JP6389062B2 - マイクロストリップ共振器を備えたプラズマ生成デバイス - Google Patents

Description

本発明は、マイクロストリップ共振器を備えたプラズマ生成デバイスに関する。

プラズマは、イオン、中性原子または分子、及び自由電子のガス状集合体である。プラズマは、非結合荷電粒子が容易に電磁場に結合するので、導電性である。用語「プラズマ」の定義は変わる可能があるが、それは通常、幾つかの要素の「集合的な」挙動を含み、任意の１つの荷電粒子がプラズマ中の多数の他の荷電粒子と相互作用することができることを意味する。

プラズマは、質量分析の応用形態において光源として使用され得る。例えば、マイクロプラズマ光イオン化（ＭＰＰＩ）源が、被分析物の分子を（光）イオン化するために紫外線（ＵＶ）光を供給するために、質量分析計で使用され得る。光イオン化は、光が希ガス原子の励起の結果として生じるプラズマベースのランプを用いて達成され得る。放出されるＵＶ光は、当該ガスの組成物に基づいて様々な波長の状態にある。

プラズマＵＶ源からの放出される放射線のパワーを増大させることが必要とされている。飽和限界は、単一のＲＦ／マイクロ波プラズマ源を使用して到達されることが多く、ＲＦ電力を増加させることは、出力ＵＶ放射線のパワーにおいて減少したリターンを実現する。ＲＦ／マイクロ波電力を複数のプラズマ生成デバイスに供給して増大したＵＶ出力を提供することが可能であるが、他の欠点がこのオプションを魅力のないものにする。例えば、複数の供給源および複数の給電が必要とされ、より複雑で比較的高価なＵＶ源という結果になる。更に、各コンポーネントの共振周波数は、入力ＲＦ／マイクロ波電源の周波数に必ずしも同調されない。各コンポーネントが異なる共振周波数を有する可能性があるので、各コンポーネントは、その独自の指定されたＲＦ／マイクロ波電源を必要とし、複数の接続が必要とされる。これは、ＭＰＰＩからのより強力なＵＶ出力を実現するために、より複雑な構造という結果になる。この複雑性は、ＭＰＰＩのコスト及びサイズを増加する。

従って、必要とされていることは、上述した既知のＵＶ光源の欠陥および欠点を少なくとも克服するプラズマ生成デバイスである。

本発明の一実施形態によれば、プラズマ生成デバイスが提供される。そのプラズマ生成デバイスは、第１の表面および第２の表面を有する基板と、基板の第１の表面上に配置された共振リング形状構造体であって、その共振リング形状構造体が、共振リング形状構造体の長さに沿って２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法を有する、共振リング形状構造体と、基板の第２の表面に配置された接地平面と、電界最大値の場所にガスを提供するように構成された装置を含む。

本発明の別の実施形態によれば、方法が提供され、その方法は、第１の表面および第２の表面を有する基板と、前記基板の前記第１の表面上に配置され、２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法を有する共振リング形状構造体と、前記基板の前記第２の表面に配置された接地平面とを含むプラズマ生成デバイスにガスを供給すること、前記電界最大値のそれぞれにおいて前記共振リング形状構造体の上にガスを供給すること、ガスからプラズマを発生させるために前記電界最大値のそれぞれの場所において十分な放電を生じさせることを含む。

本発明によれば、光イオン化領域に比較的高いレベルのＶＵＶ光強度を提供し、プラズマ生成デバイスに供給する単一のマイクロ波源のみを必要とするプラズマ生成デバイスが提供される。

代表的な実施形態による、プラズマ生成デバイスを含むシステムの簡略ブロック図である。 代表的な実施形態による、プラズマ生成デバイスの斜視図である。 代表的な実施形態による、共振リングに沿った共振状態の定在波の電界強度を示す上面図である。 代表的な実施形態による、電極延長部分の近くの領域における電界の線および大きさを示す図である。 代表的な実施形態による、電極延長部分の近くの領域における電界の線および大きさを示す図である。 代表的な実施形態による、プラズマ生成デバイスの上面図である。 代表的な実施形態による、方法の流れ図である。

後述される代表的な実施形態は、添付図面と共に読まれる場合に、以下の詳細な説明から最も良く理解される。様々な特徴要素が必ずしも一律の縮尺に従わずに描かれていることが強調される。実際には、寸法は、考察の明瞭化のために任意に増減され得る。適用可能であり且つ実用的であるときはいつでも、同様の参照符号は同様の要素を指す。

以下の詳細な説明において、説明および制限しないために、特定の細部を開示する代表的な実施形態が、本教示の完全な理解を提供するために記載される。既知のデバイス（装置）、既知の材料、及び既知の製造方法の説明は、例示的な実施形態の説明を不明瞭にすることを避けるように省略され得る。それにも関わらず、当業者の理解範囲内にあるそのようなデバイス、材料および方法が、代表的な実施形態に従って使用され得る。更に、理解されるように、図面に示された電気コンポーネント及び電気接続の様々な構成は例示であり、従って、本教示の範囲から逸脱せずに変更できる。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけであり、制限することは意図されていない。定義された用語は、関連する文脈で一般に理解され且つ許容されるものとして、定義された用語の技術的、科学的、又は通常の意味に追加される。

用語「１つの（a）」、「１つの（an）」及び「前記（the）」は、文脈で特に明示しない限り、単一の対象、及び複数の対象の双方を含む。このため、例えば、「１つのデバイス（a device）」は、１つのデバイス及び複数のデバイスを含む。用語「実質的な」又は「実質的に」は、許容可能な限界または又は程度の範囲内にあること意味する。用語「約（ほぼ）」は、当業者にとって許容可能な限界または量の範囲内にあることを意味する。

「〜より上に」、「〜より下に」、「上部」、「底部」、「上側」、及び「下側」のような、相対的な用語は、添付図面に示されたような様々な要素の相互の関係を説明するために使用され得る。これらの相対的な用語は、図面に示された向きに加えて、デバイス及び／又は要素の異なる向きを包含することが意図されている。例えば、デバイスが図面の表示に対して反転された場合、例えば、別の要素の「上に」と説明された要素は、その要素の「下に」あることになる。

一般に、及び代表的な実施形態に関連して後述されるように、本教示は、プラズマ生成デバイス、プラズマ生成デバイスを含むシステム、及びプラズマ及び真空ＵＶ（ＶＵＶ）光子を生成する方法を対象とする。代表的な実施形態において、プラズマ生成デバイスは、第１の表面および第２の表面を有する基板と、基板の第１の表面上に配置された共振リング形状構造体であって、その共振リング形状構造体が、共振リング形状構造体の長さに沿って２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法を有する共振リング形状構造体と、基板の第２の表面に配置された接地平面と、電界最大値の場所にガスを提供するように構成された装置を含む。

本開示の精査から明らかになるように、代表的な実施形態の共振リング形状構造体および共振リングは、２つ以上の電界最大値をその上に備える１つ又は複数の定在波を確立するように構成された「閉ループ」構造体（後述されるような円形、楕円形、長方形など）である。いくつかある特徴の中で特に、代表的な実施形態の共振リング形状構造体および共振リングは、開ループ共振器（例えば、スプリットリング共振器）、ギャップを備えたそのような共振器の線形アレイ、又は線形マイクロストリップ共振器の何れかである他の既知のデバイスとは異なる。

いくつかある応用形態の中で特に、プラズマ生成デバイス、システム及び方法は、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）質量分析法（ＭＳ）の応用形態で使用するために企図されている。当業者には理解され得るように、ＧＣ−ＭＳ応用形態のためにできる限り最も高いイオン化分子の部分量を達成することが望ましい。本教示のプラズマ生成デバイス、システム及び方法は、被分析物のより完全なイオン化を促進する。特に、ＶＵＶ放射線の領域を通過する際にイオン化される被分析物の分子の部分量は、η_ＰＩ≒σ_ＰＩＩ_ｈｖＴ_ｉとして表されることができ、ここで、η_ＰＩは光イオン化部分量であり、σ_ＰＩは光イオン化横断面であり、Ｔ_ｉはイオン化領域の分子の平均滞留時間であり、Ｉ_ｈｖはＶＵＶ光強度である。σ_ＰＩが所与の分子に関する不変の固有特性であり、Ｔ_ｉが狭い範囲の値にわたって一般に変化するカラム流速により主として決定されるので、より高いイオン化部分量を実現するためには、より高いＶＵＶ強度（Ｉ_ｈｖ）を提供することが必要である。代表的な実施形態のプラズマ生成デバイスは、複数の光源を備える単一のプラズマデバイスを提供する。有利には、本教示のプラズマ生成デバイスは、光イオン化領域に比較的高いレベルのＶＵＶ光強度を提供し、プラズマ生成デバイスに供給する単一のマイクロ波源のみを必要とする。更に、マイクロ波電力は、比較的大きな面積／体積にわたって放散され、その結果、より高いマイクロ波入力電力を使用することができる。

図１は、プラズマ生成デバイス１０１を含むシステム１００の簡略ブロック図である。例示的に、プラズマ生成デバイス１０１は、代表的な実施形態に関連して後述されるプラズマ生成デバイスからなる。また、システム１００は、例示的にＲＦ／マイクロ波電源である電源１０２も含む。電源１０２は、プラズマ生成デバイス１０１の共振リング形状構造体または共振リングの共振周波数に実質的に等しい周波数を有する電磁放射線を提供する。一例として、電源は、約１Ｗから約５０Ｗを有し、且つ約１ＧＨｚから約２０ＧＨｚの周波数を有する電磁放射線を提供する。

また、システム１００は、プラズマ生成デバイス１０１においてプラズマを発生させるためのガスを提供するガス源１０３も含む。ガス源１０３からのガスは、ガス供給ライン１０４によりプラズマ生成デバイス１０１に供給される。様々なガスが企図されるが、一般に、ガス源から供給されるガスは、アルゴン（Ａｒ）又はヘリウム（Ｈｅ）のような希ガスである。選択されたガスは、ガスがシステムから流出する際にガスが絶え間なく補充される流れている構成、或いはガスが個々のプラズマ閉じ込め構造体の各々に供給されてその中に封止されるか又はプラズマ生成デバイスが内部に存在するより大きな密封容器の内部の周囲ガスとして供給される静的充填構成において供給されることができる。

図２は、代表的な実施形態による、プラズマ生成デバイス２００の斜視図を示す。プラズマ生成デバイス２００は、第１の表面２０２、及び第１の表面２０２の反対側にある第２の表面２０３を有する基板２０１を含む。共振リング形状構造体２０４が、基板２０１の第１の表面２０２の上に配置され、接地平面（図示せず）が基板２０１の第２の表面２０３の上に配置される。より詳細に後述されるように、共振リング形状構造体２０４は、その円周に沿って２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法を有する。

また、プラズマ生成デバイス２００は、ガス源（図示せず）に接続する開口２０５も含み、この場合、開口２０５は電界最大値の場所にガス（例えば、希ガス）を供給するように構成される。現在説明された代表的な実施形態において、共振リング形状構造体２０４の円周に沿って位置する４つの電界最大値が存在し、そういうものだから、ガスを供給するように構成された４つの開口が存在する。現在説明された代表的な実施形態においてのような４つのプラズマの発生は単なる例示であり、４つよりも多い又は少ないプラズマの発生が代表的な実施形態の教示の拡張によってもたらされることが強調される。

複数の構造体２０６が、電界最大値のそれぞれの場所の上に設けられる。構造体２０６はそれぞれ、基部２０７及び、基部２０７の上に配置されたカバー２０９を含む。特に、基部２０７は、４つの構造体の１つだけで完全に見られることができ、この場合、カバー２０９は、説明しやすくするために取り除かれている。当業者には理解され得るように、構造体２０６は、内部で生成されたプラズマの放出波長範囲（例えば、ＶＵＶ）に対して実質的に透過的である材料から作成され得る。しかしながら、これは本質的ではない。それどころか、構造体２０６は、ＵＶ光に透過的でない材料から作成され得る。例えば、ＵＶ光は、構造体２０６の開放穴２０８を介して又は構造体２０６のＵＶ透過窓（図示せず）を介して、プラズマから送られ得る。例示的に、穴２０８は各構造体２０６から半径方向に内側に向けられており、そのため、各プラズマからの光が、プラズマ生成デバイス２００の中心における全体の強度に寄与する。穴２０８のサイズ、基板２０１の開口を通るガスの流速、及び周囲圧力は、構造体の内部の圧力に影響し、それは最大のＵＶ出力のために最適化され得る。ＵＶ透過窓を用いる場合、ＵＶ透過材料は一般に、フッ化カルシウム又はフッ化マグネシウムである。

複数の構造体２０６には、電界最大値の場所においてガス源（図示せず）にそれぞれ接続される対応する開口２０５が設けられるが、それは、プラズマが各構造体２０６において発生するという点で本質的ではない。特に、構造体２０６の数よりも少ない数でプラズマを発生させることが有用である場合があり、本教示は、１つの構造体２０６だけでプラズマを発生させることを考える。これは、全ての（代表的な実施形態において、４つ全部）構造体２０６にガスを供給することによってではなく、所望されるプラズマが存在する数だけによって行われ得る。代案として、効率のために、共振リング形状構造体２０４は、２つの電界最大値を備える１つの定在波を有するモードを活性化（励起）させるように選択され得る。プラズマを発生させるためのガスを供給するための開口２０５を備える構造体２０６は、１つの電界最大値の近くに配置される。このように、１つの電界最大値のみがプラズマを発生させるために使用されるだけでなく、プラズマ生成デバイス２００の損失を低減して効率を増大させる。

いくつかある機能の中で特に、構造体２０６は、プラズマが生成される、ガス源（図示せず）からのガスを閉じ込める。このガスの閉じ込めにより、ガスの圧力がプラズマを点火するための所望の圧力に達することを可能にする。更に、構造体２０６により提供されるプラズマの閉じ込めは、プラズマからの所望のＶＵＶ放射線を生成する希ガス原子の励起を強化する比較的高い電子温度という結果になる。最後に、図示された代表的な実施形態において、構造体２０６は、共振リング形状構造体２０４の「内側」に設けられる。そういうものだから、プラズマは、比較的小さい体積の複数の場所で生成され、それにより比較的小さい体積において、かなりのパワーのＶＵＶ放射線を提供する。プラズマ生成デバイス２００の特定の実施形態において、基板２０１は、比較的高い誘電率を有する誘電体材料である。比較的高い誘電率は、９．６（例えば、セラミック）以上を含む５以上のような、２以上である誘電率を意味する。他の実施形態において、誘電率の観点から基板２０１の材料を選択することに制限はなく、そのため、それは高い必要がない。一般に、基板２０１は、動作周波数において比較的低損失である材料から作成される。

基板２０１としての使用を見出す誘電体材料は、以下に限定されないが、セラミック化合物、テフロン（TEFLON）（登録商標）（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））、ポリマー、ガラス、石英、及びそれらの組合せを含む。特定の実施形態において、基板２０１は、単一の材料から製造されるが、特定の他の実施形態において、基板は２つ以上の材料、例えば異なる材料の異なる層を含む。基板２０１の寸法は、プラズマ生成デバイス２００により生成されるプラズマの意図された使用法に依存して、及び／又は基板の誘電特性、動作周波数および必要な特性インピーダンスの関数である共振リング形状構造体２０４の寸法の特性に依存して、大幅に変わることができる。特定の実施形態において、基板２０１は、平面基板であり、約１０ｍｍから約７０ｍｍ及び約２０ｍｍ（実際のセラミック）から約５０ｍｍ（実際のＲＴ／ＤＵＲＯＩＤ（登録商標））を含むような約５ｍｍから約１００ｍｍまでの範囲にわたる長さを有し、約１０ｍｍから約７０ｍｍ及び約１２ｍｍ（実際のセラミック）から約４０ｍｍ（実際のＲＴ／ＤＵＲＯＩＤ（登録商標））を含むような約５ｍｍから約１００ｍｍまでの範囲にわたる幅を有し、約１００μｍから約２ｍｍ及び約１ｍｍ（実際のセラミック）から約２ｍｍを含むような約１００μｍから約５ｍｍまでの範囲にわたる厚さを有する。

代表的な実施形態において、共振リング形状構造体２０４の一部である電極延長部分２１０は、電界最大値の場所に設けられる。それぞれの開口２０５が、それぞれの電極延長部分２１０に隣接して設けられる。電極延長部分は、その個々の構造体２０６の長さと実質的に同じ長さを有する。特に、共振リング形状構造体２０４及び電極延長部分２１０は、電界のパターンが適切であることを保証するように設計され、構造体は実質的にインピーダンス整合されている。ひとたび、これが完成したならば、開口２０５の場所が、効率的なプラズマ生成を最適化するために決定される。

より詳細に後述されるように、電極延長部分２１０は、開口２０５の近く、従ってプラズマを生成するために供給されるガスの近くに共振リング形状構造体２０４によりサポートされた定在波の電界最大値を位置決めするのに役立つ。そういうものだから、電極延長部分２１０は、構造体２０６のそれぞれにおいてプラズマ生成を促進し、プラズマ生成デバイス２００からのプラズマＶＵＶ放射線の複数（この例において４つ）の供給源という結果になる。電極延長部分２１０はオプションであり、後述されるように、プラズマ生成デバイス２００は、電極延長部分２１０なしで、電界最大値の領域にプラズマを生成することができる。しかしながら、特に、電極延長部分２１０が実装されない場合、各構造体２０６で生成されたプラズマは、より小さい体積に閉じ込められ、電極延長部分の使用を通じて実現される長さを有さない。

図２に関連して説明された代表的な実施形態に従って、共振リング形状構造体２０４は、第２のリング２１２と同心の第１のリング２１１、それらの間のギャップ（間隙）２１４、及び第２のリング２１２から内側に延びる電極延長部分２１０を含む。第１のリング２１１は、接続２１３を介してＲＦ／マイクロ波電源（図示せず）に接続され、ギャップ２１４により第１のリング２１１から分離された第２のリングに結合される。代表的な実施形態において、第１及び第２のリング２１１、２１２は、マイクロストリップ伝送線であり、第１及び第２のリング２１１、２１２が形成される第１の表面２０２の反対側にある第２の表面２０３の上に接地平面が設けられている。

本明細書で説明される実施形態において、共振リング形状構造体２０４、第１のリング２１１、及び第２のリング２１２は、実質的に円形である。これは単なる例示であり、共振リング形状構造体２０４、第１のリング２１１、及び第２のリング２１２は様々な形状をとることができることが強調される。従って、用語「リング」及び「リング形状」は、円形リングだけに限定されず、任意の円形または非円形形状構造体を意味することが意図されており、この場合、関心のある第１及び第２のリング２１１、２１２は、以下に限定されないが、円形、楕円形または卵形および他の非円形リング、及び長方形または他の多辺形状を含む。共振リング形状構造体２０４は、様々な方法で基板２０１の上に配置され得る。特定の実施形態において、基板２０１は、マイクロストリップ層のための材料で被覆され（例えば、Ａｕ、Ｃｕなど）、共振リング形状構造体２０４は、当該技術で知られているフォトリソグラフィ及びウエットエッチング技術により形成される。当業者の理解範囲内にある他の処理技術を用いて、基板２０１の上に共振リング形状構造体２０４及び電極延長部分２１０を形成することができる。例えば、プリント基板（ＰＣＢ）ミリング技術が使用され得る。

上述されたように、共振リング形状構造体２０４の寸法（例えば、円周）は、共振リング形状構造体２０４が所望の共振状態においてＲＦ／マイクロ波電源の入力インピーダンスに実質的にインピーダンス整合されるように選択される。更に、電極延長部分２１０の長さは、個々の構造体２０６の長さに実質的に等しく、特定のガス圧力（及びプラズマの挙動に関連する他のパラメータ）に対して最適化される。より具体的には、電極延長部分２１０の長さもまた可変とすることができる。「整合される」ということは、最大の電力伝達が得られることができるように、接続２１３において与えられるインピーダンスがＲＦ／マイクロ波電源の出力インピーダンスに等しいことを意味する。これら２つのインピーダンスの何らかの差異（不整合）は、接続２１３において、電力の成分がＲＦ／マイクロ波電源（図示せず）の方へ戻るように反射されるという結果になる可能性がある。更に及び上述されたように、共振リング形状構造体２０４は、共振リング形状構造体２０４の長さ（円周）に沿って２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法（特に円周）を有する。代表的な実施形態において、共振リング形状構造体２０４の円周はおおよそ、プラズマ生成デバイス２００の動作周波数における半波長（λ／２）の倍数である。

特に、ギャップ２１４は、第１のリング２１１と第２のリング２１２との間の結合に影響を与える。一般に、当業者により理解されるように、様々なパラメータは、ＲＦ／マイクロ波電源（図２には示されない）の中心周波数における所望の共振、所望の電界分布および電極の上に実現可能な最も高い電界の大きさを提供することに役立つ。

共振リング形状構造体２０４の２つの同心リング構造は、ＲＦ／マイクロ波電源に共振リング形状構造体２０４をインピーダンス整合することを容易にするために提供される。この目的を達成するために、共振リング形状構造体２０４によりサポートされた共振周波数は、第１のリング２１１、第２のリング２１２、ギャップ２１４、及び電極延長部分２１０の寸法（例えば、長さ／円周および幅）により制御される。第１のリング２１１、第２のリング２１２の長さ／円周および幅の変更により、又は電極延長部分２１０の長さ及び幅の変更により、ＲＦ／マイクロ波電源に共振リング形状構造体２０４をインピーダンス整合することは、導波路の共振周波数の変更という結果になる可能性がある。更に、構造体２０６で生成されたプラズマの負荷時インピーダンスは、インピーダンス不整合という結果になる可能性がある。そのため、共振周波数の変更は、２つ以上の電界最大値を備える１つ又は複数の定在波が第２のリング２１２の長さ／円周に沿って確立されるように共振状態が共振リング形状構造体２０４において適合することを確実にするために、ＲＦ／マイクロ波電源の周波数の変更を必要とする。当業者に知られた他のチューニング要素（例えば、スタブ同調器）を用いてインピーダンス整合を行うことができるが、代表的な実施形態の結合された共振リング構成の使用は、比較的容易な解決策を提供する。

代表的な実施形態において、ＲＦ／マイクロ波電源に対する共振リング形状構造体２０４のインピーダンス整合を確実にするために、第１のリング２１１の長さ／円周および幅が選択され、変更され得る。第１のリング２１１は、マイクロストリップ結合を介して第２のリング２１２に結合され、結果として２つ以上の電界最大値を備える少なくとも１つの定在波が、第１及び第２のリング２１１、２１２によりサポートされる。ＲＦ／マイクロ波電源から第２のリング２１２への電力が第１のリング２１１に対する結合を介して供給されるので、ＲＦ電力は、複数のプラズマに同時に供給され、同じ電力量で動作する単一のプラズマの使用により蒙るＵＶ放射の飽和を有利に防止する。特に、最適な電力レベルにおいて単一のプラズマにより生成され得る最大量のＵＶ光が存在する。その電力レベルを超えても、ＵＶ放射は実質的に増加しない。従って、例えば、現在説明された代表的な実施形態において、この最適な電力レベルで動作する４つのプラズマ（４つの構造体２０６から）を有することは、最適な電力レベルの４倍で動作する単一のプラズマの約４倍の光を生じる。

動作中、ガス供給部（図２には示されず）からのガス（例えば、希ガス）が、電界最大値の近くに位置する開口２０５のそれぞれに供給される。ガスは、構造体２０６に流れ込むことができ、その結果、プラズマが構造体２０６の中に生成される。

図３は、代表的な実施形態のプラズマ生成デバイス３００の上面図であり、代表的な実施形態に従って、共振リング形状構造体２０４に沿った共振状態の定在波の電界強度を示す。領域３０１は、共振リング形状構造体２０４によりサポートされた定在波の電界最大値（複数）を示す。理解されるように、構造体２０６が定在波（単数または複数）の電界最大値（複数）の領域の近くに又はその上に配置されて伝導のための経路を提供し、その結果、構造体２０６内において、十分なエネルギーが供給され、構造体２０６のそれぞれにおいてプラズマを発生させる及びプラズマを維持することを保証する。有益には、プラズマ生成デバイス１０１は、比較的小さい体積の中で複数の場所にプラズマを生成し、それにより比較的小さい体積で十分なパワーのＶＵＶ放射線を提供する。電極延長部分２１０は、延ばされた線形形状でプラズマを維持する働きをし、それは、この線形延長部分の軸に沿って、同じ条件下で動作するよりコンパクトなプラズマよりも大きいＵＶ放射線を放出するように観測された。

特に、プラズマ生成デバイス１０１は、プラズマの有無で非常に異なるように動作し、２つの独立した機能を実行しなければならない。第１は、プラズマを発生させるために閉じ込め構造体２０６内のどこかに十分に強い電界を供給することである。この機能は共振を必要とする。ひとたびプラズマが形成されたなら、電極延長部分２１０は、好適な体積（電極延長部分２１０の長さに沿ってのような）中のプラズマにパワーを供給することができる異なる機能を実行する。ひとたびプラズマが動作しているならば、電界強度は動作に全く重要ではないが、むしろどれぐらいの電磁パワーがプラズマの電子に供給されているか、及びこのパワーが空間的にどこに供給されているかが重要である。電界の構造はプラズの存在下でも依然として構造体の下でピークに達するので、これは、効率的なプラズマ生成および方向付けられたＵＶ放射に望ましい構造体の中心にパワーを供給することに役立つ。

図４Ａは、代表的な実施形態による、電極延長部分４０１の近くの領域における電界の線および大きさを示す。電極延長部分４０１は、上述されたプラズマ生成デバイス１０１で使用することが意図されている。プラズマ生成デバイス１０１の多くの態様は図４Ａの記述に共通であり、本説明を不明瞭にすることを避けるために繰り返されない。

電極延長部分４０１は、マイクロストリップ伝送線４０５のギャップ４０４により分離された第１の電極４０２及び第２の電極４０３を有し、それらは第２のリングを形成する。開口４０６は、プラズマの生成のためにガスを提供し、構造体２０６（図４Ａに示されない）が当該開口の上に設けられて、ギャップ４０４上に中心に置かれる。代表的な実施形態に関連して上述されたように、電極延長部分４０１は、マイクロストリップ伝送線４０５によりサポートされた定在波（単数または複数）の電界最大値に又は当該電界最大値の近くに設けられる。

プラズマ生成デバイス１００の構造体が実質的に対称であるので、ギャップ４０４を横切る電位差が存在せず、そのため電極は等電位であり、電界は第１及び第２の電極４０２、４０３において垂直方向に向けられる。図４Ａの精査から理解され得るように、電界の線４０７の向きは、ギャップ４０４の上の点において電界最小値４０９、ギャップ４０４の中心からの距離が増加するにつれて電界最大値４１０という結果になる。従って、電極延長部分４０１の上に構造体２０６（図４Ａには示されない）を配置することは、構造体２０６の中央に望ましくない低い電界強度、及び構造体２０６の側部の近くに比較的高い電界強度という結果になる。当業者には理解されるように、プラズマの再結合が一般に閉じ込め構造体の壁で生じるので、構造体２０６内部の外側部分（側部）の近くに比較的高い大きさの電界を有することは望ましくなく、そのため、ここでプラズマに供給されるパワーは、より低い密度のプラズマ及びＵＶ光子のより少ない生成という結果になる。更に、プラズマ生成の目的が中心に置かれたオリフィスを介して閉じ込め構造体の外に送られるＵＶ光子を生成することである場合、これらの光子は、構造体の壁による光子のシャドーイングを最小限にするために中央に生成されることが望ましい。

図４Ｂは、代表的な実施形態による、電極延長部分４１１の近くの領域における電界の線および大きさを示す。電極延長部分４１１は、上述されたプラズマ生成デバイス１０１で使用することが意図されている。プラズマ生成デバイス１０１の多くの態様は図４Ｂの記述に共通であり、本説明を不明瞭にすることを避けるために繰り返されない。

電極延長部分４１１は、マイクロストリップ伝送線４０５に電気接続された単一の電極構造体であり、それは第２のリングを形成する。開口４０６は、プラズマの生成のためにガスを提供し、構造体２０６（図示せず）が当該開口の上に設けられて、電極延長部分４１１上に中心に置かれる。上述されたように、電極延長部分４１１は、マイクロストリップ伝送線４０５によりサポートされた定在波（単数または複数）の電界最大値に又は当該電界最大値の近くに設けられる。

電界は電極延長部分の近くで垂直方向に向けられ、電界の線４１２の向きは、電極延長部分４１１上の点において電界最大値４１３、ギャップ４０４の中心からの距離が増加するにつれて電界最小値４１４という結果になる。従って、電極延長部分４１１の上に構造体２０６（図４Ｂには示されない）を配置することは、構造体２０６の中央に望ましい高い電界強度、及び構造体２０６の側部の近くに比較的低い電界強度という結果になる。上述されたように、当業者には理解されるように、プラズマが望ましく形成される領域（即ち、構造体２０６の中央の近く）において最大の電界の大きさを提供し、構造体２０６の外側部分（側部）において最小の電界の大きさを提供することが望ましい。

図５は、代表的な実施形態による、プラズマ生成デバイス５００の上面図である。プラズマ生成デバイス１０１の多くの態様は、現在説明された実施形態のプラズマ生成デバイス５００の記述に共通であり、本説明を不明瞭にすることを避けるために繰り返されない。

プラズマ生成デバイス５００は、第１の表面５０２、及び第１の表面５０２の反対側にある第２の表面（図示せず）を有する基板５０１を含む。共振リング５０３が、基板５０１の第１の表面５０２の上に配置され、接地平面（図示せず）が基板５０１の第２の表面の上に設けられる。より詳細に後述されるように、共振リング５０３は、共振リングの長さに沿って２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された長さ（この場合、円周）を有する。

また、プラズマ生成デバイス５００は、ガス源（図示せず）に接続する開口５０４も含み、この場合、当該開口は電界最大値の場所にガス（例えば、希ガス）を供給するように構成される。現在説明された代表的な実施形態において、共振リング５０３の円周に沿って位置する４つの電界最大値が存在し、そういうものだから、ガスを供給するように構成された４つの開口５０４が存在する。複数の構造体５０５が電界最大値のそれぞれの場所の上に設けられる。各構造体は、基部（図示せず）および当該基部の上に配置されたカバー５０６を含む。

いくつかある機能の中で特に、構造体５０５は、プラズマが生成される、ガス源（図示せず）からのガスを閉じ込める。このガスの閉じ込めにより、ガスの圧力がプラズマを点火するための所望の圧力に達することを可能にする。更に、構造体５０５により提供されるガスの閉じ込めは、プラズマからの所望のＶＵＶ放射線を生成する希ガス原子の励起を強化する比較的高い電子温度という結果になる。最後に、図示された代表的な実施形態において、構造体５０５は、共振リング５０３上に設けられる。そういうものだから、プラズマは、比較的小さい体積の複数の場所で生成され、それにより比較的小さい体積において、かなりのパワーのＶＵＶ放射線を提供する。

プラズマ生成デバイス５００の特定の実施形態において、基板５０１は、比較的高い誘電率を有する誘電体材料である。比較的高い誘電率は、９．６（例えば、セラミック）以上を含む５以上のような、２以上である誘電率を意味する。基板５０１としての使用を見出す誘電体材料は、以下に限定されないが、セラミック化合物、テフロン（TEFLON）（登録商標）（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））、ポリマー、ガラス、石英、及びそれらの組合せを含む。特定の実施形態において、基板５０１は、単一の材料から製造されるが、特定の他の実施形態において、基板は２つ以上の材料、例えば異なる材料の異なる層を含む。基板５０１の寸法は、プラズマ生成デバイス５００により生成されるプラズマの意図された使用法に依存して、及び／又は基板の誘電特性、動作周波数および必要な特性インピーダンスの関数である共振リング５０３の寸法の特性に依存して、大幅に変わることができる。特定の実施形態において、基板５０１は、平面基板であり、約１０ｍｍから約７０ｍｍ及び約２０ｍｍ（実際のセラミック）から約５０ｍｍ（実際のＲＴ／ＤＵＲＯＩＤ（登録商標））を含むような約５ｍｍから約１００ｍｍまでの範囲にわたる長さを有し、約１０ｍｍから約７０ｍｍ及び約１２ｍｍ（実際のセラミック）から約４０ｍｍ（実際のＲＴ／ＤＵＲＯＩＤ（登録商標））を含むような約５ｍｍから約１００ｍｍまでの範囲にわたる幅を有し、約１００μｍから約２ｍｍ及び約１ｍｍ（実際のセラミック）から約２ｍｍを含むような約１００μｍから約５ｍｍまでの範囲にわたる厚さを有する。

図５に関連して説明された代表的な実施形態に従って、共振リング５０３は、接続５０７を介してＲＦ／マイクロ波電源（図示せず）に接続される単一のマイクロストリップ伝送線である。

ここで説明された実施形態において、共振リング５０３は実質的に円形である。これは単なる例示であり、共振リング５０３は様々な形状をとることができることが強調される。従って、用語「リング」は、円形リングだけに限定されず、任意の円形または非円形形状構造体を意味することが意図されており、この場合、関心のある共振リング５０３の形状は、以下に限定されないが、円形、楕円形または卵形または他の非円形形状、又は長方形または他の多辺形状とすることができる。共振リング５０３は、様々な方法で基板５０１の上に配置され得る。特定の実施形態において、基板５０１は、マイクロストリップ層のための材料で被覆され（例えば、Ａｕ、Ｃｕなど）、共振リング５０３は、当該技術で知られているフォトリソグラフィ及びウエットエッチング技術により形成される。当業者の理解範囲内にある他の処理技術を用いて、基板５０１の上に共振リング５０３を形成することができる。

共振リング５０３の寸法は、共振リング５０３が所望の共振状態においてＲＦ／マイクロ波電源の入力インピーダンスに実質的にインピーダンス整合されるように選択される。「整合される」ということは、最大の電力伝達が得られることができるように、接続５０７において与えられるインピーダンスがＲＦ／マイクロ波電源の出力インピーダンスに等しいことを意味する。これら２つのインピーダンスの何らかの違いは、接続５０７において、電力の成分がＲＦ／マイクロ波電源（図５には示されず）の方へ戻るように反射されるという結果になる可能性がある。更に及び上述されたように、共振リング５０３は、共振リング５０３の長さ／円周に沿って２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された長さ／円周を有する。代表的な実施形態において、共振リング５０３の円周はおおよそ、プラズマ生成デバイス５００の動作周波数における半波長（λ／２）の倍数である。

共振リング５０３のＲＦ／マイクロ波電源に対するインピーダンス整合は、共振リング５０３の寸法（例えば、長さ／円周および幅）の変更により行われ得る。更に、構造体５０５で生成されたプラズマの負荷時インピーダンスは、インピーダンス不整合という結果になる可能性があり、インピーダンス整合する際に考慮されなければならない。当業者に知られた他のチューニング要素（例えば、スタブ同調器）を用いてインピーダンス整合を行うことができる。

代表的な実施形態において、共振リング５０３の寸法（例えば、長さ／円周および幅）は、共振リング５０３のＲＦ／マイクロ波電源に対するインピーダンス整合を保証するために選択されて変更され得る。動作中、ガス供給部（図示せず）からのガス（例えば、希ガス）が、電界最大値の近くに位置する開口５０４のそれぞれに供給される。ガスは、構造体５０５に流れ込むことができ、その結果、プラズマが構造体５０５の中に生成される。

図６は、代表的な実施形態による、方法６００の流れ図である。方法６００は、代表的な実施形態によるプラズマ生成デバイスを用いて、上述されたシステム１００で実施され得る。６０１において、方法は、プラズマ生成デバイスにガスを供給することを含む。上述されたように、プラズマ生成デバイスは、第１の表面および第２の表面を有する基板と、基板の第１の表面上に配置され、２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法を有する共振リング形状構造体と、基板の第２の表面に配置された接地平面とを含む。

６０２において、方法は、電界最大値のそれぞれにおいて共振リング形状構造体の上にガスを供給することを含む。６０３において、方法は、ガスからプラズマを発生させるために前記電界最大値のそれぞれの場所において十分な放電を生じさせることを含む。

本明細書において、代表的な実施形態が開示されたが、当業者には理解されるように、本教示に従っている多くの変形形態は可能であり、添付された特許請求の範囲の範囲内にある。従って、本発明は、添付された特許請求の範囲の範囲内を除いて制限されるべきでない。

100 システム
101、200、500 プラズマ生成デバイス
102 電源
103 ガス源
201、501 基板
202、502 第１の表面
203 第２の表面
204 共振リング形状構造体
205、504 開口
206、505 構造体
210、401、411 電極延長部分
211 第１のリング
212 第２のリング
213、507 接続
214、404 ギャップ
405 マイクロストリップ伝送線
503 共振リング

Claims (20)

1. プラズマ生成デバイスであって、
   第１の表面および第２の表面を有する基板と、
   前記基板の前記第１の表面上に配置された共振リング形状構造体であって、その共振リング形状構造体が、前記共振リング形状構造体の長さに沿って２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法を有する、共振リング形状構造体と、
   前記基板の前記第２の表面に配置された接地平面と、
   前記電界最大値の場所にガスを提供するように構成された装置を含む、プラズマ生成デバイス。
2. 前記電界最大値のそれぞれの場所において、前記共振リング形状構造体に接続された電極延長部分を更に含む、請求項１に記載のプラズマ生成デバイス。
3. 前記共振リング形状構造体が、マイクロストリップ伝送線を更に含む、請求項１又は２に記載のプラズマ生成デバイス。
4. 前記装置が、前記電界最大値の場所のそれぞれの上にガスを供給するように構成されたガスフロー要素を含む、請求項１から３の何れかに記載のプラズマ生成デバイス。
5. 複数の構造体を更に含み、前記複数の構造体のそれぞれが、前記電界最大値の場所のそれぞれを実質的に包囲する個々のエンクロージャを形成するために前記第１の表面に隣接して配置されている、請求項１から４の何れかに記載のプラズマ生成デバイス。
6. 複数の構造体を更に含み、前記複数の構造体のそれぞれが、前記電極延長部分の個々の１つの上に設けられ、前記構造体のそれぞれが、プラズマを収容するように構成されている、請求項２、及び請求項２に従属する請求項３〜５の何れかに記載のプラズマ生成デバイス。
7. 前記電極延長部分が前記共振リング形状構造体と前記接地平面との間に空隙を有し、ガスが前記空隙に供給されてプラズマを生成する、請求項２、及び請求項２に従属する請求項３〜５の何れかに記載のプラズマ生成デバイス。
8. 前記共振リング形状構造体が、共振周波数において、前記共振リング形状構造体にマイクロ波パワーを供給する電源のインピーダンスにインピーダンス整合されている、請求項１から７の何れかに記載のプラズマ生成デバイス。
9. 前記電極延長部分が前記基板の前記第１の表面の上に配置されている、請求項２、請求項２に従属する請求項３〜５、及び請求項６から８の何れかに記載のプラズマ生成デバイス。
10. 前記電界最大値のそれぞれが、個々の電極延長部分の上に配置されている、請求項９に記載のプラズマ生成デバイス。
11. 前記共振リング形状構造体が、第２のリングと同心の第１のリングを含み、前記第１のリングが前記第２のリングに結合される、請求項１から１０の何れかに記載のプラズマ生成デバイス。
12. 前記第１のリングがマイクロストリップ伝送線であり、前記第２のリングがマイクロストリップ伝送線である、請求項１から１１の何れかに記載のプラズマ生成デバイス。
13. 電源と、
    ガス供給ラインと、
    プラズマ生成デバイスとを含み、前記プラズマ生成デバイスが、
    第１の表面および第２の表面を有する基板と、
    前記基板の前記第１の表面上に配置された共振リング形状構造体であって、その共振リング形状構造体が、前記共振リング形状構造体の円周に沿って２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法を有する、共振リング形状構造体と、
    前記基板の前記第２の表面に配置された接地平面と、
    前記電界最大値の場所にガスを提供するように構成された装置とを含む、システム。
14. 前記電界最大値のそれぞれの場所において、前記共振リング形状構造体に接続された電極延長部分を更に含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記共振リング形状構造体が、マイクロストリップ伝送線の１つを更に含む、請求項１３又は１４に記載のシステム。
16. 前記装置が、前記電界最大値の場所のそれぞれの上にガスを供給するように構成されたガスフロー要素を含む、請求項１３から１５の何れかに記載のシステム。
17. 前記プラズマ生成デバイスが、複数の構造体を更に含み、前記複数の構造体のそれぞれが、前記電界最大値の場所のそれぞれを実質的に包囲する個々のエンクロージャを形成するために前記第１の表面に隣接して配置されている、請求項１３から１６の何れかに記載のシステム。
18. 複数の構造体を更に含み、前記複数の構造体のそれぞれが、前記電極延長部分の個々の１つの上に設けられ、前記構造体のそれぞれが、プラズマを収容するように構成されている、請求項１４、及び請求項１４に従属する請求項１５及び１６の何れかに記載のシステム。
19. 第１の表面および第２の表面を有する基板と、前記基板の前記第１の表面上に配置され、２つ以上の電界最大値を有する少なくとも１つの定在波をサポートするように選択された寸法を有する共振リング形状構造体と、前記基板の前記第２の表面に配置された接地平面とを含むプラズマ生成デバイスにガスを供給し、
    前記電界最大値のそれぞれにおいて前記共振リング形状構造体の上にガスを供給し、
    ガスからプラズマを発生させるために前記電界最大値のそれぞれの場所において十分な放電を生じさせることを含む、方法。
20. 前記プラズマから真空紫外（ＶＵＶ）光を生成することを更に含む、請求項１９に記載の方法。

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