JPH05325811A - マイクロ波イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長い領域に亘って均一なプラズマを生成し
て、長い領域に亘って均一性の良好なイオンビームの引
き出しを可能にしたマイクロ波イオン源を提供する。 【構成】 このマイクロ波イオン源は、基本的には、磁
界中のマイクロ波放電によってプラズマ室２内にプラズ
マを発生させ、このプラズマから引出し電極系２０によ
ってイオンビーム２６を引き出すものである。プラズマ
室２内には、その引出し電極系２０に対向する壁２ａの
近傍に同壁２ａに沿って、マイクロ波放射用の一次元的
に長いアンテナ４を配置している。壁２ａの背面側に
は、アンテナ４に沿うように磁石１２を配置している。
このようにして、アンテナ４、壁２ａおよび生成された
プラズマがマイクロ波ストリップ線路構造を形成するよ
うにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マイクロ波イオン源
に関し、より具体的には、断面短冊形状のイオンビーム
の引き出しを可能にする、いわゆる長尺型のマイクロ波
イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のいわゆる長尺型のマイクロ波イ
オン源においては、従来は通常は、例えば特開昭６０−
２４３９５３号公報に記載されているように同軸構造が
採用され、その中心導体と、放電室を形成する外部筒状
導体との間にマイクロ波電界を形成してマイクロ波放電
を発生させ、これによってプラズマを生成するようにし
ていた。

【０００３】その場合通常は、マイクロ波が伝搬する方
向（即ち中心導体の長手方向）に磁界が加えられ、放電
によって発生した電子の磁界方向への運動を促進するこ
とにより、生成プラズマの長手方向の均一性を良くする
ようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な同軸構造を採用する従来のマイクロ波イオン源では、
内部導体の表面近傍で磁界に垂直な方向に生じるマイク
ロ波電界が電子を加速してプラズマを生成する際、マイ
クロ波電力が大きい給電側の部分で密度の高いプラズマ
が発生するため、マイクロ波の２波長を超えるような長
い領域で均一なプラズマを発生させることが困難である
という問題がある。

【０００５】特に、動作ガス圧が高く中性粒子と電子と
の衝突が頻繁となる場合や、マイクロ波電力の増大に伴
って電界強度が大きくなってマイクロ波を吸収するイオ
ンシースの厚みが増大する場合には、マイクロ波電力は
効率良くプラズマに吸収されて、マイクロ波電力供給部
付近にのみ高密度プラズマが生成される状態になりやす
くなる。

【０００６】このように、従来の同軸構造を採用したマ
イクロ波イオン源では、高密度プラズマをマイクロ波の
例えば数波長という長い領域に亘って均一に生成するこ
とができないという問題があった。

【０００７】そこでこの発明は、長い領域に亘って均一
なプラズマを生成して、長い領域に亘って均一性の良好
なイオンビームの引き出しを可能にしたマイクロ波イオ
ン源を提供することを主たる目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、磁界中のマイクロ波放電によってプラ
ズマ室内にプラズマを発生させ、このプラズマから引出
し電極系によってイオンビームを引き出すマイクロ波イ
オン源において、前記プラズマ室内であってその壁の近
傍に同壁に沿って、マイクロ波放射用の一次元的に長い
アンテナを配置し、かつ同壁の背面側にアンテナに沿う
ように第１の磁石を配置し、それによってアンテナ、プ
ラズマ室の前記壁および生成されたプラズマがマイクロ
波ストリップ線路構造を形成するようにしていることを
特徴とする。

【０００９】

【作用】上記のようにアンテナ、プラズマ室の壁および
プラズマがマイクロ波ストリップ線路構造を形成するよ
うにすることによって、従来の同軸構造の場合に比べ
て、アンテナの近傍で発生したプラズマの、プラズマ室
中心部方向への拡散が容易になるので、マイクロ波がア
ンテナの給電部付近でプラズマによってカットオフされ
にくくなる。その結果、アンテナの長手方向におけるマ
イクロ波の伝搬とプラズマによるマイクロ波の吸収とを
うまく両立させることができるようになり、プラズマに
マイクロ波電力をアンテナのほぼ全域に亘って均一に吸
収させてアンテナのほぼ全域に亘って均一なプラズマを
生成することが可能になる。その結果、長い領域に亘っ
て均一性の良好なイオンビームを引き出すことが可能に
なる。

【００１０】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係るマイクロ
波イオン源を示す断面図である。図２は、図１の線Ａ−
Ａに沿う断面図である。但し、図２中において、プラズ
マ電極２１より下側の部分は図示を省略している。

【００１１】このマイクロ波イオン源は、基本的には、
磁界中のマイクロ波放電によってプラズマ室２内にプラ
ズマ（図示省略）を発生させ、このプラズマから引出し
電極系２０によってイオンビーム２６を引き出すもので
ある。

【００１２】プラズマ室２内には、その引出し電極系２
０に対向する壁２ａの近傍に同壁２ａに沿って、マイク
ロ波放射用の一次元的に長いアンテナ４を配置してい
る。

【００１３】このアンテナ４は、真空気密とマイクロ波
の絶縁を兼ねた電流導入端子８を用いて、プラズマ室２
の側壁部２ｂを貫通している。このアンテナ４の一端側
には、それにマイクロ波電力を供給するマイクロ波発生
器６が接続されており、同アンテナ４の他端側は金具１
０によってプラズマ室２の側壁部２ｂに電気的に接続さ
れている。

【００１４】なお、この実施例では、アンテナ４を二重
パイプ構造として、その内部に冷却水５を供給してアン
テナ４を強制的に冷却することができるようにしている
が、これは必須のものではない。

【００１５】また、この実施例では、図２に示すよう
に、２本の同じ構造のアンテン４をプラズマ室２内に互
いに平行に配置して、より高密度かつより均一性の高い
プラズマを生成できるようにしているが、これも必須で
はなくアンテナ４は１本でも良い。

【００１６】プラズマ室２の前記壁２ａの背面側には、
この実施例では各アンテナ４にそれぞれ平行に沿うよう
に、第１の磁石１２を２列配置している。各列の磁石１
２は、この実施例では、小さい永久磁石をアンテナ４に
沿って複数個並べたものであり、それらを押さえ板１４
によって固定している。

【００１７】プラズマ室２は、マイクロ波放電によって
アンテナ４の近傍で生成された高速電子によるガスの電
離を促進するための放電空間であり、この高速電子の閉
じ込めを良くするために、この実施例では、プラズマ室
２の側壁部２ｂに、プラズマ室２内に線カスプ磁界を形
成する第２の磁石１６を配置している。この磁石１６
は、この実施例では一例として、小さい複数個の永久磁
石を側壁部２ｂの回りに２段に並べたものであるが、そ
れ以上の段数に並べても良い。

【００１８】引出し電極系２０は、この例では、プラズ
マ室２と同電位にされていて、図示しない引出し電源か
ら高電圧が印加されるプラズマ電極２１と、その下流側
にあって接地電位にされる接地電極２２とで構成されて
いる。この電極２１および２２には、この例では断面短
冊形状のイオンビーム２６を引き出すために、細長いス
リット状のイオン引出し孔２１ａおよび２１ｂが、アン
テナ４に平行になるようにそれぞれ設けられている。も
っとも、スリット状のイオン引出し孔２１ａ、２１ｂの
代わりに、複数の小さいイオン引出し孔をアンテナ４に
沿って並べた構造によっても、短冊形状のイオンビーム
２６を引き出すことは可能であり、そのようにしても良
い。

【００１９】また、引出し電極系２０の構成はこの実施
例のものに限られるものではなく、例えば負電位にされ
る抑制電極やユニポテンシャル型のレンズ電極を付加し
た構造のもの等でも良い。なお、図１中の２４は絶縁物
である。

【００２０】上記のようなマイクロ波イオン源において
は、プラズマ室２内を引出し電極系２０を介して真空排
気すると共にプラズマ室２内にイオン化したい所望のガ
スを導入し、アンテナ４にマイクロ波発生器６からマイ
クロ波電力を供給すると、アンテナ４の近傍においてマ
イクロ波放電が生じて、アンテナ４の近傍にプラズマが
生成される。そしてこれによって生成されたプラズマ中
の高速電子とガス分子との衝突によって、プラズマ室２
内において更にプラズマ（低温プラズマ）が生成され、
このようにして生成されたプラズマから、引出し電極系
２０によって、イオンビーム２６を引き出すことができ
る。

【００２１】その場合このマイクロ波イオン源では、前
述したようにアンテナ４、壁２ａおよびプラズマがマイ
クロ波ストリップ線路構造を形成するようにしており、
従来の同軸構造の場合に比べて、アンテナ４の近傍で発
生したプラズマの、プラズマ室２の中心部方向への拡散
が容易になるので、マイクロ波がアンテナ４の給電部付
近でプラズマによってカットオフされにくくなる。その
結果、アンテナ４の長手方向におけるマイクロ波の伝搬
とプラズマによるマイクロ波の吸収とをうまく両立させ
ることができるようになり、プラズマにマイクロ波電力
をアンテナ４のほぼ全域に亘って均一に吸収させてアン
テナ４のほぼ全域に亘って均一なプラズマを生成するこ
とが可能になる。その結果、アンテナ４のほぼ全域とい
う長い領域に亘って均一性の良好なイオンビーム２６を
引き出すことが可能になる。

【００２２】上記の場合、アンテナ４に沿わせた磁石１
２によるアンテナ４と壁２ａとの間の領域における磁界
が、同領域での誘電率テンソルに影響を及ぼすので、こ
の磁石１２による磁界の強度とその分布を調整してアン
テナ４の長手方向における誘電率テンソルを調整するこ
とによって、あるいはアンテナ４と壁２ａとの間の距離
を調整することによって、アンテナ４の長手方向におけ
るマイクロ波のプラズマによる吸収をより均一化するこ
とができる。

【００２３】より具体的には、アンテナ４に対してマイ
クロ波を供給する側付近でマイクロ波のプラズマによる
吸収が大きくなりがちであるから、その付近で磁石１２
による磁界強度を他の部分よりも大きくするか、アンテ
ナ４と壁２ａとの間の距離を給電側の方をその反対側よ
りも小さくするか、あるいは両者を併用するかすれば、
アンテナ４の長手方向におけるマイクロ波のプラズマに
よる吸収をより均一化することができ、その結果、生成
されるプラズマもより均一化することができる。

【００２４】上記のようにして、マイクロ波放電によっ
て生成されるプラズマが均一化されることによって、同
プラズマ中の高速電子の量も均一化されるため、この高
速電子がガス分子と衝突することによってプラズマ室２
内に生成されるプラズマは更に均一になる。この状態
で、プラズマに接するプラズマ電極２１を浮遊電位に保
てば、この部分でのプラズマの損失を小さくできるの
で、均一性の高い状態で接地電極２２によってイオンビ
ーム２６を引き出すことができる。

【００２５】また、このマイクロ波イオン源では、イオ
ンビーム２６のビーム量を増減する際に、プラズマ室２
内のガス圧（即ち中性粒子密度）や供給マイクロ波電力
の大きさを変更しても、磁石１２によるアンテナ４の近
傍での磁界強度および／またはアンテナ４と壁２ａとの
間の距離を調整することにより、アンテナ４に沿うマイ
クロ波伝送系のプラズマインピーダンスを容易に調整す
ることができるので、ガス圧および供給マイクロ波電力
の広い範囲に亘って均一なプラズマを生成して、イオン
ビーム量の広い引き出し範囲に亘って均一性の良好なイ
オンビーム２６を引き出すことができる。

【００２６】更に、プラズマ室２の側壁部２ｂに、この
実施例のように、プラズマ閉じ込め用の線カスプ磁界形
成用の磁石１６を設けている場合は、この磁石１６によ
る磁界と、前記磁石１２による磁界とを調整して両磁界
を互いに結合させることによって、これらの磁界が全体
として磁気フィルタを構成するようにすることができ、
これによってプラズマ室２内における電子温度の空間分
布を調整して、イオンビーム２６として引き出すイオン
種の選択性を向上させることができる。

【００２７】例えば、プラズマ室２内の磁界が単なる線
カスプ磁界の場合は、プラズマ中には正イオンができや
すいのに対して、プラズマ室２内における磁界が全体と
して磁気フィルタを構成する場合には、ガス分子の付着
性解離が進み、プラズマ中に負イオンができやすくなる
傾向にある。従って、両磁石１２、１６による磁界を調
整することによって、イオンビーム２６として引き出す
イオン種の種類、比率等を変化させることができる。従
って例えば、負イオン源を実現することもできる。

【００２８】なお、上記実施例では、アンテナ４を、プ
ラズマ室２の引出し電極系２０に対向する壁２ａの近傍
に設けた例を示したけれども、プラズマ室２の側壁２ｂ
（より具体的には、引出し電極系２０のイオン引出し孔
２１ａ、２２ａがスリット状に長い場合にはその長手方
向に沿う側壁２ｂ）の近傍に、アンテナ４を配置しかつ
同側壁２ｂの背面部に磁石１２を沿わせても良く、その
ようにしても、上記実施例の場合と同様に、長い領域に
亘って均一性の良好なイオンビーム２６を引き出すこと
が可能になる。

【００２９】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、アンテ
ナ、プラズマ室の壁およびプラズマがマイクロ波ストリ
ップ線路構造を形成するようにしているので、アンテナ
の長手方向におけるマイクロ波の伝搬とプラズマによる
マイクロ波の吸収とをうまく両立させることができ、そ
れによってプラズマにマイクロ波電力をアンテナのほぼ
全域に亘って均一に吸収させてアンテナのほぼ全域に亘
って均一なプラズマを生成することが可能になる。その
結果、アンテナのほぼ全域という長い領域に亘って均一
性の良好なイオンビームを引き出すことが可能になる。

【００３０】また、アンテナに対してマイクロ波を供給
する側で、アンテナとプラズマ室の壁との間の距離を小
さくしたり、アンテナに沿わせた第１の磁石による磁界
の強度を大きくすれば、アンテナの長手方向におけるマ
イクロ波のプラズマによる吸収をより均一化して、より
均一なプラズマを生成することが可能になる。

【００３１】また、プラズマ室の側壁部に、線カスプ磁
界を形成する第２の磁石を更に配置しておけば、プラズ
マ室内における高速電子の閉じ込め性能が改善され、よ
り高密度のプラズマを生成することができるようにな
る。

【００３２】また、上記第１の磁石による磁界と第２の
磁石による磁界とを互いに結合させて、これらの磁界が
全体として磁気フィルタを構成するようにすれば、イオ
ンビームとして引き出すイオン種の選択性を向上させる
こともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係るマイクロ波イオン源
を示す断面図である。

【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。

【符号の説明】

２ プラズマ室 ２ａ 壁 ２ｂ 側壁部 ４ アンテナ ６ マイクロ波発生器 １２ 第１の磁石 １６ 第２の磁石 ２０ 引出し電極系 ２６ イオンビーム

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁界中のマイクロ波放電によってプラズ
   マ室内にプラズマを発生させ、このプラズマから引出し
   電極系によってイオンビームを引き出すマイクロ波イオ
   ン源において、前記プラズマ室内であってその壁の近傍
   に同壁に沿って、マイクロ波放射用の一次元的に長いア
   ンテナを配置し、かつ同壁の背面側にアンテナに沿うよ
   うに第１の磁石を配置し、それによってアンテナ、プラ
   ズマ室の前記壁および生成されたプラズマがマイクロ波
   ストリップ線路構造を形成するようにしていることを特
   徴とするマイクロ波イオン源。
2. 【請求項２】 前記アンテナと前記壁との間の距離を、
   同アンテナに対してマイクロ波を供給する側の方をその
   反対側よりも小さくしている請求項１記載のマイクロ波
   イオン源。
3. 【請求項３】 前記第１の磁石による前記アンテナと前
   記壁との間の領域における磁界の強度を、同アンテナに
   対してマイクロ波を供給する側付近で他の部分よりも大
   きくしている請求項１または２記載のマイクロ波イオン
   源。
4. 【請求項４】 前記プラズマ室の側壁部に、同プラズマ
   室内に線カスプ磁界を形成する第２の磁石を更に配置し
   ている請求項１、２または３記載のマイクロ波イオン
   源。
5. 【請求項５】 前記第１の磁石による磁界と第２の磁石
   による磁界とを互いに結合させることによって、これら
   の磁界が全体として磁気フィルタを構成するようにして
   いる請求項４記載のマイクロ波イオン源。