JP2970520B2 - 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 - Google Patents
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Info
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- Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】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。
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。
【０００２】
【従来の技術】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２
９４頁から第２９８頁（Rev. Sci. Instrus.,３６，３
(１９６５）２９４−２９８)，（２）アイ・イ・イ・イ
・ 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（Ｉ
ＥＥＥ Trans. Plasma Science, ＰＳ−３，２（１９
７５）５５−５９），（３）レビュー サイエンティフ
ィック インスツルメント，３９，１１（１９６８年）
第２９５頁から第２９７頁（Rev. Sci. Instrus., ３
９，１１（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. Instrus.,４１，１０（１９７０）１４３
１−１４３３）、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（１９７７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。
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２
９４頁から第２９８頁（Rev. Sci. Instrus.,３６，３
(１９６５）２９４−２９８)，（２）アイ・イ・イ・イ
・ 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（Ｉ
ＥＥＥ Trans. Plasma Science, ＰＳ−３，２（１９
７５）５５−５９），（３）レビュー サイエンティフ
ィック インスツルメント，３９，１１（１９６８年）
第２９５頁から第２９７頁（Rev. Sci. Instrus., ３
９，１１（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. Instrus.,４１，１０（１９７０）１４３
１−１４３３）、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（１９７７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。
【０００３】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.２
０，（１９８７年）第１９７頁から第２０３頁（UK. J.
Phys.D: Appl. Phys., 20，（１９８７）１９７−２０
３）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。
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.２
０，（１９８７年）第１９７頁から第２０３頁（UK. J.
Phys.D: Appl. Phys., 20，（１９８７）１９７−２０
３）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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】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。
（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。
【０００５】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。
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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的はマイクロ波伝
送回路を図１（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５
１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。
送回路を図１（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５
１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。
【０００７】
【作用】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、図１（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。
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、図１（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。
【０００８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図５を用いて
説明する。
説明する。
【０００９】図１（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５
１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を図１（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
空冷また水冷するとよい。ここで、前記内・外導体５
１，５２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５
１の形状を図５に示すようにドアノブ形にしたり、矩絡
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。
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５
１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を図１（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
空冷また水冷するとよい。ここで、前記内・外導体５
１，５２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５
１の形状を図５に示すようにドアノブ形にしたり、矩絡
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。
【００１０】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
（ピーチ型），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）。
９０（コイルや永久磁石などから成る）を設け、発散型
（ピーチ型），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）。
【００１１】一方、プラズマガスはＨ2，Ｈｅ，Ｏ2，Ｎ
2，Ａｒ，ＸｅやＣＨ4，ＳｉＨ4，ＮＨ2，ＣＦ4，Ｓｉ
Ｆ4など目的に応じて選定し、１０-6Ｔorr〜７６０Ｔor
r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、図１（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。
2，Ａｒ，ＸｅやＣＨ4，ＳｉＨ4，ＮＨ2，ＣＦ4，Ｓｉ
Ｆ4など目的に応じて選定し、１０-6Ｔorr〜７６０Ｔor
r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、図１（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。
【００１２】図１（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 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、高圧力では図４および図５
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。
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 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、高圧力では図４および図５
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。
【００１３】図２は図１（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 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、１
０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、１〜１００ＧＨ
ｚ、１０〜５,０００ｗ）、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は内導体は、５２は円筒状外導体、６０はプ
ランジャ、７０はメタエンドプレート、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、１２０は反応ガス（ＣＨ4，ＮＨ2，ＣＦ4，Ｓｉ
Ｆ4，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ＢａＣＯ
2＋Ｙ2Ｏ2＋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）。
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 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、１
０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、１〜１００ＧＨ
ｚ、１０〜５,０００ｗ）、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は内導体は、５２は円筒状外導体、６０はプ
ランジャ、７０はメタエンドプレート、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、１２０は反応ガス（ＣＨ4，ＮＨ2，ＣＦ4，Ｓｉ
Ｆ4，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ＢａＣＯ
2＋Ｙ2Ｏ2＋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）。
【００１４】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１９０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。
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１９０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。
【００１５】図３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、１
８０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。
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、１
８０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。
【００１６】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。
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。
【００１７】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。
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。
【００１８】図４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、図１（イ）を基本として、
図５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プュー
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、データの管理や本装置の最適制御など
を行う。本実施での動作圧力は、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の実施例に比べて小さくてよい。
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、図１（イ）を基本として、
図５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プュー
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、データの管理や本装置の最適制御など
を行う。本実施での動作圧力は、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の実施例に比べて小さくてよい。
【００１９】図５は本発明の図４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４００ｍｍ，上部直径１５ｍｍ，高さ３０ｍ
ｍ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＞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
る内容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は拡散ララズ
マ、８０１はドーナッ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。
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４００ｍｍ，上部直径１５ｍｍ，高さ３０ｍ
ｍ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＞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
る内容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は拡散ララズ
マ、８０１はドーナッ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。
【００２０】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、２.４５
ＧＨｚ，＜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、図１（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５０
０を前記内管８２から前記ドーナツ状高温プラズマ８０
１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。
換器５０に供給したマイクロ波電力（例えば、２.４５
ＧＨｚ，＜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、図１（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５０
０を前記内管８２から前記ドーナツ状高温プラズマ８０
１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。
【００２１】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。
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。
【００２２】
【発明の効果】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。
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。
【００２３】さらに、外部磁界を重畳することにより、
カン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。
カン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。
【００２４】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 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。
グやデポジションをはじめ新しい材料の 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。
【図１】（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、（ロ）はそのギッャップ部における
電界強度分布図。
装置の主要構成図、（ロ）はそのギッャップ部における
電界強度分布図。
【図２】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。
例の構成図。
【図３】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。
を示す実施例の構成図。
【図４】本発明の分析機器への応用を示す実施例のブロ
ック図。
ック図。
【図５】図４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。
の詳細を示す構成図。
【符号の説明】 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…円筒形外導
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、１
３０…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。
同軸導波管、５１…円筒状内導体、５２…円筒形外導
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、１
３０…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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 49/10 H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08 H05H 1/46
Claims (18)
- 【請求項１】試料とプラズマガスを導く供給管と、前記
供給管の軸方向に沿って、前記供給管の外周に設けられ
た内側電極と、更に前記内側電極の外周に設けられ且つ
前記供給管の軸方向に伸びた外側電極を有し、前記内側
電極と前記外側電極間をマイクロ波が伝播する伝播路を
形成し、前記外側電極が前記内側電極より前記供給管の
軸方向に延び、前記外側電極の前記伸びた部分で前記外
側電極が前記供給管のある内側に向いていることを特徴
とするプラズマ発生装置。 - 【請求項２】試料とプラズマガスを導く供給管と、前記
供給管の外周に設けられた円筒形内側電極と、前記円筒
形内側電極の外周に円筒形外側電極を有し、前記円筒形
内側電極と前記円筒形外側電極との間にマイクロ波の導
波管を形成し、前記外側電極の先端部が前記供給管のあ
る内側に向いていることを特徴とするプラズマ発生装
置。 - 【請求項３】試料とプラズマガスを導入する放電管と、
角形導波管と、マイクロ波を前記放電管の外周を伝播さ
せるように設けられた同軸導波管を有し、前記同軸導波
管は放電管の外周に設けられた内導体と、前記内導体の
外周に設けられた外導体からなり、前記外導体の先端が
内導体の位置する内側へ向いており、前記角形導波管か
ら供給されたマイクロ波は前記同軸導波管を介して前記
放電管に供給されるように構成したことを特徴するプラ
ズマ発生装置。 - 【請求項４】試料とプラズマガスを導入する放電管と、
前記放電管のガスの流れの方向に対し垂直方向に位置す
るマイクロ波を伝播する角形導波管と、前記放電管の外
周にあって前記ガスの流れの方向にマイクロ波を伝播す
る同軸導波管と、前記角形導波管と前記同軸導波管との
間にマイクロ波のモードを変換する同軸導波管変換器を
有し、前記同軸導波管の外導体の端部が前記放電管の位
置する内側に向いて前記同軸導波管からのマイクロ波を
ガスの流れる方向に対し垂直方向に伝播させた構造を有
することを特徴するプラズマ発生装置。 - 【請求項５】前記供給管または前記放電管はプラズマガ
スを導入するガス導入口と、試料を導入する試料導入口
を有する二重管構造であることを特徴する請求項１から
４のいずれか記載のプラズマ発生装置。 - 【請求項６】前記外側電極の先端部または前記外導体の
先端または前記外導体の端部のいずれかはエンドプレー
トから成ることを特徴とする請求項２から４のいずれか
記載のプラズマ発生装置。 - 【請求項７】前記外側電極は前記エンドプレートより板
状部材が前記放電管の軸方向に延びていることを特徴す
る請求項６記載のプラズマ発生装置。 - 【請求項８】前記板部材はメタルチョークであることを
特徴とする請求項７記載のプラズマ発生装置。 - 【請求項９】前記外側電極または円筒形外側電極または
前記外導体のいずれかの周囲に磁界発生手段を有するこ
とを特徴する請求項１から４のいずれか記載のプラズマ
発生装置。 - 【請求項１０】前記磁界発生手段は、発散型、マルチカ
フス型、ミラー型のいずれかの磁界を発生を発生するこ
とを特徴とする請求項９記載のプラズマ発生装置。 - 【請求項１１】内導体と外導体から構成された前記同軸
導波管にあって、前記内導体の径は前記同軸導波管部分
に比較して前記同軸導波管変換器で太く成っていること
を特徴とする請求項４記載のプラズマ発生装置。 - 【請求項１２】マイクロ波を供給する円筒状内側電極
と、前記円筒状内側電極が作る円筒状空洞と、試料とプ
ラズマガスを導入する放電管と、前記内側電極の外周に
設けられた外側電極を有し、前記放電管を前記円筒状空
洞に設け、前記内側電極と前記外側電極間をマイクロ波
が伝播する伝播路を形成し、前記外側電極の先端部が前
記放電管の軸に対し垂直方向の前記放電管のある内側に
向いており、かつ、前記先端部の径が前記円筒状空洞の
径ととほぼ同一の径であることを特徴とするプラズマ発
生装置。 - 【請求項１３】試料とプラズマガスを導入する放電管
と、前記放電管のガスの流れの方向に対し垂直方向に位
置するマイクロ波を伝播する角形導波管と、前記放電管
の外周にあって前記ガスの流れの方向にマイクロ波を伝
播する伝播路を構成し、前記放電管の外周に設けられた
円筒形内導体と更に前記円筒形内導体の外周に設けられ
た円筒形外導体とから成る同軸導波管と、前記角形導波
管と前記同軸導波管との間にマイクロ波のモードを変換
する同軸導波管変換器を有し、前記同軸導波管の前記円
筒形外導体の端部が前記放電管の位置する内側に向き、
前記同軸導波管変換器と前記同軸導波管が繋がってお
り、前記角形導波管からのマイクロ波を入力する部分の
前記円筒形内導体の径が前記円筒形内導体の前記ガスの
流れる方向の端部の径より大きいことを特徴するプラズ
マ発生装置。 - 【請求項１４】試料とプラズマガスを導く供給管と、前
記供給管の外周に設けられ前記供給管の軸方向に伸びた
内側導体と、前記内側導体の更に外周に設けられ外側導
体とを有し、前記内側導体と前記外側導体が重なり合う
位置関係に配置されることで前記内側導体と前記外側導
体との間にマイクロ波を伝播する伝播路を形成し、前記
内側導体の端部より前記外側導体の端部を長くかつ前記
外側導体の前記端部が前記供給管のある内側に向いてい
ることを特徴とするプラズマ発生装置。 - 【請求項１５】試料とプラズマガスを導入する放電管
と、前記放電管のガスの流れの方向に対し垂直方向に位
置するマイクロ波を伝播する角形導波管と、前記放電管
の外周にあって前記ガスの流れの方向にマイクロ波を伝
播する前記放電管の外周に設けられた内導体と、前記内
導体の外周に設けられた外導体からなる同軸導波管と、
前記角形導波管と前記同軸導波管との間にマイクロ波の
モードを変換する同軸導波管変換器を有し、前記同軸導
波管の外導体の端部が前記放電管の位置する内側に向い
て前記端部と前記内導体の先端によつて形成されたギャ
ップ部へ前記同軸導波管からのマイクロ波を前記ギャッ
プ部に供給してプラズマを発生させる構造を有すること
を特徴するプラズマ発生装置。 - 【請求項１６】前記端部の差または前記ギャップ部が
０．５ｍｍから２０ｍｍの範囲にあることを特徴とする
請求項１４または１５記載のプラズマ発生装置。 - 【請求項１７】試料とプラズマガスを導入する放電管
と、前記放電管の軸方向に対し垂直方向に位置する角形
導波管と、前記角形導波管からのマイクロ波を放電管の
外周を伝播させるための同軸導波管を有し、前記同軸導
波管は放電管の外周に設けられた内導体と、前記内導体
の外周に設けられた外導体からなり、前記外導体の先端
が内導体の位置する内側へ向いているプラズマ発生装置
を用い、前記プラズマ発生装置からのプラズマを分光分
析手段で分析することを特徴するプラズマ発生装置を用
いた分析装置。 - 【請求項１８】試料とプラズマガスを導入する放電管
と、前記放電管のガスの流れの方向に対し垂直方向に位
置するマイクロ波を伝播する角形導波管と、前記放電管
の外周にあって前記ガスの流れの方向にマイクロ波を伝
播する同軸導波管と、前記角形導波管と前記同軸導波管
との間にマイクロ波のモードを変換する同軸導波管変換
器を有し、前記同軸導波管の外導体の端部が前記放電管
の位置する内側に向いて前記同軸導波管からのマイクロ
波をガスの流れる方向に対し垂直方向に伝播させた構造
のプラズマ発生装置を用い、前記プラズマ発生装置で発
生したプラズからイオンを取り出すサンプリング手段
と、前記サンプリング手段からのイオンの質量を分析す
るプラズマ発生装置を用いた質量分析装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8030322A 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8030322A 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 |
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| JPH09295900A (ja) | 1997-11-18 |
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