量6・

84◎

2◎

0 0

013.S6M}嘩z,◎.1mg/〜O 口13.E}5M}lz,◎.2mg/s

△13.三36MHz,◎.3mg/s

●27.12Mgz,0.1mg/s

■27.12M}・{z,◎.2塞ng/s

▲2ス12M←{z,α3ギ 貴9/s

5◎

望 望 畳 望 金

三◎0150200250 RFPower、Pr熱W

It=1A

3◎0 350

図5‑32015年 度 に お け るRF電 力 に 対 す る電 子 電 流IA引 き 出 し タ ー ゲ ッ ト電 圧 の 変 化

5.2投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHz,27.12MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性

2015年 度 に 取 得 さ れ た 投 入RF周 波 数13.56MHz,27.12MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性 と 本 研 究 で 取 得 し た 投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性 を 表5‑1,図 5‑4に 示 す.表5‑1は 図4‑8,4‑9,5‑1,5‑2,5‑3よ りRF電 力,ガ ス 流 量 の 変 化 に 対 す る 電 子 電 流 と 電 子 電 流IA取 得 時 の タ ー ゲ ッ ト電 圧 の 変 化 の 傾 向 を 表 し た も の で あ る.表5‑1よ り,RF電 力 ・ガ ス 流 量 の 増 加 に 対 す る 各RF周 波 数 ご と の 変 化 ・傾 向 は 律 で あ り,投 入RF周 波 数 に 依 存 し な い 特 性 と い え る.ま た,図5‑4よ り,電 子 電 流 に 関 し て,本 研 究 に お け る 投 入RF周 波 数6.78MHz, 13.56MHzに お け る 評 価 は13.56MHzに 優 位 性 が あ る こ と が 示 さ れ,2015年 度 に お け る 投 入RF周 波 数1356MHz,27.12MHzに お け る 評 価 は27.12MHzに 優 位 性 が あ る こ と が 示 さ れ て い る 。 し か

し,本 研 究 と2015度 の 研 究 に お け る 投 入RF周 波 数13.56MHzに お け る 電 子 電 流 ・タ ー ゲ ッ ト電 圧 の 値 が 異 な る 結 果 と な っ て い る.

表5‑1投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHz,27.12MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性

"子 … 1』 タ ー ッa七@IA

RF電 力 増 加 ガ ス 流 量 増 加RF電 力 増 加 ガ ス 流 量 増 加 2016年 度

2015年 度

6.78MHz l3.56MHz l3.56MHz 27.12MHz

nHnU[[U[nU[

刀 力 力 力 増 増 増 増

0.2mg/s‑

0.2mg/s最 大 0.2mg/s最 大 0.2mg/s最 大

少少少少激減減減 少少少少減減減減

3.5 ● 本 硫 究 く3

,、.・SN口2磁5隼 度

酬2ゆ .5 霧2 畿us1 .5Q

笛1   .麺0.5

轡 o

◎

Prf=300W,mc=0.2mg/s,Vt=80V

●

口

5三 〇 三52◎25

RaclioFreclue裏)cy,凶M至IZ

30

図5‑4RF電 力300W,ガ ス 流 量0.2mg/s,タ ー ゲ ッ ト電 圧80Vに お け る 投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHz,27.12MHzの 電 子 電 流

こ の 本 研 究 と2015度 の 研 究 に お け る 投 入RF周 波 数13.56MHzに お け る 電 子 放 出性 能 の 違 い に っ い て 考 え る.ま ず 前 提 と して,本 研 究 と2015年 度 の 両 方 で 電 子 電 流 で あ る タ ー ゲ ッ ト電 流 とイ オ ン コ レ ク タ電 流 が 一 致 し て い る こ と か ら,RF/Cの 放 電 室 内 部 で 生 成 され た プ ラ ズ マ か ら 電 子 が 引 き 出 され,引 き 出 され た 等 価 の イ オ ン が 放 電 室 壁 面 で 捕 集 され る とい うRF/Cの 電 子 放 出 作 動 を 正 常 に 行 っ て い る こ と が 保 証 され る[5'1】.この 電 子 放 出 性 能 の 違 い の 原 因 と して 考 え ら れ る の は,実 験 に 使 用 した 真 空 槽 の 違 い に よ る 真 空 度 の違 い で あ る.図5‑5に2015年 度 に お け る 実 験 の 際 の ガ ス 流 量 に 対 す る 真 空 度 を 示 す.本 研 究 に お け る ガ ス 流 量 と真 空 度 の 関係 を 示 した 図3‑2と 図5‑5を 比 較 す る と,2015年 度 の 方 が 真 空 度 が1桁 良 い 状 態 で あ る.到 達 真 空 度 を 見 て

も,1桁 の 違 い が あ る.こ れ は 用 い た 真 空 槽(本 研 究 で は し ん か い2000,2015年 度 で は し ん か い 6500【5‑1])に設 置 され て い る排 気 用 ポ ン プ の 性 能 の 差 とい え る.一 般 的 に,真 空 度 が 低 い とイ オ ン 生 成 ・電 子 生 成 が 容 易 な 状 態 と な る[5"2].つま り,真 空 度 の 低 い 本 研 究 の 方 が プ ラ ズ マ を 生 成 しや す い 状 態 で あ っ た と考 え られ る.そ の た め,こ の 真 空 度 の 違 い がRF/Cの 電 子 放 出 性 能 に 与 え る 影 響 と し て は,本 研 究 で は 真 空 度 の 低 さ か らRF/Cで 高 密 度 の プ ラ ズ マ が 生 成 され た こ とで,投 入RF周 波 数13.56MHzに お い て2015年 度 よ り も 高 い 電 子 電 流 を 取 得 した と考 察 され る.

ま た,別 の 原 因 候 補 と して,高 周 波 伝 送 線 路 の 違 い や オ リフ ィ ス 径 の 拡 大 な ど の 実 験 構 成 に お け る違 い が 考 え られ る が,現 段 階 で 明確 に 原 因 を 特 定 で き な い.2015年 度 に用 い た 真 空 槽 で 再 度 実 験 を行 え ば,何 か し らの 判 断 材 料 を 得 られ る と も考 え られ る.

￡寸9×.へσ﹂コのωΦ虚x8ロ

10

8

6

4

2

0

0 0.10.20.30.4

XenonMassFlowRate,m,mg/s

0.5

図5‑52015年 度 に お け る 実 験 の 際 の ガ ス 流 量 に 対 す る 真 空 度[5層1]

以 上 よ り,本 研 究 と2015度 の 研 究 に お け る 投 入RF周 波 数13.56MHzに お け る 電 子 放 出 性 能 の 違 い か ら,投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHz,27.12MHzを 一 律 に 比 較 す る こ と は 難 し い と 判 断 さ れ る.し か し,本 研 究 に お け る 投 入nV周 波 数6.78MHz,13.56MHzのRF/Cの 電 子 放 出 性 能 の 評 価 と2015年 度 に お け る 投 入RF周 波 数1356MHz,27,12MHzの 評 価 を 別 々 に 行 い,共 通 の 投 入 RF周 波 数13.56MHzを 介 し た 投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHz,27.12MHzの 相 関 的 総 合 評 価 を 行 う こ と は 可 能 で あ る.

本 研 究 の 結 果 か ら,投 入RF周 波 数6.78MHz,1356MHzで は,13.56MHzの 方 がRF/Cの 電 子 放 出 特 性 は 優 れ て い る こ と が 明 ら か に な っ た.2015年 度 の 結 果 か ら,投 入RF周 波 数13.56MHz, 27.12MHzで は,27.12MHzの 方 がRF/Cの 電 子 放 出 特 性 は 優 れ て い る こ と が 明 ら か に な っ た[5"1].

以 上 よ り,投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHz,27.12MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性 は, 27.12MHzが 最 も 優 れ て お り,RF/Cの 電 子 放 出 特 性 の 向 上 に 際 し て,投 入RF周 波 数 は13.56MHz

よ り も 高 い 値 を 用 い る こ と が 望 ま し い と 判 断 さ れ る.

5.3投 入RF周 波 数 がRF/Cの 電 子 放 出 特 性 に 与 え る影 響 の 原 理 の 考 察[5‑3]【5‑4][5‑5][5"6]

前 項 に よ り,RF/Cの 電 子 放 出 性 能 は,投 入RF周 波 数 が 高 い ほ ど優 れ て い る こ とが 明 らか に な っ た.本 項 で は,こ のRF/Cの 電 子 放 出 特 性 に 与 え る投 入RF周 波 数 の影 響 の 考 察 を 行 う.

ま ず,高 周 波 プ ラ ズ マ に お け る 電 子1個 が 単 位 時 間 の 吸 収 電 力 に つ い て 考 え る.吸 収 電 力P。bs は ジ ュ ー ル 加 熱P」 と統 計 加 熱Pcか ら成 り立 つ.ジ ュ ー ル 加 熱Pノ は,角 周 波 数 ω,電 子 衝 突 周 波 数 γ,高 周 波 電 場Eoを 用 い て

弓一雛 畢ω,(5・1)

と表 され,γ=ω の 時 に 最 大 効 率 で 電 力 が 吸 収 され る.角 周 波 数 は ωニ2πfで あ り,RF周 波 数!の 増 加 に よ り,ジ ュ ー ル 加 熱PJは 減 少 し て い く こ と が わ か る.し か し,真 空 に 近 い 本 研 究 の よ うな 低 圧 力 環 境 に お い て は,吸 収 電 力 に お け る ジ ュ ー ル 加 熱 は ほ と ん ど な い と され て い る.

低 圧 力 環 境 に お い て は,ジ ュ ー ル 加 熱 に 変 わ り,無 衝 突 に よ る統 計 加 熱Pcが 吸 収 電 力 に 寄 与 す る.容 量 結 合 プ ラ ズ マ に お け る 統 計 加 熱Pcは,電 子 質 量 〃2,,シー ス 端 の 振 動 速 度 ωo,プ ラ ズ マ 密 度np,電 子 の 平 均 熱 速 度<v>を 用 い て,

Pc一 去M。t・。2n,〈v>(5・2)

と 表 さ れ る.シ ー ス 端 の 振 動 速 度 ωoは シ ー ス 端 の 速 度 ω ニds/dtの 振 幅 で あ る か ら,

ω0=ω ∫0 (5.3)

とな る.こ こ で,Soは 高 周 波 電 圧 を 印 加 し た 電 極 前 面 の シ ー ス の 厚 さs(t)の 振 幅 とす る.つ ま り, シ ー ス 端 の 振 動 速 度 ωoはRF周 波 数 に 比 例 す る の で,式(5.2)よ り統 計 加 熱PcはRF周 波 数 の 増 加 に 伴 い 増 大 す る.誘 導 結 合 プ ラ ズ マ に お け る 統 計 加 熱Pcは,熱 運 動 す る 電 子 が 局 在 電 場 を 通 過 す る こ と に よ っ て 起 こ る 異 常 表 皮 効 果 に 起 因 す る.プ ラ ズ マ 中 か ら半 径 方 向 に シ ー ス に 向 か っ て き た 電 子 は シ ー ス で 跳 ね 返 され る が,こ の と き 高 周 波 電 場Eoに よ る 短 い 加 速 を 受 け て プ ラ ズ マ に 戻 る.こ の と き の 電 子 の 運 動 エ ネ ル ギ ー の 変 化 分 を 速 度 分 布 と高 周 波 電 場Eoの 位 相 に つ い て 平 均 を と る こ とで,誘 導 結 合 プ ラ ズ マ に お け る統 計 加 熱Pcが 求 ま る.こ の と き の 電 子 の 運 動 エ ネ ル ギー の 変 化 分 の 位 相 平 均 △mを 電 子 密 度Me,電 荷e,高 周 波 電 場Eo,表 皮 深 さ δ,角 周 波 数 ω,電 子 速 度vで 表 す と,

△1・1・r‑iMe(2籍 δプ(

v2+撫(5・4)

と な る.RF周 波 数 の 増 加 に伴 い,電 子 の 運 動 エ ネ ル ギ ー の 変 化 分 は 減 少 す る こ とが わ か り,統 計 加 熱Pcも 減 少 して い く.

以 上 よ り,RF周 波 数 の 増 加 に 伴 い,ジ ュ ー ル 加 熱P」 は 減 少,容 量 結 合 プ ラ ズ マ に お け る統 計 加 熱Pcは 増 加,誘 導 結 合 プ ラ ズ マ に お け る統 計 加 熱Pcは 減 少 す る と考 え られ る.つ ま り,RF電 力

の 増 加 に 伴 い,吸 収 電 力 は 容 量 結 合 プ ラ ズ マ で は 増 加,誘 導 結 合 プ ラ ズ マ で は 減 少 す る と考 察 され る.

ま た,RF/Cの 等 価 回 路(図2‑6)か ら吸 収 電 力 を 考 え る.RF/Cで 生 成 され た プ ラ ズ マ は容 量 結 合 プ ラ ズ マ と誘 導 結 合 プ ラ ズ マ の2種 類 が 混 在 して い る と考 え られ る(第2章2.2項).図2‑6の 等 価 回 路 か ら容 量 結 合 プ ラ ズ マ は コ ンデ ン サ,誘 導 結 合 プ ラ ズ マ は イ ン ダ ク タ と と ら え る こ と が

で き る.そ れ ぞ れ イ ン ダ ク タ,コ ン デ ン サ の 特 性 か ら,RF周 波 数 が 増 加 す る と,誘 導 結 合 プ ラ ズ マ に はRF電 流 が 流 れ に く く な り,容 量 結 合 プ ラ ズ マ に は 流 れ や す く な る と考 え られ る[5'5].これ

に よ り,プ ラ ズ マ 抵 抗 で 消 費 され た 電 力 で 表 され る吸 収 電 力 は,RF電 流 が 流 れ に く い 誘 導 結 合 プ ラ ズ マ で は 減 少 し,流 れ や す い 容 量 結 合 プ ラ ズ マ で は 増 加 す る と 考 察 され る.

こ の 考 察 に よ り,本 研 究 に お け る 投 入RF周 波 数 の 増 加 に 伴 うRF/Cの 電 子 放 出 性 能 の 向 上 は, 容 量 結 合 プ ラ ズ マ に お け る 吸 収 電 力 の 増 加 に よ り容 量 結 合 プ ラ ズ マ の プ ラ ズ マ 密 度 が 増 加 した

た め と考 え られ る.

しか し,本 考 察 に用 い た 式 や 考 察 は 様 々 な 仮 定 の 基 に 成 り立 つ も の で あ り,今 回 のRF/Cの 電 子 放 出 性 能 の 向 上 の 正 確 な 原 因 とは 判 断 で き な い.今 後 と して は,投 入RF周 波 数6.78MHz,

13.56MHz,27.12MHzに お け るRF/Cの プ ラ ズ マ に対 して,分 光 法 や プ ロー ブ 法 な ど に よ る プ ラ ズ マ 測 定 を 行 い,実 際 の プ ラ ズ マ 物 性 を測 定 す る こ と で,プ ラ ズ マ の 状 態 の 変 化 を 調 べ る 必 要 が

あ る.

5.4第5章 の ま とめ

本 章 で は,2015年 度 に 取 得 され た 投 入RF周 波 数13.56MHz,27.12MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性 と本 研 究 の 投 入RF周 波 数6.78MHz,13.56MHzに お け るRF/Cの 電 子 放 出 特 性 を 合 わ せ た 評 価 を行 い,電 子 放 出 特 性 に 与 え る 投 入RF周 波 数 の 影 響 を 考 察 し,以 下 の 結 果 を 得 た.

1.投 入Pm周 波 数6.78MHz,13.56MHzの 比 較 と投 入RF周 波llS13.56MHz,27.12MHzの 比 較 そ れ ぞ れ でRF周 波 数 が 高 い 方 が 電 子 放 出 特 性 が 優 れ て い る こ とが 確 認 され た.相 関 的 に RF/Cの 電 子 放 出 特 性 の 向 上 に は,従 来 の 投 入RF周 波 数13.56MHzよ り高 い 値 を 用 い る こ

とが 望 ま し い と判 断 で き た.

2.ジ ュ ー ル 加 熱,統 計 加 熱 の 式 とRF/Cの 等 価 回 路 か ら,投 入RF周 波 数 の 増 加 に よ るRF/C の 電 子 電 流 の 向 上 は,容 量 結 合 プ ラ ズ マ に お け る 吸 収 電 力 の 増 加 に よ りプ ラ ズ マ 密 度 が 増 加 し た た め と考 察 す る.