2014 Fiscal Year Research-status Report
電子衝撃によるプラズマプロセシングガスの励起およびフラグメント生成断面積の測定
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26400536
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| Research Institution | Toho University |
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Principal Investigator |
酒井 康弘 東邦大学, 理学部, 教授 (90235127)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | プラズマプロセス / 混合ガス法 / 微分断面積 / エネルギー損失分光法 / 直接モンテカルロ法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子衝撃によるプラズマプロセスガス分子の励起断面積やフラグメント生成断面積は，プラズマの初期過程において重要なデータとなる．プラズマの初期過程とは，半導体デバイスの製作過程において重要な過程であり，エッチングやスパッタリングによる成膜過程のことである．その過程では，プロセシングガスをイオン化，励起，あるいは解離させるわけであるが，それぞれの断面積を求めるような研究，動力学的な研究はほとんどなされてない．これらを正しく知ることは，プロセスを精密に制御し，成膜速度や質を決定している要因が何であるかを明らかにできる．しかし，プロセシングガスの多くが毒性や可燃性を持つことから実験データは少ない．そこで本研究は，プラズマプロセシングガスの励起断面積やフラグメント生成断面積の絶対値を得ることを目的とする．本研究ではそのために電子エネルギー損失分光法を用いるが，その絶対値を得ることは容易ではない．これまでによく用いられている方法はrelative flow法と呼ばれるもので，断面積の良く知られているヘリウムのエネルギー損失スペクトルを得て，その後，微分断面積を知りたい原子・分子の測定を行うことにより行われる．しかしこの方法は，圧力0への外挿などを行うため多くの実験を行う必要がある．そこで，今年度は絶対値を得るための方法として混合ガス法の確立を目指した．
混合ガス法は，relative flow法に似た方法ではあるが，あらかじめ混合させたガスを用いて一度にHeと標的原子・分子のエネルギー損失スペクトルを得る方法である．今年度は，希薄流体力学計算と窒素分子を標的とした実験を行い，混合ガスの衝突体積中の標的分子密度を算出して混合ガスの一般化を行った．これまでに，衝突体積中の標的密度が，混合ガスの混合比と拡散速度に反映される質量比，および分子の大きさのパラメーターで記述できることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究での第一の目的として，まず混合ガス法を確立することを挙げた．先に述べたように混合ガス法では衝突領域でのヘリウム(He)と標的ガスの密度比を知ることが不可欠である．ノズルから真空中に混合ガスが吹き出すとき，電子との衝突領域での両者の比が元の混合比と同じである保障がないからである．そこで，今年度は，実験と希薄流体計算によって衝突領域での混合比の算出法を確立しようとした．
希薄流体計算では，直接モンテカルロ法を用いて, 混合されたそれぞれのガス分子の真空中への噴出の様子を求めることができた.また実験では，窒素分子を標的として電子エネルギー損失スペクトルを得たほか，散乱電子－生成イオン同時計測実験も行い，計算結果との比較を行うことができた．その結果，衝突体積中の標的密度が，混合ガスの混合比と拡散速度に反映される質量比でほぼあらわすことができ，分子の大きさがわずかに影響することがわかった．また，真空中へガスを噴き出すノズルの形態によって装置関数が異なることなどが明らかになり，Heと標的ガスの混合気体を用いる断面積の規格化法の一般化をほぼ達成することができた．さらにこれらの結果を，今年度は国際会議と同時開催で行われた原子衝突学会第37回年会で発表することができ，論文にまとめるべく執筆中である．
実験装置の整備（生成フラグメントイオン検出のためのマルチストップ型のイオン検出システムの導入）も順調で，新たなマルチチャンネルスケーラーの導入により，今後の3から５原子分子の実験に関して大幅な実験時間の短縮が期待できる．
一方，混合ガス法の一般化についての論文は未だ投稿までには至っていない状況と，一般化された混合ガス法の他の分子標的（水素，二酸化炭素，アンモニア，メタン等）への適用まで至らなかったことから，現在までの達成度を「(2)おおむね順調に進展している．」とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の実験はおおむね順調に進展したが，初年度の最終段階として予定していたメタン分子を標的とする実験までには至らなかった．研究計画ではさらに種々の分子標的の実験を行ってから目標とするプラズマプロセシングガスに進む予定であったが，混合ガス法の一般化はほぼ成し遂げることができたので，なるべく早い機会にプラズマプロセシングガスを標的とした実験に取り掛かりたい．ただし，混合ガス法の確立において残された課題がある．それは，混合ガス法の一般化において，混合ガスの重量比をパラメータとした部分で，それを確実にするために重水素分子(D_2)を標的とした実験をしておきたい．このため，若干ではあるが実験計画を変更し，まず重水素の実験を行う．D_2実験を経て，メタン(CH_4)分子標的および，重水素化メタン(CD_4)の実験に進み，２年目の実験では最後にプラズマプロセシングガスのうちフルオロカーボン系のCF_4の実験を行う．確認作業も含めて，1標的につき3か月の実験期間を考えているので．年間4標的の実験は可能であると考えている．
また，2年目に予定されていたプラズマプロセシングガス実験のための排ガス処理装置（窒素パージ）の整備は予定通り行う．これらが整えば，プラズマプロセシングガスについての実験を支障なく行うことができるので，3年目には他のプロセスガス（NF_3やBCl_3，C_2F_6，WF_6）の実験を行うことができると考えられる．前述したように，検出するイオン種が増えても実験時間はほとんど変わらないので，単純計算で年間4つの標的を実験することができるはずである．
以上のように，重水素置換分子標的の実験を加えると共に，二酸化炭素の実験を省くことで，本研究の目的である「電子衝撃によるプラズマプロセシングガスの励起およびフラグメント生成断面積の測定」を成し遂げることができると考えている．
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