JP2546357B2 - プラズマ発生装置およびそれを用いたイオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、マイクロ波を使用することによってプラ
ズマを励起するプラズマ発生装置およびそれを用いたイ
オン源に関する。

〔従来の技術〕

この種のプラズマ発生装置の従来例を第９図および第
10図にそれぞれ示す。

第９図の装置は、マイクロ波発振器２から出力された
マイクロ波３を導波管４によって導き、これを誘電体
（例えばアルミナ、石英等）６を通して、真空排気され
た空胴共振器であるプラズマ発生容器８内に導入し、そ
こで同容器８内に導入されたガスを放電分解してプラズ
マを発生させるようにしている。誘電体６は、大気側に
ある導波管４と真空排気されるプラズマ発生容器８との
間を真空シールする働きをする。

その場合、電子サイクロトロン共鳴（ECR）条件（例
えばマイクロ波３が2.45GHzの場合875ガウス）を満足さ
せるために、プラズマ発生容器８の外側に筒状の磁気コ
イル10を１個以上設けている。

第10図の装置は、プラズマ発生容器である半球状をし
たガラス製のベルジャ14を覆うように、導波管４をテー
パ導波管12で拡大変換し、このようにしてマイクロ波３
を真空排気されたベルジャ14内に導入するようにしてい
る。その他は第９図の装置とほぼ同様である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、第９図の従来例の場合は、マイクロ波３を
プラズマ発生容器８内に導波管大の大きさの１個所（即
ち誘電体６の部分）から導入するため、ガスを効果的に
放電分解する領域が偏在し、そのため発生させるプラズ
マの大面積化および密度の均一化が難しいという問題あ
る。

また、第10図の従来例の場合は、プラズマを大面積化
するには、ベンジャ14が半球状をしていて必然的に高さ
の増大を伴うこともあって、ベルジャ14およびテーパ導
波管12が非常に大型化し、それに伴ってメインテナンス
等の作業性が低下する、ベルジャ14に特殊なガラス材料
が必要なり大幅にコストアップする、ベルジャ14の破損
等に対する安全上の問題が大きくなる、等の問題が発生
する。

また、いずれの従来例の場合も、プラズマの大面積化
に対しては磁気コイル10の大口径化を伴うが、そうなる
と所要の磁場強度を得るために大電流が必要になり、そ
れに伴って当該磁気コイル10および電源等がコストアッ
プするという問題もある。

そこでこの発明は、これらの点を改善して、大面積で
しかも密度の均一なプラズマを容易に発生させることが
できるようにしたプラズマ発生装置およびそれを用いた
イオン源を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明のプラズマ発生装置は、マイクロ波を使用す
ることによってプラズマを励起する装置であって、側面
部に複数の永久磁石がカスプ磁場を作るように配置され
ていて真空に排気されるプラズマ発生容器に、マイクロ
波が導入される１以上の空胴共振器を接続し、かつ両者
の接続部であって各空胴共振器内に発生する定在波の電
界最大点に相当する個所を含む個所に、空胴共振器内か
らプラズマ発生容器内へ両者間の真空シールをした状態
でマイクロ波を導入する複数のマイクロ波導入手段を設
けたことを特徴とする。

この複数のマイクロ波導入手段は、空胴共振器とプラ
ズマ発生容器との間を貫通する複数の貫通穴およびこの
貫通穴の部分を真空シールする誘電体で構成しても良い
し、空胴共振器とプラズマ発生容器との間を接続してい
て真空シール機能を有する複数の同軸アンテナで構成し
ても良い。

また、空胴共振器とプラズマ発生容器との接続部に複
数の貫通穴を設け、かつ空胴共振器の入口部またはその
上流側を誘電体で真空シールしても良い。

またこの発明のイオン源は、上記のようなプラズマ発
生容器に開口部を設け、この開口部に、当該プラズマ発
生容器内に作られるプラズマからイオンビームを引き出
す引出し電極を設けたことを特徴とする。

〔作用〕

上記プラズマ発生装置においては、空胴共振器内に導
入されたマイクロ波は、複数のマイクロ波導入手段を通
して、プラズマ発生容器内に複数個所から分散して導入
される。従って、プラズマ発生容器内の広範な領域にお
いて均等にプラズマが励起される。その結果、大面積で
しかも密度の均一なプラズマを発生させることができ
る。

また、上記イオン源においては、同上の理由で、大面
積でしかもイオン密度の均一なイオンビームを引き出す
ことができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例に係るプラズマ発生装置
を示す部分断面図であり、第２図は第１図の装置を誘電
体を取り除いて下側から見た図であり、第３図は第１図
の装置のプラズマ発生容器の部分を半径方向に切断して
部分的に示す拡大断面図である。

この実施例のプラズマ発生装置は、例えば円筒状をし
ていて真空排気されるプラズマ発生容器26の側面の外側
に、複数の永久磁石28をカスプ磁場を作るように配置し
ている。第３図中の30はその磁力線の一例を示す。もっ
とも、この永久磁石28は、必要に応じてプラズマ発生容
器26の側面の内側に配置しても良い。また、プラズマ発
生容器26の形状は任意であり、例えば角筒状でも（第７
図参照）、箱形等でも良い。

そして、このプラズマ発生容器26の上面部に、この実
施例では一つの空胴共振器20を接続している（隣接させ
ている）。

この空胴共振器20には、マイクロ波発振器から出力さ
れ導波管（いずれも図示省略）を経由して導かれたマイ
クロ波16が、テーパ導波管18を経由して導入される。

空胴共振器20とプラズマ発生容器26との接続面には、
そこを貫通していて前者内から後者内へマイクロ波16を
導入できるように、複数の貫通穴22が設けられている。

各貫通穴22は、空胴共振器20内に発生する定在波16a
の電界最大点に相当する個所に設けている。そのように
すると、マイクロ波16をプラズマ発生容器26内に導入す
る上で効果的である。もっとも、電界最大点以外の個所
にも必要に応じて貫通穴22を設けても良い。

この貫通穴22の形状としては、図示例のような十字形
以外にも、円形、方形等が採り得る。

更にこの実施例では、空胴共振器20とプラズマ発生容
器26との接続部に、全ての貫通穴22を覆う誘電体（例え
ばアルミナ、石英等）24を設け、それによって全ての貫
通穴22の部分を一括して真空シールするようにしてい
る。

このような複数の貫通穴22および誘電体24によって、
この実施例では複数のマイクロ波導入手段を構成してい
る。

この実施例の動作例を説明すると、プラズマ発生容器
26内を真空排気すると共に、そこにガスを所定圧力（例
えば1Torr〜10^-4Torr程度）になるように導入し、かつ
空胴共振器20内にマイクロ波16を導入する。

空胴共振器20内に導入されたマイクロ波16は、そこで
定在波16aを形成し、その電界最大点に設けられた複数
の貫通穴22および誘電体24を通して、プラズマ発生容器
26内に複数個所から分散して導入される。そしてこのマ
イクロ波16によってガスが放電分解され、プラズマ発生
容器26内にプラズマ32が発生する。

その場合、マイクロ波16はプラズマ発生容器26内に複
数個所から分散して導入されるため、プラズマ発生容器
26内の広範な領域において均等にプラズマ32を励起する
ことができ、従って従来例に比べて大面積でしかも密度
の均一なプラズマ32を発生させることができる。

しかも、第10図の半球状のベルジャ14のように大面積
化に伴って高さが必然的に増大するというようなことは
無いので、第10図の従来例に比べて同一のプラズマ面積
を得るのに装置が小型になり、またベルジャ14等の大型
化に伴う前述したような様々な問題を引き起こすことも
ない。

更にこの実施例では、複数の永久磁石28を用いてプラ
ズマ発生容器26の側面部にカスプ磁場を形成するように
しているので、プラズマ発生容器26の大面積化を容易に
行うことができる。しかも従来例のように大面積化に伴
って磁器コイル10が巨大化することもなく、その電源も
不要になり、従ってこの点からも装置の小型化、更には
省エネルギー化および低コスト化を図ることができる。

しかも、カスプ磁場を形成する永久磁石の磁束を増す
ことで多数の個所にECR条件を満足する放電領域ができ
るので、プラズマ32が励起され易く、また発生したプラ
ズマ32が均一化され易く、しかも発生したプラズマ32が
ロスする面積が減るので、より高密度で均一性の良いプ
ラズマ32を発生させることができるようになる。

その場合、複数ある貫通穴22あるいは後述する同軸ア
ンテナ34の内の幾つかを、このカスプ磁場によってECR
条件を満足する磁場強度（例えばマイクロ波16が2.45GH
zの場合875ガウス）の位置、例えば第３図中のＡ点のよ
うな位置に設けても良く、そのようにすれば、確実にEC
R条件を満足する放電領域ができるので、プラズマ32を
より励起し易くなる。

尚、マイクロ波導入手段として、上記のように貫通穴
22および誘電体24を用いれば構成が簡単であるが、それ
らの代わりに、例えば第４図に示すように、上記貫通穴
22と同様の位置に、空胴共振器20とプラズマ発生容器26
との間を貫通していて真空シール機能を有する複数の同
軸アンテナ34を設けても良く、そのようにすればプラズ
マ発生容器26内にマイクロ波16がより効率良く導入され
ることが期待できる。

このような同軸アンテナ34を用いる場合は、空胴共振
器20の下面とプラズマ発生容器の上面とが必ずしも図示
例のように一体である必要は無く、両者間が離れていて
その間を同軸アンテナ34で接続するようにしても良い。

また、空胴共振器20とプラズマ発生容器26との接続面
に貫通穴22を設ける場合は、必ずしもそこに誘電体24を
設けてそこで真空シールする必要は無く、例えば第５図
に示すように、空胴共振器20の入口部に誘電体24を設け
てそこで真空シールするようにしても良く、あるいはそ
れよりも上流側に誘電体24を設けてそこで真空シールす
るようにしても良く、そのようにすれば誘電体24がプラ
ズマ32から離れるので、プラズマ32が当たることによっ
て、特にそれからイオンビームを引き出すときに逆行す
る高エネルギーの電子の衝撃によって、誘電体24が損傷
を受けて破損する可能性を排除することができる。

また、例えば第６図に示すように、各貫通穴22を挟む
ように複数の永久磁石38を設置して、各貫通穴22を通し
てプラズマ発生容器26内に伝搬されるマイクロ波16の電
界成分とほぼ直交する向きに磁界がかかるようにしても
良く、そのようにすれば、プラズマ発生容器26へのマイ
クロ波16の入口部でもECR条件を満足するマイクロ波放
電が起こるので、プラズマ32の励起効率をより増大させ
ることができる。同図中の40は磁力線の一例を示す。第
４図のように同軸アンテナ34を用いる場合も同様であ
る。

その場合、永久磁石38の配置は、ストライプ状でも格
子状でも良く、要はそれによる磁界が、プラズマ発生容
器26の入口部でマイクロ波16の電界成分とほぼ直交する
ようにすれば良い。

また、上記のようなプラズマ発生容器26は、一つの空
胴共振器20に対して二つ以上設けても良い。

一方、空胴共振器20も、プラズマ発生容器26が一つで
あるとそれ以上であるとに拘らず、二つ以上にしても良
い。これは、プラズマ発生容器26を大面積化するのに伴
って一つの空胴共振器20を単に大きくして行くと、その
中で様々なモードの定在波が立ち易く、そうなればマイ
クロ波16をプラズマ発生容器26内へ導入するのに効率的
な位置、即ち前述した電界最大点が決りにくくなるから
であり、それを防ぐためには、空胴共振器20を複数にし
てそれぞれの中に所定のモードの定在波が立つようにす
るのが好ましいからである。従ってそのようにすれば、
プラズマ32の大面積化がより容易になる。

第７図は、一つのプラズマ発生容器26に二つの空胴共
振器20a、20bを接続した例を示すものであり、第２図の
例に対応する。図中の42はＴ型分岐導波管を、18aおよ
び18bはテーパ導波管を示す。また、貫通穴22の部分を
覆う真空シール用の誘電体24の図示は省略している。

この例の場合も、前述したような貫通穴22あるいは同
軸アンテナ34は、各空胴共振器20a、20b内に発生する定
在波の電界最大点に相当する個所を含む個所に設けるも
のとする。また、第５図で説明したように、誘電体24を
貫通穴22の部分に設ける代わりに、各空胴共振器20a、2
0bの入口部19a、19bあるいはそれよりも上流側に設けて
も良い。

また、上記いずれの例の場合も、プラズマ発生容器26
を必要に応じて空胴共振器にしても良く、そのようにす
れば、当該プラズマ発生容器26内にもマイクロ波16の定
在波が形成されてプラズマ32の励起に寄与することが期
待できる。

ところで、上記のようなプラズマ発生装置は、例え
ば、プラズマCVD装置、イオンエッチング装置等に利用
することができる他、更に引出し電極を付加することに
よって、イオン源としても利用することができる。

イオン源に利用した一例を第８図に示す。即ちこのイ
オン源は、第１図ないし第３図に説明したプラズマ発生
装置のプラズマ発生容器26の開口部26aに、例えば絶縁
物44を介して、多孔（あるいはメッシュ状でも良い）の
引出し電極46を設けたものであり、この引出し電極46に
適当な引出し電圧を印加すれば、その電界の作用で、上
述したようにしてプラズマ発生容器26内に作られたプラ
ズマ32からイオンビーム48を引き出すことができる。

この場合、上述したようにプラズマ32の大面積化およ
び密度の均一化が可能であるため、大面積でしかもイオ
ン密度の均一なイオンビーム48を引き出すことができ
る。

尚、イオン源とする場合に設ける引出し電極の構成
は、図示例のような１枚に限られるものではなく、目的
等に応じて種々のものが採り得る。

また、プラズマ発生装置側の構成も、第８図に示した
もの以外に、上述した種々の変形が採り得る。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明のプラズマ発生装置によれば、
プラズマ発生容器に空胴共振器を接続し、かつ複数のマ
イクロ波導入手段を用いて、プラズマ発生容器内にマイ
クロ波を複数個所から分散して導入するようにしたの
で、プラズマ発生容器内の広範な領域において均等にプ
ラズマを励起することができ、従って大面積でしかも密
度の均一なプラズマを発生させることができる。

しかも、複数の永久磁石を用いてプラズマ発生容器の
側面部にカスプ磁場を作るようにしたので、このカスプ
磁場の作用によって、より高密度で均一性の良いプラズ
マを発生させることができる。

また、従来例のようなベルジャや磁気コイルを使用し
ていないので、プラズマの大面積化が容易であり、ベル
ジャや磁気コイルの大型化に伴う装置の大型化、作業性
悪化、コストアップ等の問題を排除することができる。

また、空胴共振器とプラズマ発生容器との接続部に複
数の貫通穴を設け、かつ空胴共振器の入口部またはその
上流側を誘電体で真空シールするようにすれば、プラズ
マ中の電子の衝撃等によって誘電体が破損される可能性
を排除することができる。

また、上記のようなプラズマ発生装置を用いたこの発
明のイオン源によれば、同上の理由から、大面積でしか
もイオン密度の均一なイオンビームを引き出すことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係るプラズマ発生装置
を示す部分断面図である。第２図は、第１図の装置を誘
電体を取り除いて下側から見た図である。第３図は、第
１図の装置のプラズマ発生容器の部分を半径方向に切断
して部分的に示す拡大断面図である。第４図は、マイク
ロ波導入手段の他の例を示す断面図である。第５図は、
誘電体を空胴共振器の入口部に設けた例を示す断面図で
ある。第６図は、空胴共振器の接続部に永久磁石を設置
した例を示す断面図である。第７図は、空胴共振器を二
つ設けた例を示す図であり、第２図の例に対応する。第
８図は、第１図のプラズマ発生装置を用いたイオン源の
一例を示す断面図である。第９図および第10図は、それ
ぞれ、従来のプラズマ発生装置を示す部分断面図であ
る。 16……マイクロ波、20,20a,20b……空胴共振器、22……
貫通穴、24……誘電体、26……プラズマ発生容器、26a
……開口部、28……永久磁石、32……プラズマ、34……
同軸アンテナ、46……引出し電極、48……イオンビー
ム。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波を使用することによってプラズ
   マを励起する装置であって、側面部に複数の永久磁石が
   カスプ磁場を作るように配置されていて真空に排気され
   るプラズマ発生容器に、マイクロ波が導入される１以上
   の空胴共振器を接続し、かつ両者の接続部であって各空
   胴共振器内に発生する定在波の電界最大点に相当する個
   所を含む個所に、空胴共振器内からプラズマ発生容器内
   へ両者間の真空シールをした状態でマイクロ波を導入す
   る複数のマイクロ波導入手段を設けたことを特徴とする
   プラズマ発生装置。
2. 【請求項２】前記複数のマイクロ波導入手段が、空胴共
   振器とプラズマ発生容器との間を貫通する複数の貫通穴
   およびこの貫通穴の部分を真空シールする誘電体から成
   る請求項１記載のプラズマ発生装置。
3. 【請求項３】前記複数のマイクロ波導入手段が、空胴共
   振器とプラズマ発生容器との間を接続していて真空シー
   ル機能を有する複数の同軸アンテナから成る請求項１記
   載のプラズマ発生装置。
4. 【請求項４】マイクロ波を使用することによってプラズ
   マを励起する装置であって、側面部に複数の永久磁石が
   カスプ磁場を作るように配置されていて真空に排気され
   るプラズマ発生容器に、マイクロ波が導入される１以上
   の空胴共振器を接続し、かつ両者の接続部であって各空
   胴共振器内に発生する定在波の電界最大点に相当する個
   所を含む個所に、空胴共振器内からプラズマ発生容器内
   へマイクロ波を導入する複数の貫通穴を設け、更に各空
   胴共振器の入口部またはその上流側にそこを真空シール
   する誘電体を設けたことを特徴とするプラズマ発生装
   置。
5. 【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載のプラ
   ズマ発生装置におけるプラズマ発生容器に開口部を設
   け、この開口部に、当該プラズマ発生容器内に作られる
   プラズマからイオンビームを引き出す引出し電極を設け
   たことを特徴とするイオン源。