2014 Fiscal Year Research-status Report
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
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26790065
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| Research Institution | Kushiro National College of Technology |
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Principal Investigator |
齋藤 誠紀 釧路工業高等専門学校, 電気工学科, 助教 (40725024)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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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
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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| Causes of Carryover |
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。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
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。
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[Journal Article] Molecular dynamics and Monte-Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation2015
Author(s)
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
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: -
Pages: -
Peer Reviewed
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