マイクロ波励起大気圧ライン状プラズマ及びこれを用いたプロセスへの応用に関する研究

微波激发常压线等离子体及其工艺应用研究

• 批准号: 01J08107
• 负责人: 高橋 一郎
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-01J08107/
• 关键词: 半導体; リソグラフィ; ステッパ; エキシマレーザ; 大気圧プラズマ; マイクロ波励起プラズマ

本年度の研究内容は、昨年度までに世界で始めて発生に成功したエキシマガスによるライン状の連続発光プラズマにおいて、プラズマ密度や電子密度の一層の向上を目指して放電部の改造を行ってきた。昨年まで用いていた放電部では、トムソン散乱計測の結果、電子密度は10^<14>cm^3以下と低く、レーザ発振を実現するには従来の3倍以上の励起パワーが必要であることが判明した。また、熱損失の実測より、従来の構造ではマイクロ波の利用効率は20%程度であることが判った。そこで、本年度はプラズマ励起源であるマイクロ波のエネルギーを90%以上の高い効率でプラズマ発生に利用できる新しい構造の放電部を目指して開発してきた。マイクロ波によるプラズマの発生効率を上げるために、マイクロ波がプラズマ発生部に導かれるまでの導波路の構造や形状を、3次元電磁界シミュレーションによって最適化してきた。すなわち、導波路として用いられる高純度セラミックでは、比誘電率が約10であり、放電部に満たされるガスの比誘電率は1である。したがってこれらの境界面では原理的に大きなマイクロ波反射が生じ、効率良くガスを励起することは困難になる。ところが、セラミック導波路の形状を工夫することで、媒質境界面での反射を打ち消し、99%をプラズマ発生に利用できる目処がついた。しかも形状を最適化することで、高密度プラズマの発生中でもマイクロ波の反射を抑制できる形状が存在することも判った。以上のように、マイクロ波導波路の構造と形状を最適化した放電部を製作し、現在、高密度プラズマの発生実験を行っている。現時点での実験結果として、導波路中での損失がほとんど無く、90%以上のエネルギーがプラズマ発生に利用されていることを確認した。さらに、ガス圧に関しても従来最高値の5倍の約3気圧までの圧力において、常に安定した高密度プラズマが発生できることを確認した。現在、世界初のエキシマレーザ連続発振を目指して実験を継続中である。

今年的研究集中于有史以来首次由精确气体制成的线性连续发光等离子体，并修改了放电部分，以进一步提高血浆密度和电子密度。在去年使用的排放部分中，汤姆森散射测量结果表明，电子密度在10^<14> cm^3或更少时较低，并且这种激发能力超过传统模型的三倍以上以实现激光振荡。此外，对热量损失的实际测量表明，在常规结构中，微波的利用效率约为20％。因此，今年，我们一直在开发一个带有新结构的排放部分，该结构可以利用微波的能量，即血浆激发源，以高效效率超过90％。为了通过微波提高血浆产生的效率，使用3D电磁场模拟了波导的结构和形状，直到微波引导到血浆发生器。也就是说，在用作波导的高纯度陶瓷中，相对介电常数约为10，并且在放电部分中填充的气体的相对介电常数为1。因此，原则上，在这些边界处发生了大的微波反射，从而使难以有效地激发气体。但是，通过设计陶瓷波导的形状，可以取消介质边界表面的反射，而99％可以用于血浆产生。此外，已经发现，通过优化形状，即使生成高密度等离子体，也可以抑制微波反射。如上所述，已经用微波波指导的优化结构和形状制造了放电部分，目前正在进行实验以产生高密度等离子体。由于当前的实验，已经确认波导几乎没有损失，并且超过90％的能量用于血浆产生。此外，已经证实，稳定的高密度等离子体可以在大约3 atm的压力下产生，是上一个最大值的五倍。目前，正在继续进行实验，以实现全球首次连续振荡激光激光器的持续振荡。