JP2023027480A - プラズマ源及びスイッチ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度のプラズマを得ることが可能なプラズマ源及びスイッチ装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、プラズマ源は、ガスを収容可能な容器と、陰極部材と、陽極部材と、を含む。前記陰極部材は、前記容器のなかに設けられる。前記陰極部材は複数の第１陰極層を含む。前記複数の第１陰極層は、多角形の複数の辺にそれぞれ沿って並ぶ。前記複数の第１陰極層のそれぞれは、前記多角形の内側を向く平面状の第１表面を含む。前記陽極部材は、前記容器のなかに設けられる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラズマ源及びスイッチ装置に関する。

例えば、プラズマを用いたスイッチなどがある。プラズマ源において高密度のプラズマが望まれる。

特開平３－１１０７３７号公報

一実施形態は、高密度のプラズマを得ることが可能なプラズマ源及びスイッチ装置を提供する。

実施形態によれば、プラズマ源は、ガスを収容可能な容器と、陰極部材と、陽極部材と、を含む。前記陰極部材は、前記容器のなかに設けられる。前記陰極部材は複数の第１陰極層を含む。前記複数の第１陰極層は、多角形の複数の辺にそれぞれ沿って並ぶ。前記複数の第１陰極層のそれぞれは、前記多角形の内側を向く平面状の第１表面を含む。前記陽極部材は、前記容器のなかに設けられる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１実施形態に係るプラズマ源を例示する模式的断面図である。 図２は、第１実施形態に係るプラズマ源の動作を例示する模式図である。 図３は、第１実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する模式的断面図である。 図４（ａ）～図４（ｃ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。 図７は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。 図８（ａ）～図８（ｃ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する電子顕微鏡写真像である。 図９（ａ）～図９（ｃ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する模式図である。 図１０は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。 図１１は、第１実施形態に係るプラズマ源を例示する模式的断面図である。 図１２は、第１実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する模式的断面図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第２実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する模式的断面図である。 図１４は、第３実施形態に係るスイッチ装置を例示する模式的断面図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１実施形態に係るプラズマ源を例示する模式的断面図である。
図１（ａ）は、図１（ｂ）のＹ１－Ｙ２線断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＹ３－Ｙ４線断面図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、実施形態に係るプラズマ源１１０は、容器５０、陰極部材１０Ｍ、及び、陽極部材４０Ｍを含む。

容器５０は、ガス５０ｇを収容可能である。ガス５０ｇは、容器５０の内部の空間に収容される。ガス５０ｇは、例えば、アルゴン、ヘリウム、水素、及び、重水素の少なくとも１つを含む。プラズマ源１１０は、ガス５０ｇを含んでも良い。プラズマ源１１０の使用時に、容器５０のなかにガス５０ｇが導入されても良い。例えば、ガス５０ｇは、容器５０に設けられる導入口などから容器５０の内部に導入されて良い。容器５０は、容器５０の内部の空間を気密に保持可能である。

陰極部材１０Ｍ及び陽極部材４０Ｍは、容器５０のなかに設けられる。陽極部材４０Ｍは、陰極部材１０Ｍから離れる。

図１（ａ）に示すように、陰極部材１０Ｍは、筒状または環状である。陰極部材１０Ｍは複数の第１陰極層１０を含む。複数の第１陰極層１０は、多角形Ｑ１の複数の辺にそれぞれ沿って並ぶ。この例では、多角形Ｑ１は、六角形である。複数の第１陰極層１０のそれぞれは、第１表面１０ｆを含む。第１表面１０ｆは、多角形Ｑ１の内側を向く。第１表面１０ｆは、平面状である。

多角形Ｑ１を含む平面をＸ－Ｙ平面とする。Ｘ－Ｙ平面に対して垂直な方向をＺ軸方向とする。第１表面１０ｆは、Ｚ軸方向に沿う。例えば、陰極部材１０Ｍから陽極部材４０Ｍへの方向は、Ｚ軸方向に沿う。

例えば、複数の第１陰極層１０のそれぞれの第１表面１０ｆから電子が放出される。

複数の第１陰極層１０が結晶性であると、高い効率で電子が放出される。第１陰極層１０が曲面状である場合、第１陰極層１０において高い結晶性を得ることが実用的に困難である。第１陰極層１０が平面状であるときに、第１陰極層１０において高い結晶性が得られる。これにより、高い効率での電子の放出が得られる。結果として、高い密度のプラズマが得られる。実施形態によれば、高密度のプラズマを得ることが可能なプラズマ源が提供できる。

実施形態において、複数の第１陰極層１０は、結晶を含むことが好ましい。複数の第１陰極層１０は、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、及び、Ｃ１２Ａ７エレクトライドよりなる群から選択された少なくとも１つを含むことが好ましい。これにより、より高い効率での電子の放出が得られる。Ｃ１２Ａ７は、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３を含む。

図１（ａ）に示すように、複数の第１陰極層１０は、例えば、陰極層１１ａ～１１ｆなどを含む。陰極層１１ａ～１１ｆのそれぞれが、平面状の第１表面１０ｆを有する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、この例では、陰極部材１０Ｍは、複数の第１基板３０をさらに含む。複数の第１陰極層１０の１つは、複数の第１基板３０の１つに支持される。複数の第１陰極層１０の上記の１つは、複数の第１陰極層１０の別の１つと、複数の第１基板３０の上記の１つとの間にある。例えば、陰極層１１ａは、陰極層１１ａを支持する第１基板３０と、陰極層１１ｄと、の間にある。

第１陰極層１０が第１基板３０に支持されることで、第１陰極層１０が安定する。

複数の第１基板３０は、例えば、モリブデン、タングステン、ダイヤモンド、シリコン、炭化ケイ素及び窒化ガリウムよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。複数の第１基板３０は、導電性でよい。複数の第１基板３０は、結晶を含んでも良い。例えば、第１基板３０の上に、第１陰極層１０が結晶成長により形成されても良い。例えば、エピタキシャル成長により、第１陰極層１０が形成されても良い。より高い品質の第１陰極層１０が得られる。第１基板３０は、単結晶基板でも良い。第１基板３０が単結晶基板である場合、第１陰極層１０において高い結晶性が得られる。これにより、高い効率での電子の放出が得られる。第１基板３０が単結晶基板である場合、基板の面方位により第１陰極層１０の結晶の面方位を制御できる。例えば、高い効率での電子の放出が得られる。

図１（ｂ）に示すように、制御部７０が設けられても良い。制御部７０は、例えば、陰極部材１０Ｍと陽極部材４０Ｍとの間に電圧を印加することが可能である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、磁場印加部６０が設けられても良い。プラズマ源１１０は、磁場印加部６０を含んでも良い。磁場印加部６０は、複数の第１陰極層１０（陰極部材１０Ｍ）で囲まれた空間ＳＰに磁場ＭＦを印加可能である。磁場ＭＦは、多角形Ｑ１を含む平面（Ｘ－Ｙ平面）と交差する方向（例えばＺ軸方向）の成分を含む。例えば、磁場ＭＦは、Ｚ軸方向に沿う。磁場印加部６０は、例えば磁石（例えば永久磁石）で良い。磁場印加部６０は、例えば電磁石でも良い。

このような磁場ＭＦにより、陰極部材１０Ｍは、クロスフィールドホローカソードとして機能して良い。

図２は、第１実施形態に係るプラズマ源の動作を例示する模式図である。
図２に示すように、筒状（または環状）の陰極部材１０Ｍで囲まれた空間ＳＰに、磁場ＭＦが印加される。磁場ＭＦは、筒の軸方向（Ｚ軸方向）に沿う。空間ＳＰの中心部に、負グロー８１が形成される。負グロー８１と陰極部材１０Ｍとの間に電場Ｅ１が生じる。電子ＥＬ１は、磁場ＭＦと、電場Ｅ１と、により、筒内を旋回しながらドリフトする。電子ＥＬ１は、ガス５０ｇの粒子（分子など）と衝突を繰り返す。これにより電離が促進される。これにより、高い密度のプラズマが得られる。

実施形態において、複数の第１陰極層１０の多角形Ｑ１の頂角の角度は、９０度を超えることが好ましい。これにより、電子ＥＬ１の上記のドリフトが阻害されることを抑制できる。多角形Ｑ１は、例えば正多角形で良い。

図３は、第１実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する模式的断面図である。
図３に示すように、複数の第１陰極層１０の１つ（例えば陰極層１１ａ）は、複数の第１陰極層１０の別の１つ（例えば陰極層１１ｂ）の隣である。第１陰極層１０の上記の１つ（陰極層１１ａ）の第１表面１０ｆと、複数の第１陰極層１０の上記の別の１つ（陰極層１１ｂ）の第１表面１０ｆと、の間の角度を角度θとする。実施形態において、角度θは、９０度を超えることが好ましい。角度θは、例えば１２０度以上でも良い。角度θは、陰極層１１ａの第１表面１０ｆを含む平面ＰＬ１と、陰極層１１ｂの第１表面１０ｆを含む平面ＰＬ２と、の間の角度に対応する。

図３に示すように、複数の第１陰極層１０の上記の１つ（陰極層１１ａ）は、複数の第１陰極層１０の上記の別の１つ（陰極層１１ｂ）から離れている。これにより、熱膨張などにより、陰極層（及び基板）のサイズが変化したときにも、安定した陰極層（及び基板）が維持できる。

例えば、複数の第１陰極層１０の１つ（陰極層１１ａ）と、複数の第１陰極層１０の上記の別の１つ（陰極層１１ｂ）と、の間の距離を距離ｇ１とする。複数の第１陰極層１０の上記の１つ（陰極層１１ａ）の幅を幅Ｗ１とする。幅Ｗ１は、陰極層１１ａの第１幅方向Ｄｗ１に沿う幅（長さ）である。第１幅方向Ｄｗ１は、複数の第１陰極層１０の上記の１つ（陰極層１１ａ）の第１表面１０ｆに沿う。第１幅方向Ｄｗ１は、多角形Ｑ１を含む平面（Ｘ－Ｙ平面）に沿う。この例では、第１幅方向Ｄｗ１は、Ｘ軸方向に沿う。

実施形態において、距離ｇ１は、例えば、幅Ｗ１の０．００１倍以上０．１倍以下であることが好ましい。距離ｇ１が幅Ｗ１の０．００１倍以上であることで、例えば、熱膨張などにより、陰極層（及び基板）のサイズが変化したときにも、安定した陰極層（及び基板）が維持し易い。距離ｇ１が幅Ｗ１の０．１倍以下であることで、例えば、電子ＥＬ１の上記のドリフトに関しての悪影響が抑制し易い。

図４（ａ）～図４（ｃ）、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。
これらの図の横軸は、電流密度ＣＤである。縦軸は電圧Ｖ１である。電圧Ｖ１は、陰極部材１０Ｍと、陽極部材４０Ｍと、との間の電位差に対応する。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、磁場ＭＦの強度Ｂ１が０Ｇａｕｓｓ、４７０Ｇａｕｓｓ、５９０Ｇａｕｓｓ、９９０Ｇａｕｓｓ及び１２６０Ｇａｕｓｓの場合にそれぞれ対応する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、強度Ｂ１が４７０Ｇａｕｓｓの場合は、同じ電流密度ＣＤのときに、強度Ｂ１が０Ｇａｕｓｓの場合と比べて、電圧Ｖ１が低い。強度Ｂ１が４７０Ｇａｕｓｓの場合は、同じ電圧Ｖ１のときに、強度Ｂ１が０Ｇａｕｓｓの場合と比べて、高い電流密度ＣＤが得られる。強度Ｂ１が高くなるにつれてこの傾向が強ます。例えば、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、強度Ｂ１が９９０Ｇａｕｓｓや１２６０Ｇａｕｓｓの場合は、同じ電流密度ＣＤのときに、電圧Ｖ１は顕著に低い。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。
これらの図の横軸は、電流密度ＣＤである。縦軸は電圧Ｖ１である。図６（ａ）は、高電流密度領域の特性を示している。図６（ｂ）は、低電流密度領域の特性を示している。これらの図には、第１～第６試料ＳＰＬ１～ＳＰＬ６の特性が例示されている。第１試料ＳＰＬ１において、複数の第１陰極層１０の材料はモリブデンである。第２試料ＳＰＬ２において、複数の第１陰極層１０の材料はアモルファスカーボン（ａ－Ｃ）である。第３試料ＳＰＬ３において、複数の第１陰極層１０の材料はダイヤモンドライクカーボンで（ＤＬＣ）ある。第４試料ＳＰＬ４において、複数の第１陰極層１０の材料はダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）である。第５試料ＳＰＬ５において、複数の第１陰極層１０の材料は高品質ダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）である。第６試料ＳＰＬ２において、複数の第１陰極層１０の材料は高品質ダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）である。

図６（ａ）に示すように、第４～第６試料ＳＰＬ４～ＳＰＬ６において、第１～第３試料ＳＰＬ１～ＳＰ３と比べて、同じ電流密度ＣＤのときに電圧Ｖ１が低い。すなわち、第４～第６試料ＳＰＬ４～ＳＰＬ６においては、第１～第３試料ＳＰＬ１～ＳＰＬ３と比べて低い消費電力で、同じ電流密度ＣＤが得られる。複数の第１陰極層１０の材料はダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）であることが好ましい。品質の高い第５試料ＳＰＬ５及び第６試料ＳＰＬ６において、より低い電圧Ｖ１が得られる。複数の第１陰極層１０の材料は品質の高いダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）であることがより好ましい。

図６（ｂ）に示すように、第１～第４試料ＳＰＬ１～ＳＰ４では、電流密度ＣＤが０．８Ａ／ｃｍ^２以上１．２Ａ／ｃｍ^２以下の領域において、電圧Ｖ１が低い。第５試料ＳＰＬ５及び第６試料ＳＰＬ６において、電流密度ＣＤが０．８Ａ／ｃｍ^２以上１．２Ａ／ｃｍ^２以下の領域において、電圧Ｖ１が高い。第１～第４試料ＳＰＬ１～ＳＰ４では、アーク放電への移行が生じやすい。この場合、例えば負性抵抗が生じる。これに対して、第５試料ＳＰＬ５及び第６試料ＳＰＬ６では、アーク放電への移行が抑制される。複数の第１陰極層１０の材料は品質の高いダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）であることがより好ましい。

第４試料ＳＰＬ４において、ダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）に含まれるＢ（ボロン）の濃度は、約２×１０^２１／ｃｍ^３であり、Ｈ（水素）の濃度は約１×１０^２２／ｃｍ^３であり、Ｎ（窒素）の濃度は約１×１０^１９／ｃｍ^３であり、Ｐ（リン）の濃度は、１×１０^１６／ｃｍ^３以下である。

第５試料ＳＰＬ５において、ダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）に含まれるＢ（ボロン）の濃度は、約３×１０^２１／ｃｍ^３であり、Ｈ（水素）の濃度は約５×１０^２０／ｃｍ^３以下であり、Ｎ（窒素）の濃度は約５×１０^１８／ｃｍ^３であり、Ｐ（リン）の濃度は、１×１０^１６／ｃｍ^３以下である。

第６試料ＳＰＬ６において、ダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）に含まれるＢ（ボロン）の濃度は、約７×１０^２０／ｃｍ^３であり、Ｈ（水素）の濃度は約２×１０^２１／ｃｍ^３以下であり、Ｎ（窒素）の濃度は約４×１０^１８／ｃｍ^３であり、Ｐ（リン）の濃度は、１×１０^１６／ｃｍ^３以下である。

このように、第５試料ＳＰＬ５及び第６試料ＳＰＬ６のダイヤモンドに含まれる水素の濃度は、第４試料ＳＰＬ４のダイヤモンドに含まれる水素の濃度よりも低い。このような濃度の差が図６（ｂ）に関して説明した特性の差に関係していると考えられる。

実施形態において、複数の第１陰極層１０がダイヤモンドを含む場合、そのダイヤモンドに含まれる水素の濃度は、例えば、５×１０^２１／ｃｍ^３以下であることが好ましい。そのダイヤモンドに含まれる水素の濃度は、例えば、１×１０^１9／ｃｍ^３以上でも良い。

実施形態において、複数の第１陰極層１０がダイヤモンドを含む場合、そのダイヤモンドに含まれるＢ（ボロン）の濃度は、例えば、１×１０^２０／ｃｍ^３以上８×１０^２１／ｃｍ^３以下であることが好ましい。

実施形態において、複数の第１陰極層１０がダイヤモンドを含む場合、そのダイヤモンドに含まれるＰ（リン）の濃度は、例えば、１×１０^１６／ｃｍ^３未満であることが好ましい。そのダイヤモンドに含まれるＰ（リン）の濃度は、例えば、１×１０^１４／ｃｍ^３以上でも良い。

図７は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。
図７は、第４～第６試料ＳＰＬ４～ＳＰＬ６についてのラマンスペクトルの測定結果を例示している。図７の横軸は、ラマンシフトＲｓである。縦軸は、信号の強度Ｉｎｔ（相対値）である。これらの図には、第４～第６試料ＳＰＬ４～ＳＰＬ６の結果が示されている。

図７において、約４４０ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓ、及び、約１２０５ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓは、Ｂドープトダイヤモンドに対応する。約１３０５ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓは、イントリンシックダイヤモンドに対応する。が約１３５０ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓ、乱れたｓｐ^３結合カーボンに対応する。約１５７０ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓは、ｓｐ^２結合カーボンに対応する。

図７に示すように、第４試料ＳＰＬ４のラマンスペクトルにおいては、ラマンシフトＲｓが約１３５０ｃｍ^－３における強度Ｉｎｔ、及び、ラマンシフトＲｓが約１５７０ｃｍ^－３における強度Ｉｎｔが高い。このことは、第４試料ＳＰＬ４において、ｓｐ^２結合カーボンの割合が高いことを示す。第５試料ＳＰＬ５及び第６試料ＳＰＬ６においては、これらの強度Ｉｎｔが低い。このことは、第５試料ＳＰＬ５及び第６試料ＳＰＬ６において、ｓｐ^３結合カーボンの割合が高いことを示す。

実施形態において、複数の第１陰極層１０のラマンスペクトルにおいて、４４０ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓにおける強度Ｉｎｔは、１３５０ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓにおける強度Ｉｎｔよりも高く、１５７０ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓにおける強度Ｉｎｔよりも高いことが好ましい。複数の第１陰極層１０において、１２０５ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓにおける強度Ｉｎｔは、１３５０ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓにおける強度Ｉｎｔよりも高く、１５７０ｃｍ^－３のラマンシフトＲｓにおける強度Ｉｎｔよりも高いことが好ましい。このような特性により、例えば、放電時の消費電力を低減できる。例えば、高い電流密度までグロー放電を維持できる。例えば、アーク放電への移行が効果的に抑制できる。

図８（ａ）～図８（ｃ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する電子顕微鏡写真像である。
これらの図は、複数の第１陰極層１０のダイヤモンド（ｐ形ダイヤモンド）の電子顕微鏡写真像の例を示している。図８（ａ）～図８（ｂ）は、第４～第６試料ＳＰＬ４～ＳＰＬ６にそれぞれ対応する。

図８（ａ）に示すように、第４試料ＳＰＬ４においては、細かい粒子が観察される。図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示すように、第５試料ＳＰＬ５及び第６試料ＳＰＬ６においては、明瞭な結晶形態を有する大きな粒子が観察される。

実施形態において、複数の第１陰極層１０に含まれる複数の粒子の平均の径は、５０ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、例えば、アーク放電への移行が効果的に抑制できる。複数の粒子の平均の径は、例えば５０００ｎｍ以下で良い。

既に説明したように、第４試料ＳＰＬ４においては、水素の濃度が高い。これは、第４試料ＳＰＬ４において、水素が細かい複数の粒子の間の領域に偏在しているためと考えられる。

複数の第１陰極層１０の互いに対向する２つの間の距離ｄ１（図１（ａ）参照）と、ガス５０ｇの圧力と、の積は、１Ｐａ・ｍ以上１０Ｐａ・ｍ以下であることが好ましい。

複数の第１陰極層１０の互いに対向する２つの間の距離は、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。

ガスの圧力は、例えば、１Ｐａ以上３０００Ｐａ以下であることが好ましい。ガスの圧力が１Ｐａ未満である場合、例えば、空間ＳＰ内に負グロー８１を形成させるためには距離ｄ１は、１ｍ以上となる。このため、装置が大型化してしまう。一方、ガス圧力が３０００Ｐａを超える場合、電子とガスとの衝突頻度が増大してガスの温度が上昇しやすくなる。このため、アーク放電のへの移行が生じやすくなる。

以下、陰極部材１０Ｍに含まれる複数の第１陰極層１０に対応する多角形Ｑ１の形状の例について説明する。

負グロー８１の平面形状（図２参照）を円形とする。負グロー８１がホローカソード内に入ることで、ホローカソード効果が得られる。複数の第１陰極層１０に対応する多角形Ｑ１の形状を有する陰極部材１０Ｍにより、負グロー８１が閉じ込められる。この場合、負グロー８１を閉じ込められる最小の多角形Ｑ１は、負グロー８１の円形に外接する。

負グロー８１の内部における荷電粒子の密度は、負グロー８１を形成するプラズマにおけるデバイ長未満の距離では変化できない。換言すると、荷電粒子の密度は、デバイ長以上の距離で変化可能である。そのため、負グロー８１の円形の半径は、デバイ長以上である。デバイ長以上の半径を有する円形の負グロー８１に外接する多角形Ｑ１を有する陰極部材１０Ｍにより、負グロー８１を効率良く閉じ込めることができる。

図９（ａ）～図９（ｃ）は、第１実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する模式図である。
これらの図は、陰極部材１０Ｍに含まれる複数の第１陰極層１０に対応する多角形Ｑ２形状を例示している。この例では、多角形Ｑ２は正多角形とする。図９（ａ）は、多角形Ｑ２の頂点の数Ｎｓが３である場合に対応する。図９（ｂ）は、多角形Ｑ２の頂点の数Ｎｓが４である場合に対応する。図９（ａ）は、多角形Ｑ２の頂点の数Ｎｓが６である場合に対応する。これらの図に示すように、多角形Ｑ２を、円形の負グロー８１の円Ｃ１に外接する多角形とする。円Ｃ１の半径を、長さＬＤとする。長さＬＤは、デバイ長に対応する。円Ｃ１の面積を面積Ｓ１とする。多角形Ｑ２の面積を面積Ｓ２とする。

図１０は、第１実施形態に係るプラズマ源の特性を例示するグラフである。
図１０の横軸は、多角形Ｑ２の頂点の数Ｎｓである。数Ｎｓは、多角形Ｑ２の辺の数に対応する。図１０の縦軸は、比ＲＲ１である。比ＲＲ１は、円Ｃ１の面積Ｓ１の多角形Ｑ２の面積Ｓ２に対する比（Ｓ１／Ｓ２）である。比ＲＲ１が高く、１に近いほど、プラズマ源を小型化することができる。

図１０に示すように、多角形Ｑ２の頂点の数Ｎｓが大きくなると、比ＲＲ１は、高くなる。数Ｎｓが３の場合、比ＲＲ１は低い。数Ｎｓが４の場合における比ＲＲ１は、数Ｎｓが３の場合における比ＲＲ１よりもかなり高くなる。数Ｎｓが５以下の場合、比ＲＲ１は０．９よりも低い。多角形Ｑ２の頂点の数Ｎｓが６以上の場合、比ＲＲ１は０．９以上である。多角形Ｑ２の頂点の数Ｎｓが６以上において、数Ｎｓの増大に対する比ＲＲ１の変化が小さくなる。

実施形態において、数Ｎｓは４以上であることが好ましい。高い効率が得られ、サイズを小さくできる。数Ｎｓは６以上であることがさらに好ましい。サイズをより小さくできる。

数Ｎｓが過度に大きくなると、陰極部材１０Ｍの全体のサイズに対する、複数の第１陰極層１０のそれぞれのサイズが小さくなる。例えば、複数の第１陰極層１０の間の距離ｇ１（図３参照）によりロスの影響が大きくなる。このため、数Ｎｓは１２以下であることが好ましい。

図１１は、第１実施形態に係るプラズマ源を例示する模式的断面図である。
図１１に示すように、実施形態に係るプラズマ源１１１においては、磁場印加部６０は、Ｘ－Ｙ平面で、陰極部材１０Ｍと重ならない。例えば、Ｚ軸方向において、陰極部材１０Ｍは、容器５０と陽極部材４０Ｍとの間にあっても良い。磁場印加部６０の少なくとも一部は、Ｘ－Ｙ平面において、容器５０と重ならなくても良い。

図１２は、第１実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する模式的断面図である。
図１２に示すように、実施形態に係るプラズマ源１１２においては、陰極部材１０Ｍは、複数の第２陰極層２０と、複数の第１基板３０と、をさらに含む。複数の第１基板３０の１つは、複数の第１陰極層１０の１つと、複数の第２陰極層２０の１つと、の間にある。例えば、１つの第１基板３０の１つの面に第１陰極層１０が設けられ、別の面に第２陰極層２０が設けられる。１つの第１陰極層１０、１つの第１基板３０及び１つの第２陰極層２０は、１つの積層体３５に含まれる。

複数の第２陰極層２０のそれぞれは、第２表面２０ｆを含む。第２表面２０ｆは、多角形Ｑ１の外側を向き、平面状である。

プラズマ源１１１においては、第１陰極層１０から電子ＥＬ１が放出される。これに加えて、第２陰極層２０からも電子ＥＬ１が放出可能である。より高い効率の放出が得られる。

このような陰極部材１０Ｍが、複数設けられても良い。例えば、複数の陰極部材１０Ｍは、多角形Ｑ１を含む平面（Ｘ－Ｙ平面）に沿って設けられて良い。

プラズマ源１１２において、第１陰極層１０及び第２陰極層２０は、結晶を含むことが好ましい。第１陰極層１０及び第２陰極層２０は、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、及び、Ｃ１２Ａ７エレクトライドよりなる群から選択された少なくとも１つを含むことが好ましい。第１基板３０は、例えば、結晶（例えば単結晶）を含むことが好ましい。

（第２実施形態）
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第２実施形態に係るプラズマ源の一部を例示する模式的断面図である。
これらの図は、実施形態に係るプラズマ源１１３における陰極部材１０Ｍを例示している。プラズマ源１１３における、陰極部材１０Ｍを除く構成は、プラズマ源１１０または１１１における構成と同様で良い。プラズマ源１１３における、陰極部材１０Ｍには、プラズマ源１１２に関して説明した構成が適用される。

図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＸ１－Ｘ２線断面図である。図１３（ａ）に示すように、プラズマ源１１３において、複数の陰極部材１０Ｍが設けられる。複数の陰極部材１０Ｍ、多角形Ｑ１を含む平面（Ｘ－Ｙ平面）に沿って設けられている。

または、プラズマ源１１３において、複数の陰極部材１０Ｍの全体が１つの陰極部材と見なされても良い。この場合、例えば、陰極部材１０Ｍは、複数の積層体３５を含むと見なされる。複数の積層体３５のそれぞれは、第１陰極層１０と、第２陰極層２０と、第１基板３０と、を含む（図１２参照）。既に説明したように、第１基板３０は、第１陰極層１０と第２陰極層２０との間に設けられる。第１陰極層１０の第１表面１０ｆ、及び、第２陰極層２０の第２表面２０ｆは、平面状である。

図１３（ａ）に示すように、複数の積層体３５は、多角形Ｑ１の複数の辺にそれぞれ沿って並ぶ。このような複数の積層体３５を含む複数のグループが、Ｘ－Ｙ平面に沿って並ぶ。

プラズマ源１１３において、複数のグループのそれぞれに磁場ＭＦが印加される。第１陰極層１０及び第２陰極層２０の両方からの電子の放出が利用できる。より高いプラズマ密度が得られる。

図１３（ｂ）に示すように、プラズマ源１１３は、支持部３８を含んでも良い。支持部３８は、複数の陰極部材１０Ｍを支持する。支持部３８は、例えば、複数の積層体３５を支持する。例えば、支持部３８は、第１支持部材３８ａと、第２支持部材３８ｂと、を含む。複数の陰極部材１０Ｍの１つは、第１支持部材３８ａと第２支持部材３８ｂと、の間にある。例えば、複数の積層体３５の１つは、第１支持部材３８ａと第２支持部材３８ｂと、の間にある。例えば、複数の第１基板３０の１つは、第１支持部材３８ａと第２支持部材３８ｂと、の間にある。

支持部３８は、第３支持部材３８ｃを含んでも良い。第３支持部材３８ｃは、第１支持部材３８ａ及び第２支持部材３８ｂを支持する。第３支持部材３８ｃは、ベースである。第１支持部材３８ａ及び第２支持部材３８ｂは、例えば、弾性部材である。

プラズマ源１１２及び１１３において、多角形Ｑ１の複数の角の数は、４以上であることが好ましい。例えば、多角形Ｑ１は、六角形であることが好ましい。稠密な構造が得られる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、スイッチ装置に係る。
図１４は、第３実施形態に係るスイッチ装置を例示する模式的断面図である。
図１４に示すように、実施形態に係るスイッチ装置２１０は、第１実施形態または第２実施形態に係るプラズマ源（この例では、プラズマ源１１０）と、制御導電部４５と、を含む。制御導電部４５は、容器５０のなかに設けられる。制御導電部４５は、例えば、制御部７０と接続される。制御部７０により、制御導電部４５の電位が制御される。これにより、陰極部材１０Ｍと陽極部材４０Ｍとの間に流れる電流が制御できる。

実施形態は、以下の構成（例えば技術案）を含んでも良い。
（構成１）
ガスを収容可能な容器と、
前記容器のなかに設けられた陰極部材であって、前記陰極部材は複数の第１陰極層を含み、前記複数の第１陰極層は、多角形の複数の辺にそれぞれ沿って並び、前記複数の第１陰極層のそれぞれは、前記多角形の内側を向く平面状の第１表面を含む、前記陰極部材と、
前記容器のなかに設けられた陽極部材と、
を備えたプラズマ源。

（構成２）
前記複数の第１陰極層は、結晶を含む、構成１に記載のプラズマ源。

（構成３）
前記複数の第１陰極層は、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、及び、Ｃ１２Ａ７エレクトライドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１または２に記載のプラズマ源。

（構成４）
前記複数の第１陰極層の少なくとも１つは、ダイヤモンドを含み、
前記ダイヤモンドに含まれる水素の濃度は、５×１０^２１／ｃｍ^３以下である、構成１または２に記載のプラズマ源。

（構成５）
前記複数の第１陰極層の少なくとも１つは、ダイヤモンドを含み、
複数の第１陰極層のラマンスペクトルにおいて、４４０ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度は、１３５０ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度よりも高く、１５７０ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度よりも高い、構成１または２に記載のプラズマ源。

（構成６）
前記複数の第１陰極層の少なくとも１つは、ダイヤモンドを含み、
複数の第１陰極層のラマンスペクトルにおいて、１２０５ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度は、１３５０ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度よりも高く、１５７０ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度よりも高い、構成１または２に記載のプラズマ源。

（構成７）
前記複数の第１陰極層の少なくとも１つに含まれる複数の粒子の平均の径は、５０ｎｍ以上である、構成１または２に記載のプラズマ源。

（構成８）
前記陰極部材は、複数の第１基板をさらに含み、
前記複数の第１陰極層の１つは、前記複数の第１基板の１つに支持され、
前記複数の第１陰極層の前記１つは、前記複数の第１陰極層の別の１つと、前記複数の第１基板の前記１つとの間にある、構成１～７のいずれか１つに記載のプラズマ源。

（構成９）
前記複数の第１基板は、結晶を含む、構成８に記載のプラズマ源。

（構成１０）
前記複数の第１陰極層の１つは、前記複数の第１陰極層の別の１つの隣であり、
前記第１陰極層の前記１つの前記第１表面と、前記複数の第１陰極層の前記別の１つの前記第１表面と、の間の角度は、９０度を超える、構成１～９のいずれか１つに記載のプラズマ源。

（構成１１）
前記複数の第１陰極層の１つは、前記複数の第１陰極層の別の１つの隣であり、
前記複数の第１陰極層の前記１つは、前記複数の第１陰極層の前記別の１つから離れ、
前記複数の第１陰極層の前記１つと、前記複数の第１陰極層の前記別の１つと、の間の距離は、前記複数の第１陰極層の前記１つの第１幅方向に沿う幅の０．００１倍以上０．１倍以下であり、
前記第１幅方向は、前記複数の第１陰極層の前記１つの前記第１表面に沿い、前記多角形を含む平面に沿う、構成１～９のいずれか１つに記載のプラズマ源。

（構成１２）
前記陰極部材は、
複数の第２陰極層と、
複数の第１基板と、
をさらに含み、
前記複数の第１基板の１つは、前記複数の第１陰極層の１つと前記複数の第２陰極層の１つとの間にあり、
前記複数の第２陰極層のそれぞれは、前記多角形の外側を向く平面状の第２表面を含む、構成１～７のいずれか１つに記載のプラズマ源。

（構成１３）
複数の前記陰極部材を備え、
前記複数の陰極部材は、前記多角形を含む平面に沿って設けられた、構成１２に記載のプラズマ源。

（構成１４）
前記複数の陰極部材を支持する支持部をさらに備えた、構成１３に記載のプラズマ源。

（構成１５）
前記支持部は、第１支持部材と、第２支持部材と、を含み、
前記複数の第１基板の前記１つは、前記第１支持部材と前記第２支持部材と、の間にある、構成１４記載のプラズマ源。

（構成１６）
ガスを収容可能な容器と、
前記容器のなかに設けられた陰極部材であって、前記陰極部材は複数の積層体を含み、前記複数の積層体のそれぞれは、第１陰極層と、第２陰極層と、前記第１陰極層と前記第２陰極層との間に設けられた第１基板と、を含み、前記複数の積層体は、多角形の複数の辺にそれぞれ沿って並び、前記第１陰極層の第１表面、及び、前記第２陰極層の第２表面は、平面状である、前記陰極部材と、
前記容器のなかに設けられた陽極部材と、
を備えたプラズマ源。

（構成１７）
前記第１陰極層及び前記第２陰極層は、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、及び、Ｃ１２Ａ７エレクトライドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１６に記載のプラズマ源。

（構成１８）
前記複数の第１陰極層で囲まれた空間に磁場を印加可能な磁場印加部をさらに備え、
前記磁場は、前記多角形を含む平面と交差する方向の成分を含む、構成１～１７のいずれか１つに記載のプラズマ源。

（構成１９）
前記複数の第１陰極層で囲まれた空間における前記磁場は、１００ガウス以上３０００ガウス以下である、構成１８に記載のプラズマ源。

（構成２０）
前記陰極部材から前記陽極部材への方向は、前記多角形を含む前記平面と交差する、構成１８または１９に記載のプラズマ源。

（構成２１）
前記複数の第１陰極層の互いに対向する２つの間の距離と、前記ガスの圧力と、の積は、１Ｐａ・ｍ以上１０Ｐａ・ｍ以下である、構成１～２０のいずれか１つに記載のプラズマ源。

（構成２２）
前記複数の第１陰極層の互いに対向する２つの間の距離は、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である、構成１～２１のいずれか１つに記載のプラズマ源。

（構成２３）
前記ガスの圧力は、１Ｐａ以上１０００Ｐａ以下である、構成１～２０のいずれか１つに記載のプラズマ源。

（構成２４）
構成１～２３のいずれか１つに記載のプラズマ源と、
前記容器のなかに設けられた制御導電部と、
を備えたスイッチ装置。

実施形態によれば、高密度のプラズマを得ることが可能なプラズマ源及びスイッチ装置が提供できる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、プラズマ源及びスイッチ装置に含まれる陰極部材、陰極層、陽極部材、容器、磁場印加部、及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述したプラズマ源及びスイッチ装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのプラズマ源及びスイッチ装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…第１陰極層、 １０Ｍ…陰極部材、 １０ｆ…第１表面、 １１ａ～１１ｆ…陰極層、 ２０…第２陰極層、 ２０ｆ…第２表面、 ３０…第１基板、 ３５…積層体、 ３８…支持部、 ３８ａ～３８ｃ…第１～第３支持部材、 ４０Ｍ…陽極部材、 ４５…制御導電部、 ５０…容器、 ５０ｇ…ガス、 ６０…磁場印加部、 ７０…制御部、 ８１…負グロー、 θ…角度、 １１０～１１３…プラズマ源、 ２１０…スイッチ装置、 Ｂ１…強度、 Ｃ１…円、 ＣＤ…電流密度、 Ｄｗ１…第１幅方向、 Ｅ１…電場、 ＥＬ１…電子、 Ｉｎｔ…強度、 ＬＤ…長さ、 ＭＦ…磁場、 Ｎｓ…数、 ＰＬ１、ＰＬ２…第１、第２平面、 Ｑ１、Ｑ２…多角形、 ＳＰ…空間、 ＳＰＬ１～ＳＰＬ６…第１～第６試料、 Ｖ１…電圧、 Ｗ１…幅、 ｄ１…距離、 ｇ１…距離

Claims (10)

1. ガスを収容可能な容器と、
   前記容器のなかに設けられた陰極部材であって、前記陰極部材は複数の第１陰極層を含み、前記複数の第１陰極層は、多角形の複数の辺にそれぞれ沿って並び、前記複数の第１陰極層のそれぞれは、前記多角形の内側を向く平面状の第１表面を含む、前記陰極部材と、
   前記容器のなかに設けられた陽極部材と、
   を備えたプラズマ源。
2. 前記複数の第１陰極層は、ダイヤモンド、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、及び、Ｃ１２Ａ７エレクトライドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１に記載のプラズマ源。
3. 前記複数の第１陰極層の少なくとも１つは、ダイヤモンドを含み、
   前記ダイヤモンドに含まれる水素の濃度は、５×１０^２１／ｃｍ^３以下である、請求項１に記載のプラズマ源。
4. 前記複数の第１陰極層の少なくとも１つは、ダイヤモンドを含み、
   複数の第１陰極層のラマンスペクトルにおいて、４４０ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度は、１３５０ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度よりも高く、１５７０ｃｍ^－３のラマンシフトにおける強度よりも高い、請求項１に記載のプラズマ源。
5. 前記陰極部材は、複数の第１基板をさらに含み、
   前記複数の第１陰極層の１つは、前記複数の第１基板の１つに支持され、
   前記複数の第１陰極層の前記１つは、前記複数の第１陰極層の別の１つと、前記複数の第１基板の前記１つとの間にある、請求項１～４のいずれか１つに記載のプラズマ源。
6. 前記複数の第１陰極層の１つは、前記複数の第１陰極層の別の１つの隣であり、
   前記第１陰極層の前記１つの前記第１表面と、前記複数の第１陰極層の前記別の１つの前記第１表面と、の間の角度は、９０度を超える、請求項１～５のいずれか１つに記載のプラズマ源。
7. 前記複数の第１陰極層の１つは、前記複数の第１陰極層の別の１つの隣であり、
   前記複数の第１陰極層の前記１つは、前記複数の第１陰極層の前記別の１つから離れ、
   前記複数の第１陰極層の前記１つと、前記複数の第１陰極層の前記別の１つと、の間の距離は、前記複数の第１陰極層の前記１つの第１幅方向に沿う幅の０．００１倍以上０．１倍以下であり、
   前記第１幅方向は、前記複数の第１陰極層の前記１つの前記第１表面に沿い、前記多角形を含む平面に沿う、請求項１～５のいずれか１つに記載のプラズマ源。
8. 前記陰極部材は、
   複数の第２陰極層と、
   複数の第１基板と、
   をさらに含み、
   前記複数の第１基板の１つは、前記複数の第１陰極層の１つと前記複数の第２陰極層の１つとの間にあり、
   前記複数の第２陰極層のそれぞれは、前記多角形の外側を向く平面状の第２表面を含む、請求項１～４のいずれか１つに記載のプラズマ源。
9. ガスを収容可能な容器と、
   前記容器のなかに設けられた陰極部材であって、前記陰極部材は複数の積層体を含み、前記複数の積層体のそれぞれは、第１陰極層と、第２陰極層と、前記第１陰極層と前記第２陰極層との間に設けられた第１基板と、を含み、前記複数の積層体は、多角形の複数の辺にそれぞれ沿って並び、前記第１陰極層の第１表面、及び、前記第２陰極層の第２表面は、平面状である、前記陰極部材と、
   前記容器のなかに設けられた陽極部材と、
   を備えたプラズマ源。
10. 請求項１～９のいずれか１つに記載のプラズマ源と、
    前記容器のなかに設けられた制御導電部と、
    を備えたスイッチ装置。

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