長い磁力線長を持つ螺旋状プラズマを用いた高密度窒素ラジカル源の開発と応用

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K18768
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 宏彦 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (60609981)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Keywords: 螺旋状プラズマ / 非接触プラズマ / 解離性再結合 / 直流放電 / 磁力線長

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，数十メートルという長い磁力線長を持つ螺旋状プラズマと非接触プラズマ現象を用いて，解離性励起（電子衝突励起⇒解離）とは異なり，解離性再結合が支配的である高密度窒素ラジカル源の開発を行うことを目的としている。
具体的な研究課題としては，（１）直流放電による高密度窒素分子プラズマの生成，（２）螺旋状磁場に沿った窒素分子プラズマの輸送過程（エネルギー，粒子）の解明と低温高密度プラズマの生成，（３）低温高密度窒素分子プラズマの解離性再結合の実験的検証，（４）開発した窒素ラジカル源を用いた窒化膜形成と膜質評価　を遂行する。
螺旋状プラズマが生成可能な単純トーラス型プラズマ発生装置において，新たに設計・製作した傍熱型六ホウ化ランタン陰極とタングステン製の陽極を用いて直流放電試験を実施し，これまで実績がある重水素ガスを用いて，放電特性（電流-電圧特性，ガス圧依存性，）を取得し，直流放電システムの最適化を行った。プラズマパラメータ計測は，開発した２次元駆動ラングミュアプローブシステムを用いて行った。垂直磁場とトロイダル磁場の比を変えることにより磁力線長を変化させた時のプラズマパラメータ（電子温度，電子密度）を観測し，最適な磁力線長（プラズマ長）を見出し，放電電力3.5kWで，電子密度3x10^18 /m^3の高密度プラズマの生成に成功した（電子温度2 eV).
また，垂直磁場とトロイダル磁場の比を一定にし，磁力線の向きを反転させ，プラズマパラメータの２次元分布を取得したところ，磁力線の向きに依存したプラズマ位置の変化が観測された。現在その物理機構について解析中である。
さらに最適化された放電システムを用いて窒素プラズマの生成（放電電圧70V, 放電電流10A）を実施した。半値全幅30mmの高密度窒素プラズマの生成を実現した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度の目標は，傍熱型六ホウ化ランタン陰極とそれに対応した最適な陽極構造の設計・製作を行い，単純トーラス型プラズマ発生装置に設置し，螺旋状の高密度窒素プラズマ生成を行うことであった。傍熱型六ホウ化ランタン陰極設計・製作においては，加熱用ヒータ構造，熱遮蔽構造の最適化など様々な試行錯誤を必要としたが，期間内に設計と製作を完了した。さらに，直流放電試験においても，重水素ガスを用いたプラズマ生成基礎実験を行い，ガス導入方法，印加磁場強度，陽極位置の最適化を行い，放電システムの最適化を行った。この結果，10^18/m^3を超える高密度プラズマの生成に成功している。その後ガスを窒素に変更し，高密度螺旋状窒素プラズマの生成に成功している。
以上により，４課題のうち，もっとも時間を要すると考えられた，新しい直流放電システムによる窒素プラズマ生成の第一の課題，ならびに第二の課題である2次元駆動高速掃引プローブ計測システムによりプラズマパラメータの２次元分布を計測を終了した。よって，本研究は概ね順調に進展していると評価した。

Strategy for Future Research Activity

低温高密度窒素プラズマのおける解離性再結合過程の実験的検証を行うために，鉛直方向に移動可能な可視分光システムを用いて，低温高密度窒素分子プラズマ領域を詳細に観測し，窒素分子イオンの解離再結合に伴う発光スペクトルを取得する。窒素分子を考慮した衝突輻射モデルによる解析結果と実験結果を比較することにより，窒素分子イオンの解離性再結合を検証する。さらに，赤外線による加熱が可能な試料台に試料を設置し，窒化膜の生成を行う。基板にはステンレス鋼(SUS304)を用いる。赤外線加熱により基板温度を変化させて，生成される窒化膜の違いについて評価する。特に，化合物層の形成の有無について着目して，研究を遂行する。

Causes of Carryover

旅費の次年度使用額が生じた主原因に関しては，予定していた国際会議への出席を次年度に延期したことによる。また，人件費についても，平成29年度に２か月間，技術補佐員による装置の設計・製作を当該年度に行う予定であったが，当該年度の設計は研究代表者が行うこととし，技術補佐員による人件費は，平成30年度に実施する装置の製作と計測・材料評価に当てることにしたためである。それに対応する物品費も平成30年度に支出する予定である。