プラズマとは？ 仕組み・種類・身近な例と産業での活用

プラズマは、固体・液体・気体に続く「物質の第4の状態」と呼ばれています。自然界から身近な機器、産業分野まで幅広く存在・利用されています。本ページでは、プラズマとは何かを起点に、発生の仕組み、主な種類や特徴、身近な例、産業での活用を順に解説します。

プラズマは何に使われているのか

プラズマは、高い熱エネルギーや化学反応を促進する性質、光を発する性質などを利用して、製造、加工、照明、医療など幅広い分野で活用されています。

 半導体・電子部品の製造

プラズマ中のイオンやラジカルを利用して、材料表面を削るエッチングや、薄膜を形成する成膜、装置内部のクリーニングなどを行います。反応性の高い粒子を利用するため、ナノメートル単位の微細な穴や溝の加工にも対応でき、半導体集積回路の製造工程で広く使われています。

 表面処理・洗浄

材料表面の汚れを除去したり、濡れ性や接着性を向上させたりするために利用されます。樹脂、フィルム、金属など幅広い材料が対象です。

 溶接・切断・溶射

熱プラズマの高い温度を利用して、金属を溶かし、溶接や切断、表面へのコーティングを行います。

 排ガス処理（除害）

製造プロセスから排出されるガスをプラズマによって分解し、無害化する用途にも利用されています。反応性の高い粒子によって、通常の条件では分解しにくい成分を処理できる点が特徴です。

 照明・表示

蛍光灯やネオンサインでは、気体をプラズマ化した際に生じる発光を利用しています。

 医療・衛生分野

低温プラズマによって生じる活性種を利用し、殺菌、滅菌、表面処理などへの応用が研究・実用化されています。

産業用プラズマでは状態の管理が重要

産業用プラズマの状態は、使用するガスの種類や流量、圧力、投入電力、装置内部の状態などによって変化します。プラズマの状態が変わると、加工結果や処理時間、品質のばらつきにつながるため、状態を継続的に把握し、安定して管理することが重要です。

 処理結果のばらつきを抑える

プラズマの状態が変化すると、エッチング速度や膜質、表面処理の効果などが変わることがあります。状態を把握することで、処理結果の再現性を高めやすくなります。

 処理の終点を判断する

エッチングやクリーニングでは、設定時間だけで処理を管理すると、装置内部の状態によって過不足が生じることがあります。プラズマの変化を監視することで、処理の終点を判断できます。

 装置内部の変化を把握する

チャンバー内の堆積物や部品の劣化、汚染などによって、同じ条件でもプラズマの状態が変化することがあります。経時変化を確認することで、装置状態の管理に役立ちます。

 異常の兆候を捉える

ガス供給の変動、異常放電、外部からの不純物混入などが起こると、プラズマの状態にも変化が現れる場合があります。通常時との違いを監視することで、異常の早期発見につながります。

プラズマの発光から状態を確認する方法

プラズマから放出される光を分光器で測定すると、波長ごとの光の強さを示す「発光スペクトル」が得られます。プラズマ発光モニタリングでは、このスペクトルや特定波長の発光強度を監視することで、プラズマ中で起きている反応やプロセス状態の変化を捉えます。

 発光波長から成分を推定する

原子や分子によって、強く発光する波長は異なります。そのため、発光スペクトルに現れるピークの位置から、プラズマ中に存在する原子や分子、反応生成物などを推定できます。

 発光強度の変化からプロセス状態を捉える

特定波長の発光強度を時間とともに監視することで、反応の進行や処理対象の変化を確認できます。エッチングやチャンバークリーニングでは、発光パターンの変化を処理終了の判断に利用できます。

 非接触でリアルタイムに監視する

プラズマ発光は、観察窓や光ファイバーを通して測定できます。プラズマへ直接測定器を挿入せず、プロセス中の状態変化をリアルタイムに監視できることが特徴です。
※発光強度は、対象成分の量だけでなく、圧力、投入電力、電子のエネルギー状態、測定条件などによっても変化します。そのため、発光強度をそのまま絶対的な濃度として扱うのではなく、プロセス状態の変化や再現性を確認する目的で利用されます。

 測定結果をプロセス制御に利用する

発光の測定結果は、状態の確認だけでなく、プロセス制御の入力としても利用できます。
例えば反応性スパッタリングでは、プラズマを利用してSiO₂、TiO₂、TiNなどの化合物膜を形成しますが、チャンバー内部やターゲット表面の状態が時間とともに変化すると、同じ設定条件でも成膜状態が変動し、化合物膜の組成比を長時間一定に保つことが難しくなる場合があります。
そこで、プラズマ中の酸素や窒素などの反応性ガス成分に由来する発光と、金属種に由来する発光の強度をモニターし、その結果に応じて反応性ガスの流量を制御することで、化合物膜の組成比を成膜中一定に保ち、長時間にわたって安定した成膜を行うことができます。
このようにプラズマ発光モニタリングを活用することで、処理の終点や装置状態、異常の兆候などを把握し、プロセスの安定化や品質管理に役立てることができます。