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プラズマによる新材料創成とナノスケール加工
New material production and nano-scale etching by plasma

量子理工学部門 プラズマ物理工学研究室　教授　日野 友明、助教　信太 祐二

［PROFILE］
○研究分野／核融合、プラズマ科学
○研究テーマ／核融合工学、プラズマ産業応用
○研究室ホームページ
　http://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/ppel_jp/index.html

Tomoaki Hino ： Professor
Yuji Nobuta ： Assistant Professor
Laboratory of Plasma Physics and Engineering
Division of Quantum Science and Engineering
○Research field : Nuclear Fusion, Plasma Science
○Research theme : Fusion Engineering, Plasma Industrial Application
○Laboratory HP :
　http://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/ppel_jp/index.html

宇宙の99.9 %がプラズマ
地球上の多様な産業に応用

　物質は温度を高めると、固体→液体→気体→プラズマに変化します。原子の中では正の電気を持つイオンと負の電子が合体していますが、温度が高くなるとイオンと電子がバラバラなプラズマといわれる状態になります。実は宇宙の99.9パーセント以上がプラズマ状態なのです。地上でよく見るプラズマは、太陽、雷、オーロラ、蛍光灯、プラズマテレビ等です。地上で多様な性質をもつプラズマを作って、様々な産業応用に使用しています（図1）。照明、ディスプレイ、有害物質の分解、新材料の合成、ナノといわれる100万分の1メートル程度までの超微細加工が代表例です。これらはプラズマプロセスといわれています。現在、プラズマにより核融合炉を実現して、人類の究極のクリーンエネルギーを目指した研究も行われています。プラズマ技術はハイテクノロジーの根幹を担っているのです。

図1 高周波放電といわれる方法で作ったアルゴンプラズマ Figure 1 : Argon plasma produced by radio-frequency discharge.

活性種で新材料を創成
携帯等の超小型化に貢献

　プラズマでも温度の低いプラズマは低温プラズマといわれています。この中には、他の物質と極めて反応しやすい活性種といわれる粒子がふんだんにできます（図2）。この活性種がいろいろな物質上に、簡単に薄い新材料を創ります。ダイヤモンド、熱に強い航空機ブレーキ用材料、工具やプリンター用の摩耗しにくい材料、金色などをもつ装飾材料、生体用材料、半導体用材料等に使用されています。プラズマ中の活性種の種類と物質との組合せ、作成条件を変えると、新材料を限りなく合成できます。また、プラズマは材料創成のみならず、ナノスケールの超微細加工もできます。その好例として携帯やパソコンの機能が格段に向上し、小型化が進んだ事実は皆さんもご存知のとおりです。プラズマにより、半導体用の絶縁材料を堀削し、数100ナノメータまで微細加工できるようになりました。これからさらに微細化が進んでいけば、この加工技術はバイオやロボット技術にも大いに使用されていきます。プラズマの利用は、今後ハイテク分野等で一層拡がり、技術の革新にますます貢献していくでしょう。

図2 低温プラズマ中の活性種とそれを堆積させる基板 Figure 2 : Radicals and substrate in a low temperature plasma.

technical term
プラズマ 物質を高温化していくと、気体（ガス）の状態からさらにイオン化ガスとなったプラズマになる。「物質の第4の状態」とも言われている。