PIC/MCによる窒素RFグロー放電シミュレーション

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1 PIC/MCによる窒素RFグロー放電シミュレーション
第40回　応用物理学会北海道支部学術講演会 平成16年10月17日（日）　旭川勤労者福祉会館 PIC/MCによる窒素RFグロー放電シミュレーション ー ダブルレイヤー形成のメカニズム ー 丸　　篤　　佐藤　孝紀　　伊藤　秀範　　田頭　博昭（室蘭工業大学） 目次 はじめに 計算方法及び条件 結果 まとめ

2 はじめに RFプラズマ ： 薄膜堆積などプラズマプロセシングに用いられる 電気的負性ガスを含む場合やH2ではダブルレイヤーが形成される
ダブルレイヤーが形成されると 電極間に正と負の二つの空間電荷層ができる 電離レートや励起種の生成レートに二つのピークができる 電気的負性ガス（Ar, Cl2混合ガス） H2 K A A K Cl+, Cl2+の電離レート[1] Haの励起レート[2] 形成要因：負イオンの生成 形成要因：高移動度の正イオン [1] Flamm D Lら, 1986, J. Appl. Phys., 59, 4, pp [2] O.Leroyら, 1995, J. Phys. D:App. Phys., 28, 3, pp

3 N2RFプラズマ中の励起数密度 伊藤ら：N2RFプラズマ中にダブルレイヤーの形成を示唆[1] N2は電気的負性ガスではない
C3Pu励起分子密度 A K K A A K Haの励起レート 伊藤ら：N2RFプラズマ中にダブルレイヤーの形成を示唆[1] N2は電気的負性ガスではない N2+イオンはH2 +イオンに比べ移動度は低い 本研究ではPIC/MCを用いてN2のダブルレイヤー形成メカニズムを調査する [1] 伊藤ら, 2001, 電学論A，Vol.121, No.5, pp

4 計算方法および条件 PIC/MC(Particle-In-Cell/Monte Calro collision) を用いてN2ガス中のRFグロー放電の荷電粒子の挙動を1次元モデルで計算する。 印加電圧 : V=300sin2pft [V] , 周波数 f : [MHz] , 電極 : 平行平板 電極間隔 : 3.0 [cm] 　　　　　　, 気圧 : 0.5 [Torr] , 温度 : 20 [℃] 初期荷電粒子数密度 : 1.0×107cm-3（電極間に一様分布） 計算機 : 20台のPCクラスタ 　（IBM xSeries305 ,CPU:Intel pentium4 プロセッサ, メモリ:256MB, クロック周波数:2.8GHz） PC間通信 : MPI(Massage Passing Interface) 電子の衝突断面積[1] 正イオンの衝突断面積[2] [1] Y.Ohmori ら, 1987, J.Phys. D:Appl.Phys., Vol 21, pp.724-9 [2] A.V.Phelps, 1991, J.Phys. Chem. Ref. Data, Vol 20, No 3, pp

5 定常判定 消滅 生成 追跡粒子数 0～4,000cycle → PC１台あたり 30,000個（合計 600,000個）
平均値[%] 標準偏差[%] 電子 100.01 1.25 正イオン 100.00 2.21 図表中の値は　　　　　　　　　 を示す 追跡粒子数 0～4,000cycle → PC１台あたり 30,000個（合計 600,000個） 4,000～4,010cycle → PC１台あたり100,000個（合計2,000,000個）

6 スオームパラメータの時空間変化 電極間に負の空間電荷が存在 C3Pu励起レートに二つのピーク 伊藤らの実験結果と定性的に一致
K K A A K A A A A K K K 伊藤らの実験結果と定性的に一致 ダブルレイヤーが形成されており，実験結果とも矛盾しない 伊藤らの実験結果 A K 電子数密度 空間電荷密度 C3Pu励起レート 電極間に負の空間電荷が存在 C3Pu励起レートに二つのピーク K A A K 電界

7 荷電粒子の動きと電界の時空間変化 正イオンは電極間にトラップされ，ほとんど移動しない 負の空間電荷は電子の移動のみで形成されている
電子＆正イオン 空間電荷密度 正イオンは電極間にトラップされ，ほとんど移動しない 負の空間電荷は電子の移動のみで形成されている 印加電圧 電界 電極間電界はシース部およびバルク部でも時間的に変化している

8 子電子の振る舞い 負の空間電荷 生成した子電子 最大ピーク：およそ1.5×106 cm-3 最大ピーク：およそ6.0×106 cm-3
親電子の動きによってダブルレイヤーは形成される

9 Fluxと空間電荷 Ge (cycle) (cycle) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 (cm) (cm) Flux 負の空間電荷密度 バルク部に電界が入るためにダブルレイヤーが形成される

10 印加電圧を減少させた場合 300V 275V 300V → 275V 電子数密度 正イオン数密度 バルク部の 電界変動 減少 変化なし

11 印加電圧を上昇させた場合 300V 400V 300V → 400V 電子数密度 正イオン数密度 バルク部の 電界変動 増加 変化なし

12 まとめ PIC/MCによるN2RFグロー放電のシミュレーションを行い，N2プラズマ中のダブルレイヤー形成の要因について調査した
バルク部でも電界の時間変化がある バルク部の電子が移動するためにダブルレイヤーが形成される　　　　 　（子電子生成の影響はほぼ無い）　 過電圧印加による結果ではない N2 RFプラズマはバルク部に電界が入るために，バルク部の電子が電界に追従して移動するためにダブルレイヤーが形成される

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14 電極間電界のフーリエ解析