JP2005116312A - Microwave plasma generator - Google Patents
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Description
本発明は、核融合プラズマの加熱に用いられる大型イオン源や、プラズマドライエッチング装置、あるいはプラズマ気相成長装置等のプロセシングプラズマ装置のプラズマ源として使用されるマイクロ波プラズマ発生装置に関する。 The present invention relates to a microwave plasma generator used as a plasma source of a processing plasma apparatus such as a large ion source used for heating fusion plasma, a plasma dry etching apparatus, or a plasma vapor deposition apparatus.
従来、マイクロ波プラズマ発生装置は、核融合のための中性粒子入射過熱装置のイオン源や、半導体製造装置に使用されるプラズマドライエッチング装置、あるいはプラズマ気相成長装置のプラズマ源等に用いられている。
特に数百W以上の大電力のマイクロ波を放電容器内に導入してプラズマを生成するプラズマ発生装置では導波管が用いられている。
Conventionally, a microwave plasma generator is used for an ion source of a neutral particle injection superheater for nuclear fusion, a plasma dry etching apparatus used in a semiconductor manufacturing apparatus, or a plasma source of a plasma vapor deposition apparatus. ing.
In particular, a waveguide is used in a plasma generator that generates plasma by introducing a high-power microwave of several hundred W or more into a discharge vessel.
また、水素あるいは重水素の負イオンを発生させる水素負イオン源に使用される場合では負イオンの発生を効率的に行うために、セシウムガスを放電容器内へ導入するように構成されることがある。 In addition, when used in a hydrogen negative ion source that generates negative ions of hydrogen or deuterium, it may be configured to introduce cesium gas into the discharge vessel in order to efficiently generate negative ions. is there.
以下図面を参照して、マイクロ波プラズマ発生装置の一つである水素負イオン源の従来例を説明する。
図5において、1は放電容器で、この放電容器1の一方のフランジ2には、マイクロ波発生器20から途中に配置された真空窓3を通過させて放電容器1内へマイクロ波MWを導入する矩形の導波管4が接続されている。
Hereinafter, a conventional example of a hydrogen negative ion source which is one of microwave plasma generators will be described with reference to the drawings.
In FIG. 5, reference numeral 1 denotes a discharge vessel, and a microwave MW is introduced into the discharge vessel 1 through one of the
真空窓3の材質としてはマイクロ波の通過に対して透明なアルミナセラミクスが用いられている。
5は放電容器1の外面に配設された永久磁石で、放電容器1内に磁場を形成する。
また、放電容器1には所定の被放電ガスが充てんされ、マイクロ波MWと磁場の相互作用によって放電が発生しプラズマが形成される。
As the material of the vacuum window 3, alumina ceramics that is transparent to the passage of microwaves is used.
A permanent magnet 5 is disposed on the outer surface of the discharge vessel 1 and forms a magnetic field in the discharge vessel 1.
Further, the discharge vessel 1 is filled with a predetermined discharge gas, and discharge is generated by the interaction between the microwave MW and the magnetic field to form plasma.
6は気化したセシウムガスを供給するためのガス導入管である。セシウムガスは最も電離電圧が低い物質で、水素プラズマ中へ気化したセシウムガスを混入させることにより効率よく水素あるいは重水素の負イオンが生成できる。
放電容器1の他方のフランジ7には、プラズマ中のイオンを引き出すための複数枚の引出電極8が設置されている。
The other flange 7 of the discharge vessel 1 is provided with a plurality of
引出電極8間にはイオンビームIBを所定のエネルギーに加速するために所定の値の電圧を絶縁材9を介して加速電源10から印加している。
11と12は放電容器1と引出電極8との間、および放電容器1と導波管4との間にバイアス電圧を加えるバイアス電源である。
A voltage having a predetermined value is applied between the
Reference numerals 11 and 12 denote bias power sources for applying a bias voltage between the discharge vessel 1 and the
図6は図5に示す水素負イオン源の軸方向に沿った断面図である。引出電極8には加速したイオンビームIBを通過させるための多数の引出孔13が形成されている。
ところで、マイクロ波放電を用いるプラズマ発生装置では、フランジ2に直接真空窓3であるアルミナセラミクスを設置する例が多い。このような構成の場合は、真空窓3がプラズマの熱やプラズマ粒子の衝撃に曝され、場合によってはアルミナセラミクスが破損する恐れがある。そのため生成するプラズマ密度に制限が加わり、高密度プラズマが生成できないという問題点がある。
FIG. 6 is a cross-sectional view along the axial direction of the hydrogen negative ion source shown in FIG. The
By the way, in plasma generators using microwave discharge, there are many examples in which alumina ceramics that are vacuum windows 3 are directly installed on the
図5に示す水素負イオン源において、曲がった導波管4を設置している理由は、真空窓材を保護するための対策であり、真空窓3をHコーナや、Eコーナによって、プラズマを直視しない位置に置いている(例えば、特許文献1参照)。
In the hydrogen negative ion source shown in FIG. 5, the reason why the
しかし、このHコーナや、Eコーナを配置しただけの場合は、放電容器1内のプラズマが、導波管4の内部に進入することがある。導波管4内にプラズマが存在すると、真空窓3を通過して進行してきたマイクロ波MWがプラズマ表面近傍で一部が反射されてしまう。そのため放電容器1へ効率よくマイクロ波MWを投入できなかった。
However, when only this H corner or E corner is disposed, the plasma in the discharge vessel 1 may enter the inside of the
上記の問題点を解決するために図5および図6に示す水素負イオン源においては、放電容器1と導波管4との間に絶縁材を配し、さらに直流バイアス電源12により導波管4を放電容器1より高電位としている。
In order to solve the above problems, in the hydrogen negative ion source shown in FIGS. 5 and 6, an insulating material is disposed between the discharge vessel 1 and the
導波管4を放電容器1より高電位にするとプラズマ中のイオンに対し静電障壁が形成され、導波管4内へのプラズマの進入が抑えられる。そのため大電力のマイクロ波を放電容器1へ容易に投入できる。
一方、核融合の分野では技術開発の進展に伴い、大出力の水素負イオン源が要求されるようになってきている。
負イオンビームの出力を増大させる効果的な手段は、気化したセシウムガスを水素プラズマ中へ添加することである。
On the other hand, in the field of nuclear fusion, with the progress of technological development, a high-power hydrogen negative ion source has been required.
An effective means of increasing the output of the negative ion beam is to add vaporized cesium gas into the hydrogen plasma.
セシウムガスは上述のように最も低い電離電圧をもつ物質で、低圧力放電を容易にするほか、電子の供給源として適しており、原子状の水素を効率よく負イオンへ変換することができる。そのため、大型の負イオン源ではセシウムガスが多く用いられる。 As described above, cesium gas is a substance having the lowest ionization voltage, which facilitates low-pressure discharge and is suitable as an electron supply source, and can efficiently convert atomic hydrogen into negative ions. Therefore, cesium gas is often used in large negative ion sources.
セシウムは融点28.5℃で、適当なオーブンで加熱し、気化させて放電容器1へ供給する。放電容器1内では添加されたセシウムガスが放電プラズマ内でイオン化する一方、放電容器1の壁や引出電極8の表面に付着して薄いセシウム層を形成する。セシウム層に衝突した水素原子は、離脱する際に電子をもらって負イオンに変換され、効率のよい負イオン生成が行われる。
Cesium has a melting point of 28.5 ° C., is heated in an appropriate oven, vaporized, and supplied to the discharge vessel 1. In the discharge vessel 1, the added cesium gas is ionized in the discharge plasma, while adhering to the wall of the discharge vessel 1 and the surface of the
しかし、セシウムは気化しやすい物質ではあるが、沸点が670℃であることから、温度の低い場所があると液化して容易に付着する。放電容器1は放電プラズマの熱で常に過熱されているが、導波管4は加熱されていないため放電容器に比べて温度が低い。そのため、導波管4の内側の壁にもセシウムが付着する。
However, although cesium is a substance that is easily vaporized, it has a boiling point of 670 ° C., and therefore liquefies and easily adheres to places where the temperature is low. The discharge vessel 1 is always superheated by the heat of the discharge plasma, but the temperature of the
セシウムガスが導波管4の壁に付着するとセシウムの利用効率が低下する。その上、何らかの原因で供給する水素ガスの圧力や導波管4を通過するマイクロ波パワーが変動すると、まれに導波管4内で放電が発生することがある。
When cesium gas adheres to the wall of the
導波管4内で放電が発生すると、先に述べたようにマイクロ波の反射がおこるだけでなく、その放電の状態によっては真空窓3を破壊する恐れもある。
上記のように、導波管4を用いる負イオン源では導波管4の内側の壁へのセシウム付着防止が大きな課題である。
When a discharge occurs in the
As described above, in the negative ion source using the
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、導波管壁への負イオンビームの出力を増大させるガスが付着を防止して、負イオン生成を効率よく行わせると共に、導波管内での放電発生を抑えて真空窓の破壊を抑止したマイクロ波プラズマ発生装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. The gas that increases the output of the negative ion beam to the waveguide wall is prevented from adhering, and negative ions can be efficiently generated and guided. An object of the present invention is to obtain a microwave plasma generator that suppresses the occurrence of discharge in a wave tube and suppresses the destruction of a vacuum window.
上記目的を達成するために請求項1記載の発明は、被放電ガスが充てんされ、減圧された内部にプラズマが形成される放電容器と、この放電容器内にマイクロ波を導入するとともに放電容器の温度より相対的に高い温度に設定可能な導波管と、前記放電容器の内部に磁場を形成する磁場形成手段と、前記放電容器へ負イオンビームの出力を増大させるガスを供給するガス導入器を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is a discharge vessel in which a gas to be discharged is filled and a plasma is formed in a reduced pressure, and a microwave is introduced into the discharge vessel and A waveguide that can be set to a temperature relatively higher than the temperature, a magnetic field forming means that forms a magnetic field inside the discharge vessel, and a gas introducer that supplies a gas that increases the output of a negative ion beam to the discharge vessel It is provided with.
請求項4に記載の発明は、被放電ガスが充てんされ、減圧された内部にプラズマが形成される放電容器と、この放電容器内にマイクロ波を導入するとともに、内部にその内壁から離間して薄板状の電気導体板を設置した導波管と、前記放電容器の内部に磁場を形成する磁場形成手段と、前記放電容器へ負イオンビームの出力を増大させるガスを供給するガス導入器を備えたことを特徴とする。
The invention according to
本発明のマイクロ波プラズマ発生装置によれば、導波管壁への負イオンビームの出力を増大させるガスの付着を防止して、負イオン生成を効率よく行わせると共に、導波管内での放電発生を抑えて真空窓の破壊を抑止することができる。 According to the microwave plasma generation apparatus of the present invention, the adhesion of gas that increases the output of the negative ion beam to the waveguide wall can be prevented, negative ions can be generated efficiently, and the discharge in the waveguide can be performed. Generation | occurrence | production can be suppressed and destruction of a vacuum window can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、図5および図6に示した従来のマイクロ波プラズマ発生装置と同一の部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the embodiment, the same parts as those in the conventional microwave plasma generator shown in FIGS. 5 and 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図1は本発明の第1の実施の形態を示す図で、図5および6に示す従来例と同様にマイクロ波プラズマ発生装置の一つである水素負イオン源を例に説明する。
図1において、放電容器1は直径15cm、軸長15cmの略円筒状である。放電容器1の一方の端部に形成したマイクロ波導入孔のフランジ2には絶縁材9aを介して導波管4の一端に形成されたフランジ4Aが接続されている。
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. A hydrogen negative ion source which is one of microwave plasma generators will be described as an example as in the conventional example shown in FIGS.
In FIG. 1, the discharge vessel 1 has a substantially cylindrical shape with a diameter of 15 cm and an axial length of 15 cm. A
導波管4の他端部は例えば2.45GHzのマイクロ波を生成する図示しないマイクロ波電源に接続されている。マイクロ波電源からのマイクロ波は導波管4を通過して放電容器1内へ導入される。
The other end of the
また放電容器1の筒状部の外壁面には磁場形成手段であるSm−Coからなる円環状の2個の永久磁石5が放電容器1の両端部に形成したフランジフランジ2、7の近傍に配設されている。
これら一対の永久磁石5は半径方向の相反する向きに着磁されているため、磁力線は放電容器1内の中心軸方向へ大きく張り出す。
Further, on the outer wall surface of the cylindrical portion of the discharge vessel 1, two annular permanent magnets 5 made of Sm-Co as magnetic field forming means are formed in the vicinity of the
Since the pair of permanent magnets 5 are magnetized in opposite directions in the radial direction, the lines of magnetic force largely project toward the central axis in the discharge vessel 1.
放電容器1内へは図示しないガス導入口から水素ガスが導入され、図示しない排気装置によって0.1Pa台の所定圧力に維持することが可能である。
導波管4から供給されたマイクロ波は磁場との相互作用により水素ガスを放電させプラズマを生成する。
Hydrogen gas is introduced into the discharge vessel 1 from a gas inlet (not shown), and can be maintained at a predetermined pressure of 0.1 Pa by an exhaust device (not shown).
The microwave supplied from the
水素プラズマを生成した後、図示しない導入口から気化した負イオンビームの出力を増大させるガスを放電容器1内の水素プラズマ中へ添加する。負イオンビームの出力を増大させるガスの添加によって水素負イオンの生成が効率よく行われる。
また、放電容器1のフランジ7には、複数の絶縁リング9bを介して引出電極8が取り付けられている。
After the hydrogen plasma is generated, a gas that increases the output of the negative ion beam vaporized from an inlet (not shown) is added to the hydrogen plasma in the discharge vessel 1. Hydrogen negative ions are efficiently generated by adding a gas that increases the output of the negative ion beam.
In addition, an
引出電極8には、放電容器1の軸方向をイオン引出方向とするようにして、イオン引出孔13が中央部分に多数形成されている。
引出電極8にはイオンを引き出し、加速するための所定電圧が加えられており、生成された水素負イオンは、貫通孔13を通過しながら加速されて、イオン源外へ取り出される。
In the
A predetermined voltage for extracting and accelerating ions is applied to the
導波管4は前述のように放電容器1に対して正にバイアスされており、導波管4方向へのプラズマの移動を静電障壁で防止する。
放電容器1と、引出電極8の間にはイオン源の動作を調整するためにバイアス電圧が加えられている。
The
A bias voltage is applied between the discharge vessel 1 and the
導波管4には加熱用のヒータ15がその外壁に沿って配設され、放電室1より相対的に高い温度に導波管4を維持することが可能である。負イオンビームの出力を増大させるガスは温度が相対的に低い場所である放電室1の壁に付着しやすくなる。
図1の14は冷却水を通水するための冷却管で、ヒータ15とくみあわせて導波管の温度調節を行う。
A
このように本実施の形態によれば、放電容器1に連結した導波管4の温度を放電容器1より相対的に高い温度に設定できるため、導波管壁への負イオンビームの出力を増大させるガスの付着を防止でき、負イオンの生成を効率よく行えるとともに、導波管4内部における放電発生を防止できる。
As described above, according to the present embodiment, the temperature of the
次に本発明の第2の実施の形態について図2を参照して説明する。
本実施の形態では、導波管4内部に管壁に沿って薄板の角筒状の導体16を熱の移動を小さくした支持体17を介して支持した構成を成している。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, a configuration is such that a thin rectangular tube-shaped
ただし、角筒状の導体16の内側寸法はその内部を通過するマイクロ波の伝播を妨げない寸法としている。
また、角筒状の導体16と導波管4とは同電位となるように設定可能である。
However, the inner dimension of the rectangular tube-shaped
The rectangular tube-shaped
前述のように放電容器1と導波管4の間には、直流バイアス電源12により導波管4を放電容器1より高電位となるようにバイアスし、プラズマの移動を抑えている。
このためプラズマ中の電子は導波管4方向へ加速される。第1の実施の形態の場合も電子が導波管4に衝突し、管壁を加熱するが、熱容量が大きいことと、大気にさらされているためにその温度上昇は大きくはない。
As described above, between the discharge vessel 1 and the
For this reason, electrons in the plasma are accelerated in the direction of the
第2の実施の形態では、電子は角筒状の導体16に衝突する。角筒状の導体16は薄板であるとともに、導波管4の壁との間の熱の移動が小さいために高温に加熱される。角筒状の導体16の板厚と支持体17は、衝突する電子パワーによって調節し、角筒状の導体16が放電容器1の壁より温度が相対的に高い温度となるように設定する。
In the second embodiment, the electrons collide with the rectangular tube-shaped
このように本実施の形態においても、放電容器1に連結した導波管4の温度を放電容器1より相対的に高く設定できるため、導波管壁へのセシウムの付着を防止でき、負イオンの生成を効率よく行えるとともに、導波管4内部における放電発生を防止できる。
Thus, also in this embodiment, since the temperature of the
次に本発明の第3の実施の形態について図3を参照して説明する。
図3において、放電容器1と導波管4を同じ電位とし、角筒状導体16を導波管4に対し正の電位としている。18はアルミナセラミクス製の支持体である。第1と第2の実施の形態では放電容器1と導波管4とは異なる電位であった。そのため高電位に設置されるマイクロ波電源、バイアス電源や、導波管、ケーブルなどの構造物はそれぞれの電位に応じて絶縁しなければならない。
これに対し図3では放電容器1と導波管4とが同電位であるため、高電位部分の構成が容易になる。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 3, the discharge vessel 1 and the
In contrast, in FIG. 3, since the discharge vessel 1 and the
次に本発明の第4の実施の形態について図4を参照して説明する。
本発明の第2と第3の実施の形態では角筒状導体16の加熱にプラズマから飛び出してくる電子のパワーを利用していた。しかしイオン源の運転中に角筒状導体16の温度を変化させたいときもある。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the second and third embodiments of the present invention, the power of electrons ejected from the plasma is used for heating the rectangular tube-shaped
図4はこのような目的のための実施の形態で、図示のごとく角筒状導体16の周囲に冷却管14とヒータ15を設置している。冷却管14とヒータ15の併用により電子のパワーに関わりなく、角筒状導体16の温度が任意に設定できる。
FIG. 4 shows an embodiment for such a purpose. A cooling
1…放電容器、3…真空窓、4…導波管、5…永久磁石、8…引出電極、9…絶縁材、10…加速電源、11、12…バイアス電源、13…引出孔、14…冷却管、15…ヒータ、16…角筒状の導体、17、18…支持体、20…マイクロ波発生器、MW…マイクロ波、IB…イオンビーム。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Discharge container, 3 ... Vacuum window, 4 ... Waveguide, 5 ... Permanent magnet, 8 ... Extraction electrode, 9 ... Insulating material, 10 ... Acceleration power supply, 11, 12 ... Bias power supply, 13 ... Extraction hole, 14 ... Cooling tube, 15 ... heater, 16 ... rectangular tube conductor, 17, 18 ... support, 20 ... microwave generator, MW ... microwave, IB ... ion beam.
Claims (7)
5. The microwave plasma generator according to claim 4, further comprising heating means for heating the thin plate-like electric conductor plate.
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