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固体とプラズマの境界領域を分析し、プラズマの高精度な制御を実現したい!

RESEARCHER
プラズマは、オーロラや雷など自然界にある現象だが、それを人工的につくりだすプラズマテクノロジーの研究は、低圧プラズマと大気圧プラズマに大きく分類することができる。

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低圧プラズマは、宇宙空間のように内部を真空にした容器の中でつくる。代表的な応用として、半導体デバイス内部のナノスケールの非常に小さな構造をつくること(微細加工)などがある。航空宇宙分野では、低圧プラズマからイオンを放出しその反作用で推進する宇宙電気推進器があり、また、核融合発電も低圧プラズマに分類される。 大気圧プラズマは、雷のように大気中でプラズマをつくる。PFASなどの有害物質の分解、細胞に起こす様々な変化、また農作物の育成における殺菌などへの応用が注目されている。

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自然界のプラズマである太陽や雷とはちがって、プラズマを人類が使うときには容器の中に入れる必要があり、どうしても固体とプラズマが接触する。また、半導体デバイスをつくる微細加工や宇宙電気推進器では、積極的に固体とプラズマを接触させプラズマ内部の粒子(イオン)を制御する。

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固体とプラズマが接触すると、その境界には荷電粒子(電子やイオン)が固体に向かう領域ができる。プラズマから固体に向かう粒子・熱・光が固体表面にさまざまな変化をもたらし、半導体デバイスや宇宙電気推進器の性能に影響を与える。そうした境界領域で何が起こっているか、固体とプラズマの相互作用の理解を深めることは、プラズマ応用技術の高度な制御を実現するために不可欠である。

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プラズマそのものの特性を対象とした研究では、低濃度の不純物が気体の中にある状態で、いかにプラズマ環境の高度な制御を実現するかを模索している。 プラズマは容器に気体を入れてつくるため、その気体環境の制御が重要である。容器や気体を流すパイプと外の空気とのやりとりをゼロにはできないため、容器の中には不純物が混ざってしまう。プラズマの高度な制御を実現するために、気体に微量の不純物が混ざった状態を前提として、プラズマの状態を発光分析やレーザー分光法を使って分析を進めている。

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固体とプラズマの境界領域では、イオンが固体に向かって加速され秒速何㎞というスピードで固体表面にぶつかる。そうすると固体から原子が飛び出たり、もともとの結晶構造が崩れたりして、その影響の蓄積が部品の形状変化(腐食)などにつながる。 そこで、プラズマの中に固体を設置して、レーザー光によって固体に向かうイオンの速度をとらえる実験を行っている。容器内の気体の圧力など、プラズマをつくる環境を変えた際に、固体に降り注ぐイオンの速度がどのように変化するか理解を進めている。

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これまで、ある一定の環境下におけるイオン速度やイオン加速メカニズムに関する研究は数多くなされてきたが、急に環境が変化したときに、境界領域のイオンの運動がどのように変化するかについては十分に分かっていない。プラズマから出るイオンの流れは、プラズマを活用する科学技術には重要な課題と考え、解明を進めている。画像は実験から得られたデータ。

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実際に宇宙空間にある電気推進器などのプラズマ装置の中で起こっている、固体とプラズマの相互作用の詳細を知るためには、プラズマの中で固体表面がどのような影響を受けているかをその場で分析する必要がある。そこで、プラズマの中で固体の表面状態を計測できる実験システムを構築した。金属、例えば銅の上に反応性を有する酸素プラズマをつくると銅表面が酸化する。その酸化銅がつくられる状態変化をプラズマの中に銅がある状況で電気的に計測している。

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表面が変化する固体と、その変化を起こすプラズマ。この2つが接触したときに、固体の表面も時々刻々と変化し、またその付近のプラズマの状態も変化していく。これまで固体とプラズマは、それぞれ異なる方法で計測していたが、一つの計測方法で測りたいと考え実験を設計し、進めている。

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プラズマはその内部に荷電粒子(電子、イオン)を含むため、気体でありながら電流が流れる特徴がある。ここで紹介する実験では、固体からプラズマに電流を流し、電流の流れ方をから様々な情報を得ることを試みている。固体とプラズマを直列接続した系(2つの電極で挟んだ状態)に交流電圧を印加し、流れる電流の大きさと位相を様々な電圧周波数で測る。この実験は交流インピーダンス法と呼ばれ、電気化学分野で発展してきた手法だが、これを固体とプラズマの相互作用を捉える実験に応用してきた。

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この交流インピーダンス法を用いることで、固体の特性とプラズマの特性を同時に測ることが可能になった。この例では、銅表面の酸化にともなう抵抗値の増加だけでなく、固体とプラズマの間で動く荷電粒子(電子、イオン)の情報(境界領域の抵抗値増加)を同時に捉えることに成功している。この実験結果は、プラズマから固体への影響に加えて、固体からプラズマへの影響を理解するためにこの実験が有効であることを示している。画像は実験から得られた結果。

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固体とプラズマの相互作用をその場で捉える実験を行った後の銅サンプル(銅薄膜をシリコン基板上に成膜したもの、右)。プラズマに触れていない未使用のサンプル(左)と比べるとプラズマと接触した円形領域で表面状態が変化(改質)している様子が見られる。

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どんなタネ?

プラズマテクノロジーとはプラズマを人工的に発生させ、ものづくりなど人類のために活用することであり、半導体デバイス作成のためのナノ材料加工プロセスや深宇宙探査機の主推進器(イオンエンジン)など先端産業に不可欠な工学分野です。

プラズマを人工的につくるには固体の容器が必要であり,固体を対象とした材料加工などでは積極的にプラズマと固体を接触させます。固体とプラズマが接触した際の境界領域で発生する現象にはまだまだ未解明なところがあります。そこで、境界領域における固体とプラズマの相互作用を解明するために、3つの対象への計測実験を中心とした研究テーマを進めています。1つ目はプラズマそのものの特性。2つ目は境界領域における固体とプラズマの相互作用。3つ目は固体の変化がプラズマへおよぼす影響です。これらの研究によって、プラズマの状態が変わったとき、境界領域を通じて固体に到達する粒子(イオン)がどうなるのかを検証しました。さらに、プラズマから固体への影響だけではなく、固体表面状態の変化が固体近くのプラズマの特性に影響を与えうることを発見。こうした成果を通じて、プラズマ制御のさらなる高精度化に貢献したいと考えています。

なぜ研究を始めた?

研究を始めた理由は、今となってはわかりません。しかし、続けている理由ははっきりしています。プラズマが「よくわからない」ものだからです。

プラズマには形がありません。しかしその中に、電子やイオンを含めて様々なものが存在しています。光っていて、電流が流れ、さらに化学反応を起こすようなパワーがあります。なんとかして閉じ込めていて、なんとなくわかるけれど、手をつっこんで触れることはできない。制御できたつもりでも制御できていない。そんな存在です。

わかったようでわからない現象であり、近づいたと思ったら離れている、そういう存在として魅力があるのがプラズマなのです。

なにを変える?

プラズマを人類が完璧に制御することができれば、私たちは「遠く」に行くことができます。

人工的につくるプラズマの応用技術が発展することで、例えば壊れない(信頼性が高い)半導体デバイスや、強力な推進力と長寿命を両立した宇宙電気推進器の実現が期待されます。核融合発電もプラズマ応用技術の一つです。プラズマはさまざまな未来技術の要として関わっており、これらの実現には固体とプラズマの相互作用を高度に理解し制御することが欠かせません。プラズマ工学の発展にともなって、このような、人類の生存範囲が拡大していくために必要な科学技術が、一つ一つ実現していくでしょう。

プラズマは流体であり、さまざまな電荷,エネルギーをもつ粒子が内部を飛び回っています。複雑な現象をどのように捉え、制御していくかという人類の課題に、挑戦を続けていきたいと考えています。

なにが必要?

色々な分野の方に、プラズマにより関心を寄せていただけたら嬉しく思います。

例えば半導体デバイスをつくっている方でも、プラズマはよくわからないものだと思われている方もいらっしゃいます。確かに、多くの現象が複雑に絡み合っていて、制御も難しいのですが、とりくんでみればとても面白いテーマです。

もう少しプラズマに興味をもっていただき、ご自身の研究にどのように使えるかを想像したり、逆にご自身の分野でプラズマ工学の課題解決に役立つことがあるかを考えていただけると、私たちの研究もより多角的に進んでいくと考えます。人材が必要です。この研究には、機械学習やAIに対する知見と、光の制御・シリコンの加工といった物理に関する知見との、両方をもっている人が求められています。私はそういう人材になりたいと思って取り組んでいますが、ひとりでは研究が目指す先は実現できませんので、そうした知見をもつ方々の協力を得て進められたら嬉しく思います。

色々な分野の方に、プラズマにより関心を寄せていただけたら嬉しく思います。

例えば半導体デバイスをつくっている方でも、プラズマはよくわからないものだと思われている方もいらっしゃいます。確かに、多くの現象が複雑に絡み合っていて、制御も難しいのですが、とりくんでみればとても面白いテーマです。

もう少しプラズマに興味をもっていただき、ご自身の研究にどのように使えるかを想像したり、逆にご自身の分野でプラズマ工学の課題解決に役立つことがあるかを考えていただけると、私たちの研究もより多角的に進んでいくと考えます。

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