JP6124709B2 - Microwave ion source - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波イオン源に関する。 The present invention relates to a microwave ion source.
マイクロ波をプラズマ生成に用いるイオン源が知られている。真空のプラズマ室にマイクロ波が導入される。プラズマ室に供給された原料ガスがマイクロ波によって励起され、プラズマが生成される。プラズマからイオンが引き出される。こうしてイオン源から引き出されたイオンは例えばイオン注入処理のために使用される。 Ion sources that use microwaves for plasma generation are known. Microwave is introduced into the vacuum plasma chamber. The source gas supplied to the plasma chamber is excited by microwaves to generate plasma. Ions are extracted from the plasma. The ions thus extracted from the ion source are used, for example, for an ion implantation process.
マイクロ波イオン源には一般に、プラズマ室の周囲を囲むコイルが設けられている。コイルはその中心軸上に、コイル中央部に関して対称な軸方向磁場分布を生成する。ところが実際の用途においては、高密度プラズマを生成するために、プラズマ室のマイクロ波入射側とイオン引出側とで異なる磁場強度を有する非対称な磁場分布が望まれることがある。そうした非対称分布を得る1つの方法は、軸方向に複数のコイルを並べて設け、各コイルに異なる磁場を発生させ、それら個々の磁場を重ね合わせたとき目的の非対称分布となるように各コイルを調整することである。しかし、このような構成は複雑であり、費用もかかる。 The microwave ion source is generally provided with a coil surrounding the periphery of the plasma chamber. The coil generates an axial magnetic field distribution on its central axis that is symmetric with respect to the center of the coil. However, in actual applications, in order to generate high-density plasma, an asymmetric magnetic field distribution having different magnetic field strengths on the microwave incident side and the ion extraction side of the plasma chamber may be desired. One method for obtaining such an asymmetric distribution is to arrange a plurality of coils side by side in the axial direction, generate different magnetic fields in each coil, and adjust each coil to achieve the desired asymmetric distribution when these individual magnetic fields are superimposed. It is to be. However, such a configuration is complicated and expensive.
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、簡単な構成で所望の磁場分布をプラズマ室に生成可能であるマイクロ波イオン源を提供することにある。 One exemplary object of an aspect of the present invention is to provide a microwave ion source that can generate a desired magnetic field distribution in a plasma chamber with a simple configuration.
本発明のある態様に係るマイクロ波イオン源は、マイクロ波を受け入れるための窓と、イオンを引き出すための開口と、を備え、プラズマ生成空間を画定するプラズマ室と、軸方向に向けられたコイル磁場を前記窓から前記開口にわたって前記プラズマ生成空間に生成するよう配設されているコイル装置と、前記プラズマ生成空間におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体と、を備える。前記磁性体は、前記コイル装置の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置されている。 A microwave ion source according to an aspect of the present invention includes a window for receiving a microwave, an opening for extracting ions, a plasma chamber defining a plasma generation space, and an axially oriented coil. A coil device disposed to generate a magnetic field in the plasma generation space from the window to the opening; and a magnetic body for adjusting a coil magnetic field intensity on a plasma chamber central axis in the plasma generation space. . The magnetic body is disposed on at least one of the window side and the opening side so as to be asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、簡単な構成で所望の磁場分布をプラズマ室に生成することができる。 According to the present invention, a desired magnetic field distribution can be generated in the plasma chamber with a simple configuration.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate.
図1は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源10の構成を概略的に示す図である。マイクロ波イオン源10は、電子サイクロトロン共鳴(ECR)条件を満たす磁場またはそれよりも高い磁場を印加したプラズマ室12内へ、磁力線方向にマイクロ波電力を入力して高密度プラズマを生成しイオンを引き出すイオン源である。マイクロ波イオン源10は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマ室12の外部へイオンを引き出すように構成されている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a
よく知られるように、ECR条件を満たす磁場の強さは使用されるマイクロ波の周波数に対し一意に定まり、マイクロ波周波数が2.45GHzの場合には87.5mT(875ガウス)の磁場が必要である。以下では説明の便宜上、ECR条件を満たす磁場を、共鳴磁場と呼ぶことがある。 As is well known, the strength of the magnetic field that satisfies the ECR condition is uniquely determined with respect to the microwave frequency used, and a magnetic field of 87.5 mT (875 gauss) is required when the microwave frequency is 2.45 GHz. It is. Hereinafter, for convenience of explanation, a magnetic field that satisfies the ECR condition may be referred to as a resonance magnetic field.
マイクロ波イオン源10は、例えばイオン注入装置又は粒子線治療装置のためのイオン源に使用される。マイクロ波イオン源10は例えば、一価イオン源として使用される。また、マイクロ波イオン源10は、プロトン加速器のためのイオン源、またはX線源としても使用され得る。
The
マイクロ波イオン源10は、イオン源本体14を備える。イオン源本体14は、プラズマ室12、磁場発生器であるコイル装置16、及び真空容器18を備える。
The
プラズマ室12は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマ室12の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を包囲する方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマ室12が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。図示の例ではプラズマ室12は円筒形状を有するが、プラズマ室12は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状であってもよい。また、プラズマ室12の軸方向長さは、プラズマ室12の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。
The
コイル装置16は、プラズマ室12に磁場を印加するために設けられている。コイル装置16は、プラズマ室12の周囲に配設されている。コイル装置16は、プラズマ室12の中心軸に沿うコイル磁場を発生させるよう構成されている。その磁力線方向を図1に矢印Mで示す。コイル装置16は、プラズマ室12の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場またはそれよりも高強度の磁場を発生させるよう構成されている。コイル装置16は、プラズマ室12の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場よりも低い磁場を発生させることも可能である。
The
真空容器18は、プラズマ室12を真空環境に収容するための筐体である。プラズマ室12は、内部にマイクロ波を受け入れるための真空窓24を有する。真空容器18は、コイル装置16を保持するための構造体でもある。プラズマ室12、コイル装置16、及び真空容器18については、更に詳しく後述する。
The
マイクロ波イオン源10は、マイクロ波供給系26を備える。マイクロ波供給系26は、真空窓24を通じてプラズマ室12にマイクロ波電力を入力するよう構成されている。マイクロ波供給系26は、マイクロ波源28、導波管30、及びマッチングセクション32を備える。マイクロ波源28は例えばマグネトロンである。マイクロ波源28は例えば2.45GHzの周波数のマイクロ波を出力する。導波管30は、マイクロ波源28の出力するマイクロ波をプラズマ室12に伝達するための立体回路である。導波管30の一端はマイクロ波源28に接続されており、他端はマッチングセクション32を介して真空窓24に接続されている。マッチングセクション32はマイクロ波の整合のために設けられている。
The
このようにして、マイクロ波供給系26から真空窓24を通じてプラズマ室12にマイクロ波が導入される。導入されたマイクロ波は、真空窓24に対向するプラズマ室12の端部へ向けてプラズマ室12の内部を伝搬する。マイクロ波の伝搬方向を図1に矢印Pで示す。マイクロ波の伝搬方向Pは、コイル装置16による磁力線方向Mと同一方向である。よって、マイクロ波の伝搬方向Pはプラズマ室12の軸方向に一致する。
In this way, microwaves are introduced from the
また、マイクロ波供給系26は、導波管30に設けられているマイクロ波検出器33を備える。マイクロ波検出器33は、例えば、プラズマ室12への入射電力及びプラズマ室12からの反射電力をモニタするための方向性結合器を備える。マイクロ波検出器33は、測定結果を制御装置Cに出力するよう構成されている。
The
マイクロ波イオン源10は、ガス供給系34を備える。ガス供給系34は、プラズマの原料ガスをプラズマ室12に供給するよう構成されている。ガス供給系34は、ガス源であるガスボンベ36とガス流量制御器38とを備える。ガス供給系34のガス配管40の先端が真空容器18を通じてプラズマ室12に接続されている。ガス配管40は例えば、プラズマ室12の側壁64に接続されている。ガス流量制御器38は、ガスボンベ36をプラズマ室12に接続し又は遮断するための開閉弁、またはガスボンベ36からプラズマ室12へのガス流量を調整するための流量制御弁を備える。こうして、原料ガスが、ガスボンベ36からプラズマ室12へと制御された流量で供給される。
The
イオン源本体14は、引出電極系42を備える。引出電極系42は、プラズマ室12のイオン引出開口66を通じてプラズマからイオンを引き出すよう構成されている。引出電極系42は、第1電極44と第2電極46を含む。第1電極44はプラズマ室12と第2電極46との間に設けられている。イオン引出開口66を有する終端部62と第1電極44とは隙間を隔てて配列され、第1電極44と第2電極46とは隙間を隔てて配列されている。第1電極44及び第2電極46は、それぞれ例えば環状に形成されており、プラズマ室12から引き出されたイオンを通すための開口部分を中心部に有する。
The
第1電極44は、プラズマから陽イオンを引き出すとともに、ビームライン52からプラズマ室12への電子の戻りを妨げるために設けられている。そのために、第1電極44には負の高電圧が印加されている。第1電極44に負の高電圧を印加するために、第1引出電源48が設けられている。第2電極46は接地されている。また、真空容器18には正の高電圧が印加されている。真空容器18に正の高電圧を印加するために、第2引出電源50が設けられている。このようにして、プラズマ室12から陽イオンのイオンビーム20が引き出される。プラズマ室12からのイオンビーム20の引出方向はマイクロ波の伝搬方向Pと同一方向である。
The
マイクロ波イオン源10には、引出電極系42によって引き出されたイオンビーム20を輸送するためのビームライン52が設けられている。ビームライン52は、マイクロ波供給系26とは反対側にイオン源本体14に連結されている。ビームライン52は、真空容器18に連通されている真空容器である。ビームライン52は、イオン源本体14の真空容器18に対し絶縁されて真空容器18に取り付けられている。そのために、ビームライン52と真空容器18の間にブッシング54が設けられている。
The
ブッシング54は、ビームライン52及び真空容器18内の真空を維持しつつ、真空容器18とグラウンド側との間の耐電圧を保持する。ブッシング54は絶縁材料で形成されている。ブッシング54は環状の形状を有し、引出電極系42を囲んでいる。ブッシング54は、ビームライン52及びイオン源本体14それぞれの真空容器の取付フランジ間に挟まれて取り付けられている。
The
真空容器18及びプラズマ室12に真空環境を提供するための真空排気系56が設けられている。図示の例においては真空排気系56はビームライン52に設けられている。ビームライン52は真空容器18及びプラズマ室12に連通されているので、真空排気系56は真空容器18及びプラズマ室12の真空排気をすることができる。真空排気系56は例えばクライオポンプまたはターボ分子ポンプ等の高真空ポンプを含む。
A
マイクロ波イオン源10は、イオンビーム20の出力を制御するための制御装置Cを備えてもよい。制御装置Cは、マイクロ波イオン源10の各構成要素を制御し、プラズマ室12に生成されるプラズマを制御し、それによりイオンビーム20の出力を制御する。制御装置Cは、例えば、マイクロ波供給系26、ガス供給系34、コイル電源76の動作を制御するよう構成されている。制御装置Cは例えば、原料ガスの流量、マイクロ波パワー、及び磁場強度の少なくとも1つを調整することにより、イオンビーム20の出力を制御してもよい。
The
プラズマ室12は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている。プラズマ室12の内部空間を以下では、プラズマ生成空間58と呼ぶことがある。
The
プラズマ室12は、始端部60、終端部62、及び側壁64を含む。始端部60と終端部62とはプラズマ生成空間58を挟んで対向している。側壁64はプラズマ生成空間58を囲み、始端部60と終端部62とを接続している。このようにして、始端部60、終端部62、及び側壁64によってプラズマ生成空間58が真空容器18の内部に画定されている。プラズマ室12が円筒形状である場合、始端部60及び終端部62は円板形状であり、側壁64は円筒であり、始端部60及び終端部62の外周部に側壁64の末端が固定されている。
The
始端部60は真空窓24を有する。真空窓24は始端部60の全体を占めていてもよいし、始端部60の一部(例えば中心部)に形成されていてもよい。真空窓24の一方の側がプラズマ生成空間58に面しており、真空窓24の他方の側がマイクロ波供給系26に向けられている。真空窓24はプラズマ室12の内部を真空に封じる。マイクロ波の伝搬方向Pは真空窓24に垂直である。真空窓24は誘電体損の低い誘電体(例えばアルミナまたは窒化ホウ素等)で形成されている。なおプラズマ室12の真空窓24以外の部分は例えばステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性金属材料で形成されている。
The
終端部62には少なくとも1つのイオン引出開口66が形成されている。イオン引出開口66は、プラズマ生成空間58を挟んで真空窓24に対向する位置に形成されている。すなわち、真空窓24、プラズマ生成空間58、及びイオン引出開口66は、プラズマ室12の軸方向に沿って配列されている。
At least one
真空容器18は、プラズマ室12が一体に形成された二重の筒構造を有する。すなわち、プラズマ室12が真空容器18の内筒であり、その外側にプラズマ室12を収容する外筒68が設けられている。外筒68はプラズマ室12と同軸の円筒形状であってもよい。外筒68とプラズマ室12の側壁64との間には隙間があり、この隙間に上述のガス供給系34のガス配管40の先端部が進入し側壁64に取り付けられている。真空容器18は例えば非磁性金属材料で形成されている。
The
真空容器18は、プラズマ室12と一体に形成されていなくてもよい。真空容器18とプラズマ室12とがそれぞれ別体であり分割可能であってもよい。また、真空容器18自体がプラズマ室12を成していてもよい。このように真空容器18がプラズマ室12を兼用する場合には、外筒68のビームライン52側にイオン引出開口66を有する端板を取り付ければよい。
The
真空容器18の一端は端板70により閉塞され、他端はビームライン52に向けて開放されている。端板70の中心部にプラズマ室12の始端部60が形成されている。端板70の外周部は径方向に外筒68の外側まで延びている。ビームライン52側の真空容器18の端部には、ブッシング54のための取付フランジ72が設けられている。取付フランジ72は外筒68から径方向に外側に延びている。真空容器18とプラズマ室12とは軸方向長さが等しく、取付フランジ72とプラズマ室12の終端部62とは軸方向位置が一致している。真空容器18とプラズマ室12とは軸方向長さが異なっていてもよい。
One end of the
真空容器18には、コイル装置16を保持するためのコイル保持部74が形成されている。コイル保持部74は例えば、真空容器18の外筒68の外表面に形成されている。こうして、コイル装置16は真空容器18の外側に(即ち大気中に)設けられている。コイル装置16は真空容器18を取り囲むように配置されている。なお、ある実施形態においては、コイル保持部74は真空容器18またはプラズマ室12から離れている別の部材であってもよい。この場合、コイル装置16とプラズマ室12とに異なる電位が与えられてもよい。
A
コイル装置16は、プラズマ室12の軸方向を向くコイル磁場を発生させるよう構成されたコイル75を備える。本例においてはプラズマ室12及び真空容器18は円筒形状であり、コイル75は環状に形成され、プラズマ室12の周方向に導線が巻かれている。コイル装置16は、コイル75に電流を流すためのコイル電源76を含む。なおコイル装置16は、図示されるように1つのコイル75を備える代わりに、プラズマ室12の軸方向に沿って配列された複数のコイルを備えてもよい。
The
詳しくは図2及び図3を参照して後述するように、マイクロ波イオン源10には磁性体80が設けられている。磁性体80は例えば、プラズマ室12にの周りに設けられたシールド部材、及び/または、コイル75の周りに設けられたヨーク部材を備える。
As will be described later in detail with reference to FIGS. 2 and 3, the
磁性体80は、軸方向において真空窓24とイオン引出開口66との間に配置されている。このようにすれば、磁性体80をプラズマ生成空間58に近接させることができるので、磁性体80によりプラズマ生成空間58のコイル磁場を効果的に調整することができる。また、こうした配置であれば磁性体80の設置スペースを確保しやすい。真空窓24より上流側にはマイクロ波供給系26が設けられ、イオン引出開口66より下流側には引出電極系42が設けられているので、空間的な余裕が小さい。
The
図2は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源10の要部を概略的に示す断面図である。図2の上部には、図1に示すマイクロ波イオン源10の要部を示し、図2の下部には、コイル装置16が発生させるプラズマ室12の中心軸上の軸方向磁場を例示する。図2において縦軸はプラズマ室12の中心軸上での軸方向磁束密度Bを表し、横軸はプラズマ室12の中心軸上の軸方向位置Zを表す。ここで、軸方向に関してプラズマ室12の中央位置をZcと表記し、プラズマ室12の中心軸上での軸方向磁束密度Bのピーク位置をZpと表記する。また、真空窓24及びイオン引出開口66の軸方向位置をそれぞれZw、Zaと表す。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a main part of the
マイクロ波イオン源10は上述のように、プラズマ生成空間58を画定するプラズマ室12を備える。プラズマ室12は、マイクロ波を受け入れるための真空窓24を備える始端部60と、プラズマ生成空間58からイオンを引き出すためのイオン引出開口66を備える終端部62と、始端部60と終端部62とを接続する側壁64と、を備える。
As described above, the
また、マイクロ波イオン源10は、軸方向に向けられたコイル磁場をプラズマ生成空間58に生成するよう配設されているコイル装置16を備える。コイル装置16は、真空窓24からイオン引出開口66にわたって軸方向にプラズマ生成空間58の全体に磁場を生成する。コイル装置16は、単一のコイル電源76と、コイル電源76からの給電によりプラズマ生成空間58に磁場を生成する単一のコイル75と、を備える。コイル75はその中心に強度ピークをもつ単峰型の軸方向磁場分布を生成する。この磁場分布は、少なくともピークにおいて共鳴磁場(すなわち、ECR条件を満たす磁場)より大きく、プラズマ室12の軸方向全体にわたって共鳴磁場より大きくてもよい。
The
コイル装置16は、プラズマ室12の中心軸上におけるコイル磁場のピークがプラズマ室12の中に位置するよう構成されている。コイル装置16は、軸方向において真空窓24とイオン引出開口66との間にコイル75の窓側の側面及び開口側の側面が位置するよう配置されている。コイル75は、プラズマ室12を囲むドーナツ型のコイルである。
The
本実施形態においては、コイル装置16は、軸方向に関してプラズマ室12の中央にコイル装置16(具体的にはコイル75)の軸方向位置を合わせるように配設されている。よって、仮にシールド部材82が設けられていなければ、コイル装置16は、プラズマ室12の中央位置Zcにピークをもつ軸方向磁場分布を生成する。この磁場分布は、軸方向中央位置Zcに関して左右対称である。
In the present embodiment, the
マイクロ波イオン源10は、プラズマ生成空間58におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体80(図1参照)を備える。磁性体80はプラズマ室12の開口側に配置されており、従って、磁性体80はコイル装置16の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称である。
The
磁性体80は、具体的には図2に示されるように、シールド部材82を備える。シールド部材82は鉄材などの軟磁性材である。シールド部材82は、プラズマ室12の開口側において側壁64に沿って配置されている。シールド部材82はコイル75から離れて設けられている。シールド部材82はプラズマ室12の全周を囲む短筒であってもよいし、プラズマ室12の周方向に沿って配置された複数の磁性体片であってもよい。シールド部材82は軸対称に配置されている。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
シールド部材82は、プラズマ室12の中心軸上のコイル磁場をプラズマ室12の外周側に逸らす効果をもつ。したがって、図2に示されるように、シールド部材82は、プラズマ室12の開口側(即ち、図2においてZa側)において磁場を低減させる。プラズマ室12の窓側にはシールド部材が設けられていないから、窓側(即ち、Zw側)においてはもとの磁場が維持される。こうして、シールド部材82により調整された磁場の中心軸上におけるピークZpは、依然としてプラズマ室12の中にあるが、未調整のコイル磁場のピークZcから窓側に外れた場所に位置する。
The
このようにして、磁性体80は、軸方向には開口側で径方向にはコイル75とプラズマ生成空間58との間に配置されており、それにより、プラズマ室12の中心軸上においてプラズマ生成空間58の窓側領域の磁場がプラズマ生成空間58の開口側領域の磁場より強くなる。軸方向中央に対して非対称な磁場分布は、プラズマ生成空間58に高密度プラズマを生成し維持するのに役立つ。
In this manner, the
また、プラズマ室12は、シールド部材82を冷却する冷却部78を備える。冷却部78は、径方向においてシールド部材82とプラズマ生成空間58との間に配置されている。冷却部78は例えば、プラズマ室12を冷却するためにプラズマ室12の側壁64に内蔵された冷却配管を備える。こうして、動作中に高温となるプラズマ生成空間58によるシールド部材82の過度の温度上昇を防ぐことができる。
The
なお、冷却部78はプラズマ室12の側壁64の外表面に設置されていてもよい。また、図示される冷却部78はシールド部材82を径方向内側から冷却するが、こうした冷却部78とともに又はこれに代えて、シールド部材82を径方向外側から冷却する冷却部が設けられていてもよい。例えば、冷却部が保護部材84に設けられていてもよい。
The cooling
シールド部材82を保護する保護部材84が設けられていてもよい。保護部材84は、シールド部材82の表面を覆う保護層を形成する。保護部材84は例えば、アルミニウムのような非磁性材料で形成されていてもよい。このようにすれば、シールド部材82の材料が環境に放出されることを防ぎ、イオンビーム20の汚染を防止することができる。なお、こうした汚染問題が重要でない用途においては、保護部材84は設けられていなくてもよい。この場合、磁性体80(例えば、シールド部材82、及び/またはヨーク部材86)の表面が露出されていてもよい(図3参照)。
A
図3は、本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源10の要部を概略的に示す断面図である。この実施形態に係るマイクロ波イオン源10は、磁性体80の配置及び機能に関して上述の実施形態とは異なる。その余については、図3に示す実施形態は図1及び図2を参照して説明した実施形態と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a main part of a
磁性体80はプラズマ室12の窓側に配置されており、従って、磁性体80はコイル装置16の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称である。磁性体80は、図2に示すシールド部材82に代えて、図3に示されるようにコイル75に装着されたヨーク部材86を備える。ヨーク部材86は鉄材などの軟磁性材である。ヨーク部材86は軸対称に配置され、プラズマ室12から離れて設けられている。
The
ヨーク部材86は、コイル75の窓側の側面に沿って配置されている第1部分88と、コイル75の径方向外周面に沿って配置されている第2部分90と、を備える。第1部分88は、プラズマ室12を通す貫通孔を中心に有する平板である。第2部分90は、第1部分88の径方向外周端に隣接して軸方向に延びる短筒である。第2部分90は、コイル75の径方向外周面の窓側部分を覆っているが、コイル75の径方向外周面の全部を覆ってもよい。ヨーク部材86は、コイル75の開口側の側面には設けられていない。
The
なお、ヨーク部材86は、少なくとも第1部分88を備えていてもよいし、第1部分88及び第2部分90のうち一方のみであってもよい。ヨーク部材86は、コイル75の全周を囲んでもよいし、コイル75の周方向に沿って配置された複数の磁性体片であってもよい。
The
ヨーク部材86はその軸方向位置に磁場を集中させる効果をもつ。したがって、図3に示されるように、ヨーク部材86は、プラズマ室12の窓側において磁場を強くする。プラズマ室12の開口側にはヨーク部材が設けられていないから、開口側においてはもとの磁場が維持される。こうして、ヨーク部材86により調整された磁場の中心軸上におけるピークZpは、依然としてプラズマ室12の中にあるが、未調整のコイル磁場のピークZcから窓側に外れた場所に位置する。
The
このようにして、磁性体80は、軸方向には窓側で径方向にはコイル75の側部及び外側に配置されており、それにより、プラズマ室12の中心軸上においてプラズマ生成空間58の窓側領域の磁場がプラズマ生成空間58の開口側領域の磁場より強くなる。このように軸方向中央に対して非対称な磁場分布は、プラズマ生成空間58に高密度プラズマを生成し維持するのに役立つ。
In this way, the
説明したように、本実施形態に係るマイクロ波イオン源10は、プラズマ室12と、1つのコイル電源76と、この1つのコイル電源76によりプラズマ室12の軸方向に対称性磁場を発生するコイル75と、を備える。また、マイクロ波イオン源10は、プラズマ室12の外周側であってプラズマ室12の入り側又は出側に配置された磁性体80を備える。マイクロ波イオン源10は、コイル75と磁性体80とによりプラズマ室12内に非対称性磁場分布を形成する。
As described above, the
よって、本実施形態によると、1セットのコイル75とコイル電源76からなるコイル装置16に磁性体80を組み合わせるという簡単な構成で、高密度プラズマの生成に適する非対称磁場を実現することができる。軸方向に複数のコイルを設け各コイルに異なる電流を与えるといった複雑な構成を要しないという利点がある。
Therefore, according to the present embodiment, an asymmetric magnetic field suitable for generating high-density plasma can be realized with a simple configuration in which the
また、コイル電源76が1つであることは、コスト低減に役立つ。とりわけ、プラズマ生成のための磁場は一般に例えば数百アンペアという大きなコイル電流により生成され、そうした電源は高価である。電源の数を少なくすることは、低コストにシステムを構成することに大きく寄与する。
In addition, the fact that there is only one
加えて、コイル磁場のピーク部分がプラズマ生成空間58に与えられるので、コイル電源76がコイル75に与える電流を小さくすることができる。これは電源の小型化及び低コスト化に役立つ。これに対して、仮にコイル磁場のピーク部分がプラズマ室12の外に位置しコイル磁場の裾野部分がプラズマ生成空間58に与えられるとしたら、同等の強さの磁場をプラズマ生成空間58にもたらすには大きな電流が要求されることになる。
In addition, since the peak portion of the coil magnetic field is applied to the
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。 In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. By the way.
上述の実施形態においては、磁性体80はプラズマ室12の窓側及び開口側の一方に配置されている。しかし、磁性体80は、コイル装置16の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の両方に配置されていてもよい。よって、ある実施形態に係るマイクロ波イオン源10は、シールド部材82とヨーク部材86の両方を備えてもよい。
In the above-described embodiment, the
上述の実施形態においては、マイクロ波イオン源10は、コイル装置16の軸方向中央に対し窓側に偏った非対称磁場を生成するよう構成されている。しかし、逆に、開口側に偏った非対称磁場も可能である。ある実施形態においては、マイクロ波イオン源10は、磁性体80により調整された磁場の中心軸上におけるピークがもとのコイル磁場のピークから開口側に外れた場所に位置するよう構成されていてもよい。磁性体80は、中心軸上においてプラズマ生成空間58の開口側領域の磁場がプラズマ生成空間58の窓側領域の磁場より強くなるように、軸方向には窓側で径方向にはコイル75とプラズマ生成空間58との間に、及び/または、軸方向には開口側で径方向にはコイル75の側部又は外側に配置されていてもよい。例えば、磁性体80は、窓側において側壁64に沿って配置されているシールド部材を備えてもよい。あるいは、磁性体80は、コイル75の開口側の側面又はコイル75の径方向外周面に沿って配置されているヨーク部材を備えてもよい。
In the above-described embodiment, the
また、上述の実施形態においては、シールド部材82は、プラズマ室12に密着している。しかし、シールド部材82は、プラズマ室12との間に隙間を有してもよい。同様に、上述の実施形態においてはヨーク部材86はコイル75に密着しているが、コイル75との間に隙間を有してもよい。
In the above-described embodiment, the
ある実施形態においては、シールド部材82に代えて、永久磁石が設けられていてもよい。この場合、永久磁石は、その磁場によってコイル磁場を少なくとも部分的に打ち消すように向きが定められて、コイル75とプラズマ生成空間58との間に配設される。
In an embodiment, a permanent magnet may be provided instead of the
10 マイクロ波イオン源、 12 プラズマ室、 16 コイル装置、 58 プラズマ生成空間、 60 始端部、 62 終端部、 64 側壁、 66 イオン引出開口、 75 コイル、 76 コイル電源、 78 冷却部、 80 磁性体、 82 シールド部材、 84 保護部材、 86 ヨーク部材。 10 microwave ion source, 12 plasma chamber, 16 coil device, 58 plasma generation space, 60 start end, 62 end, 64 side wall, 66 ion extraction opening, 75 coil, 76 coil power supply, 78 cooling unit, 80 magnetic body, 82 shield member, 84 protective member, 86 yoke member.
Claims (10)
軸方向に向けられたコイル磁場を前記窓から前記開口にわたって前記プラズマ生成空間に生成するよう配設されているコイル装置と、
前記プラズマ生成空間におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体と、を備え、
前記磁性体は、前記コイル装置の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置され、
前記コイル装置は、前記プラズマ室の周囲に配置されたコイルを備え、
前記磁性体は、前記中心軸上において前記プラズマ生成空間の窓側領域の磁場が前記プラズマ生成空間の開口側領域の磁場より強くなるように、軸方向には前記窓側で径方向には前記コイルの側部又は外側に配置され、
前記磁性体は、前記コイルの窓側の側面又は前記コイルの径方向外周面に沿って配置されているヨーク部材を備え、前記ヨーク部材は、前記コイルの開口側の側面には設けられていないことを特徴とするマイクロ波イオン源。 A plasma chamber comprising a window for receiving microwaves and an opening for extracting ions, and defining a plasma generation space;
A coil device arranged to generate an axially oriented coil magnetic field in the plasma generation space from the window across the opening;
A magnetic body for adjusting the coil magnetic field strength on the plasma chamber central axis in the plasma generation space,
The magnetic body is disposed on at least one of the window side and the opening side so as to be asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device ,
The coil device includes a coil disposed around the plasma chamber,
The magnetic body has an axial direction on the window side in the axial direction and a radial direction of the coil so that the magnetic field in the window side region of the plasma generation space is stronger than the magnetic field in the opening side region of the plasma generation space on the central axis. Placed on the side or outside,
The magnetic body includes a yoke member disposed along a window side surface of the coil or a radially outer peripheral surface of the coil, and the yoke member is not provided on a side surface of the coil on the opening side. A microwave ion source characterized by
軸方向に向けられたコイル磁場を前記窓から前記開口にわたって前記プラズマ生成空間に生成するよう配設されているコイル装置と、
前記プラズマ生成空間におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体と、を備え、
前記磁性体は、前記コイル装置の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置され、
前記プラズマ室は、前記窓を備える始端部と、前記開口を備える終端部と、該始端部と該終端部とを接続する側壁と、を備え、
前記磁性体は、前記開口側において前記側壁に沿って配置されているシールド部材を備え、前記シールド部材は、前記窓側には設けられていないことを特徴とするマイクロ波イオン源。 A plasma chamber comprising a window for receiving microwaves and an opening for extracting ions, and defining a plasma generation space;
A coil device arranged to generate an axially oriented coil magnetic field in the plasma generation space from the window across the opening;
A magnetic body for adjusting the coil magnetic field strength on the plasma chamber central axis in the plasma generation space,
The magnetic body is disposed on at least one of the window side and the opening side so as to be asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device,
The plasma chamber includes a start end provided with the window, a terminal end provided with the opening, and a side wall connecting the start end and the terminal end,
The microwave body according to claim 1, wherein the magnetic body includes a shield member disposed along the side wall on the opening side, and the shield member is not provided on the window side .
前記シールド部材は、前記中心軸上において前記プラズマ生成空間の窓側領域の磁場が前記プラズマ生成空間の開口側領域の磁場より強くなるように、軸方向には前記開口側で径方向には前記コイルと前記プラズマ生成空間との間に配置されていることを特徴とする請求項4に記載のマイクロ波イオン源。 The coil device includes a coil disposed around the plasma chamber,
The shield member has an axial direction on the opening side and a radial direction on the coil such that the magnetic field in the window side region of the plasma generation space is stronger than the magnetic field in the opening side region of the plasma generation space on the central axis. Microwave ion source according to claim 4, characterized in that it is placed between the plasma generating space with.
前記磁性体により調整された磁場の前記中心軸上におけるピークは、前記プラズマ室の中であって前記コイル磁場のピークから窓側に外れた場所に位置することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。 The peak on the central axis of the coil magnetic field is located in the plasma chamber,
The peak on the center axis of the adjusted magnetic field by a magnetic body, from claim 1, characterized in that positioned outside the location in the window side from the peak of the coil magnetic field there is within the plasma chamber 7 The microwave ion source according to any one of the above.
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