菅原　広剛 (スガワラ　ヒロタケ)

情報科学研究院　情報エレクトロニクス部門　集積システム分野准教授
数理・データサイエンス教育研究センター准教授
Last Updated :2025/06/07

■研究者基本情報

学位

  • 博士(工学), 北海道大学, 1997年06月
  • 修士(工学), 北海道大学, 1992年03月

プロフィール情報

  • 主要研究テーマは放電プラズマのモデリング，電子輸送基礎理論，ならびに関連するシミュレーション技法開発。電磁界下の電子の微視的挙動からプラズマの構造や応答特性を理解することで新たな制御法や用途の開拓を目指す。

    近年の課題はモンテカルロ法他を用いた磁化プラズマの解析。また，ライフワークとして，プラズマ解析の基礎となる電子エネルギー分布や電子輸送係数を電磁界や観測モードなど各種条件に合わせて算出するため，ボルツマン方程式の数値解法であるプロパゲータ法のプログラムを継続的に開発中。

    語学が趣味で海外出張には現地語を学習してから臨む。

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研究者番号

  • 90241356

J-Global ID

研究キーワード

  • 電子スオーム
  • ボルツマン方程式
  • 磁化プラズマ
  • 電子輸送
  • モンテカルロシミュレーション
  • プラズマエレクトロニクス
  • Electric Discharges
  • Plasma Electronics

研究分野

  • エネルギー, プラズマ科学
  • ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学）, 電気電子材料工学

担当教育組織

■経歴

経歴

  • 2004年 - 2007年
    北海道大学大学院情報科学研究科情報エレクトロニクス専攻集積システム講座集積プロセス学研究室 助教授, Graduate School of Information Science and Technology, Division of Electronics for Informatics
  • 2004年 - 2007年
    Associate Professor
  • 2007年
    - 北海道大学大学院情報科学研究科情報エレクトロニクス専攻集積システム講座集積プロセス学研究室 准教授
  • 2007年
    - Associate Professor
  • 1998年 - 2004年
    北海道大学大学院工学研究科電子情報工学専攻集積材料デバイス工学講座集積電子材料工学分野 助教授
  • 1998年 - 2004年
    Associate Professor,Associate Professor, Hokkaido University
  • 1997年 - 1998年
    北海道大学大学院工学研究科電子情報工学専攻集積材料デバイス工学講座集積電子材料工学分野 助手
  • 1997年 - 1998年
    Research Associate
  • 1995年 - 1997年
    北海道大学工学部電子情報工学専攻集積材料デバイス工学講座集積電子材料工学分野 助手
  • 1995年 - 1997年
    Research Associate
  • 1992年 - 1995年
    北海道大学工学部電気工学科電気応用工学講座 助手
  • 1992年 - 1995年
    Research Associate

学歴

  • 1992年, 北海道大学, 工学研究科, 電気工学専攻, 日本国
  • 1992年, 北海道大学, Graduate School, Division of Engineering, Division of Electrical Engineering
  • 1990年, 北海道大学, 工学部, 電気工学科, 日本国
  • 1990年, 北海道大学, Faculty of Engineering, Department of Electrical Engineering

委員歴

  • 2018年05月 - 現在
    電気学会, 編修専門第１部会委員, 学協会
  • 2018年01月 - 現在
    電気学会, プラズマ・パルスパワー技術委員会１号委員, 学協会
  • 2012年04月 - 2017年12月
    社団法人電気学会, プラズマ技術委員会１号委員, 学協会
  • 2014年10月 - 2017年09月
    電気学会, 放電技術委員会２号委員, 学協会
  • 2014年10月 - 2017年09月
    電気学会, 放電・プラズマ気相シミュレーション技法調査専門委員会委員長, 学協会
  • 2014年08月 - 2016年07月
    日本学術振興会, 特別研究員等審査会専門委員, その他
  • 2011年04月 - 2014年03月
    社団法人電気学会, 原子・分子衝突断面積および放電基礎データ調査専門委員会幹事, 学協会
  • 2009年 - 2011年
    社団法人電気学会, 北海道支部協議員, 学協会
  • 2008年 - 2010年
    社団法人電気学会, ２号代議員, 学協会
  • 2010年
    日本工学教育協会, 第59回工学・工業教育研究講演会実行委員, 学協会
  • 2007年 - 2009年
    社団法人電気学会, 北海道支部総務企画幹事, 学協会
  • 2006年 - 2009年
    社団法人電気学会, 放電技術委員会雷放電シミュレーション技術の現状とモデル間の相互比較調査専門委員会委員, 学協会
  • 2006年 - 2008年
    社団法人電気学会, ２号代議員, 学協会
  • 2008年
    社団法人電気学会, 平成21年電気学会全国大会実行委員会幹事, 学協会
  • 2005年 - 2007年
    社団法人電気学会, 放電技術委員会荷電粒子、励起種、解離種ならびに光子と原子分子ダイナミックス調査専門委員会委員, 学協会
  • 2003年 - 2005年
    社団法人電気学会, 放電技術委員会・窒素中における放電とそのプラズマプロセスへの応用技術調査専門委員会委員, 学協会
  • 2002年 - 2004年
    社団法人電気学会, 放電技術委員会・窒素中における放電とそのプラズマプロセスへの応用技術調査専門委員会委員, 学協会
  • 2001年 - 2003年
    社団法人電気学会, 北海道支部会計幹事, 学協会
  • 1999年 - 2000年
    社団法人電気学会, 平成12年電気学会基礎・材料・共通部門大会実行委員会幹事, 学協会
  • 1997年
    社団法人電気学会, 論文委員会委員, 学協会
  • 1994年
    社団法人電気学会, 平成７年電気学会全国大会実行委員会事務局, 学協会

■研究活動情報

受賞

  • 2016年07月, 日本学術振興会, 平成27年度特別研究員等審査会専門委員（書面担当）表彰　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛, 書面審査における有意義な審査意見, その他の賞
  • 2000年, 電気学会, 電気学会優秀論文発表賞　　　　　　　　　　　　　　　
    平成11年電気学会基礎・材料・共通部門大会 No. 59 (1999)菅原広剛、八幡貴志、酒井洋輔:「一定衝突周波数モデルにおける電磁界下電子群ドリフト速度のベクトル軌跡について」, 国内学会・会議・シンポジウム等の賞, 日本国
  • 1997年, 電気学会, 電気学会優秀論文発表賞　　　　　　　　　　　　　　　
    平成８年度電気学会基礎・材料・共通部門総合研究会 ED-96-218 (1996)菅原広剛、田頭博昭、酒井洋輔:「気体中の電子群重心移動速度－速度空間モーメント方程式による導出－」, 国内学会・会議・シンポジウム等の賞, 日本国
  • 1995年03月, 電気学会, 電気学会論文発表賞(賞Ｂ)　　　　　　　　　　　　　　　
    平成６年度電気関係学会北海道支部連合大会講演 No. 50 (1994)菅原広剛、酒井洋輔、田頭博昭:「気体の電離係数(CCXXXV)－完全吸収陽極近傍の電子後方拡散の効果－」, 国内学会・会議・シンポジウム等の賞, 日本国
  • 1992年04月, 電気学会論文発表賞(賞Ａ)　　　　　　　　　　　　　　　
    電気学会放電研究会講演 ED-91-69 (1991)菅原広剛、酒井洋輔、田頭博昭:「ボルツマン方程式の直接数値解法（Convective Scheme）によるArガス中電子スオームのシミュレーション」, 国内学会・会議・シンポジウム等の賞, 日本国
  • 1990年08月, 電気学会, 電気学会論文発表賞（賞Ｂ）　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛, 平成２年電気学会全国大会講演 No. 155 (1990)菅原広剛、酒井洋輔、田頭博昭:「気体の電離係数(CLXXXVIII)－ボルツマン方程式の直接数値解法－」, 国内学会・会議・シンポジウム等の賞

論文

その他活動・業績

書籍等出版物

  • 電気学会技術報告第1488号「放電・プラズマ気相シミュレーション技法」　　　　　　　　　　　　　　　
    放電・プラズマ気相シミュレーション技法調査専門委員会編, 菅原広剛, 調, 委員会委員長, 1.1節「電子エネルギー分布・速度分布計算法１：ボルツマン方程式解析」1.2節「電子エネルギー分布・速度分布計算法２：モンテカルロ法」1.3節「電子エネルギー分布・速度分布計算法３：プロパゲータ法」
    社団法人電気学会, 2020年06月17日, ［分担執筆］
  • 電気学会技術報告第1185号「放電基礎パラメータと放電応用技術の最前線」　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛, 2.2.1節「プロパゲータ法による電子スオーム解析」、2.2.2節「モンテカルロ法における電子衝突判定の高速化」
    社団法人電気学会, 2010年04月, ［分担執筆］
  • 電気学会技術報告第1061号「窒素の放電プラズマが見せる多様性と最新応用」　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛, ５章１節「N2およびSF6/N2混合ガス中の電子衝突過程と電子エネルギー分布」
    社団法人電気学会, 2006年08月, ［分担執筆］

講演・口頭発表等

  • Electron Energy Gain Mechanisms near Chamber Wall in Inductively Coupled Magnetized Plasmas under Different Gas Pressures
    H. Takahashi, H. Sugawara
    The 11th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology, 2019年12月30日, 英語, ポスター発表
    2019年12月10日 - 2019年12月14日, 13888736
  • Vector loci of average electron velocity in gases under ac electric and dc magnetic fields
    H. Sugawara, T. Sato, Y. Nakata
    The 11th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology, 2019年12月13日, 英語, ポスター発表
    2019年12月10日 - 2019年12月14日, 13888736
  • Investigation of mobility spectra obtained by mobility measurement and simulation in different-purity O2 gases　　　　　　　　　　　　　　　
    Y. Okuyama, K. Ikeda, H. Sugawara
    The 11th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology, 2019年12月12日, 英語, 口頭発表（一般）
    2019年12月10日 - 2019年12月14日
  • Response of Average Electron Velocity Vector under AC Electric and DC Magnetic Fields in a Constant-Collision-Frequency Model　　　　　　　　　　　　　　　
    H. Sugawara
    Proc. 72nd Annual Gaseous Electronics Conference, 2019年10月, 英語
    2019年10月 - 2019年10月
  • Quantification of electron confinement effect under confronting divergent magnetic fields considering mutual electron transfer across separatrix　　　　　　　　　　　　　　　
    R. Ozawa, H. Sugawara
    Proc. XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 10th International Conference on Reactive Plasmas, 37th Symposium on Plasma Processing, and 32nd Symposium on Plasma Science for Materials, 2019年07月, 英語
    2019年07月 - 2019年07月
  • Electron energy gain mechanisms near chamber wall in inductively coupled magnetized plasmas　　　　　　　　　　　　　　　
    H. Takahashi, H. Sugawara
    Proc. XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 10th International Conference on Reactive Plasmas, 37th Symposium on Plasma Processing, and 32nd Symposium on Plasma Science for Materials, 2019年07月, 英語
    2019年07月 - 2019年07月
  • Evaluation of electron drift velocity vector in gas under RF electric and DC magnetic fields　　　　　　　　　　　　　　　
    T. Sato, H. Sugawara
    Proc. XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 10th International Conference on Reactive Plasmas, 37th Symposium on Plasma Processing, and 32nd Symposium on Plasma Science for Materials, 2019年07月, 英語
    2019年07月 - 2019年07月
  • The comparison between experimental and simulation results of negative ion mobility in O2 in relation to reduced electric field intensity　　　　　　　　　　　　　　　
    K. Ikeda, Y. Okuyama, H. Sugawara
    Proc. XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 10th International Conference on Reactive Plasmas, 37th Symposium on Plasma Processing, and 32nd Symposium on Plasma Science for Materials, 2019年07月, 英語
    2019年07月 - 2019年07月
  • Configuration of propagator method for calculation of electron velocity distribution function in gas under crossed electric and magnetic fields
    菅原 広剛
    The 19th Asian Conf. on Electrical Discharge, 2018年11月24日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    咸陽，陝西省，中国, ［招待講演］, ［国際会議］
  • Monte Carlo analysis of the asymmetry in azimuthal electron flow in an inductively coupled plasma driven under confronting divergent magnetic fields
    菅原 広剛
    XXIV Europhysics Conf. on Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases, 2018年07月17日, 英語, ポスター発表
    Glasgow, Scotland, UK, ［国際会議］
  • Computational Study on Characteristic Mechanisms of Energy Deposition to Electrons in a Low-Pressure Inductively Coupled Magnetized Plasma
    菅原 広剛
    20th Gaseous Electronics Meeting, 2018年06月22日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    Magnetic Island, Townsville, Australia, ［招待講演］, ［国際会議］
  • Calculation of Real-Space Electron Transport Coefficients under Crossed Electric and Magnetic Fields by a Propagator Method
    菅原 広剛
    10th Asia-Pacific Int. Symp. on the Basics and Applications of Plasma Technol., 2017年12月15日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    中原大学，桃園，台湾, ［招待講演］, ［国際会議］
  • Calculation of electron velocity distribution function under crossed electric and magnetic fields using a propagator method
    菅原 広剛
    XXXIII Int. Conf. Phenomena in Ionized Gases, 2017年07月09日, 英語, ポスター発表
    Estoril/Lisboa, Portugal, ［国際会議］
  • Fundamental study on filter effect of confronting divergent magnetic fields applied to a low-pressure inductively coupled plasma　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    9th Int. Conf. Reactive Plasmas/68th Ann. Gaseous Electronics Conf./33rd Symp. Plasma Processing, 2015年10月14日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］
  • Electron conduction under the rectification effect of antiparallel magnetic fields　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    XVI Int. Workshop on Low-Energy Positron and Positronium Physics & XVII Int. Symp. on Electron-Molecule Collisions and Swarms, 2015年07月19日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    Maynooth, Ireland, ［招待講演］, ［国際会議］
  • 対向発散磁界中電子運動のモンテカルロシミュレーション　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    第31回電離気体現象国際会議, 2013年07月14日, 英語, ポスター発表
    ［国際会議］
  • 反平行傾斜磁界間電子伝導路において内向電子流を生じる確率論的散乱過程　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    第21回電離気体中原子分子物理欧州会議, 2012年07月10日, 英語, ポスター発表
    ［国際会議］
  • 不平等磁界下の電子輸送　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    原子分子データ応用フォーラムセミナー・核融合科学研究所原子分子データと原子分子過程モデルの活用・普及研究会, 2011年12月13日, 日本語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国内会議］
  • ４極磁界・ラジオ周波数電界下における電子輸送のモンテカルロシミュレーション　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    第30回電離気体現象国際会議, 2011年08月28日, 英語, ポスター発表
    ［国際会議］
  • Electron conduction under the rectification effect of antiparallel magnetic fields　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原広剛
    XVI Int. Workshop on Low Energy Positron and Positronium Physics & XVII Int. Symp. Electron-Molecule Collisions and Swarms, 2011年07月, 英語
    2011年07月 - 2011年07月, ［招待講演］
  • Electron drift along magnetically neutral channels between gradient magnetic fields　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    15th Gaseous Electronics Meeting, 2008年02月05日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    Murramarang Resort, Australia, ［招待講演］, ［国内会議］
  • Electron acceleration under short intense impulse electric fields　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    XVth Int. Conf. on Gas Discharges and their Applications, 2004年09月09日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    Toulouse, France, ［招待講演］, ［国際会議］
  • Control of selectivity in electron-molecule reactions by impulse field electron acceleration　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    Int. Symp. on Electron-Molecule Collisions and Swarms, 1999年07月19日, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    The Waterfront Town, Tokyo, Japan, ［招待講演］, ［国際会議］
  • Electron behavior under characteristic magnetic fields applied to inductively coupled plasmas for control of charged particle transport　　　　　　　　　　　　　　　
    菅原 広剛
    第18回低エネルギー陽電子およびポジトロニウム物理国際ワークショップ＆第19回電子分子衝突および電子群国際シンポジウム, 英語, 口頭発表（招待・特別）
    ［招待講演］, ［国際会議］

担当経験のある科目_授業

  • 計算機命令実習　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道職業能力開発短期大学校
  • 集積プロセス学特論　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学大学院
  • 電気工学実験／電子工学実験／電子情報工学実験　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 電子工学演習　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • ユーザ・コンピューティング　　　　　　　　　　　　　　　
    札幌大学
  • 情報処理概論　　　　　　　　　　　　　　　
    札幌大学
  • 情報処理　　　　　　　　　　　　　　　
    札幌大学
  • エネルギー応用工学　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道工業大学
  • プログラム言語実習　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道職業能力開発短期大学校
  • コンピュータ工学　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道職業能力開発短期大学校
  • ソフトウエア工学　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道職業能力開発短期大学校
  • 情報学　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 集積プロセス工学　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 数値解析とシミュレーション基礎　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • プラズマエレクトロニクス　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学
  • 電気回路　　　　　　　　　　　　　　　
    北海道大学

所属学協会

  • 応用物理学会　　　　　　　　　　　　　　　
  • 日本工学教育協会　　　　　　　　　　　　　　　
  • 社団法人電気学会　　　　　　　　　　　　　　　
  • The Institute of Electrical Engineers of Japan　　　　　　　　　　　　　　　

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 誘導結合磁化プラズマ高周波駆動による部分共鳴電子加熱増強の計算機シミュレーション
    科学研究費助成事業
    2024年04月01日 - 2027年03月31日
    菅原 広剛
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 24K07448
  • 誘導結合磁化プラズマ中の電磁界配位由来非対称指向性電子輸送と部分共鳴の計算機解析
    科学研究費助成事業
    2019年04月01日 - 2022年03月31日
    菅原 広剛
    基盤研究(C)一般、課題番号19K03780
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 19K03780
  • 磁界分界面がプラズマ中電子に及ぼすエネルギー選択的シャッタ・フィルタ効果の解析
    科学研究費助成事業
    2016年04月01日 - 2019年03月31日
    菅原 広剛
    基盤研究(C)一般、課題番号16K05626
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 16K05626
  • 対向発散磁界を印加した誘導結合型プロセスプラズマ中の反応性粒子流の計算機解析
    科学研究費助成事業
    2013年04月01日 - 2016年03月31日
    菅原 広剛
    基盤研究(C)一般、課題番号25400528
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 25400528
  • 量子ドットスピンレーザー
    科学研究費助成事業
    2010年04月01日 - 2015年03月31日
    村山 明宏, 末岡 和久, 菅原 広剛
    電子のスピン緩和が抑制されるIII-V族化合物半導体量子ドットを用いて、電子スピン情報をレーザー光の円偏光特性に変換する量子ドットスピンレーザーについて研究した。
    量子ドットに対するスピン注入のダイナミクスとスピン緩和、スピン保持に優れた量子ドットの作製等の研究を行い、スピン注入の主要な阻害要因としてパウリブロッキングの影響を明らかにした。そして、ドットの高密度化や二次元電子系とのトンネル効果により、高効率で超高速のスピン注入が可能になることを示した。また、レーザー媒質となる量子ドット活性層と金属強磁性体スピン電極を持つ発光ダイオードを作製し、電子スピンの電流注入による円偏光特性を得た。
    日本学術振興会, 基盤研究(S), 北海道大学, 22221007
  • 低気圧高密度磁気中性線環状放電プロセスプラズマのモデリングと動的制御特性解析
    科学研究費助成事業
    2010年 - 2012年
    菅原 広剛
    半導体集積回路微細加工用の磁界下環状放電プラズマの計算機解析を行った。環状放電部から伸びる分界線(磁力線の流れが変わる境界)沿いに高エネルギー電子が輸送され、ガスを分解して化学活性種を生成することを解明した。半導体基板上では分界線の到達点に多く化学活性種が入射することを再現し、過去の実験結果を説明した。磁界を変化させ分界線を動かすことで基板上の広い面積を均一に表面処理する技法を提案した。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 22540500
  • ガス導入プラズマ電力シーケンス制御による低誘電率フッ化炭素絶縁膜異種構造積層堆積
    科学研究費助成事業
    2007年 - 2009年
    菅原 広剛, 須田 善行
    プラズマでフッ化炭素C_8F_<18>分子を分解し電力機器や集積回路の電気絶縁用非晶質フッ化炭素膜を合成した。プラズマ電力が低いと原料分解が進まず分子鎖間の結合が疎な膜ができた。疎膜は従来の高電力で合成した結合が密な膜より耐熱性が低いが低誘電率となり電力損失や電気信号伝達遅延の低減が期待される。また疎膜上に密膜を合成する際の熱による膜の波状化現象を見出した。波状膜下にできる隙間も低誘電率化に有効と期待される。
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 北海道大学, 19540517
  • 化学活性種の高精度供給による単層カーボンナノチューブの金属/半導体特性選択成長
    科学研究費助成事業
    2007年 - 2008年
    須田 善行, 菅原 広剛, 高山 純一
    (1) カーボンナノチューブ(CNT)の原料ガスであるCH_4にCO_2ガスを添加したところ,多層CNTの層数・内径・外径が増加した。また,CO_2添加により単層CNTの直径分布を太い方へ変化できた。(2)CNT成長領域から60cm程度の距離にプラズマを発生させることで,Si基板上に堆積したAl_2O_3/Fe/Al_2O_3の3層構造触媒から欠陥のほとんどない高品質な単層CNTが合成できた。
    日本学術振興会, 若手研究(B), 19740339
  • 低誘電率・高絶縁耐力プラズマ堆積a-C:F膜による機器絶縁の軽量化と耐電圧向上
    科学研究費助成事業
    2005年 - 2007年
    酒井 洋輔, 菅原 広剛, 須田 善行
    SF_6ガスは絶縁材料として極めて高い性能を有しているが、地球温暖化係数が大きく、その使用が制限されている。これに代わる一つの絶縁方式として、電源導体部に非晶質フッ化炭素(a-C:F)膜をプラズマ化学気相成長(PCVD)法により被覆し導体部からの二次電子放出を抑制、その結果大気(窒素と酸素)によるガス絶縁に於いてもSF_6ガスと同程度(またはそれ以上)の性能を得ることのできる、新複合絶縁方式を提案した。
    結果を要約すると、1)数百ナノメータ程度のa-C:F膜が金属(銅とAl)球表面に物理化学的に安定に堆積できる、2)膜質を表面分析装置(SEM, XPS及びFTIR、等)で評価すると物理化学特性がテトラフルオロエチレン(低誘電率と高絶縁耐力)に近いものが得られる、3)本薄膜を堆積した球電極間の空気中パッシェン特性(pd(気圧と電極間隙の積)領域における絶縁破壊電圧)はSF_6ガスの特性と同程度、4)a-C:F膜表面の特性は、バッファガス(Ar, He)に依存する、等ことを示した。また、簿膜の一部が絶縁破壊したときを想定し、既存の膜上に状にa-C:F)膜をプラズマ堆積した場合、5)本膜の二重、三重層境界を確認するとともに、三重層膜表面では前層のストレス部に対応して現れると思われるに規則的模様の現れることが観測された。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 17360121
  • 衝撃電界重畳高周波プラズマによるフッ化炭素プロセス排ガス分解除害効率の計算機解析
    科学研究費助成事業
    2004年 - 2006年
    菅原 広剛
    本研究は、集積回路製造工程で排出されるフルオロカーボンであるCF_4地球温暖化ガスを非平衡プラズマにより効率的に分解する方法として選択的分解反応促進が期待されるプラズマへの衝撃電界重畳を提案し解析するものである。衝撃電界により電子した電子の衝突過程の計算機解析による定量的評価を中心として、以下1〜3の結果を得た。
    1.衝撃電界下の電子の挙動解析とエネルギー効率の評価:
    衝撃電界で与える電子加速量を変化させ、共にCF_4分解に寄与する中性解離と電離性解離のエネルギー消費割合をモンテカルロ法で計算・比較した。加速量増加に伴い閾値の大きな電離性解離に費やされるエネルギー割合が単調増加し、中性解離の割合は飽和傾向を示した。プラズマ維持と解離促進を同時に図るためには電離性解離の閾値を超える高エネルギー領域にまで電子を加速することが必要で、この点で衝撃電界電子加速が有効と考えられる。
    2.CF_4ラジオ周波数プラズマ解析系構築と新高速衝突判定法の提案:
    電極を含む系でCF_4プラズマ中の解離生成種の生成頻度と空間分布とを統計的に安定に扱う手法を提案した。また計算負荷となっていたCF_4分子と電子との衝突判定において、無衝突となる場合を効率よく検出し電子衝突断面積計算を省く新高速判定法を提案した。これにより電子追跡に要する計算負荷を著しく軽減させ、追跡電子数増や長時間計算、また混合ガスへの対応を容易にした。
    3.CF_4中電子輸送過程:
    CF_4中の電子加速時初期緩和過程に見られる空間分布の複数ピーク形状と電子輸送係数の緩和過程を解析した。研究者間で想定が異なる電子衝突断面積構成により空間分布、電子輸送係数とも差異が生じた。衝撃電界電子加速の制御性評価の際は特に、加速途中で電子の集団性を失わせる低・中エネルギー部の電子衝突断面積構成への依存性が大きいと考えられる。
    主な結果は研究発表欄の論文として公表した。
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 16760216
  • 電力機器用絶縁気体混合相乗効果の微視的定量的計算機解析
    科学研究費助成事業
    2002年 - 2003年
    菅原 広剛
    地球温暖化防止のためのSF_6絶縁ガス使用量低減に向け、SF_6をN_2他で希釈した際に現われる絶縁特性相乗効果発生機構を混合ガス中の電子エネルギー損失過程と電子捕獲機構の面から解析した。
    平成15年度は、電子のエネルギー損失過程および衝突間の電子挙動に関する14年度の解析結果を踏まえ、既に構築済みの計算機プログラムを用いて、電子衝突断面積の組み合わせの効果を主にSF_6/N_2、SF_6/CO_2、SF_6/c-C_4F_8の3つの混合ガスの比較を通じて解析した。解析結果は次のようにまとめられる。
    SF_6/N_2混合ガス中では、電子はN_2との衝突によりエネルギーを失って低エネルギーとなり、2〜3eV付辺に存在するN_2の弾性衝突および振動励起衝突の断面積ピークに起因するバリア効果(電子エネルギー上昇を妨げる)によって低エネルギー状態に保たれその間にSF_6により捕獲されることが電子衝突履歴の追跡により確認できた。
    SF_6/CO_2でもCO_2のバリア効果が見られるが、CO_2はN_2に比べバリアが低く高エネルギー寄りに位置することから電子を低エネルギー域に閉じ込め付着を促す働きはSF_6/N_2ほど強くない。N_2とCO_2についてはバリア効果の強弱とSF_6との相乗効果の程度は大小関係が一致しており、この種の混合ガスの相乗効果はバリア効果によるものと推測された。
    SF_6/c-C_4F_8混合ガスにおいては、c-C_4F_8の電子励起衝突断面積の立ち上がりが急なことが励起の閾値付近での衝突を起こり易くし、励起衝突直後の電子エネルギーを低くする結果をもたらす。SF_6の電子付着は低エネルギーほど起こり易いため、閾値近くの励起衝突が直接電子付着に結びつくためと考えられる。
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 14750200
  • 低誘電率・高絶縁耐力プラズマ堆積C_xF_y膜を用いたSF_6代替絶縁方式の開発
    科学研究費助成事業
    2001年 - 2003年
    酒井 洋輔, 須田 善行, 赤澤 正道, 菅原 広剛, 中島 昌俊, BRATESCU A. Maria
    本研究は地球温暖化ガスの一つとして使用量の削減が迫られているSF_6ガスに替わり窒素や酸素あるいは合成空気と導体部に低誘電率・高絶縁耐力をもつアモルファスC_xF_y(a-C:F)膜を堆積し二次電子放出を抑え、これまで同様あるいはそれ以上の絶縁耐力を得ようとすることである。絶縁膜原料には、C_7F_<16>とC_8F_<18>(常温では液体で、蒸気圧は数〜数十Torr)を用い、RFプラズマCVD法により作成し、これの化学的・電気的特性を評価した。成果は以下のとおりである。
    1.Siならびにアルミニウム基板上への堆積速度は、100〜200nm/min以上で、在来原料のCF_4やC_2F_6に比べ数十倍以上の高堆積速度が得られた。
    2.堆積a-C:Fは高密度C-CとC-F結合から成り、誘電率(ε_r【approximately equal】2)の低い熱特性にも優れた絶縁膜であった。絶縁耐力は1μm厚で2.7MV/cm。誘電体損はポリテトラクロロエチレンよりは大きかった。
    3.本a-C:FをAl電極上に堆積したものを用いてN_2、ArとHeガスのパッセン曲線を測定したが、破壊電圧V_sはAl電極の場合に比べて低pd(気圧x電極間隙)領域で3倍程度上昇した。また、pd<20Torr・cmでは、SF_6のV_sよりも向上することが分かった。
    4.この縁耐力向上の原因は、二次電子放出係数が、金属のものに比べ圧倒的に小さく、10^<-5>オーダの小さな値を与えたことによることを明らかにした。
    5.プラズマ相で生じた分解種とa-C:F膜の化学組成の関係を調べたが、プラズマ条件が膜質に与える影響が必ずしも明らかになったとは言えず、今後の課題として残った。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 13555077
  • 高耐力フルオロカーボン絶縁被覆のプラズマプロセスによる形成と損傷修復に関する研究
    科学研究費助成事業
    2000年 - 2001年
    菅原 広剛
    C_7F_<16>を材料としたプラズマCVD法でアモルファスフルオロカーボン(CF)膜を堆積した。XPSでF/C組成比を、静電容量測定とエリプソメータによる膜厚測定から比誘電率ε_rを、正極性針対平板電極系絶縁破壊試験で絶縁耐力をそれぞれ測定し、熱処理(100〜300℃)後の膜厚減少分から耐熱性を評価した。これらの結果から(1)材料のガス圧依存性(30〜80Pa)、(2)He混合(0〜30Pa)の影響、(3)酸素混合(2〜4Pa)の影響を検討した。
    (1)では低圧ほどF/C比が上昇しε_rは2.1程度まで下がったが、同時に堆積率も低下し耐熱性試験時の膜厚減少幅も大きくなった。絶縁耐力は2MV/cm以上であった。材料ガス圧による膜質制御では耐熱性向上と誘電率低減の両立は難しかった。類似の巨大分子材料C_8F_<18>を用いて堆積したCF膜でも比誘電率は2.5以下、絶縁耐力は1MV/cm以上であった。
    (2)ではHe増加に伴いε_rが低下し(1)同様の傾向が見られた。加えて、堆積中のプラズマ状態が安定して膜質のばらつきが減り再現性が向上した。
    (3)ではCF膜からのC原子引き抜きによるF/C比増加即ちε_r低下を期待したが、酸素活性種のエッチング効果が強く数Paの混合で堆積率が著しく低下し、6Pa以上では膜堆積できなくなった。2〜4Paにおける堆積膜の膜質はばらつきが大きいものの、中には低いε_rが得られた例もあり、多孔質構造のような空疎なCF膜が得られた可能性が示唆される。
    続いて、絶縁破壊部再生を模擬し、CF膜で被覆済みの面と基板が露出した面が接する個所へのCF膜再堆積を試みた。膜厚の時間変化から、再堆積開始時は露出面への堆積の方が速やかに進む傾向が見られたが、再堆積が進行した後は、被覆面と露出面に堆積したCF膜の厚さは同程度になった。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北海道大学, 12750233
  • 衝撃電解重畳法によるフロン分解の大体積化および選択的分解反応促進に関する基礎研究
    科学研究費助成事業
    1998年 - 1999年
    菅原 広剛
    RF(13.56MHz)非平衡放電プラズマに衝撃電界を重畳することによりプラズマ中の電子を短時間のうちに揃って加速し、単一エネルギー的な電子群を生成してフロン12の分解反応の選択性、効率の向上とバルク領域での大体積分解反応の促進を図る技法を流体コードを用いて計算機解析した。
    衝撃電界を印加するとプラズマシースの厚さが変化してこれを吸収してしまうため、衝撃電界がバルク領域に到達する時間は限られるが、誘電緩和時間の見積りや数値解析の結果、数ns程度の間は衝撃電界を維持でき、電子エネルギーをフロン12解離のしきい値(中性解離7.2eV、解離性電離12.2eV以上)まで高めることができた。フロン12は高エネルギー領域で中性解離・解離性電離、低エネルギー領域で解離性付着の衝突断面面積を持ち、これらは共に分解反応に寄与する。しかし低エネルギー領域での電子付着が大きいと放電維持が困難になることから、解離性電離を選択的に促進し分解処理と放電維持を同時に図るのが効果的である。
    バルク領域へ到達する衝撃電界の大きさは衝撃電界の立ち上がり時間に対して敏感に変化し、衝撃電界の立ち上がりが急峻な程バルクに到達する電界も大きいことが確認された。強度500V/cm、印加時間5nsの衝撃電界について立ち上がり時間を2nsから0.25nsに縮めると、分解処理量は35%程度増加した。この程度の立ち上がり時間は数kV規模の高電圧パルス発生装置で実現しているが、実際の回路では容量と抵抗を小さくしてプラズマ中に大きな変位電流が流れるようにする必要がある。衝撃電界を逆極性で印加しても同程度の電子加速効果が得られたことから考えると、衝撃電界印加は任意の方向で構わないものと思われる。したがって衝撃電界印加のための電極をRF放電駆動用電極とは別に設けて回路定数設定の自由度を高めることも可能と考えられる。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北海道大学, 10750201
  • バリア放電/真空紫外光の相乗効果を用いた汚染ガス分解装置開発の基礎研究
    科学研究費助成事業
    1997年 - 1999年
    酒井 洋輔, 河野 仁志, 五十嵐 龍志, 菅原 広剛, VENTZEK Pete
    大気汚染ガスとして問題となっている窒素酸化物と、現在洗浄や電気絶縁に用いられ、その使用後の処理が求められているフルオロカーボン(C_7F_<16>,(C_3F_7)_3N/(C_4F_4)_3N,C_8F_8/C_8F_<16>O)等を直流とRF放電プラズマならびに真空紫外線照射のハイブリッド方式により、分解し大気にもどす、または固化無害化することを目的にその基礎研究を行った。以下に、結果を要約する。
    1)1〜3Torrの二酸化窒素ガスは直流放電プラズマにより90%以上窒素と酸素に分解したことを、圧力上昇 (初期封入圧力の約1.5倍に増加)、プラズマ発光スペクトルの変化(二酸化窒素ならびに一酸化窒素の発光スペクトルから窒素スペクトルヘ変化)、ならびに分解生成物の質量分析とガスクロマトグラフ法から確認した。
    2)二酸化窒素ガスはキセノンエキシマランプから発する紫外線(波長172nm)を照射した場合も分解すること、また1)の実験に紫外線照射を重畳した場合には、放電プラズマ分解ならびに紫外線分解を別々に行った結果の和よりも窒素と酸素への分解速度と分解率が加速度的に向上する相乗効果が見られた。
    3)〜10Torrのフルオロカーボン蒸気をプラズマ分解することにより、電極表面に薄膜の堆積することが確認された。また、プラズマ相においては、分解生成種CF、CF_2、CF_3、C_2F_3、C_2F_5、C_3F_3、C_3F_5、C_3F_6等が質量分析装置で検出され、これらと薄膜の堆積特性の関係が検討された。
    4)本研究で得られた薄膜は、意外にも低誘電率で高絶縁耐力があり、半導体集積回路の絶縁層や電気機器の絶縁補助に利用できる可能性を示した。本応用に関しては現在も研究を続けている。
    汚染粒子分解用放電プラズマの性能向上に関しては、モデリングと励起種の計測から種々の知見を得た。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 09555083
  • バリア放電エキシマランプの最適化に関する研究
    科学研究費助成事業
    1995年 - 1996年
    酒井 洋輔, 五十嵐 龍志, 菅原 広剛, VENTZEK pete, 田頭 博昭
    Xeガスエキシマランプの性能向上を目的として、バリア放電プラズマの特性とフィラメント状放電への移行の理解、光出力と効率を決定する放電プラズマ因子、ならびに、これらの限界を検討した。結果を以下にまとめる。
    1.Xeガスバリア放電プラズマにおいては、印加電圧周波数が低いほどバリアへの堆積電荷量が増すこと、エキシマは電極近傍で効果的に生成されること、印加電圧波形の立ち上がりが速いもの程エキシマ生成効率が高くなることがわかった。また、エキシマレーザ放電(ArFならびにXeC1)におけるフィラメント状放電が局所的なガス温度上昇から発生することが、一般的に言えることが示唆された。
    2.バリア放電プラズマをレーザ分光法による診断を行った場合、信号とプラズマ特性の関係を理解するために行ったモデリングにおいては、通常診断に用いられている光子密度では電子のエネルギー分布関数に有為な攪乱を与えないが、準安定励起原子密度は大きく変わることを明らかにした。
    3.DCから数百kHzの電圧を印加した場合のXe/Ne混合ガスプラズマのレーザ分光診断実験においては、Xe準安定励起原子密度はDCでは陰極近傍、ACでは両電極近傍で大きくり、モデリングと同等の結論が得られた。
    以上の結果から、ランプとしてはエキシマを効果的に生成する電極シース部を利用する設計が望ましいという結論を得た。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 07558175
  • 地球環境問題を考慮した高電圧電力機器絶縁に関する基礎的研究
    科学研究費助成事業
    1995年 - 1995年
    田頭 博昭, 中神 芳武, 菅原 広剛, 下妻 光夫, 酒井 洋輔
    本研究において、フロンを含有する絶縁材料の使用を排し、「地球にやさしい」新しい高電圧電力機器絶縁方式を確立するための基礎研究を行った。空気と微粉体の混合気体を用いた、フロンを含まない材料による気中ギャップの絶縁破壊電圧を、半球対半球ギャップ、あるいは球対球ギャップについて、実験的に研究した。直流、50Hz交流、標準雷インパルスの3種類の印加電圧波形について、データをとった。粉体材料としては、SiO_2、Si_3N_4、TiO_2、CeO_2、Al_2O_3、CuOを用い、粒径はそれぞれ10μmを平均として分布している。50Hz交流電圧印加時は、微粉体の効果は、ほぼここに記した順序でSiO_2が一番空気との比較において破壊電圧の上昇が大きい。2mmギャップにおいて、上昇率が最も大きく、約70%に達した。一方、Al_2O_3やCuOでは、上昇は極めてわずかであった。直流では一般に交流よりも上昇はわずかで、最も大きかったSiO_2でギャップ長3mmでも上昇率は15%程度であった。インパルス電圧印加の場合はパウダの量を準備する都合でCeO_2を除いた5種類について実験を行ったが、いずれの場合も20〜40%程度の破壊電圧の上昇が見られた。これらとは別に、直流および交流のみについCaCO_3パウダ、及びCa(OH)_2パウダに対しても実験を行った。比較的日常的に我々の周辺にある微粉体に興味がひかれたが、いずれも電圧上昇の効果は小さい上、Ca(OH)_2では破壊電圧は却って低下する結果が得られた。SiO_2パウダで典型的に現れるが、直流電圧印加時にパウダが電極(正電極)に付着する現象が見られる。これはパウダが電子を付着する機能を持つことを示し、破壊電圧の上昇を説明することができる。他の説明としては、パウダの電極への付着による電極の誘電体コーティングによる破壊電圧の上昇がある。現実にはこの両者が破壊電圧の上昇に同時に作用しているものと考えられる。
    日本学術振興会, 一般研究(C), 北海道大学, 07650318
  • プラズマプロセスによるフリーラジカル発生、反応、輸送と膜堆積過程の統合的研究
    科学研究費助成事業
    1994年 - 1994年
    田頭 博昭, 横澤 亜由美, 菅原 広剛, ヴェンシェック ピーター, 酒井 洋輔
    本研究は当初Si_3N_4薄膜を形成するためのラジカルを発生するRFプラズマのシミュレーション解析とその薄膜形成過程のシミュレーションに主としてあてられる予定であったが、Si_3N_4ならびにそのプリカーサラジカルに関する研究が不十分のため、急遽方針を転換して、次のような研究を行ない、成果を発表した。
    1)アモルファスシリコン膜堆積についてダイヤモンド格子も用いたモデリングを行い、これによってスピン密度の研究を行なった。その結果、スピン密度を与えるもととなるダングリングボンドはボイド中にあるという結論を得たが、これはおそらく相当に堆積速度が大きく十分密な膜となっていないときの結果であろうと思われる。最近のきわめて良質な膜では、ボイドとダングリングボンドは相関が薄いと報告されており、この点の検討が、今後必要であることを明らかにした。
    2)電荷転移と弾性衝突がある気体中のイオンの速度分布、スオームパラメータのモンテカルロ法による研究を行ない、電荷転移によるピークをもつ速度分布の特異な形状が弾性衝突により緩和されることを明らかにした。M.Kushnerが与えた周波数をもとにモノシランガス中のシリルイオンの拡散係数を求めた。
    3)RF非平衡プラズマの制御を目的として、トランスジェント特性をもとめ、制御を行なうときの基礎的データを得た。また、比例オンオフ制御による制御性をシミュレーション研究し、制御可能性を見いだした。
    4)来年度研究予定のTEOS中の電離係数を、北見工大吉田研究室と協力して測定し、初めてその値を与えた。これは、TEOSガス中のプラズマのシミュレーションの基礎を与えるものである。
    日本学術振興会, 重点領域研究, 北海道大学, 06228203
  • 高電圧電力機器絶縁に関する基礎的研究
    科学研究費助成事業
    1993年 - 1994年
    田頭 博昭, ピーター ヴェンツェック, 菅原 広剛, 下妻 光夫, 酒井 洋輔
    本研究はミクロンオーダーの直径を持つファインパウダを絶縁空間に浮遊させることにより気体の電気的絶縁破壊電圧を向上し、かつその種類を選ぶことにより、無公害的にこれを行ない、高電圧機器の電気的絶縁をハロゲンフリーな気体絶縁とする可能性を実験的に見いだすことを目的としている。以下に研究成果を報告する。
    使用したパウダはSiO_2、TiO_2及びSi_3N_4で、電極間に印加した電圧は直流(DC)、50Hz交流(AC)及び標準雷インパルス(LI)である。LI印加時は、50%フラッシ-オーバ電圧V_<50>を昇降法により求めている。紫外線照射は行なっていない。
    まず、SiO_2パウダで半球電極間にLIを印加した時、V_<50>はギャップ長1mmで空気の約1.6倍に上昇した。DC、AC電圧印加時にあったパウダの電極への付着はなかった。
    TiO_2パウダではLI印加時で、SiO_2パウダ使用時とほぼ同程度で、ギャップ長1mmで空気での値の約1.5倍となった。しかし、DC及びAC電圧印加時では、絶縁破壊電圧の大幅な上昇はなかった。ACでは、約1.1〜1.2倍の上昇が見られたが、DCでは空気の絶縁破壊電圧とほぼ同じであった。いづれの電圧でも、SiO_2パウダの実験で見られたパウダの電極への付着は観察されなかった。
    Si_3N_4パウダを用いて同様に実験を行なった。LI電圧印加時では、そのV_<50>はギャップ長1mmで空気の約1.6倍となった。AC及びDCでは、絶縁破壊電圧の大きな上昇は見られない。また、パウダの電極への付着も観察されていない。
    LI電圧印加時では、いずれのパウダでも絶縁破壊電圧は空気より上昇した。しかし、AC及びDC電圧を印加した場合、SiO_2パウダを使用したときが最もパウダの効果が現れている。これは、パウダが帯電し電極に付着するということに関係しているものと思われる。各パウダでの、帯電の状況及び電極に付着した場合の付着量を調べ、絶縁破壊電圧の上昇の要因の検討を行なっている。
    日本学術振興会, 一般研究(B), 北海道大学, 05452174
  • コロナ放電による窒素酸化物公害ガス分解のシミュレーション
    科学研究費助成事業
    1993年 - 1993年
    菅原 広剛
    本研究は大気汚染の原因の1つとして考えられている窒素酸化物のコロナ放電による分解をコンピュータシミュレーションにより解析し、分解反応機構の解明ならびに分解反応の高効率化を図ることを目的とする。
    コロナ放電のシミュレーションに必要な窒素酸化物分子の衝突断面積の推定は、定常タウンゼント法による電離係数の測定結果に、ボルツマン方程式解析による結果を合わせるよう断面積修正を繰返して行なう計画であったが、実際にボルツマン方程式解析を試みたところ、窒素酸化物のような電子付着性のガスの場合には計算が不安定となる場合があることがわかった。そこで、より安定な解析手法として、研究代表者らが開発しコロナ放電の解析に用いる計画であったプロパゲ-タ法を衝突断面積の推定にも導入することとした。
    プロパゲ-タ法を定常タウンゼント法に適用する場合、従来の適用方法では電子の実空間における位置およびエネルギーの両方について空間分割を行なう必要があり、膨大な計算機容量を必要としていた。本研究ではこの点を踏まえ、エネルギーに関する空間分割のみで定常タウンゼント状態の解を求めることができる手法を新たに開発した。新手法の確立に伴って解析に必要な計算機容量が大幅に軽減されたため、従来は大型計算機で行なっていたシミュレーションが本年度購入備品の超高速アクセラレータボードをパーソナルコンピュータに搭載した計算機系で実行可能となった。
    本研究で開発した手法は、解析に必要な計算機容量が従来の手法に比較して格段に小さい。また、本研究の対象である窒素酸化物のように、従来の手法では解析困難な場合があるとされている電子付着を含む条件にも対応可能な手法である。その成果は、研究発表覧に示すように英国物理学会誌に論文として掲載された。
    日本学術振興会, 奨励研究(A), 北海道大学, 05750251
  • プラズマプロセスによるフリーラジカル発生、反応、輸送と膜堆積過程の統合的研究
    科学研究費助成事業
    1993年 - 1993年
    田頭 博昭, 横澤 亜由美, 菅原 広剛, 酒井 洋輔
    1.平成5年度の研究目的は、モノシラン中の非平衡rfプラズマによる水素化アモルファスシリコン堆積時のラジカル発生、輸送、表面反応と膜堆積過程におけるラジカルの挙動を明らかにすることである。
    2.平成5年度の研究成果は、以下の(1)〜(3)に要約される。(1)ラジカル発生のシミュレーション;比較的小規模な計算でラジカル発生量を求めることができる連続の式に基づくモデルをつくり、電極間のラジカル発生レート分布を求めた。モンテカルロモデルから得たラジカル発生レートとよい一致が得られた。(2)イオンの拡散係数と移動度の導出;上記のシミュレーション支援のため文献値がないモノシランイオンのドリフト速度および拡散係数、平均エネルギーをモンテカルロ法で求めた。衝突断面積は文献値を用いている。拡散係数は1Torr、E/N=1414Tdで約2500cm^2/sであった。(3)ラジカルによる膜堆積過程のシミュレーション;シリルラジカル等による膜堆積過程を解明するため、堆積サイトがダイヤモンド構造をなしているモデルを用いてモンテカルロ法で、堆積率、水素含有量、スピン密度、膜密度を求めた。従来用いていた立方格子モデルと比較して、膜密度および堆積率に関しては実験的に得られた値(2.1gcm^<-3>)あるいは傾向(基板温度にほとんど依存しない)とほぼ一致した。また水素含有量に関しては、基板温度200〜400°Cにおいて実験値と一致した値が得られたが、基板温度を500°C以上に加熱した場合、水素含有量がほぼ10%一定となり、実験値から得られる傾向より大きな値となった。これは隣接するH終端ボンドとダングリングボンドの結合に必要な活性化エネルギーを大きく見積りすぎたためと思われる。スピン密度に関しては、ラジカルとサイトの反応式の多くがダングリングボンドをつくり出すため、膜中にこれが残る可能性が高く、このため実験値とは大きく異なった値が得られたものと思われる。
    日本学術振興会, 重点領域研究, 北海道大学, 05237203
  • 窒素酸化物のLID濃縮と放電分解に関する基礎研究
    科学研究費助成事業
    1992年 - 1993年
    酒井 洋輔, 菅原 広剛, 田畑 昌祥, 田頭 博昭
    本計画は、微量のNO_xを濃縮し、これを放電ならびに紫外線により効果的に分解除去することを目的とした基礎研究を行うことである。濃縮方法としては、Light-Induced Drift(LID)効果を用いる。分解とLID実験は並行して行っている。本研究の成果を以下に記す。
    1)圧力1〜7TorrのNO_2ガスのグロー放電下でNO_2の80〜90%をN_2とO_2に分解できた。分解生成物は、NOを経てN_2とO_2になることが分かった。
    2)放電内の紫外線がNO_2の分解に及ぼす効果ならびに紫外線による分解の可能性を検討するために、NO_2の紫外線照射による分解を試みた。放電分解の場合と同様にN_2とO_2に分解されることが分かったが、その過程は放電による分解過程と比べて異なることが示唆された。
    3)NO_2ガスの電離係数、二次電離係数は空気のそれらより数十%小さかったが、電子付着係数はO_2のそれより大きな値をとった。NO_2/He混合ガスの電離係数は、1005)LID測定実験では、色素レーザならびに半導体レーザを用い、改良型ドリフトチューブ、その他実験系の組立を完了し、現在本実験をHeガス中に数%添加されたSF_6に対して始めたところである。
    以上のような結果を得たが、NO_2の紫外線による分解、その分解過程の検討、LID濃縮の学術的問題を詳細に解明し、さらには煙道ガスに微量含まれるNO_2の分解除去技術の開発に本成果を効果的に役立たしめること等が今後の問題として残り、尚いっそうの研究が必要とされる。
    日本学術振興会, 一般研究(B), 北海道大学, 04452159
  • 微粉体誘電体による気体(SF_6、空気)の絶縁耐力上昇機構に関する研究
    科学研究費助成事業
    1992年 - 1992年
    田頭 博昭, 菅原 広剛, 下妻 光夫, 酒井 洋輔
    本研究では、粒径の異なる4種類のSiO_2ファインパウダ(12μm、36μm50μm、150μm)ならびに異なる材質のパウダとしてSi_3N_4ファインパウダを空気中に浮遊させ、絶縁破壊電圧の測定を行いその諸特性について検訂した。また実験の際、質量の大きいパウダはファンによる浮遊が困難のため、電極間にパウダを散布する装置を作成し、2つの装置を用いて測定を行なった。結果を以下に示す。
    (1) 12μmパウダを使用し、ファンを作動させた状態の交流絶縁破壊において、電極間にパウダのブリッジが形成されなくても絶縁破壊電圧は上昇した。この時、両電極に付着したパウダが電極間に流れこむのがみられ、これが絶縁破壊電圧の上昇に寄与しているものと思われる。 36μmパウダで同様の実験を行なったが、12μmパウダで確認されたほどの大きな絶縁破壊電圧の上昇はみられていない。
    (2) 散布装置を用いた4種類の粒径の異なるSiO_2パウダに対する測定では、どの粒径のパウダも絶縁破壊電圧の大きな上昇は見られなかったが、粒径の大きいパウダと、小さいパウダではわずかであるが差があると思われる。また、同じ粒径でありながらファンによる結果(12μm、36μm)と差があるのは、電極付近にあるパウダの量の違いが影響しているものと考えられる。
    (3) Si_3N_4パウダによる絶縁破壊実験ではパウダが重いため浮遊している量が少なく、絶縁破壊電圧の上昇はあまり見られない。散布の装置に替えて同様に測定を行なっても大きな上昇はみられていない。
    (4) 直流での測定において、パウダが陽極側に多量に付着しており、パウダ自身は負に帯電しているものと考えられる。
    日本学術振興会, 一般研究(C), 北海道大学, 04650227
  • Modelling and Simulation of Weakly Ionized Plasmas　　　　　　　　　　　　　　　
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