JP4289967B2

JP4289967B2 - プラズマ電位測定用プローブ

Info

Publication number: JP4289967B2
Application number: JP2003344721A
Authority: JP
Inventors: 欣張; 直幸佐藤
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP2005116189A

Description

本発明は、動重力効果を利用したプラズマ電位測定方法に好適なプローブに係り、特に、浮遊電位検出用電極及びイオン電流検出用内部電極の周囲に均一な高周波電場が発生できるプラズマ電位測定用プローブに関するものである。

プラズマ雰囲気中のプラズマ電位を解析なしに測定する方法として、従来よりエミッシブプローブ法が知られている。エミッシブプローブ法は、図８に示されるように、プラズマ雰囲気Ｐ中に置かれたフィラメント１０１に加熱電源１０２より電流を印加してフィラメント１０１を加熱すると共に、このフィラメント１０１全体に印加する電位を電源１０３で調節し、フィラメント１０１に電流Ｉが流れないとき（浮遊プローブの状態となっている）の印加電位をプラズマ電位とする方法である。

熱電子放出のない浮遊プローブの電位（浮遊電位）は、プラズマからの電子流を妨げて浮遊条件を満たすようにプラズマ電位に対して電子流のエネルギに相当する分（シース電圧）だけ低くなっている。ここで、浮遊プローブから熱電子が放出されると、その熱電子の流れは前記電子流を打ち消す方向となるのでシース電圧が減少し、浮遊電位はプラズマ電位に近付く。浮遊電位がプラズマ電位を越えると、熱電子は放出されない。

「エミッシブプローブによるプラズマの電位測定」藤田寛治、日本物理学会誌第３９巻第５号、１９８４年

しかし、エミッシブプローブ法にはいくつかの誤差要因があるため、正確な測定が困難であった。即ち、フィラメント１０１の温度により発生する熱電子の量が異なるので、フィラメント温度に依存してプラズマ電位測定の誤差が生じることが避けられない。また、フィラメント１０１の消耗による経時変化が大きく、測定の再現性が乏しい。

本出願人は、エミッシブプローブ法が抱える上記の問題点をなくするために、動重力効果を利用した新規なプラズマ電位測定方法を提案するに至った。そのプラズマ電位測定方法では、プラズマ雰囲気中に高周波電場に囲まれた測定空間を形成すると共に、その測定空間に置いた内部電極でイオン粒子がもたらす電流を検出する。高周波電場はイオン捕集構造に対して対称で局所的であることが重要である。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、浮遊電位検出用電極及びイオン電流検出用内部電極の周囲に均一な高周波電場が発生できるプラズマ電位測定用プローブを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、プラズマ雰囲気中に挿入されるロッド状部材と、前記ロッド状部材内に軸方向に挿通されて前記ロッド状部材の先端より先に突き出た導電性の円筒と、その円筒の一端よりギャップを隔てて該円筒の端面に臨み前記円筒と同径の円筒の最先端を端面壁で閉じた導電性のキャップ状部材と、前記円筒の中から前記円筒の先端より先に突き出て前記キャップ状部材に届く銅管からなる電極と、この銅管の側面に前記ギャップに臨ませて設けられたスリットと、前記銅管の内部に同軸構造で配置された内部円筒からなる内部電極と、前記内部円筒の内部に配置され前記銅管の先端よりさらに先に突き出て前記キャップ状部材の前記端面壁に電気的に接続された内部導体とを備え、高周波電流の片側極が前記円筒に給電され反対側極が前記内部導体に給電され、前記円筒と前記キャップ状部材との間に高周波電場に囲まれた測定空間が形成され、この測定空間内で、前記電極により浮遊電位が検出され、前記内部電極により前記スリットを通して流れるイオン電流が検出されるものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）イオン電流検出用内部電極の周囲に均一な高周波電場が発生できるので、イオン電流の測定を正確に行うことができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明に係るプローブは、本出願人が提案した新規なプラズマ電位測定方法に好適なものであるから、まず、そのプラズマ電位測定装置について説明した後、プローブについて説明する。

図１に示されるように、本発明に係るプラズマ電位測定装置は、プラズマ雰囲気Ｐ中に高周波電場Ｅに囲まれた測定空間（図４参照）を形成するアンテナ１と、その測定空間に置かれた内部電極２ａを有する電極２と、この電極２に印加する電位を調節する電源３と、前記電極２に電流が流れなくなる印加電位をプラズマ電位とする電位判定部４と、内部電極２ａへ流れ込むイオン電流の減少を判定するイオン電流判定部４ａとを備える。

プラズマ雰囲気を提供するために、ここではプラズマ発生装置５に接続されたプラズマ室６が設けられており、プラズマ発生装置５で発生されたプラズマはプラズマ室６に閉じ込められる。このプラズマ雰囲気Ｐは場所によらず一様なプラズマ密度であり、プラズマ電位も一定になっているものと考えてよい。この構成は、本プラズマ電位測定装置を試験するために設けたもので、実際にはアンテナ１及び電極２は測定対象となる任意の設備のプラズマ雰囲気中に設置される。

アンテナ１及び電極２は、適宜な長さのロッド状部材７の先端に設けられる。このロッド状部材７、アンテナ１及び電極２の全体をプローブ８と呼ぶ。プローブ８は内部にアンテナ１、電極２及び内部電極２ａのための導線を通してある。従って、このプローブ８をプラズマ室６の一側から中に挿入することにより、導線をプラズマ室６の外に繋ぐことができる。

電極２の導線９は、電源３に接続されると共に電位判定部４に接続される。電位判定部４は、電極２に印加される印加電位と電源３から電極２へ流れる電流とを検出することができ、電源３が印加電位を調節したことによる電流の変化を監視して電流が流れなくなった瞬間の印加電位を読み取るようになっている。

一方、アンテナ１の２本の導線１０は、高周波源１１に接続される。高周波源１１は、直流電源１２と、その直流電源１２の出力をスイッチングするインバータ１３と、スイッチされた電力により発振する発振器１４と、その発振器１４の発振出力を増幅する増幅器１５と、増幅器１５からアンテナ１へのインピーダンスを整合させる整合器１６とからなる。高周波源１１は、ＧＨｚ帯の高周波電力をアンテナ１へ供給するようになっている。

電極２は軸対称に設けられたスリット２１ｂを有する（図３参照）。電極２の内部に同軸構造で配置された内部電極２ａの導線９ａ（図３参照）は、図１の電源３ａに接続されると共にイオン電流判定部４ａに接続される。イオン電流判定部４ａは、スリット２１ｂを通して電源３ａから電極２へ流れるイオン電流を検出できる。電極２の浮遊電位とイオン電流判定部４ａの電流を同時に検出しながら、高周波電場を大きくしてゆき、イオン電流判定部４ａの電流が減少しはじめたところの電極２の浮遊電位をプラズマ電位として測定する。

図２及び図３に示されるように、プローブ８は、同軸多重構造を有する。即ち、最も外殻となるロッド状部材７は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）管からなる円筒であり、プローブ８全体を支持してアンテナ１及び電極２を任意の設備のプラズマ雰囲気中に届かせると共にこのロッド状部材７内に収容されている部材を保護するものである。ロッド状部材７は、ガラス管で構成してもよい。

ロッド状部材７内に挿通されているステンレス（ＳＵＳ３０４）製の円筒１７は、導線１０（図１参照）の片側極に接続され、高周波印加用の片側電極となる。円筒１７は先端がロッド状部材７の先端より先に突き出ており、この円筒１７の先端の先には間隔を隔ててキャップ状部材１９が設けられている。キャップ状部材１９は、円筒１７と同材料・同径で構成された短い円筒の最先端を端面壁２０で閉じたものである。

円筒１７のさらに中には、銅管２１を外側導体とする同軸給電線２２が設けられている。銅管２１は導線９（図１参照）に接続される。同軸給電線２２の内部導体２３は導線１０（図１参照）の反対側極に接続される。同軸給電線２２には外側導体である銅管２１と内部導体２３との間に導体からなる内部円筒２１ａを有する。内部円筒２１ａ（内部電極）は図１の導線９ａに接続される。銅管２１は、円筒１７の先端より先に突き出てキャップ状部材１９に届いており、内部導体２３は、さらに先に突き出てキャップ状部材１９の端面壁２０に電気的に接続されている。

高周波源１１より導線１０の両極に給電した高周波電力はギャップ２５を隔てて対向する円筒１７の先端とキャップ状部材１９の基端に給電される。即ち、このギャップ２５がアンテナ１にほかならない。一方、このギャップ２５の中心に露出している銅管２１が浮遊電位を発生する電極２となり、内部円筒２１ａ（内部電極）がイオン電流検出用の電極となる。

円筒１７がロッド状部材７に入り込む部分には合成樹脂（例えば、テフロン；登録商標）からなる継ぎ手２６が設けてあり、円筒１７をロッド状部材７の中心に固定していると共にロッド状部材７を気密封止している。同軸給電線２２が円筒１７に入り込む部分には合成樹脂からなる継ぎ手２７が設けてあり、同軸給電線２２を円筒１７の中心に固定していると共に円筒１７を気密封止している。同軸給電線２２にキャップ状部材１９を取り付ける部分には合成樹脂からなる継ぎ手２８が設けてあり、キャップ状部材１９を同軸給電線２２に中心に固定している。同軸給電線２２が継ぎ手２８に挿入されていてもよい。

次に、この図３のプローブ８を用いた図１のプラズマ電位測定装置の動作を説明する。高周波源１１より導線１０の両極に高周波電力を給電すると、片側極は円筒１７の内面を伝搬して円筒１７の先端に至り、反対側極は同軸給電線２２の内部導体２３からキャップ状部材１９の内面を伝搬してキャップ状部材１９の基端に至る。ただし、図３では、高周波源１１から直接、キャップ状部材１９へ導線１０を接続したイメージが示してある。

これにより、図４に示されるように、アンテナ１には高周波電場Ｅが発生する。円筒１７及びキャップ状部材１９が同径の円筒状構造であるから、高周波電場Ｅはアンテナ１の全周に軸対称（回転対称）に形成される。この高周波電場Ｅは、後述する動重力（ポンデアモーティブ力）の効果により高周波電場Ｅに囲まれた測定空間Ａを形成するものである。

同軸給電線２２の外側導体である銅管２１には、電源３からの電位が印加されており、アンテナ１の中心に露出している銅管２１が電極２の働きをする。即ち、電極２への印加電位とプラズマ電位との電位差に応じて電極２からプラズマ雰囲気中へ或いはプラズマ雰囲気中から電極２へ電流が流れる。電源３が印加電位を低い値から徐々に高い値へ調節していく間、この電流の変化を監視し、電流が流れなくなった瞬間の印加電位を読み取り、銅管２１上の浮遊電位とする。

次に、上記の動作によってプラズマ電位が測定できる原理を説明する。

図５には、ギャップ２５を誇張したアンテナ１及び電極２と電場が形成されるイメージと距離に対する電場の強さのグラフ（点線）と電子の挙動（実線）動きとを合成して示した。アンテナ１に高周波を給電すると、電場Ｅが発生する。この電場Ｅは、径方向の距離ｒと時間ｔの関数である局所高周波電場Ｅ（ｒ，ｔ）である。電子の電荷をｅ、電子の質量をｍ、角周波数をωとすると、距離ｒに位
［外１］

となる。〈Ｅ² （ｒ，ｔ）〉は電場の時間平均である。

［外２］

ｎ、電子の温度をＴとすると、動重力効果が発生するための条件は、

となる。

なお、特性長Ｌは、最初の電場Ｅ₀ の値がＥ₀ ／２．７１８に減少するまでの距離として定義される。

上記の条件が満足されると、アンテナ１から遠ざかろうとする電子は遠ざかることができるが、アンテナ１に近付こうとする電子は、高周波電場Ｅのもたらす動重力ｆによって跳ね返され、近付くことはできない。つまり、高周波電場Ｅが電子を跳ね返す壁になる。この現象を動重力効果という。

一方、イオン粒子（プラズマ）は上記条件においても強い斥力を受けないので、上記壁を容易に突き抜けてアンテナ１に達する。アンテナ１には電極２が存在するので、イオン粒子が電極２に衝突し、電極２に電流が流れる。

電極２の電位がプラズマ電位より十分に低いときには、多くのイオン粒子が電極２に衝突するので、電流が多く流れ（図７のＩｉｓ）、電極２の電位がプラズマ電位に低い方から近き、電極２の電位がプラズマ電位を超えると、電極２に衝突するイオン粒子が減少して、電流が減少する（図７でＩｉ＜Ｉｉｓ）。

つまり、図１のプラズマ電位測定装置は、プラズマ雰囲気Ｐ中にアンテナ１から高周波電場Ｅを印加すると、プラズマ雰囲気Ｐ中からイオン粒子のみが選択的に透過し自由電子が透過できない壁が形成される。この壁で囲まれた空間が図４に示した測定空間Ａである。

この測定空間Ａにおいて、内部電極２ａへのイオン電流が減少し始める時の電極２の浮遊電位をプラズマ電位と見なすことができる。高周波電場Ｅを印加しない場合には、プラズマ雰囲気Ｐ中に物体を置くと、その物体とプラズマ雰囲気Ｐとの境界に浮遊電位が発生するので、電極２の浮遊電位にシース電圧を加えることでプラズマ電位を求める。

なお、動重力効果そのものは従来より知られており、動重力効果の利用技術として、例えば、イオン粒子を排斥するように条件を設定した動重力場をプラズマ室の内壁全面に形成して内壁へのイオン粒子の流れを抑制する技術がある。しかし、プラズマ電位の測定のために動重力効果を利用して所望の荷電粒子を選択的に透過する測定空間を形成する技術は従来なく、本発明が最初である。

図６に測定法のモデルを示す。この図では、プラズマ電位φ、アンテナ１に印加する高周波電圧Ｖ_rf及びアンテナ１の背後にある電極２の浮遊電位Ｖ_f をそれぞれ電源のイメージで示した。電子を弾き返しイオンを透過させる電位障壁のイメージは破線で示した。電位障壁はできる限り電極２に接近しているものとする。左右方向はアンテナ１からの距離ｒを表している。

アンテナ１の近傍にはプラズマ電位φからアンテナ１に至る電場によるシースが形成されると仮想する。ここで実線はプラズマ区間からイオンシース区間全体に亘るプラズマ電位中の空間分布φ（ｒ）、点線は同じ区間に亘る電子のみに作
［外３］

一定のプラズマ電位φを持つプラズマの領域である。ここで、アンテナ１に印加する高周波電圧Ｖ_rfを大きくすると、動重力により電子が跳ね返され実線で示すφ（ｒ）分布において、イオンシース区間の電位が上昇し始める（Ｃ₁）。高周波電圧Ｖ_rfをさらに大きくすると、電極２の電位はφを越えて大きくなりイオン粒子も跳ね返すようになる（Ｃ₂）。

このモデルにおいて電流Ｉｉの検出結果からプラズマ電位φを効果的に決定する方法を図７により説明する。図７において、左側の縦軸は内部電極２ａに流れる電流Ｉｉのグラフ軸、右側の縦軸は電極２上の浮遊電位Ｖ_f とプラズマ電位φとの電位差Ｖ_f −φのグラフ軸、横軸は高周波電圧Ｖ_rfのグラフ軸を表し、プロットされた実線は高周波電圧Ｖ_rfの変化に伴うＶ_f −φの変化、破線は高周波電圧Ｖ_rfの変化に伴う電流Ｉｉの変化を表す。

以上説明したプラズマ電位測定方法において、上記実施形態のプローブ８は次のような効果を有する。

１）円筒１７及びキャップ状部材１９が同径の円筒状構造であるために、高周波電場Ｅがアンテナ１の全周に軸対称（回転対称）に形成される。従って、電子に対する障壁が均一になって、電子が漏れにくくなるので、イオン電流の測定を正確に行うことができる。

２）ギャップ２５によりアンテナ１を実現しているので、ギャップ２５の間隔Ｇ（図５参照）を調整することで高周波電場Ｅの強度（振幅）を十分に高めることができる。即ち、高周波源１１から給電する電力を一定とすると、間隔Ｇを狭くすれば電位勾配が急になるので高周波電場Ｅの強度が高められる。図３等では円筒１７とキャップ状部材１９との間隔を図示の都合上広く示したが、実際には間隔Ｇ＝１ｍｍ程度かそれより小さくする。さらに間隔Ｇを狭めてイオン粒子が通れる程度まで微細にしてもよい。このように間隔Ｇを狭くすることで電場Ｅの強度が高められるので、高周波源１１から給電する電力をかなり小さくすることができると共に、プローブ８全体をコンパクトに作ることができる。

３）電極２を銅管２１で構成し、その電極２の軸心の内部導体２３をキャップ状部材１９に導通させたので、プローブ８の基端からキャップ状部材１９へ高周波を給電することができる。

本発明のプローブを用いたプラズマ電位測定装置の構成図である。本発明の一実施形態を示すプローブの断面図である。本発明の一実施形態を示すプローブの側面図である。本発明におけるアンテナ及び電極の動作を説明する概念図である。本発明の電極付近から動重力効果により電子が跳ね返される様子を説明する概念図である。本発明による測定法のモデルを示す図である。本発明におけるプラズマ電位の決定方法を説明する図である。従来のエミッシブプローブ法によるプラズマ電位測定装置の構成図である。

符号の説明

２浮遊電位検出用電極
２ａイオン電流検出用内部電極
１７円筒
１９キャップ状部材
２１銅管
２２同軸給電線
２３内部導体
２５ギャップ

Claims

プラズマ雰囲気中に挿入されるロッド状部材と、前記ロッド状部材内に軸方向に挿通されて前記ロッド状部材の先端より先に突き出た導電性の円筒と、その円筒の一端よりギャップを隔てて該円筒の端面に臨み前記円筒と同径の円筒の最先端を端面壁で閉じた導電性のキャップ状部材と、前記円筒の中から前記円筒の先端より先に突き出て前記キャップ状部材に届く銅管からなる電極と、この銅管の側面に前記ギャップに臨ませて設けられたスリットと、前記銅管の内部に同軸構造で配置された内部円筒からなる内部電極と、前記内部円筒の内部に配置され前記銅管の先端よりさらに先に突き出て前記キャップ状部材の前記端面壁に電気的に接続された内部導体とを備え、高周波電流の片側極が前記円筒に給電され反対側極が前記内部導体に給電され、前記円筒と前記キャップ状部材との間に高周波電場に囲まれた測定空間が形成され、この測定空間内で、前記電極により浮遊電位が検出され、前記内部電極により前記スリットを通して流れるイオン電流が検出されることを特徴とするプラズマ電位測定用プローブ。