JP2005353294A

JP2005353294A - ガス・ジェット型プラズマ・バリアー装置

Info

Publication number: JP2005353294A
Application number: JP2004169601A
Authority: JP
Inventors: Makoto Shiho; 諒志甫; Jiro Morimoto; 二郎森本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】スリット状の超音速ノズルとデイフューザーを用いることにより真空容器中の局在された領域に超音速ガス・ジェットにより高真空状態を維持した状態でバリヤーを形成し、高温プラズマを冷却し、不純物の発生を排除しながら光を透過させ、短波長光源のための窓や標的を形成する。
【解決手段】高温プラズマの発生装置、高温プラズマ発生装置により発生される高温プラズマの発生方向に交差して設けられ、動作ガスを超音速に加速する超音速ノズル部４１および動作ガスを減速させ圧力を回復させる超音速ディフューザ部４２が一直線上に設けられており、超音速ノズル部および超音速ディフューザ部の間に前記高温プラズマのバリヤーとして作用するバリヤーガス層が形成されている。
【選択図】図５

Description

本発明はガス・ジェット型プラズマ・バリアー装置に関し、より詳しくは、高温プラズマの発生装置において真空中の局在された領域に標的ガス層を形成する装置に関する。

高温プラズマの発生装置として、放電電源に接続されその間に繰返しパルス電圧が印加される一対の放電電極からなり、一対の電極の配置方向に動作ガスが供給されるとともに一対の電極間に動作ガス案内キャピラリーが設けられているプラズマ発生装置が用いられており、高エネルギー密度のパルスプラズマを高繰り返しで形成し、リソグラフイー、イメージングおよび医療分野などの工業用並びに短波長の分光光源などの研究分野において利用する真空紫外線領域から軟Ｘ線領域の光発生装置に利用されている。

従来のプラズマ発生装置においては、プラズマ発生装置の容器がバリヤーとなっており、容器の内部のプラズマの挙動を観測するために、石英ガラス等を嵌めたウインドウを設けていた。このような構造では高温プラズマからの熱入力やプラズマにより派生される不純物の除去を効率よく行えず、容器が過大な熱を受けたり、ウインドウに嵌めた石英ガラス等がプラズマにより派生される不純物で汚れ、プラズマの挙動を観測できないないと言う問題がある。

本発明の目的は、スリット状の超音速ノズルとデイフューザーを用いることにより、高温プラズマの発生装置の真空容器中の局在された領域に超音速ガス・ジェットにより高真空状態を維持した状態でバリヤーを形成し、高温プラズマを冷却することにある。

本発明の更に他の目的は、動作ガスを選択することにより不純物の発生を排除しながら光を透過させ、短波長光源のための窓や標的を形成することにある。

また、本発明の他の目的は、動作条件に応じて形状を連続的に変化できるデイフューザーを用いてガスを高効率回収することにより、真空へのガス負荷を軽減することにある。

本発明においては、上記の目的を、高温プラズマ発生装置により発生される高温プラズマの発生方向に交差して設けられ、動作ガスを超音速に加速する超音速ノズル部および動作ガスを減速させ圧力を回復させる超音速ディフューザ部が一直線上に設けられており、該超音速ノズル部および超音速ディフューザ部の間に前記高温プラズマのバリヤーとして作用するバリヤーガス層が形成されていることを特徴とするガス・ジェット型プラズマ・バリアー装置により達成する。

本発明は、更に、前記超音速ノズル部および前記超音速ディフューザ部がガス再循環装置により連結されており該超音速ディフユーザー部によって圧力回復・回収された動作ガスを圧縮・再循環（定常動作）できるようになっていることが好ましい。
更に、前記超音速ディフューザ部は形状が可変であり、動作ガスの流量に応じて狭まり角を変化することによって圧力回復条件を調整できることが好ましい。この場合に、.超音速ディフューザ形状(狭まり角度)は、流入する動作ガスのマッハ数と密度で決める。

本発明においては、超音速ジェットにより高温プラズマの発生装置の真空容器中の限定された領域のみにバリヤー・ガス層を形成し、高温プラズマを冷却する。このため、高温プラズマからの熱入力により容器が過大な熱を受けて損傷することを防止することができる。真空容器中の限定された領域のみにバリヤー・ガス層を形成するには、マッハ数Ｍが４以上の超音速ジェットとすることが好ましい。

また、本発明においては、真空容器中の限定された領域のみにバリヤー・ガス層を形成するため、不純物の発生を排除しながら光を透過させ、短波長光源のための窓や標的を形成することができる。

また、真空ポンプは基本的に体積で排気するので、.超音速ディフューザ形状(狭まり角度)を可変とし、流入する動作ガスのマッハ数と密度で決めることにより、例えば超音速ディフューザで１０倍に圧力回復させれば、真空排気装置の要求容量を１０分の１に減少させることができる。

以下、本発明の実施例を図示した添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は本発明に係るガス・ジェット型プラズマ・バリアー装置を具備した非対称放電電極型細管プラズマ発生装置の一部断面図とした概略正面図である。

図１において、ステンレス等の密封容器で作られた真空容器１０は真空排気装置１１に接続されており、内部を所望の高真空とできるようになっている。

真空容器１０内に、陰極２１および陽極２２からなる放電電極が１０〜３０ｍｍの所定の間隔Ｌを開けて設けられている。陰極２１および陽極２２はそれぞれ放電用一次電源２３に接続され、好ましくは放電パルス幅が５μ秒以下である所定電圧の繰返しパルス電圧が印加されて、放電用高速電源部２４を構成している。

陰極２１はその中心部に直径がＤｉの小径孔２１ａ有し、陽極２２はその中心部に陰極２１の小径孔２１ａよりも大径の直径Ｄｏの孔２２ａを有して非対称放電電極２０を形成している。

陰極２１の小径孔２１ａは動作ガス供給装置３１を介して動作ガスボンベ３０に接続され、キセノン、アルゴン等の動作ガスをよどみ圧力Ｐｏで連続的に供給し、供給された動作ガスが陰極２１から陽極２２に向けて移動する。

図２に示すように、陰極２１と陰極２１の間には、セラミック等の耐熱材料製の動作ガス案内キャピラリー２５が設けられ、キャピラリー２５自身を動作ガスの流路として用いている。キャピラリー２５は、動作ガスの移動方向に、すなわち、陰極２１から陽極２２に向けて、拡開するテーパーが形成されている。キャピラリー２５の形状と密度分布によりプラズマ・ダイナミクスを制御している。

キャピラリー２５が、陰極２１から陽極２２に向けて一様に拡開している場合には、テーパーのなす角度θは、
θ＝ｔａｎ^−１｛（Ｄｏ−Ｄｉ）／２Ｌ｝
と表され、この角度θは０〜５０°とすることが好ましい。

キャピラリー２５は上述したように一様に拡開しているものに限られず、より好ましくは、入り口側で先細、出口側で拡大するように断面積が変化する所謂ラバールノズル形状とすることが好ましい。ここに、キャピラリーの断面積の最小部をＡ＊、最大部をＡｅとしたとき、１＜Ａｅ／Ａ＊＜１０を満たすことが好ましい。

また、動作ガスはキャピラリー２５内の流路をマッハ数Ｍ＝０．３以上の高速で流れ、キャピラリー２５内に良く定義された密度分布を形成する。

更に、本発明に係るガス・ジェット型プラズマ・バリアー装置が設けられている。この実施例のガス・ジェット型プラズマ・バリアー装置は、上述した放電用高速電源部２４からなる高温プラズマの発生装置により発生される高温プラズマの発生方向に交差して、ガス・バリヤー用の動作ガスを超音速に加速する超音速ノズル部４１および動作ガスを減速させ圧力を回復させる超音速ディフューザ部４２が一直線上に設けられている。これにより、超音速ノズル部４１および超音速ディフューザ部４２の間に高温プラズマのバリヤーとして作用するバリヤーガス層が形成されている。

すなわち、上述したステンレス製容器１０の放電管の出口部に位置する箇所には、高温プラズマ通過用のウインドウ１０ａが開口されている。図１の紙面に平行し且つ互いウインドウ１０ａの直径よりも僅かに大きな間隔を開けた２つの壁面が、ウインドウ１０ａの外側に設けられている。この平行な２つの壁面の間に、超音速ノズル部４１および超音速ディフューザ部４２がバリヤーガス層を介して一直線上に設けられている。バリヤーガス層はウインドウ１０ａの外側に位置しており、バリヤーガス層の反ステンレス容器１０側にはプラズマの挙動観測用のウインドウ４４が設けられ、このウインドウ４４には石英ガラス等が嵌められている。

通常、ガスは流体運動と熱運動を伴うため、真空中で局在させることは困難である。局在化させるにはガスを加速・減圧・冷却し、速度ベクトルを揃えるとともに投入したガスが圧力勾配と熱速度で拡がるまでに回収する必要がある。ただし、ノズル壁面で境界層が発達すると、壁面近傍のガスは十分に加速されないためガスの広がりが大きくなって真空領域へのリークが大きくなってしまう。ガスの広がりを抑制し回収効率を高めるために、ワイヤー放電加工により整形した楕円面形状を持つ高マッハ数超音速平行流ノズルと可変形状のデイフューザーを用いることが好ましい。
すなわち、超音速ディフューザは形状が可変であり、動作ガスの流量に応じて狭まり角を変化することによって圧力回復条件を調整できる。この場合に、超音速ディフューザ形状(狭まり角度)は、流入する動作ガスのマッハ数と密度で決め、より詳しくは、ディフューザの断面積の一番狭い部分（スロート）での流速が音速になるようにする。
なお、ディフューザの形状を可変とするには、例えば、ワイヤー放電加工により種々の形状のディフューザの形状を予め作成・準備し、動作ガスのマッハ数と密度に応じて最適な形状のディフューザを選択して用いてもよい。
または、ディフューザを、周方向に複数のセクションに分割し、各セクションの位置を変化させてディフューザ形状を可変としてもよい。この態様の一例を図６に示す。この実施例では、超音速ディフューザ部を周方向に２分割し、２分割した各超音速ディフューザセクションには、超音速ノズル部４１側の入口部、反入口側に位置した断面積の狭いスロート部および入口部とスロート部との中間部をそれぞれ形状可変アクチュエータ４２ａに連結しており、形状可変アクチュエータ４２ａを作動させることにより、各超音速ディフューザセクションの入口部、中間部およびスロート部の位置を調節してディフューザの形状を可変とすることができる。特に、中間部の形状可変アクチュエータ４２ａをヒンジで連結することにより、ディフューザの形状の変更自由度を大きくすることができる。
更にまた、別の態様として、可塑材によりディフューザを形成し、動作ガスのマッハ数と密度に応じて最適な形状としてもよい。
これらの場合に、ガスを流入させながらその場で形状変化させて最適角度に調整してもよい。なお、動作ガスの密度は低いので、壁面に大きな力が掛かることはなく、上述のようにしてフレキシブルな構造にすることに左程の困難はない。

装置の概念図を図４に示す。Ｍｅは出口マッハ数、αはガスの拡がり角であり、マッハ数が大きいほど拡がり角は小さくなる。バリヤー・ガスは、ノズル出口幅よりも大きい幅を持つデイフューザーで高効率回収する。高効率ガス回収のために、バリヤー部の幅をＬ、ノズル出口、デイフュユーザーの入り口幅をそれぞれＷ_Ｎ、Ｗ_Ｄとしたとき、ディフューザーの入り口幅を、（１）式を満たすように設定するとともに動作条件に応じて形状を連続的に変化できる形状とする。

Ｗ_Ｄ≧Ｗ_Ｎ＋２Ｌtanα （１）
超音速ノズル部４１および超音速ディフューザ部４２が、図１および図５に示すように、ガス再循環装置４３により連結されており、超音速ディフユーザー部４２によって圧力回復・回収された動作ガスを圧縮・再循環（定常動作）できるようになっている。

冷却用のガスは超音速ノズルでＭ＝４以上の極超音速に加速、真空中に投入されガス・バリヤーを形成する。バリヤー・ガスは窓を通過した直後に、高効率デイフユーザーにより回収・加圧され再循環される。超音速ノズルの側壁面は、楕円状（特性曲線法により設計したヘリウムガス用最大膨張（最小長さ）形状ノズル＊Ｍ＝５）に設計されており、内部での衝撃波による擾乱を最小限に抑制しながら、短い距離でのガスの加速を実現している。

出口マツハ数をＭとした時ノズル・スロート部分での偏向角νを、

とするとともに、壁面でのマツハ線の反射を吸収するように形状を決定する。デイフューザー入口部は、（１）式で規定される幅を持ち、動作よどみ圧力に応じて、上述のようにして、最適な角度に調整できる。

次に、キャピラリー２５内の動作ガスの挙動について検討すると、準１次元を仮定し、スロート面積をＡ＊、流路断面をＡ、比熱比をγとすると、定常・超音速流の局所マツハ数Ｍと流路断面積との関係は、

と表される。同様に、よどみ点圧力をＰｏとしたとき、局所マツハ数Ｍに対する圧力は、

と書ける。したがって、流路の形状が決まると背圧が十分に低く定常流の条件が成立する限り、ノズル軸に沿った半径に対応する数密度分布が確定されることになる。

一方，電磁力による加速は放電路の半径と電流値および内部に含まれる動作ガスの数密度分布に依存する。例えば、簡単な雪かきモデル（Snow Plow Model）を用いると、運動方程式は、

と表現できる。ここで、ρｏは初期ガスの密度、ｒ（ｔ）はプラズマ半径、Ｉ（ｔ）は放電電流、ｐ（ｔ）は初期ガスの圧力である。
（５）式は、電流層の収縮（Pinch）速度は、電流値、プラズマコラムの半径ｒおよびガス密度ρの関数になることを示している。したがって、放電部の形状（ｒ）、これによって決定されるガス密度（ρ）、電流の時間変化Ｉ（ｔ）によりプラズマのピンチ時間は制御されることになる。

放電路の最大断面積をＡｅとしたとき、放電管の条件（テーパー比）は以下の基準から決定される

本発明者らの研究により、１０^１２Ａ／ｓｅｃ程度の高速電流立ち上がりで、細管（キャピラリー）内をパルス放電させると再現良く円筒状の高密度プラズマが得られることは、放電型レーザーの研究を通じて明らかになっている。放電流路は、式（４）を満足するようにあらかじめ設計する。ここに、高密度のプラズマが必要な際には、放電路を凹面形状に整形したキャピラリーを用いに、高速のプラズマジェットが必要な際には凸面形状に整形したキャピラリーを用いる。

次に、上述の実施例のプラズマ形成動作の概要を図３を参照して以下に説明する。放電開始前に、動作ガスボンベ３０に接続された動作ガス供給装置３１から適度な数密度分布を持つガスが、図３（ａ）に示すように、ガス・ダイナミックな供給により、１ミリ秒以内にキャピラリー２５管内部に満たされる。

その後、図３（ｂ）に示すように、放電用一次電源２３から陰極２１と陽極２２間に放電パルス幅が５μ秒以下である所定電圧の繰返しパルス電圧が印加されて高速放電を行うことにより、電磁力によるプラズマ加速により、プラズマの圧縮・過熱と排出が行われ、プラズマは半径方向と同時に軸方向に加速される。以上の動作が繰り返される。

動作ガスは超音速（１０μ秒程度）でキャピラリー２５内部を満たすので、パルス放電後の回復時間は数十μｓｅｃ程度である。このことが、この装置がｌ0ｋＨｚ程度の高繰り返し動作能力を持っていることを保証している。

式（３）に示したように、ピンチ過程はキャピラリー内部の初期密度分布、電流立ち上がり率、およびよどみ圧力によって変化する。加速されたプラズマが出口で高エネルギー密度状態となるようにパラメー夕の選択をすると、高密度で点状の（有効な立体角の大きい）プラズマが得られる。

本実施例においては、動作ガスを高速のガス流とすることにより、再現性の高い繰り返し動作を実現できる。キャピラリーのテーパー形状により、プラズマの半径を制御（所望の大きさに選定）することができ、これにより、高エネルギー密度プラズマの制御と高速の排熱を可能にしている。また、テーパー付きキャピラリーにより動作ガスを超高速で流すので、放電部の冷却効果を奏することができ、放電動作に伴う不純物（デブリー）の発生を抑制できる。

本発明に使用する非対称放電電極型細管プラズマ発生装置の一部断面図とした概略正面図である。本発明に使用する非対称放電電極型細管プラズマ発生装置の放電電極の一例の概略を示す図である。図２に示した細管ノズル型放電路（キャピラリー）とテーパー・ピンチ放電の動作の概略を示し、（ａ）は放電開始前を示し、（ｂ）は放電開始後を示す。本発明に係るガス・バリヤー装置の概念図を示す。本発明に係るガス・バリヤーおよびガス再循環装置の概念図を示す。ディフューザ形状を可変とした態様の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０真空容器
１１真空排気装置
２０非対称放電電極
２１陰極
２２陽極
２３放電用一次電源
２４放電用高速電源部
２５キャピラリー
４１超音速ノズル部
４２超音速ディフューザ部
４３ガス再循環装置

Claims

高温プラズマ発生装置により発生される高温プラズマの発生方向に交差して設けられ、動作ガスを超音速に加速する超音速ノズル部および動作ガスを減速させ圧力を回復させる超音速ディフューザ部が一直線上に設けられており、該超音速ノズル部および超音速ディフューザ部の間に前記高温プラズマのバリヤーとして作用するバリヤーガス層が形成されていることを特徴とするガス・ジェット型プラズマ・バリアー装置。
前記超音速ノズル部および前記超音速ディフューザ部がガス再循環装置により連結されており該超音速ディフユーザー部によって圧力回復・回収された動作ガスを圧縮・再循環（定常動作）できるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のガス・ジェット型プラズマ・バリアー装置。
前記超音速ディフューザ部は形状が可変であり、動作ガスの流量に応じて狭まり角を変化することによって圧力回復条件を調整できることを特徴とする請求項１または２に記載のガス・ジェット型プラズマ・バリヤー装置。