高周波放電  

 
電極にかける電圧を高周波(MHz以上)の高周波で放電すると、放電の開始電圧は低下する。   
そして、放電管に電極がなくても持続放電が可能となる。   
高周波プラズマは、薄膜作成のためのプラズマCVDやプラズマ化学の分野で重要である。   
さらに周波数の高いマイクロ波プラズマでは、電離度が高くなり、プラズマ密度が高くなる。   
このプラズマは、半導体集積回路作成のためのCVDやエッチングなどに用いられる。   
直流でも放電するが、半導体/LCDのProcess装置では、ほとんど高周波を印加しているのはなぜか?    
高周波の方が放電開始電圧が低く、放電の維持も容易で、電極を絶縁物で被うことができる。    
高周波では、電極gapが大きければ、電子が電極間を自由に往復できる。    
そして、α作用が活発に行われ、低電圧で放電が開始し維持される。    
通常、装置の電極は、gasによる腐食を防ぐため、絶縁物で被う。    
この状態で直流放電を行うと、陰極の表面はionにより正に帯電し始め、放電はすぐに停止してしまう。         
容量結合型高周波放電について考える。   

「d:
電極間距離 」、「L: 電子の半周期における最大移動距離 」の大小により放電の形態が特徴づけられる。    
比較的周波数が低く、「
Lがdに比べ、十分大きい 」場合、電子は瞬時に陽極に達する。    
そのため、放電は「
α作用 」と「 γ作用 」で維持される直流と似た形態を示す。    

逆に、周波数が高くなって、「
Lがdより十分小さくなる 」領域では、電子が陽極に達する前に極性が変わる。    そのため、電子は陽極に到達できず、電極間で振動を繰り返す。    
このような状態を電子が「
トラップ 」されると呼ぶ。    
トラップされた電子は、振動しながら[
α作用 (衝突電離)]を繰り返すため、γ作用は必要なくなる。    α作用が活発に行われているために電子の生成量は多い。    
そして、放電開始電圧、放電維持電圧は、直流や低周波放電の場合に比べて低下する。    
これは、電極が絶縁物に覆われた状態(無電極状態)でも放電が維持できることを示す。   
高周波でPlasmaを作るのに13.56MHzが使用されるのはなぜか?    
これはEN(欧州)規格で、工業、科学、医療用(ISM)に割り当てられた周波数である。   
(ISM:Industrial Scientific and Medical)    
この周波数であれば、最大放射限度値に制限がない。    
その他の周波数では、妨害電圧の限度値が規定されている。(規定値以下では使用可能)    
これは、通信用の無線電波との混信を防ぐための処置である。(MHzは、radio波と同じ短波領域)        ISM基本周波数として国際電気通信連合(ITU)が指定している周波数の例   
(ITU:International Telecommunication Union)      
6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz...    
それ以外での周波数での妨害電圧の限度値は、 周波数5〜30MHzの範囲で「60dB(μV)」。

  高周波プラズマ中の電子の運動
   電極が電場から受ける力は、「電子電荷×電場」となる。
   また、Newtonの法則から、「電子の質量×加速度」としても表せる。
     ma = e・E0・sin(ωt)
    (e:電子の電荷(= -1.6×10-19q))
    (ω:角振動数(= 2πf))
       ω = 2π×(13.56)× 10の6乗 =8.52×10の7乗 (rad)
    (m:電子の質量(= 9.1×10-31kg))
    (a:電子の加速度)
   ここでは、例として、高周波周波数fを「13.56(MHz)」、電場強度E0を「10000(V/m)」として計算する。
    
   上の式を、時間で2度積分すると、次のような式になる。
     X = −(e・E0/mω2)sin(ωt)
    (X:電子の移動距離)

   各変数に数値を代入すると、X ≒ 0.24 sin(ωt)となる。

   つまり、電子は、1周期で、0.24m進み、0.24m戻る。(合計0.48m移動する)
   電極間gapが「0.24m」より狭ければ、電極に電子が吸収される量が多い。