解析事例

2極スパッタ装置のプラズマ解析

プラズマとは

よく物質は固体・液体・気体に分けられますが、気体をさらに加熱することでプラズマを生み出すことが可能です。

そのため、プラズマはよく物質の『第4の状態』と表現されます。

プラズマとは物質が電離した状態のこと。

電離とは、分子や原子が壊れて電子とイオンに分かれる現象のこと。

ハカセ
粒子同士（イオン・電子・原子）が衝突しあうことによってプラズマが生まれるんだよ。
どんな環境だとプラズマが生まれるんですか？
はてなさん
ハカセ
主に、太陽などの超高温領域や気体に高い電圧が印可されたときにプラズマは発生するのじゃ。

 

今回は、プラズマを利用する産業用製品である2極スパッタ装置を解析してみます。

 

２極スパッタ装置とは、ターゲットをマイナス極、基材・基板をプラス極にして電圧をかけ、プラズマ中のイオンでターゲットを叩いて成膜する装置のこと

 

２極スパッタ装置は、

  • 半導体製造
  • ディスプレイ製造
  • 医療機器
  • 電子部品製造
  • 光学部品製造

上記のような様々な研究・産業分野で活用されています。

 

図1：２極スパッタ装置の概念図

上図は、スパッタ装置の概念図を示します。

スパッタ装置の成膜過程は下記の通り。

  1. 陰極から放出された電子が粒子と衝突し、プラズマを生成します。
  2. 生成されたプラズマ内のイオンが陰極に引き寄せられてターゲットに衝突します。
  3. ターゲット原子が放出され、基板に堆積し、成膜されます。

 

２極スパッタ装置の解析

当社が提供するPIC PLASMA3Dを用いて、２極スパッタ装置におけるプラズマをシミュレーションしてみましょう。

解析モデルは下記の通り。（FreeCADで作成）

 

解析モデル

陰極から出た電子がプラズマを陰極・陽極間に生成する機構となっています。

上記のようなcadファイルを作成し、陰極から放出される自由電子（プラズマ生成の起源となる粒子）の軌道解析を実施しました。

 

２極スパッタ装置における解析条件

図２：プラズマの生成過程

ハカセ
今回は、プラズマ生成の起源となる陰極から放出される電子をシミュレーションするんじゃ！
上の図でいうと一番最初の電子ってことですか。
はてなさん
ハカセ
そうだよ！製品版（PIC-PLASMA3D）では電離プラズマ（イオンと電子の両方）を計算することもできるので余裕があればやってみるのじゃ。
わかりました！
はてなさん

 

表１：解析条件
解析ソフト PIC PLASMA3D(lite版)
または
PIC PLASMA3D(通常版)
解析タイプ 静電場空間におけるプラズマの挙動解析
初期の電子密度 1.0×1011[個/m3]
電圧 陰極電圧：0[V]
陽極電圧：400[V]
時間刻み幅 1.0×10-11[s]
総シミュレーション時間 1.0×10-8[s]

 

 

解析結果

 

 

図3：陰極から放出される自由電子の解析結果

 

図4：解析モデルにおける静電ポテンシャル

 

上記資料は、実際にPIC-PLASMA3D(lite版)で計算した結果を可視化したものです。

なお、動画内におけるdataは、電子の数密度[個/m3]を表しています。

プラズマを生成する前の陰極から放出される自由電子の軌道をシミュレーションしています。

ハカセ
陰極から放出された電子が、陽極に向かって動いていることが観察できるね。
この電子がプラズマの起源になるってことですか？
はてなさん
ハカセ
その通りだよ！陰極から放出された電子がスパッタ装置内のアルゴンガスと衝突し、プラズマが生まれるんだね。

 

今回用いたcadモデルは簡易的に作成したものであるため、電子数やその他の条件設定は簡略化しています。

なお、PIC-PLASMA3D（通常版）では、上記の解析結果に加えて電子密度や電流密度を可視化することも可能です。

 

上記のようなシミュレーションを行えるPIC_PLASMA3Dを用いて、プラズマ製品の性能向上に是非ご活用ください。

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