JP2000040475A - 自己電子放射型ｅｃｒイオンプラズマ源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型マイクロ波ＥＣＲプラズマ発生装置では
ヘリウムや水素のような軽元素のプラズマを高密度に立
てるのが難しい。軽元素でも高密度プラズマを形成でき
るような小型ＥＣＲプラズマ発生装置を与えること。 【構成】ＭｇＯ、チタニア、ステアナイト、フォルステ
ライト、マコール、コージライト、ムライト、Ｙ
_２Ｏ_３，ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、Ｓｒ
Ｂ_６、ＣａＢ_６、Ｓｃ_２Ｏ_３のいずれかよりなるアンテ
ナカバーでアンテナを囲み、上記の何れかよりなる材料
の内壁カバーによって真空容器の内壁を被覆し、マイク
ロ波パワーを強くし、アンテナカバーからは熱電子を内
壁カバーからは二次電子や光電子を放出させるようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アンテナによって
マイクロ波をチャンバに導入し、ガスを励起しプラズマ
にする小型のＥＣＲイオン源、ラジカル源、プラズマ源
などに関する。プラズマ源、イオン源の励起源はいくつ
もある。例えば負にバイアスしたフィラメントに電流を
流し熱電子を放出しチャンバとの間にアーク放電を起こ
させ原料ガスをプラズマ励起するものがある。これをフ
ィラメント励起と呼ぶ。熱陰極から熱電子が放射される
のは、温度が高いので熱運動がさかんになり仕事関数を
越えて電子が外部に出るしこれが電界によって引っ張ら
れるからである。フィラメントはタングステンが使われ
る。これの欠点はフィラメントがスパッタリングされや
すく寿命が短いということである。頻繁にフィラメント
を交換しなければならない。

【０００２】平行平板電極の間に１３．５６ＭＨｚの高
周波を掛けて原料ガスをプラズマにするものもある。高
周波励起である。平行平板電極間に直流電圧を掛けてプ
ラズマ励起するものもある。直流電圧励起である。２．
４５ＧＨｚのマイクロ波によるマイクロ波イオン源もあ
る。マイクロ波イオン源にもいくつもの種類がある。マ
グネトロンからマイクロ波を同軸管に導きアンテナによ
ってチャンバに導入する比較的小型のものがある。マイ
クロ波エネルギーが小さいと同軸管によってマイクロ波
を搬送できアンテナから放射することができる。軸対称
で小型にできるので有用である。或いはマグネトロンか
らマイクロ波を導波管に導き誘電体窓を通してチャンバ
に導入する大型のものもある。マイクロ波エネルギーが
高い場合は、同軸管では搬送できない。アンテナも使え
ない。導波管の中を空間伝送するしかない。

【０００３】さらにマイクロ波イオン源といってもＥＣ
Ｒ型とそうでないものがある。ＥＣＲはチャンバの外側
に電磁石或いは永久磁石を設け縦磁場を発生させてチャ
ンバ内に８７５ガウスの共鳴磁場を作り電子をサイクロ
トロン運動させマイクロ波を共鳴吸収させるものであ
る。縦磁場を与えないものもある。それは非ＥＣＲ型で
ある。ＥＣＲは電磁石とその電源或いは永久磁石が必要
であるが、マイクロ波を共鳴吸収でき励起密度が高いと
いう利点がある。これらの多種類のプラズマ励起機構の
中で、本発明はＥＣＲ型マイクロ波励起のイオン源、ラ
ジカル源、プラズマ源に関する。その中でも同軸管とア
ンテナを使う極めて寸法の小さい高密度のイオン源等に
関する。

【０００４】イオン源、ラジカル源、プラズマ源と言う
言葉を定義しよう。チャンバの出口に有孔電極を設けこ
れに電圧を掛けておき、チャンバ内で原料ガスを励起し
プラズマに変えてイオンビ−ムとして取り出すものをイ
オン源という。出口に有孔電極をもたず、内部と外部の
圧力の差を利用してプラズマから中性のラジカルを取り
出すようにしたものがラジカル源である。窒素をラジカ
ルとして供給する場合などに使われる。チャンバ内に処
理すべきウエハを設けチャンバ内でプラズマ処理するよ
うにしたのがプラズマ源である。いずれも原料ガスを何
らかの手段によて励起しプラズマとするものである。本
発明はこれら３つの装置のいずれにも適用できる。

【０００５】

【従来の技術】同軸管等でマグネトロンからマイクロ波
を導きチャンバ内でアンテナからマイクロ波放射しガス
を励起しプラズマを発生させるＥＣＲ装置は小型にでき
る。小型で円筒対称であるから薄膜生成装置、イオン注
入装置、ＭＢＥ装置などの一部に組み込むのが容易であ
る。それで本発明者は以前より小型アンテナ型マイクロ
波プラズマ装置の検討を進めている。夥しい提案創作を
している。以下に紹介する。 特開平８−３１３５８「ＥＣＲイオンラジカル源」発
明者藤田秀樹、禅野由明は一巻したアンテナをセラミッ
クで内張りしたチャンバ内に設ける。アンテナ表面もセ
ラミックで被覆する。アンテナをコイル状にするのは有
効な放射面積を増やすためである。チャンバ壁面、アン
テナ金属が露呈していると、スパッタリングが起こりや
すい。加速された金属粒子が壁面、アンテナに高速で衝
突し金属面を削り取る現象がスパッタリングである。ス
パッタリングが起こるとスパッタ粒子によってチャンバ
壁、アンテナが汚染される。それにアンテナが痩せてく
る。頻繁にアンテナ交換しなければならない。この発明
は、スパッタリングを防ぐためにセラミックをコ−テイ
ングしている。セラミックは絶縁体であり高熱に耐え、
スパッタリングに強い。電界によって加速された粒子が
衝突しても容易に剥落しない。セラミックとして挙げら
れているのは、アルミナ、ＢＮ，ＡｌＮ、石英などであ
る。

【０００６】特開平９−２５９７８０「フィードスル
ー挿入型高周波導入プラズマ生成機構」発明者藤田秀樹
は超高真空の分子線エピタキシャル成長装置のラジカル
源を与える。ＭＢＥ装置は超高真空にしなければならな
いので、アンテナ保持部分に真空コネクタを設けて漏れ
のないように工夫している。アンテナは直線になってい
る。ＭＢＥの窒素ラジカルなどを与えることができる。
壁面金属は露呈し、アンテナ金属も露呈している。マイ
クロ波は利用するがＥＣＲでない。 特開平９−２４５９９７「カバーで覆われた内壁とア
ンテナを持つプラズマ室」発明者藤田秀樹、安立明は、
マイクロ波でプラズマを生成する装置において、アンテ
ナを直線にし鞘型のカバーをかぶせ、壁面にも絶縁体カ
バーを設けたものである。金属地肌がスパッタリングさ
れるのを防ぐために絶縁体カバーで覆うのである。これ
も超高真空が必要なＭＢＥ装置で窒素ラジカルを生成導
入するためのものである。プラズマによって壁面、アン
テナがスパッタリングされると、分子線エピタキシャル
成長装置の超高真空を破るし、ウエハ−を汚染する惧れ
がある。スパッタリングによって誘電体窓が汚染されマ
イクロ波が入り難くなる。アンテナが痩せて消耗が激し
く短時間で交換しなければならない。そのような難点を
ふせぐために絶縁体カバーで覆うのである。単にセラミ
ック被覆するのでは薄すぎる。スパッタリングによって
セラミック被覆がやがて破られる。そこで別部材のカバ
ーをつくりカバーを差し入れるのである。自立できる別
部材のカバーで覆うから、長時間のスパッタリングにも
良く耐える。絶縁体としては、ＰＢＮ、ＢＮ，ＡｌＮ、
アルミナ、ＭｇＯ、ジルコニア、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等
が挙げられている。厚みは２ｍｍにも達する。カバーで
あるから取り外しでき交換は容易である。

【０００７】特開平９−２４５６５８「永久磁石によ
るＥＣＲ共鳴を利用するプラズマ生成機構」発明者藤田
秀樹、安立明は永久磁石によって８７５ガウスの共鳴磁
場を作る。アンテナを直線状にしてＥＣＲ条件がアンテ
ナ上２箇所〜３箇所程度で満足されるように工夫してい
る。コイル状だと８７５ガウスになる部分にアンテナが
つねに存在するとは限らず条件の調整が難しい。軸対称
の直線状アンテナの場合は、２箇所でＥＣＲ条件（マイ
クロ波周波数＝サイクロトロン周波数（つまり８７５ガ
ウス）を満たすようにできる。アンテナを長くすると３
箇所でもＥＣＲ条件を満足できる。ＭＢＥの窒素ラジカ
ル源である。小型の永久磁石磁場をつかうからチャンバ
直径を小さくしている。チャンバ壁、アンテナ表面は金
属が露呈している。

【０００８】特開平９−２７０２３３「同軸型ＥＣＲ
プラズマ発生装置」藤田秀樹、安立明は直線アンテナに
よってマイクロ波をチャンバ内に導きガスをプラズマに
する装置である。これまで説明したマイクロ波プラズマ
発生装置と同じ技術の延長上にある。これもＭＢＥのラ
ジカル源として開発したものである。ガス導入管とは別
に導光管を設けプラズマ発光の状態を分光観察できるよ
うにしたものである。同軸管、ガス導入管、導光管、冷
却冷媒管、チャンバ、永久磁石などの全てがセットにな
っており一つの円盤状のフランジに固定される。フラン
ジによってＭＢＥ装置のひとつのポートに着脱される。
そのフランジであるが、７０ｍｍ外径のフランジしか使
えない。フランジの外径は７０ｍｍであるが、分子線エ
ピタキシャル成長装置のセルに嵌込んだりするからプラ
ズマ装置部分は３０ｍｍ径に纏めなければならない。そ
のため、アンテナを偏心させ中心部３０ｍｍに全ての管
を纏めている。凝縮されたラジカル源である。これもチ
ャンバ内壁金属は露呈し、アンテナ金属も露出してい
る。スパッタリング対策は別段講じられていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】小型のプラズマ発生装
置を作製したい。フィラメントによるものはフィラメン
トの曲げ部分が必要でなかなか小さくできない。平行平
板電極のものは電極面積がある程度必要であるから小型
に向かない。やはりマイクロ波によるものが小型化に向
いている。アンテナによってマイクロ波を導入するので
狭い空間にマイクロ波が入りやすい。また永久磁石によ
ってＥＣＲ共鳴させると高密度のプラズマを発生させや
すい。小型のプラズマ発生装置としてマイクロ波励起Ｅ
ＣＲ装置が最適であると考える。しかし大型のプラズマ
発生装置では問題にならないことが、超小型のプラズマ
発生装置では新たな問題となる。そのようなことが幾つ
もある。ＭＢＥ装置のセルの場合、本体寸法が３０ｍｍ
程度に限定される。プラズマ室には１０ｍｍ程度しかあ
てられない。このような超小型のイオン源ではアルゴン
や窒素のように分子量がそこそこあるものであればプラ
ズマに励起できる。しかし水素やヘリウムのような軽元
素の場合、ガス圧やマイクロ波強度を増やしてもなかな
かプラズマにできない。だからイオン源としてイオンビ
−ムを取りだそうとすると極極微小の電流しか取り出せ
ない。とても実用的な水準には達しない。

【００１０】マイクロ波として、２．４５ＧＨｚのもの
を使う。他の周波数を使う事も原理的には可能である
が、装置として成熟しているのは２．４５ＧＨｚであ
る。それでこれを例にして説明する。真空中のマイクロ
波波長は１２ｃｍ程度である。すると直径１０ｍｍ程度
の導波管を伝搬できない。アンテナを使い強制的にマイ
クロ波をプラズマ室に導入する。入る事は入るが、狭す
ぎて定在波はできない。マイクロ波パワーの多くは金属
の壁面に渦電流を発生させ熱となってしまう。一部が電
子励起に使われる。それを助長するためＥＣＲを使って
いる。８７５ガウスの磁場で共鳴させるため、アンテナ
は長くする。少なくとも２点で８７５ガウスになり共鳴
するように工夫する。ＥＣＲ共鳴しても、ヘリウム、水
素を励起するにはマイクロ波エネルギーが不足する。マ
グネトロンのマイクロ波パワーを増やせばいいだろうと
思われる。ところがパワーを増やすとアンテナが強熱さ
れ溶けてしまう。いかにタングステンＷだとしても溶け
て蒸発しなくなってしまう。だからマイクロ波パワーを
上げるのは限界がある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】超小型マイクロ波ＥＣＲ
プラズマ発生装置においてアンテナを、仕事関数の低い
絶縁物アルミナ、ＭｇＯ、チタニア、ステアタイト、フ
ォルステライト、マコール、コージライト、ムライト、
Ｙ_２Ｏ_３，ＬａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＢ
_６、ＣａＢ_６、Ｓｃ_２Ｏ_３の何れかよりなるアンテナカ
バーによって覆う。さらに真空容器内壁もアルミナ、Ｍ
ｇＯ、チタニア、ステアタイト、フォルステライト、マ
コール、コージライト、ムライト、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ
Ｂ_６、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＢ_６、ＣａＢ_６、
Ｓｃ_２Ｏ_３の何れかよりなる内壁カバーで覆う。マイク
ロ波パワーを高くし、アンテナカバーの温度を上げてア
ンテナカバーから熱電子放射がおこるようにする。また
内壁からの二次電子放出や光電子放出も起こるようにす
る。マイクロ波だけでは電子密度がたりないがカバー加
熱による熱電子によって電子密度が高くなり、また壁か
らは二次電子放出や光電効果によって電子が供給される
のでマイクロ波共鳴吸収が激しく起こる。狭いプラズマ
室であるのに水素やヘリウムのような軽元素の高密度プ
ラズマを作ることができる。水素、ヘリウムのイオンビ
−ム電流を大幅に増強できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例にかかるイ
オンプラズマ源の断面図である。円筒形の真空容器１は
内部でガスをプラズマにする空間を与える。真空容器１
の中心軸線上にアンテナ２が設けられる。アンテナ２は
高熱に耐える金属である。例えばタングステンＷ、タン
タルＴａ、モリブデンＭｏなどである。真空容器１の内
壁には絶縁体よりなる内壁カバー３が挿入される。金属
壁がスパッタリングされないように保護するカバーであ
る。それ以上の機能もあるが後に説明する。真空容器１
の外周には軸方向の磁場を形成するための永久磁石４が
設けられる。永久磁石４はアンテナ２の存在する部分に
設ける。真空容器１の永久磁石４より前方には冷却管５
が巻き付けてある。冷却媒体をこれに通し真空容器１を
冷却するためのものである。真空容器１の前端の前フラ
ンジは円盤状の出口円板７を有する。出口円板７には出
口８が穿孔されここからイオンやラジカルが出るように
なっている。真空容器１の前フランジ６はネジ９によっ
てプラズマ処理装置１０の開口部フランジに固定され
る。

【００１３】内壁カバー３は前方で折れ曲がり部があり
出口円板７の内壁をも被覆保護している。出口円板カバ
ー１１である。アンテナ２の背後には、マイクロ波導入
端子１２がある。端面に孔１３があり、アンテナ２のピ
ン１４が差し込まれる。直線状のマイクロ波導入端子１
２は背後で同軸ケーブル（図示しない）につながり、同
軸ケーブルはマグネトロン（図示しない）に続く。同軸
ケーブル収容管１５のフランジ１６は、ネジ１７によっ
て真空容器１の後ろフランジ１８に固着される。シール
部材１９がマイクロ波導入端子１５を、同軸ケーブル収
容管１５の中央に保持する。同軸ケーブル側は大気圧に
あり、アンテナ側は真空側にある。シール部材１９が真
空を保持している。シール部材１９とフランジ１６の内
壁部を端壁カバー２０によって保護している。真空容器
１の内部は全て絶縁体のカバー３、１１、２０によって
被覆されている。真空容器１にはガス導入管２１があっ
てここから原料ガスが内部に導入される。アンテナ２は
タングステン、タンタル、モリブデンなどの高融点金属
で作るが、その外側にスッポリとアンテナカバー２２が
かぶせられる。アンテナカバーをかぶせるという事自体
は既に述べたように本発明者の先願にあるし新しい事で
はない。しかしながらカバーの材質も違うしなによりそ
の作用が異なる。これは熱電子放出の効率を高めるため
のものである。

【００１４】アンテナカバーと内壁カバーは、アルミ
ナ、ＭｇＯ、チタニア、ステアタイト、フォルステライ
ト、マコール、コージライト、ムライト、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌ
ａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＢ_６、Ｃａ
Ｂ_６、Ｓｃ_２Ｏ_３の何れかによって作る。以上の構成に
おいてその作用を説明する。原料ガス入口２１から原料
ガスを導入する。マイクロ波をアンテナから真空容器１
に導入する。永久磁石４によってアンテナ近傍に８７５
ガウスの共鳴磁場が発生している。マイクロ波によって
電子が振動する。永久磁石４が共鳴磁場を生ずるので電
子振動と同調すればマイクロ波パワーを強く吸収でき
る。電子はガス分子に衝突しこれを電離させる或いは中
性ラジカルにする。壁に当たった電子は二次電子や光電
子を発生させ、これらによっても新たに電子ができるの
で、これらがマイクロ波で振動し、分子を電離させる。
こうして電子が増殖してゆく。

【００１５】マイクロ波パワーを増やすと電子運動が盛
んになって、アンテナカバーと内壁カバーに衝突する。
これらはセラミックであるからスパッタリングされにく
い。損傷をあまり受けないが、衝突によって熱が発生し
加熱される。温度が１０００℃をこえ、さらに１５００
℃を越えるとアンテナカバーから熱電子が放射される。
熱電子放射によってあらたな電子の供給源ができたこと
になる。先ほどの分子の電離によるのではなく、カバー
からの電子の供給がなされる。電子の密度が高くなるか
らマイクロ波吸収媒体が増え、プラズマ密度も高くな
る。これまで熱電子放射というのは熱陰極（フィラメン
ト）だけからでるものと思われていたが、本発明は、カ
バーから熱電子を出すようにする。そのためには、従来
技術として説明したものよりもマイクロ波パワーを上げ
る必要がある。金属のアンテナが露呈しているとスパッ
タリングによってアンテナが消耗するが本発明ではカバ
ーで覆っているからそれはない。だから従来よりもマイ
クロ波パワーを上げることができる。

【００１６】マイクロ波イオン源の限界以上にマイクロ
波パワーをアンテナに与えたことによって新天地が開け
たということができる。アンテナカバーによって金属の
アンテナを覆っているから、外部からの高速粒子（電
子、イオン）がアンテナに当たらない。全てカバーのセ
ラミックに当たる。セラミックは抉られて損傷を受け
る。しかしセラミックは金属に比べて格段にスパッタリ
ングに強い。伝導電子の凝縮による金属結合よりもセラ
ミックの共有結合がずっと強いからである。だからアン
テナ自体はスパッタリングによる損傷から完全に免れ
る。アンテナがスパッタリングによって痩せるというこ
とがない。

【００１７】だからマイクロ波パワーをさらに増強でき
る。マイクロ波パワーを上げると電子運動が盛んになり
ますます電子、イオンのアンテナカバー、内壁カバーへ
の衝突が盛んになる。衝突によって運動エネルギーが、
化学エネルギーと熱になる。化学エネルギーは物質の原
子分子を解離させる。しかし金属面は全てカバーで保護
されている。カバーはスパッタリングによって一部が損
傷を受けるが金属に比べればずっと軽微である。すると
衝突エネルギーのほとんどが熱になる。熱になるからカ
バー自体が加熱される。もちろん熱伝導があるからアン
テナも加熱される。がカバーより、アンテナの方が低温
に保たれる。つまりカバーは物理的にも熱的にもアンテ
ナを保護する作用があるといえる。カバー温度が２００
０℃を越えるということも可能である。

【００１８】すると、カバー自体から熱電子が大量に発
生する。カバーがフィラメントと同じような作用をする
ようになるのである。絶縁体が熱電子を発生するという
ようなことは従来思いもよらないことであったが、高熱
にすれば絶縁体でも熱電子を発生できるはずである。本
発明はそのような絶縁体による熱電子の発生という新規
な機構を発見しこれを有効利用する。そもそも熱電子放
射は金属熱陰極からの電子放射として研究され、有名な
リチャアードソンの式がある。これは金属、半導体の熱
陰極からの電流をＩ＝ＡＴ^ｎｅｘｐ（−ｅφ／ｋＴ）に
よって与えるものである。金属の場合ｎ＝２、半導体の
場合ｎ＝１．２である。Ａ＝１２０Ａｃｍ^−２Ｋ^−２で
あるが実際にはこの式に乗らない事が多い。一つには仕
事関数φが現象量だからである。温度を上げるとＴ^ｎが
大きくなるし、ｅｘｐの中も大きくなる。それで熱電子
が発生するのである。タングステンの場合、２４００℃
程度で十分な熱電子電流が流れるようになる。だからタ
ングステンフィラメントはすべてこれ以上の温度になる
ように加熱される。半導体の場合はφが低く十分な熱電
子電流を得る事のできる温度はより低く７５０℃程度で
よい。

【００１９】従来熱陰極に使われるものは金属か半導体
であった。そうでないと熱電子が放射されないと思われ
ていたからである。それは金属の場合フェルミ面に高密
度の電子があり、フェルミ面と大気電圧の相違が仕事関
数φであるからフェルミ面の電子が熱励起されφだけ跳
躍すると外部に出ると考えられるからである。半導体の
場合はフェルミ面がバンドギャップ中にあってフェルミ
面には電子が存在しない。しかし高温であるから伝導帯
に大量の電子が励起されこれが外部に放射される。仕事
関数はその場合伝導帯と大気電圧の差である。それが絶
縁体の場合はどうか？絶縁体はフェルミ面がバンドギャ
ップにある。それは同じであるが、バンドギャップが広
くて伝導帯に電子がない。それで絶縁体は熱電子放射し
ないものと漠然と考えられていたのであろう。しかし絶
縁体の伝導帯に電子が存在しないのは常温での話しであ
る。高熱になると、絶縁体の広いバンドギャップを越え
て電子が伝導帯にたたきあげられる。伝導帯に十分な密
度の電子が存在する。そのような状態であれば熱電子放
射するのは当然である。だから絶縁体からも熱電子放射
がおこり本発明はその現象を発見し利用したものという
ことができる。

【００２０】であるから、本発明はマイクロ波による振
動励起とフィラメントによる熱電子励起の両方を兼ね備
えた装置となる。プラズマ発生効率は高い。熱フィラメ
ントと比較して不利な点は、フィラメントのように負電
圧にバイアスされてないということであろう。フィラメ
ントは負電圧なので電子によってスパッタリングされな
い。アンテナ電位は直流的には壁電位と同じであるから
電子がアンテナに衝突する。ところが実はカバーがあり
カバーがスパッタリングされるだけである。これはセラ
ミックであるから損傷は少ない。衝突によって加熱され
温度が上がるから熱電子放射がより盛んになって好都合
なぐらいである。

【００２１】

【実施例】超小型のＥＣＲイオン源として内径８ｍｍφ
の真空容器を作成しＢＮによって内張りした。アンテナ
はタングステンＷである。初めは金属面の露呈したアン
テナによって実験した。原料ガスを、アルゴン、窒素、
ヘリウムガス、水素にしてこれらをプラズマにする実験
である。アルゴンや窒素のように質量数の大きいものは
これでも満足できる密度のプラズマにすることができ
た。ところが水素ガスやヘリウムガスのように軽い元素
については殆どプラズマにすることができなかった。こ
れは真空容器が極めて狭いからである。アンテナを使っ
ても十分にマイクロ波が真空容器の内部に入らないし十
分な密度の定在波を形成できない。

【００２２】マグネトロンのマイクロ波パワーを上げれ
ば良いように思えるがそうでない。マイクロ波パワーを
上げるとアンテナの電流が増えるしイオンや電子のアン
テナへの衝突確率も増える。衝突による損傷（スパッタ
リング）も増える。ためにタングステンであってもスパ
ッタリングと高熱のため短時間で痩せ細りなくなってし
まう。アンテナがなくなってしまってはもはやイオン源
としてつかえない。だからタングステンが融けない程度
にマイクロ波パワーは制限される。

【００２３】そこで本発明の思想に従って、アンテナを
アルミナのカバーによって覆い、水素ガス、ヘリウムガ
スの励起を試みた。マイクロ波パワーをさらに上げる事
が可能になり、軽元素であるヘリウム、水素を高密度の
プラズマにすることができた。イオンビ−ム電流でいえ
ば、先ほどの露出Ｗアンテナに比較し、十倍〜数十倍の
電流量になった。狭い真空容器の内部に十分な密度のマ
イクロ波を導入できたからである。分解して調べるとカ
バーのアルミナ（融点２０５０℃）がすこし溶けてお
り、アルミナとアンテナの温度が２０００℃近くになっ
たものと思われる。内部のタングステン（融点３４００
℃）は異常なくスパッタリングによる損傷は見られなか
った。

【００２４】

【発明の効果】超小型のＥＣＲプラズマ源を作ろうとす
るとき放電領域が狭くマイクロ波パワーが弱いので軽元
素を十分に励起できない。ところが本発明はアンテナに
熱電子放射率の高いセラミックのカバーをつけマイクロ
波パワーを上げるのでアンテナとアンテナカバーの温度
が上がりアンテナカバー自体から熱電子が放射される。
つまりアンテナがフィラメントとしての役割を持つよう
になる。熱電子放射とそれによって壁からの二次電子放
出や光電効果による電子増幅などのために自由電子の密
度が飛躍的に増える。自由電子はサイクロトロン運動し
てマイクロ波を共鳴吸収できる。ためにマイクロ波吸収
が増える。高速で走行する電子密度が高く水素やヘリウ
ム原子に衝突する確率も増える。衝突によって電子とイ
オン、あるいはラジカルになる。だからプラズマ密度が
高揚する。仕事関数の低い材質をアンテナカバーや内壁
に用いる事で、アンテナカバーからは熱電子放出が内壁
からは二次電子、光電子放出が盛んになりこれを有効に
利用する。

【００２５】フィラメント型のイオン源は負電圧にバイ
アスした細いフィラメントを加熱し熱電子を放射してガ
スを励起するものであった。マイクロ波イオン源はマイ
クロ波によって電子を運動させるもので熱電子を作るも
のでない。両者は判然と区別される。ところが本発明は
アンテナカバーを高熱に加熱し、フィラメントと同じよ
うにここから熱電子を放射するようにしている。つまり
本発明のプラズマ発生機構は、フィラメント＋マイクロ
波の二重の作用を有効に利用する。本発明の装置は、フ
ィラメント型イオン源とマイクロ波イオン源を合体させ
たのと同じ効果を奏するものである。フィラメントはま
ったく使わないのに、フィラメント型イオン源と同じ反
応機構が生起する。不思議な事といえる。二重の作用に
よっているからプラズマ生成効率が高くなる。だから８
ｍｍ〜１０ｍｍの超小型のプラズマ室であっても水素、
ヘリウムを高密度励起できる。水素、ヘリウムのイオン
ビ−ム電流を十分に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるＥＣＲイオンプラズマ
源の断面図。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ アンテナ ３ 内壁カバー ４ 永久磁石 ５ 冷却管 ６ 前フランジ ７ 出口円板 ８ 出口 ９ ネジ １０プラズマ処理装置 １１出口円板カバー １２マイクロ波導入端子 １３穴 １４ピン １５同軸ケーブル収容管 １６フランジ１７ネジ １８後フランジ １９シール部材 ２０端壁カバー ２１原料ガス入口 ２２アンテナカバー ２３熱電子放出領域 ２４熱電子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸方向に長い真空に引く事のできる金属
   製真空容器と、真空容器の内部に設けたマイクロ波を導
   入するための高融点金属よりなるアンテナと、アルミ
   ナ、ＭｇＯ、チタニア、ステアナイト、フォルステライ
   ト、マコール、コージライト、ムライト、Ｙ_２Ｏ_３，Ｌ
   ａＢ_６、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＣａＯ、ＳｒＢ_６、Ｃａ
   Ｂ_６、Ｓｃ_２Ｏ_３のいずれかよりなりアンテナの周りを
   覆うアンテナカバーと、アルミナ、ＭｇＯ、チタニア、
   ステアナイト、フォルステライト、マコール、コージラ
   イト、ムライト、Ｙ_２Ｏ_３、ＬａＢ_６、ＳｒＯ、Ｂａ
   Ｏ、ＣａＯ、ＳｒＢ_６、ＣａＢ_６、Ｓｃ_２Ｏ_３のいずれ
   かよりなり真空容器の内壁を被覆する内壁カバーと、真
   空容器の周囲に設けられ電子がマイクロ波に共鳴する磁
   場を生ずる永久磁石と、真空容器の周囲に設けられ冷却
   媒体を流すための冷却管と、真空容器の内部に原料ガス
   を導く原料ガス入口とを含み、アンテナよりマイクロ波
   を真空容器に導入し、アンテナ近傍で電子のサイクロト
   ロン運動がマイクロ波共鳴吸収を起こすようにし、アン
   テナカバー温度を上げてアンテナカバーを熱電子放射源
   として利用する事を特徴とする自己電子放射型ＥＣＲイ
   オンプラズマ源。