JP2015011890A - マイクロ波イオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で所望の磁場分布をプラズマ室に生成可能であるマイクロ波イオン源を提供する。
【解決手段】マイクロ波イオン源１０は、マイクロ波を受け入れるための真空窓２４と、イオン引出開口６６と、を備え、プラズマ生成空間５８を画定するプラズマ室１２と、軸方向に向けられたコイル磁場を真空窓２４からイオン引出開口６６にわたってプラズマ生成空間５８に生成するよう配設されているコイル装置１６と、プラズマ生成空間５８におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体８０と、を備える。磁性体８０は、コイル装置１６の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波イオン源に関する。

マイクロ波をプラズマ生成に用いるイオン源が知られている。真空のプラズマ室にマイクロ波が導入される。プラズマ室に供給された原料ガスがマイクロ波によって励起され、プラズマが生成される。プラズマからイオンが引き出される。こうしてイオン源から引き出されたイオンは例えばイオン注入処理のために使用される。

特開平１−２１９１６１号公報 特開昭６０−１４０６３５号公報

マイクロ波イオン源には一般に、プラズマ室の周囲を囲むコイルが設けられている。コイルはその中心軸上に、コイル中央部に関して対称な軸方向磁場分布を生成する。ところが実際の用途においては、高密度プラズマを生成するために、プラズマ室のマイクロ波入射側とイオン引出側とで異なる磁場強度を有する非対称な磁場分布が望まれることがある。そうした非対称分布を得る１つの方法は、軸方向に複数のコイルを並べて設け、各コイルに異なる磁場を発生させ、それら個々の磁場を重ね合わせたとき目的の非対称分布となるように各コイルを調整することである。しかし、このような構成は複雑であり、費用もかかる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、簡単な構成で所望の磁場分布をプラズマ室に生成可能であるマイクロ波イオン源を提供することにある。

本発明のある態様に係るマイクロ波イオン源は、マイクロ波を受け入れるための窓と、イオンを引き出すための開口と、を備え、プラズマ生成空間を画定するプラズマ室と、軸方向に向けられたコイル磁場を前記窓から前記開口にわたって前記プラズマ生成空間に生成するよう配設されているコイル装置と、前記プラズマ生成空間におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体と、を備える。前記磁性体は、前記コイル装置の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置されている。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、簡単な構成で所望の磁場分布をプラズマ室に生成することができる。

本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源の構成を概略的に示す図である。 本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源の要部を概略的に示す図である。 本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源の要部を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図１は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の構成を概略的に示す図である。マイクロ波イオン源１０は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たす磁場またはそれよりも高い磁場を印加したプラズマ室１２内へ、磁力線方向にマイクロ波電力を入力して高密度プラズマを生成しイオンを引き出すイオン源である。マイクロ波イオン源１０は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマ室１２の外部へイオンを引き出すように構成されている。

よく知られるように、ＥＣＲ条件を満たす磁場の強さは使用されるマイクロ波の周波数に対し一意に定まり、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合には８７．５ｍＴ（８７５ガウス）の磁場が必要である。以下では説明の便宜上、ＥＣＲ条件を満たす磁場を、共鳴磁場と呼ぶことがある。

マイクロ波イオン源１０は、例えばイオン注入装置又は粒子線治療装置のためのイオン源に使用される。マイクロ波イオン源１０は例えば、一価イオン源として使用される。また、マイクロ波イオン源１０は、プロトン加速器のためのイオン源、またはＸ線源としても使用され得る。

マイクロ波イオン源１０は、イオン源本体１４を備える。イオン源本体１４は、プラズマ室１２、磁場発生器であるコイル装置１６、及び真空容器１８を備える。

プラズマ室１２は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマ室１２の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を包囲する方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマ室１２が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。図示の例ではプラズマ室１２は円筒形状を有するが、プラズマ室１２は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状であってもよい。また、プラズマ室１２の軸方向長さは、プラズマ室１２の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。

コイル装置１６は、プラズマ室１２に磁場を印加するために設けられている。コイル装置１６は、プラズマ室１２の周囲に配設されている。コイル装置１６は、プラズマ室１２の中心軸に沿うコイル磁場を発生させるよう構成されている。その磁力線方向を図１に矢印Ｍで示す。コイル装置１６は、プラズマ室１２の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場またはそれよりも高強度の磁場を発生させるよう構成されている。コイル装置１６は、プラズマ室１２の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場よりも低い磁場を発生させることも可能である。

真空容器１８は、プラズマ室１２を真空環境に収容するための筐体である。プラズマ室１２は、内部にマイクロ波を受け入れるための真空窓２４を有する。真空容器１８は、コイル装置１６を保持するための構造体でもある。プラズマ室１２、コイル装置１６、及び真空容器１８については、更に詳しく後述する。

マイクロ波イオン源１０は、マイクロ波供給系２６を備える。マイクロ波供給系２６は、真空窓２４を通じてプラズマ室１２にマイクロ波電力を入力するよう構成されている。マイクロ波供給系２６は、マイクロ波源２８、導波管３０、及びマッチングセクション３２を備える。マイクロ波源２８は例えばマグネトロンである。マイクロ波源２８は例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を出力する。導波管３０は、マイクロ波源２８の出力するマイクロ波をプラズマ室１２に伝達するための立体回路である。導波管３０の一端はマイクロ波源２８に接続されており、他端はマッチングセクション３２を介して真空窓２４に接続されている。マッチングセクション３２はマイクロ波の整合のために設けられている。

このようにして、マイクロ波供給系２６から真空窓２４を通じてプラズマ室１２にマイクロ波が導入される。導入されたマイクロ波は、真空窓２４に対向するプラズマ室１２の端部へ向けてプラズマ室１２の内部を伝搬する。マイクロ波の伝搬方向を図１に矢印Ｐで示す。マイクロ波の伝搬方向Ｐは、コイル装置１６による磁力線方向Ｍと同一方向である。よって、マイクロ波の伝搬方向Ｐはプラズマ室１２の軸方向に一致する。

また、マイクロ波供給系２６は、導波管３０に設けられているマイクロ波検出器３３を備える。マイクロ波検出器３３は、例えば、プラズマ室１２への入射電力及びプラズマ室１２からの反射電力をモニタするための方向性結合器を備える。マイクロ波検出器３３は、測定結果を制御装置Ｃに出力するよう構成されている。

マイクロ波イオン源１０は、ガス供給系３４を備える。ガス供給系３４は、プラズマの原料ガスをプラズマ室１２に供給するよう構成されている。ガス供給系３４は、ガス源であるガスボンベ３６とガス流量制御器３８とを備える。ガス供給系３４のガス配管４０の先端が真空容器１８を通じてプラズマ室１２に接続されている。ガス配管４０は例えば、プラズマ室１２の側壁６４に接続されている。ガス流量制御器３８は、ガスボンベ３６をプラズマ室１２に接続し又は遮断するための開閉弁、またはガスボンベ３６からプラズマ室１２へのガス流量を調整するための流量制御弁を備える。こうして、原料ガスが、ガスボンベ３６からプラズマ室１２へと制御された流量で供給される。

イオン源本体１４は、引出電極系４２を備える。引出電極系４２は、プラズマ室１２のイオン引出開口６６を通じてプラズマからイオンを引き出すよう構成されている。引出電極系４２は、第１電極４４と第２電極４６を含む。第１電極４４はプラズマ室１２と第２電極４６との間に設けられている。イオン引出開口６６を有する終端部６２と第１電極４４とは隙間を隔てて配列され、第１電極４４と第２電極４６とは隙間を隔てて配列されている。第１電極４４及び第２電極４６は、それぞれ例えば環状に形成されており、プラズマ室１２から引き出されたイオンを通すための開口部分を中心部に有する。

第１電極４４は、プラズマから陽イオンを引き出すとともに、ビームライン５２からプラズマ室１２への電子の戻りを妨げるために設けられている。そのために、第１電極４４には負の高電圧が印加されている。第１電極４４に負の高電圧を印加するために、第１引出電源４８が設けられている。第２電極４６は接地されている。また、真空容器１８には正の高電圧が印加されている。真空容器１８に正の高電圧を印加するために、第２引出電源５０が設けられている。このようにして、プラズマ室１２から陽イオンのイオンビーム２０が引き出される。プラズマ室１２からのイオンビーム２０の引出方向はマイクロ波の伝搬方向Ｐと同一方向である。

マイクロ波イオン源１０には、引出電極系４２によって引き出されたイオンビーム２０を輸送するためのビームライン５２が設けられている。ビームライン５２は、マイクロ波供給系２６とは反対側にイオン源本体１４に連結されている。ビームライン５２は、真空容器１８に連通されている真空容器である。ビームライン５２は、イオン源本体１４の真空容器１８に対し絶縁されて真空容器１８に取り付けられている。そのために、ビームライン５２と真空容器１８の間にブッシング５４が設けられている。

ブッシング５４は、ビームライン５２及び真空容器１８内の真空を維持しつつ、真空容器１８とグラウンド側との間の耐電圧を保持する。ブッシング５４は絶縁材料で形成されている。ブッシング５４は環状の形状を有し、引出電極系４２を囲んでいる。ブッシング５４は、ビームライン５２及びイオン源本体１４それぞれの真空容器の取付フランジ間に挟まれて取り付けられている。

真空容器１８及びプラズマ室１２に真空環境を提供するための真空排気系５６が設けられている。図示の例においては真空排気系５６はビームライン５２に設けられている。ビームライン５２は真空容器１８及びプラズマ室１２に連通されているので、真空排気系５６は真空容器１８及びプラズマ室１２の真空排気をすることができる。真空排気系５６は例えばクライオポンプまたはターボ分子ポンプ等の高真空ポンプを含む。

マイクロ波イオン源１０は、イオンビーム２０の出力を制御するための制御装置Ｃを備えてもよい。制御装置Ｃは、マイクロ波イオン源１０の各構成要素を制御し、プラズマ室１２に生成されるプラズマを制御し、それによりイオンビーム２０の出力を制御する。制御装置Ｃは、例えば、マイクロ波供給系２６、ガス供給系３４、コイル電源７６の動作を制御するよう構成されている。制御装置Ｃは例えば、原料ガスの流量、マイクロ波パワー、及び磁場強度の少なくとも１つを調整することにより、イオンビーム２０の出力を制御してもよい。

プラズマ室１２は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている。プラズマ室１２の内部空間を以下では、プラズマ生成空間５８と呼ぶことがある。

プラズマ室１２は、始端部６０、終端部６２、及び側壁６４を含む。始端部６０と終端部６２とはプラズマ生成空間５８を挟んで対向している。側壁６４はプラズマ生成空間５８を囲み、始端部６０と終端部６２とを接続している。このようにして、始端部６０、終端部６２、及び側壁６４によってプラズマ生成空間５８が真空容器１８の内部に画定されている。プラズマ室１２が円筒形状である場合、始端部６０及び終端部６２は円板形状であり、側壁６４は円筒であり、始端部６０及び終端部６２の外周部に側壁６４の末端が固定されている。

始端部６０は真空窓２４を有する。真空窓２４は始端部６０の全体を占めていてもよいし、始端部６０の一部（例えば中心部）に形成されていてもよい。真空窓２４の一方の側がプラズマ生成空間５８に面しており、真空窓２４の他方の側がマイクロ波供給系２６に向けられている。真空窓２４はプラズマ室１２の内部を真空に封じる。マイクロ波の伝搬方向Ｐは真空窓２４に垂直である。真空窓２４は誘電体損の低い誘電体（例えばアルミナまたは窒化ホウ素等）で形成されている。なおプラズマ室１２の真空窓２４以外の部分は例えばステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性金属材料で形成されている。

終端部６２には少なくとも１つのイオン引出開口６６が形成されている。イオン引出開口６６は、プラズマ生成空間５８を挟んで真空窓２４に対向する位置に形成されている。すなわち、真空窓２４、プラズマ生成空間５８、及びイオン引出開口６６は、プラズマ室１２の軸方向に沿って配列されている。

真空容器１８は、プラズマ室１２が一体に形成された二重の筒構造を有する。すなわち、プラズマ室１２が真空容器１８の内筒であり、その外側にプラズマ室１２を収容する外筒６８が設けられている。外筒６８はプラズマ室１２と同軸の円筒形状であってもよい。外筒６８とプラズマ室１２の側壁６４との間には隙間があり、この隙間に上述のガス供給系３４のガス配管４０の先端部が進入し側壁６４に取り付けられている。真空容器１８は例えば非磁性金属材料で形成されている。

真空容器１８は、プラズマ室１２と一体に形成されていなくてもよい。真空容器１８とプラズマ室１２とがそれぞれ別体であり分割可能であってもよい。また、真空容器１８自体がプラズマ室１２を成していてもよい。このように真空容器１８がプラズマ室１２を兼用する場合には、外筒６８のビームライン５２側にイオン引出開口６６を有する端板を取り付ければよい。

真空容器１８の一端は端板７０により閉塞され、他端はビームライン５２に向けて開放されている。端板７０の中心部にプラズマ室１２の始端部６０が形成されている。端板７０の外周部は径方向に外筒６８の外側まで延びている。ビームライン５２側の真空容器１８の端部には、ブッシング５４のための取付フランジ７２が設けられている。取付フランジ７２は外筒６８から径方向に外側に延びている。真空容器１８とプラズマ室１２とは軸方向長さが等しく、取付フランジ７２とプラズマ室１２の終端部６２とは軸方向位置が一致している。真空容器１８とプラズマ室１２とは軸方向長さが異なっていてもよい。

真空容器１８には、コイル装置１６を保持するためのコイル保持部７４が形成されている。コイル保持部７４は例えば、真空容器１８の外筒６８の外表面に形成されている。こうして、コイル装置１６は真空容器１８の外側に（即ち大気中に）設けられている。コイル装置１６は真空容器１８を取り囲むように配置されている。なお、ある実施形態においては、コイル保持部７４は真空容器１８またはプラズマ室１２から離れている別の部材であってもよい。この場合、コイル装置１６とプラズマ室１２とに異なる電位が与えられてもよい。

コイル装置１６は、プラズマ室１２の軸方向を向くコイル磁場を発生させるよう構成されたコイル７５を備える。本例においてはプラズマ室１２及び真空容器１８は円筒形状であり、コイル７５は環状に形成され、プラズマ室１２の周方向に導線が巻かれている。コイル装置１６は、コイル７５に電流を流すためのコイル電源７６を含む。なおコイル装置１６は、図示されるように１つのコイル７５を備える代わりに、プラズマ室１２の軸方向に沿って配列された複数のコイルを備えてもよい。

詳しくは図２及び図３を参照して後述するように、マイクロ波イオン源１０には磁性体８０が設けられている。磁性体８０は例えば、プラズマ室１２にの周りに設けられたシールド部材、及び／または、コイル７５の周りに設けられたヨーク部材を備える。

磁性体８０は、軸方向において真空窓２４とイオン引出開口６６との間に配置されている。このようにすれば、磁性体８０をプラズマ生成空間５８に近接させることができるので、磁性体８０によりプラズマ生成空間５８のコイル磁場を効果的に調整することができる。また、こうした配置であれば磁性体８０の設置スペースを確保しやすい。真空窓２４より上流側にはマイクロ波供給系２６が設けられ、イオン引出開口６６より下流側には引出電極系４２が設けられているので、空間的な余裕が小さい。

図２は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の要部を概略的に示す断面図である。図２の上部には、図１に示すマイクロ波イオン源１０の要部を示し、図２の下部には、コイル装置１６が発生させるプラズマ室１２の中心軸上の軸方向磁場を例示する。図２において縦軸はプラズマ室１２の中心軸上での軸方向磁束密度Ｂを表し、横軸はプラズマ室１２の中心軸上の軸方向位置Ｚを表す。ここで、軸方向に関してプラズマ室１２の中央位置をＺｃと表記し、プラズマ室１２の中心軸上での軸方向磁束密度Ｂのピーク位置をＺｐと表記する。また、真空窓２４及びイオン引出開口６６の軸方向位置をそれぞれＺｗ、Ｚａと表す。

マイクロ波イオン源１０は上述のように、プラズマ生成空間５８を画定するプラズマ室１２を備える。プラズマ室１２は、マイクロ波を受け入れるための真空窓２４を備える始端部６０と、プラズマ生成空間５８からイオンを引き出すためのイオン引出開口６６を備える終端部６２と、始端部６０と終端部６２とを接続する側壁６４と、を備える。

また、マイクロ波イオン源１０は、軸方向に向けられたコイル磁場をプラズマ生成空間５８に生成するよう配設されているコイル装置１６を備える。コイル装置１６は、真空窓２４からイオン引出開口６６にわたって軸方向にプラズマ生成空間５８の全体に磁場を生成する。コイル装置１６は、単一のコイル電源７６と、コイル電源７６からの給電によりプラズマ生成空間５８に磁場を生成する単一のコイル７５と、を備える。コイル７５はその中心に強度ピークをもつ単峰型の軸方向磁場分布を生成する。この磁場分布は、少なくともピークにおいて共鳴磁場（すなわち、ＥＣＲ条件を満たす磁場）より大きく、プラズマ室１２の軸方向全体にわたって共鳴磁場より大きくてもよい。

コイル装置１６は、プラズマ室１２の中心軸上におけるコイル磁場のピークがプラズマ室１２の中に位置するよう構成されている。コイル装置１６は、軸方向において真空窓２４とイオン引出開口６６との間にコイル７５の窓側の側面及び開口側の側面が位置するよう配置されている。コイル７５は、プラズマ室１２を囲むドーナツ型のコイルである。

本実施形態においては、コイル装置１６は、軸方向に関してプラズマ室１２の中央にコイル装置１６（具体的にはコイル７５）の軸方向位置を合わせるように配設されている。よって、仮にシールド部材８２が設けられていなければ、コイル装置１６は、プラズマ室１２の中央位置Ｚｃにピークをもつ軸方向磁場分布を生成する。この磁場分布は、軸方向中央位置Ｚｃに関して左右対称である。

マイクロ波イオン源１０は、プラズマ生成空間５８におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体８０（図１参照）を備える。磁性体８０はプラズマ室１２の開口側に配置されており、従って、磁性体８０はコイル装置１６の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称である。

磁性体８０は、具体的には図２に示されるように、シールド部材８２を備える。シールド部材８２は鉄材などの軟磁性材である。シールド部材８２は、プラズマ室１２の開口側において側壁６４に沿って配置されている。シールド部材８２はコイル７５から離れて設けられている。シールド部材８２はプラズマ室１２の全周を囲む短筒であってもよいし、プラズマ室１２の周方向に沿って配置された複数の磁性体片であってもよい。シールド部材８２は軸対称に配置されている。

シールド部材８２は、プラズマ室１２の中心軸上のコイル磁場をプラズマ室１２の外周側に逸らす効果をもつ。したがって、図２に示されるように、シールド部材８２は、プラズマ室１２の開口側（即ち、図２においてＺａ側）において磁場を低減させる。プラズマ室１２の窓側にはシールド部材が設けられていないから、窓側（即ち、Ｚｗ側）においてはもとの磁場が維持される。こうして、シールド部材８２により調整された磁場の中心軸上におけるピークＺｐは、依然としてプラズマ室１２の中にあるが、未調整のコイル磁場のピークＺｃから窓側に外れた場所に位置する。

このようにして、磁性体８０は、軸方向には開口側で径方向にはコイル７５とプラズマ生成空間５８との間に配置されており、それにより、プラズマ室１２の中心軸上においてプラズマ生成空間５８の窓側領域の磁場がプラズマ生成空間５８の開口側領域の磁場より強くなる。軸方向中央に対して非対称な磁場分布は、プラズマ生成空間５８に高密度プラズマを生成し維持するのに役立つ。

また、プラズマ室１２は、シールド部材８２を冷却する冷却部７８を備える。冷却部７８は、径方向においてシールド部材８２とプラズマ生成空間５８との間に配置されている。冷却部７８は例えば、プラズマ室１２を冷却するためにプラズマ室１２の側壁６４に内蔵された冷却配管を備える。こうして、動作中に高温となるプラズマ生成空間５８によるシールド部材８２の過度の温度上昇を防ぐことができる。

なお、冷却部７８はプラズマ室１２の側壁６４の外表面に設置されていてもよい。また、図示される冷却部７８はシールド部材８２を径方向内側から冷却するが、こうした冷却部７８とともに又はこれに代えて、シールド部材８２を径方向外側から冷却する冷却部が設けられていてもよい。例えば、冷却部が保護部材８４に設けられていてもよい。

シールド部材８２を保護する保護部材８４が設けられていてもよい。保護部材８４は、シールド部材８２の表面を覆う保護層を形成する。保護部材８４は例えば、アルミニウムのような非磁性材料で形成されていてもよい。このようにすれば、シールド部材８２の材料が環境に放出されることを防ぎ、イオンビーム２０の汚染を防止することができる。なお、こうした汚染問題が重要でない用途においては、保護部材８４は設けられていなくてもよい。この場合、磁性体８０（例えば、シールド部材８２、及び／またはヨーク部材８６）の表面が露出されていてもよい（図３参照）。

図３は、本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の要部を概略的に示す断面図である。この実施形態に係るマイクロ波イオン源１０は、磁性体８０の配置及び機能に関して上述の実施形態とは異なる。その余については、図３に示す実施形態は図１及び図２を参照して説明した実施形態と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。

磁性体８０はプラズマ室１２の窓側に配置されており、従って、磁性体８０はコイル装置１６の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称である。磁性体８０は、図２に示すシールド部材８２に代えて、図３に示されるようにコイル７５に装着されたヨーク部材８６を備える。ヨーク部材８６は鉄材などの軟磁性材である。ヨーク部材８６は軸対称に配置され、プラズマ室１２から離れて設けられている。

ヨーク部材８６は、コイル７５の窓側の側面に沿って配置されている第１部分８８と、コイル７５の径方向外周面に沿って配置されている第２部分９０と、を備える。第１部分８８は、プラズマ室１２を通す貫通孔を中心に有する平板である。第２部分９０は、第１部分８８の径方向外周端に隣接して軸方向に延びる短筒である。第２部分９０は、コイル７５の径方向外周面の窓側部分を覆っているが、コイル７５の径方向外周面の全部を覆ってもよい。ヨーク部材８６は、コイル７５の開口側の側面には設けられていない。

なお、ヨーク部材８６は、少なくとも第１部分８８を備えていてもよいし、第１部分８８及び第２部分９０のうち一方のみであってもよい。ヨーク部材８６は、コイル７５の全周を囲んでもよいし、コイル７５の周方向に沿って配置された複数の磁性体片であってもよい。

ヨーク部材８６はその軸方向位置に磁場を集中させる効果をもつ。したがって、図３に示されるように、ヨーク部材８６は、プラズマ室１２の窓側において磁場を強くする。プラズマ室１２の開口側にはヨーク部材が設けられていないから、開口側においてはもとの磁場が維持される。こうして、ヨーク部材８６により調整された磁場の中心軸上におけるピークＺｐは、依然としてプラズマ室１２の中にあるが、未調整のコイル磁場のピークＺｃから窓側に外れた場所に位置する。

このようにして、磁性体８０は、軸方向には窓側で径方向にはコイル７５の側部及び外側に配置されており、それにより、プラズマ室１２の中心軸上においてプラズマ生成空間５８の窓側領域の磁場がプラズマ生成空間５８の開口側領域の磁場より強くなる。このように軸方向中央に対して非対称な磁場分布は、プラズマ生成空間５８に高密度プラズマを生成し維持するのに役立つ。

説明したように、本実施形態に係るマイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１２と、１つのコイル電源７６と、この１つのコイル電源７６によりプラズマ室１２の軸方向に対称性磁場を発生するコイル７５と、を備える。また、マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１２の外周側であってプラズマ室１２の入り側又は出側に配置された磁性体８０を備える。マイクロ波イオン源１０は、コイル７５と磁性体８０とによりプラズマ室１２内に非対称性磁場分布を形成する。

よって、本実施形態によると、１セットのコイル７５とコイル電源７６からなるコイル装置１６に磁性体８０を組み合わせるという簡単な構成で、高密度プラズマの生成に適する非対称磁場を実現することができる。軸方向に複数のコイルを設け各コイルに異なる電流を与えるといった複雑な構成を要しないという利点がある。

また、コイル電源７６が１つであることは、コスト低減に役立つ。とりわけ、プラズマ生成のための磁場は一般に例えば数百アンペアという大きなコイル電流により生成され、そうした電源は高価である。電源の数を少なくすることは、低コストにシステムを構成することに大きく寄与する。

加えて、コイル磁場のピーク部分がプラズマ生成空間５８に与えられるので、コイル電源７６がコイル７５に与える電流を小さくすることができる。これは電源の小型化及び低コスト化に役立つ。これに対して、仮にコイル磁場のピーク部分がプラズマ室１２の外に位置しコイル磁場の裾野部分がプラズマ生成空間５８に与えられるとしたら、同等の強さの磁場をプラズマ生成空間５８にもたらすには大きな電流が要求されることになる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施形態においては、磁性体８０はプラズマ室１２の窓側及び開口側の一方に配置されている。しかし、磁性体８０は、コイル装置１６の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の両方に配置されていてもよい。よって、ある実施形態に係るマイクロ波イオン源１０は、シールド部材８２とヨーク部材８６の両方を備えてもよい。

上述の実施形態においては、マイクロ波イオン源１０は、コイル装置１６の軸方向中央に対し窓側に偏った非対称磁場を生成するよう構成されている。しかし、逆に、開口側に偏った非対称磁場も可能である。ある実施形態においては、マイクロ波イオン源１０は、磁性体８０により調整された磁場の中心軸上におけるピークがもとのコイル磁場のピークから開口側に外れた場所に位置するよう構成されていてもよい。磁性体８０は、中心軸上においてプラズマ生成空間５８の開口側領域の磁場がプラズマ生成空間５８の窓側領域の磁場より強くなるように、軸方向には窓側で径方向にはコイル７５とプラズマ生成空間５８との間に、及び／または、軸方向には開口側で径方向にはコイル７５の側部又は外側に配置されていてもよい。例えば、磁性体８０は、窓側において側壁６４に沿って配置されているシールド部材を備えてもよい。あるいは、磁性体８０は、コイル７５の開口側の側面又はコイル７５の径方向外周面に沿って配置されているヨーク部材を備えてもよい。

また、上述の実施形態においては、シールド部材８２は、プラズマ室１２に密着している。しかし、シールド部材８２は、プラズマ室１２との間に隙間を有してもよい。同様に、上述の実施形態においてはヨーク部材８６はコイル７５に密着しているが、コイル７５との間に隙間を有してもよい。

ある実施形態においては、シールド部材８２に代えて、永久磁石が設けられていてもよい。この場合、永久磁石は、その磁場によってコイル磁場を少なくとも部分的に打ち消すように向きが定められて、コイル７５とプラズマ生成空間５８との間に配設される。

１０ マイクロ波イオン源、 １２ プラズマ室、 １６ コイル装置、 ５８ プラズマ生成空間、 ６０ 始端部、 ６２ 終端部、 ６４ 側壁、 ６６ イオン引出開口、 ７５ コイル、 ７６ コイル電源、 ７８ 冷却部、 ８０ 磁性体、 ８２ シールド部材、 ８４ 保護部材、 ８６ ヨーク部材。

Claims (10)

1. マイクロ波を受け入れるための窓と、イオンを引き出すための開口と、を備え、プラズマ生成空間を画定するプラズマ室と、
   軸方向に向けられたコイル磁場を前記窓から前記開口にわたって前記プラズマ生成空間に生成するよう配設されているコイル装置と、
   前記プラズマ生成空間におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体と、を備え、
   前記磁性体は、前記コイル装置の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置されていることを特徴とするマイクロ波イオン源。
2. 前記コイル装置は、単一のコイル電源と、該電源からの給電により前記プラズマ生成空間に磁場を生成する単一のコイルと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波イオン源。
3. 前記コイル磁場の前記中心軸上におけるピークは、前記プラズマ室の中に位置し、
   前記磁性体により調整された磁場の前記中心軸上におけるピークは、前記プラズマ室の中であって前記コイル磁場のピークから窓側に又は開口側に外れた場所に位置することを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波イオン源。
4. 前記磁性体は、軸方向において前記窓と前記開口との間に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
5. 前記コイル装置は、前記プラズマ室の周囲に配置されたコイルを備え、
   前記磁性体は、前記中心軸上において前記プラズマ生成空間の窓側領域の磁場が前記プラズマ生成空間の開口側領域の磁場より強くなるように、軸方向には前記開口側で径方向には前記コイルと前記プラズマ生成空間との間に、及び／または、軸方向には前記窓側で径方向には前記コイルの側部又は外側に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
6. 前記プラズマ室は、前記窓を備える始端部と、前記開口を備える終端部と、該始端部と該終端部とを接続する側壁と、を備え、
   前記磁性体は、前記開口側において前記側壁に沿って配置されているシールド部材を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
7. 前記プラズマ室は、前記シールド部材を冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波イオン源。
8. 前記磁性体は、コイルの窓側の側面又はコイルの径方向外周面に沿って配置されているヨーク部材を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
9. 前記磁性体の表面を覆う保護部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
10. 前記磁性体に代えて、永久磁石を備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波イオン源。

Images