まず初めに、そもそもプラズマとは？
無味乾燥に言うと、プラズマとは物質の第4の状態のことを指します。固体に熱などのエネルギーを加え続けると、まず液体に、次に気体になります。そして更に加え続けると、プラズマになります。
プラズマが発生する仕組みとは？
通常の気体では、原子核と電子が固く結びついており、原子は電気的に中性で、穏やかな状態になっています。ですが、気体にエネルギーを供給し続けると、原子同士が激しくぶつかり合い、結合力が失われ、電子が原子から離れます。そうなると気体は、負の電子と正の電気を帯びた原子核がバラバラになって自由に動き回っている状態になります。プラズマになることは、電離と呼ばれます。自然界では、これは激しい現象で発生することがほとんどであり、例えば1500万度にも達する太陽の中心核のような想像しがたい熱や、何百万ボルトもの雷によって空気分子が電離した際に発生する凄まじい放電などが該当します。
プラズマを人工的に生成する方法とは？
産業界では、ハイテク設備内で電気的に正確に釣り合っている状態でプラズマ生成を制御しています。そこでは、加工品が真空チャンバー内に置かれています。そしてチャンバー内にアルゴンなどの希ガスが流入します。この真空チャンバー内で不可思議なプラズマ生成が行われますが、 技術的に難度の高い工程自体は、その外で行われます。具体的には、TRUMPFのポートフォリオなどに含まれる特殊なジェネレーターが、通常の電源電圧を高周波電圧またはパルス電圧に変換し、このエネルギーを真空チャンバー内の気体に直接加えます。電界によって電子が一気に加速し、何百万回も衝突することで、プラズマが生成されます。 ジェネレーターはここで指揮者の役割を果たしています。電流、電圧と周波数をミリ秒単位で制御し、そのバランスを取り、表面処理や極薄コーティングなどの各アプリケーションで必要な形状や特性をプラズマに正確に与えています。
この真空チャンバー内でコーティング用の輝くプラズマが発生しますが、そこでの技術的な難題は、接続されているハイテクジェネレーターがその裏で解決しています。
産業界でのプラズマの利点とは？
自然界で発生するプラズマは御せない存在ですが、産業条件下であれば、プラズマほど簡単にコントロールして、原子レベルで正確に制御できる物質状態はありません。なぜならば、プラズマは電気伝導率が非常に高く、特殊なジェネレーターが発生させる電磁界に非常に敏感に反応するからです。この電磁界は、目に見えないピンセットのようにプラズマを掴み、伸縮させるか、加速させるか、空間内に浮いた状態に保ちます。また、プラズマは化学的反応性も高くなっています。バラバラに浮遊しているイオンは、再び結合しようとする特性を有しているため、近づいてきたあらゆる物質に付着します。産業界でのプラズマの用途は多岐にわたり、多種多様な材料の表面処理、硬化、熱に弱い医療機器の殺菌などに使用されています。そして特に、「正確に制御可能」で「反応性が高い」特性を兼ね備えているプラズマは、マイクロチップ製造で不可欠になっています。
チップ製造でのプラズマの使用方法とは？
マイクロチップはシリコンウェーハ上に層ごとに構築されますが、そこでプラズマによって、ウェーハ上での原子の配置が制御されます。指の爪ほどの大きさのウェーハ上には、現在では数十億個ものトランジスタが搭載されています。その寸法は極小であり、通常のツールでは対応できないため、プラズマが利用されています。実際の現場では、プラズマは2つの主要な役割を果たしています。エッチングでは、プラズマを狙い通りに当てることで、原子レベルでのサンドブラストのような効果を生み出しています。極めて精緻なパターンが転写され、極小の配線構造が形成されます。コーティングでは、プラズマによって原子が適切に配置されています。プラズマが気体を反応させることで、ウェーハの表面にコーティングが狙い通りに施されるほか、プラズマがビリヤードの玉のように原子を金属片から叩き出すことで、原子が絶縁体または配線としてウェーハ上に極めて正確に配置されます。
このようなシリコンウェーハ上にマイクロチップが層ごとに生成されますが、この工程は、ツールとしてのプラズマがなければ不可能です。
そしてプラズマが携帯電話で果たしている役割とは？
極めて単純です。ジェネレーターによって制御されるプラズマがなければ、今日事実上どの先進機器でも使用されている高性能チップはあり得ません。プラズマがなければ、コンピューターも、AIも、インターネットも、そして携帯電話もあり得ないのです。
