PIC software https://pic-software.com Simulation for Research and Engineering Mon, 06 Apr 2026 10:22:12 +0000 ja hourly 1 https://wordpress.org/?v=6.7.1 https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/11/cropped-Copilot_20251120_214348-1-32x32.jpg PIC software https://pic-software.com 32 32 プラズマCVDにおけるプラズマ解析 https://pic-software.com/cvd/ https://pic-software.com/cvd/#respond Mon, 06 Apr 2026 09:12:58 +0000 https://pic-software.com/?p=3639 Copyright © 2026 PIC software All Rights Reserved.

]]> プラズマCVDとは

よく薄膜形成では、材料を基板の上に均一に積み重ねていくことが重要になります。プラズマCVDは、原料ガスをプラズマで活性化し、基板表面で化学反応を起こすことで薄膜を形成する方法です。

熱だけで反応を進める通常のCVDと比べると、プラズマCVDは比較的低温でも反応を進めやすく、半導体・絶縁膜・保護膜などの形成に広く使われています。

プラズマCVDとは、原料ガスをプラズマで分解・励起し、基板表面で反応させて薄膜を形成する成膜プロセスのことです。
エッチングが「削る」技術だとすると、CVDは「積む」技術なんだね。
プラズマを使うと、なぜ低温でも成膜しやすいんですか？
プラズマ中で電子がガス分子にエネルギーを与え、反応しやすい活性種を作るからじゃ。基板温度を過度に上げなくても、表面反応を進めやすくなるのじゃ。

今回は、PIC-PLASMA 3D（プラズマ解析ソフト）を用いて、産業用プラズマCVD装置内のプラズマ分布と基板近傍への粒子到達傾向を解析してみます。

プラズマCVD装置の基本原理

プラズマCVD装置は、反応性ガスをプラズマによって活性化し、基板表面で薄膜を成長させる装置です。たとえばSiH4やNH3、O2などの原料ガスを導入し、RF電力で放電させることで、イオン・電子・ラジカルを生成します。

基本原理は下記の通りです。

  1. 真空チャンバー内に原料ガスと希釈ガスを導入する
  2. 上部電極またはシャワーヘッドと下部ステージの間に高周波電力を印加する
  3. 電子がガス分子と衝突し、電離・励起・解離を起こしてプラズマを形成する
  4. 生成されたラジカルやイオンが基板近傍へ輸送される
  5. 基板表面で吸着・反応・再結合が起こり、薄膜が形成される

ラジカルの役割：プラズマ中で生成された中性ラジカルは、基板表面での化学反応に大きく関与します。膜形成に必要な前駆体として働き、組成や成膜速度に影響を与えます。

イオンの役割：イオンは基板近傍のシース電界で加速されて表面に到達します。過度に強いイオン衝撃は膜ダメージや欠陥増加につながる一方、適度なイオンアシストは膜質改善や緻密化に寄与します。

つまり、プラズマCVDでは化学反応を担うラジカル輸送と表面状態に影響するイオン入射の両方を適切に制御することが重要になります。

プラズマCVD解析で何を見るのか

プラズマCVD装置では、成膜速度だけでなく、膜厚分布・膜質・基板ダメージ・装置内の反応均一性が重要です。そのため、シミュレーションでは次のような点を把握する価値があります。

  • チャンバー内のプラズマ密度分布
  • 基板上方の電位・電場分布
  • イオンの到達方向とエネルギー傾向
  • ガス導入口から基板までの粒子輸送の偏り
  • 成膜の均一性に影響する空間分布

特に、基板全面で均一に薄膜を形成したい場合、放電領域の広がり方やシャワーヘッド形状、ステージ位置、チャンバー寸法のバランスが重要になります。

プラズマCVD装置内におけるプラズマ分布解析

PIC-PLASMA 3Dを用いて、プラズマCVD装置内における放電領域と基板近傍への粒子輸送傾向を確認してみましょう。

解析モデル

今回の解析では、上部にガス導入機構を兼ねたシャワーヘッド電極、下部に基板ステージを持つ簡略化プラズマCVDリアクタを対象としました。製造用の詳細CADではなく、プラズマ生成領域・シース形成領域・基板近傍領域を把握しやすい解析向けモデルを優先しています。

図１：プラズマCVD装置の解析モデル

モデル内では、ガス導入口から供給された原料ガスが上部領域で放電し、生成されたイオン・電子・ラジカルが基板方向へ輸送されることを想定しています。

成膜解析では、基板のすぐ近くの電場や粒子の流れ方が特に重要になるね。

 

解析条件

解析条件は以下の通りです。

解析ソフト PIC-PLASMA 3D
解析タイプ プラズマ解析
解析オブジェクト plasma_cvd_reactor.obj
対象プロセス プラズマCVD
代表ガス種 O2
プラズマ密度 1.0×106[個/m3]
印加条件 上部電極RF印加を模擬した電位差条件
時間刻み幅 1.0×10-8[s]
総シミュレーション時間 2.0×10-5[s]
着目項目 プラズマ分布、電場分布、基板近傍粒子到達傾向

なお、実際の成膜ではガス反応や表面反応の詳細モデル化も重要ですが、今回のモデルではまず装置内部の放電構造と粒子輸送傾向の把握に重点を置いています。

まずは装置形状によって、どこでプラズマが発生し、どの方向へ粒子が流れやすいかをつかむことが重要じゃ。

解析結果

解析結果の一例として、チャンバー内部では上部シャワーヘッド近傍から基板上方にかけて放電領域が形成され、電極間で比較的広いプラズマ生成空間が確保されることが確認できます。

図２：プラズマCVD装置内におけるイオン密度と電場

また、基板近傍ではシースの形成により電場が強まり、イオンが基板方向へ輸送されやすくなります。一方で、チャンバー端部では電場分布や粒子密度に偏りが生じやすく、膜厚均一性に影響する可能性があります。

図３：プラズマイオンの振る舞い・電場分布

図４：ターゲットへの累積の粒子衝突エネルギー

このような解析により、以下のような設計検討につなげることができます。

  • シャワーヘッド位置や開口分布の見直し
  • ステージ高さ・電極間距離の最適化
  • チャンバー寸法と放電空間のバランス検討
  • 基板全面での成膜均一性向上
  • 過大なイオン衝撃の抑制による膜ダメージ低減

成膜プロセスでは、ラジカルを十分に届けつつ、イオン衝撃を必要以上に強くしない設計が大切なんだね。

今回のモデルは簡略化した解析用CADであるため、実機のガス流路や高周波給電部、表面反応の詳細までは省略しています。ただし、PIC-PLASMA 3Dを用いることで、装置形状がプラズマ分布や基板近傍の粒子挙動に与える影響を事前に確認することができます。

まとめ

プラズマCVDは、プラズマ中で生成された活性種とイオンを利用して、比較的低温で高機能な薄膜を形成できる重要なプロセスです。一方で、成膜の均一性や膜質は、装置内部のプラズマ分布や基板近傍の電場構造に大きく左右されます。

PIC-PLASMA 3Dを活用することで、プラズマCVD装置内の放電領域、粒子輸送、電場分布を可視化し、装置設計や条件最適化の検討に役立てることができます。

  • プラズマ密度の空間分布確認
  • 電場ベクトルの可視化
  • 粒子軌道の確認
  • 基板近傍への到達傾向評価
  • 装置形状変更時の比較検討

プラズマCVD装置の初期設計や成膜条件検討に、ぜひPIC-PLASMA 3Dをご活用ください。

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]]> https://pic-software.com/cvd/feed/ 0 3639 電子顕微鏡における電子軌道解析 https://pic-software.com/sem/ https://pic-software.com/sem/#respond Wed, 01 Apr 2026 14:17:58 +0000 https://pic-software.com/?p=3518 Copyright © 2026 PIC software All Rights Reserved.

]]> 今回は、PIC-PLASMA 3D（プラズマ解析ソフト）または、PIC-ELECTRON 3D（電子軌道解析ソフト）を用いて、SEM（走査型電子顕微鏡）内部の電子軌道解析をしてみます。 SEM（走査型電子顕微鏡）は、電子ビームを細く絞って試料表面を走査し、微細な形状や構造を観察する装置です。 光学顕微鏡では観察が難しい微細領域も、電子ビームを用いることで高分解能に観察できます。

SEM内部の電子軌道

図１：SEMにおける電子軌道の概念図

SEMとは SEMでは、電子源から放出された電子を加速し、電磁レンズや絞りで細く整えながら試料に照射します。 試料表面で発生した二次電子や反射電子を検出することで、表面形状や組成の違いを観察できます。
      • 電子の放出 電子源（カソード）から電子を放出します。
      • 電子の加速 アノード電圧によって電子に運動エネルギーを与えます。
      • 電子ビームの収束 電磁レンズや静電レンズにより電子ビームを細く絞ります。
      • 試料への照射 集束した電子ビームを試料表面へ照射します。
      • 信号の検出 二次電子や反射電子を検出して像を形成します。
電子エネルギー 電子が得る運動エネルギーは、加速電圧 V [V] に対して、おおよそ以下で表せます。
E = eV ・e：電子の電荷 ・V：電圧
SEMでは、この加速電圧とレンズ条件によって、電子ビーム径や到達性、試料への入射条件が大きく変わります。 今回は、SEM内部における電子の引き出し、加速、集束の流れをPIC-ELECTRON 3Dで可視化してみます。

SEM解析

PIC-ELECTRON 3Dを用いてSEM内部の電子軌道を解析してみましょう。 解析モデルは下記の通りです。 解析モデル

図２：SEMの解析モデル

上記のようなSEM内部の簡易解析モデルを作成し、電子ビームの生成から試料到達までの過程をシミュレーションしてみます。なお、SEMにおける各部品の役割は下記の通りです。
        • Electron Source 電子を放出する部分です。SEMのビーム品質を決める重要な要素です。
        • Wehnelt Electrode 電子の引き出し量や初期収束状態を調整する電極です。電子ビームの形成を助けます。
        • Anode 電子を加速し、下流へ送り出すための電極です。加速電圧を与える中心部です。
        • Electromagnetic Lens 電子ビームを細く絞るためのレンズです。焦点位置やビーム径に大きく影響します。
        • Aperture 通過する電子の範囲を制限し、不要な広がりを抑える部品です。
        • Sample 電子ビームが照射される観察対象です。ここで二次電子や反射電子が発生します。
        • Vacuum Chamber 電子が空気分子と衝突しないように真空を維持する空間です。
        • Insulator 各電極や構造体を電気的に絶縁し、位置関係を保持する部品です。
解析条件 解析条件は以下の通りです。
解析ソフト PIC-ELECTRON 3D
解析タイプ 電子軌道解析
解析オブジェクト sem.obj
電圧 Cathode：-3000[V]　Anode：0[V]　Sample：0[V]
比誘電率（誘電体） Insulator：9.5
磁場条件 Electromagnetic Lens：解析条件に応じて設定
1nsあたりの生成電子数 10000個
生成電子の初速度 1.0×103 [m/s]
時間刻み幅 1.0×10-11 [s]
総シミュレーション時間 2.0×10-8 [s]
なお、これらの初期条件の設定はソフト内（PIC-ELECTRON 3D）で設定できます。
下図に、PIC-ELECTRON 3Dにおける今回の解析条件の入力画面を示します。

図３：PIC-ELECTRON 3DにおけるSEM解析条件の設定

解析結果

図４：SEM内部における電子軌道解析

上記資料は、実際にPIC-ELECTRON 3Dで計算したSEM内部の電子軌道解析結果の一例です。 図４では、電子源から放出された電子が、加速電圧およびレンズ作用によって細く絞られながら試料方向へ輸送される様子を確認できます。 SEMでは、電子ビームの発散や収束の状態が観察分解能に影響するため、このような電子軌道解析は装置設計や条件最適化に有効です。 なお、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、レンズ条件や部品形状は説明用に簡略化しています。 また、PIC-ELECTRON 3Dでは、上記の計算結果に加えて、さまざまなデータを出力することができます。
  • 電子密度
  • 電流密度ベクトル
  • 電場ベクトル
  • 磁場ベクトル
  • 速度ベクトル
  • 到達エネルギー分布
※上記は一例です。SEMや電子ビームを用いた製品開発・装置設計に、PIC-ELECTRON 3Dをぜひご活用ください。

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]]> https://pic-software.com/sem/feed/ 0 3518 半導体におけるシリコンキャパシタの電場解析 https://pic-software.com/sicapacitor/ https://pic-software.com/sicapacitor/#respond Sat, 21 Mar 2026 08:50:43 +0000 https://pic-software.com/?p=3003 Copyright © 2026 PIC software All Rights Reserved.

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今回は、ELECTRIC-FIELD 3D（電場解析）で半導体内素子の電場解析をしれみます。

半導体における電場解析について

図２：シリコンキャパシタの概念図

半導体内部では、電子や正孔は電場によって加速・移動します。

つまり、電場の分布が分からないと、電流の流れ方、電荷のたまり方、絶縁破壊しやすい場所、スイッチング特性などを正しく把握できません。

主な理由は下記の通りです。

1. 電子・正孔の動きを決めるため
半導体中のキャリアは電場で動くので、電場分布を調べることで、電流経路や電荷輸送の様子を予測できます。MOSFET、ダイオード、IGBT などは特に重要です。

2. 高電界による破壊やリークを防ぐため
局所的に電場が強すぎると、絶縁膜破壊、pn接合のアバランシェ破壊、トンネル電流増加、リーク増大が起こります。
そのため、どこに電場集中が起きるかを解析する必要があります。

3. 素子性能を最適化するため
電場分布は、しきい値電圧、オン抵抗、耐圧、スイッチング速度、寄生容量などに影響します。
解析によって、電極形状、ドーピング分布、絶縁膜厚み、ガードリング配置などを最適化できます。

4. 微細化で問題が顕在化しやすいため
半導体が微細になるほど、狭い領域に電場が集中しやすくなります。
昔は無視できた効果でも、微細デバイスでは短チャネル効果やホットキャリア劣化などが深刻になります。

5. パワー半導体では耐圧設計に直結するため
SiCやIGBT、MOSFETなどのパワーデバイスでは、どこに最大電場が立つかが耐圧を左右します。
終端構造やエッジ部の設計では、電場解析がほぼ必須です。

6. 試作回数を減らせるため
実際に作って測るだけでは時間もコストもかかります。
電場解析を使えば、試作前に問題点を予測し、設計の当たりをつけられます。

今回は、半導体の代表格であるキャパシタの内部やその周辺の電場について解析してみます。

シリコンキャパシタの電場解析

ELECTRIC-FIELD 3Dを用いてシリコンキャパシタの電場解析を実施します。

解析モデルは下記の通り。

解析モデル

図２：シリコンキャパシタの解析モデル

上記のようなシリコンキャパシタの解析モデルを作成し、キャパシタ内部とその周辺の電場分布解析を実施しました。 なお、各部品の役割は下記の通り。

        • Top Pad
          外部から上側電極へ電気的に接続するための端子です。測定器や配線から信号・電圧を入れる入口になります。

        • Top Bus
          Top Pad と Top Electrode をつなぐ配線です。上側電極まで電位を運ぶ導体パターンです。

        • Top Electrode
          コンデンサの上側電極です。Bottom Electrode と向かい合って電界をつくり、容量の主な形成に関わります。

        • Bottom Pad
          外部から下側電極側へ接続するための端子です。GND側や基準電位側の取り出し端子として使われることが多いです。

        • Bottom Bus
          Bottom Pad と Bottom Electrode をつなぐ配線です。下側電極へ電位を伝える役割を持ちます。

        • Bottom Electrode
          コンデンサの下側電極です。Top Electrode と対になって、実際に電荷を蓄える相手側の電極になります。

        • Dielectric Layer
          上側電極と下側電極の間に入る絶縁層です。電流を直接流さずに電界だけを通し、コンデンサとして機能させます。
          この層の厚みや比誘電率が容量値に大きく効きます。

        • Guard Ring
          主電極の周囲に配置される補助導体です。端部の回り込み電界や漏れ電流、寄生容量の影響を抑え、測定安定性や解析精度を高める目的で使われます。

        • Silicon Substrate
          構造全体を支える基板材料です。機械的な支持体であると同時に、実際には寄生容量や電界分布にも影響します。半導体基板であれば、導電率や誘電率の設定が解析結果に効いてきます。

解析条件

解析条件を下記に示します。

解析ソフト PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D or ELECTRIC-FIELD 3D
解析タイプ 電場解析
解析オブジェクト semiconductor.obj
  • Before

 電極・GND・材料定数の設定が不十分なモデル

部品 電圧 比誘電率 εr
Top_Pad +5 V 1.0*
Top_Bus +5 V 1.0*
Top_Electrode 固定しない 1.0*
Bottom_Pad 0 V 1.0*
Bottom_Bus 0 V 1.0*
Bottom_Electrode 固定しない 1.0*
Guard_Ring_W/E/S/N 固定しない 1.0*
Ground_Tie 固定しない 1.0*
GND_Via 固定しない 1.0*
Backside_Ground 固定しない 1.0*
Dielectric_Layer 固定しない 1.0
Silicon_Substrate 0 V固定 1.0

 

  • After
電極電位・接地条件・材料定数を適切に反映したモデル
部品 電圧 比誘電率 εr
Top_Pad +5 V 1.0*
Top_Bus +5 V 1.0*
Top_Electrode +5 V 1.0*
Bottom_Pad 0 V 1.0*
Bottom_Bus 0 V 1.0*
Bottom_Electrode 0 V 1.0*
Guard_Ring_W/E/S/N 0 V 1.0*
Ground_Tie 0 V 1.0*
GND_Via 0 V 1.0*
Backside_Ground 0 V 1.0*
Dielectric_Layer 固定しない 3.9
Silicon_Substrate 固定しない 11.7

なお、これらの初期条件の設定はソフト内(PIC-ELECTRON 3D)で設定できるぞ。

下図に、ELECTRIC-FIELD 3Dにおける今回の解析条件の入力画面を示します。

解析結果

  • Before
【全体】 【切断面】

図３：電極・GND・材料定数の設定が不十分なモデルの電場分布

  • After

【全体】

【切断面】

図４：電極電位・接地条件・材料定数を適切に反映したモデル

上記資料は、実際にELECTRIC-FIELD 3Dで計算した実際の解析結果です。

After条件では、主電極・対向電極・ガードリング・裏面GNDの電位条件を適正化したことで、電場の閉じ方が明確になり、Before条件で見られた浮遊導体由来の不安定な電場分布が解消される結果が得られています。。

なお、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、電極電圧やその他の条件設定は簡略化しています。

※上記は一例です。 製品開発に電場解析ソフトのELECTRIC-FIELD 3Dを是非ご活用ください。

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]]> https://pic-software.com/sicapacitor/feed/ 0 3003 電子銃における電子の引き出しと電子ビーム解析 https://pic-software.com/electrongun/ https://pic-software.com/electrongun/#respond Fri, 20 Mar 2026 06:26:16 +0000 https://pic-software.com/?p=2952 Copyright © 2026 PIC software All Rights Reserved.

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今回は、PIC-PLASMA 3D（プラズマ解析ソフト）または、PIC-ELECTRON 3D（電子軌道解析ソフト）で電子銃内の電子軌道解析をしてみます。

電子銃は、電子を発生させて、加速し、細くそろえて飛ばす装置です。

真空中で電子ビームを作るために使われ、電子顕微鏡、CRT、X線管、一部の加速器などで利用されます。

電子銃内の電子

図１：電子銃における電子軌道の概念図

電子の放出

一般的な電子銃では、陰極（カソード）から電子が放出されます。

電子の放出には次の３通りの方法があります。

      • 熱電子放出
        フィラメントや陰極を加熱して、電子を飛び出させる方法

      • 電界放出
        非常に強い電場で電子を引き抜く方法

      • 光電子放出
        光を当てて電子を放出させる方法

電子銃では、上記のうち熱電子放出 がよく用いられます。

電子の引き出しと加速

  1. 陰極から電子を出す
  2. 陽極方向へ引っ張る
  3. 加速させる

上記の過程を経て電子ビームが形成されます。 なお、電子が得られるエネルギーは、下記から算出できます。 電位差を V [V] とすると、電子が得る運動エネルギーはおおよそ

で表せます。

今回は、電子銃における電子の引き出し過程と電子ビーム生成をPIC-ELECTRON 3Dで可視化してみます。

電子銃解析

PIC-ELECTRON 3Dを用いて電子銃内の電子を解析してみましょう。

解析モデルは下記の通り。

解析モデル

図２：電子銃の解析モデル

上記のような電子銃の解析モデルを作成し、電子の引き出しと、電子ビームの生成過程をシミュレーションしてみます。 なお、電子銃における各部品の役割は下記の通り。

        • Mount Flange
          装置全体を真空チャンバーや外部機構に固定する部分です。位置決め、支持、接地の役割を持つことが多いです。電子銃本体を安定して取り付ける土台になります。
        • Grid Electrode
          カソード近傍で電子の引き出し量を調整する電極です。電子を出すか出さないか、どの程度流すかを制御する役目があります。いわば電子ビームの“ゲート”に近い部品です。
        • Focus Electrode
          放出された電子が広がりすぎないように、電界でビーム形状を整える部品です。電子を細くまとめたり、発散を抑えたりして、後段で扱いやすいビームにします。
        • Ceramic Spacer
          電極同士を電気的に絶縁しながら、機械的な位置関係を保つ部品です。高電圧がかかる部位では特に重要で、短絡防止と精密な電極配置の両方を担います。
        • Anode
          電子を加速して前方へ引き出す電極です。ビームに運動エネルギーを与え、下流側へ飛ばします。電子銃の加速部として中心的な役割を持ちます。

解析条件

解析条件は以下の通りです。

解析ソフト PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D
解析タイプ 電子軌道解析
解析オブジェクト electron_gun.obj
電圧 Cathode：-3000[V]  GridElectrode：2950[V] FocusElectrode：2000[V] その他：0[V]
比誘電率（誘電体） CeramicSpacer：9.5
1nsあたりの生成電子数 10000個
生成電子の速度 1.0× 104[m/s]
時間刻み幅 1.0×10-11[s]
総シミュレーション時間 2.0×10-8[s]

なお、これらの初期条件の設定はソフト内(PIC-ELECTRON 3D)で設定できるぞ。
下図に、PIC-ELECTRON 3Dにおける今回の解析条件の入力画面を示します。

図３：PIC-ELECTRON 3Dにおける解析条件の設定

解析結果

図４：電子銃における電子軌道解析

上記資料は、実際にPIC-ELECTRON 3Dで計算した実際の解析結果です。

図４は、電子銃における電子の引き出しと加速電圧による電子ビームの生成過程をシミュレーションしています。

なお、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、電極電圧やその他の条件設定は簡略化しています。

また、PIC-ELECTRON 3Dでは、上記の計算結果に加えて、さまざまなデータを出力することができます。

  • 電子密度
  • 電流密度ベクトル
  • 電場ベクトル
  • 速度ベクトル

※上記は一例です。 電子を用いた製品開発にPIC-ELECTRON 3Dを是非ご活用ください。

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]]> https://pic-software.com/electrongun/feed/ 0 2952 プラズマのアーク放電解析 https://pic-software.com/arcplasma/ https://pic-software.com/arcplasma/#respond Tue, 17 Mar 2026 12:12:00 +0000 https://pic-software.com/?p=2920 Copyright © 2026 PIC software All Rights Reserved.

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プラズマとは

図１：物質の4つの状態

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。
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？
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、PIC-PLASMA 3D（プラズマ解析ソフト）でプラズマ放電の解析をしてみます。

先ほどの説明通り、電気的に中性な気体が電離して、自由電子とイオンを多く含む状態になったものをプラズマと呼びます。

つまりプラズマは、「電気を通しやすくなった高エネルギー状態の気体」と考えることができます。

 

アーク放電が起こる仕組み

図２：プラズマにおけるアーク放電の概念図

アーク放電とは

通常、空気などの気体は電気を通しにくい絶縁体です。

しかし、電極間に十分高い電圧がかかると、気体中の分子が電離して電子とイオンに分かれます。

このとき気体は導電性を持ち、電流が流れ始めます。これが放電の始まりです。

 

アーク放電発生の流れ

      1. 高電圧が加わる：電極間に強い電界が生じます。

      2. 初期電子が加速される：気体中にわずかに存在する自由電子が電界で加速されます。

      3. 衝突電離が起こる：加速された電子が気体分子に衝突し、さらに電子とイオンを生みます。これが連鎖的に増えることで、電極間に導電経路ができます。

      4. 電流が急増し、発光・高温化する：大電流が流れると放電路の温度が非常に高くなり、気体は強く電離したプラズマ状態になります。この高温・高輝度の放電がアーク放電です。

アーク放電解析

PIC PLASMA 3Dを用いて、アーク放電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。

解析モデル

図３：アーク放電の解析モデル

上記のようなアーク放電の解析モデルを作成し、電子軌道と大気（中性粒子）との衝突によるプラズマ生成過程のシミュレーションを実施しました。

なお、プラズマの発生機構は下記の通りです。

図４：プラズマの生成過程

解析条件

解析条件は以下の通りです。

解析ソフト PIC-PLASMA 3D
解析タイプ プラズマ解析
解析オブジェクト plasma_arc.obj
プラズマ粒子種 O₂
ガス圧（大気圧） 1.01325 × 105[Pa]
温度 300[K]
電圧 electrode1：0[V] , electrode2：500[V]
1nsあたりの生成電子数 10000個
生成電子の速度 1.0× 104[m/s]
時間刻み幅 1.0×10-11[s]
総シミュレーション時間 2.0×10-8[s]
なお、これらの初期条件の設定はソフト内(PIC-PLASMA3D)で設定できるぞ。

 

下図に、PIC-PLASMA 3Dにおける今回の解析条件の入力画面を示します。

図５：PIC-PLASMA 3Dにおける解析条件の設定

 

解析結果


図６：電極間電子の解析結果


図７：電子とガスの衝突位置

上記資料は、実際にPIC-PLASMA3Dで計算した実際の解析結果です。

図６は、プラズマ内の電子の振る舞いをアニメーションで可視化しています。

図７は、電子と酸素ガスとの相互作用で発生した酸素イオンを表示しています。

なお、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、電極電圧やその他の条件設定は簡略化しています。

また、PIC-PLASMA 3Dでは、上記の計算結果に加えて、さまざまなデータを出力することができます。

  • 電子密度
  • 電流密度ベクトル
  • 電場ベクトル
  • 速度ベクトル
  • 背景ガスやジェットガスにおけるプラズマとの衝突

※上記は一例です。 プラズマ製品の開発にPIC-PLASMA 3Dを是非ご活用ください。

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プラズマとは

図１：物質の4つの状態

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。
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？
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、PIC-PLASMA 3D（プラズマ解析ソフト）で産業用製品のプラズマ切断機を解析してみます。

プラズマ切断機は、電気エネルギーでガスをプラズマ化し、その超高温・高速の噴流で金属を溶かして吹き飛ばすことで切断します。

 

図２：プラズマ切断機の概念図

基本原理は下記の通りです。


    1. ガス供給
    2. アーク発生
    3. ガスが電離してプラズマ化
    4. プラズマジェットにより金属を融解
    5. 融解金属を排出
    6. 切断

 

プラズマ切断は、鉄・ステンレス・アルミなどの導電性材料に対して使われ、圧縮空気や窒素などのガスを細いノズルから流しながら、トーチ内部の電極と母材の間にアークを発生させます。

このアークによってガスが電離し、導電性をもつ高温のプラズマ流になり、金属を『溶かす』だけでなく『吹き飛ばす』ところまでを含めて切断されます。

装置内部では、基板を置く電極に高周波を印加することで自己バイアス電圧が生じ、イオンが基板へほぼ垂直に入射しやすくなります。そのため、微細なパターンを横に広げず、深く正確に加工できます。

プラズマエッチング装置の特徴は、

  • 金属を速く切れる
  • 中厚板にも強い
  • 比較的高精度
  • 設備の汎用性が高い

という点です。

一方で、

  • 熱影響や消耗部品管理が必要

などが課題になります。

要するに、プラズマエッチング装置は、真空中で発生させたプラズマの化学反応性とイオン衝撃を利用して、材料表面を精密に除去する装置です。

プラズマ切断機におけるターゲットへの負荷解析

PIC PLASMA 3Dを用いて、プラズマ切断機におけるターゲットへの衝突シミュレーションをしてみましょう。

解析モデルは下記の通り。

解析モデル

図３：プラズマエッチング装置の解析モデル

上記のようなプラズマ切断機モデルを作成し、プラズマの軌道解析とtargetへの衝突シミュレーションを実施しました。

なお、プラズマの発生機構は下記の通りです。

図４：プラズマの生成過程

解析条件

解析条件は以下の通りです。

解析ソフト PIC-PLASMA 3D
解析タイプ プラズマ解析
解析オブジェクト plasmacutting.obj
プラズマ粒子種 O₂
プラズマ密度 1.0×1011[個/m3]
累積エネルギー対象オブジェクト target
電圧 target：-500[V] , arc ：0[V] , electrode：500[V]
時間刻み幅 1.0×10-9[s]
総シミュレーション時間 2.0×10-6[s]
なお、これらの初期条件の設定はソフト内(PIC-PLASMA3D)で設定できるぞ。

図５：PIC-PLASMA 3Dにおける解析条件の設定

 

解析結果


図６：プラズマ切断機におけるプラズマイオンの軌道解析

 
 

図７：ターゲットにおけるプラズマの累積衝突エネルギー

 

上記資料は、実際にPIC-PLASMA3Dで計算した実際の解析結果です。

図６は、プラズマ内のイオン(O₂+)の振る舞いをアニメーションで可視化しています。 図７は、ターゲットとプラズマの累積衝突エネルギー（運動エネルギー）を示しています。

ガスの放電によって発生したプラズマ内のイオンがターゲットに衝突していることが確認できるね。
この衝突エネルギーによってターゲット材料を微細に削ることができるんだ！

なお、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、電極電圧やその他の条件設定は簡略化しています。

また、PIC-PLASMA 3Dでは、上記の計算結果に加えて、さまざまなデータを出力することができます。

  • 電子密度
  • 電流密度ベクトル
  • 電場ベクトル
  • 速度ベクトル
  • 背景ガスやジェットガスにおけるプラズマとの衝突

※上記は一例です。 プラズマ製品の開発にPIC-PLASMA 3Dを是非ご活用ください。

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図１：物質の4つの状態

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。
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？
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、PIC-PLASMA 3D（プラズマ解析ソフト）で産業用製品のプラズマエッチング装置を解析してみます。

プラズマエッチング装置は、プラズマ中の活性種やイオンを利用して材料表面を削る装置です。半導体製造では、シリコンや絶縁膜、金属膜を微細加工するために広く使われます。

図２：プラズマエッチングの概念図

基本原理は下記の通りです。

  1. 真空容器内に反応性ガスを導入し、そこに高周波電力を加える
  2. ガスを放電させ、プラズマを発生させる。
  3. 化学的作用 と 物理的作用 の組み合わせでターゲット材料を削る

化学的作用では、プラズマ中で生成されたラジカルが被加工材料の表面と反応し、揮発性の生成物を作ります。たとえば、シリコンにフッ素系ラジカルが反応すると、気体として排気しやすい生成物になり、表面が除去されます。

物理的作用では、プラズマ中の正イオンが電界によって基板側に加速され、表面に衝突します。このイオン衝撃により表面原子がたたき出されたり、反応が促進されたりします。これによって、単なる化学反応だけでは得にくい異方性エッチング、つまり縦方向に掘り進める加工が可能になります。

装置内部では、基板を置く電極に高周波を印加することで自己バイアス電圧が生じ、イオンが基板へほぼ垂直に入射しやすくなります。そのため、微細なパターンを横に広げず、深く正確に加工できます。

プラズマエッチング装置の特徴は、

  • 微細加工に適している
  • 異方性加工ができる
  • 反応ガスを選ぶことで材料ごとの選択性を持たせられる

という点です。

一方で、

  • 過剰なイオン衝撃による基板損傷
  • マスクの消耗
  • 反応生成物の再付着

などが課題になります。

要するに、プラズマエッチング装置は、真空中で発生させたプラズマの化学反応性とイオン衝撃を利用して、材料表面を精密に除去する装置です。

プラズマエッチング装置内におけるターゲットへの負荷解析

PIC PLASMA 3Dを用いて、プラズマエッチング装置内のプラズマにおけるターゲットへの衝突シミュレーションをしてみましょう。

解析モデルは下記の通り。

解析モデル

図３：プラズマエッチング装置の解析モデル

上記のようなプラズマエッチング装置モデルを作成し、チャンバー内のプラズマの軌道解析を実施しました。

なお、プラズマの発生機構は下記の通りです。

図４：プラズマの生成過程

解析条件

解析条件は以下の通りです。

解析ソフト PIC-PLASMA 3D
解析タイプ プラズマ解析
解析オブジェクト plasma_etcher.step
プラズマ粒子種 Ar
プラズマ密度 1.0×107[個/m3]
累積エネルギー対象オブジェクト input004
電圧 陰極電圧：-50000[V] 陽極電圧：100000[V]
時間刻み幅 5.0×10-10[s]
総シミュレーション時間 1.0×10-6[s]
なお、これらの初期条件の設定はソフト内(PIC-PLASMA3D)で設定できるぞ。

図５：PIC-PLASMA 3Dにおける解析条件の設定

 

解析結果


図６：プラズマエッチング装置内におけるプラズマの解析結果


図７：ターゲットプラズマの累積衝突エネルギー

 

上記資料は、実際にPIC-PLASMA3Dで計算した実際の解析結果です。

図６は、プラズマ内のイオン(Ar+)の振る舞いをアニメーションで可視化しています。

図７は、ターゲットとプラズマの累積衝突エネルギー（運動エネルギー）を示しています。

ガスの放電によって発生したプラズマ内のイオンがターゲットに衝突していることが確認できるね。
この衝突エネルギーによってターゲット材料を微細に削ることができるんだ！

なお、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、電極電圧やその他の条件設定は簡略化しています。

また、PIC-PLASMA 3Dでは、上記の計算結果に加えて、さまざまなデータを出力することができます。

  • 電子密度
  • 電流密度ベクトル
  • 電場ベクトル
  • 速度ベクトル
  • 背景ガスやジェットガスにおけるプラズマとの衝突

※上記は一例です。 プラズマ製品の開発にPIC-PLASMA 3Dを是非ご活用ください。

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]]> https://pic-software.com/plasma_etcher/feed/ 0 2839 蛍光灯内の電子軌道とガスとの相互作用の解析 https://pic-software.com/lamp-result/ https://pic-software.com/lamp-result/#comments Mon, 29 Dec 2025 13:27:50 +0000 https://pic-software.com/?p=1616 Copyright © 2026 PIC software All Rights Reserved.

]]> 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。
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？
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蛍光灯を解析してみます。

 

蛍光灯はガラス管、少量の水銀、アルゴンなどの封入ガス、両端の電極、管内面の蛍光体で構成されています。
放電で発生した紫外線を蛍光体が受けて可視光を出力します。

蛍光灯は、『住宅・生活空間』のみならず、下記のような産業用途でも活用されています。

紫外線蛍光灯（UVランプ）

  • 殺菌・消毒（医療、食品工場）

  • 空気清浄機

  • 水処理設備

ブラックライト

  • 偽札・証明書の確認

  • 蛍光塗料の検査

  • クラック（亀裂）検査

蛍光灯の発光過程は下記の通り。

  1. 電極の加熱と電子放出： 電流が流れると、両端の電極（フィラメント）が加熱され、熱電子が放出される。
  2. 紫外線の発生：放電する電子が、管内に封入された少量の水銀原子と衝突します。この衝突により、水銀原子が励起状態になり、目に見えない紫外線（UV）を発生させる。
  3. 紫外線から可視光へ変換：ガラス管の内側の蛍光物質（蛍光体）に紫外線が照射される、その紫外線を吸収することで蛍光体が可視光を放出する。

蛍光灯の発光効率は、主に、熱電子の放出数と、水銀原子との衝突効率で決まります。

この過程を、PIC-PLASMA 3D（プラズマ解析ソフト）で計算してみます。

 

蛍光灯内の電子とガス衝突解析

PIC PLASMA3Dを用いて、蛍光灯内の放電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

上記のような蛍光灯解析モデルを作成し、陰極から放出される熱電子（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。

 

なお、プラズマの発生機構は下記の通りです。

図２：プラズマの生成過程

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。

そうだよ！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！
解析条件

解析条件は以下の通りです。

解析ソフト PIC-PLASMA 3D
解析タイプ 静電場内におけるプラズマの軌道解析
新規生成粒子 電子
生成電子の初速度 1.0×106[m/s]
生成電子数（個/ns） 1.0×103[個/ns]
電圧 陰極電圧：0[V]
陽極電圧：1000[V]
時間刻み幅 8.0×10-11[s]
総シミュレーション時間 1.6×10-7[s]

なお、これらの初期条件の設定はソフト内(PIC-PLASMA3D)で設定できるぞ。

 

解析結果

図3：蛍光灯内の陰極から放出される熱電子の解析結果

[

図4：電子とガスの衝突位置

 

上記資料は、実際にPIC-PLASMA3Dで計算した実際の解析結果です。

プラズマ生成の起源となる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。

なお、動画内におけるdataは、電子の数密度[個/m3]を示しています。

陰極から放出された電子が、陽極に向かって進行していることが確認できるね。

この電子が蛍光灯内のガスと衝突して紫外線が発生。その紫外線が蛍光体に当たることで発光するのじゃ

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。

また、PIC-PLASMA3Dでは、上記の計算結果に加えて、さまざまなデータを出力することができます。

  • 電位
  • 磁界分布
  • 電子密度
  • 電流密度
  • 電荷密度

※上記は一例です。

プラズマ製品の開発にPIC-PLASMA 3Dを是非ご活用ください。

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]]> https://pic-software.com/lamp-result/feed/ 1 1616 PIC-PLASMA 3Dにおける各物理量をグラフで表示する方法 https://pic-software.com/pic-plasma-3d%e3%81%ab%e3%81%8a%e3%81%91%e3%82%8b%e5%90%84%e7%89%a9%e7%90%86%e9%87%8f%e3%82%92%e3%82%b0%e3%83%a9%e3%83%95%e3%81%a7%e8%a1%a8%e7%a4%ba%e3%81%99%e3%82%8b%e6%96%b9%e6%b3%95/ https://pic-software.com/pic-plasma-3d%e3%81%ab%e3%81%8a%e3%81%91%e3%82%8b%e5%90%84%e7%89%a9%e7%90%86%e9%87%8f%e3%82%92%e3%82%b0%e3%83%a9%e3%83%95%e3%81%a7%e8%a1%a8%e7%a4%ba%e3%81%99%e3%82%8b%e6%96%b9%e6%b3%95/#respond Fri, 17 Oct 2025 18:10:36 +0000 https://pic-software.com/?p=1361 Copyright © 2026 PIC software All Rights Reserved.

]]> PIC-PLASMA 3D(lite版・pro版)で出力できる物理量

PIC-PLASMA 3Dにおける解析データは、3次元で出力されます。

ソフト内で可視化できるパラメータは以下の3つです。

    • 電子密度
    • イオン密度
    • ガス密度(pro版のみ)

下記の記事の『3 計算結果の可視化と解説』をご参照ください。

上記３つのパラメータに加えて、当ソフトでは、下記パラメータを出力できます。

出力パラメータ

  • H：磁界強度［A/m］
  • B：磁束密度［T］
  • M：磁化［A/m］
  • NodeVol：ノード体積［m³］
  • ef：電界［V/m］
  • j.e-：電子電流密度［A/m²］
  • j.ion：イオン電流密度［A/m²］
  • j.neutral：中性粒子流密度［kg/(m²·s)］
  • object_id：オブジェクトID（電位を付与したオブジェクトは1と出力されます。）
  • phi：電位［V］
  • phi_m：磁気ポテンシャル［A/m］
  • phi_m_theory：理論磁気ポテンシャル［A/m］
  • rho：密度［kg/m³］
  • vel.e-：電子速度［m/s］
  • vel.ion：イオン速度［m/s］
  • vel.neutral：中性粒子速度［m/s］

出力した結果は、Paraviewを用いて可視化できます。

今回は、Paraviewを用いて各パラメータをグラフ化する方法ご紹介します。

 

PIC-PLASMA 3Dの解析結果をParaviewに読み込む

vti形式をParaviewにドラッグすることで各パラメータを可視化することができます。

解析結果をParaviewに読み込む方法を下記に示します。

      1. ParaViewを起動します。
      2. ParaViewを起動した状態で、PIC-PLASMA 3Dの「calculate」機能により出力された計算結果フォルダを開きます。
        その中にある 「vti」フォルダには、異なる時間ステップごとの計算結果が.vti形式が保存されています。.vtiファイル（今回はどれでもOK）を選択し、マウスの左ボタンを押したまま（ドラッグ操作）、起動中のParaViewのウィンドウ上にそのまま移動させてください。
        目的の位置まで移動したら、マウスボタンを離してドロップすることで、ファイルが読み込まれます。
      3. Applyボタンを選択します。

 

グラフで表示する方法

PIC-PLASMA 3Dの出力結果を２次元グラフで表示する方法を解説します。

今回は、電子速度を例としてグラフ化します。

実際は、ユーザーが任意にグラフ化したいパラメータを選択するのじゃ

    1. グラフ化したい物理量を画面上部またはプロパティパネル内の ［Solid Color］ のドロップダウンメニューから項目を選択します。（今回は、vel.e-）
    2. データを透過的に描画す表示するため、レンダリングを『Volume』に選択します。
    3. plot over lineを選択します。
    4. グラフ化したいデータラインを始点座標と終点座標で指定する。
    5. Applyボタンを選択します。

 

なお、Filters > Point Interpolation > Point Line Interpolatorを選択することで、データのない空間を滑らかに補間できます。

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