JP2003297281A - バンドギャッププラズマ質量フィルタ - Google Patents
バンドギャッププラズマ質量フィルタInfo
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- H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
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- H01J49/28—Static spectrometers
- H01J49/32—Static spectrometers using double focusing
- H01J49/328—Static spectrometers using double focusing with a cycloidal trajectory by using crossed electric and magnetic fields, e.g. trochoidal type
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- Chemical Vapour Deposition (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 予め定められた軌道を選択的に設定するため
の装置と方法であり、軸に関して第１質量／電荷比
（m1）のイオンに対して電界が実質的に均一な磁界（E
x B）を横切ることを必要とする。 【解決手段】 磁界は軸に沿って方向付けられ、電界は
直流電圧成分（∇Φ0）及び交流電圧成分（∇Φ1）の両
方を有する。操作において、Φ1がゼロのとき、軸の周
囲の限定軌道上にイオン（m1）を位置付けするために電
圧Φ0は固定的に設定される。一方、Φ1が予め定められ
た値に調整されたとき、イオン（m1）は軸から離れて放
出される。チャンバ内に（E x B）が設定されることに
より、限定軌道（Φ1=0）のとき、イオン（m1）はチャ
ンバを通過し、非限定軌道上（Φ1=所定値）のとき、イ
オンはチャンバの壁に放射される。
の装置と方法であり、軸に関して第１質量／電荷比
（m1）のイオンに対して電界が実質的に均一な磁界（E
x B）を横切ることを必要とする。 【解決手段】 磁界は軸に沿って方向付けられ、電界は
直流電圧成分（∇Φ0）及び交流電圧成分（∇Φ1）の両
方を有する。操作において、Φ1がゼロのとき、軸の周
囲の限定軌道上にイオン（m1）を位置付けするために電
圧Φ0は固定的に設定される。一方、Φ1が予め定められ
た値に調整されたとき、イオン（m1）は軸から離れて放
出される。チャンバ内に（E x B）が設定されることに
より、限定軌道（Φ1=0）のとき、イオン（m1）はチャ
ンバを通過し、非限定軌道上（Φ1=所定値）のとき、イ
オンはチャンバの壁に放射される。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は概して多種プラズマ
を処理する装置及び方法に関するものである。特に、本
発明は交差電界及び磁界（E x B）を操作することによ
りプラズマ内のイオンの軌道を制御するための装置及び
方法に関するものである。さらに、本発明は、限定する
ことではないが、電界や交差電界及び磁界の交流電圧成
分を調整し、かつ特定の質量／電荷比を有するイオンの
軌道を制御し、また予見できる方法で多種プラズマから
のイオンを分離する。
を処理する装置及び方法に関するものである。特に、本
発明は交差電界及び磁界（E x B）を操作することによ
りプラズマ内のイオンの軌道を制御するための装置及び
方法に関するものである。さらに、本発明は、限定する
ことではないが、電界や交差電界及び磁界の交流電圧成
分を調整し、かつ特定の質量／電荷比を有するイオンの
軌道を制御し、また予見できる方法で多種プラズマから
のイオンを分離する。
【０００２】
【従来技術】多種プラズマのイオンを分離するプラズマ
質量フィルタが米国特許番号6,096,220に請求されかつ
開示され、これが大川へ認可され（以下、大川特許と言
う）、かつ本発明として同じ譲渡者へ譲渡された。可能
な程度において、大川特許は全体として本明細書に取り
こまれている。つまり、大川特許は軸系に基づいて構成
される円筒形チャンバを含むプラズマ質量フィルタと交
差電界と磁界（E x B）を開示している。特に、電界Eは
正の値を有し、中心における電圧（Vctr）は正であり、
チャンバの壁で０となるように減少する。さらに、電界
（E）はパラボラ状に放射状の電圧分布を有し、かつ磁
界（B）は軸状に一定である。このようにE及びBはカッ
トオフ質量（Mc）を設定するために定められ、次のよう
に定義される。
質量フィルタが米国特許番号6,096,220に請求されかつ
開示され、これが大川へ認可され（以下、大川特許と言
う）、かつ本発明として同じ譲渡者へ譲渡された。可能
な程度において、大川特許は全体として本明細書に取り
こまれている。つまり、大川特許は軸系に基づいて構成
される円筒形チャンバを含むプラズマ質量フィルタと交
差電界と磁界（E x B）を開示している。特に、電界Eは
正の値を有し、中心における電圧（Vctr）は正であり、
チャンバの壁で０となるように減少する。さらに、電界
（E）はパラボラ状に放射状の電圧分布を有し、かつ磁
界（B）は軸状に一定である。このようにE及びBはカッ
トオフ質量（Mc）を設定するために定められ、次のよう
に定義される。
【数１】
Mc=zea2（B）2/8Vctr （1）
ここで、aは軸とチャンバの壁との間の距離であり、eは
基本電荷、そしてzはイオンの電荷数である。
基本電荷、そしてzはイオンの電荷数である。
【０００３】大川特許に開示されたプラズマ質量フィル
タの操作では、フィルタに設定されているとしてイオン
の質量／電荷比（m）およびカットオフ質量（Mc）の相
対値によって、交差電界及び磁界（E x B）が非限定ま
たは限定軌道上にイオンを位置付ける。特に、mがMcよ
り大きいとき、そのイオンは非限定軌道に位置付けられ
る。従って、その結果、重いイオン（即ちm>Mc）が軸か
ら非限定軌道上へ放出されチャンバの壁に衝突する。一
方、交差電界及び磁界では、質量／電荷比mがM cより小
さいとき、プラズマ質量フィルタは軽いイオン（即ち、
m<Mc）が限定軌道を有するようにする。この後者の場
合、結果として、軽いイオンはその限定軌道にありチャ
ンバを出る。しかしながら、もし電界が交流電圧成分を
有するならば状況は変化する。
タの操作では、フィルタに設定されているとしてイオン
の質量／電荷比（m）およびカットオフ質量（Mc）の相
対値によって、交差電界及び磁界（E x B）が非限定ま
たは限定軌道上にイオンを位置付ける。特に、mがMcよ
り大きいとき、そのイオンは非限定軌道に位置付けられ
る。従って、その結果、重いイオン（即ちm>Mc）が軸か
ら非限定軌道上へ放出されチャンバの壁に衝突する。一
方、交差電界及び磁界では、質量／電荷比mがM cより小
さいとき、プラズマ質量フィルタは軽いイオン（即ち、
m<Mc）が限定軌道を有するようにする。この後者の場
合、結果として、軽いイオンはその限定軌道にありチャ
ンバを出る。しかしながら、もし電界が交流電圧成分を
有するならば状況は変化する。
【０００４】交差電界及び磁界（E x B）において、電
界が直流電圧成分（∇Φ0）及び交流電圧成分（∇Φ1）
の両者を有することを考慮すると、電荷／質量比mを有
する荷電粒子（即ち、イオン）は、Ω=zeB/mで表わすこ
とができる、交差電界及び磁界の中でサイクロトロン周
波数を有するはずである。ここで、eは基本電荷、zは電
荷数である。さらに、交差電界及び磁界内のイオンの運
動方程式を導くと、ヒルの方程式（Hill’s equation）
の形に表すことができる。即ち
界が直流電圧成分（∇Φ0）及び交流電圧成分（∇Φ1）
の両者を有することを考慮すると、電荷／質量比mを有
する荷電粒子（即ち、イオン）は、Ω=zeB/mで表わすこ
とができる、交差電界及び磁界の中でサイクロトロン周
波数を有するはずである。ここで、eは基本電荷、zは電
荷数である。さらに、交差電界及び磁界内のイオンの運
動方程式を導くと、ヒルの方程式（Hill’s equation）
の形に表すことができる。即ち
【数２】
d2/dt2s+[Ω/4-λ]s=0 （2）
この場合、
【数３】
λ=2eV（t）/ma2 （3）
ここで、V（t）は時間関数とした荷電電圧、aは軸とチ
ャンバ壁間の距離である。もしλが正弦曲線で周波数が
ωなら、即ち
ャンバ壁間の距離である。もしλが正弦曲線で周波数が
ωなら、即ち
【数４】
λ=λ0+λ1cosωt （4）
この上述したヒル方程式はマシュー方程式（Mathieu’s
equation）に変換される。即ち
equation）に変換される。即ち
【数５】
となり、ここで、
【数６】
τ=ωt/2 （6）
【数７】
α=[Ω2/4-λ0]/ω2 （7）
【数８】
β=λ1/[4ω2] （8）
である。
【０００５】βの小さな値について、次の数式が限定及
び非限定軌道の操作方式の間を差別化する境界を定義す
る。それらの数式は次のようである。
び非限定軌道の操作方式の間を差別化する境界を定義す
る。それらの数式は次のようである。
【数９】
4α0=-25β2+257β4 （9）
【数１０】
4α1=1±8β-8β2 （10）
【数１１】
4α2=4+80/3β2 （11）
【０００６】上記の結果、交差電界及び磁界の電界Eが
交流電圧成分（∇Φ1）で与えられるとき、交流電圧成
分は選択されたイオンを非限定軌道に位置付けるように
調整することができる。これは交流電圧成分の無い限定
軌道上でイオンがチャンバを通過する時もしかりであ
る。さらに、上記方程式の質量依存のために、予め定め
られた質量／電荷比mのイオンが限定軌道から非限定軌
道へ変わるために選択的に標的とすることができる。
交流電圧成分（∇Φ1）で与えられるとき、交流電圧成
分は選択されたイオンを非限定軌道に位置付けるように
調整することができる。これは交流電圧成分の無い限定
軌道上でイオンがチャンバを通過する時もしかりであ
る。さらに、上記方程式の質量依存のために、予め定め
られた質量／電荷比mのイオンが限定軌道から非限定軌
道へ変わるために選択的に標的とすることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述したように開示し
た現象から所望の成果の例は、ストロンチウム元素（S
r）によって得られる。それはSr++90元素の二重イオン
化イオンが等価質量番号45（即ち、m=45）であることに
なる。これを前提に、交差電界及び磁界（E x B）を構
成していたプラズマ質量フィルタは設定されたカットオ
フ質量Mc=75を有することを考えると、電界のための交
流電圧成分（∇Φ1）はない。この状況下（即ちm<Mc）
でSr++90（m=45）は限定軌道に位置付けられ、かつフィ
ルタから放出される。しかしながら、これは好まれない
結果であるかも知れない。従って、上述した数学的計算
によって、電界へ導入された交流電圧成分（∇Φ1）
は、非限定軌道にそれらのイオンを位置付けることによ
りSr++90を取り出すように調整することができる。この
特別な例において、もし交流電圧成分（∇Φ1）がr.f.
周波数ω=0.63Ωに調整されれば、Sr++90はプラズマか
ら抽出されることを数学的に示すことができる。（即
ち、プラズマチャンバの壁に放出される。）
た現象から所望の成果の例は、ストロンチウム元素（S
r）によって得られる。それはSr++90元素の二重イオン
化イオンが等価質量番号45（即ち、m=45）であることに
なる。これを前提に、交差電界及び磁界（E x B）を構
成していたプラズマ質量フィルタは設定されたカットオ
フ質量Mc=75を有することを考えると、電界のための交
流電圧成分（∇Φ1）はない。この状況下（即ちm<Mc）
でSr++90（m=45）は限定軌道に位置付けられ、かつフィ
ルタから放出される。しかしながら、これは好まれない
結果であるかも知れない。従って、上述した数学的計算
によって、電界へ導入された交流電圧成分（∇Φ1）
は、非限定軌道にそれらのイオンを位置付けることによ
りSr++90を取り出すように調整することができる。この
特別な例において、もし交流電圧成分（∇Φ1）がr.f.
周波数ω=0.63Ωに調整されれば、Sr++90はプラズマか
ら抽出されることを数学的に示すことができる。（即
ち、プラズマチャンバの壁に放出される。）
【０００８】上述により、本発明の目的は、限定及び非
限定軌道から選択されたイオンの特性軌道を効果的に変
えることができるバンドギャッププラズマフィルタを提
供することにある。さらに、本発明のもう１つの目的
は、多種プラズマの選択されたイオンを非限定軌道上に
位置付ける交差電界及び磁界によるバンドギャッププラ
ズマフィルタを提供することにあり、一方、より高いま
たより低い質量／電荷比のイオンを限定軌道上に位置付
けることにある。なおさらに、本発明のもう１つの目的
は、製造し易く、使用が簡単で、費用効果のあるバンド
ギャッププラズマフィルタを提供することにある。
限定軌道から選択されたイオンの特性軌道を効果的に変
えることができるバンドギャッププラズマフィルタを提
供することにある。さらに、本発明のもう１つの目的
は、多種プラズマの選択されたイオンを非限定軌道上に
位置付ける交差電界及び磁界によるバンドギャッププラ
ズマフィルタを提供することにあり、一方、より高いま
たより低い質量／電荷比のイオンを限定軌道上に位置付
けることにある。なおさらに、本発明のもう１つの目的
は、製造し易く、使用が簡単で、費用効果のあるバンド
ギャッププラズマフィルタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】予め定められた質量／電
荷比（m1）を有する多種プラズマのイオンを選択的に制
御するためのバンドギャッププラズマフィルタは、プラ
ズマチャンバ及びチャンバ内に交差電界および磁界（E
x B）を発生させる装置を有する。さらに具体的に、チ
ャンバは中空で実質的に円筒状である。このようにチャ
ンバは軸を定義し、壁で囲まれている。
荷比（m1）を有する多種プラズマのイオンを選択的に制
御するためのバンドギャッププラズマフィルタは、プラ
ズマチャンバ及びチャンバ内に交差電界および磁界（E
x B）を発生させる装置を有する。さらに具体的に、チ
ャンバは中空で実質的に円筒状である。このようにチャ
ンバは軸を定義し、壁で囲まれている。
【００１０】チャンバ内で交差電界及び磁界（E x B）
を発生させるために電磁コイルがチャンバの壁に取りつ
けられ、かつ電極がチャンバの両端に位置している。特
に、電磁コイルは、チャンバの軸に沿って方向付けられ
ている実質的に均一な磁界（B）を設定する。しかしな
がら、電極は軸に対して実質的に放射状方向に方向付け
られている電界（E）を生成する。重要なことに、本発
明を想定して、電界は直流電圧成分（∇Φ0）及び交流
電圧成分（∇Φ1）のある機能を有する、（即ち、E=∇
（Φ0+Φ1））を有する。特に、直流電圧成分（∇Φ0）
はチャンバの軸に沿って一定の正電圧Vctrによって特性
付けられており、チャンバの壁で実質的に0電圧の状態
で半径上で放物依存性を有する。一方、交流電圧成分
（∇Φ1）は正弦曲線状であり、かつr.f.周波数ωによ
り調整できる。
を発生させるために電磁コイルがチャンバの壁に取りつ
けられ、かつ電極がチャンバの両端に位置している。特
に、電磁コイルは、チャンバの軸に沿って方向付けられ
ている実質的に均一な磁界（B）を設定する。しかしな
がら、電極は軸に対して実質的に放射状方向に方向付け
られている電界（E）を生成する。重要なことに、本発
明を想定して、電界は直流電圧成分（∇Φ0）及び交流
電圧成分（∇Φ1）のある機能を有する、（即ち、E=∇
（Φ0+Φ1））を有する。特に、直流電圧成分（∇Φ0）
はチャンバの軸に沿って一定の正電圧Vctrによって特性
付けられており、チャンバの壁で実質的に0電圧の状態
で半径上で放物依存性を有する。一方、交流電圧成分
（∇Φ1）は正弦曲線状であり、かつr.f.周波数ωによ
り調整できる。
【００１１】本発明のバンドギャップフィルタの操作に
おいて、電界（E）の直流電圧成分（∇Φ0）はカットオ
フ質量Mc=zea2（B）2/8Vctrを設定するために、上述し
たように固定的に設定することができる。m1<Mcのと
き、及び電界（E）の交流電圧成分（∇Φ1）が実質的に
０のとき、直流電圧成分（∇Φ0）がチャンバ内の限定
軌道上にイオン（m1）を位置付ける。この場合、本発明
のバンドギャップフィルタは、大川特許に開示されかつ
請求されたプラズマ質量フィルタと実質的に同じように
動作する。従って、イオン（m1）は、限定軌道上にてチ
ャンバを通過する。しかしながら、電界（E）に予め定
められた交流電圧成分（∇Φ1）が導入するとこれは変
化する。
おいて、電界（E）の直流電圧成分（∇Φ0）はカットオ
フ質量Mc=zea2（B）2/8Vctrを設定するために、上述し
たように固定的に設定することができる。m1<Mcのと
き、及び電界（E）の交流電圧成分（∇Φ1）が実質的に
０のとき、直流電圧成分（∇Φ0）がチャンバ内の限定
軌道上にイオン（m1）を位置付ける。この場合、本発明
のバンドギャップフィルタは、大川特許に開示されかつ
請求されたプラズマ質量フィルタと実質的に同じように
動作する。従って、イオン（m1）は、限定軌道上にてチ
ャンバを通過する。しかしながら、電界（E）に予め定
められた交流電圧成分（∇Φ1）が導入するとこれは変
化する。
【００１２】交差電界及び磁界（E x B）を発生させる
成分に加え、本発明のバンドギャップフィルタは電圧の
交流成分（∇Φ1）の振幅と周波数ωを調整するために
チューナを有する。特に、上述した例について、m1<Mc
にて、イオン（m1）がチャンバ内で非限定軌道上に位置
付けられるように交流電圧成分（∇Φ1）は調整でき、
交流電圧成分（∇Φ1）が無いときは、限定軌道上に位
置付けるよりもむしろそれらは他の方法による。さらに
具体的に、これは、α及びβの値によって高周波の周波
数ωで交流電圧成分（∇Φ1）を選択的に調整すること
により可能である。ここに、α及びβは下記の通りであ
る。
成分に加え、本発明のバンドギャップフィルタは電圧の
交流成分（∇Φ1）の振幅と周波数ωを調整するために
チューナを有する。特に、上述した例について、m1<Mc
にて、イオン（m1）がチャンバ内で非限定軌道上に位置
付けられるように交流電圧成分（∇Φ1）は調整でき、
交流電圧成分（∇Φ1）が無いときは、限定軌道上に位
置付けるよりもむしろそれらは他の方法による。さらに
具体的に、これは、α及びβの値によって高周波の周波
数ωで交流電圧成分（∇Φ1）を選択的に調整すること
により可能である。ここに、α及びβは下記の通りであ
る。
【数１２】α=[Ω2/4-λ0]/ω2 （7）
【数１３】β=λ1/[4ω2] （8）
【００１３】上述の結果は、非限定軌道上の位置付けに
より、イオン（m1）はチャンバの軸から離れ、放出され
て壁に衝突する。こうして、限定軌道上でチャンバを通
過するよりもむしろイオン（m1）はチャンバを通過する
のを選択的に防止されている。イオン（m1）及び第２の
質量／電荷比のイオン（m2）も同様に両者を含む多種プ
ラズマの場合、本発明のバンドギャップフィルタはそれ
らのイオン（m1またはm2或いは両者）がチャンバを通過
するのを選択的に防止することができる。構成および動
作に関する本発明の新規な特徴は、添付図面、説明およ
び参照符号から十分理解できるはずである。
より、イオン（m1）はチャンバの軸から離れ、放出され
て壁に衝突する。こうして、限定軌道上でチャンバを通
過するよりもむしろイオン（m1）はチャンバを通過する
のを選択的に防止されている。イオン（m1）及び第２の
質量／電荷比のイオン（m2）も同様に両者を含む多種プ
ラズマの場合、本発明のバンドギャップフィルタはそれ
らのイオン（m1またはm2或いは両者）がチャンバを通過
するのを選択的に防止することができる。構成および動
作に関する本発明の新規な特徴は、添付図面、説明およ
び参照符号から十分理解できるはずである。
【００１４】
【発明の実施の形態】はじめに図１を参照し、本発明に
よるバンドギャッププラズマ質量フィルタを１０で全体
を示す。図示のように、フィルタ１０はチャンバ１４を
囲む円筒状の壁１２を有し、かつ軸１６を定める。さら
に、フィルタ１０は複数の電磁コイル１８を有し、コイ
ル１８ａおよび１８ｂは分類されたものである。特に、
コイル１８は、実質的に均一な磁界（Bz）を発生させる
ために使用され、その磁界は軸１６と実質的に平行に方
向付けされている。磁界（B）に加え、フィルタ１０は
電界（E）を発生させるための１つまたはそれ以上の電
極２０を有する。コイル１８ａ及び１８ｂと同様に、リ
ング電極２０ａ及び２０ｂは分類されたものである。重
要なことに、電界（E）は軸１６に関して実質的に放射
状に方向つけられ、よって、磁界と交差している。
よるバンドギャッププラズマ質量フィルタを１０で全体
を示す。図示のように、フィルタ１０はチャンバ１４を
囲む円筒状の壁１２を有し、かつ軸１６を定める。さら
に、フィルタ１０は複数の電磁コイル１８を有し、コイ
ル１８ａおよび１８ｂは分類されたものである。特に、
コイル１８は、実質的に均一な磁界（Bz）を発生させる
ために使用され、その磁界は軸１６と実質的に平行に方
向付けされている。磁界（B）に加え、フィルタ１０は
電界（E）を発生させるための１つまたはそれ以上の電
極２０を有する。コイル１８ａ及び１８ｂと同様に、リ
ング電極２０ａ及び２０ｂは分類されたものである。重
要なことに、電界（E）は軸１６に関して実質的に放射
状に方向つけられ、よって、磁界と交差している。
【００１５】本発明のフィルタ１０の重要な要素はチュ
ーナ２２である。図１に示すように、チューナ２２は接
続２４を通して電極２０a及び２０ｂに接続されてい
る。本発明によれば、チューナ２２は直流電圧成分（∇
Φ0）及び交流電圧成分（∇Φ1）により放射状電界E
（Φ）を設定するために使用される、（即ち、E（Φ）=
∇（Φ0+Φ1））が使用される。特に、電圧の直流分
（∇Φ0）はチャンバ１４の軸１６に沿って一定の正電
圧（Vctr）によって特性付けられており、かつ、それは
チャンバ１４の壁１２にて実質的にゼロ電圧となる。一
方、交流電圧成分（∇Φ 1）は正弦波で、かつ、r.f.周
波数ωで調整できる。
ーナ２２である。図１に示すように、チューナ２２は接
続２４を通して電極２０a及び２０ｂに接続されてい
る。本発明によれば、チューナ２２は直流電圧成分（∇
Φ0）及び交流電圧成分（∇Φ1）により放射状電界E
（Φ）を設定するために使用される、（即ち、E（Φ）=
∇（Φ0+Φ1））が使用される。特に、電圧の直流分
（∇Φ0）はチャンバ１４の軸１６に沿って一定の正電
圧（Vctr）によって特性付けられており、かつ、それは
チャンバ１４の壁１２にて実質的にゼロ電圧となる。一
方、交流電圧成分（∇Φ 1）は正弦波で、かつ、r.f.周
波数ωで調整できる。
【００１６】一般に、フィルタ１０の機能性は図１を参
照することにより最も良く図解されている。そこには、
多種プラズマ２６がみられ、比較的低い質量／電荷比
（m1）のイオン２８と比較的高い質量／電荷比（m2）の
イオン３０を含み、これらはフィルタ１０のチャンバ１
４へと導入される。このプラズマ２６の導入は関連技術
においてよく知られているどのような方法によってで
も、例えば、プラズマトーチ（図示せず）の使用にて行
うことができる。さて、チャンバ１４の中で、電界（E
（Φ）=∇（Φ0+Φ1））のための交流電圧成分（∇
Φ1）の値によって、イオン（m1）及び（m2）は、限定
軌道３２又は非限定軌道３４に位置付けられる。どちら
の軌道（３２又は３４）に位置付けられるか決めるため
に、電界の値の交流電圧成分（∇Φ1）は影響を受ける
イオン（m1又はm2）の特定の質量／電荷比に選択的に調
整することができる。
照することにより最も良く図解されている。そこには、
多種プラズマ２６がみられ、比較的低い質量／電荷比
（m1）のイオン２８と比較的高い質量／電荷比（m2）の
イオン３０を含み、これらはフィルタ１０のチャンバ１
４へと導入される。このプラズマ２６の導入は関連技術
においてよく知られているどのような方法によってで
も、例えば、プラズマトーチ（図示せず）の使用にて行
うことができる。さて、チャンバ１４の中で、電界（E
（Φ）=∇（Φ0+Φ1））のための交流電圧成分（∇
Φ1）の値によって、イオン（m1）及び（m2）は、限定
軌道３２又は非限定軌道３４に位置付けられる。どちら
の軌道（３２又は３４）に位置付けられるか決めるため
に、電界の値の交流電圧成分（∇Φ1）は影響を受ける
イオン（m1又はm2）の特定の質量／電荷比に選択的に調
整することができる。
【００１７】電界（E（Φ））のための交流電圧成分
（∇Φ1）の調整は、図２の参照によって最も理解でき
る。上述の説明から、プラズマ質量フィルタの環境の中
で（本発明のバンドギャッププラズマフィルタ１０の環
境を含む）、イオンの運動方程式は、数学的に表すこと
ができマシューの方程式の形になる、即ち
（∇Φ1）の調整は、図２の参照によって最も理解でき
る。上述の説明から、プラズマ質量フィルタの環境の中
で（本発明のバンドギャッププラズマフィルタ１０の環
境を含む）、イオンの運動方程式は、数学的に表すこと
ができマシューの方程式の形になる、即ち
【数１４】
ここで、
【数１５】
τ=ωt/2 （6）
【数１６】
α=[Ω2/4-λ0]/ω2
（7）
（7）
【数１７】
β=λ1/[4ω2] （8）
である。
【００１８】また、上述したように、βが小さな値の場
合、次の式が限定軌道３２及び非限定軌道３４の動作範
囲の間を差別化する境界を規定する。特に、それらの説
明は、
合、次の式が限定軌道３２及び非限定軌道３４の動作範
囲の間を差別化する境界を規定する。特に、それらの説
明は、
【数１８】
4α0=-25β2+257β4 （9）
【数１９】
4α1=1±8β-8β2 （10）
【数２０】
4α2=4+80/3β2 （11）
【００１９】図２において、上記の式がチャートに境界
としてプロットされたもので、α及びβの間の関係を示
す。特に、それらの境界は領域３６を規定し、この領域
内でイオン（m1又はm2）が限定軌道３２に位置付けされ
る。また、図２のチャートは領域３８を示し、この領域
内でイオン（m1又はm2）が非限定軌道３４に位置付けさ
れる。本発明の目的のために、α及びβの両方の値が、
領域３６または３８のいずれかの中で、選択されたイオ
ンの特定の質量／電荷比（m）および電界の交流電圧要
素（∇Φ1）のr,f,周波数ωによって決められることは
重要である。特に、α項はλ=λ0+λ1cosωt=2eV（t）/
ma2から取り出されるλ0を含む、かつ質量／電荷比
（m）（Ω=eB/mと定義して）のイオンのサイクロトロン
周波数を含み、ここで∇（t）=Φ0+Φ1（t）である。さ
らに、β項はλ=λ0+λ1cosωt=2eV（t）/ma2から取り
出されるλ1を含む。
としてプロットされたもので、α及びβの間の関係を示
す。特に、それらの境界は領域３６を規定し、この領域
内でイオン（m1又はm2）が限定軌道３２に位置付けされ
る。また、図２のチャートは領域３８を示し、この領域
内でイオン（m1又はm2）が非限定軌道３４に位置付けさ
れる。本発明の目的のために、α及びβの両方の値が、
領域３６または３８のいずれかの中で、選択されたイオ
ンの特定の質量／電荷比（m）および電界の交流電圧要
素（∇Φ1）のr,f,周波数ωによって決められることは
重要である。特に、α項はλ=λ0+λ1cosωt=2eV（t）/
ma2から取り出されるλ0を含む、かつ質量／電荷比
（m）（Ω=eB/mと定義して）のイオンのサイクロトロン
周波数を含み、ここで∇（t）=Φ0+Φ1（t）である。さ
らに、β項はλ=λ0+λ1cosωt=2eV（t）/ma2から取り
出されるλ1を含む。
【００２０】操作において、電界（∇Φ0）の直流電圧
成分が設定される。一般に、これはカットオフ質量
（Mc）を設定するために行われる。上述に定義したよう
に、カットオフ質量は次のように表わされる。
成分が設定される。一般に、これはカットオフ質量
（Mc）を設定するために行われる。上述に定義したよう
に、カットオフ質量は次のように表わされる。
【数２１】
Mc=zea2（B）2/8Vctr （1）
【００２１】それで、Mcの値は電界（∇Φ0）の直流電
圧成分に対する値を直接導く。さらに、Mc（m>Mc）より
も大きい質量／電荷比（m）のイオンは、続く収集に対
してチャンバ１４の壁１２にイオンを衝突させる非限定
軌道３４に位置付けられる。一方、Mc（m<Mc）よりも小
さい質量／電荷比（m）のイオンは、チャンバ１４を通
過させる限定軌道３２に位置付けされる。
圧成分に対する値を直接導く。さらに、Mc（m>Mc）より
も大きい質量／電荷比（m）のイオンは、続く収集に対
してチャンバ１４の壁１２にイオンを衝突させる非限定
軌道３４に位置付けられる。一方、Mc（m<Mc）よりも小
さい質量／電荷比（m）のイオンは、チャンバ１４を通
過させる限定軌道３２に位置付けされる。
【００２２】上述したように、ある時点で、非限定軌道
３４上にMc（m<Mc）より小さい質量／電荷比（m）を有
するイオンを位置付けることは望ましいことである。本
発明によれば、これは、電界の交流電圧成分（∇Φ1）
を調整することによってなされる。一度、電界の交流電
圧成分（∇Φ1）の影響を受けるイオンが分かると、そ
のサイクロトロン周波数はΩ=eB/mにより決定できる。
さらに、λ=2eV（t）/ma2及びλ=λ0+λ1cosωtの式に
よって、λ0、λ1及びωの変数の値を設定することがで
きる。特に、変数λ0、λ1及びωは、図２の領域３８に
特定のイオンを操作して位置付けるα及びβの項を与え
るように設定される。この結果、イオンはチャンバ１４
を通過する代りに、非限定軌道３４に位置付けられ、か
つチャンバ１４の壁１２に放射されるはずである。チャ
ンバー１４内に導入されるプラズマが第１の質量／電荷
比（m1）を有する軽いイオン２８と第２の質量／電荷比
を有する重いイオン３０の両方を含む多種プラズマ２６
であるとき、イオン２８と３０は電圧の交流成分（∇Φ
1）によって選択的に分離できることに注目すべきであ
る。これは、第１質量／電荷比（m1）が第２質量／電荷
比（m2）より大きいか又は第２質量／電荷比（m2）より
小さいかは無関係である。
３４上にMc（m<Mc）より小さい質量／電荷比（m）を有
するイオンを位置付けることは望ましいことである。本
発明によれば、これは、電界の交流電圧成分（∇Φ1）
を調整することによってなされる。一度、電界の交流電
圧成分（∇Φ1）の影響を受けるイオンが分かると、そ
のサイクロトロン周波数はΩ=eB/mにより決定できる。
さらに、λ=2eV（t）/ma2及びλ=λ0+λ1cosωtの式に
よって、λ0、λ1及びωの変数の値を設定することがで
きる。特に、変数λ0、λ1及びωは、図２の領域３８に
特定のイオンを操作して位置付けるα及びβの項を与え
るように設定される。この結果、イオンはチャンバ１４
を通過する代りに、非限定軌道３４に位置付けられ、か
つチャンバ１４の壁１２に放射されるはずである。チャ
ンバー１４内に導入されるプラズマが第１の質量／電荷
比（m1）を有する軽いイオン２８と第２の質量／電荷比
を有する重いイオン３０の両方を含む多種プラズマ２６
であるとき、イオン２８と３０は電圧の交流成分（∇Φ
1）によって選択的に分離できることに注目すべきであ
る。これは、第１質量／電荷比（m1）が第２質量／電荷
比（m2）より大きいか又は第２質量／電荷比（m2）より
小さいかは無関係である。
【００２３】特殊なバンドギャッププラズマ質量フィル
タがここに提示し、詳細な開示が目的を達成するために
かつ上述した効果を与えるために十分であり、かつ、こ
こでは単に本発明の好適な実施例の図解したものであ
り、添付された特許請求の範囲の記載以外にここに示し
た構成及び設計の詳細に限定されたものではないことは
理解されよう。
タがここに提示し、詳細な開示が目的を達成するために
かつ上述した効果を与えるために十分であり、かつ、こ
こでは単に本発明の好適な実施例の図解したものであ
り、添付された特許請求の範囲の記載以外にここに示し
た構成及び設計の詳細に限定されたものではないことは
理解されよう。
【図１】本発明によるバンドギャップフィルタの透視
図。
図。
【図２】チャートでα及びβの間の関係を示し、イオン
がバンドギャップフィルタのチャンバ内にある間、電界
Eの交流電圧成分（∇Φ1）が選択されたイオンを限定軌
道または非限定軌道上に位置付ける領域を示すチャー
ト。
がバンドギャップフィルタのチャンバ内にある間、電界
Eの交流電圧成分（∇Φ1）が選択されたイオンを限定軌
道または非限定軌道上に位置付ける領域を示すチャー
ト。
１０ フィルタ
１４ チャンバ
１６ 軸
１８ コイル
２０ 電極
２２ チューナ
２６ 多種プラズマ
２８、３０ イオン
３２、３４ 軌道
３６、３８ 領域
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4K029 DE03 EA06
4K030 EA01 HA11 KA30 KA41
5C038 JJ05 JJ07
Claims (4)
- 【請求項１】 第１の質量／電荷比（m1）が予め定めら
れたカットオフ質量（Mc）よりも小さいとしたときに、
前記第１の質量／電荷比m1のイオンを選択的に通過させ
るバンドギャッププラズマフィルタにおいて、 前記イオン（m1）を含むプラズマを実質的に円筒形状の
チャンバの中空に導入するための装置を有し、前記チャ
ンバは軸を有し、かつ壁で囲まれ、 実質的に均一な磁界（B）を設定するための磁石装置を
有し、前記磁界は前記チャンバ内の軸に沿って方向付け
され、 電界（E）を生成するための装置を有し、前記電界は前
記軸に関して実質的に放射方向に方向付けされて前記磁
界（E x B）と直角に交わり、かつ前記電界は直流電圧
成分（∇Φ0）および交流電圧成分（∇Φ1）、即ち（E=
∇（Φ0+Φ 1））を有し、 前記交流電圧成分（∇Φ1）が実質的にゼロのとき、前
記イオン（m1）が前記チャンバを通過することを限定す
るために、かつ次いでそこから出すために前記直流電圧
成分（∇Φ0）を設定するための装置を有し、 前記イオン（m1）を前記チャンバから放出させるため
に、かつその前記壁と衝突させるために前記交流電圧要
素（∇Φ1）を調整する装置を有し、前記チャンバを通
して前記イオン（m1）の通過を防止する、ことを備えた
バンドギャッププラズマフィルタ。 - 【請求項２】 前記カットオフ質量Mcは次式により決定
される、 Mc=zea2（B）2/8Vctr ここで、eは基本電荷、zは電荷数、aは前記軸とチャン
バの壁間の距離、前記軸に沿った電圧は正の値（Vctr）
を有し放物線状に減少して前記チャンバの壁でゼロとな
る、請求項１に記載のバンドギャッププラズマフィル
タ。 - 【請求項３】 前記調整装置はαおよびβの値に従って
前記交流電圧成分（∇Φ1）の高周波の周波数ωを選択
し、 α=[Ω2/4-λ0]/ω2 β=λ1/[4ω2] かつ λ=2eV（t）/ma2 ここで、λ=λ0+λ1cosωtであり、eは基本電荷、V
（t）は印加電圧、Φ0+Φ1は時間の関数、aは前記軸と
チャンバ壁間の距離、およびΩはイオン（m1）のサイク
ロトロン周波数である。 - 【請求項４】 軸に関して第１の質量／電荷比（m1）の
イオンを予め定められた軌道に選択的に設定する方法に
おいて、 電界（E）を実質的に均一の磁界（B）と交差させ、前記
磁界は前記軸に沿って方向付けられ、かつ前記電界は前
記軸に関して実質的に放射方向に方向付けられ、さら
に、前記電界は直流電圧成分（∇Φ0）および交流電圧
成分（∇Φ1）、即ち （E=∇（Φ0+Φ1））を有し、 前記交差磁界及び電界に前記イオン（m1）を導入し、 前記交流電圧成分（∇Φ1）が実質的にゼロのとき、前
記軸の周囲の限定軌道に前記イオン（m1）を設けるよう
に、前記直流電圧成分（∇Φ0）を設定し、 前記交流電圧要素（∇Φ1）が予め定められた値を有す
るとき、前記軸から離れて前記イオン（m1）を放出する
ために非限定軌道を定めるように前記交流電圧成分（∇
Φ1）を選択的に調整すること、を備えた方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US114900 | 2002-04-02 | ||
| US10/114,900 US6719909B2 (en) | 2002-04-02 | 2002-04-02 | Band gap plasma mass filter |
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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ID=28041063
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002371840A Pending JP2003297281A (ja) | 2002-04-02 | 2002-12-24 | バンドギャッププラズマ質量フィルタ |
| JP2007160385A Pending JP2007258191A (ja) | 2002-04-02 | 2007-06-18 | バンドギャッププラズマ質量フィルタ |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2007160385A Pending JP2007258191A (ja) | 2002-04-02 | 2007-06-18 | バンドギャッププラズマ質量フィルタ |
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|---|---|---|---|---|
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| JPS6274441A (ja) * | 1985-09-27 | 1987-04-06 | Tokai Univ | シ−トプラズマを利用した気体の同位体分離法 |
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| JP3523358B2 (ja) * | 1995-02-28 | 2004-04-26 | 日本原子力研究所 | 同位体の分離方法及び分離装置 |
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| AU7022298A (en) * | 1997-05-12 | 1998-12-08 | Mds Inc. | Rf-only mass spectrometer with auxiliary excitation |
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| US6251282B1 (en) | 1998-11-16 | 2001-06-26 | Archimedes Technology Group, Inc. | Plasma filter with helical magnetic field |
| US6248240B1 (en) * | 1998-11-16 | 2001-06-19 | Archimedes Technology Group, Inc. | Plasma mass filter |
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