直流電界下における固体絶縁物帯電機構に関する研究

近年の微細加工技術の発達に伴い、気体中や絶縁物表面の微小ギャップにおける絶縁破壊現象が大きな問題とされるようになった。特にマイクロアクチュエータに代表されるようなトルク出力が要求されるMEMS デバイスでは、出力が電界強度によって決定されるため、μm～nm オーダのギャップ間の絶縁の把握が重要な鍵となる。本研究においてはMEMS デバイスを模擬したSO ウェハ上のマイクロ沿面ギャップにおける放電前駆現象および絶縁破壊電圧の測定を行い、マイクロ沿面ギャップにおける放電機構を検討した。本年度はPIC-MCC法に基づく粒子シミュレーションを実施し、負極性電圧印加時においては、陰極からの電界放出電流そのものに空間電荷によって正のフィードバックがかかることで放電が発生するという新たな放電機構を提唱した。これは、実験によって得られた絶縁破壊特性や放電経路とも矛盾しないものであると評価できる。また、正極性電圧印加時の絶縁破壊機構では、陽極近傍の誘電体表面からの電子放出が、絶縁破壊に影響を与えていることを明らかにした。また、陰極の表面状態のわずかな差によって電界放出電流密度が変化し、空間の正イオンの形成に要する時間が変化し、この効果によって放電遅れ時間特性（V-t特性）が説明できることを示した。本研究で構築した微小ギャップにおける放電機構は、MEMSにとどまらず今後さらなる高圧化が見込まれるパワーデバイスにおける絶縁設計にも大きな知見を供するものである。

近年の微細加工技術の発達に伴い、気体中や絶縁物表面の微小ギャップにおける絶縁破壊現象が大きな問題とされるようになった。特にマイクロアクチュエータに代表されるようなトルク出力が要求されるMEMS デバイスでは、出力が電界強度によって決定されるため、μm～nm オーダのギャップ間の絶縁の把握が重要な鍵となる。本研究においてはMEMS デバイスを模擬したSO ウェハ上のマイクロ沿面ギャップにおける放電前駆現象および絶縁破壊電圧の測定を行い、マイクロ沿面ギャップにおける放電機構を検討した。本年度はPIC-MCC法に基づく粒子シミュレーションを実施し、負極性電圧印加時においては、陰極からの電界放出電流そのものに空間電荷によって正のフィードバックがかかることで放電が発生するという新たな放電機構を提唱した。これは、実験によって得られた絶縁破壊特性や放電経路とも矛盾しないものであると評価できる。また、正極性電圧印加時の絶縁破壊機構では、陽極近傍の誘電体表面からの電子放出が、絶縁破壊に影響を与えていることを明らかにした。また、陰極の表面状態のわずかな差によって電界放出電流密度が変化し、空間の正イオンの形成に要する時間が変化し、この効果によって放電遅れ時間特性（V-t特性）が説明できることを示した。本研究で構築した微小ギャップにおける放電機構は、MEMSにとどまらず今後さらなる高圧化が見込まれるパワーデバイスにおける絶縁設計にも大きな知見を供するものである。