交流電界・直流磁界下共鳴磁界域付近の電子エネルギー利得機構の解析

2020/11/7に行われた令和2年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会にて研究発表を行い、優れた発表をした人に送られる電気学会北海道支部発表賞をいただきました。

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1. 交流電界・直流磁界下共鳴磁界域付近の
   電⼦エネルギー利得機構の解析
   野原 直⼈，菅原 広剛（北海道⼤学）
   令和2年度 電気・情報関係学会北海道⽀部連合⼤会 No124
   

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2. 2
   X点プラズマ
   対向発散磁界を印加
   分界⾯による電⼦閉じ込め
   電⼦の密度・運動領域
   を制御
   処理領域・プロセス特性
   を制御
   分界⾯
   RFアンテナ
   基板
   X点
   

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3. 2
   1
   0
   q
   rf antenna
   separatrix
   Itop
   Ibtm
   X-point
   40 cm
   40 cm
   4 cm
   4 cm
   z
   r
   B
   BECR
   2BECR
   3
   電⼦エネルギーの利得（エネルギー増減）
   利得が⼤きい場所
   アンテナ付近・
   側壁付近・共鳴磁界域
   アンテナ付近
   RFアンテナ直下強電界
   側壁付近
   側壁反射による電⼦の指向流
   共鳴磁界域付近
   電⼦サイクロトロン共鳴
   

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4. 2
   1
   0
   q
   rf antenna
   separatrix
   Itop
   Ibtm
   X-point
   40 cm
   40 cm
   4 cm
   4 cm
   z
   r
   B
   BECR
   2BECR
   4
   電⼦エネルギーの利得（エネルギー増減）
   利得が⼤きい場所
   アンテナ付近・
   側壁付近・共鳴磁界域
   𝐵!"# =
   𝑚𝜔
   𝑒
   (= 0.484 mT at 13.56 MHz)
   「電⼦旋回周期＝交流電界周期」
   𝑩 = 1𝐵!"#
   ⋯ 5𝐵!"#
   𝐵!"#
   ︓共鳴磁界強度
   原理は電⼦サイクロトロン共鳴
   不均⼀磁界下で⼀時的・部分的
   部分共鳴の条件が不明
   研究⽬的は条件特定
   

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5. f
   r
   z
   v
   B
   5
   電⼦追跡条件
   𝜑
   𝑣
   𝑬(𝑡)
   𝑧
   𝑟 初期位置
   𝒗 速さ
   𝜙 極⾓
   𝜑 対r-z⾯傾斜⾓
   𝑬 t 位相
   電⼦の変数を
   右図のように設定
   

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6. f
   r
   z
   v
   B
   6
   電⼦追跡条件
   𝜑
   𝑣
   𝑬(𝑡)
   𝑧
   𝑟 初期位置
   𝒗 速さ
   𝜙 極⾓
   𝜑 ⽅位⾓
   𝑬 t 位相
   電⼦の変数を
   右図のように設定
   z
   x
   y
   網羅的解析は困難
   条件を絞り
   基本的挙動を解析
   

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7. 7
   解析条件
   R
   Z
   衝突 無衝突
   軌道計算 ルンゲクッタ法
   ガス Ar (5 mTorr, 300 K)
   電⼦追跡数 64, 100,128
   R, Z 20 cm, 40 cm
   初期位置rの範囲 0~ 1 cm, 5 cm
   初期位置rの分割数 64,100,128
   追跡終了条件(RF周期) 壁に到達(500)
   コイル電流と巻数 36巻, 50 A
   アンテナ電流周波数 13.56 MHz
   初期電⼦エネルギー 1 eV（固定）
   時間刻み 1RF周期/24000
   

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8. 8
   -2
   0
   2
   4
   6
   8
   0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
   ⼊射-脱出時エネルギー差 eV
   初期位置 cm
   5BECR 4BECR 3BECR 2BECR 1BECR
   -2
   0
   2
   4
   6
   8
   0 1 2 3 4 5
   ⼊射-脱出時エネルギー差 eV
   初期位置 cm
   1 cm以降
   エネルギーが
   増えない
   ↓
   観察する領域を
   0~1 cmに限定
   外側で
   エネルギー増加
   ↓
   内側領域が包含
   

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9. 9
   -2
   0
   2
   4
   6
   8
   0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
   ⼊射-脱出時エネルギー差 eV
   初期位置 cm
   5BECR 4BECR 3BECR 2BECR 1BECR
   ・ほぼ0.1~1.0 cm間に誘導
   ・蛇⾏は2層までに収まる
   ・4倍でも増えている -20
   -15
   -10
   -5
   0
   5
   10
   15
   20
   0 5 10 15 20
   ⾼さz cm
   半径r cm
   電⼦軌道 1BECR 2BECR 3BECR
   4BECR 磁⼒線 電⼦軌道2
   脱出軌道
   

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10. 10
    まとめ
    エネルギー増加領域を調べるために
    天井付近で電⼦を放ちエネルギー利得を解析
    ↓
    0~1 cmまでの磁⼒線が1𝐵!"#
    〜2𝐵!"#
    の領域を通る
    それに導かれる電⼦のエネルギーが増加
    今後の展望
    初期位置・速度を変え共鳴磁界域の近くから放つ
    ⼀回の出⼊りのエネルギー増減データ取得
    →エネルギーが増える条件の特定
    

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11. 11
    ⽂献
    ⽇本学術振興会科学科研費
    JP19K03780による研究
    [1] T. Uchida and S. Hamaguchi, J. Phys. D 41, 083001 (2008).
    [2] Y. Minami, Y. Asami, and H. Sugawara, IEEE Trans. Plasma
    Sci. 42, 2550 (2014).
    

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