JP2781585B2 - マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置 - Google Patents
マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置Info
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- JP2781585B2 JP2781585B2 JP1038219A JP3821989A JP2781585B2 JP 2781585 B2 JP2781585 B2 JP 2781585B2 JP 1038219 A JP1038219 A JP 1038219A JP 3821989 A JP3821989 A JP 3821989A JP 2781585 B2 JP2781585 B2 JP 2781585B2
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Description
本発明は、エッチングやデポジション等のプラズマ反
応装置や元素の定量法としてのプラズマイオン源質量分
析装置等の分析機器のプラズマ発生装置に係り、特にこ
れら装置に好適なマイクロ波電力を用いたプラズマ発生
装置に関する。
応装置や元素の定量法としてのプラズマイオン源質量分
析装置等の分析機器のプラズマ発生装置に係り、特にこ
れら装置に好適なマイクロ波電力を用いたプラズマ発生
装置に関する。
従来のマイクロ波電力を用いたプラズマ発生装置につ
いては、（１）レビュー、サイエンティフィック イン
スツルメント,36,3（1965年）第294頁から第298頁（Re
v.Sci.Instrum.,36,3（1965）294−298），（２）アイ
・イー・イー・イー トランザクション オブ プラズ
マ サイエンス,PS−3,2（1975年）第55頁から第59頁
（IEEE Trans.Plasma Science,PS−3,2（1975）55−5
9），（３）レビュー サイエンスティフィック イン
スツルメント,39,11（1968年）第295頁から第297頁（Re
v.Sci.Instrum.,39,11（1968）295−297），（４）レビ
ュー オブ サイエンティフィック インスツルメン
ト,41,10（1970年）第1431から第1433頁（Rev.Sci.Inst
rum.,41,10（1970）1431−1433）、および（５）ジャパ
ニーズ ジャーナル オブ アプライド フィズィック
ス,Vol.16,No.11（1970年）第1993頁から第1998頁（Jp
n.J.Appl.Phys.,16,11（1977）1993−1998）などにおい
て論じられている。 また、特開昭51−69391号、特開昭61−263128号およ
びユナイト キングダム，ジャーナル オブ アプライ
ド フィズィックス,Vol.20,（1987年）第197頁から第2
03頁（UK.J.Phys.D:Appl.Phys.,20,（1987）197−203）
などに放電管にマイクロ波を供給することが開示されて
いるがプラズマを高圧下で高温高密度（大電力）で安定
に形成することについては何等論じられていない。
いては、（１）レビュー、サイエンティフィック イン
スツルメント,36,3（1965年）第294頁から第298頁（Re
v.Sci.Instrum.,36,3（1965）294−298），（２）アイ
・イー・イー・イー トランザクション オブ プラズ
マ サイエンス,PS−3,2（1975年）第55頁から第59頁
（IEEE Trans.Plasma Science,PS−3,2（1975）55−5
9），（３）レビュー サイエンスティフィック イン
スツルメント,39,11（1968年）第295頁から第297頁（Re
v.Sci.Instrum.,39,11（1968）295−297），（４）レビ
ュー オブ サイエンティフィック インスツルメン
ト,41,10（1970年）第1431から第1433頁（Rev.Sci.Inst
rum.,41,10（1970）1431−1433）、および（５）ジャパ
ニーズ ジャーナル オブ アプライド フィズィック
ス,Vol.16,No.11（1970年）第1993頁から第1998頁（Jp
n.J.Appl.Phys.,16,11（1977）1993−1998）などにおい
て論じられている。 また、特開昭51−69391号、特開昭61−263128号およ
びユナイト キングダム，ジャーナル オブ アプライ
ド フィズィックス,Vol.20,（1987年）第197頁から第2
03頁（UK.J.Phys.D:Appl.Phys.,20,（1987）197−203）
などに放電管にマイクロ波を供給することが開示されて
いるがプラズマを高圧下で高温高密度（大電力）で安定
に形成することについては何等論じられていない。
上記従来技術の文献（１）〜（３）は、マイクロ波電
力の伝送に同軸ケーブルを用いているため、大電力化の
点については配慮がされておらず、大電力時の安定性を
はじめプラズマの高密度化や大口径化に問題があった。
一方、上記従来技術の文献（４）〜（５）は、マイクロ
波利用率やプラズマの径方向分布などの点については充
分配慮されておらず、プラズマの生成効率やその均一性
などに問題があった。 本発明の目的は、上記問題点を解決した、高温高密度
の安定な大口径プラズマを効率よく発生するマイクロ波
プラズマ発生装置を提供することにある。
力の伝送に同軸ケーブルを用いているため、大電力化の
点については配慮がされておらず、大電力時の安定性を
はじめプラズマの高密度化や大口径化に問題があった。
一方、上記従来技術の文献（４）〜（５）は、マイクロ
波利用率やプラズマの径方向分布などの点については充
分配慮されておらず、プラズマの生成効率やその均一性
などに問題があった。 本発明の目的は、上記問題点を解決した、高温高密度
の安定な大口径プラズマを効率よく発生するマイクロ波
プラズマ発生装置を提供することにある。
上記目的は、マイクロ波伝送回路を第１図（イ）に示
す如く、例えば角形導波管40から円形同軸導波管50にモ
ードを変換し、前記円形同軸導波管50の円筒状外導体52
を、前記円形同軸導波管50の内導体51より長くし、前記
内導体51に設けた円筒状空洞53の内径と同程度の内径の
開口72を有するメタルエンドプレート70を前記円筒状外
導体52に前記内導体51の先端より距離ｄの位置（ギャッ
プ部）に取り付け、放電管80を少なくとも前記内導体51
の円筒状空洞53内部から前記開口72を通して設置し、前
記ギャップ部に発生するマイクロ波電界（表面波）を用
いて、前記放電管80内にプラズマを生成することにより
達成される。
す如く、例えば角形導波管40から円形同軸導波管50にモ
ードを変換し、前記円形同軸導波管50の円筒状外導体52
を、前記円形同軸導波管50の内導体51より長くし、前記
内導体51に設けた円筒状空洞53の内径と同程度の内径の
開口72を有するメタルエンドプレート70を前記円筒状外
導体52に前記内導体51の先端より距離ｄの位置（ギャッ
プ部）に取り付け、放電管80を少なくとも前記内導体51
の円筒状空洞53内部から前記開口72を通して設置し、前
記ギャップ部に発生するマイクロ波電界（表面波）を用
いて、前記放電管80内にプラズマを生成することにより
達成される。
すなわち、マイクロ波発振器から例えば角形導波管を
経て円形同軸導波管へのマイクロ波電力の伝送には、同
軸ケーブルを用いることなく、低損失で、大電力を安定
にプラズマに供給できる。さらに、前記メタルエンドプ
レート70を設けると、第１図（ロ）に示すようなｚ軸方
向成分Ezと半径方向成分Erとよりなる電界が、すなわ
ち、表面波が前記内導体51の先端と前記メタルエンドプ
レート70との間に形成される空間（ギャップ部ｄ）に形
成されるので、前記内導体51の内部から前記開口72を通
して設置した放電管80の内部には高温・高密度の安定し
た大口径のプラズマを低気圧から大気圧まで、種々のガ
スに対して効率よく生成することができる。
経て円形同軸導波管へのマイクロ波電力の伝送には、同
軸ケーブルを用いることなく、低損失で、大電力を安定
にプラズマに供給できる。さらに、前記メタルエンドプ
レート70を設けると、第１図（ロ）に示すようなｚ軸方
向成分Ezと半径方向成分Erとよりなる電界が、すなわ
ち、表面波が前記内導体51の先端と前記メタルエンドプ
レート70との間に形成される空間（ギャップ部ｄ）に形
成されるので、前記内導体51の内部から前記開口72を通
して設置した放電管80の内部には高温・高密度の安定し
た大口径のプラズマを低気圧から大気圧まで、種々のガ
スに対して効率よく生成することができる。
以下、本発明の実施例を第１図〜第５図を用いて説明
する。 第１図（イ）は本発明によるマイクロ波プラズマ発生
装置の立体回路の主要部構成を、同図（ロ）はマイクロ
波電界の強度分布を模式的に示す。マイクロ波電力は角
形導波管40から少なくとも内導体51と円筒状外導体52と
から成る円形同軸導波管変換器50へ伝送され、前記内導
体51の先端に設けたギャップｄで前記内導体51の円筒状
空洞53部等に設けた石英等から成る絶縁性放電管80を通
じて表面波としてプラズマに吸収される。ここで、前記
ギャップｄは、前記内導体51の先端と前記円筒状外導体
52に設けたメタルエンドプレート70との間の距離を示
し、ネジあるいはスペーサ等によって可変できるように
構成されている。なお、前記メタルエンドプレート70に
は、前記内導体51の円筒状空洞53と同程度の内径を持つ
開口72が設けてあり、必要に応じてメタルチョーク71を
第１図（イ）のように取付け、マイクロ波の損失を低減
するとよい。また、前記内・外導体51,52の少なくとも
一方を強制空冷または水冷するとよい。ここで、前記内
・外導体51,52や前記放電管80の径は使用目的に応じて
任意に設定できる。さらに、マイクロ波電力を効率よく
前記プラズマに吸収させるために、通常同軸回路の特性
インピーダンスは50Ωであるので、前記同軸導波管変換
器50の角形導波管内のＥ面の寸法を定形サイズより小さ
く（薄く）し、Ｈ面の寸法に対する比を小さくして導波
管の特性インピーダンスを小さくするとともに、1/4波
長変成器を導波管の入力側に設けて同軸部の特性インピ
ーダンスと一致させるとよい。さらに、前記内導体51の
形状を第５図に示すようにドアノブ形にしたり、短絡部
を定形サイズにするとともにプランジャ60（可変形）を
設けてマッチングが取れるように構成するとよい。 また、前記外導体52の外側に磁界発生器90（コイルや
永久磁石などから成る）を設け、発散型（ビーチ型），
マルチカスプ型またはミラー型などの磁界を、電子サイ
クロトロン共鳴条件かその前後の条件で重畳して、プラ
ズマを発生させると、より容易に高温高密度（カットオ
フ密度以上）のプラズマを低圧力でも得ることができる
（もちろん印加しなくても可）。 一方、プラズマガスはH2,He,O2,N2,Ar,XeやCH4,SiH4,
NH3,CF4,SiF4など目的に応じて選定し、10-6Torr〜760T
orrの範囲で動作させる。なお、放電管80への試料ガス
の導入は例えば、第１図（イ）に示すような管端から導
入するとよいが、特に限定するものではなく、目的に応
じて決めるとよい。 第１図（ロ）は前記ギャップｄ部の空間に於ける電界
強度分布の径方向成分Erとｚ軸（マイクロ波進行方向）
方向成分Ezとを示す。このプラズマ装置の特徴は、電界
がErと成分Ez成分とが共存するとともに、ｚ軸上の成分
が両者とも弱く、一方、外側は強くなる表面波となり、
これらと試料ガス粒子の拡散現象との相集作用により低
圧力では径方向に均一なプラズマが得られるよう作用す
る。また、高圧力では第４図および第５図におけるよう
に、ドーナツ状のプラズマが得られ、目的に応じて圧力
を選定する。 第２図は第１図（イ）に示したマイクロ波プラズマ発
生装置をエッチングやデポジション、さらには新素材創
製などのためのプラズマ反応装置に適用した、本発明の
別の第２実施例のブロック図を示す。ここで、10は高圧
電源（直流またはパルス）、20はマイクロ発振器（マグ
ネトロンやジャイロトロン、１〜100GHz、10〜5,000
W）、30はアイソレータ（またはユニライン）、40は立
体回路（方向性結合器，電力計,E−Ｈチューナなどで構
成）、50は同軸導波管変換器、51は内導体、52は円筒状
外導体、60はプランジャ、70はメタルエンドプレート、
80は放電管、90は磁界発生器（なくても可）、100は排
気装置、110はプラズマガス（Ar,He,O2など）導入器、1
20は反応ガス（CH4,NH3,CF4,SiF4,O2など）導入器、130
は反応室、140は試料（半導体ウエハなど）台、150は温
度調節器（冷却または加熱器などから成る）、160は反
応微粒子（たとえば高温超電導薄膜の形成のときにはた
とえばBaCO3＋Y2O3＋CuOなどを電子ビームなどで蒸発さ
せて導入）導入装置、170は質量分析器、180は分光器、
190はデータの整理をはじめ各機器を自動制御（最適
化）するためのマイクロコンピュータを示す。この実施
例では、前述したギャップ部ｄが前記メタルエンドプレ
ート70をネジあるいはスペーサ等によって調整すること
により可変できるように構成されている。また、前記内
導体51の径は前記同軸変換器50部で太くなっている（ド
アノブ形）。 このように構成すると、例えば酸化物高温超伝導薄膜
の作成の時、低圧力（10-4Torr以下）でプラズマガスで
ある酸素（O2）をイオン化でき、この時発生する低エネ
ルギーの酸素のラジカル化やイオンと反応微粒子として
導入した、例えばBa,Y,Cuの金属原子とが物理的化学的
に反応して試料台140上の基板にマイクロコンピュータ1
90で最適化しながら、良質の膜を低温かつ短時間で作製
することができる。 第３図は本発明の別の第３実施例を示す。この実施例
は、プラズマからイオンや中性粒子を引き出し、材料の
表面改質や処理を行う装置を示す。ここで、50は円形同
軸導波管、51は内導体、52は円筒状外導体、60はプラン
ジャ、70はメタルエンドプレート（種々の変形が可
能）、71はメタルチョーク、80は放電管、90は磁界発生
器（なくても可）、100は排気装置、110は試料ガスやキ
ャリアガスなどの導入器、120は試料ガスや反応ガスな
どの導入器、130は反応室、140は試料台、150は温度制
御装置、180は分光器、200はイオン引出し器を示す。な
お、イオン引出し器200は電子または中性粒子（原子や
ラジカル）取り出し器として構成することもできる。 このように構成すると、大口径で均一な高密度の試料
ガスやキャリアガスのプラズマが生成できる。そして、
例えば前記イオン引出し器200を用いて、前記プラズマ
から大口径で均一な高密度のイオンビームを取出し、前
記試料台140にセットした基板の表面処理や表面改質を
短時間かつ低温で行うことができる。 また、前記イオンビームでターゲットをスパッタし、
前記基板にターゲット材料をデポジットすることもでき
る。さらに、前記中性粒子を用いても表面処理などがで
きる。 第４図は生体分野等の微量元素の分析等に応用した本
発明の第４の実施例の基本構成を示す。ここで、300は
マイクロ波発生系で、マグネトロンなどのマイクロ波発
振器や高圧電源，マイクロ波電力計,E−Ｈ（またはスタ
ブ）チューナなどから成る。400はマイクロ波プラズマ
発生系で、第１図（イ）を基本として、第５図に示すよ
うな円形同軸導波管，内側導体，メタルエンドプレー
ト，放電管などから成る。500は試料ガス等導入系で、
試料，キャリアガス，ネブライザなどから構成される。
600は測定・分析系で、分光器や質量分析器などから成
る。700は制御系でマイクロコンピュータなどから成
る。700は制御系でマイクロコンピュータなどから成
り、データの整理や本装置の最適制御などを行う。本実
施例での動作圧力は、大電力を安定に供給できることか
ら、大気圧を基本とし、放電管等の直径も前記第２およ
び第３の実施例に比べ小さくてよい。 第５図は本発明の第４図に示した実施例におけるプラ
ズマ発生系400の一実施例の詳細を示す。ここで、50は
銅やアルミニウムなどから成る扁平型の導波管（内寸:
8.6mm×109.2mm×84mm）に形成した同軸導波管変換器、
51は銅などから成る内導体（同軸変換部で形状は例えば
同図のように円錐台（例えば底部直径40mm,上部直径15m
m,高さ30mm）から成る）で、その軸上部には放電管80を
通すための円筒状空洞53（直径例えば４〜12mm）が設け
てある。52は銅などから成る円筒形外導体で、銅などか
ら成る円盤状のエンドプレート70が取付けてある。前記
エンドプレート70には、前記内導体51に設けた前記円筒
状空洞53の内径とほぼ等しい内径の開口72が設けてあ
り、その周囲の厚さはその外周部より同心状に薄くして
ある（厚さ0.1mm）。さらに、前記内導体51の先端部
と前記エンドプレート70とのギャップｄ（0.5〜20mm）
は調整できるように構成してある。80は石英などから成
る放電管（内径：例えば４〜10mm）で、その一端は開放
するとともに、その他端は径方向からプラズマガス501
（He,N2,Arなど）が供給できるように枝管81が設けてあ
る。また、前記放電管80の他端部からは同軸状に石英な
どから成る内管82を設け、その一端からはネブライザ
（図示せず）などを経て試料とともにキャリアガス（前
記プラズマガス501と同種）など500を導入する。510は
前記放電管80や内導体51などを冷却するための冷却系
で、冷却剤入口511から冷却剤502（例えば、空気、水で
も可。このときは水の出口を設け、前記内導体51と前記
放電管80を冷却するように構成する。）を供給する。こ
のように構成すると、前記放電管80をはじめ前記内導体
51や前記メタルエンドプレート70を効率よく冷却するこ
とができる。800は拡散プラズマ、801はドーナツ状高温
プラズマを示す。なお、前記放電管80や前記内導体51な
どの形状や大きさは限定するものではない。 このように構成すると、前記同軸導波管変換器50に供
給したマイクロ波電力（例えば、2.45GHz,2KW）は、
前記内導体51と前記メタルエンドプレート70のギャップ
ｄ部に集中し、第１図（ロ）に示すような電界分布が得
られる。このため、前記枝管81より導入したプラズマガ
ス501はイオン化され、ドーナツ状の高温のプラズマ801
を前記放電管80の内部に発生する。そして、分析すべき
前記試料など500を前記内管82から前記ドーナツ状高温
プラズマ801の中心部に導入すると、試料は周辺部に拡
散することなく、効率よく原子化→励起化→イオン化を
生ずる。このとき発生する光を前記分光器600に、また
イオンはイオンサンプリングインタフェース系（図示せ
ず）を経て前記質量分析器600に導入すると、高周波
（例えば27MHz）誘導プラズマを用いる場合に比べて
も、高感度で定量分析を行うことができる。なお、試料
としては溶液でも直接分析でき、さらに、有機物やハロ
ゲンなど特に制限はない。また、プラズマガスもHe,N2,
Arなどを用いることができ、特に制限はない。 その他、本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、全
てのプラズマを用いる装置を適用することができる。ま
た、パルス的にプラズマを発生させることもできる。
する。 第１図（イ）は本発明によるマイクロ波プラズマ発生
装置の立体回路の主要部構成を、同図（ロ）はマイクロ
波電界の強度分布を模式的に示す。マイクロ波電力は角
形導波管40から少なくとも内導体51と円筒状外導体52と
から成る円形同軸導波管変換器50へ伝送され、前記内導
体51の先端に設けたギャップｄで前記内導体51の円筒状
空洞53部等に設けた石英等から成る絶縁性放電管80を通
じて表面波としてプラズマに吸収される。ここで、前記
ギャップｄは、前記内導体51の先端と前記円筒状外導体
52に設けたメタルエンドプレート70との間の距離を示
し、ネジあるいはスペーサ等によって可変できるように
構成されている。なお、前記メタルエンドプレート70に
は、前記内導体51の円筒状空洞53と同程度の内径を持つ
開口72が設けてあり、必要に応じてメタルチョーク71を
第１図（イ）のように取付け、マイクロ波の損失を低減
するとよい。また、前記内・外導体51,52の少なくとも
一方を強制空冷または水冷するとよい。ここで、前記内
・外導体51,52や前記放電管80の径は使用目的に応じて
任意に設定できる。さらに、マイクロ波電力を効率よく
前記プラズマに吸収させるために、通常同軸回路の特性
インピーダンスは50Ωであるので、前記同軸導波管変換
器50の角形導波管内のＥ面の寸法を定形サイズより小さ
く（薄く）し、Ｈ面の寸法に対する比を小さくして導波
管の特性インピーダンスを小さくするとともに、1/4波
長変成器を導波管の入力側に設けて同軸部の特性インピ
ーダンスと一致させるとよい。さらに、前記内導体51の
形状を第５図に示すようにドアノブ形にしたり、短絡部
を定形サイズにするとともにプランジャ60（可変形）を
設けてマッチングが取れるように構成するとよい。 また、前記外導体52の外側に磁界発生器90（コイルや
永久磁石などから成る）を設け、発散型（ビーチ型），
マルチカスプ型またはミラー型などの磁界を、電子サイ
クロトロン共鳴条件かその前後の条件で重畳して、プラ
ズマを発生させると、より容易に高温高密度（カットオ
フ密度以上）のプラズマを低圧力でも得ることができる
（もちろん印加しなくても可）。 一方、プラズマガスはH2,He,O2,N2,Ar,XeやCH4,SiH4,
NH3,CF4,SiF4など目的に応じて選定し、10-6Torr〜760T
orrの範囲で動作させる。なお、放電管80への試料ガス
の導入は例えば、第１図（イ）に示すような管端から導
入するとよいが、特に限定するものではなく、目的に応
じて決めるとよい。 第１図（ロ）は前記ギャップｄ部の空間に於ける電界
強度分布の径方向成分Erとｚ軸（マイクロ波進行方向）
方向成分Ezとを示す。このプラズマ装置の特徴は、電界
がErと成分Ez成分とが共存するとともに、ｚ軸上の成分
が両者とも弱く、一方、外側は強くなる表面波となり、
これらと試料ガス粒子の拡散現象との相集作用により低
圧力では径方向に均一なプラズマが得られるよう作用す
る。また、高圧力では第４図および第５図におけるよう
に、ドーナツ状のプラズマが得られ、目的に応じて圧力
を選定する。 第２図は第１図（イ）に示したマイクロ波プラズマ発
生装置をエッチングやデポジション、さらには新素材創
製などのためのプラズマ反応装置に適用した、本発明の
別の第２実施例のブロック図を示す。ここで、10は高圧
電源（直流またはパルス）、20はマイクロ発振器（マグ
ネトロンやジャイロトロン、１〜100GHz、10〜5,000
W）、30はアイソレータ（またはユニライン）、40は立
体回路（方向性結合器，電力計,E−Ｈチューナなどで構
成）、50は同軸導波管変換器、51は内導体、52は円筒状
外導体、60はプランジャ、70はメタルエンドプレート、
80は放電管、90は磁界発生器（なくても可）、100は排
気装置、110はプラズマガス（Ar,He,O2など）導入器、1
20は反応ガス（CH4,NH3,CF4,SiF4,O2など）導入器、130
は反応室、140は試料（半導体ウエハなど）台、150は温
度調節器（冷却または加熱器などから成る）、160は反
応微粒子（たとえば高温超電導薄膜の形成のときにはた
とえばBaCO3＋Y2O3＋CuOなどを電子ビームなどで蒸発さ
せて導入）導入装置、170は質量分析器、180は分光器、
190はデータの整理をはじめ各機器を自動制御（最適
化）するためのマイクロコンピュータを示す。この実施
例では、前述したギャップ部ｄが前記メタルエンドプレ
ート70をネジあるいはスペーサ等によって調整すること
により可変できるように構成されている。また、前記内
導体51の径は前記同軸変換器50部で太くなっている（ド
アノブ形）。 このように構成すると、例えば酸化物高温超伝導薄膜
の作成の時、低圧力（10-4Torr以下）でプラズマガスで
ある酸素（O2）をイオン化でき、この時発生する低エネ
ルギーの酸素のラジカル化やイオンと反応微粒子として
導入した、例えばBa,Y,Cuの金属原子とが物理的化学的
に反応して試料台140上の基板にマイクロコンピュータ1
90で最適化しながら、良質の膜を低温かつ短時間で作製
することができる。 第３図は本発明の別の第３実施例を示す。この実施例
は、プラズマからイオンや中性粒子を引き出し、材料の
表面改質や処理を行う装置を示す。ここで、50は円形同
軸導波管、51は内導体、52は円筒状外導体、60はプラン
ジャ、70はメタルエンドプレート（種々の変形が可
能）、71はメタルチョーク、80は放電管、90は磁界発生
器（なくても可）、100は排気装置、110は試料ガスやキ
ャリアガスなどの導入器、120は試料ガスや反応ガスな
どの導入器、130は反応室、140は試料台、150は温度制
御装置、180は分光器、200はイオン引出し器を示す。な
お、イオン引出し器200は電子または中性粒子（原子や
ラジカル）取り出し器として構成することもできる。 このように構成すると、大口径で均一な高密度の試料
ガスやキャリアガスのプラズマが生成できる。そして、
例えば前記イオン引出し器200を用いて、前記プラズマ
から大口径で均一な高密度のイオンビームを取出し、前
記試料台140にセットした基板の表面処理や表面改質を
短時間かつ低温で行うことができる。 また、前記イオンビームでターゲットをスパッタし、
前記基板にターゲット材料をデポジットすることもでき
る。さらに、前記中性粒子を用いても表面処理などがで
きる。 第４図は生体分野等の微量元素の分析等に応用した本
発明の第４の実施例の基本構成を示す。ここで、300は
マイクロ波発生系で、マグネトロンなどのマイクロ波発
振器や高圧電源，マイクロ波電力計,E−Ｈ（またはスタ
ブ）チューナなどから成る。400はマイクロ波プラズマ
発生系で、第１図（イ）を基本として、第５図に示すよ
うな円形同軸導波管，内側導体，メタルエンドプレー
ト，放電管などから成る。500は試料ガス等導入系で、
試料，キャリアガス，ネブライザなどから構成される。
600は測定・分析系で、分光器や質量分析器などから成
る。700は制御系でマイクロコンピュータなどから成
る。700は制御系でマイクロコンピュータなどから成
り、データの整理や本装置の最適制御などを行う。本実
施例での動作圧力は、大電力を安定に供給できることか
ら、大気圧を基本とし、放電管等の直径も前記第２およ
び第３の実施例に比べ小さくてよい。 第５図は本発明の第４図に示した実施例におけるプラ
ズマ発生系400の一実施例の詳細を示す。ここで、50は
銅やアルミニウムなどから成る扁平型の導波管（内寸:
8.6mm×109.2mm×84mm）に形成した同軸導波管変換器、
51は銅などから成る内導体（同軸変換部で形状は例えば
同図のように円錐台（例えば底部直径40mm,上部直径15m
m,高さ30mm）から成る）で、その軸上部には放電管80を
通すための円筒状空洞53（直径例えば４〜12mm）が設け
てある。52は銅などから成る円筒形外導体で、銅などか
ら成る円盤状のエンドプレート70が取付けてある。前記
エンドプレート70には、前記内導体51に設けた前記円筒
状空洞53の内径とほぼ等しい内径の開口72が設けてあ
り、その周囲の厚さはその外周部より同心状に薄くして
ある（厚さ0.1mm）。さらに、前記内導体51の先端部
と前記エンドプレート70とのギャップｄ（0.5〜20mm）
は調整できるように構成してある。80は石英などから成
る放電管（内径：例えば４〜10mm）で、その一端は開放
するとともに、その他端は径方向からプラズマガス501
（He,N2,Arなど）が供給できるように枝管81が設けてあ
る。また、前記放電管80の他端部からは同軸状に石英な
どから成る内管82を設け、その一端からはネブライザ
（図示せず）などを経て試料とともにキャリアガス（前
記プラズマガス501と同種）など500を導入する。510は
前記放電管80や内導体51などを冷却するための冷却系
で、冷却剤入口511から冷却剤502（例えば、空気、水で
も可。このときは水の出口を設け、前記内導体51と前記
放電管80を冷却するように構成する。）を供給する。こ
のように構成すると、前記放電管80をはじめ前記内導体
51や前記メタルエンドプレート70を効率よく冷却するこ
とができる。800は拡散プラズマ、801はドーナツ状高温
プラズマを示す。なお、前記放電管80や前記内導体51な
どの形状や大きさは限定するものではない。 このように構成すると、前記同軸導波管変換器50に供
給したマイクロ波電力（例えば、2.45GHz,2KW）は、
前記内導体51と前記メタルエンドプレート70のギャップ
ｄ部に集中し、第１図（ロ）に示すような電界分布が得
られる。このため、前記枝管81より導入したプラズマガ
ス501はイオン化され、ドーナツ状の高温のプラズマ801
を前記放電管80の内部に発生する。そして、分析すべき
前記試料など500を前記内管82から前記ドーナツ状高温
プラズマ801の中心部に導入すると、試料は周辺部に拡
散することなく、効率よく原子化→励起化→イオン化を
生ずる。このとき発生する光を前記分光器600に、また
イオンはイオンサンプリングインタフェース系（図示せ
ず）を経て前記質量分析器600に導入すると、高周波
（例えば27MHz）誘導プラズマを用いる場合に比べて
も、高感度で定量分析を行うことができる。なお、試料
としては溶液でも直接分析でき、さらに、有機物やハロ
ゲンなど特に制限はない。また、プラズマガスもHe,N2,
Arなどを用いることができ、特に制限はない。 その他、本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、全
てのプラズマを用いる装置を適用することができる。ま
た、パルス的にプラズマを発生させることもできる。
本発明によれば、マイクロ波電力を円形同軸導波管に
設けた前記ギャップｄでプラズマと表面波とを結合させ
るため、同軸ケーブルを用いることなく大電力で安定に
供給でき、しかも効率よくプラズマに吸収させることが
できるので、低圧力（10-6Torr程度）から高圧力（大気
圧）まで広範囲に、高温・高密度のプラズマを種々のガ
スについて目的に応じて生成できる効果がある。 さらに、外部磁界を重畳することにより、カットオフ
密度以上の高密度プラズマを種々のガスについて生成す
ることができる。 したがって、本発明のプラズマはエッチングやデポジ
ションをはじめ新しい材料の創製や表面加工・改質など
に応用でき、さらに元素分析などにおける発光やイオン
源等として幅広く用いることのできる利点がある。
設けた前記ギャップｄでプラズマと表面波とを結合させ
るため、同軸ケーブルを用いることなく大電力で安定に
供給でき、しかも効率よくプラズマに吸収させることが
できるので、低圧力（10-6Torr程度）から高圧力（大気
圧）まで広範囲に、高温・高密度のプラズマを種々のガ
スについて目的に応じて生成できる効果がある。 さらに、外部磁界を重畳することにより、カットオフ
密度以上の高密度プラズマを種々のガスについて生成す
ることができる。 したがって、本発明のプラズマはエッチングやデポジ
ションをはじめ新しい材料の創製や表面加工・改質など
に応用でき、さらに元素分析などにおける発光やイオン
源等として幅広く用いることのできる利点がある。
第１図（イ）は本発明によるマイクロ波プラズマ発生装
置の主要構成図、同図（ロ）はそのギャップ部における
電界強度分布図、第２図は本発明のプラズマ反応装置へ
の応用を示す実施例の構成図、第３図は本発明のイオン
源およびそのプロセスへの応用を示す実施例の構成図、
第４図は本発明の分析機器への応用を示す実施例のブロ
ック図、第５図は第４図におけるマイクロ波プラズマ発
生系400の詳細を示す構成図である。 10……高圧電源、20……マイクロ波発振器、50……円形
同軸導波管、51……円筒状内導体、52……円筒系外導
体、70……メタルエンドプレート、71……メタルチョー
ク、80……放電管、90……磁界発生器、100……排気装
置、110……ガス導入器、120……反応ガス導入器、130
……反応室、140……試料台、190……マイクロコンピュ
ータ、200……イオン引出器、300……マイクロ波発生
系、400……マイクロ波プラズマ発生系、500……ガス導
入系、600……測定分析系、801……ドーナツ状プラズ
マ。
置の主要構成図、同図（ロ）はそのギャップ部における
電界強度分布図、第２図は本発明のプラズマ反応装置へ
の応用を示す実施例の構成図、第３図は本発明のイオン
源およびそのプロセスへの応用を示す実施例の構成図、
第４図は本発明の分析機器への応用を示す実施例のブロ
ック図、第５図は第４図におけるマイクロ波プラズマ発
生系400の詳細を示す構成図である。 10……高圧電源、20……マイクロ波発振器、50……円形
同軸導波管、51……円筒状内導体、52……円筒系外導
体、70……メタルエンドプレート、71……メタルチョー
ク、80……放電管、90……磁界発生器、100……排気装
置、110……ガス導入器、120……反応ガス導入器、130
……反応室、140……試料台、190……マイクロコンピュ
ータ、200……イオン引出器、300……マイクロ波発生
系、400……マイクロ波プラズマ発生系、500……ガス導
入系、600……測定分析系、801……ドーナツ状プラズ
マ。
Claims (13)
- 【請求項１】同軸状に配置された内導体と外導体から成
る同軸状導波管と、 該同軸状導波管の一端に導波管からのマイクロ波を該内
導体へ導くための変換器を有し、 該外導体の他端にエンドプレートを設け、該エンドプレ
ートと該内導体の間のギャップ部でプラズマを発生させ
るための表面波を形成することを特徴とするマイクロ波
プラズマ発生装置。 - 【請求項２】一端にガスを導入する口を有し、他端が開
放されている絶縁物から成る放電管と、 該放電管と同軸状に配設された内導体と外導体から成る
同軸状導波管と、 該同軸状導波管の一端にマイクロ波電力を該内導体に導
入するための変換器を設け、 該外導体の端部にエンドプレートを有し、該エンドプレ
ートと該内導体から成るギャップ部で表面波を発生して
放電管にプラズマを発生することを特徴とするマイクロ
波プラズマ発生装置。 - 【請求項３】一端に試料ガスを導入する口を有し、他端
が開放されている絶縁物から成る放電管と、 該放電管の横側からプラズマガスを供給する供給口を有
し、 該放電管と同軸状に配設された内導体と外導体から成る
同軸状導波管と、 該同軸状導波管の一端にマイクロ波電力を該内導体に導
入するための変換器を設け、 該外導体の端部にエンドプレートを有し、該エンドプレ
ートと該内導体から成るギャップ部で表面波を発生して
所定ガス圧にある放電管にプラズマを発生することを特
徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。 - 【請求項４】前記変換器としてＥ面の寸法をＨ面の寸法
より小さくしたことを特徴とする特許請求の範囲第３項
記載のマイクロ波プラズマ発生装置。 - 【請求項５】前記変換器としてＥ面の寸法を定形導波管
より小さくした扁平型導波管を用いたことを特徴とする
特許請求の範囲第３項乃至第４項記載のマイクロ波プラ
ズマ発生装置。 - 【請求項６】前記内導体が円錐台であることを特徴とす
る特許請求の範囲第３項記載のマイクロ波プラズマ発生
装置。 - 【請求項７】前記キャッブ部のギャップ長が可変され得
ることを特徴とする特許請求の範囲第３項または第６項
のいずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装置。 - 【請求項８】前記キャップ部のギャップ長が0.5mmから2
0mmであることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載
のマイクロ波プラズマ発生装置。 - 【請求項９】前記放電管のガス圧が1/106Torrから760To
rrであることを特許請求の範囲第３項または第８項のい
ずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装置。 - 【請求項１０】前記内導体と前記放電管の間に冷却剤を
導入する導入口を有することを特許請求の範囲第３項ま
たは第９項のいずれか記載のマイクロ波プラズマ発生装
置。 - 【請求項１１】前記プラズマガスとして、H2,He,O2,N2,
Ar,Xe,CH4,NH3,SiH4,CF4,SiF4を用いることを特徴とす
る特許請求の範囲第３項または第10項のいずれか記載の
マイクロ波プラズマ発生装置。 - 【請求項１２】一端に試料ガスを導入する口を有し、他
端が開放されている絶縁物から成る放電管と、 該放電管の横側からプラズマガスを供給する供給口を有
し、 該放電管と同軸状に配設された内導体と外導体から成る
同軸状導波管と、 該同軸状導波管の一端にマイクロ波電力を該内導体に導
入するための変換器を設け、 該外導体の端部にエンドプレートを有し、該エンドプレ
ートと該内導体から成るギャップ部で表面波を発生して
所定ガス圧にある放電管にプラズマを発生し、該プラズ
マ中の所定のイオンを選択するイオンサンプリングイン
ターフェース部と、 所定のイオンの質量を分析する質量分析部とから成るこ
とを特徴とするマイクロ波プラズマ質量分析装置。 - 【請求項１３】上記ギャップ部の周囲に設けられた磁界
印加手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第12
項記載のマイクロ波プラズマ質量分析装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1038219A JP2781585B2 (ja) | 1988-02-24 | 1989-02-20 | マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63-39384 | 1988-02-24 | ||
| JP3938488 | 1988-02-24 | ||
| JP1038219A JP2781585B2 (ja) | 1988-02-24 | 1989-02-20 | マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8030322A Division JP2970520B2 (ja) | 1996-02-19 | 1996-02-19 | プラズマ発生装置及びプラズマ発生装置を用いた分析装置並びに質量分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01309300A JPH01309300A (ja) | 1989-12-13 |
| JP2781585B2 true JP2781585B2 (ja) | 1998-07-30 |
Family
ID=26377416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1038219A Expired - Lifetime JP2781585B2 (ja) | 1988-02-24 | 1989-02-20 | マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2781585B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0997586A (ja) * | 1995-09-29 | 1997-04-08 | Hitachi Ltd | プラズマを用いた分析装置と方法、これに用いるインターフェース、及び、これに用いる試料導入部品 |
| JPH09115476A (ja) * | 1995-10-19 | 1997-05-02 | Seiko Instr Inc | プラズマイオン質量分析装置 |
| JP3650551B2 (ja) | 1999-09-14 | 2005-05-18 | 株式会社日立製作所 | 質量分析計 |
| JP4772232B2 (ja) * | 2001-08-29 | 2011-09-14 | アジレント・テクノロジーズ・インク | 高周波増幅回路及び高周波増幅回路の駆動方法 |
| JP2005235464A (ja) * | 2004-02-17 | 2005-09-02 | Toshio Goto | プラズマ発生装置 |
-
1989
- 1989-02-20 JP JP1038219A patent/JP2781585B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01309300A (ja) | 1989-12-13 |
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Legal Events
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