卒 業 研 究 報 告
題

目小容積放電セルにおける高周波プラズマの発生

指 導 教 員八田章光助教授

報 告 者
学籍番号：1030166
氏名：青木祐典

平成15 年

1 月 27 日

高知工科大学 電子・光システム工学科

第一章

序論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2

第二章従来のプラズマ装置との比較・・・・・・・・・・・・・・・・・3
2-1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3
2-2 生産現場におけるプラズマ装置・・・・・・・・・・・・・・・・・4
2-3 研究室におけるプラズマ装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・4
2-4 本研究の放電セル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5
第三章 整合回路・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7
3-1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7
3-2 整合回路の必要性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7
3-3 放電セルのプラズマインピーダンス測定・・・・・・・・・・・・10
3-4 整合回路の設計・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・14
3-5 整合回路の製作・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17
3-5-1 コイルの製作・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17
3-5-2 バリアブルコンデンサーの製作・・・・・・・・・・・・・・・20
3-5-3 整合回路の組み立て・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・22
3-6 整合実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・23
3-7 整合実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・24
3-8 まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・26
第四章 放電特性の計測・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・27
4-1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・27
4-2 放電による放電セルの温度変化・・・・・・・・・・・・・・・・27
4-3 放電電圧、電力及び発光スペクトルの特性・・・・・・・・・・・28
4-3-1 実験装置と手順・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・28
4-3-2 空気の放電特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・28
4-3-3 空気の発光スペクトル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・30
4-3-4 アルゴンの放電特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・32
4-3-5 アルゴンの発光スペクトル・・・・・・・・・・・・・・・・・34
第五章

結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・37

謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・38
参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・39

1

第一章
第一章 序論「物」の変化の流れには小型化、大型化という二つの流れがある。例えば小型の道をたどった物で馴染み深い物の例をあげると携帯電話、デジタルカメラ、
ノート型パソコンなどがある。これについては携帯するということから「小型化」する必要性があったため、発展、普及するたびに小さくなっていった。逆に大型化していったものといえばどういったものがあるのか。それは飛行機、運搬船などである。これらはものの運搬に使用され、一度に運べる量を多くするために「大型化」する必要があったためである。
近年 LSI は微細化の道をたどっている、それにより 1 枚のウェハーで作られる量も増加している。その反面ウェハーサイズは大型のもが使用されるようになった。小型のウェハーで同数の LSI を作るのと大型のウェハーで同数作るのとを比較すると、大型の方が低コスト、不良率の低下などのメリットがあるためである。最近ではウェハーザイズが 8 インチから 12 インチ（最先端では 16インチ）に変化している。またそれにともない、大型のウェハーを入れるために装置は大型化になっている。これからもウェハーが大型になっていくにつれ、それを扱う装置は大型になっていくであろう。
しかし本研究ではそれに対し装置の小型化を研究テーマとしている。本研究はプラズマを利用することにより薄膜を堆積させるプラズマ CVD 装置（化学気相堆積法 Chemical Vapor Deposition＝CVD）、もしくは薄膜を削るプラズ
マエッチング装置の小型化がテーマである。
このテーマを選んだ理由は生産レベルでは大量に生産し、コストを下げる必要があるため装置が大型になっているが、研究室レベルではそれは要求されていない。むしろ大型になると設置するのに大面積を必要とし邪魔、また装置の改造が困難といったデメリットの方が目立ってくる。よって本研究では、研究室に現存するプラズマ装置よりもさらに小型の装置を製作することを研究テーマとした。
具体的な手順としては、使用する放電セルのインピーダンスを測定し、整合回路の設計を行う。空気とアルゴンで放電を行い、それぞれの特性を調べる。
本論分の構成は、第二章で生産現場におけるプラズマ装置や、研究室にあるプラズマ装置との比較を行い、小型化することについての利点を述べる。第三章では整合回路の必要性から、プラズマインピーダンスの測定方法、整合回路の設計、整合回路の製作、及び整合実験について述べる。四章では大気、アルゴンにおける放電特性を測定し考察する。最後に五章で結論を述べる。

2

第二章

従来のプラズマ装置との比較

2-1 はじめにプラズマには様々な用途があるが、半導体分野においても広く使われている。
半導体の製造には簡単に言うと 3 つのプロセスがある。パターン転写、薄膜堆
積、薄膜除去である。そのなかでプラズマは薄膜堆積、薄膜除去に使用されており、現在主流の手法である。
薄膜堆積にはプラズマ CVD 装置やスパッタ装置、蒸着装置が使用されている。
プラズマ CVD はつくる薄膜の種類に応じて原料を気相状態で供給し、化学的な触媒反応を利用することにより膜を堆積する技術である。
薄膜除去にはプラズマエッチング装置が使用されている。エッチングすべき
対象に合わせたエッチングガスを導入した後、高周波電圧などを印加し、ガスをプラズマ化する。プラズマ中ではその元になった気体が電離され、電子、イオン、ラジカルなどの励起活性種ができており、化学的に見ると極めて活性である。プラズマ中に置かれたエッチング対象物は励起活性種を吸着し、表面化
学反応をおこす。そして、その反応によってエッチング生成物がガスとなり排気される。これがプラズマエッチング法の原理である（１）。

2-2 生産現場におけるプラズマ装置
生産現場では第一に如何にコストを下げるかが問われる。1-1 でも述べたように大型のウェハーを使用するとコストを大幅に削ることができる。例をあげると 8 インチで 1cm２のチップをつくる場合 1 枚で約 110 個/ウェハーつくることができる。12 インチだと約 300 個/ウェハーで、8 インチにくらべ約 2.5 倍の量が 1 度のプロセスで作ることが可能である。8 インチと 12 インチを比較すると、
8 インチのほうが時間、原料ガス、消費電力などが約 2.5 倍となり、コストが余計にかかる。また歩留り（最終良品数／有効チップ数×100％）も高くなる。また現在の装置では一度に装置に入れるウェハーの枚数は 1 枚ではなく 4〜6 枚ほ
ど入れることから少なくともその分大面積となるが、時間、原料ガス、消費電力のコストをさらに削ることができている。こういった理由から半導体生産現場におけるプラズマ装置は、ウェハーの大口径化にともない大型化していった。
例をあげると A 社の 12 インチウェハーに対応したプラズマ装置の平均設置面積3

は約 9ｍ２である。
また大型化しなければ造れない、といった理由から大型化していったものもある。液晶の薄膜を堆積させるための装置である。液晶を作るための装置は少なくとも液晶の大きさ分は必要である。半導体と同じように、一度に装置に入れる枚数は１枚ではないため、かなりの面積が必要になってくるが、半導体についてのメリットと同じように、時間、原料ガス、消費電力の点でコストを削ることができる。

2-3 研究室におけるプラズマ CVD 装置
生産現場では 2-2 で述べた理由から、必然的に装置は大型になっていった。
では研究室レベルにおいても、それほどの大きさが必要になるか？と言うとそうでない場合も考えられる。
研究室で盛んに行われていることは、新たな何かを作ることである。すなわ
ち生産効率などは別に考えるとして「実験」を行うだけの面積があればよい。
むしろ 1-1 でも述べたように巨大な物は邪魔になるといったデメリットさえある。図 2-3-1(a)（b）は現在高知工科大学 A-252 実験室で稼動しているプラズマ装置である。

（a）汎用放電セル（b）ＤＬＣ成膜用放電セル

図 2-3-1：高周波プラズマ CVD 装置（a）、（b）は高周波を電力源とした装置である。（a）の放電セル部分の大きさは縦 0.4ｍ、横 0.5ｍ、設置面積は約 0.3ｍ２、（b）の放電セル部分の大きさは
２
縦 0.5ｍ、横 0.6ｍ、設置面積は約 0.4ｍ である。生産現場の装置と大きさを比較してみると、わずか 1/30 の大きさである。しかしこの大きさでも研究室で見ると巨大であるし、装置を設置場所から動かすことは容易でない。よって本研

4究ではこれらの装置よりもさらに小型で持ち運びが可能である装置の製作を目的とした。なお、本研究で使用する電力源は上記の装置と同じ高周波の電源（13.56MHz）である。

2-4 小容積放電セルプラズマ装置
図 2-4-1 が実際に使用する放電セルの写真である。直径は 50mm、高さは20mm、容積は約 1500mm３、同じ高周波の電源を使用している装置の放電セルと外形を比較してみても図 2-3-1（ａ）なら約 1/50、（ｂ）なら 1/60 となり、かなりの小型であることが解る。

図 2-4-1：小容積放電セル写真
図 2-4-2 が放電セルの断面図である。

電極

15mm

3ｍ ｍ

20mm

2mm

プラスチック
ガラス
プラズマ

オーリング

ステンレス

50mm

図 2-4-2：放電セル断面図5

厚さ 2mm のガラスに縦横 15mm の銅電極がついている。ガラスとステンレ
スはオーリングに接触しており、この間にプラズマが発生する構造となっている。
この放電セルのメリットは小設置面積、移動性の高さだけではない。放電セ
ルが小容積なので低真空まで引く時間も短く、原料となるガスの量も少なくなる。また大容積で、数種類のガスを流すと図 2-4-2 のようにガス濃度に分布が起こる場合があり、生成物の純度に不良が出る場合がある。しかし、この放電セ
ルなら小容積という特性上、粘性流領域の圧力で原料ガスを混合した場合、原料ガスの混合が速く、生成物の純度も向上すると考えられる。
ガスA注入口

A+B

2A+B

A

A

ガスB注入口

B

A

B

A+2B

A

B

B

図 2-4-2：ガス混合不良の概念図
しかしデメリットも存在する。放電制御の難しさは高圧力と小容積になるほど難しくなるため次章で述べる整合回路は高い精度を要する。当然のことながら一度に生成できる量はわずかである。しかし前にも述べたように、大量生産を求めているのは生産現場においての問題であり、研究室レベルにおいてそれは求められていない。そのため、生産量についてここでは問題にしないことと
する。

6

第三章

整合回路
整合回路

3-1 はじめに本章では出力インピーダンス 50Ωの RF 電源（RF：Radio Frequency、周波数 13.56MHz）から、50Ωの同軸ケーブルで電力を送り、放電セルで、高周波プラズマを発生させるために必要な、インピーダンス整合回路の製作について述べる。

3-2 インピーダンス整合回路の必要性
一般的に RF 電源で負荷を駆動する場合、電力は必ずしも効率よく電源から負荷へ伝送されない。負荷をインピーダンス（Z＝Rｄ＋jXｄ）でモデル化すると図3-2-1 のようになる。ここで負荷として容量結合型の放電プラズマを考えると、一般に放電抵抗 Rｄとリアクタンス Xｄで表される。

Irf

Rt

Rd

電源

負荷

Vrf

Vt
jXd

Rｄ：放電抵抗 Xｄ：放電リアクタンス Rｔ：電源の内部抵抗
Vｔ：電圧源の複素電圧 Irf：複素電流 Vrf：負荷の複素電圧
図 3-2-1：電源、放電プラズマ等価回路図
放電によって消費される時間平均電力は

7

P=

1
2

Irf =

(Vrf Irf＋ Vrf Irf)

Vt
Rt+Rd+jXd

Vrf = Irf(Rd+jXd)となる。Irf と Vrf を電力に代入すると

P= Vt 2Rd
Rt+Rd 2+Xd2となる。
電源のパラメーターである Vt、Rt が一定ならば、伝達電力の最大値は Xd＝0、
かつ Rｔ＝Rｄのときであり Pmax はPmax = Vt

2Rt(2Rt)2

=

1

Vt 2

4

Rt

となる。放電セルの電極間はコンデンサーになっているため、Xｄは 0 ではない。よって、電力 P は Pmax に比べるとはるかに小さな値となる。（２）電力Ｐを Pmax までひきあげるには、負荷のインピーダンスを電源のインピー
ダンスに一致させればよいので、これをインピーダンス整合と呼ぶ。負荷のイ
ンピーダンスを電源に整合させるために、無損失の整合回路をくわえる必要がある。よく使われる整合回路には図 3-2-2（a）の L 型回路と、（b）のπ型回路がある。（２）

8

X

電源

B1

負荷

(a)L型 回 路

X

電源

B2

B1

負荷

(b)π 型 回 路

図 3-2-2 整合回路図
一般的に L 型にくらべてπ型の整合精度が高い。今回設計する整合回路は、負荷が容量性で、リアクタンスの値は負になっている。そのためリアクタンスが正の整合用インダクタであるコイルを直列に挿入して、インピーダンスをある程度整合させる。そして負荷側のサセプタンス B２で共振整合の微調整をする。
放電が発生した後に、電源側のサセプタンス B１で反射を制御する。
また高周波では伝送用同軸ケーブルについても、インピーダンスの整合が必要である。模式図を図 3-2-3 に示す

9

ケーブル

整合回路

電源

負荷

ケーブル

図 3-2-3：電源と整合回路接続の模式図
ケーブルは電源と同じで、50Ωを用いることにして、負荷側のインピーダン
スを 50Ωに合わせるように整合回路を設計する。

3-3

放電セルのプラズマインピーダンス測定

整合回路の素子の値を決定するには、使用する放電セルのインピーダンスや、プラズマのインピーダンスを求めなければならない。
図 2-4-2 の断面図から、放電セル部分を等価回路で表すと、図 3-3-1 のような回路で図示される。電極、ガラス間のキャパシタ C１と直列に放電セルとプラズ
マインピーダンスの等価回路であるキャパシタ C２と抵抗Ｒの並列回路が繋がっている。ただし R は放電によりプラズマが発生したときのみであり、発生してないときには C１、C２の直列のみを考える。

C１

C２

R

図 3-3-1：放電セル等価回路図

10プラズマインピーダンスの目安を求めるため、交流で放電を発生し、電圧、及び電流を測定した。測定回路を図 3-3-2 に示す。

Ｖ１

Ｖ２

＋

放電セル

電流検出抵抗
100Ω

36kHz
−

図 3-3-2：プラズマインピーダンス測定回路図
電源の周波数は 36ｋＨｚである。V1、V2 はオシロスコープに繋がっている。
V2 には高電圧がかかるため、高圧プローブ（内部抵抗 50ＭΩ、コンデンサー
6pF）を使用した。抵抗部分の電圧から電流を測定し、全体の電圧との時間変化
からプラズマインピーダンスを測定する。実験結果を図 3-3-3 に示す。

11

1000

0.003
電圧
0.002

電圧［V］

0.001
0

0
-0.001

電流［A］

電流

500

-500
-0.002
-1000

0

10
20
30
時間［μｓ］

40-0.003（a）3000Pa

1000

0.003
電流

電圧［V］

500
0.001
0

0
-0.001

電流［A］

0.002

電圧

-500

-0.002
-1000

0

10
20
30
時間［μs］

40-0.003（b）300Pa
図 3-3-3：放電セルの電圧、電流の時間変化

12（a）3000Pa（b）300Pa

ガスは空気で、(a)が 3000Pa で放電しない場合、(b)が 300Pa でプラズマが発生した場合の電圧、電流の時間変化である。プラズマが発生している圧力をいくつか測定したが、300Pa の放電が最も安定していたため、この圧力をプラズ
マインピーダンスの計算の目安として使用することにした。
（a）のグラフから、電流は電圧に比べて、位相が約＋π/2 となっているのが解る。よってこの放電セルが容量性であり、コンデンサーになっていることが確認できる。
（b）のグラフで、ある一定まで電圧が上がると瞬間的に電流が流れているのが解る。この電流のピークから（a）のコンデンサーに流れている電流を引いたものが放電電流である。この放電電流と放電開始電圧からおおよそのプラズマ抵抗が計算できる。また（b）の電圧と電流のピークからおおよそ C１と C２の直列コンデンサー容量を求めることができる。グラフから放電開始電圧 Vr＝113V、放電電流 Ir＝1.59mA、コンデンサー電圧 Vc＝866V、コンデンサー電流 Ic＝1.43mA から
Vr = Ir

Vc = Ic

1ωC

ω＝2πf ｆ＝36k より、R＝70kΩ、また図 3-3-1 の C１、C２の合成容量は、
C＝7.5pF となった。

3-4整合回路の設計

3-3 節の実験からプラズマの抵抗、及び放電セルとガラスの直列コンデンサー
容量の目安を導くことができた。プラズマ抵抗はそのままで計算することができるが、図 3-3-2 の等価回路から、コンデンサーは直列容量しか得られず、それ
ぞれの容量はわからない。また放電セルの内部は凸凹があるため、形状から正確な容量を求めることも困難である。そこでコンデンサー容量は得られた直列
容量から適当に 3:1〜1:3 に値を振り分け、その変化が整合回路の調整範囲に収まるように設計することにした。
放電セルとプラズマのインピーダンスを Zp としてモデル化した場合の整合回路を図 3-4-1 に示す。

13

X

Cp1
B２

B１

Zｐ

Cp2

R

図 3-4-1：整合回路のリアクタンス、サセプタンス図
この回路の合成インピーダンスの計算を示す。
Zp を放電セルのインピーダンスとすると①のようになる。
1
R

Zp＝
(

1
R

` Cp2

+j(` Cp1−)2+(` Cp2)2

(

1
R

)

.................. ①)2+(` Cp2)2

次に B１を加えるために、インピーダンス Zp をアドミタンス Yp に直す。Ypに B１を加えたものを Y１とおくと②が Y１の式である。
Yp＝

1
Zp

Y1＝Y p+jB1 ....................... ②

同様に X を加えるために、アドミタンス Y１をインピーダンスに直す。Y１に Xを加えたものを Z１とおくと③が Z１の式である。
Z1＝

Yp

+j(X−

Y p2+B1

B1
Zp2+B12) .................. ③

B２を加えるために、インピーダンス Z１をアドミタンスに直す。その値と B２を加えたものを Yall とおくと④が Yall の式である。
Yp
Yall＝

Yp

Y p+B1
Yp
Y p2+B12

2＋

X−

B1
Y p2+B12

Y p+B1−j
2

Yp
Y p2+B12

2＋

X−

B1

+jB2

.................. ④2

Y p2+B12④式から、全体のアドミタンスが計算できた。最後にアドミタンス Yall をインピーダンスに直す。その値を Zall とした。⑤が Zall の式である。

14

Zall＝

1
Y all........................... ⑤

Zall の実部が 50、虚部が 0 になれば、負荷側のインピーダンスが、ケーブル、及び電源と整合する。
放電セルが容量性であることから、X は正の整合用インダクタであるコイルである。本研究のテーマは小型化であるため、コイルはできるだけ小さくしたい。数μH のコイルならそれほど大型にはならないため、L=3.5μH とし、X＝
ωL（ω＝2πf、f＝13.56MHz）から、リアクタンス X＝300 とした。
Zall にプラズマインピーダンスの実部である R ＝70ｋΩ、直列合成容量が7.5pF になるように振り分けた 2 つの容量 Cp１、Cp２、固定リアクタンス X＝300 を代入すると B１、B２の値が決定される。計算結果を表 3-4-1 に表記する。

表 3-4-1：整合回路、サセプタンス計算結果

Cp1:Cp2 Cp１［Ｆ］

Cp２［Ｆ］

B１ Cb１［Ｆ］

B２ Lb２［Ｆ］

1:1

1.50E-11

1.50E-11

1.97E-03

2.31E-11 -1.15E-01

1.02E-07

2:1

2.25E-11

1.13E-11

1.33E-03

1.56E-11 -1.20E-01

9.79E-08

1:2

1.13E-11

2.25E-11

2.29E-03

2.69E-11 -1.16E-01

1.01E-07

1:3

3.75E-11

9.38E-12

5.00E-05

5.87E-13 -1.17E-01

1.00E-07

3:1

9.38E-12

3.75E-11

2.45E-03

2.88E-11 -1.17E-01

1.00E-07

Cp１、Cp２はそれぞれ放電空間とガラスのコンデンサー容量である。B1 の値は正であることからコンデンサーで実現できる。Cb１は B１に必要な容量を示す。
B２の値は負であることからインダクタが必要である。Lb２は B２に必要な自己イ
ンダクタンスを示す。
以上の結果から B1 は約 0〜30ｐF のバリアブルコンデンサーで調整可能である。B2 は負になることからインダクタが必要であるが、コイルの自己インダク
タンスの可変は困難である。そこで一定のリアクタンスのコイルとバリアブル
コンデンサーを使用し全体で可変させる。
コイルとコンデンサーを直列に繋ぐと共振して電圧が上がり、コンデンサーの極板間で放電する恐れがある。しかし並列でこのインピーダンスを得るには非常に大きな容量が必要であり、現実的ではない。
コイルとコンデンサーを直列に繋いだ場合、コイルを大きくすればコンデン
サー容量は少なくてすむが、本研究のテーマは小型化ということから、使用す15

る整合回路もできるだけ小さくしたい。よって、物理的に大きな素子を使用するのは避けたい。またＢ２は電源側なので共振させなければ電圧はあまり高くならない。そのためコンデンサーなら大容量にしても物理的な大きさはたいして変わらない。そこで共振する危険はあるが B２はコイル 1.5μＨ、0〜150pF のバ
リアブルコンデンサーを直列に繋ぐことにより制御することとした。
以上の計算結果から導き出した、整合回路図を図 3-4-2 に示す。
ケーブル側

3.5μH
OUT

IN

1.5μH

0〜150pF

0〜30pF

放電セル

図 3-4-2：設計した整合回路図
必要な素子の値を求めることができ、整合回路の設計は完了した。

3-5 整合回路の作製
3-4 にてそれぞれ必要な素子の値を計算することができた。よって次はそれぞれの素子を作製し、整合回路を作る。
3-5-1 コイルの作製
整合回路に必要なコイルは 2 つで、自己インダクタンスは 3.5μH、1.5μHのものである。コイルの自己インダクタンスは巻数、半径の 2 乗に比例し長さに反比例する。本研究の目的は装置を如何に小さくするかが目的になっていることから、長さ、半径はなるべく小さくしたい。よってこの 2 つの要素はある程度固定し巻数を変化させることにより必要なインダクタを作製することとした。

16

有限長単層ソレノイドコイルの自己インダクタンス L は

Kµ 0 N 2πa 2L=l
透磁率：μ０＝4π×10−７ 巻数：N
半径：a 長さ：l
長岡係数：K（長岡係数は長さが、半径に比べてあまり長くない場合に生じる磁束の漏れをあらわしたもので、2a/l の関数である。0 に近づくにつれ大きくなる）と表されるから（３）L=3.5μH の場合、現実的に扱いやすい程度の半径 2.5cm、長さ 8cm とし
2a＝0.6l
長岡係数 K＝0.9 を代入した結果、巻数 N≒11 となった（３）。これならば問題なく製作することができる。
同様に L=1.5μH の場合、半径は同様に 2.5cm、長さを 5cm とし

2a
l

＝1

から、長岡係数 K＝0.8 を代入した結果、巻数 N≒6.1 となった（３）。こちらについても問題なく製作できると考えられ、コイルは以上の寸法と巻数で作製することとした。
直径 5cm の円筒に、直径 1mm の銅線をまきつけ、円筒を抜いて作製した。
図 3-5-1 の（a）が 3.5μH、（b）が 1.5μH のコイルである。

（a）3.5μH コイル（b）1.5μH コイル
図 3-5-1：コイル写真 (a)3.5μH (b)1.5μH
次に LCR 共振回路で自作したコイルの自己インダクタンスを測定した。回路
図を 3-5-2 に示す。

17

V1

4700pF

1.5μH
or
3.5μH

V2
100Ω

+
0〜2.2MHz
−

図 3-5-2：LCR 共振回路図
V1、V2 はオシロスコープに繋がっている。V1 で LCR の直列電圧を測定し、V2 で抵抗の電圧を測定する。コイルとコンデンサーが共振するとき、V1 と V2は等しくなる。共振条件は

1
= ωL
ωC
ω＝2πf

f =

1
2ω

1
CL

である。

この実験では発振器の周波数を変化させることにより共振周波数を測定した
が、発振器の最大周波数は 2.2ＭHz であったため、コンデンサーは表示値
4700pF を用いて、計算上 3.5μH では約 1.2MHz で、1.5μH では約 1.9MHz
で共振が取れるように実験を行った。
実測した共振周波数を表 3-5-1 に示す。
表 3-5-1：コイル共振周波数測定表
コイル［μＨ］ 共振周波数［ＭＨｚ］

共振周波数［ＭＨｚ］ 測定コイル値［μH］

（計算値）

（実験値）

3.50

1.24

1.19～1.27

3.34～3.80

1.50

1.89

1.92～2.03

1.31～1.46

18

オシロスコープで V１、V２の電圧の位相、ピークを見て共振周波数を測定したが、オシロスコープの位相表示値は常に変化し、一定にならないことから共振周波数を一つに絞ることは不可能であった。そのため目測で、共振していると見られた範囲を共振周波数の実験値とした。
設計値 3.5μH のコイルの共振周波数はある程度計算値と似通っていたが、設計値 1.5μH のコイルの共振周波数は計算値より高く、コイルの自己インダクタは小さくなっていた。しかし 1.5μH のコイルは、コンデンサーを直列に繋ぎサセプタンスを可変させるため、それほどの精度は要求されない。よってコイルはそのまま用いることにした。

3-5-2 バリアブルコンデンサーの作製
電源側のバリアブルコンデンサーはコイルと直列に繋いで使用することから共振させないために高い可変精度が必要である。よって図 3-5-3 の市販品を使用した。

図 3-5-3：バリアブルコンデンサー写真
このバリアブルコンデンサーは極板を回転させ面積を変化させることにより0〜150pF まで可変可能なものである。
放電セル側のコンデンサーは高電圧になり高耐圧が必要であり、また 0〜
30pF の小容量であることから自作することにした。構造図を図 3-5-3 に示す。

19

スライドガラス

高電圧側電極

アルミ箔

10mm

10mm

76mm
アース側電極

26mm

16mm
1.5mm

図 3-5-5：バリアブルコンデンサー構造図
極板間を空気にした場合、耐圧が低く極板間で放電する恐れがある、また比誘電率が 1 ということから大型になってしまう。よって極板間には高耐圧で、比誘電率が高い（3〜5 程度（３））ガラスを使用した。極板の面積は図面から 8.8cm2で、高圧側の極板はコの字型になっていることから、その 2 倍の面積となる。
また極板間距離は B１1.5mm ということから、コンデンサー容量は

C =ε

S
d

よりεを 3 として計算すると C≒32pF となる。計算上は必要な容量か得られる。これが実際に作製したコンデンサーの写真を図 3-5-6 に示す

20

図 3-5-6：32pFB 自作バリアブルコンデンサー写真
完成後の大きさは、縦が約 3cm、横が約 10cm となった。アース側極板部分のガラス間に、コの字型のテフロン樹脂をはさみ、極板を固定できる構造をとった。
次にコイルと同様、LCR 共振回路で自作したコンデンサー容量を測定する。
測定回路を図 3-5-7 に示す。
V1
V2
30pF
10mH

100Ω

+
0〜2.2MHz
−

図 3-5-7：ＬＣＲ共振回路図

原理は 3-5-1 のコイル測定と同様である。
作製したコンデンサーが 32pF とすると、既知のコイル 10mH とはコンデン
サーは 290kHz で共振する計算である。実験結果を表 3-5-2 に示す。

21

表 3-5-2：コンデンサー共振周波数測定表
コンデンサー［ｐＦ］ 共振周波数［kＨｚ］

共振周波数［kＨｚ］

（計算値）

（実験値）

290

280～28932

測定コンデンサー容量[pＦ]
30.3～32.3

コイルと同様に共振周波数を一つに絞ることは不可能であった。必要な最大コンデンサー容量は 30pF である。測定値は 30pF を上回っていることから、放電セル側コンデンサーは、この自作品を用いることとした。

3-5-3 整合回路の組み立て
整合回路に必要な素子の作製は全て完成した。よって素子を接続し、整合回路を作製する。設計図を 3-5-8 に示す
1/4インチ管

Ｎ型
コネクタ

コイル：3．5μＨ

銅線

コイル：
1．5μＨ

銅線

バリアブルコンデンサー
0〜30ｐＦ

放電セル
1/4インチ管電極

バリアブルコンデンサー
0〜150ｐＦ
1/4インチ管

図 3-5-8：整合回路設計図
それぞれの素子を並べてみた結果縦 20cm、横 30cm の箱に収まる。高周波で放電する場合、素子から電磁波が発生するため、通常は導体の中に回路を作製しシールドする。シールドに最もよく使われているのはアルミである。しかし
アルミよりも加工しやすく、絶縁性にも優れているダンボールをアルミ箔でコ
22

ーティングし、上部には金網を被せることで、電磁波を遮断することにした。
整合回路の出力から長い同軸ケーブルで放電セルに給電した場合、ケーブルで電力が損失されるのみならず、整合条件が狂ってしまう。よって、ケーブルを使用せず、放電セルを整合回路の内部に組み込んだ。
作製後、導通、絶縁、及びアースのチェックをした。これらのチェックは感電する恐れがあるため、入念に行った。
3-6 整合実験
作製した装置に RF 源、ロータリーポンプ、真空計を繋ぐ。RF 電源と整合回路→放電セルの接続ケーブルには 50Ωの同軸ケーブル（型番：RG-58 A/U）を使用する。放電セル部分の電圧を測定するため、電極部分に高圧プローブ（内部抵抗 50MΩ、コンデンサー容量 6pF）を繋ぐ。ロータリーポンプで真空を引き、クリスタル真空計で圧力を確認する。放電セルには図 3-6-1 のようなバルブ
が二つついておりそのうち、(a)側で放電セル内の圧力を調整し、（b）側でガスの注入を開閉する。またこちら側で流量を調整する。

(a)圧力調整用バルブ
図 3-6-1：バルブ写真（b）ガス流量調整、開閉用バルブ(a)圧力調整用(b)流量調整開閉用

RF 電源のメインスイッチを入れ入力電力を調整しつつ整合を調整する。電源側のサセプタンスは、共振条件よりコンデンサーが約 90pF で共振してしまう。
このサセプタンスは負なので、90pF よりも小さい容量にしておく必要があることから、対向する極板面積を半分にし、おおよそ 75pF を初期値とした。回路図を図 3-6-2 に示す。

23

3.5μH
ケーブル

1.5μH
+
放電セル

RF電 源
0〜

−

0〜

150pF

30pF

ケーブル

図 3-6-2：整合実験回路図
なおこの実験目的は実際にこの回路で整合可能かどうかの見極めることにある。
3-7 整合実験結果
ガスは大気を使用し、圧力はプラズマインピーダンス測定の計算に使用した300Pa で行った。
放電セル側のバリアブルコンデンサーで電圧を調整してみたところ、コンデ
ンサー容量を最大にしても、放電開始電圧は得られなかった。高圧プローブのコンデンサー容量を加えると、共振させるために必要な容量は少なくとも 36pF以上であることが解った。そこで、放電セル側に固定容量のコンデンサーを追加することにした。
全く同じ極板面積で可変性を持たないコンデンサーを、放電セル側に並列に追加することにより、容量を増加させた。回路図を図 3-7-1 に示す

24

3.5μH
ケーブル

1.5μH
+
RF電 源

放電セル

30pF
0〜

−

0〜

150pF

30pF

ケーブル

図 3-7-1：放電セル側にコンデンサーを追加した整合回路図
放電セル側のコンデンサーを増加させていくと、1/4 ほど電極を入れた所で電圧が最大値となった。よって共振させることはできた。放電セル側のコンデンサーを固定したまま、電源からの電力を増やしていくと、入力 30W、反射 13W、
約 850V で放電が開始した。図 3-7-2 が放電の写真である。

図 3-7-2：300Pa、出力 12W の放電写真
放電後、電源側のバリアブルコンデンサーで反射を制御した。初期値よりも極板面積を増加させると反射が増加していった。よって初期値より極板面積を減らしていったところ、徐々に反射が減少していき最終的には 0W となり整合は取れた。完成した装置の写真を図 3-7-3 に示す。

25

図 3-7-3：作製した放電セル、整合回路写真①〜⑨はそれぞれ①：電力の入力部分、②：コイル 1.5μH、③：コイル 3.5μ
Ｈ、④：バリアブルコンデンサー150pF、⑤：バリアブルコンデンサー60pF、⑥放電セル、⑦：真空計への配管、⑧：ロータリーポンプへの配管、⑨：ガスの注入口への配管、をそれぞれ表している。
この装置で整合は取れたので整合回路は完成とした。

3-8 まとめ整合回路の作製は、放電セルのプラズマインピーダンスの目安を測定することが最も重要と考えられる。整合回路製作の手順として、まず放電セルの等価回路を考える。そして何らかの方法で放電させ、プラズマインピーダンスを測定する。その値をもとに、整合回路のリアクタンス、サセプタンスを計算し、それぞれに対応した素子を用意する。整合実験では、まず放電セル側のサセプ
タンスで電圧の調整を行い、最大値となる部分で電力を入れていく。プラズマの発生後、電源側のサセプタンスで反射を制御する。この手順ならば、どのよ
うな放電セルを使用したとしても、高周波用の整合回路は作製可能であると考
えられる。

26

第四章

放電特性の計測

4-1 はじめに本章では、作製した装置を使用し、長時間放電した場合の放電セルの温度変化、及び注入するガスを変え、ガスによる放電特性を測定する。
4-2 放電による放電セルの温度変化
この装置は後にプラズマ CVD、エッチング装置として使用する。そのためには長時間にわたり放電する必要がある。長時間放電させることによって、放電
セルの温度が上昇した場合、ガラス部分が割れる恐れがある。よって長時間放電させ、放電セルの温度変化を測定することにした。
圧力は前回放電を確認することができた 300Pa でおこなった。電源からの出力は入射 12W、反射 0W とした。これより電力を下げた場合、プラズマの発生に偏りが見られるためである。放電を開始した瞬間から 5 分毎に放電セルの温度を放射温度計で測定する。放射温度計では金属部分の温度が測定できないので、放電セルに黒のビニールテープを貼り、その部分の温度を測定することにした。測定結果を図 4-2-1 に示す。

図 4-2-1：放電による温度の時間変化

27

0〜20 分にかけて温度は上昇していったが、それ以降の温度はほとんど一定であった。一定になってから 40 分間、計 60 分測定したが、たいした温度変化は見られなかったため、出力 12Ｗならば長時間の放電も特に問題は無いと考えられる。

4-3 放電電圧、電力及び発光スペクトルの特性
放電電圧、電力及び発光スペクトルの特性
空気とアルゴンで放電電圧、電力、及び発光スペクトルを測定する。アルゴンの発光スペクトルでは空気で見られたスペクトルが発光していないかどうか
調べ、放電セルのリークを確認する。

4-3-1 実験装置と手順
回路は図 3-7-1 と同じである。発光のスペクトルを測定する必要があるため放電セルの近くに分光器を設置する。分光器はマルチチャンネル型（Ocean Optics
社の USB2000）を使用した。この分光器は入口スリットから入射された光をコ
リメイトミラーで収束し、その光を回折格子に入射させることにより波長を分散させ、CCD（入力された光の明暗に比例した電流を発生させる素子）ポートに入力させることにより測定する（４）。使用した分光器では 200〜1100×10-9ｍまでの波長を分光することが可能である。
実験手順は放電が開始できる、最も低い圧力を測定する。その値から圧力を変化させ、測定圧力ごとに放電を発生させる。目で見て放電が安定した圧力で、分光器を使い光のスペクトルを測定する。
オシロスコープに表示される波形のピークから電圧を読み取る。プラズマが発生していない場合、オシロスコープには約 13.56ＭHz の正弦波が表示される。
プラズマが発生した瞬間、一瞬波形が乱れるがすぐにもとの正弦波に戻る。乱れた後、もとに戻った正弦波のピークから電圧を読み取る。その値を放電開始
電圧とする。
放電開始後、整合をとり電源からの出力を小さくしていく。放電が消える寸前の波形のピークをオシロスコープから目測で読み取る。その値を放電維持電圧とする。それと同時に電源の電力表示値から電力を読み取る。その値を放電維持電力とする。

28

4-3-2 空気の放電特性
空気を流しながら真空排気して圧力を 100〜150Pa に調整し、高周波を入力すると、150Pa ではプラズマが発生し、また発生後整合もとれたが、それ以下の圧力では電源の出力を最大値にしてもプラズマの発生は確認できなかった。
また、放電セル側のコンデンサーの極板間で放電が起きたため、それ以上の実験は行わなかった。よって大気による最低放電可能圧力は 150Pa とした。この
圧力以上で放電特性を測定することとした。
一方、圧力を徐々に高くして実験を行っていくと 4000Pa まではプラズマが発生し整合が取れたが、それ以上の圧力ではプラズマが発生しなかったため、測定圧力は 4000Pa までとした。放電開始電圧、放電維持電圧、放電維持電力の測定結果を図 4-3-1 に示す。
12

放電維持電力［Ｗ］

10

8

6

4

2

0
100

1000
圧力［Ｐａ］（a）空気による放電維持電圧測定結果

29

10000

900
800
700

電圧［V］

600
500
400
300
200
100
0
100

1000
圧力［Ｐａ］

10000
放電開始電圧
放電維持電圧（b）空気による放電開始電圧、放電維持電圧測定結果
図 4-3-1：空気による放電特性測定結果 (a)放電維持電力(b)放電電圧（a）は放電維持電力のグラフである。横軸は圧力、縦軸は電力を表している。
150〜1000Pa まで放電維持電力は減少し、それ以上の圧力になると増加した。
（ｂ）は放電開始電圧、及び放電維持電圧のグラフである。放電維持電力の結果と同様に、150〜1000Pa まで電圧は減少していき、それ以上の圧力になると増加していった。また、グラフから極板間距離が一定である圧力まで電圧が下がり、それ以上になると電圧が上がる現象から、パッシェンの法則と似た結果が得られた。

4-3-3 空気の発光スペクトル4-2 項の実験で、出力 12W ならば長時間放電させても装置が壊れないことが確認できたので、電源の出力は 12W で一定にし、プラズマが綺麗に見える圧力を調べた。300Pa、600Pa のプラズマが、電極の下に均一に広がっており綺麗にみえた。300Pa 未満の圧力では整合も取りにくく、電極の角にプラズマが集中して発生するなど、安定しているように見えなかった。また 1000Pa 以上の測定値においても同様の結果が得られた。300Ｐａと 600Ｐａのプラズマを見比べてみた結果、300Pa の方がより均一にプラズマが発生しているように見えた30

ので、この圧力がスペクトルの測定値に最適であると判断した。よって空気の発光スペクトル測定は、電源出力 12W、300Pa で行った。空気の発光スペクト
ルの測定結果を図 4-3-2 に示す。

（a）空気の発光スペクトル（190〜860nm）

31

（b）空気の発光スペクトル（300〜500nm）
図 4-3-2：出力 12W、圧力 300Pa における空気の発光スペクトル (a)180〜860Pa(b)300〜500nm（a）は電源出力 12W、空気の 300Pa における放電の発光スペクトルである。
300〜500nm に強い光が測定された。
（b）が 300〜500nm 分を拡大したグラフである。空気を注入していることか
ら窒素分子と酸素分子の波長が確認できるはずである。文献（５）と照らし合わせた結果、グラフに記入した部分が窒素と酸素の光であることが確認できた。

4-3-4 アルゴンの放電特性アルゴンによる放電特性を測定する。圧力は大気と同様に 150Pa から測定することにした。圧力を徐々に高くして実験を行っていくと 50000Pa まではプラズマが発生し整合が取れたが、それ以上の圧力ではプラズマが発生しなかった
ため、測定圧力は 50000Pa までとした。放電開始電圧、放電維持電圧、放電維
持電力の測定結果を図 4-3-3 に示す。

32

9
8

放電維持電力［Ｗ］

7
6
5
4
3
2
1
0
100

1000

10000

100000圧力［Ｐａ］（a）アルゴンによる放電維持電力測定結果
800
700
600

電圧［Ｖ］

500
400
300
200
100
0
100

1000

10000
圧力［Ｐａ］

100000
放電開始電圧
放電維持電圧（b）アルゴンによる放電開始電圧、放電維持電圧測定結果
図 4-3-3：アルゴンによる放電特性測定結果 (a)放電電力

33(b)放電電圧図 4-3-3（a）は放電維持電力のグラフである。横軸は圧力、縦軸は電力を表している。150〜4000Ｐａまでの電力は減少していった。1000〜4000Pa の間で、放電維持電力が 0W となった。使用した電源の出力電力の表示は 1W 未満になると切り捨てられる。そのため 1000〜4000Pa の間では 1W 未満となり 0W と表示されたと考えられる。よって、電力の有効範囲はプロットされた点(表示値)＋1 未満となる。4000Pa 以上の圧力になると、空気と同様に放電維持電力は増加していった。
（b）は放電開始電圧、及び放電維持電圧のグラフである。放電維持電力の結果と同様に、150〜4000Pa まで電圧は減少していき、それ以上の圧力になると増加していった。アルゴンについても空気と同様に、パッシェンの法則に似た結果が見られた。

4-3-5 アルゴンの発光スペクトルアルゴンは空気に比べてプラズマが発生しやすく、3W 程度で、見た目空気と同じぐらいの発光がみられた。よって電源の出力は 3W で一定にし、空気と同様にプラズマが均一に広がっている圧力を調べた。300〜4000Pa のプラズマが均一に広がっているように見えた。
300Pa 未満の圧力では空気と同様に整合も取りにくく、電極の角にプラズマが集中して発生するなど、安定しているように見えなかった。また 10000Pa 以
上の測定値においても同様の結果が得られた。目で見て 300〜4000Pa のプラズ
マを見比べてみた結果、目立った違いは見られなかったが、600Pa のプラズマが最も均一に広がっているように見えたため、この圧力がスペクトル測定に最適であると判断した。よってアルゴンの発光スペクトル測定は電源出力 3W、圧力 600Pa で行った。アルゴンの発光スペクトルの測定結果を図 4-3-4 に示す。

34

（a）アルゴンの発光スペクトル（190〜860nm）（b）アルゴンの発光スペクトル（650〜860nm）
図 4-3-4：電源出力 4W、圧力 600Pa におけるアルゴンの発光スペクトル(a)190〜860nm(b)650〜860nm

35

（a）は電源出力 3W、アルゴンの 600Pa における放電の発光スペクトルである。650〜850nm に強い光が測定された。
（b）が 650〜850nm 部分を拡大したグラフである。それぞれのピークを文献（５）と照らし合わせるとアルゴン分子の波長であることが確認できた。
空気では 300〜500nm に強い光が見られたが、今回の測定ではそれらの光は確認できなかった。よってスペクトルに現れるようなリークは無い。

36

第五章

結論

本研究で得られた重要な工夫、実験の結果及び知見を以下に示す。

(1)容積 1500mm３の放電セルを使用した高周波プラズマ装置を製作し、高イン
ピーダンスに対応した整合回路を設計、製作した。
(2)空気とアルゴンで放電を実行した。そして放電維持電力、放電開始電圧、放電維持電圧を測定した。空気では 150〜4000Pa、アルゴンでは 150〜50000Paの圧力で測定を行った。アルゴンと空気を比較すると、アルゴンの方が約 1/5程度の電力で放電可能であった。
(3)空気とアルゴンの放電スペクトルを測定した。空気では 300Pa における放電が最も均一に見られたので、この圧力でスペクトルを測定した。実験結果か
ら酸素と窒素の発光波長を確認した。アルゴンでは 600Pa における放電が最も均一に見られたので、この圧力でスペクトルを測定した。実験結果からアルゴンの分子発光の波長を確認した。
(4)アルゴンの分光時に酸素と窒素の光が確認されなかったことからスペクトルを見る限りリークが無いことが確認できた。

今後の課題(1)放電セルの大きさに対して、作製した整合回路が大型になった。作製した素子が大型になったためである。全体的に小型化するために素子を作り直す必要がある。もしくは、整合回路を必要としないハイインピーダンスの電源を作製する。
(2)作製した装置を使用しエッチング、成膜を行い、結果について評価する。

37

謝辞
今回の論文を結ぶにあたり、御親切な御指導、御鞭撻を賜りました高知工科
大学工学部電子・光システム工学科

八田章光助教授に深い感謝の意を表します。
常日頃から直接的な御指導、並びに数々の御助力、御助言を頂いた高知工科大学大学院工学研究科基板工学専攻電子・光エレクトロニクスコース修士課程の富士敬司氏、吉村紘明氏、大橋渉氏に感謝の意を表します。
高知工科大学工学部電子・光システム工学科在学中に御指導頂いた原央学科長に心から感謝いたします。
高知工科大学工学部電子・光システム工学科在学中、本研究の実験遂行、各過程で終始御厚志、御協力頂いた高知工科大学工学部電子・光システム工学科、
河津哲教授、神戸宏教授、武田光由実験講師、その他の先生方に重ねて感謝の意を述べさせていただきます。
また本研究を進めるにあたり御協力頂いた高知工科大学電子・光システム工学科、朝山淳哉氏、窪内健介氏、松久治可氏、その他の学部の方々に重ねて感謝の意を述べさせていただきます。

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参考文献

(1)菊地正典：「半導体のすべて」日本実業出版社、114、134 ページ(1998)(2)Michael「プラズマ／プロセスの
A．Lieberman､Allan J．Lichetenberg：

原理」日本半導体製造装置協会、280 ページ（2001）(3)卯本重郎：「電磁気学」昭晃堂、276 ページ(1975)「卒業論文、四重極質量分析法と発光分光法を用いたプラズマ中の(4)澤田啓次：
ガス分析」高知工科大学、6 ページ（2001）(5) R.W.B.Pearse ・ A.G.Gaydon The Identification Of Molecular Spectra、
299、404、420 ページ

39