2020 Fiscal Year Research-status Report
Measurement of ion energy distribution incident on substrate by retarding field energy analyzer
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19K03810
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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) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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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 / 磁気フィルタ / マグネトロンスパッタリング / 負イオン / 金属添加酸化亜鉛 / 透明導電膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々はこれまでに基板に入射する正・負イオンのエネルギー分布関数（EDF）を安価で簡便に計測するために、磁気フィルタを利用した反射電界型エネルギー分析器（Retarding field energy analyzer: RFEA）を提案し、ターゲット浸食領域対向部付近で高エネルギーの負イオンが基板に入射することを確認してきた。前年度までに、RFEA前面に局所的な交差磁場領域を形成すると、RFEAへの負イオン流入束はほとんど影響を受けないが、電子流入束が2桁以上抑制され、正イオン流入束も一桁程度抑制されることがわかった。また、RFEA内の荷電粒子のグリッド透過率を向上させ、グリッド電位分布を最適化することでコレクタ電流の増加を達成した。
R2年度は、主として、(1)磁気フィルタの磁束密度がコレクタ電流に及ぼす影響の調査、および(2)高性能デジタルマルチメーターの利用によるデータ取得効率改善を行った。
(1)に関しては、鉄心とネオジウム永久磁石の幾何学配置を変化させ、RFEA入射開口部の磁束密度が50.0mT、170mT、340mTとしたもの3種類を比較調査した。その結果、磁束密度が増加するほどコレクタ電流が低下したことから、50mTより弱磁場側で最適条件を探索する必要があることがわかった。
(2)に関しては、微小コレクタ電流測定をこれまで使用していたRIGOLのDM3058からKEYSIGHTのDMM34461Aに変更した結果、DCMSにおける基板入射荷電粒子のEDF測定において、エネルギー分解能が約5倍向上し、データ取得時間は約1/5に短縮し、全体的な測定パフォーマンスは25倍向上した。DCMSにおける高エネルギー負イオンのEDFの構造がより詳細に確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
荷電粒子束への影響は、最初は荷電粒子のラーマ―半径の違いだけで簡単に評価できると考えていたが、3次元構造をもつ局所磁場中のプラズマ中の荷電粒子の輸送の理論的評価と解析が想像以上に複雑である。磁気フィルタのプラズマおよびRFEA流入荷電粒子束への影響評価に時間を要した。磁気フィルタの最適化に関しては、負イオン流入束に対する電子流入束や正イオン流入束の相対的な抑制効果を、永久磁石と鉄心の複数の組み合わせに対して実験的に比較検討したが、強磁場側の探索のみで弱磁場側の探索まで実施できなかった。最適条件の探索には、むしろ電磁石の利用が有効と思われる。
データ取得効率の向上とデータ処理効率の改善のために、当初は電流電圧変換器と高速データ収集ボードの利用を試みたが、特にRFマグネトロンスパッタリング時のノイズ対策が不十分でうまく機能しなかった。RFマグネトロンスパッタリング時の酸素負イオンのEDFはエネルギー広がりが大きく、信号値が低いので、その詳細な構造を正確に把握するためには、微小電流測定時のノイズ対策が一層重要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き、下記の項目を実施予定である。
１．研究成果の公開：これまでに得られた研究成果（DCMSとRFMSにおける基板入射正・負イオンのエネルギー分布関数の特徴）を論文誌に投稿し、公表する。また、ホームページでの研究状況を可能な限り公開する。
２．データ収集・解析・可視化の効率化：データ収集効率の向上（電流電圧変換器とデータ収集用AD変換ボードの利用、ケーブル・コネクタ・シャーシを含めた微小電流測定におけるノイズ対策の徹底など）とデータ処理効率の改善（収集データの解析における平均化・平滑化・微分処理・グラフ化の効率化）による測定の高速化・効率化・SN比向上を図る。
３．DCMSとRFMSにおける基板入射正・負イオンのエネルギー分布関数のより詳細な調査研究：２の対策の有効性をチェックするとともに、金属ターゲットのマグネトロンスパッタリング過程における基板入射荷電粒子のエネルギー分布関数に関するより詳細な知見を得る。
４．磁気フィルタの影響の定量的評価とその最適設計：局所交差磁場領域がある場合のプラズマの空間分布と荷電粒子の輸送過程をPICモンテカルロシミュレーションを用いて評価する。また、一方で、交差磁場中のParallel伝導度、Pedersen伝導度、Hall伝導度などを解析的に検討する。実験的には、電磁石を利用して、磁束密度の影響を系統的に調査する予定である。
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| Causes of Carryover |
実験に使用する真空ポンプが故障したため、その代替中古品を急遽購入し、その他として計上することになった。その一方で、2020年度の国内・国外開催の学会・研究会がほとんどすべてオンライン開催となり、当初予定していた旅費の支出が全く発生しなかった。また、年度内に購入を予定していた海外生産のデジタルマルチメーターとパルス発生器が、新型コロナウイルスの影響で納期が大幅に遅れ、2021年4月にずれ込んだため、2021年度の物品費で購入することになった。
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