高硬度材料微小突起アレイ陰極を用いた面生成高気圧プラズマ源の開発

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半導体微細加工技術の発展したマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)技術を用いて,高硬度材料による微細な突起アレイ陰極を作製し,均一大面積プラズマ生成が可能な高気圧プラズマ源の開発を目的とする。本研究で用いたMEMS技術の一つである転写モールド法は,電界電子放出源の作製のために考案され,マイクロスケールの微小突起アレイを有する陰極や陽極一陰極対を様々な材料を用いて平面基板内に高集積に作製する技術である。転写モールド法を用いることで,高気圧プラズマ生成に対応した材料・構造を有するマイクロスケールの微小突起アレイ陰極を平面状に形成することができる。まず,シリコン単結晶基板上に酸化膜のマスクパターンを作製し,異方性エッチング処理を施すことで,基底部長さ50マイクロメートル,深さ35マイクロメートルの逆ピラミッド型の鋳型を作製した。次に,鋳型表面に熱酸化膜を作製することで,鋳型内部の先鋭性を向上した。このようにして作製したシリコン鋳型上に高融点・高硬度材料であるモリブデンを充填し,保持基板とモリブデンを接着した後,シリコン鋳型を溶解除去した。このとき,熱酸化膜は保護層として働き,また,誘電体バリア放電に必要な微小突起陰極上誘電体層としての役割を担っている。以上の処理により,先鋭な突起を有するモリブデン陰極が作製できた。次に,この陰極と対向する位置にモリブデン製メッシュ陽極を配置し,2〜10kPaの高気圧アルゴンガス雰囲気中で誘電体バリア放電によるプラズマの生成を行った。陽極一陰極間に2kHz,210V以上の電圧を印加した結果,電極間に均一にプラズマが生成された。実行値275V以上の電圧を印加すると,異常放電が生じ,陰極上の熱酸化膜や突起先端部に破壊が生じた。210V以上275V以下の印加電圧において安定なプラズマ生成が可能であった。電流電圧波形から,誘電体層の電流遮蔽効果により放電がパルス的に生じることが明らかになった。