広島工業大学紀要研究編
第 56 巻（2022）145-154

報告プラズマイオン注入法を用いた薄膜形成、および表面処理田中武＊（令和 3 年11月 5 日受付）

Thin film formation and surface treatment using plasma ion implantation method
Takeshi TANAKA*（Received November 5, 2021）

Abstract
In the PBII method, the ion density in the sheath could be obtained based on the modulator
equivalent circuit. In the PBII method, the self-ignitting plasma used in the sterilization process wasformed, and the plasma density and sheath length could be calculated from the obtained discharge
current-high voltage voltage waveform. Using this method, some of the important parameters suchas plasma density and sheath length could be obtained when designing the equipment in the future.
Key Words: plasma based ion implantation, plasma density, oxygen, nitrogen

1

はじめに

れている。4）
また、殺菌対象物は医療機器以外にも食品に付着していプラズマとは、電離した気体であり、固体、液体、気体

る微生物も考えられる。一般的に食品の殺菌は、加熱殺菌に次ぐ第 4 の状態と表される。プラズマを用いた技術は多が用いられている。しかしながら、加熱を行うことで食品岐にわたり、とりわけ半導体製造技術に用いられている。

の品質を損なう恐れがある。そのため、非加熱殺菌法を用その一例として、薄膜形成技術、表面改質技術および微細いた新規殺菌技術が注目されている。5）

加工技術などがある。これらの技術は、集積回路の高集積プラズマイオン注入法は、1980年代中ごろにガスプラズ

化・高性能化、それに伴う電極や配線などの回路パターン

マを用いて R.J.Adler や J.R.Conrad らにより提案された。

の微細化に対応して進展しており、今日、半導体デバイス

6, 7 ）やマイクロマシン製造および表面改質などをはじめとするされている。これらの共通用語として、Plasma-Based Ion

微細加工技術の分野で不可欠なプロセスとなっている。

Implantation（PBII）がよく使用されている。8）また、時を同じくして金属イオンによる注入法も提案

半導体関連以外にも、プラズマ応用技術に関して多くの

PBII 法は、プラズマ中のサンプルに対して、負の高圧研究が行われており、環境改善技術や医療関連技術などがパルス電圧を印加することでサンプル表面にイオンシース

1, 2 ）ある。特に、バイオ・医療への応用が行われている。

が形成され、表面改質を行うものである。シースの形状をプラズマを用いた技術の一つである、プラズマイオン注

サンプルに沿った形状にすることで、イオンを均一に注入入法を用いて、医療機器などの殺菌技術への応用が行われすることが可能である。制御性の良さから、様々な形状物へている。医療機器を殺菌するプラズマ装置としては、過酸の表面処理方法として有効な手法として有望視されている。

3）

化水素を用いたものがある。 しかしながら、健康面への現在、半導体におけるドーピング技術、産業用部品、金影響なども指摘される事例がある。それに代わる技術とし属素材の表面改質、医療技術や殺菌技術への応用など多岐て、プラズマイオン注入法での殺菌に関する実験が試みらにわたって使用されている。9,10）


＊広島工業大学工学部電子情報工学科― 145 ―

田中武

本報告では、PBII 法において、プラズマ制御法および

16）変化を用いたプラズマ密度の算定法が提案されている。

プラズマ生成法を検討するために、シース内イオン密度の

本項では、電流電圧波形を用いた初歩的なプラズマ性状

算定や分光器を用いてプラズマの状態について述べる。

の比較法を提案し、電圧波形より求まる初歩的なプラズマ２

密度算定法について述べる。

初歩的なプラズマ密度算定方法

2．2．2 電流波形による比較法

２．1 概要Fig. 1に比較用電流波形を示す。

プラズマを扱う上で、プラズマの状態を知ることはとても重要なことである。そのプラズマの状態を決定するのが、プラズマパラメータ（温度、密度など）であり、これらを適切に把握することでプラズマを有効利用することができる。プラズマパラメータを測定し、プラズマの状態を知ることをプラズマ計測・診断といい、様々な計測法が開発されている。その一例として、プローブ法によるもの、光や電磁波を用いた計測法が挙げられる。11~14）
プラズマイオン注入（PBII）法は、その制御性の良さから、様々な形状物への表面処理方法として有効な手法と15）されている。
PBII 法の要素技術は、（1）プラズマ発生技

Fig. 1

術、（2）モジュレータ技術に大別される。モジュレータ技

比較用電流波形術は、イオンシースの形成とシース内のイオンの挙動に直Fig. 1において、電流波形は time=0.0us（マイクロ秒、接影響するためプラズマイオン注入法の基幹技術である。

以下 us）近傍では激しく振動している。これに対して、

一方、高電圧の印加に伴うプラズマ内の現象であり、パtime=2.5-6.3us 程度では安定しており、この時間の平均

ルスプラズマの特性、形成されるイオンシースの挙動など

電流を一指標として電流量の多少の比較に用いられると考基本的な物理現象について不明な点が多い。過去の研究で、える。

PBII 法においてターゲット印加電圧波形の時定数の変化
2．2．3 電圧波形による比較法を用いたプラズマ密度の算定法が提案されている。16）

Fig. 2に比較用電流波形を示す。

本章では、負の高圧パルス電源のみを有する自己点弧プ
ラズマを用いた PBII 法における、形成されたイオンシー
ス内部のイオン密度を、モジュレータ回路を基礎として算定を行う。すなわち、PBII 法において、滅菌プロセスで使用される自己点弧プラズマを形成し、取得した放電電流－高圧電圧波形からプラズマ密度およびシース長の算定を行う。また、RF 電源と併用して用いた場合のプラズマ密度の算定も合わせて行う。
2．2 電流電圧波形測定
2．2．1 概要

Fig. 2

プラズマイオン注入（PBII）法は、その制御性の良さ

比較用電流波形から、様々な形状物への表面処理方法として有効な手法とFig. 2は電圧波形の立下り部分である。イオン注入装置

15）
されている。
PBII 法の要素技術は、（1）プラズマ発生技

を、後述する等価回路に置き換えた場合、立下り初期の傾術、（2）モジュレータ技術に大別される。モジュレータ技

きによって、印加電圧（図中では 4 kV）の63.2% に当た術は、イオンシースの形成とシース内のイオンの挙動に直る電圧（図中では -2.53kV）の立下りに必要な時間を立下接影響するためプラズマイオン注入法の基幹技術である。

り時定数と考えることが出来る。この時定数はイオン密度

一方、高電圧の印加に伴うプラズマ内の現象であり、パの量に負の相関関係をもち、一指標として用いることが出

ルスプラズマの特性、形成されるイオンシースの挙動など来る。また、この指標の算出は簡易であり、後述の密度算

基本的な物理現象について不明な点が多い。過去の研究

定の参考となるため予備実験の際の重要な指標となりえる。

で、PBII 法においてターゲット印加電圧波形の時定数の― 146 ―

(3)定常状態と時間発展をする。(2)では主としてシ(3)定常状態と時間発展をする。(2)では主としてシ
があり、
があり、
このためにプラズマの代わりにキャパシタ
このためにプラズマの代わりにキャパシタース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。ターれる。
プラズマに浸された基材にパルス電圧が印加
R1、C1 はイオンシースに関与するためパルス電圧
ース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電るため予備実験の際の重要な指標となりえる。
されると、(1)電子の排斥に伴うマトリックスシー
印加時には時間的に変化する量である。
プラズマ密ース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電ース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電によるイオンのシース内への供給である。
いずれにターゲットにパルス電圧を印加して、
一定電圧に達する
されると、(1)電子の排斥に伴うマトリックスシー
印加時には時間的に変化する量である。
プラズマ密
6~10)
6~10)
6~10)
によるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ち
2.3によるイオンのシース内への供給である。
プラズマ密度算定方法
2.3
プラズマ密度算定方法
2.3
プラズマ密度算定方法
スの形成、(2)イオンシースのプラズマ中への進展、度の算定を行う場合、まずR2 および
C上がり時間τr、モジュレータ出によるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ちいずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ち
2 を知る必要によるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ちしてもイオンはシース内で加速され、ターゲットにスの形成、(2)イオンシースのプラズマ中への進展、度の算定を行う場合、まず R2 および C2 を知る必要
6~10)
してもイオンはシース内で加速され、ターゲットに上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなった
2.3.1
モジュレータ回路定数の算定
2.3.1
モジュレータ回路定数の算定
プラズマ密度算定方法
2.3.1 モジュレータ回路定数の算定(3)定常状態と時間発展をする。(2)では主としてシがあり、このためにプラズマの代わりにキャパシタ
してもイオンはシース内で加速され、ターゲットに上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなった
してもイオンはシース内で加速され、ターゲットに上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなった
してもイオンはシース内で加速され、ターゲットに上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなった向かう。
以降、電圧が元の状態に復帰する
プラズマイオン注入法を用いた薄膜形成、および表面処理
3)定常状態と時間発展をする。(2)では主としてシがあり、このためにプラズマの代わりにキャパシタ向かう。 向かう。
以降、電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がり
矩形パルス電圧の発生は、
Fig.
3以降、
モジュレータ等価回路
矩形パルス電圧の発生は、イオンシース内部のイオ
Fig.
3 モジュレータ等価回路
1 モジュレータ回路定数の算定
矩形パルス電圧の発生は、イオンシース内部のイオ
Fig. 3立ち上がり
モジュレース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電向かう。 イオンシース内部のイオ
以降、電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がり向かう。
以降、電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がり
電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がり
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τf と定義する。
ース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電6~10）上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。
立ち上がり時間および立ち下
ンを線形加速する。モジュレータの出力には、基材
ンを線形加速する。モジュレータの出力には、基材
形パルス電圧の発生は、イオンシース内部のイオ
Fig.
3 がり時間τf
モジュレータ等価回路
ンを線形加速する。モジュレータの出力には、基材によるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ち上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。
立ち上がり時間および立ち下
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。
立ち上がり時間および立ち下
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。
立ち上がり時間および立ち下のとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定すと定義する。立ち上がり時間および立ち下が
2．3 プラズマ密度算定方法
によるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ちのとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がり(ターゲットと称する)とプラズマが直列に接続さFig.
3 り時間から回路定数を算定する。
において、R(ターゲットと称する)とプラズマが直列に接続さFig.
3 において、RC2 は定数であるのに対し、
2と C
2 は定数であるのに対し、
2とを線形加速する。モジュレータの出力には、基材(ターゲットと称する)とプラズマが直列に接続さFig. 3 において、Rしてもイオンはシース内で加速され、ターゲットに上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなったのとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がり
2とのとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がり
してもイオンはシース内で加速され、ターゲットにのとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がり
パシタ上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなった
C1 および並列抵抗
R1(シース抵抗と称する)
時間について、R（1）
立ち下がり時間につ
2．3．1 モジュレータ回路定数の算定
2 は影響しない
パシタ
C1
および並列抵抗R1(シース抵抗と称する)
時間について、Rは影響しないため、漂遊容量
C
向かう。
以降、
電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がり
22れる。
プラズマに浸された基材にパルス電圧が印加
R、C
はイオンシースに関与するためパルス電圧れる。
プラズマに浸された基材にパルス電圧が印加
R、C
はイオンシースに関与するためパルス電圧
1時間について、R
1いて、R
1
ーゲットと称する)とプラズマが直列に接続さ
Fig.
3 以降、
において、R
C時間について、Rれる。
プラズマに浸された基材にパルス電圧が印加
はイオンシースに
2 と2 時間について、R2 は定数であるのに対し、向かう。
電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がり
パシタ
および並列抵抗R1(シース抵抗と称する)
1、C1 Cパシタ
C1 および並列抵抗
R1(シース抵抗と称する)
2 は影響しないため、漂遊容量
パシタ
C1C1
および並列抵抗R1(シース抵抗と称する)
C2C2
C 2R
矩形パルス電圧の発生は、イオンシース内部のイオンをは影響しないため、漂遊容量の放電時間によ2 は影響しないため、漂遊容量2として表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。
2 は影響しないため、漂遊容量
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。
立ち上がり時間および立ち下として表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知のされると、(1)電子の排斥に伴うマトリックスシー
印加時には時間的に変化する量である。
プラズマ密されると、(1)電子の排斥に伴うマトリックスシー
印加時には時間的に変化する量である。
プラズマ密る。プラズマに浸された基材にパルス電圧が印加
R1、C1時間τf
はイオンシースに関与するためパルス電圧
されると、(1)電子の排斥に伴うマトリックスシー
印加時には時間的に変化
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下と定義する。
立ち上がり時間および立ち下として表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知のとして表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知のとして表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知の線形加速する。モジュレータの出力には、基材（ターゲッ
り算定される。したがって、既知の抵抗を負荷（との電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rload と称する)に接のとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がりの電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rと称する)に接続し、その場合のload
スの形成、(2)イオンシースのプラズマ中への進展、度の算定を行う場合、
まず
R
および
C
を知る必要
スの形成、(2)イオンシースのプラズマ中への進展、度の算定を行う場合、
まず
R
および
C
を知る必要
2
2
2
2
れると、(1)電子の排斥に伴うマトリックスシー
印加時には時間的に変化する量である。
プラズマ密スの形成、(2)イオンシースのプラズマ中への進展、度の算定を行う場合、まずのとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がりの電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rと称する)に接続し、その場合のの電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rload
トと称する）とプラズマが直列に接続される。プラズマに称する）に接続し、その場合の立ち下がり時間を測定し、の電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rと称する)に接続し、その場合のload と称する)に接続し、その場合の電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、Cload
2をパシタ C1 および並列抵抗 R1(シース抵抗と称する)
時間について、R2 は影響しないため、漂遊容量 C2
電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、Cを知る。すなわち、
2(3)定常状態と時間発展をする。(2)では主としてシがあり、このためにプラズマの代わりにキャパシタ(3)定常状態と時間発展をする。(2)では主としてシがあり、このためにプラズマの代わりにキャパシタの形成、(2)イオンシースのプラズマ中への進展、度の算定を行う場合、
まず
R
および
C
を知る必要
(3)定常状態と時間発展をする。(2)では主としてシがあり、このためにプラズ
パシタC1
および並列抵抗R1(シース抵抗と称する)
時間について、Rは影響しないため、漂遊容量C22
電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、Cを知る。すなわち、C 2 を知る。すなわち、浸された基材にパルス電圧が印加されると、（1）電子の排 立ち下がり時間を測定し、C電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
2
2 f
2 =τ
電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、C2 を知る。すなわち、で除した値の電流が流れる。
2 を知る。すなわち、
C2 × Rload(1)として表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知ので除した値の電流が流れる。
C
×
R
=τ
f
(1)
ース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電
2loadース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電定常状態と時間発展をする。(2)では主としてシがあり、このためにプラズマの代わりにキャパシタース発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いとして表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知ので除した値の電流が流れる。
斥に伴うマトリックスシースの形成、（2）
イオンシースの
（1）
C
×
R
=τ
f
(1)
で除した値の電流が流れる。
で除した値の電流が流れる。
C(1)
load =τ f
C2f ×2 Rload(1)
実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ(2)R2 については負荷にキャパシ
2 × Rload =τの電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rload と称する)に接続し、その場合の実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ(2)Rについては負荷にキャパシタ
Cload
を接続し、
2
によるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ちによるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ちス発展によるイオンの供給、(3)ではボーム速度と抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電によるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、一定電圧にの電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rと称する)に接続し、その場合の実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ(2)Rについては負荷にキャパシタ
Cload
を接続し、
プラズマ中への進展、（3）定常状態と時間発展をする。
（2）
（2）
R
については負荷にキャパシタを接続し、その実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ(2)Rについては負荷にキャパシタ
load
Cload
を接続し、
2
実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ(2)Rについては負荷にキャパシタ
Cload
を接続し、
2
ーダンス
R2 が加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める
2
2 2 を知る。すなわち、電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、Cーダンスが加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、してもイオンはシース内で加速され、ターゲットにしてもイオンはシース内で加速され、ターゲットに上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなったよるイオンのシース内への供給である。
いずれに圧を印加して、
一定電圧に達するまでの時間を立ちターゲットにでは主としてシース発展によるイオンの供給、（立ち上がり時間から求める。すなわち、電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、Cーダンスが加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、で除した値の電流が流れる。
Cしてもイオンはシース内で加速され、Rではボー
f上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなった
(1)
ーダンス
R2R2
が加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、2 を知る。すなわち、
ーダンス
R2R2
が加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、
2 ×3）
load =τ
パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充R2 × (C上がり時間τr、モジュレ(2)2 +Cload) =τr
実際には漂遊容量C2 とモジュレータの出力インピ(2)Rについては負荷にキャパシタ
C
パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充
R
× =τ
)(C
=τr
(2)load11,12)
2上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなった
load
2(C
2f +C
load
向かう。
向かう。
以降、
電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がりてもイオンはシース内で加速され、ターゲットにム速度によるイオンのシース内への供給である。いずれに（2）向かう。
以降、電圧が元の状態に復で除した値の電流が流れる。
パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充
C2以降、
×RR2load×(C) =τrC2
パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充×電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がり
+C
) (1)
(2)
2=τr
2 +C
R2R
×
+C
) =τr
(2)(2)
電される。出力インピーダンスは回路に直列では(1)により既知であり、
Cloa
2(C
load
2を接続し、
load
11,12)ーダンス
R2が加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、
11,12)
11,12)
電される。
出力インピーダンスは回路に直列でC2は(1)により既知であり、CCloadはあらかじめ既知
11,12)。
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。
立ち上がり時間および立ち下
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。
立ち上がり時間および立ち下
かう。
以降、電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下がり
C2はしてもイオンはシース内で加速され、ターゲットに向かう。
（1）
により既知であり、はあらかじめ既知の
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。立ち実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ
(2)R
を接続し、
電される
。出力インピーダンスは回路に直列でC2は(1)により既知であり、Cload
はあらかじめ既知
電される。
出力インピーダンスは回路に直列でC2は(1)により既知であり、Cload
はあらかじめ既知
2 については負荷にキャパシタ
load
電される
出力インピーダンスは回路に直列でC2は(1)により既知であり、Cはあらかじめ既知ある。以上をまとめた等価回路を図3.3に示す。
のキャパシタを用いるため、R
load
パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充
R2 ×(C2 +Cload) =τr のキャパシタを用いるため、R(2)ある。以上をまとめた等価回路を図3.3に示す。
を求めることがで2のとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がりのとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がり
R 2 を求めることができる。キャ
記の過程を電気回路の観点からまとめると以下
時間τfと定義する。
立ち上がり時間および立ち下
上記の過程を電気回路の観点からまとめると以下のとおキャパシタを用いるため、のとおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数をーダンス
R2 が加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、ある。以上をまとめた等価回路を図3.3に示す。
のキャパシタを用いるため、Rある。以上をまとめた等価回路を図
3.3 に示す。
のキャパシタを用いるため、R
2 を求めることがである。以上をまとめた等価回路を図3.3に示す。
のキャパシタを用いるため、R
2 を求めることがでしたがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。
キャパシタを用いるのは漂2 を求めることがで電される 11,12)。出力インピーダンスは回路に直列でC2 は(1)により既知であり、Cload はあらかじめ既知
したがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。
キャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入パシタ
C1 および並列抵抗
R1(シース抵抗と称する)
C2 C2
パシタ
C1（1）
および並列抵抗R1(シース抵抗と称する)は影響しないため、漂遊容量
2 は影響しないため、漂遊容量りとなる。
においてイオンシースはキャパシタ
お2時間について、R
2キャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入とおりとなる。(1)においてイオンシースはキャがり時間から回路定数を算定する。(1)立ち下がり
パシタ
C1 および並列抵抗
時間について、R
パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充したがって、
これらの回路定数で決まる時定数にて
きる。
R
×きる。
(C時間について、R
+C
=τr
(2)
2 は影響
したがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてキャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入したがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。
キャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入2 パシタを用いるのは漂遊容量に並列に入り計算が容易なた
load) R1(シース抵抗と称する)
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
ある。以上をまとめた等価回路を図 3.3 に示す。のキャパシタを用いるため、R2 を求めることがで
11,12)
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
として表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知のとして表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知のめである。
よび並列抵抗（シース抵抗と称する）として表される。
シタ
C1 および並列抵抗
R1(シース抵抗と称する)
時間について、RC2 の放電時間により算定さとして表される。電圧の印加に伴って、スパイク状
2 は影響しないため、漂遊容量
電される。出力インピーダンスは回路に直列でC2 は(1)により既知であり、Cload はあらかじめ既知
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ちしたがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。
キャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ちの電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rと称する)に接続し、その場合のの電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rと称する)に接続し、その場合の電圧の印加に伴って、スパイク状の電流が流れる。
（2）
でload load
して表される。電圧の印加に伴って、スパイク状の放電時間により算定される。したがって、既知のの電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rload と称すある。以上をまとめた等価回路を図3.3に示す。
のキャパシタを用いるため、R
想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ち
想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ち2 を求めることがで想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ち下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される
2.3.2 イオンシース抵抗
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される
2.3.2
イオンシース抵抗
電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、Cを知る。すなわち、
2．
3．
2
イオンシース抵抗はキャパシタに蓄積された電荷がシース抵抗に流れ、印加
電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、Cを知る。すなわち、
22
電流が流れる。(2)ではキャパシタに蓄積された抵抗を負荷（Rと称する)に接続し、その場合の想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ち電荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定しload
したがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。
キャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される
2.3.2イオンシース抵抗
イオンシース抵抗
下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
2.3.2
イオンシース抵抗
下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される
2.3.2
電圧、観測される電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
R1 は一般的に抵抗率ρ、対象物
下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される
2.3.2
イオンシース抵抗
電圧、電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さ
s、対象物
1
R
電圧値をシース抵抗で除した値の電流が流れる。
は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さ
s、対象物の面積で除した値の電流が流れる。
で除した値の電流が流れる。
C
×
R
=τ
f
(1)
C
×
R
=τ
f
(1)
荷がシース抵抗に流れ、印加電圧値をシース抵抗
立ち下がり時間を測定し、Cを知る。すなわち、
2
load
2
load
で除した値の電流が流れる。
2は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さ
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理
電圧、電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
s、対象物
× Rload =τf(1)
1
電圧、電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
R1 は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さ
s、対象物
電圧、
電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
R1R1は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さs、対象物したものである。り計算が容易なためである。
の面積C
A2 を用いて電圧、電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
Rは一般的に抵抗率ρ、対象物の長さs、対象物1したものである。
の面積
Aを用いて実際には漂遊容量Aを用いてとモジュレータの出力インピーダ
実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ(2)Rについては負荷にキャパシタ
Cを接続し、実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ(2)Rについては負荷にキャパシタ
C
を接続し、
2
load
2
load
除した値の電流が流れる。
C
×
R
=τ
f
(1)
実際には漂遊容量
C2とモジュレータの出力インピ(2)Rについては負荷にキ
想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ちしたものである。
の面積
A
を用いて
𝑠𝑠
2
load
2
したものである。
の面積 A を用いてしたものである。
の面積 A を用いて𝑅𝑅� = 𝜌𝜌
ンス C2が加味される。漂遊容量はシースキャパシタに並ーダンス
R2 とモジュレータの出力インピが加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、
ーダンス
R2 が加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、際には漂遊容量(2)R2 については負荷にキャパシタ
𝑠𝑠 𝑠𝑠 Cload を接続し、ーダンスR2が加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から
𝑠𝑠 𝑠𝑠
下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される
2.3.2
イオンシース抵抗
𝐴𝐴
（3）
𝑅𝑅
=
𝜌𝜌
(3)
𝑠𝑠
𝑅𝑅
=
𝜌𝜌
(3)
𝑅𝑅)�=τr=� 𝜌𝜌
𝑅𝑅� �= 𝜌𝜌 (3)(3)
11,12）
列であり、パルス電圧の印加と同時に充電される。出
𝑅𝑅R�1R=は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さ(3)𝐴𝐴
パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充(C(2)(Cload
) =τr
(2)
ダンス
R2 電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映が加味される。漂遊容量はシースキャ
その立ち上がり時間から求める。すなわち、
2 𝜌𝜌× R
2 2×+C
2 +C
load
パシタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充
電圧、
s、対象物
R
×
(C
+C
) =τr (2)
2
2
load
𝐴𝐴
にて表される。
プラズマイオン注𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴
11,12)
11,12)
11,12)
にて表される。
プラズマイオン注入においてρはシ
力インピーダンスは回路に直列である。以上をまとめた等
電される。出力インピーダンスは回路に直列でC2は(1)により既知であり、Cload
はあらかじめ既知
電される。出力インピーダンスは回路に直列でC2は(1)により既知であり、Cはあらかじめ既知
load
シタに並列であり、パルス電圧の印加と同時に充R2 × (C+C=τr(2)にて表される。
電される。
出力インピーダンスは回路に直列でC2 は(1)により既知であしたものである。
の面積A)にて表される。プラズマイオン注入においてρはシースのを用いてにて表される。
プラズマイオン注入においてρはシ
2 プラズマイオン注入においてρはシloadにて表される。
プラズマイオン注入においてρはシプラズマイオン注入においてρはシースの抵抗率、sはシース長、Aにて表される。
11,12)
抵抗率、sースの抵抗率、sはシース長、Aはターゲットの面積に相当する。
価回路をFig. 3に示す。
ースの抵抗率、sはシース長、Aはターゲットの面
3.3 に示す。
のキャパシタを用いるため、Rを求めることがである。以上をまとめた等価回路を図3.3に示す。
のキャパシタを用いるため、Rを求めることがで
𝑠𝑠Cはシース長、A
2 はシース長、A2積に相当する。シース内では無されるある。以上をまとめた等価回路を図。
出力インピーダンスは回路に直列でC2 は(1)により既知であり、はあらかじめ既知ある。以上をまとめた等価回路を図
3.3 に示す。
のキャパシタを用いるた
load
ースの抵抗率、sはシース長、Aはターゲットの面
ースの抵抗率、sはターゲットの面
はターゲットの面
ースの抵抗率、sはシース長、Aはターゲットの面
𝑅𝑅
=
𝜌𝜌
(3)
�
シース内では無衝突とする。イオン種の質量m、ターゲッ
したがって、これらの回路定数で決まる時定数にて印加積に相当する。シース内では無衝突とする。イオン
したがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。
キャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入したがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。
キャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入る。以上をまとめた等価回路を図
3.3 に示す。 積に相当する。シース内では無衝突とする。イオンのキャパシタを用いるため、Rしたがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。
キャパシタを用いる
積に相当する。シース内では無衝突とする。イオン積に相当する。シース内では無衝突とする。イオン積に相当する。シース内では無衝突とする。イオン𝐴𝐴 2 を求めることがで
種の質量m、ターゲット印加電種の質量m、ターゲット印加電圧
V
、
電子電荷
e、
p
ト印加電圧
電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理想的な矩形、電子電荷e、シース内でのイオン速度
v電子電荷
と
種の質量
m、
ターゲット印加電圧V、
電子電荷p り計算が容易なためであ
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
たがって、
これらの回路定数で決まる時定数にてきる。キャパシタを用いるのは漂遊容量に並列に入印加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理にて表される。
プラズマイオン注入においてρはシ
種の質量m、ターゲット印加電圧
、
e、
種の質量
m、
ターゲット印加電圧
Vp、電子電荷pe、
種の質量m、ターゲット印加電圧
Ve、
、
電子電荷
シース内でのイオン速度
ve、
とす
pV
では
こ
では
では
こ
シース内でのイオン速度vとするとターゲット面
では
こ
では
ここで、
であっても立ち上がり時間および立ち下がり時間が生じ矩するとターゲット面ではシース内でのイオン速度vとするとターゲット面
想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ち
想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ち加電圧波形は時間推移する。すなわち、出力が理り計算が容易なためである。
想的な矩形であっても立ち上がり時間および立ちースの抵抗率、sはシース長、Aはターゲットの面
シース内でのイオン速度とするとターゲット面
シース内でのイオン速度v とするとターゲット面
シース内でのイオン速度v vとするとターゲット面に�に� ��� �ににおける形電圧から外れる。観測される電圧、電流はとりもなおさ�
下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される
2.3.22.3.2
イオンシース抵抗
下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測されるイオンシース抵抗的な矩形であっても立ち上がり時間および立ち= e𝑉𝑉(4) イオンシース抵抗
下がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される
2.3.2
積に相当する。シース内では無衝突とする。イオン���𝑚𝑚𝑣𝑣の面積 A を用いてしたものである。

=（4）
𝑚𝑚𝑣𝑣
(4)
𝑚𝑚𝑣𝑣
=e𝑉𝑉
e𝑉𝑉
(4)(4)
𝑚𝑚𝑣𝑣 �=e𝑉𝑉𝑚𝑚𝑣𝑣(4)
����e𝑉𝑉�=�� ��Cずプラズマの特性を反映したものである。
電圧、
電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
R1 は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さ
s、対象物
電圧、
電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
R1 m、は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さ
がり時間が生じ矩形電圧から外れる。
観測される 電圧、
2.3.2
イオンシース抵抗
電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
R1s、対象物は一般的に抵抗率ρ、種の質量ターゲット印加電圧
Vp、電子電荷
e、
から
と
から
から
と
から
と
から
と扱うこ
から
したものである。
の面積
A を用いてしたものである。
の面積
A を用いて v とするとターゲット面
圧、電流はとりもなおさずプラズマの特性を反映
R1 は一般的に抵抗率ρ、対象物の長さ
s、対象物 の面積 A を用いてしたものである。
シース内でのイオン速度
圧
圧
圧の立ち
𝑠𝑠 𝑠𝑠
𝑠𝑠 圧
たものである。
の面積 A を用いて
2𝑒𝑒𝑉𝑉

� (3)
2𝑒𝑒𝑉𝑉
2𝑒𝑒𝑉𝑉
� (3)
𝑅𝑅 =𝑅𝑅𝜌𝜌 = 𝜌𝜌2𝑒𝑒𝑉𝑉
��2𝑒𝑒𝑉𝑉
𝑅𝑅� = 𝜌𝜌 𝜏𝜏
=(5)
���（5）= 𝑚𝑚�
(5)
𝑠𝑠 � 𝑣𝑣�=𝐴𝐴 �𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝐴𝐴==𝑣𝑣�
(5)(5)
(5)
𝐴𝐴 �
𝑚𝑚 𝑚𝑚
と
𝑚𝑚(3) 𝑚𝑚
𝑅𝑅� = 𝜌𝜌とととなる。
にて表される。
にて表される。
プラズマイオン注入においてρはシにて表される。プラズマイ
𝐴𝐴 プラズマイオン注入においてρはシ

Fig. 3

モジュレータ等価回路が得られる。一方、ターゲット表面での電流密度が得られる。一方、ターゲット表面での電流密度が得られる。一方、ターゲット表面での電流密度jjはシースが得られる。一方、ターゲット表面での電流密度
j j
j は、導
が得られる。一方、ターゲット表面での電流密度jが得られる。一方、ターゲット表面での電流密度ースの抵抗率、sはシース長、Aはターゲットの面
ースの抵抗率、sはシース長、Aはターゲットの面にて表される。
プラズマイオン注入においてρはシースの抵抗率、sは、導電率σと電界Eで表されは、導電率σと電界E で表されは、導電率σと電界EEで表されは、導電率σと電界で表されE で表され
電率σと電界は、導電率σと電界E で表され積に相当する。シース内では無衝突とする。イオン積に相当する。シース内では無衝突とする。イオンースの抵抗率、sはシース長、Aはターゲットの面積に相当する。シース内と𝑉𝑉𝑉𝑉�� 𝑉𝑉�
と
𝑉𝑉
と
となり、
𝑉𝑉
�
種の質量
m、ターゲット印加電圧
Vp𝜎𝜎、
電子電荷
e、(6)
種の質量
m、
ターゲット印加電圧
V𝜎𝜎p、電子電荷e、�=
積に相当する。シース内では無衝突とする。イオン
種の質量
m、
ターゲット
𝑗𝑗
=
𝑒𝑒𝑛𝑛
𝑣𝑣
=
𝜎𝜎𝜎𝜎
�
𝑗𝑗
=
𝑒𝑒𝑛𝑛
𝑣𝑣
=
𝜎𝜎𝜎𝜎
=
(6)
（6）
𝑗𝑗
=
𝑒𝑒𝑛𝑛
𝑣𝑣
=
𝜎𝜎𝜎𝜎
=
𝜎𝜎
(6)
𝑗𝑗
=
𝑒𝑒𝑛𝑛
𝑣𝑣
=
𝜎𝜎𝜎𝜎
=
𝜎𝜎
(6)
𝑗𝑗 = 𝑒𝑒𝑛𝑛� 𝑣𝑣 = 𝜎𝜎𝜎𝜎
(6)
� 𝜎𝜎
�� =
算
𝑠𝑠
算
算
算定する
𝑠𝑠e、
𝑠𝑠 𝑠𝑠シース内でのイオン速度とするとターゲット面
シース内でのイオン速度v𝑠𝑠とするとターゲット面
種の質量シース内でのイオン速度m、ターゲット印加電圧
Vvp、
電子電荷
であり
であり
であり
でありv とするとターゲット面
でありでありシース内でのイオン速度
2.
2.3
22.3.4 プラ
2𝑒𝑒𝑉𝑉
𝑉𝑉
�
2𝑒𝑒𝑉𝑉
2𝑒𝑒𝑉𝑉
2𝑒𝑒𝑉𝑉
𝑉𝑉��=�𝜎𝜎 𝑉𝑉𝑉𝑉���� 𝑉𝑉���2𝑒𝑒𝑉𝑉e𝑛𝑛��
==𝜎𝜎𝜎𝜎=𝑠𝑠𝜎𝜎e𝑛𝑛���
e𝑛𝑛� � e𝑛𝑛
=�𝑚𝑚
𝜎𝜎 𝑚𝑚
�e𝑛𝑛
𝑚𝑚
𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑠𝑠𝑚𝑚 𝑠𝑠𝑚𝑚Fig. 3において、R 2 と C 2 は定数であるのに対し、R 1 、
C 1 はイオンシースに関与するためパルス電圧印加時には時間的に変化する量である。プラズマ密度の算定を行う場
合、まず R 2 および C 2 を知る必要があり、このためにプ
ラズマの代わりにキャパシタと抵抗を負荷として用いる。
ターゲットにパルス電圧を印加して、一定電圧に達する

𝑉𝑉𝑉𝑉
𝑚𝑚
√√𝑚𝑚
��𝑚𝑚
𝑉𝑉� √
𝑚𝑚√𝑚𝑚
1 𝜌𝜌 =𝑉𝑉�111 =1𝑉𝑉
�
√
∙
𝜌𝜌
=
=
∙
𝜌𝜌
=
=
∙
𝜌𝜌
=
=
∙
𝜌𝜌 = = 𝜎𝜎∙ 𝜎𝜎 𝑠𝑠 𝑒𝑒𝑛𝑛𝑠𝑠𝑒𝑒𝑛𝑛����2𝑒𝑒𝑉𝑉
�� �
𝑒𝑒𝑛𝑛
2𝑒𝑒𝑉𝑉
𝜎𝜎
𝑠𝑠𝜎𝜎𝜎𝜎 𝑒𝑒𝑛𝑛𝑠𝑠�𝑠𝑠�2𝑒𝑒𝑉𝑉
𝑒𝑒𝑛𝑛
2𝑒𝑒𝑉𝑉
� ��
�� �2𝑒𝑒𝑉𝑉

から
から
からから
から
から

までの時間を立ち上がり時間τr、モジュレータ出力がオフとなった以降、電圧が元の状態に復帰する時間を立ち下

𝑉𝑉𝑉𝑉
𝑚𝑚
�
√√𝑚𝑚
�𝑉𝑉�
𝑉𝑉
�
𝑚𝑚
�𝑉𝑉
���
�
√𝜌𝜌𝑚𝑚=𝜌𝜌√
�√∙𝑚𝑚
=
∙
𝜌𝜌
=
∙
∙
𝜌𝜌 = 𝜌𝜌 =∙ 𝑒𝑒𝑛𝑛� 𝑒𝑒𝑛𝑛𝑠𝑠 �√𝑠𝑠2𝑒𝑒𝑒𝑒𝑛𝑛� 𝑠𝑠 𝑒𝑒𝑛𝑛
√2𝑒𝑒
� 𝑠𝑠
2𝑒𝑒
√2𝑒𝑒
2𝑒𝑒
� 𝑠𝑠 √
√𝑒𝑒𝑛𝑛

が得られ
が得られ
が得られ
が得られ
が得られ
― 147 ―𝑚𝑚𝑉𝑉
�𝑚𝑚𝑉𝑉
111 �1�𝑚𝑚𝑉𝑉
𝑚𝑚𝑉𝑉
𝑠𝑠 = 𝜌𝜌 𝑠𝑠𝑠𝑠1𝑠𝑠 =𝑠𝑠 𝑚𝑚𝑉𝑉
𝑅𝑅
��� �
�
�
𝑅𝑅
=
𝜌𝜌
=
�
�
𝑅𝑅
=
𝜌𝜌
=
𝑅𝑅
=
𝜌𝜌
=
𝑅𝑅� = 𝜌𝜌 �� � 𝐴𝐴 𝐴𝐴𝑒𝑒𝑛𝑛� 𝑒𝑒𝑛𝑛𝐴𝐴
2𝑒𝑒
𝐴𝐴𝐴𝐴� 𝐴𝐴 𝑒𝑒𝑛𝑛𝑒𝑒𝑛𝑛
2𝑒𝑒 2𝑒𝑒
𝐴𝐴 𝑒𝑒𝑛𝑛2𝑒𝑒� 𝐴𝐴� 𝐴𝐴 � 𝐴𝐴2𝑒𝑒(7)(7)(7)(7)(7)（7）
（8）
(8)

プラズ
す
す
す
すること
度
度
度
度の算定
圧
(8)
(8)
圧
(8)(8)
圧 Vp 圧
を
度
度
度
度の関数

（9）(9)(9)(9)(9) (9)

と
と
と
となり、

お
お
お
および式

と
と
と
となる。
し
(10)
し
し、τfし
を
(10)
(10)
(10) (10)
み
み
み
みとなり

密度
度 jj

√𝑚𝑚 �𝑉𝑉�
1=C1(n𝜌𝜌 =∙(9) となり、式(11)より Cs=s(n(16) (17)i) i)𝑉𝑉� � 𝑠𝑠 √2𝑒𝑒
√𝑚𝑚 �𝑒𝑒𝑛𝑛
および式(10)より
C1=C1(ni)(17)となり、式(11)より
𝜌𝜌 =
∙
(9)
𝑒𝑒𝑛𝑛� 𝑠𝑠 √√2𝑒𝑒𝑚𝑚 �𝑉𝑉�
が得られおよび式(10)より CR
(18)
1=R
1(n
(17)
1=C
1(n
i)i)
𝜌𝜌 =
∙
(9)
田中 武
𝑒𝑒𝑛𝑛
𝑠𝑠
2𝑒𝑒
√
となる。よって式(17)および式(18)を式(14)に代入
�が得られ
R1=R1(ni)(18)
および式(10)より
𝑚𝑚𝑉𝑉�
𝑠𝑠
1
し、
τf
を実測し、
C
を既知とすると未知数はni のとなる。よって式(17)および式(18)を式(14)に代入
�
𝑅𝑅 = 𝜌𝜌 =(10)
2．4 実験方法が得られが得られ
R1=R1(n2i)(18)
𝑠𝑠 � 1 𝐴𝐴 𝑚𝑚𝑉𝑉
𝑒𝑒𝑛𝑛�� 𝐴𝐴 2𝑒𝑒
みとなりターゲット面でのプラズマ密度を算定す
し、
τf4に実験装置の概略図を示す。本装置のチャンバーを実測し、C2 を既知とすると未知数は ni の�となる。よって式(17)および式(18)を式(14)に代入
Fig.
𝑅𝑅� = 𝜌𝜌 =
(10)
𝐴𝐴
𝑒𝑒𝑛𝑛
𝐴𝐴
2𝑒𝑒
𝑚𝑚𝑉𝑉
𝑠𝑠
1
�
�
が求められる。式(10)ではシース長によらない式でることができる。
みとなりターゲット面でのプラズマ密度を算定す（10）
し、τf を実測し、C2 を既知とすると未知数は ni の�𝑅𝑅� = 𝜌𝜌 =(10) 材質はステンレススチール（SUS）である。サイズは高さ
𝐴𝐴 𝑒𝑒𝑛𝑛� 𝐴𝐴 また、
2𝑒𝑒 式(10)に Vp を与えると、あることがわかる。
が求められる。式(10)ではシース長によらない式でることができる。
みとなりターゲット面でのプラズマ密度を算定す
450mm、
幅590mm、 奥 行 き470mm で あ る。SUS 製 電 極
から

R1 を実験値などにより知ることで、ターゲット表
2.4 実験方法あることがわかる。
また、式(10)に Vp を与えると、が求められる。式(10)ではシース長によらない式でることができる。
は接地されたチャンバーから絶縁され、チャンバーの中心が求められる。式（10）ではシース長によらない式であるこ面でのプラズマ密度ni(シース内イオン密度)を求Fig. 4 に実験装置の概略図を示す。本装置のチャR1 を実験値などにより知ることで、ターゲット表
2.4
実験方法に設置されている。本実験に用いた高圧パルスモジュレーとがわかる。また、式（10）に Vpを与えると、Rあることがわかる。
また、
式(10)に Vpを与えると、
1 を実験値
ンバー材質はステンレススチール(SUS)である。サ
面でのプラズマ密度ni(シース内イオン密度)を求Fig. 2.4
4 に実験装置の概略図を示す。
本装置のチャ
タ（栗田製作所）は、繰り返し周波数最大500pps、最大などにより知ることで、ターゲット表面でのプラズマ密度
R1めることができる。
を実験値などにより知ることで、ターゲット表
実験方法

イズは高さ
450mm、
幅 590mm、奥行き470mm でンバー材質はステンレススチール(SUS)である。サniめることができる。
約 8 A の容量をもち、最高15kVの負のパルス電圧をパル（シース内イオン密度）を求めることができる。
面でのプラズマ密度 ni(シース内イオン密度)を求Fig. 4 に実験装置の概略図を示す。
本装置のチャ
2.3.3 漂遊容量めることができる。
平行平板イオンシースの容量 C1 は
2.3.3
漂遊容量
2．
3．3 漂遊容量
平行平板イオンシースの容量
平行平板イオンシースの容量
2.3.3 漂遊容量 𝜀𝜀� 𝐴𝐴C 1 はC1 はある。SUS
製電極は接地されたチャンバーから絶イズは高さ450mm、
幅
590mm、奥行き 470mm でス幅 2 ～30μs
でターゲットに照射することができる。高ンバー材質はステンレススチール(SUS)である。サ
縁され、チャンバーの中心に設置されている。本実ある。SUS
製電極は接地されたチャンバーから絶圧パルス電圧は、パソコン内のコンピュータ制御システ
イズは高さ450mm、幅 590mm、奥行き 470mm で験に用いた高圧パルスモジュレータ(栗田製作所)
縁され、チャンバーの中心に設置されている。本実ム（Fotgen2）により制御される。放電電流－高圧電圧ある。SUS 製電極は接地されたチャンバーから絶
𝐶𝐶� =
(11)
は、繰り返し周波数最大 500pps、最大約 8A の容験に用いた高圧パルスモジュレータ(栗田製作所)
𝜀𝜀� 𝐴𝐴𝑠𝑠
波形の測定にはデジタル・オシロスコープ（waverunner,
平行平板イオンシースの容量
C1 は縁され、チャンバーの中心に設置されている。本実
（11）
𝐶𝐶
=
(11)
�
にて表される。ここでε量をもち、最高 15kVの負のパルス電圧をパルス幅
0 は真空の誘電率である。
は、繰り返し周波数最大500pps、最大約
8A の容
IWATSU-LeCroy社製）を用いて行った。
𝑠𝑠
験に用いた高圧パルスモジュレータ(栗田製作所)
𝜀𝜀� 𝐴𝐴𝐶𝐶=(11)
� 0 は真空の誘電率である。C
C1 の算定にはシース長を知ることが必要である。
2~30μsでターゲットに照射することができる。
にて表される。ここでε量をもち、最高 15kVの負のパルス電圧をパルス幅
ガス種に酸素ガス（99.99995%）、窒素ガス（99.9998%）、 の容高にて表される。ここでεは、繰り返し周波数最大500pps、最大約 8A
1 の算
𝑠𝑠 0 は真空の誘電率である。
Lieberman による解析をもとにしてシース長の算
圧パルス電圧は、
パソコン内のコンピュータ制御シC1 の算定にはシース長を知ることが必要である。
2~30μsでターゲットに照射することができる。
高を用いて行った。それぞれのガスは、チャンバー内の圧力定にはシース長を知ることが必要である。Liebermanによにて表される。ここでε量をもち、最高 15kVの負のパルス電圧をパルス幅
0 は真空の誘電率である。
結論としてはイオンシース
ステム(Fotgen2)により制御される。放電電流－高Liebermanによる解析をもとにしてシース長の算
圧パルス電圧は、
パソコン内のコンピュータ制御シを10Pa 2~30μs程度まで排気し、それぞれのガスを圧力
1 kPa まる解析をもとにしてシース長の算定を行うことができる。
C1定を行うことができる。
の算定にはシース長を知ることが必要である。
でターゲットに照射することができる。
高の持つ容量は漂遊容量に比べて1~2桁程度低い値
圧電圧波形の測定にはデジタル・オシロスコープ
定を行うことができる。
結論としてはイオンシース
ステム(Fotgen2)により制御される。放電電流－高で注入し、この操作を3回繰り返すことでチャンバー内の結論としてはイオンシースの持つ容量は漂遊容量に比べてLieberman による解析をもとにしてシース長の算
圧パルス電圧は、パソコン内のコンピュータ制御シであり無視される。計算に用いたシース長は式(12)(waverunner, になるようにした。
IWATSU-LeCroy 社製)を用いて行っ1~2
桁程度低い値
圧電圧波形の測定にはデジタル・オシロスコープ
ガスの純度を99.999999%
1の持つ容量は漂遊容量に比べて～ 2 桁程度低い値であり無視される。計算に用いたシー定を行うことができる。結論としてはイオンシース
ステム(Fotgen2)により制御される。放電電流－高にて表される。
た。 IWATSU-LeCroy 社製)を用いて行っであり無視される。計算に用いたシース長は式(12)(waverunner,
ス長は式
（12）
にて表される。
の持つ容量は漂遊容量に比べて1~2 桁程度低い値
圧電圧波形の測定にはデジタル・オシロスコープ���
ガ ス 種 にIWATSU-LeCroy
酸 素 ガ ス (99.99995%)、窒素ガスにて表される。
た。 (waverunner,
であり無視される。計算に用いたシース長は式(12)社製)を用いて行っ�� 2𝑒𝑒 � 𝑉𝑉� �
4C2はここで、漂遊容量は200pF以上あり、実験室系
�
ここで、漂遊容量
C
200pF
以上あり、実験室系
��
2
�
(99.9998%)、を用いて行った。
（12）
ガ スた。
種
に酸素ガス
(99.99995%) 、それぞれのガスは、窒素ガス
s = � 𝜀𝜀� � � � � �
(12)
� 𝑡𝑡
� 2𝑒𝑒
4にて表される。
3 � 𝑉𝑉�𝑚𝑚における小型のターゲットの場合における小型のターゲットの場合
�
(𝑒𝑒𝑛𝑛
)
�
チャンバー内の圧力を10Pa程度まで排気し、そ� 𝑡𝑡 �
(99.9998%)、s = � 𝜀𝜀� � � ��(12)
�ガ スを用いて行った。
種 に 酸 素 ガ ス それぞれのガスは、(99.99995%) 、 窒 素 ガ ス
��� 𝑉𝑉� �
2𝑒𝑒>>C14 𝑚𝑚 C
(13)
CC232>>C1(13)
ここで、漂遊容量C�22は200pFは200pF以上あり、実験室系
�
ここで、漂遊容量
Cは200pF以上あり、実験室系
2
ここで、漂遊容量以上あり、実験室系におここで、漂遊容量
Cは200pF以上あり、実験室系
2 �
チャンバー内の圧力を10 Pa 程度まで排気し、そ�(99.9998%)、を用いて行った。
それぞれのガスは、�)s = � 𝜀𝜀� � �(𝑒𝑒𝑛𝑛
(12)
� 𝑡𝑡
3
𝑚𝑚を考慮した場合の印加電と扱うことができる。Cを考慮した場合の印加電と扱うことができる。C11における小型のターゲットの場合における小型のターゲットの場合ける小型のターゲットの場合における小型のターゲットの場合(𝑒𝑒𝑛𝑛� )�
チャンバー内の圧力を 10 Pa 程度まで排気し、そ圧の立ち下りにおける時定数τfは圧の立ち下りにおける時定数τfはC2>>C1
(13)
（13）
>>C1
(13)
CC22>>C1(13)(𝐶𝐶�� +
)𝑅𝑅�1�を考慮した場合の印加電圧の立= (𝐶𝐶+𝐶𝐶𝐶𝐶��)𝑅𝑅(14)𝜏𝜏𝜏𝜏�� =(14)と扱うことができる。C
1 を考慮した場合の印加電と扱うことができる。Cを考慮した場合の印加電と扱うことができる。Cと扱うことができる。C11を考慮した場合の印加電となる。式(13)を考慮すればとなる。式(13)を考慮すれば
圧の立ち下りにおける時定数τf
ははち下りにおける時定数τfは圧の立ち下りにおける時定数τfは圧の立ち下りにおける時定数τf=(𝐶𝐶
𝐶𝐶��(𝐶𝐶
𝑅𝑅+
𝐶𝐶=
𝑅𝑅(𝐶𝐶
𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏𝜏���𝜏𝜏=
𝜏𝜏=
��𝐶𝐶
++
𝐶𝐶𝐶𝐶��)𝑅𝑅��� )𝑅𝑅�)𝑅𝑅���� =(15) (14)
(15)
（14）
(14)
(14)

となる。式(13)を考慮すればとなる。式（13）を考慮すればとなる。式(13)を考慮すればとなる。式(13)を考慮すればとなり、実測されるτfによりをとなり、実測されるτf
CC22により
RR11を𝜏𝜏� 𝜏𝜏=𝐶𝐶=� 𝑅𝑅(15)
流密度j𝜏𝜏�� =
𝑅𝑅と漂遊容量(15)
電流密度jj
𝐶𝐶𝐶𝐶��𝑅𝑅と漂遊容量
(15)
電流密度
�� （15）
算定することができる。
算定することができる。
となり、実測されるτf と漂遊容量 C 2 により R 1 を算定す

(6)
6)

7)
7)
)

(8)(8)(8)9)9)となり、実測されるτf
と漂遊容量
C2 C
により
R1 R
を
ることができる。
となり、実測されるτfと漂遊容量
C22によりによりR11ををとなり、実測されるτf
と漂遊容量

2.3.4
プラズマ密度の算定
2.3.4
プラズマ密度の算定
算定することができる。
算定することができる。
算定することができる。
プラズマ密度は簡易的に式(10)により行う算定プラズマ密度は簡易的に式(10)により行う算定2．
3．4 プラズマ密度の算定することができる。しかし、より正確にプラズマ密することができる。しかし、より正確にプラズマ密
プラズマ密度は簡易的に式（10）により行う算定すること
2.3.4
プラズマ密度の算定
2.3.4
プラズマ密度の算定
2.3.4
プラズマ密度の算定
度の算定を行うためにはパルス幅および印加電度の算定を行うためにはパルス幅
tt および印加電ができる。しかし、より正確にプラズマ密度の算定を行う
プラズマ密度は簡易的に式(10)により行う算定プラズマ密度は簡易的に式(10)により行う算定プラズマ密度は簡易的に式(10)により行う算定
圧Vpを与えることにより、シース長はプラズマ密t および印加電圧 Vp を与えることによ
圧 ためにはパルス幅
Vpを与えることにより、シース長はプラズマ密することができる。しかし、より正確にプラズマ密することができる。しかし、より正確にプラズマ密することができる。しかし、より正確にプラズマ密度の関数となる。すなわち、度の関数となる。すなわち、り、シース長はプラズマ密度の関数となる。すなわち、度の算定を行うためにはパルス幅t および印加電度の算定を行うためにはパルス幅および印加電度の算定を行うためにはパルス幅
tt および印加電（16）s=s(ni)i)
(16)
圧圧
Vp
を与えることにより、シース長はプラズマ密
s=s(n
(16)
圧Vp
Vp
を与えることにより、シース長はプラズマ密を与えることにより、シース長はプラズマ密となり、式(11)よりとなり、式（11）よりとなり、式(11)より度の関数となる。すなわち、度の関数となる。すなわち、度の関数となる。すなわち、=C1s=s(n(ns=s(n(17)
CC11=C)i) i) i)i（17）(17)
1(nis=s(n) (16)(16)(16)

および式(10)よりおよび式（10）よりおよび式(10)よりとなり、式(11)よりとなり、式(11)よりとなり、式(11)より

=R
(n
(18)
RR11=R(n
1C
C1C)(ni)i（18）
(17)
1=C
i=C
1)i)(n11i(n) (18)
(17)
(17)
11=C

Fig. 4

実験装置概略図

2．5 実験結果
2．5．1 印加電圧依存性
Fig. 5に酸素ガスを用いたときの、自己点弧プラズマにより取得された、ターゲット電流および印加電圧波形を示す。また、Fig. 6に窒素ガスを用いたときの、自己点弧プ
ラズマにより取得された、ターゲット電流および印加電圧波形を示す。これらのガス圧は 3 Pa である。
電流の特性をみてみると、酸素ガスおよび窒素ガスともに、印加電圧の増加にしたがって電流は大きくなる。電圧が印加されてから、約2.5μs の時間で立ち上がり、ピークに達したあと、定常電流となる。印加電圧の終了とともに、所定の時定数をもって電流も流れなくなる。酸素ガスにおいて、印加電圧10kV のとき、定常電圧は約6.2A 流れる。また、窒素ガスでは、印加電圧10kV のとき、定常電となる。よって式（17）および式
（18）
を式
（14）
に代入し、τfとなる。よって式(17)および式(18)を式(14)に代入となる。よって式(17)および式(18)を式(14)に代入
および式(10)よりおよび式(10)よりおよび式(10)より流は約5.2A 流れることがわかる。しかしながら、酸素ガを実測し、Cni のみとなりター
し、
τfを実測し、を実測し、Cを既知とすると未知数はの2 を既知とすると未知数は
し、
τf
R1C
=R
)(ni)i)(18)
0)
1(n11i(nR2121を既知とすると未知数は=R(18) nniiの
)
R
=R
(18)
ゲット面でのプラズマ密度を算定することができる。
みとなりターゲット面でのプラズマ密度を算定す
みとなりターゲット面でのプラズマ密度を算定すとなる。よって式(17)および式(18)を式(14)に代入となる。よって式(17)および式(18)を式(14)に代入 スおよび窒素ガスにおいて、 8 kV 以下では同程度の電流となる。よって式(17)および式(18)を式(14)に代入
式でることができる。
式で
し、
τfτf
を実測し、
C2 C
を既知とすると未知数は
ni の
し、
τf
を実測し、
C22を既知とすると未知数はを既知とすると未知数は
の
し、
を実測し、
nni iの10)(10) ることができる。
(10)
―
148 ―
と、
と、
みとなりターゲット面でのプラズマ密度を算定す
みとなりターゲット面でのプラズマ密度を算定す
みとなりターゲット面でのプラズマ密度を算定す
ト表
2.4ることができる。
実験方法
ト表
実験方法
い式で
らない式で
ることができる。
ない式で2.4
ることができる。
を求Fig.
に実験装置の概略図を示す。本装置のチャを求Fig. 44に実験装置の概略図を示す。本装置のチャ
ると、
与えると、

プラズマイオン注入法を用いた薄膜形成、および表面処理量であることがわかる。このことから、同じ印加電圧でも高電圧になるほど、定常電流に差が出ることがわかる。これは、ガス種による二次電子放出率の違いによるものだと考えられる。
外部プラズマ（RF バーストプラズマ）と自己点弧プラ
ズマの二重構造のプラズマで得られた電流波形では、初期にピークを持ち、減少ののち、定常となる電流波形となる。
この初期にピークを持つ電流は RF プラズマによるもので11）あり、そののちの電流は自己点弧プラズマによるものである。

（a）印加電圧波形

自己点弧プラズマのみでプラズマを生成させた電流波形
では、印加電圧のオーバーシュート部分でプラズマが生成され、その間に電流波形が立ち上がり定常電流を示すことが確認された。
窒素ガスおよび酸素ガスの自己点弧プラズマ生成について、0.8kV では自己点弧プラズマの点灯は観察されなかった。 4 kV 以降では、明確な自己点弧プラズマの生成が観察された。電流値が、0.26A 流れたとき目視で自己点弧プラズマの発光が観察され、さらに電流値を増加させることで、強い発光が観察された。9）（b）ターゲット電流波形

本実験において、酸素ガスおよび窒素ガスともに印加電
圧は 2 kV 以上としているので、自己点弧プラズマにおいてプラズマが生成されている範囲でシース内イオン密度のFig. 6

取得されたターゲット電流および印加電圧波形（窒素）算定を行った。この結果を、酸素ガスおよび窒素ガスの算
定結果を Fig. 7に示す。算定方法については、2.3に示すとおりである。
この結果から、酸素ガス及び窒素ガスにおいてシース内
イオン密度が算定されることが示された。また、印加電圧を増加させることで、シース内イオン密度が増加している
ことが示された。印加電圧10kV において、酸素ガスでは、
シース内イオン密度は48×108cm- 3 であった。また、窒素ガスでは、シース内イオン密度は59×108cm- 3 であった。

（a）酸素（a）印加電圧波形（b）窒素Fig. 7（b）ターゲット電流波形
Fig. 5取得されたターゲット電流および印加電圧波形（酸素）― 149 ―

シース内イオン密度算定結果

田中

武

2．5．2 圧力依存性
圧力を変化させたときの自己点弧プラズマのシース内イ
オン密度の算定を行う。自己点弧プラズマによるターゲッ
ト電流および印加電圧波形を、酸素ガスについては Fig. 8に示し、窒素ガスについては Fig. 9に示す。それぞれの印
加電圧波形を見てみると、酸素ガスおよび窒素ガスともに、圧力が高い時（10Pa）は立ち下がりが鋭くなっているのに対して、圧力が低くなっていくことで立ち下がりが緩やかになっているのがわかる。この、立ち下がりの違いによっ（a）印加電圧波形てシース内イオン密度が変わってくると考えられる。
このときの電流波形を見てみると、印加電圧を 4 kV と一定としても、圧力が高くなると、電流量が増加している
ことがわかる。これは、圧力が高くなることで初期密度が異なるため、その違いにより、電流量が違うと考えられる。
チャンバー空間にある電荷が、電流に変化したものだと考えられる。
印加電圧を増加させたときと同様に、圧力を増加させたことで、電流量は増加し、10Pa において酸素ガスと窒素
ガスでは約 2 A の電流量の違いがみられた。これは、ガス種の違いによるものだと考えられる。
圧力を変化させたとき、圧力が高くなるほど自己点弧プ（b）ターゲット電流波形
Fig. 8圧力を変化させたときのターゲット電流および印加電圧波形（酸素）

ラズマの点灯に必要な電圧値が小さくなっている。圧力が高いほど、初期密度が多いため低い電圧値でのプラズマ生成が可能だと考えられる。自己点弧プラズマにおいて、圧力が高いほうがプラズマ点灯に必要な電圧値が低いことが示唆された。9）圧力を変化させたときの自己点弧プラズマによるシース
内イオン密度の算定結果を、酸素ガスおよび窒素ガスについて Fig. 10に示す。印加電圧波形からみてわかるように、立ち下がりが鋭いほうがシース内イオン密度は高くなるため、そのように算定結果にも表れている。

（a）印加電圧波形

酸素ガスおよび窒素ガスにおいて、圧力を上昇させることによってシース内イオン密度は増加していることが示された。これは、初期密度の違いによるものだと考えられる。

（b）ターゲット電流波形
Fig. 9― 150 ―

圧力を変化させたときのターゲット電流および印加電圧波形（窒素）プラズマイオン注入法を用いた薄膜形成、および表面処理（a）酸素（a）印加電圧波形（b）窒素Fig. 10（b）ターゲット電流波形

圧力依存性によるシース内イオン密度算定結果

Fig. 11RF 電力依存性によるターゲット電流および印加電圧波形（酸素 )2．5．3 RF 電力依存性
RF 電 力 依 存 性 に よ る シ ー ス 内 イ オ ン 密 度 の 算 定 を行 う。 印 加 電 圧 を 6 kV と し RF 電 力 を80VA、160VA、
240VA と変化させたときの印加電圧波形およびターゲッ
ト電流波形を、酸素は Fig. 11に示し、窒素ガスは Fig. 12に示す。RF 電力を用いたとき、印加電圧波形は立ち上がりの直後に少し戻っている。この部分は、ターゲット電流
波形の立ち上がり部分と一致している。自己点弧プラズマによるものと違い、RF プラズマによるターゲット電流波
形は、初期にピークを持ち、そののち緩やかに減少していき印加電圧の終了とともにターゲット電流も終了してい（a）印加電圧波形る。この初期にピークを持つ部分が RF プラズマによるイ
オン電流だと考えられる。13）
RF 電力を用いたときのシース内イオン密度の算定結果
を、酸素ガスおよび窒素ガスによるものを Fig. 13に示す。
自己点弧プラズマを用いたときに比べて、RF 電力を用いたほうが酸素ガスおよび窒素ガスともにシース内イオン密度が多少増加していることがわかる。
RF 電力でも多少の変化がみられたのは、80VA と240VA
では、バースト波形において違いがみられたため、プラズマの状態にも違いがみられたものだと考えられる。

（b）ターゲット電流波形
Fig. 12― 151 ―

RF 電力依存性によるターゲット電流および印加電圧波形（窒素）田中武（b）ターゲット電流波形（a）酸素Fig. 14窒素のターゲット電流および印加電圧波形（b）窒素Fig. 13RF 電力を用いたときのシース内イオン密度算定結果
Fig. 15

2．5．4 二次電子放出率

窒素のターゲット電流―印加電圧特性

イオンが金属材料に衝突すると、衝突した金属から電子Fig. 14に窒素のターゲット電流および印加電圧波形をが放出される場合がある。これを二次電子放出といい、衝示す。 4 kV 以下では明確な電流波形を観測することはで突したイオンあたり何個の電子が放出されるかを二次電子きなかった。 8 kV 以上では明確な電流波形であり、印加放出係数という。金属材料において、イオンのエネルギー

電圧の増加に伴い、電流波形の立ち上がり時間が短くなが低い場合（ 1 keV 以下）では二次電子放出係数は0.1ぐ

ることが観察された。印加電圧 8 kV において定常電流約らいである。イオンのエネルギーが高い場合（ 1 keV 以上）

4.4A 流れる。

では、二次電子放出係数が大きくなる。20keV のときのス

ここで、 4 kV のときの電流波形では、立ち上がったのテンレススチールでは、二次電子放出係数は4.8である。

ち少し下がって一定になっている。8 kV の電流波形では、

これらのデータについて、Table 1 に窒素イオン（N 2 +）パルス状の波形になっている。この波形の形状の違いには

14）
による 2 次電子放出係数について示す。

二次電子の発生が関係していると考えられる。

ターゲット電流波形を見てみると、 4 kV のときでは初期にピークを持ち、そののち電流波形が下がっているた
め、イオンのエネルギーが低く、二次電子の放出があまりないと考えられる。次に、 8 kV のときでは、初期にピークを持たず、増加したのち一定となっている。これは、二次電子放出によるものだと考えられる。ここで、Fig. 15に窒素のターゲット電流―印加電圧特性を示す。 6 kV 以上
においてターゲット電流が直線的に増加していることがわかる。プラズマ密度をほぼ一定と仮定すると 9 kV におい（a）印加電圧波形て、プラズマ密度をほぼ一定と仮定したときと実際のター
ゲット電流では約 4 倍の違いがみられ、ターゲット電流の約2/3は二次電子放出の増加に起因するものだと考えられる。

― 152 ―

プラズマイオン注入法を用いた薄膜形成、および表面処理
Table 1

窒素イオン（N 2 +）による 2 次電子放出係数

3EnergyMaterial

まとめ

20keV

30keV

40keV

PBII 法においてモジュレータ等価回路を基礎として、

SS304

4.8

6.2

7.3

シース内イオン密度を求めることができた。PBII 法におCopper

3.9

4.9

6.1

いて、滅菌プロセスで使用される自己点弧プラズマを形成

Ti- 6 Al- 4 V

5.0

6.2

7.7

し、取得した放電電流－高圧電圧波形からプラズマ密度おGraphite

8.6

10.8

…

よびシース長の算定を行うことができた。この方法を用い

Al（oxidized）

14.5

18.5

…

て、プラズマ密度、シース長等の今後装置設計するときにAl（etched）

15.8

16.9

19.1

重要なパラメータの一部を求めることができた。
印加電圧の増加または圧力を増加させることで、シース

これらのターゲット電流値をもとに、各電圧の初歩的な内イオン密度が増加することが示された。また、RF 電力

二次電子放出係数の値の仮定を行い、印加電圧の増加に対と併用することで、自己点弧プラズマと比較してシース内するシース内イオン密度の算定の補正値として Fig. 16にイオン密度の増加が示された。
今後、滅菌装置設計などのプラズマを用いた装置設計に、示す。
式（12）を用いて印加電圧に対するシース長の計算結果

本手法を活かすことができる可能性が示唆された。

を、プラズマ密度をパラメータとして計算した結果を図謝

3.17に示す。ここで、パルス幅は6.3μs として計算を行った。求めたプラズマ密度の値を Fig. 17上に示す。シース
長は同程度のものだと考えられる。

辞

本報告書は、広島工業大学大学院工学系研究科電気電子工学専攻の大学院生である、藤村信幸君、下野和洋君、および野口央照君との共同研究を実施し、論文作成、国際会
議や国内会議の発表を中心にまとめており、それらをまとめた大学院生の修士論文を中心に構成されています。広島工業大学内での、研究をまとめるにあたって数々の有益な討論、協力を頂いた広島工業大学生命学部教授博士（工学）角川幸治先生に深く感謝の意を表します。

文（1） 行村献

建：放電プラズマ工学，オーム社（2008）（2） M. Nagatsu： J. Plasma Fusion Res. , Vol. 8 3 , No. 7 ,Fig. 16

pp.601-606（2007）

シース内イオン密度の補正値（3） R
 . Yoshida, H. Kobayashi：”New Findings on Hydrogen
Peroxide Gus Sterilisation”, Japanese Association for
Operative Medicine, Vol.33, No.3, pp273-284（2012）（4） T . Tanaka, T. Hironaka, S. Hayashi , I. Koyama：” Disinfection and sterilization by using plasmabased ion implantation” ELEKTROTECHNICA &ELEKTRONICA E ＋ E, 47（2012）268.
（5） S . Isobe：”Advanced Micro-organism Control Systemwith Non-thermal Processing”, Jpn. J. Food Microbiol,
Vol.27, No. 3 , pp.115-122（2010）（6） J.R. Conrad, J.L. Radtke, R.A. Dodd, F.J. Worzala, N.C.
Tran : J. Appl. Phys, 62, 4591（1987）

Fig. 17

シース長―印加電圧の関係（7） R .J. Adler, S.T. Picraux : Nucl. Instr. Methods Phys.
Res, B6, 123（1985）（8） 行村

建 : 表面技術 , Vol.52, No6, pp.438-441（2001）（9） 電 気学会・プラズマイオン高度利用プロセス調査委員会：― 153 ―

田中

プラズマイオンプロセスとその応用、オーム社（2005）

武（13） 行村

建 : 放電プラズマ工学 , オーム社（2008）

建 , WEI Ronghua：プラズマイオン注入・堆（14） K. Yukimura, WEI Ronghua： ” A New Trend of

積法の新しい展開、J. Plasma Fusion Res. , Vol.80,

Plasma-Based Ion Implantation and Deposition”,

No.4（2004）281

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