JP2959508B2

JP2959508B2 - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2959508B2
Application number: JP9047297A
Authority: JP
Inventors: 修一前野; 靖典安東; 恭博松田
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: TW366677B; KR19980071355A; US6060836A; JPH10229000A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、高周波放電によ
って種プラズマを発生させ、更にこの種プラズマ中の電
子を用いて直流放電によって主プラズマを発生させるプ
ラズマ発生装置および当該プラズマ発生装置を用いてそ
の主プラズマからイオンビームを引き出すイオン源に関
する。

【０００２】このようなプラズマ発生装置は、イオン源
以外にも、例えば、プラズマＣＶＤ装置、プラズマエッ
チング装置等のプラズマ装置に利用することができる。
また、このようなプラズマ発生装置を用いたイオン源
は、例えば、液晶基板製造用のイオンドーピング装置
（非質量分離型のイオン注入装置）、その他半導体基板
等へのイオン注入装置等のイオンビーム装置に利用する
ことができる。

【０００３】

【従来の技術】電子発生室とプラズマ生成室とを別個に
設けたイオン源が、例えば特公平７−４６５８６号公報
に記載されている。

【０００４】この公報に記載されたイオン源の一例を図
９に示す。このイオン源は、ガス（反応性ガス）１０２
およびマイクロ波１０４を導入してプラズマを発生させ
て電子を作る電子発生室１００と、この電子発生室１０
０に絶縁物１０８および電子引出し電極１１０を介して
連結されたプラズマ生成室１１２と、このプラズマ生成
室１１２の開口部に設けられたビーム引出し電極１１６
とを備えている。電子発生室１００の外側の周囲には、
その軸方向に、プラズマ閉じ込め用の（具体的にはＥＣ
Ｒ条件を満たす）直流磁界を発生させる円筒コイル１０
６が巻かれている。プラズマ生成室１１２の周囲には、
カスプ磁場を作る永久磁石１１４が設けられている。

【０００５】このイオン源においては、電子発生室１０
０内でプラズマが作られ、このプラズマから電子引出し
電極１１０によって電子のみがプラズマ生成室１１２内
に引き出され、この電子を用いて電子引出し電極１１０
とプラズマ生成室１１２間でアーク放電を起こさせてプ
ラズマ生成室１１２内にプラズマが作られる。更にこの
プラズマから、ビーム引出し電極１１６によってイオン
ビーム１１８が引き出される。プラズマ生成室１１２に
電子を供給するのは、プラズマ生成室１１２でのアーク
放電開始およびプラズマ生成を円滑化する等のためであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記イオン源において
は、プラズマ生成室１１２とは別個に電子発生室１００
を設けているため、この電子発生室１００を設けるぶ
ん、イオン源全体が大型化するという課題がある。

【０００７】また、大面積のイオンビーム１１８を得る
ためにはプラズマ生成室１１２を大型化（大面積化）す
る必要があるが、その場合、プラズマ生成室１１２内に
均一性の高いプラズマを生成するためには、一つのプラ
ズマ生成室１１２に対して複数個の電子発生室１００を
設けて複数箇所から電子を分散して供給する必要がある
が、電子発生室１００はその内部でのプラズマの損失を
小さくする等のためにある程度大型化せざるを得ず、従
ってそのような大型の電子発生室１００を、相互に機械
的あるいは磁気的に干渉することなく一つのプラズマ生
成室１１２に対して複数個配置することは困難である。
従って、プラズマやイオンビームの大面積化が困難であ
る。

【０００８】特に、上記例のようにプラズマ閉じ込め用
の円筒コイル１０６を電子発生室１００の外側に設けて
いる場合は、この円筒コイル１０６のぶん、イオン源全
体が更に大型化すると共に、一つのプラズマ生成室１１
２に対して複数個の電子発生室１００を設置することは
一層困難になる。また、円筒コイル１０６励磁用の直流
電源も必要になり、この意味からも装置全体が大型化す
ると共にコストも嵩む。

【０００９】そこでこの発明は、大型化の原因になる上
記のような電子発生室を設けずに、小型の手段によって
種プラズマを発生させるようにし、それによって装置全
体の小型化を可能にすると共に、大面積化をも容易にし
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
することを主たる目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係るプラズマ
発生装置の一つは、ガスが導入されるプラズマ生成容器
と、このプラズマ生成容器内にそれとは絶縁して挿入さ
れていて、挿入された部分に永久磁石を有し、かつ外部
から高周波が供給され、当該永久磁石が作る磁場中の高
周波放電によって前記ガスを電離させて当該永久磁石の
近傍に種プラズマを発生させる高周波線路と、この高周
波線路と前記プラズマ生成容器との間に前者を負極側に
して直流電圧を印加して、前記種プラズマ中の電子を前
記プラズマ生成容器に向けて加速して、この電子を用い
て前記高周波線路と前記プラズマ生成容器との間に直流
放電を生じさせて前記プラズマ生成容器内に主プラズマ
を発生させる直流電源とを備えることを特徴としてい
る。

【００１１】上記プラズマ発生装置によれば、プラズマ
生成容器内にガスを導入し、高周波線路に高周波を供給
すると、プラズマ生成容器内に挿入された高周波線路の
永久磁石の近傍で高周波放電が生じ、それによってその
付近のガスを電離させて、永久磁石の近傍に種プラズマ
が作られる。このとき、永久磁石の作る磁場は、種プラ
ズマを永久磁石近傍に閉じ込めて高密度の種プラズマを
効率良く生成する作用をする。

【００１２】そして、高周波線路とプラズマ生成容器と
の間に印加された直流電圧によって、前記種プラズマ中
の電子がプラズマ生成容器内壁に向けて加速され、この
電子が種となって、プラズマ生成容器内に直流放電が生
じ、これによってガスを電離させて主プラズマが生成さ
れる。このとき、種プラズマからの電子は、直流放電開
始および主プラズマ生成を円滑化する等の働きをする。

【００１３】このように、このプラズマ発生装置によれ
ば、従来例のような電子発生室を設けることなく、プラ
ズマ生成容器内において種プラズマを発生させ、かつ当
該種プラズマ中の電子を用いて主プラズマを発生させる
ことができる。しかも上記の永久磁石を有する高周波線
路は、従来例の電子発生室に比べて遙かに小型にするこ
とができる。その結果、装置全体を小型化することがで
きる。また、同上の理由によって、一つのプラズマ生成
容器に対して上記高周波線路を複数個設けることも容易
であるので、大面積化も容易であり、従って大面積かつ
均一性の高いプラズマ生成が可能になる。

【００１４】この発明に係るイオン源は、上記のような
プラズマ発生装置のプラズマ生成容器の開口部に引出し
電極を設けたものであり、従って上記と同じ理由から、
イオン源全体を小型化することができる。また、大面積
化も容易であり、従って大面積かつ均一性の高いイオン
ビームの引き出しが可能になる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るプラズマ
発生装置を用いたイオン源の一例を示す断面図である。
図２は、図１中の永久磁石周りの拡大断面図である。

【００１６】このイオン源は、プラズマ発生装置２を構
成するプラズマ生成容器４の開口部１２の近傍に、プラ
ズマ生成容器４内に作られる主プラズマ４８から電界の
作用でイオンビーム６４を引き出す引出し電極６０を設
けた構造をしている。

【００１７】引出し電極６０は、この例では、２枚の共
に多孔の第１電極６１および第２電極６２から成る。但
し、この引出し電極６０を、１枚または３枚以上の電極
で構成しても良いし、各電極に、多孔の代わりに、１以
上の孔またはスリットを設けても良い。

【００１８】プラズマ発生装置２は、この例では、ガス
導入口１４からプラズマ化すべきガス１６が導入される
プラズマ生成容器４を有している。このプラズマ生成容
器４は、この例では、筒状（例えば円筒状または角筒
状）の側壁部６とその背面の蓋をする背面板８とから成
る。プラズマ生成容器４の下端部には前記開口部１２が
ある。このプラズマ生成容器４内にプラズマ生成室１０
が形成されている。

【００１９】プラズマ生成容器４の周囲には、プラズマ
生成容器４内に向かう磁極がＮ、Ｓ、Ｎ・・・と交互に
配置されていて、プラズマ生成容器４の内壁付近にカス
プ磁場を形成する複数の永久磁石１８が配置されてい
る。背面板８の外側にも、同様のカスプ磁場を形成する
永久磁石を配置しても良い。プラズマ生成容器４は、永
久磁石１８からの磁界を乱さないために、非磁性体から
成る。

【００２０】プラズマ生成容器４内に、この例では背面
板８を貫通して、高周波線路の一例としての同軸線路２
０が外から挿入されている。この同軸線路２０（より具
体的にはその外部導体２４）とプラズマ生成容器４（よ
り具体的にはその背面板８）とは、絶縁物３８によって
電気的に（直流的に）絶縁されている。これは、両者間
に、後述する直流電源５６等によって直流電圧を印加す
るためである。

【００２１】同軸線路２０は、この例では筒状（円筒
状）の中心導体２２と、それを囲む筒状（円筒状）の外
部導体２４とを有している。この同軸線路２０内は、絶
縁気密部３６によって、プラズマ生成容器４内側と大気
側とに気密分離されている。

【００２２】絶縁気密部３６は、図２に示すように、中
心導体２２と外部導体２４との間を電気的に絶縁するこ
の例では３段の絶縁物５２と、気密保持用のこの例では
２段のＯリング５４とを有しており、これによって気密
保持の強化を図っている。

【００２３】同軸線路２０の大気側には、この同軸線路
２０に（具体的にはその中心導体２２と外部導体２４間
に）高周波の一例としてのマイクロ波を供給するマグネ
トロン３２が接続されている。このマグネトロン３２の
出力導体３４は、中心導体２２に接触させても良いし、
図７に示すように両者間に小さな（例えば１ｍｍ程度
の）隙間３５があっても電磁的に結合するのでマイクロ
波の供給は可能である。出力導体３４を中心導体２２に
固定していないのは、中心導体２２を矢印Ａに示すよう
に上下させて後述するチューニングを可能にするためで
ある。

【００２４】この例では、同軸線路２０にマグネトロン
３２を直に接続しているが、これは装置をよりコンパク
トにまとめるためであり、必要に応じて、別に設けたマ
イクロ波源から導波管、整合器、同軸ケーブル等を経由
して同軸線路２０にマイクロ波を供給しても良い。ま
た、同軸線路２０にマイクロ波ではなく高周波を供給す
る場合は、上記マグネトロン３２やマイクロ波源の代わ
りに高周波発振器を用いれば良い。また、この例ではチ
ューニング等のために、同軸線路２０をプラズマ生成容
器４（より具体的にはその背面板８）の外に突き出して
いるが、この突き出している部分をなくして、同軸線路
２０のほぼ全体をプラズマ生成容器４内に挿入すること
も、勿論可能である。

【００２５】同軸線路２０の大気側終端は、中心導体２
２と外部導体２４とを電気的に短絡する短絡器３０によ
って電磁波的に固定端としている。同軸線路２０のプラ
ズマ生成容器４内側の終端は、短絡端としても良いが、
この例では中心導体２２の出し入れを許容するために、
隙間２５を設けて開放端としている。

【００２６】同軸線路２０のプラズマ生成容器４内に位
置する部分の中心導体２２内に、永久磁石４０を収納し
ている。この永久磁石４０からの磁界を乱さないため
に、少なくとも永久磁石４０の近傍の中心導体２２およ
び外部導体２４は非磁性体から成る。この例では、中心
導体２２および外部導体２４の全体を非磁性体で構成し
ている。永久磁石４０は、非磁性体から成る詰物２８に
よってその位置が固定されている。

【００２７】永久磁石４０は、この例では、図２および
図３も参照して、中心導体２２に沿う方向に複数個（図
示例では３個であるがそれに限らない）並べられてお
り、同軸線路２０の（より具体的にはその中心導体２２
の）表面近傍にカスプ磁場を形成している。より具体的
には、この例では、円筒状の複数の永久磁石４０を、互
いの間に間隔をあけて、かつ隣り合う二つの永久磁石４
０の磁極が同極性で向かい合うように、中心導体２２の
長手方向に並べている。図２および図３中に、この各永
久磁石４０から出入りする磁力線４２を模式的に示す。

【００２８】種プラズマ４４等からの熱を除去して永久
磁石４０を保護するために、同軸線路２０には永久磁石
４０の冷却機構を設けるのが好ましい。そのためにこの
例では、中心導体２２内に冷却水通路（図示省略）を設
けて水冷構造にしている。

【００２９】少なくとも前記永久磁石４０を囲む部分の
外部導体２４には、複数の孔２６を設けている。この孔
２６を設けることによって、外部導体２４外にマイクロ
波が漏出するのを防止しつつ、外部導体２４内に作られ
る種プラズマ４４やそれからの電子４６を引き出すこと
ができる。この孔２６は、複数の孔やスリットでも良い
し、多数の小孔でも良い。また、外部導体２４を網目状
にしても良く、その網目が上記孔となる。更には、外部
導体２４は、隙間をあけて多段に積み重ねられた円板で
構成しても良く、その隙間が上記孔となる。

【００３０】上記中心導体２２（より具体的にはこの例
ではその外部導体２４）とプラズマ生成容器４との間に
は、前者を負極側にし後者を正極側にして、直流電源５
６が接続されており、この直流電源５６から両者間に、
例えば５０〜１５０Ｖ程度のアーク放電用の直流電圧が
印加される。

【００３１】動作を説明すると、プラズマ生成容器４内
を十分に、例えば５×１０^-6Ｔｏｒｒ程度の真空に排気
した後、ガス導入口１４からプラズマ化すべき所望のガ
ス１６を導入し、プラズマ生成容器４内を、直流アーク
放電に適当な圧力、例えば２×１０^-4〜２×１０^-3Ｔｏ
ｒｒ程度の圧力に維持する。その状態で、マグネトロン
３２から同軸線路２０にマイクロ波を供給すると、永久
磁石４０の近傍において中心導体２２と外部導体２４間
でマイクロ波放電が生じ、それによってその付近のガス
１６を電離させて、永久磁石４０の近傍に種プラズマ４
４が作られる。このとき、永久磁石４０の作る磁場は、
種プラズマ４４中の電子軌道を旋回軌道にして、即ち電
子を磁力線４２の周りに巻き付けて、当該電子ひいては
種プラズマ４４を永久磁石４０の近傍に閉じ込めて高密
度の種プラズマ４４を効率良く生成する作用をする。

【００３２】プラズマ生成容器４内の中心導体２２の表
面は、この例のように絶縁シース５０で覆っておくのが
好ましい。そのようにすると、絶縁シース５０に種プラ
ズマ４４中の電子が入射するとその表面が負に帯電して
電子を押し返す働きをするので、種プラズマ４４中の電
子が中心導体２２に衝突して損失するのを抑制して、高
密度の種プラズマ４４をより効率良く生成することがで
きる。

【００３３】種プラズマ４４中の電子は、永久磁石４０
の磁力線４２に沿って運動するので、外部導体２４に設
けた孔２６を通して外部導体２４外に、即ちプラズマ生
成室１０に導出される。従って、永久磁石４０の近傍の
同軸線路２０の周囲は、種プラズマ４４によって満たさ
れる。従ってこの辺りを、種プラズマ生成部と呼ぶこと
もできる。

【００３４】外部導体２４とプラズマ生成容器４間には
前述したように直流電源５６から前者を負極側にして直
流電圧が印加されているので、種プラズマ４４中の電子
４６は、当該直流電圧によってプラズマ生成容器４の内
壁に向けて加速され、その途中でプラズマ生成容器４内
のガス１６に衝突してそれを電離させる。これが種とな
って、プラズマ生成容器４内において外部導体２４とプ
ラズマ生成容器４内壁との間で直流アーク放電が生じ、
それによってガス１６を更に電離させて、プラズマ生成
容器４内に主プラズマ４８が生成される。このように、
種プラズマ４４からの上記電子４６は、プラズマ生成容
器４内におけるアーク放電開始および主プラズマ生成を
円滑化する等の働きをする。

【００３５】更にこの例では、引出し電極６０を設けて
いるので、上記主プラズマ４８から、引出し電極６０に
よる電界の作用で、イオンビーム６４を引き出すことが
できる。

【００３６】このように、上記プラズマ発生装置２によ
れば、従来例のような電子発生室を設けることなく、プ
ラズマ生成容器４内において種プラズマ４４を発生さ
せ、かつ当該種プラズマ４４中の電子４６を用いて主プ
ラズマ４８を発生させることができる。しかも、同軸線
路２０は、永久磁石４０を内蔵する寸法を確保すれば良
く、従来例の電子発生室に比べて遙かに小型にすること
ができる。例えば、同軸線路２０のプラズマ生成容器４
内部分の外径は、３０〜４０ｍｍφ程度以下にすること
も可能である。

【００３７】従って、電子発生室をプラズマ生成室とは
別個に設けた従来例に比べて、プラズマ発生装置２全体
を遙かに小型化することができる。

【００３８】また、永久磁石４０を内蔵した同軸線路２
０を小型にすることができるので、一つのプラズマ生成
容器４に対して当該同軸線路２０を複数個設けることも
容易であり、従って当該プラズマ発生装置２の大面積化
も容易であり、これによって大面積かつ均一性の高い主
プラズマ４８の生成、ひいてはイオンビーム６４の引き
出しが可能になる。

【００３９】例えば、幅広の被処理物（例えばガラス基
板）を処理する場合、プラズマ生成容器４を当該被処理
物の幅方向に細長い直方体状にすることが多いが、この
ような場合にも容易に対応することができる。例えば、
被処理物の幅が６０ｃｍ程度の場合は、永久磁石４０を
内蔵した同軸線路２０を３個程度、１００ｃｍ程度の場
合は５個程度、プラズマ生成容器４の長手方向に（即ち
被処理物の幅方向に）並設することによって、プラズマ
生成容器４の長手方向においても均一性の十分に高い主
プラズマ４８の生成ひいてはイオンビーム６４の引き出
しが可能である。

【００４０】また、図９に示した従来例と比べて、円筒
コイル１０６、その励磁用の直流電源および電子引出し
電極１１０用の直流電源Ｖ₁も不要になるので、この意
味からも装置全体の小型化および低コスト化を図ること
ができる。

【００４１】また、図９に示した従来例では、円筒コイ
ル１０６は電子発生室１００の外側を取り囲むため大型
になり、この円筒コイル１０６からプラズマ生成室１１
２への磁場の張り出しが大きくなってプラズマ生成室１
１２のプラズマの均一性、ひいてはそれから引き出すイ
オンビーム１１８の均一性を低下させる要因となる。こ
れに対して、上記プラズマ発生装置２では、永久磁石４
０は小型のもので良く、同軸線路２０の近傍にのみ磁場
を作れば良いので、この永久磁石４０による磁場は、主
プラズマ４８の均一性には殆ど悪影響を与えない。

【００４２】なお、上記プラズマ発生装置２は、引出し
電極６０と組み合わせてイオン源とせずに、それだけで
使用することも勿論可能である。その場合は、プラズマ
生成容器４に開口部１２を設けるか否かは任意である。
例えば、プラズマ生成容器４内に被処理物を収納して、
主プラズマ４８によって当該被処理物にプラズマＣＶ
Ｄ、プラズマエッチング等の処理を施すことも可能であ
る。

【００４３】上記永久磁石４０について更に説明する
と、中心導体２２内には、前述した（図１〜図３参照）
ようなカスプ磁場を形成する複数の永久磁石４０を設け
る代わりに、図４または図５に示すような細長い１個の
永久磁石４０を設けても良い。これらの長所と短所を比
較すれば次のとおりである。

【００４４】図４の永久磁石４０は、細長い円柱状であ
ってその上下の両端面にＮ極とＳ極とを有している。こ
のような永久磁石４０ででも勿論、それが作る磁場によ
って当該永久磁石４０の近傍に、前述した種プラズマ４
４を発生させかつそれを閉じ込めることができる。この
永久磁石４０の場合は、その磁力線４２に直交する方向
Ｂには磁石面がないので電子のドリフトロスは少ないけ
れども、磁力線４２に沿う方向Ｃには電子は自由にドリ
フトでき、ドリフトロスが比較的大きい。電子のドリフ
トロスが大きいと、種プラズマ４４の生成効率が低下す
る。また、磁界が遠くまで及ぶので、主プラズマ４８に
影響を与える度合いは一番大きい。また、磁場強度がほ
ぼ一定な領域が狭いので、例えば同軸線路２０の近傍に
ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）条件を満たす磁場を
発生させる場合、当該条件を満たす領域が狭い。

【００４５】図５の永久磁石４０は、細長い角柱状であ
ってその相対向する２側面にＮ極とＳ極とを有してい
る。このような永久磁石４０ででも勿論、上記と同じ理
由によって、当該永久磁石４０の近傍に種プラズマ４４
を発生させかつ閉じ込めることができる。この永久磁石
４０の場合は、磁界が遠くまで及ばないので、主プラズ
マ４８に与える影響は小さい。また、磁場強度がほぼ一
定な領域が広いので、同軸線路２０の近傍において広い
領域でＥＣＲ条件を満たすことができる。しかし、磁力
線４２に直交する方向Ｂに電子が自由にドリフトするこ
とができるので、この方向のドリフトロスが大きい。ま
た、磁力線４２に沿う方向Ｃに大面積の磁極面があるの
で、この方向Ｃのドリフトロスも比較的大きい。

【００４６】図３の永久磁石４０は、図１〜図２に示し
た実施例のものである。この永久磁石４０の場合は、小
さい磁石を複数個用いていて、磁界が遠くまで及ばない
ので、主プラズマ４８に与える影響は小さい。また、磁
場強度がほぼ一定に近い領域が広いので、同軸線路２０
の近傍において広い領域でＥＣＲ条件を満たすことがで
きる。また、磁力線４２に直交する方向Ｂには磁極面が
ないので電子のドリフトロスが小さい。更に、磁力線４
２に沿う方向Ｃのドリフトロスについても、カスプ磁場
を形成していて各カスプ部４３で磁場が非常に強くなっ
ていて電子が跳ね返されるので、この方向Ｃのドリフト
ロスも小さい。従って、上記３例の中では、この例の永
久磁石４０が、種プラズマ４４の生成効率が最も高いの
で最も好ましいと言える。

【００４７】なお、上述したように、同軸線路２０にマ
イクロ波を供給し、かつ永久磁石４０によって、種プラ
ズマ４４の生成部に、即ち同軸線路２０やその中心導体
２２の表面近傍に、ＥＣＲ条件（例えば同軸線路２０に
供給するマイクロ波が２．４５ＧＨｚの場合で８７５ガ
ウス）を満たす磁場を発生させるのが好ましい。そのよ
うにすれば、マイクロ波のエネルギーが種プラズマ４４
に共鳴的に吸収され、種プラズマ４４へのマイクロ波の
吸収が促進されるので、より高密度の種プラズマ４４を
より効率良く発生させることができる。

【００４８】再び図１を参照して、この実施例のように
同軸線路２０の中心導体２２を矢印Ａに示すように出し
入れ可能にして、同軸線路２０内の中心導体２２の挿入
長さを可変にするのが好ましく、そのようにすれば、同
軸線路２０の共振周波数の調整が可能になり、これによ
って、マグネトロン３２からのマイクロ波を同軸線路２
０に効率良く供給することができる。

【００４９】マグネトロン３２の出力導体３４と短絡器
３０との間の距離Ｌ₁は、次式をほぼ満たすように設定
するのが好ましく、そのようにすれば、同軸線路２０内
に発生する定在波の腹の部分にマグネトロン３２からマ
イクロ波を供給することができるので、同軸線路２０に
マイクロ波を効率良く供給することができる。λは、マ
イクロ波の各媒出中での波長である（以下同様）。

【００５０】

【数１】Ｌ₁＝（λ／４）×（２ｎ−１），ｎ＝１、
２、３・・・

【００５１】絶縁気密部３６の長さＬ₂（図２参照）
は、次式をほぼ満たすように設定するのが好ましく、そ
のようにすれば、絶縁気密部３６の一方の端面からの反
射波と他方の端面からの反射波の位相が１８０度反転す
るので、当該絶縁気密部３６でのマイクロ波の反射を小
さくして、同軸線路２０にマイクロ波を効率良く供給す
ることができる。

【００５２】

【数２】Ｌ₂＝（λ／４）×（２ｎ−１），ｎ＝１、
２、３・・・

【００５３】図６は、この発明に係るプラズマ発生装置
を用いたイオン源の他の例を示す断面図である。図１の
例との相違点を主体に説明すると、このプラズマ発生装
置２では、同軸線路２０の中心導体２２と外部導体２４
との間を直流的に絶縁し、中心導体２２とプラズマ生成
容器４との間で直流アーク放電を起こさせ、かつそのと
きの外部導体２４の電位を中心導体２２とプラズマ生成
容器４との間の中間電位に保つ構造としている。従っ
て、放電経路に立ちふさがる図１に示した絶縁シース５
０はこの例では設けていない。

【００５４】詳述すると、外部導体２４の大気側の端部
に、前述した短絡器３０の代わりに、直流絶縁短絡器７
０を設けている。この直流絶縁短絡器７０は、図７に示
すように、中心導体２２を囲む環状の凸部７２ａ、凹部
７２ｂおよび凸部７２ｃを有する短絡器７２と、この短
絡器７２と中心導体２２との間を満たす誘電体７４とか
ら成る。誘電体７４は、例えばアルミナ等のセラミック
スから成る。この誘電体７４によって、中心導体２２と
外部導体２４とは直流的に絶縁している。

【００５５】更に、上記凸部７２ａおよび凹部７２ｂの
長さＬ₃を、λ／４程度としている。このようにするこ
とによって、図７中に矢印Ｄで示すように、同軸線路２
０内から外に向かおうとするマイクロ波７６をほぼ全反
射させることができる。即ち、マイクロ波７６に対して
はこの直流絶縁短絡器７０は短絡器となる（阿部英太郎
著「マイクロ波技術」、東京大学出版会、１９８５年１
１月３０日初版第３刷参照）。凸部７２ｃの長さもこの
例ではλ／４程度としているが、これは任意である。但
し、上記凸部７２ａおよび凹部７２ｂを繰り返せば、マ
イクロ波７６の反射はより全反射に近づく。また、誘電
体７４の誘電率が高い方が、上記長さＬ₃をより小さく
することができる。

【００５６】直流電源５６は、この例では、その負極を
同軸線路２０の中心導体２２に、正極をプラズマ生成容
器４に接続している。更に、同軸線路２０の外部導体２
４とプラズマ生成容器４との間に中間電位抵抗６６を接
続している。

【００５７】このプラズマ発生装置２においては、図１
の例の場合と同様にして種プラズマ４４が作られ、この
種プラズマ４４中の電子４６を用いて、中心導体２２を
陰極とし、プラズマ生成容器４を陽極として両者間に直
流アーク放電が生じて主プラズマ４８が生成される。こ
のとき、直流電源５６からのアーク電流の一部が中間電
位抵抗６６に流れることにより、それに電圧降下ΔＶが
生じ、これによって外部導体２４は、中心導体２２とプ
ラズマ生成容器４との間の中間電位に保たれる。例え
ば、直流電源５６の出力電圧をＶとすると、外部導体２
４の電位は、中心導体２２よりもＶ−ΔＶだけ上がり、
プラズマ生成容器４よりもΔＶだけ下がった電位にな
る。

【００５８】その結果、中心導体２２と外部導体２４と
の間に直流電場が与えられ、この直流電場によって、外
部導体２４内に作られる種プラズマ４４中の電子４６
を、外部導体２４外に積極的に引き出すことができる。
これによって、種プラズマ４４中の電子４６がより効率
良くプラズマ生成室１０内に引き出されて主プラズマ４
８の生成に寄与するので、主プラズマ４８の生成をより
効率良く行うことができる。

【００５９】なお、外部導体２４を中間電位に保つ手段
として、上記中間電位抵抗６６の代わりに、上記ΔＶ相
当の電圧を出力する中間電位電源を、外部導体２４側を
負極にプラズマ生成容器４側を正極にして設けても良
い。

【００６０】図８は、この発明に係るプラズマ発生装置
を用いたイオン源の更に他の例を示す断面図である。図
１および図６の例との相違点を主体に説明すると、この
プラズマ発生装置２では、プラズマ生成容器４内に挿入
された中心導体２２の周りに外部導体２４を設けずに、
当該中心導体２２をプラズマ生成容器４内に露出させ
て、当該中心導体２２を棒状アンテナ７８としている。
この棒状アンテナ７８も高周波線路の一例を成す。この
棒状アンテナ７８には、前述した永久磁石４０が内蔵さ
れている。従ってこの棒状アンテナ７８も、前記同軸線
路２０と同様、プラズマによる熱から永久磁石４０を保
護するために、水冷構造としている。この棒状アンテナ
７８の近傍には、図１および図６の例の場合と同様にし
て、磁場中の高周波あるいはマイクロ波放電によって、
前述した種プラズマ４４が作られる。

【００６１】そして、この棒状アンテナ７８とプラズマ
生成容器４との間に直流電源５６から前者を負極側にし
て直流電圧を印加して、種プラズマ４４中の電子４６を
用いて、棒状アンテナ７８とプラズマ生成容器４間で直
流アーク放電を起こさせて主プラズマ４８を生成する。

【００６２】この例では、プラズマ生成容器４の外側は
必ずしも同軸構造にする必要はないが、ここでは前記例
と同様に同軸線路２０としている。この同軸線路２０の
外部導体２４は、前述した絶縁物３８を介することなく
直接、プラズマ生成容器４に取り付けており、この外部
導体２４と中心導体２２との間は前述した直流絶縁短絡
器７０で直流的に絶縁している。

【００６３】このプラズマ発生装置２では、図１および
図６の例と違って、種プラズマ４４と主プラズマ４８と
の間に、電子４６の消滅原因になる壁面（例えば前述し
た外部導体）が全く存在しないので、電子４６をより効
率良く、主プラズマ４８の生成に使用することができ
る。また、外部導体２４がないぶん、種プラズマ生成部
の構造のより簡略化および小型化が可能である。

【００６４】但し、棒状アンテナ７８からマイクロ波が
プラズマ生成容器４内に漏れるので、棒状アンテナ７８
が１本の場合は問題はないが、棒状アンテナ７８を複数
本設ける場合は、他の棒状アンテナ７８からのマイクロ
波が発振器（マグネトロン）に逆流するのを抑えるため
に、各棒状アンテナ７８とマグネトロンとの間にアイソ
レータを入れるのが好ましい。図１および図６の例の場
合は、外部導体２４が遮蔽になるので、プラズマ生成容
器４内へのマイクロ波の漏れはない。

【００６５】ところで、この例のように永久磁石４０を
内蔵した棒状アンテナ７８を用いる場合は、直流電源５
６を設けずに、上記種プラズマ４４を種にして棒状アン
テナ７８とプラズマ生成容器４との間にマイクロ波放電
を生じさせて主プラズマ４８を生成する、という考えも
ある。しかしその場合は、棒状アンテナ７８に、種プラ
ズマ４４だけを作る場合よりも強力なマイクロ波を供給
する必要があり、そのようにしても、棒状アンテナ７８
に近い種プラズマ４８が主にマイクロ波電力を供給して
種プラズマがますます高密度になるばかりであり、しか
もこの種プラズマ４４は永久磁石４０の磁場に捕らえら
れて拡散しにくいので、棒状アンテナ７８の近傍が特に
濃く、その周りは薄いプラズマしか生成することができ
ない。従って、プラズマ生成容器４内に均一性の高いプ
ラズマを生成することはできない。

【００６６】これに対して、上記例のように直流電源５
６を設けて種プラズマ４４中の電子４６を用いて棒状ア
ンテナ７８とプラズマ生成容器４との間で直流アーク放
電を起こさせるようにすると、棒状アンテナ７８には種
プラズマ４４を作れる程度のマイクロ波を供給すれば良
く、しかもこの種プラズマ４４中の電子を用いた上記直
流アーク放電によるガスの電離作用によって、プラズマ
生成容器４内には均一性の高い主プラズマ４８を生成す
ることができる。

【００６７】

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。

【００６８】請求項１記載の発明によれば、上記のよう
な永久磁石を有する高周波線路および直流電源を設けた
ので、従来例のような電子発生室を設けることなく、プ
ラズマ生成容器内において種プラズマを発生させ、かつ
当該種プラズマ中の電子を用いて主プラズマを発生させ
ることができる。しかも永久磁石を有する高周波線路
は、従来例の電子発生室に比べて遙かに小型にすること
ができる。その結果、装置全体を小型化することができ
る。また、同上の理由によって、一つのプラズマ生成容
器に対して高周波線路を複数個設けることも容易である
ので、大面積化も容易であり、従って大面積かつ均一性
の高いプラズマ生成が可能になる。

【００６９】また、電子発生室の外側に円筒コイルを設
けた従来例に比べて、当該円筒コイル、その励磁用の直
流電源等も不要になるので、この意味からも装置全体の
小型化および低コスト化を図ることができる。更に、当
該円筒コイルからの磁場の張り出しによって主プラズマ
の均一性を低下させるという問題も起こらない。

【００７０】

【００７１】

【００７２】

【００７３】しかも、高周波線路が、外部導体に複数の
孔を有する同軸線路から成るので、プラズマ生成容器内
への高周波の漏れを防止することができる。従って、当
該同軸線路を複数本設ける場合でも、同軸線路相互間で
高周波が干渉したり、他の同軸線路から高周波が逆流し
たりすることを防止することができる。

【００７４】請求項２記載の発明によれば、同軸線路の
外部導体を中間電位に保つことができるので、その直流
電場によって種プラズマ中の電子を外部導体外へ積極的
に引き出すことができ、それによって主プラズマの生成
をより効率良く行うことができる、という更なる効果を
奏する。

【００７５】

【００７６】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る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。

【図２】図１中の永久磁石周りの拡大断面図である。

【図３】図１中の永久磁石の斜視図である。

【図４】永久磁石の他の例を示す斜視図である。

【図５】永久磁石の更に他の例を示す斜視図である。

【図６】この発明に係るプラズマ発生装置を用いたイオ
ン源の他の例を示す断面図である。

【図７】図６中の直流絶縁短絡器周りの拡大断面図であ
る。

【図８】この発明に係るプラズマ発生装置を用いたイオ
ン源の更に他の例を示す断面図である。

【図９】従来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。

【符号の説明】

２プラズマ発生装置４プラズマ生成容器１８永久磁石２０同軸線路（高周波線路）２２中心導体２４外部導体２６孔３２マグネトロン４０永久磁石４４種プラズマ４６電子４８主プラズマ５６直流電源６０引出し電極６４イオンビーム６６中間電位抵抗７８棒状アンテナ（高周波線路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｊ 27/16 Ｈ０１Ｊ 27/16 37/08 37/08 Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/265 21/265 Ｆ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスが導入されるプラズマ生成容器と、
このプラズマ生成容器内にそれとは絶縁して挿入されて
いて、挿入された部分に永久磁石を有し、かつ外部から
高周波が供給され、当該永久磁石が作る磁場中の高周波
放電によって前記ガスを電離させて当該永久磁石の近傍
に種プラズマを発生させる高周波線路と、この高周波線
路と前記プラズマ生成容器との間に前者を負極側にして
直流電圧を印加して、前記種プラズマ中の電子を前記プ
ラズマ生成容器に向けて加速して、この電子を用いて前
記高周波線路と前記プラズマ生成容器との間に直流放電
を生じさせて前記プラズマ生成容器内に主プラズマを発
生させる直流電源とを備えており、かつ前記高周波線路が、中心導体とそれを囲む外部導体
とを有していてこの両導体間に前記高周波が供給される
同軸線路から成り、この同軸線路の前記プラズマ生成容
器内に位置する部分の中心導体内に前記永久磁石を設け
ており、この永久磁石を囲む部分の外部導体に複数の孔
を設けており、かつこの同軸線路の外部導体に前記直流
電源の負極を接続していることを特徴とするプラズマ発
生装置。
【請求項２】ガスが導入されるプラズマ生成容器と、
このプラズマ生成容器内にそれとは絶縁して挿入されて
いて、挿入された部分に永久磁石を有し、かつ外部から
高周波が供給され、当該永久磁石が作る磁場中の高周波
放電によって前記ガスを電離させて当該永久磁石の近傍
に種プラズマを発生させる高周波線路と、この高周波線
路と前記プラズマ生成容器との間に前者を負極側にして
直流電圧を印加して、前記種プラズマ中の電子を前記プ
ラズマ生成容器に向けて加速して、この電子を用いて前
記高周波線路と前記プラズマ生成容器との間に直流放電
を生じさせて前記プラズマ生成容器内に主プラズマを発
生させる直流電源とを備えており、かつ前記高周波線路が、互いに直流的に絶縁された中心
導体とそれを囲む外部導体とを有していてこの両導体間
に前記高周波が供給される同軸線路から成り、この同軸
線路の前記プラズマ生成容器内に位置する部分の中心導
体内に前記永久磁石を設けており、この永久磁石を囲む
部分の外部導体に複数の孔を設けており、この同軸線路
の中心導体に前記直流電源の負極を接続しており、かつ
前記主プラズマ発生中のこの同軸線路の外部導体の電位
を、中心導体の電位と前記プラズマ生成容器の電位との
間の中間電位に保つ中間電位手段を更に備えていること
を特徴とするプラズマ発生装置。