大気圧下プラズマCVD法によるアモルファス炭素異方性制御技術の開発

2014 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 26790065
• 研究機関: 釧路工業高等専門学校
• 研究代表者: 齋藤 誠紀 釧路工業高等専門学校, 電気工学科, 助教 (40725024)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: アモルファス炭素 / 大気圧プラズマ / 分子シミュレーション / プラズマCVD

研究実績の概要

本研究では、大気圧下プラズマCVD法によりアモルファス炭素製膜実験を行う。低圧プラズマと比べて大気圧プラズマのイオンエネルギーが格段に小さいことを製膜に利用する。そして、プラズマ・ジェットの中性ガス圧力を調節することで、製膜時の炭素イオンエネルギーおよびフラックスを変化させ、C-C結合異方性を制御する技術の開発に挑戦する。真空排気装置が不要な大気圧プラズマ・ジェットを用いた製膜技術を確立することで、製膜に要する時間とコストを抑えることが可能になり、様々な製品の製造コストを抑えることにつながる。さらに、大気圧プラズマ・ジェットの静電探針計測技術を用いてプラズマパラメータを同定し、膜質との関連も調べる。また、分子シミュレーションを用いて膜質とプラズマパラメータの関係を原子スケールで解明し、膜質の制御技術を確立する。
本年度は、研究計画書に記した通り、アモルファス炭素製膜を行うための実験装置の設置および、プラズマパラメータを計測するための静電探針測定システムの設置を主として行い、製膜実験のための環境を整えた。さらに、アモルファス炭素製膜実験のための数値計算手法の改良にも注力し研究成果を挙げた。具体的には、二体衝突近似モデルに分子動力学法のポテンシャル関数を導入し、二体衝突近似法では無視される多体相互作用を取り入れることで、より精度の高い計算を高速に行う手法の開発に成功した。そして、炭素‐水素系およびヘリウム‐タングステン系をターゲットにし、計算手法の妥当性を検証した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究計画において、平成26年度の実施項目として、「1. 分子シミュレーションの実施」、「2. 大気圧プラズマ・ジェット生成装置の設置」、「3. 静電探針測定システムの設置」の三項目を挙げている。以下に、それぞれの項目について達成状況を報告する。
「1. 分子シミュレーションの実施」：ブレナーポテンシャルを用いた炭素-水素系の分子動力学計算を行い、アモルファス炭素製膜の数値計算を行った。入射エネルギーを低エネルギー（1eV以下）にすると、炭素結合の異方性が観測されることを確かめた。また、研究実績の概要でも述べたとおり、新しい計算手法を確立し、その妥当性の検証を行った。
「2. 大気圧プラズマ・ジェット生成装置の設置」：ヘリウムおよびメタンガスの供給設備を整えるとともに、マイクロ波電源・導波管の組立・設置を行い、大気圧プラズマ・ジェット生成装置を完成させた。また、ヘリウムプラズマおよびメタンプラズマの点火を目視確認した。H26年度は、危険性が比較的少ないヘリウムガスを用いた実験を先ず行い、次にメタンガスを用いた実験に移行したところ、現状では換気不足であることが判明した。H27年度に設置済みのヘリウム・メタンガス供給設備専用の排気設備を設置する事とし、設置後メタンガスを用いた製膜実験を行う。
「3. 静電探針測定システムの設置」：静電単探針計測システムを構築した。ステッピングモータを用いて探針位置を制御し、ヘリウムプラズマジェットの電子温度測定を行った。その結果、ノズル上端から高さ7.5mmにプラズマ中心が位置し、電子温度は約4.6eVであること、中心より2.5mm高い位置では、約1.7eVに温度が低下する事を確認した。炭素製膜を行う際、基板の設置高さに細心の注意を払う必要があることが示された。
以上のように、概ね計画通りに研究を実施した。

今後の研究の推進方策

排気設備の設置を行ったのち、当初の計画通り、以下の項目を今後行う予定である。排気設備の設置に伴い、一部の項目は次年度に行うよう計画を変更する。
1. 排気設備の設置：現在までの達成度の項目で説明した通り、まず、排気設備を整えることが直近の課題となる。
2. アモルファス炭素形成の確認および膜質の確認：排気設備を整えたのち、メタンプラズマ点火を行い、シリコン基板への炭素膜製膜実験を行う。その後、SEMを用いた炭素膜の表面観察およびラマン分光による膜質の測定を行う。
3. 電子温度・プラズマ密度の測定：炭素製膜実験と並行して、メタンプラズマの電子温度およびプラズマ密度の測定を行い、プラズマパラメータと製膜速度・膜質などの関係を調べる。
4. 中性ガス圧力制御のため大気プラズマ・ジェット生成装置の改良：ノズルを囲むようにチャンバーを設置し、ガス圧力を制御するための基盤を整える。

次年度使用額が生じた理由

実験室内の換気が予想以上に難しい事がわかり、メタンプラズマを点火した場合、メタンガスが実験室内に充満し危険であることが判明した。換気の問題を解決するため、ガス排気設備を設置する事を計画している。しかし、H26年度はメタンプラズマを用いずに可能な実験および装置のセットアップに注力したため、H26年度中にガス排気設備を設置することができなかった。

次年度使用額の使用計画

5月30日に排気設備設置工事を行い、工事費の一部として支出する。

研究成果

• [雑誌論文] Material Temperature Dependence of Retention and Sputtering Yield of Single Crystalline Graphite under Hydrogen Plasma Irradiation (2015)
  • 著者名/発表者名: Seiki Saito, Masayuki Tokitani, Hiroaki Nakamura
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Resarch 巻: - ページ: -
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics and Monte-Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation (2015)
  • 著者名/発表者名: Ito, Atsushi; Takayama, Arimichi; Oda, Yasuhiro; Tamura, Tomoyuki; Kobayashi, Ryo; Hattori, Tatsunori; Ogata, Shuji; Ohno, Noriyasu; Kajita, Shin; Yajima, Miyuki; Noiri, Yasuyuki; Yoshimoto, Yoshihide; Saito, Seiki; Takamura, Shuichi; Murashima, Takahiro; Miyamoto, M; Nakamura, Hiroaki
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: - ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Dynamics Simulation of a Helium Bubble Bursting on Tungsten Surfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi M. Ito, Yoshihide Yoshimoto, Seiki Saito, Arimichi Takayama and Hiroaki Nakamura
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: T159 ページ: 014062
  • DOI: 10.1088/0031-8949/2014/T159/014062
  • 査読あり
• [雑誌論文] Binary-collision-approximation simulation for noble gas irradiation onto plasma facing materials (2014)
  • 著者名/発表者名: Seiki Saito, Hiroaki Nakamura, Arimichi Takayama and Atsushi M. Ito
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 490 ページ: 012169
  • DOI: 10.1088/1742-6596/490/1/012169
  • 査読あり
• [雑誌論文] Progress of Binary-Collision-Approximation-Based Simulation for Surface Erosion by Plasma Irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: Seiki Saito, Masayuki Tokitani, Hiroaki Nakamura
  • 雑誌名: Springer CCIS 巻: 474 ページ: 176-186
  • DOI: 10.1007/978-3-662-45289-9_16
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Binary-Collision-Approximation- Based Simulation of Plasma Irradiation to Tungsten Material (2014)
  • 著者名/発表者名: Shuto INABE, Kenta YOSHIDA, Ryota SAKAUE, Takahiro SASAMOTO, Hiroaki NAKAMURA, Seiki SAITO
  • 雑誌名: Proceedings of ISTS 2014 巻: - ページ: -
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Erosion of tungsten material under hydrogen plasma irradiation by binary-collision-approximation-based simulation (2015)
  • 著者名/発表者名: SEIKI SAITO, HIROAKI NAKAMURA AND MASAYUKI TOKITANI
  • 学会等名: 7th International Symposium on Advanced Plasma Science and Its Applications for Nitrides and Nanomaterials
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2015-03-30 – 2015-03-30
• [学会発表] 拡散過程および構造緩和過程を考慮した二体衝突近似シミュレーション (2015)
  • 著者名/発表者名: 斎藤誠紀、時谷政行、中村浩章
  • 学会等名: プラズマ壁相互作用に関する新規シミュレーション手法開発に関する研究会
  • 発表場所: 土岐
  • 年月日: 2015-01-26 – 2015-01-26
• [学会発表] 粒子拡散および構造緩和過程を考慮した二体衝突近計算コードの開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 齋藤誠紀，稻邊秀斗，時谷政行，中村浩章
  • 学会等名: 自然科学における階層と全体
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2015-01-19 – 2015-01-19
• [学会発表] 4th International Symposium on Technology for Sustainability (2014)
  • 著者名/発表者名: Shuto INABE, Kenta YOSHIDA, Ryota SAKAUE, Takahiro SASAMOTO, Hiroaki NAKAMURA, Seiki SAITO
  • 学会等名: Binary-Collision-Approximation-Based Simulation of Plasma Irradiation to Tungsten Material
  • 発表場所: 台湾
  • 年月日: 2014-11-20 – 2014-11-20
• [学会発表] Retention and Erosion Processes of Graphite under Hydrogen Plasma Irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: Seiki Saito, Masayuki Tokitani, Atsushi M. Ito, Arimichi Takayama, Hiroaki Nakamura
  • 学会等名: 23rd International Toki Conference
  • 発表場所: Toki (Japan)
  • 年月日: 2014-11-04 – 2014-11-04
• [学会発表] 照射損傷の動的過程解明のためのAC∀Tコードの改良 (2014)
  • 著者名/発表者名: 斎藤誠紀、時谷政行、中村浩章
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム
  • 発表場所: 土岐
  • 年月日: 2014-09-11 – 2014-09-11
• [学会発表] SUS316L へのヘリウムプラズマ照射の二体衝突近似シミュレーション (2014)
  • 著者名/発表者名: 斎藤誠紀, 時谷政行, 中村浩章
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-08
• [学会発表] Study on Hydrogen Plasma - Carbon Material Interaction by Molecular Simulation in Submicron Scale (2014)
  • 著者名/発表者名: SEIKI SAITO, ATSUSHI M. ITO, TAKAYAMA ARIMICHI AND HIROAKI NAKAMURA
  • 学会等名: XXVI IUPAP Conference on Computational Physics
  • 発表場所: Boston (USA)
  • 年月日: 2014-08-11 – 2014-08-11
• [学会発表] プラズマ照射に伴う金属材損耗およびプラズマ粒子蓄積の動的過程解明に向けた二体衝突近似コードの改良 (2014)
  • 著者名/発表者名: 斎藤誠紀、時谷政行、中村浩章
  • 学会等名: 第10回 核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: つく ば
  • 年月日: 2014-06-19 – 2014-06-19