直流電界下における固体絶縁物帯電機構に関する研究

直流电场下固体绝缘子带电机理研究

基本信息

批准号：
13J04944
负责人：
岩渕大行
金额：
$ 1.15万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

近年の微細加工技術の発達に伴い、気体中や絶縁物表面の微小ギャップにおける絶縁破壊現象が大きな問題とされるようになった。特にマイクロアクチュエータに代表されるようなトルク出力が要求されるMEMS デバイスでは、出力が電界強度によって決定されるため、μm～nm オーダのギャップ間の絶縁の把握が重要な鍵となる。本研究においてはMEMS デバイスを模擬したSO ウェハ上のマイクロ沿面ギャップにおける放電前駆現象および絶縁破壊電圧の測定を行い、マイクロ沿面ギャップにおける放電機構を検討した。本年度はPIC-MCC法に基づく粒子シミュレーションを実施し、負極性電圧印加時においては、陰極からの電界放出電流そのものに空間電荷によって正のフィードバックがかかることで放電が発生するという新たな放電機構を提唱した。これは、実験によって得られた絶縁破壊特性や放電経路とも矛盾しないものであると評価できる。また、正極性電圧印加時の絶縁破壊機構では、陽極近傍の誘電体表面からの電子放出が、絶縁破壊に影響を与えていることを明らかにした。また、陰極の表面状態のわずかな差によって電界放出電流密度が変化し、空間の正イオンの形成に要する時間が変化し、この効果によって放電遅れ時間特性（V-t特性）が説明できることを示した。本研究で構築した微小ギャップにおける放電機構は、MEMSにとどまらず今後さらなる高圧化が見込まれるパワーデバイスにおける絶縁設計にも大きな知見を供するものである。

随着微生物技术的最新发展，气体和绝缘体表面微型胶囊中介电击穿现象已成为一个主要问题。特别是对于需要扭矩输出的MEMS设备，例如由微隔离器代表的扭矩输出，输出由电场强度确定，因此了解μM至NM的间隙之间的绝缘层是重要的关键。在这项研究中，我们测量了在如此晶圆的模拟MEMS设备上的微爬路缝隙处的排放前体现象和击穿电压，并检查了微蠕变间隙处的放电机理。今年，我们基于PIC-MCC方法进行了粒子模拟，并提出了一种新的放电机制，在这种机制中，当使用负极电压负极电压时，将正反馈应用于由于空间电荷而导致阴极的场发射电流，从而导致放电。这可以评估为与通过实验获得的分解特征和排出路径一致。还揭示了在介电分解机制中，当应用正电压时，阳极附近的介电表面的电子发射会影响介电击穿。此外，已经表明，由于阴极的表面状态略有差异以及空间中正离子形成所需的时间，场发射电流密度发生变化，并且这种效应解释了放电延迟时间特征（V-T特征）。这项研究中构建的小差距的排放机制不仅在MEMS中，而且还提供了电力设备的绝缘设计中的知识，预计将来将进一步增加。