JPH02132798A

JPH02132798A - プラズマ発生装置およびそれを用いたイオン源

Info

Publication number: JPH02132798A
Application number: JP63285203A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Ando; 靖典安東; Kiyoshi Ogata; 潔緒方; Tsukasa Hayashi; 司林
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1988-11-11
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1990-05-22
Anticipated expiration: 2011-10-23
Also published as: JP2546357B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、マイクロ波を使用することによってプラズ
マを励起するプラズマ発生装置およびそれを用いたイオ
ン源に関する。

〔従来の技術〕

この種のプラ゜ズマ発生装置の従来例を第９図および第
１０図にそれぞれ示す。

第９図の装置は、マイクロ波発振器２から出力されたマ
イクロ波３を導波管４によって導き、これを誘電体（例
えばアルミナ、石英等）６を通して、真空排気された空
胴共振器であるプラズマ発生容器８内に導入し、そこで
同容器８内に導入されたガスを放電分解してプラズマを
発生させるようにしている。誘電体６は、大気側にある
導波管４と真空排気されるプラズマ発生容器８との間を
真空シールする働きをする。

その場合、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件（例
えばマイクロ波３が２．４５ＧＨｚの場合８７５ガウス
）を満足させるために、プラズマ発生容器８の外側に筒
状の磁気コイル１０を１個以上設けている。

第１０図の装置は、プラズマ発生容器である半球状をし
たガラス製のべルジャ１４を覆うように、導波管４をテ
ーバ導波管１２で拡大変換し、このようにしてマイクロ
波３を真空排気されたベルジャ１４内に導入するように
している。その他は第９図の装置とほぼ同様である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、第９図の従来例の場合は、マイクロ波３をプ
ラズマ発生容器８内に導波管大の大きさの１個所（即ち
誘電体６の部分）から導入するため、ガスを効果的に放
電分解する領域が偏在し、そのため発生させるプラズマ
の大面積化および密度の均一化が難しいという問題ある
。

また、第１０図の従来例の場合は、プラズマを大面積化
するには、ベルジャ１４が半球状をしていて必然的に高
さの増大を伴うこともあって、ベルジャ１４およびテー
バ導波管１２が非常に大型化し、それに伴ってメインテ
ナンス等の作業性が低下する、ベルジャ１４に特殊なガ
ラス材料が必要なり大幅にコストアップする、ベルジャ
１４の破損等に対する安全上の問題が大きくなる、等の
問題が発生する。

また、いずれの従来例の場合も、プラズマの大面積化に
対しては磁気コイル１０の大口径化を伴うが、そうなる
と所要の磁場強度を得るために大電流が必要になり、そ
れに伴って当該磁気コイル１０および電源等がコストア
ップするという問題もある。

そこでこの発明は、これらの点を改善して、大面積でし
かも密度の均一なプラズマを容易に発生させることがで
きるようにしたプラズマ発生装置およびそれを用いたイ
オン源を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明のプラズマ発生装置は、マイクロ波を使用する
ことによってプラズマを励起する装置であって、側面部
に複数の永久磁石がカスブ磁場を作るように配置されて
いて真空に排気されるプラズマ発生容器に、マイクロ波
が導入される１以上の空胴共振器を接続し、かつ両者の
接続部であって冬空胴共振器内に発生する定在波の電界
最大点に相当する個所を含む個所に、空胴共振器内から
プラズマ発生容器内へ両者間の真空シールをした状態で
マイクロ波を導入する複数のマイクロ波導入手段を設け
たことを特徴とする。

この複数のマイクロ波導入手段は、空胴共振器とプラズ
マ発生容器との間を貫通する複数の貫通穴およびこの貫
通穴の部分を真空シールする誘電体で構成しても良いし
、空胴共振器とプラズマ発生容器との間を接続していて
真空シール機能を有する複数の同軸アンテナで構成して
も良い。

また、空胴共振器とプラズマ発生容器との接続部に複数
の貫通穴を設け、かつ空胴共振器の入口部またはその上
流側を誘電体で真空シールしても良い。

またこの発明のイオン源は、上記のようなプラズマ発生
容器に開口部を設け、この開口部に、当該プラズマ発生
容器内に作られるプラズマからイオンビームを引き出す
引出し電極を設けたことを特徴とする。

〔作用〕

上記プラズマ発生装置においては、空胴共振器内に導入
されたマイクロ波は、複数のマイクロ波導入手段を通し
て、プラズマ発生容器内に複数個所から分散して導入さ
れる。従って、プラズマ発生容器内の広範な領域におい
て均等にプラズマが励起される。その結果、大面積でし
かも密度の均一なプラズマを発生させることができる。

また、上記イオン源においては、同上の理由で、大面積
でしかもイオン密度の均一なイオンビームを引き出すこ
とができる。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例に係るプラズマ発生装置を
示す部分断面図であり、第２図は第１図の装置を誘電体
を取り除いて下側から見た図であり、第３図は第１図の
装置のプラズマ発生容器の部分を半径方向に切断して部
分的に示す拡大断面図である。

この実施例のプラズマ発生装置は、例えば円筒状をして
いて真空排気されるプラズマ発生容器２６の側面の外側
に、複数の永久磁石２８をカスプ磁場を作るように配置
している。第３図中の３０はその磁力線の一例を示す。

もっとも、この永久磁石２８は、必要に応じてプラズマ
発生容器２６の側面の内側に配置しても良い。また、プ
ラズマ発生容器２６の形状は任意であり、例えば角筒状
でも（第７図参照）、箱形等でも良い。

そして、このプラズマ発生容器２６の上面部に、この実
施例では一つの空胴共振器２０を接続している（隣接さ
せている）。

この空胴共振器２０には、マイクロ波発振器から出力さ
れ導波管（いずれも図示省略）を経由して導かれたマイ
クロ波１６が、テーパ導波管１８を経由して導入される
。

空胴共振器２０とプラズマ発生容器２６との接続面には
、そこを貫通していて前者内から後者内へマイクロ波１
６を導入できるように、複数の貫通穴２２が設けられて
いる。

各貫通穴２２は、空胴共振器２０内に発生する定在波１
６ａの電界最大点に相当する個所に設けている。そのよ
うにすると、マイクロ波１６をプラズマ発生容器２６内
に導入する上で効果的である。もっとも、電界最大点以
外の個所にも必要に応じて貫通穴２２を設けても良い。

この貫通穴２２の形状としては、図示例のような十字形
以外にも、円形、方形等が採り得る。

更にこの実施例では、空胴共振器２０とプラズマ発生容
器２６との接続部に、全ての貫通穴２２を覆う誘電体（
例えばアルミナ、石英等）２４を設け、それによって全
ての貫通穴２２の部分を一括して真空シールするように
している。

このような複数の貫通穴２２および誘電体２４によって
、この実施例では複数のマイクロ波導入手段を構成して
いる。

この実施例の動作例を説明すると、プラズマ発生容器２
６内を真空排気すると共に、そこにガスを所定圧力（例
えばＩＴｏ　ｒ　ｒ　〜１　０−’Ｔｏ　ｒ　ｒ程度）
になるように導入し、かつ空胴共振器２０内にマイクロ
波１６を導入する。

空胴共振器２０内に導入されたマイクロ波１６は、そこ
で定在波１６ａを形成し、その電界最大点に設けられた
複数の貫通穴２２および誘電体２４を通して、プラズマ
発生容器２６内に複数個所から分散して導入される。そ
してこのマイクロ波１６によってガスが放電分解され、
プラズマ発生容器２６内にプラズマ３２が発生する。

その場合、マイクロ波１６はプラズマ発生容器２６内に
複数個所から分散して導入されるため、プラズマ発生容
器２６内の広範な領域において均等にプラズマ３２を励
起することができ、従って従来例に比べて大面積でしか
も密度の均一なプラズマ３２を発生させることができる
。

しかも、第１０図の半球状のべルジャエ４のように大面
積化に伴って高さが必然的に増大するというようなこと
は無いので、第１０図の従来例に比べて同一のプラズマ
面積を得るのに装置が小型になり、またベルジャ１４等
の大型化に伴う前述したような様々な問題を引き起こす
こともない。

更にこの実施例では、複数の永久磁石２８を用いてプラ
ズマ発生容器２６の側面部にカスプ磁場を形成するよう
にしているので、プラズマ発生容器２６の大面積化を容
易に行うことができる。しかも従来例のように大面積化
に伴って磁器コイル１０が巨大化することもなく、その
電源も不要になり、従ってこの点からも装置の小型化、
更には省エネルギー化および低コスト化を図ることがで
きる。

しかも、カスブ磁場を形成する永久磁石の磁束を増すこ
とで多数の個所にＥＣＲ条件を満足する放電領域ができ
るので、プラズマ３２が励起され易く、また発生したプ
ラズマ３２が均一化され易く、しかも発生したプラズマ
３２がロスする面積が減るので、より高密度で均一性の
良いプラズマ３２を発生させることができるようになる
。

その場合、複数ある貫通穴２２あるいは後述する同軸ア
ンテナ３４の内の幾つかを、このカスプ磁場によってＥ
ＣＲ条件を満足する磁場強度（例えばマイクロ波ｌ６が
２．４５ＧＨｚの場合８７５ガウス）の位置、例えば第
３図中のＡ点のような位置に設けても良く、そのように
すれば、確実にＥＣＲ条件を満足する放電領域ができる
ので、プラズマ３２をより励起し易くなる。

尚、マイクロ波導入手段として、上記のように貫通穴２
２および誘電体２４を用いれば構成が簡単であるが、そ
れらの代わりに、例えば第４図に示すように、上記貫通
穴２２と同様の位置に、空胴共振器２０とプラズマ発生
容器２６との間を貫通していて真空シール機能を有する
複数の同軸アンテナ３４を設けても良く、そのようにす
ればプラズマ発生容器２６内にマイクロ波１６がより効
率良く導入されることが期待できる。

このような同軸アンテナ３４を用いる場合は、空胴共振
器２０の下面とプラズマ発生容器の上面とが必ずしも図
示例のように一体である必要は無く、両者間が離れてい
てその間を同軸アンテナ３４で接続するようにしても良
い。

また、空胴共振器２０とプラズマ発生容器２６との接続
面に貫通穴２２を設ける場合は、必ずしもそこに誘電体
２４を設けてそこで真空シールする必要は無く、例えば
第５図に示すように、空胴共振器２０の入口部に誘電体
２４を設けてそこで真空シールするようにしても良く、
あるいはそれよりも上流側に誘電体２４を設けてそこで
真空シールするようにしても良く、そのようにすれば誘
電体２４がプラズマ３２から離れるので、プラズマ３２
が当たることによって、特にそれからイオンビームを引
き出すときに逆行する高エネルギーの電子の衝撃によっ
て、誘電体２４が損傷を受けて破損する可能性を排除す
ることができる。

また、例えば第６図に示すように、各貫通穴２２を挟む
ように複数の永久磁石３８を設置して、各貫通穴２２を
通してプラズマ発生容器２６内に伝搬されるマイクロ波
１６の電界成分とほぼ直交する向きに磁界がかかるよう
にしても良く、そのようにすれば、プラズマ発生容器２
６へのマイクロ波１６の入口部でもＥＣＲ条件を満足す
るマイクロ波放電が起こるので、プラズマ３２の励起効
率をより増大させることができる。同図中の４０は磁力
線の一例を示す。第４図のように同軸アンテナ３４を用
いる場合も同様である。

その場合、永久磁石３日の配置は、ストライプ状でも格
子状でも良く、要はそれによる磁界が、プラズマ発生容
器２６の入口部でマイクロ波ｌ６の電界成分とほぼ直交
するようにすれば良い。

また、上記のようなプラズマ発生容器２６は、一つの空
胴共振器２０に対して二つ以上設けても良い。

一方、空胴共振器２０も、プラズマ発生容器２６が一つ
であるとそれ以上であるとに拘らず、二つ以上にしても
良い。これは、プラズマ発生容器２６を大面積化するの
に伴って一つの空胴共振器２０を単に大きくして行くと
、その中で様々なモードの定在波が立ち易く、そうなれ
ばマイクロ波１６をプラズマ発生容器２６内へ導入する
のに効率的な位置、即ち前述した電界最大点が決りにく
くなるからであり、それを防ぐためには、空胴共振器２
０を複数にしてそれぞれの中に所定のモードの定在波が
立つようにするのが好ましいからである。従ってそのよ
うにすれば、プラズマ３２の大面積化がより容易になる
。

第７図は、一つのプラズマ発生容器２６に二つの空胴共
振器２０ａ、２０ｂを接続した例を示すものであり、第
２図の例に対応する。図中の４２はＴ型分岐導波管を、
１８ａおよび１８ｂはテーパ導波管を示す。また、貫通
穴２２の部分を覆う真空シール用の誘電体２４の図示は
省略している。

この例の場合も、前述したような貫通穴２２あるいは同
軸アンテナ３４は、冬空胴共振器２０ａ、２０ｂ内に発
生する定在波の電界最大点に相当する個所を含む個所に
設けるものとする。また、第５図で説明したように、誘
電体２４を貫通穴２２の部分に設ける代わりに、各空洞
共振器２０ａ、２０ｂの入口部１９ａ，１９ｂあるいは
それよりも上流側に設けても良い。

また、上記いずれの例の場合も、プラズマ発生容器２６
を必要に応じて空胴共振器にしても良《、そのようにす
れば、当該プラズマ発生容器２６内にもマイクロ波１６
の定在波が形成されてプラズマ３２の励起に寄与するこ
とが期待できる。

ところで、上記のようなプラズマ発生装置は、例えば、
プラズマＣＶＤ装置、イオンエッチング装置等に利用す
ることができる他、更に引出し電極を付加することによ
って、イオン源としても利用することができる。

イオン源に利用した一例を第８図に示す。即ちこのイオ
ン源は、第１図ないし第３図に説明したプラズマ発生装
置のプラズマ発生容器２６の開口部２６ａに、例えば絶
縁物４４を介して、多孔（あるいはメッシュ状でも良い
）の引出し電極４６を設けたものであり、この引出し電
極４６に適当な引出し電圧を印加すれば、その電界の作
用で、上述したようにしてプラズマ発生容器２６内に作
られたプラズマ３２からイオンビーム４８を引き出すこ
とができる。

この場合、上述したようにプラズマ３２の大面積化およ
び密度の均一化が可能であるため、大面積でしかもイオ
ン密度の均一なイオンビーム４８を引き出すことができ
る。

尚、イオン源とする場合に設ける引出し電極の構成は、
図示例のような１枚に限られるものではなく、目的等に
応じて種々のものが採り得る。

また、プラズマ発生装置側の構成も、第８図に示したち
の以外に、上述した種々の変形が採り得る。

〔発明の効果］以上のようにこの発明のプラズマ発生装置によれば、プ
ラズマ発生容器に空胴共振器を接続し、かつ複数のマイ
クロ波導入手段を用いて、プラズマ発生容器内にマイク
ロ波を複数個所から分散して導入するようにしたので、
プラズマ発生容器内の広範な領域において均等にプラズ
マを励起することができ、従って大面積でしかも密度の
均一なプラズマを発生させることができる。

しかも、複数の永久磁石を用いてプラズマ発生容器の側
面部にカスプ磁場を作るようにしたので、このカスプ磁
場の作用によって、より高密度で均一性の良いプラズマ
を発生させることができる。

また、従来例のようなベルジャや磁気コイルを使用して
いないので、プラズマの大面積化が容易であり、ベルジ
ャや磁気コイルの大型化に伴う装置の大型化、作業性悪
化、コストアップ等の問題を排除することができる。

また、空胴共振器とプラズマ発生容器との接続部に複数
の貫通穴を設け、かつ空胴共振器の入口部またはその上
流側を誘電体で真空シールするようにすれば、プラズマ
中の電子の衝撃等によって誘電体が破損される可能性を
排除することができる。

また、上記のようなプラズマ発生装置を用いたこの発明
のイオン源によれば、同上の理由から、大面積でしかも
イオン密度の均一なイオンビームを引き出すことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係るプラズマ発生装置
を示す部分断面図である。第２図は、第１図の装置を誘
電体を取り除いて下側から見た図である。第３図は、第
１図の装置のプラズマ発生容器の部分を半径方向に切断
して部分的に示す拡大断面図である。第４図は、マイク
ロ波導入手段の他の例を示す断面図である。第５図は、
誘電体を空胴共振器の入口部に設けた例を示す断面図で
ある。第６図は、空胴共振器の接続部に永久磁石を設置
した例を示す断面図である。第７図は、空胴共振器を二
つ設けた例を示す図であり、第２図の例に対応する。第
８図は、第１図のプラズマ発生装置を用いたイオン源の
一例を示す断面図である。第９図および第１０図は、そ
れぞれ、従来のプラズマ発生装置を示す部分断面図であ
る。１６・・・マイクロ波、２０．２０ａ，２０ｂ−・・空
胴共振器、２２・・・貫通穴、２４・・・誘電体、２６
・・・プラズマ発生容器、２６ａ・・・開口部、２８・
・・永久磁石、３２．・・プラズマ、３４・・・同軸ア
ンテナ、４６・・・引出し電極、４８・・・イオンビー
ム。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）マイクロ波を使用することによってプラズマを励
起する装置であって、側面部に複数の永久磁石がカスプ
磁場を作るように配置されていて真空に排気されるプラ
ズマ発生容器に、マイクロ波が導入される１以上の空胴
共振器を接続し、かつ両者の接続部であって各空胴共振
器内に発生する定在波の電界最大点に相当する個所を含
む個所に、空胴共振器内からプラズマ発生容器内へ両者
間の真空シールをした状態でマイクロ波を導入する複数
のマイクロ波導入手段を設けたことを特徴とするプラズ
マ発生装置。
（２）前記複数のマイクロ波導入手段が、空胴共振器と
プラズマ発生容器との間を貫通する複数の貫通穴および
この貫通穴の部分を真空シールする誘電体から成る請求
項１記載のプラズマ発生装置。
（３）前記複数のマイクロ波導入手段が、空胴共振器と
プラズマ発生容器との間を接続していて真空シール機能
を有する複数の同軸アンテナから成る請求項１記載のプ
ラズマ発生装置。
（４）マイクロ波を使用することによってプラズマを励
起する装置であって、側面部に複数の永久磁石がカスプ
磁場を作るように配置されていて真空に排気されるプラ
ズマ発生容器に、マイクロ波が導入される１以上の空胴
共振器を接続し、かつ両者の接続部であって各空胴共振
器内に発生する定在波の電界最大点に相当する個所を含
む個所に、空胴共振器内からプラズマ発生容器内へマイ
クロ波を導入する複数の貫通穴を設け、更に各空胴共振
器の入口部またはその上流側にそこを真空シールする誘
電体を設けたことを特徴とするプラズマ発生装置。
（５）請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ発
生装置におけるプラズマ発生容器に開口部を設け、この
開口部に、当該プラズマ発生容器内に作られるプラズマ
からイオンビームを引き出す引出し電極を設けたことを
特徴とするイオン源。