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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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).