JP6653066B2 - プラズマ源 - Google Patents

Description

本発明は、チャンバ周囲に配置されたミラー磁石とカスプ磁石を用いて、チャンバ内部で生成されたプラズマの閉じ込めを行うプラズマ源に関する。

チャンバ周囲に配置されたミラー磁石とカスプ磁石を用いて、チャンバ内部で生成されたプラズマの閉じ込めを行うプラズマ源の応用例として、特許文献１に記載のマイクロ波イオン源が知られている。

このイオン源は、プラズマチャンバで生成されたプラズマからアノード電極と引出電極を用いてイオンビームを引き出すイオン源である。

円柱状のチャンバ周囲には、チャンバの軸方向（イオンビームの引出し方向）に配置された一対のミラー磁石とミラー磁石間に配置されたカスプ磁石が設けられている。

イオンビームを引き出すための電極を除くプラズマ源のサイズを小型にするには、各磁石は電磁石ではなく永久磁石で構成されていることが望まれる。イオン源の運転中には、プラズマチャンバは高温になる。チャンバ周囲に設けられた永久磁石は、高温になれば減磁されるため、永久磁石の特性を保つには磁石の温度上昇を抑えるための冷却手段が必要となる。

特許文献１には、ミラー磁石とカスプ磁石に永久磁石を使用することが開示されているものの、プラズマ源の小型化と永久磁石の昇温抑制を両立するための永久磁石配置については、何ら述べられていない。

例えば、永久磁石の昇温抑制だけを考えれば、永久磁石の外周部に冷媒流路を設けることが考えられる。しかしながら、この場合には、チャンバ周りの外周寸法が大きくなることから、プラズマ源のサイズは大型になる。

特開２０００−１７３４８６

本発明では、プラズマ源の小型化と永久磁石の昇温抑制の両方が実現可能な永久磁石配置を有するプラズマ源を提供する。

プラズマ源は、
内部でプラズマが生成されるチャンバと、
前記チャンバの周囲に第一の方向に沿って配置された一対のミラー磁石と、
前記一対のミラー磁石の間に配置されたカスプ磁石とを備え、
前記カスプ磁石が、前記第一の方向に垂直な面内で、前記チャンバの周囲に隙間を空けて配置され、前記チャンバ側の極性が隣に配置されたものと交互に異なる複数の永久磁石で構成されており、
個々のミラー磁石が、前記第一の方向に垂直な面内で、前記チャンバ側の極性が同極性となるように前記チャンバの周囲に隙間を空けて配置された複数の永久磁石で構成されており、
個々のミラー磁石の前記チャンバ側の極性が異なっている。

上記構成のプラズマ源であれば、各磁石を構成する永久磁石間に隙間が設けられているので、この部分に冷媒流路を設けることが可能となり、プラズマ源の小型化と永久磁石の昇温抑制の両方が実現できる。

具体的には、前記カスプ磁石と前記ミラー磁石を構成する複数の永久磁石間の隙間に冷媒流路が設けられている。

冷媒流路の構成を簡単なものにするには、
前記カスプ磁石と前記ミラー磁石を構成する複数の永久磁石間の隙間が、前記第一の方向に並んでいることが望ましい。

冷媒流路の構成をさらに簡素なものとするには、
前記隙間は複数あり、
前記冷媒流路の冷媒流入路と冷媒流出路は、異なる隙間に設けられていることが望ましい。

装置構成を簡素にするには、
前記チャンバの第一の面には、内部で生成されたプラズマからイオンや電子を放出するための開口が形成されており、
前記第一の方向で、前記第一の面と反対側にある前記チャンバの第二の面から冷媒の流入出が行われることが望ましい。

第一の面での冷媒流路の構成を簡素にするには、
前記チャンバの第一の面は、前記隙間に設けられた冷媒流路の端部が接続される環状の冷媒流路を有していることが望ましい。

各磁石を構成する永久磁石間に隙間が設けられているので、この部分に冷媒流路を設けることが可能となり、プラズマ源の小型化と永久磁石の昇温抑制の両方が実現できる。

プラズマ源全体を示す模式図。 ミラー磁石とカスプ磁石の断面図。（Ａ）は第一のミラー磁石の断面図。（Ｂ）はカスプ磁石の断面図。（Ｃ）は第二のミラー磁石の断面図。 各磁石を構成する永久磁石配置の変形例に係る断面図。 冷媒流路の説明図。（Ａ）はチャンバ全体に設けられた冷媒流路の模式図。（Ｂ）はチャンバの第一の面に形成された冷媒流路の説明図。（Ｃ）はチャンバの第二の面に形成された冷媒流路の説明図。

図１は、プラズマ源１の全体を示す模式図である。
このプラズマ源１は、導波管４で図示されない誘電体窓を通して内部にマイクロ波が導入される円柱状のチャンバ２を備えている。
この例では、マイクロ波の導入は、チャンバ２の第二の面Ｐ２から行われる。

特許文献１と同様に、チャンバ２の周囲には、Ｚ方向に沿って一対のミラー磁石ｍ１、ｍ２が設けられている。
また、一対のミラー磁石ｍ１、ｍ２の間には、カスプ磁石ｃが設けられていて、各磁石がチャンバ２の内部に作り出す磁場により、チャンバ２の内部に生成されたプラズマの閉じ込めが行われる。

チャンバ２の第一の面Ｐ１には、図示されない電極を用いて、チャンバ内部のプラズマからイオンや電子をビームとして引き出すための開口３が形成されている。

Ｚ方向に垂直な平面であるＸＹ平面で、各磁石を切断したときの断面図が図２に描かれている。

図２（Ａ）、（Ｃ）からわかるように、個々のミラー磁石ｍ１、ｍ２は、チャンバ側の極性が同極性となるように、チャンバ２の周囲に隙間Ｓを空けて配置された複数の永久磁石Ｐで構成されている。なお、個々のミラー磁石ｍ１、ｍ２で、チャンバ側の極性は異なっている。

また、図２（Ｂ）からわかるように、カスプ磁石ｃも、チャンバ２の周囲に隙間Ｓを空けて配置された複数の永久磁石Ｐで構成されている。各永久磁石Ｐのチャンバ側の極性は、チャンバ２の周囲で交互に異なっている。
なお、上述したミラー磁石ｍ１、ｍ２、カスプ磁石ｃを構成する複数の永久磁石Ｐは、図示されないヨークによって支持されている。

上記した隙間Ｓがあれば、この場所に冷媒流路Ｌを配置することが可能となる。プラズマ源１の外形寸法は、チャンバ周囲に配置された永久磁石Ｐの外周部で規定されている。よって、上述した永久磁石間の隙間Ｓに冷媒流路Ｌを配置した場合、プラズマ源１の外形寸法に対する影響が小さく、プラズマ源の小型化が可能となる。

図２（Ａ）〜（Ｃ）に描かれる黒丸の冷媒流路Ｌは、チャンバ２の第二の面Ｐ２から第一の面Ｐ１側へ冷媒が流れる流路である。白丸の冷媒流路Ｌは、チャンバ２の第一の面Ｐ１から第二の面Ｐ２側へ冷媒が流れる流路である。冷媒としては、例えば純水が使用されているが、これ以外のものを用いてもよい。

図２に描かれているように、各磁石ｍ１、ｍ２、ｃを構成している永久磁石間の隙間Ｓが、Ｚ方向に並んでいれば、各磁石ｍ１、ｍ２、ｃの隙間Ｓを通過する冷媒流路Ｌを直線状にできるので、冷媒流路Ｌの構成が簡素となる。
ただし、永久磁石間の隙間Ｓを通過する冷媒流路Ｌは必ずしも直線状である必要はなく、部分的に屈折する等して多少まがっていてもよい。

例えば、図３に示すように、ミラー磁石ｍ１、ｍ２とカスプ磁石ｃの断面図で、ミラー磁石ｍ１、ｍ２を構成する永久磁石間の隙間Ｓの位置とカスプ磁石ｃを構成する永久磁石間の隙間Ｓの位置が、ＸＹ平面で異なっていて、Ｚ方向に並んでいないものであってもよい。
図示される永久磁石配置であっても、永久磁石間の隙間Ｓに冷媒流路が設けられていることから、図２の構成と同じく、プラズマ源の小型化と永久磁石の昇温抑制の両方を実現することができる。

冷媒流路Ｌの具体的な構成としては、図４に記載の構成が考えられる。図４（Ａ）は、チャンバ周りに設けられた冷媒流路の全体を示す模式図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に記載のチャンバ２の第一の面Ｐ１に形成された冷媒流路である。図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に記載のチャンバ２の第二の面Ｐ２に形成された冷媒流路である。

チャンバ２の第二の面Ｐ２に図示されるＩＮから冷媒が供給される。チャンバ２に供給された冷媒は、実線で図示される３つの冷媒流路に分かれて各磁石に形成された隙間Ｓを通過し、チャンバ２の第一の面Ｐ１に輸送される。

チャンバ２の第一の面Ｐ１には、環状の冷媒流路ＬＣ（太線）が形成されている。この冷媒流路ＬＣに、上述した実線の冷媒流路が接続されている。
また、環状の冷媒流路ＬＣには、チャンバ２の第一の面Ｐ１から第二の面Ｐ２に冷媒を輸送する冷媒流路（破線）が接続されている。
破線で描かれる冷媒流路を通して、第二の面Ｐ２に輸送された冷媒は、図示されるＯＵＴからチャンバ２の外部に排出される。

プラズマ源１の第一の面Ｐ１で、実線の冷媒流路と破線の冷媒流路とを個々に接続する構成を採用してもいいが、チャンバを削り出すことで流路を形成する場合には、上述した環状の冷媒流路を形成する方が流路の製作は簡単でよい。
なお、ここで言う環状とは、必ずしも円を示すものではなく、四角等の別の形状も含まれており、広くは閉じた輪のことを意味している。

冷媒流路への冷媒の供給、冷媒流路からの冷媒の排出については、プラズマ源１の第二の面Ｐ２から行うことが望ましい。プラズマ源１の第一の面Ｐ１には、開口３が形成されており、ここを通じてイオン等のビームの引出しが行われ、イオンや電子がチャンバ外部に放出される。この場所の近傍から冷媒流路への冷媒の供給や冷媒流路からの冷媒の排出を行った場合、イオンや電子の放出やイオン等のビームの引出しを妨げることが懸念される。

また、仮にイオンや電子の放出やイオン等のビームの引出しを妨げることなく、冷媒の供給、排出が行えたとしても、冷媒の供給、排出を行える場所が、開口近傍に配置される電極配置等の他の要因により大きく制約されることを考えれば、第二の面Ｐ２から冷媒の供給、排出を行う方が装置構成は簡素なものとなる。

上記実施形態では、チャンバ２が円柱である旨を説明したが、チャンバ２の形状は直方体や立方体、角柱であってもよい。
また、上記実施形態では、チャンバ２の長さ方向をＺ方向としていたが、チャンバ２はＹ方向の方がＺ方向よりも長い形状をしていてもよい。

また、上記実施形態では、導波管を用いてチャンバ２にマイクロ波を導入するものであったが、マイクロ波以外の高周波を導入する構成であってもよい。さらに、導波管以外に、チャンバ内にアンテナを挿入し、同アンテナを通じて高周波をチャンバ内に導入するようにしてもよい。

上記実施形態では、各隙間Ｓに１つの冷媒流路Ｌが設けられる構成であったが、各隙間Ｓに２つ以上の冷媒流路Ｌを配置するようにしてもよい。
ただし、複数本の冷媒流路Ｌを１つの隙間Ｓに配置する場合、トータルの冷媒流路長が長くなることや１つの隙間Ｓに配置される冷媒流路Ｌの径が小さくなることで冷却能力が低下することから、上記実施形態のように１つの隙間Ｓに１つの冷媒流路Ｌが設けられる構成の方が好ましい。

上記実施形態では、各磁石ｍ１、ｍ２、ｃを構成する永久磁石Ｐの個数は同数（６つ）であったが、必ずしも同数にしておく必要はない。

また、上記実施形態では、チャンバ２の第一の面Ｐ１側のミラー磁石ｍ２のチャンバ側の極性がＮ、チャンバ２の第二の面Ｐ２側のミラー磁石ｍ１のチャンバ側の極性がＳであったが、両者の極性は逆であってもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１ プラズマ源
２ チャンバ
３ 開口
４ 導波管
ｍ１ 第一のミラー磁石
ｍ２ 第二のミラー磁石
ｃ カスプ磁石
Ｐ１ 第一の面
Ｐ２ 第二の面
Ｓ 隙間
Ｌ 冷媒流路
Ｐ 永久磁石

Claims (5)

1. 内部でプラズマが生成されるチャンバと、
   前記チャンバの周囲に配列された一対のミラー磁石と、
   前記一対のミラー磁石の間に配置されたカスプ磁石とを備え、
   前記カスプ磁石が、前記一対のミラー磁石の配列方向に垂直な面内で、前記チャンバの周囲に隙間を空けて配置され、前記チャンバ側の極性が隣に配置されたものと交互に異なる複数の永久磁石で構成されており、
   個々のミラー磁石が、前記チャンバ側の極性が同極性となるように、前記チャンバの周囲に隙間を空けて配置された複数の永久磁石で構成されているとともに、個々のミラー磁石を構成する永久磁石の前記チャンバ側の極性が個々のミラー磁石で異なっており、
   前記カスプ磁石と前記ミラー磁石を構成する複数の永久磁石間の隙間に冷媒流路が設けられているプラズマ源。
2. 前記カスプ磁石と前記ミラー磁石を構成する複数の永久磁石間の隙間が、前記一対のミラー磁石の配列方向に並んでいる請求項１のプラズマ源。
3. 前記隙間は複数あり、
   前記冷媒流路の冷媒流入路と冷媒流出路は、異なる隙間に設けられている請求項１または２記載のプラズマ源。
4. 前記チャンバの第一の面には、内部で生成されたプラズマからイオンや電子を放出するための開口が形成されており、
   前記一対のミラー磁石の配列方向で、前記第一の面と反対側にある前記チャンバの第二の面から冷媒の流入出が行われる請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ源。
5. 前記チャンバの第一の面は、前記隙間に設けられた冷媒流路の端部が接続される環状の冷媒流路を有している請求項４記載のプラズマ源。