化，実験内容の優先順位の明確化を行い研究を推進する．
SN比向上に関しては，現在使用中のグリッドメッシュをより線径の細いものに交換することでコレクタ電流が約3~5倍増加するであろう．また，RFEAの荷電粒子入射側のグリッドに高い加速・減速電圧を印加することで，空間電荷効果によるビーム発散を低減し，コレクタ電流の捕集効率を上げられる可能性がある．一方，RFEAヘッドとRFEA制御電源間との距離が遠くケーブルのシールドが不十分なため，RF放電ノイズやコモンモードノイズを拾いやすい状況にあるので．配線の改善とローパスフィルタの利用等を検討し，ノイズ低減対策を行う．
データ収集効率化に関しては，イオンエネルギー選別用グリッドに三角波電圧を印加し，コレクタ電流をプリアンプ増幅・電圧変換し，オシロスコープや多チャンネルデータロガーを利用したデータ収集と平均化を行い，電流測定の高速化とSN 比向上を図る．
具体的な実験の推進方策は次の通りである．１）反射電位を十分深くかけてたときに正電荷のみまたは負電荷のみの信号が得られるかを調べる．２）プラズマ対向グリッドPGが接地電位のときと浮遊電位のときでどのような違いがあるのかを調べる．３）イオンエネルギー分布関数のスパッタ電力依存性，スパッタ気圧依存性を調査する．４）空間分布計測においては，ターゲット浸食状態の影響を調査する．５）RFマグネトロン放電とDCマグネトロン放電における違いを調査する．６）酸化物ターゲットと金属ターゲットとの違いを調査する．
以上を元に本研究を総括する．
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| Causes of Carryover |
研究利用機器のメンテナンス費と学会旅費の支出により、物品費に充てられる予算額が約1万円となった。研究用データ収集ボードの購入を検討したが、それには予算が不足した。次年度使用額は、少額ではあるが、平成30年度の電子機器類の購入に有効活用する予定である。
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Research Products
(5 results)
