JPH06103910A - マイクロ波イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ室の長い領域に均一にマイクロ波を
供給すること。 【構成】 プラズマ室１の室壁１ａに沿って、マイクロ
波放射用の一次元的に長い２本一対のアンテナ３₁₁、３
₁₂が平行に配置されており、両アンテナは、マイクロ波
の１／４波長の整数倍の距離Ｌを置いて同一軸上に設け
る。各アンテナに給電するマイクロ波発生器５₁₁、５₁₂
は互いに反対側の位置にあり、各アンテナにおけるマイ
クロ波の伝搬方向は対向する。プラズマが生成される長
い領域の両端部にマイクロ波の供給部が位置し、プラズ
マ生成部の全長に亘ってマイクロ波の吸収が均一化さ
れ、生成されるプラズマを均一化し、均一性のよい長尺
イオンビームを引出すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、断面短冊形状、いわゆ
る長尺のイオンビームを引出すことができるマイクロ波
イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、先の提案に係るマイクロ波イオ
ン源であって、マイクロストリップ構造のアンテナ部を
有し、断面短冊形状のイオンビームを引きだすことがで
きるイオン源の断面図であり、図４は図３のＡ−Ａ線で
の断面図である。このイオン源は、プラズマ室１の内部
に磁界中のマイクロ波放電によってプラズマを生成し、
このプラズマから引出し電極系２によりイオンビームを
引出すものであり、この引出し電極系に対向するプラズ
マ室の室壁１ａに沿ってマイクロ波放射用の一次元的に
長いアンテナ３が配置されている。このアンテナは、高
密度かつ均一性の高いプラズマが生成できるように、例
えば、２本の同じ構造のものがプラズマ室１内に平行に
配置されており、各アンテナは、真空気密とマイクロ波
の絶縁を兼ねるシール部材４を用いてプラズマ室１の側
壁１ｂを貫通してプラズマ室内に導入されており、アン
テナの一端側にはマイクロ波電力を供給するマイクロ波
発生器５が接続され、アンテナの他端側、終端部は金具
６によってプラズマ室の側壁部１ｂに電気的に接続され
ている。

【０００３】マイクロ波電力がプラズマに結合する領域
の誘電率テンソルを変化させるために、プラズマ室の室
壁１ａの背面側には各アンテナ３にそれぞれ平行に第１
の磁石７が配置されており、各列の磁石は小さい永久磁
石をアンテナに沿って複数個並べて構成されており、そ
れらを押え板８によって固定している。

【０００４】プラズマ室１は、マイクロ波放電に伴いア
ンテナ３の近傍で生成された高速電子によるイオン源ガ
スの電離を促進させる放電空間であり、この高速電子の
閉じ込めを良くするために、プラズマ室の側壁１ｂの周
囲に、プラズマ室内に線カスプ磁界を形成する複数の小
さい永久磁石による第２の磁石９を配置している。

【０００５】引出し電極系２は、図示しない引出し電源
から高電圧が印加され、プラズマ室１と同電位にあるプ
ラズマ電極２₁と、その下流側の接地電極２₂で構成され
ている。各電極には、断面短冊形状のイオンビームを引
出すために、それぞれスリット状のイオン引出し孔２₁
ａ、２₂ａが形成されている。

【０００６】プラズマ室にイオン化したい所要のイオン
源ガスを導入し、アンテナ３にマイクロ波発生器５から
マイクロ波電力を供給すると、アンテナの近傍に、マイ
クロ波放電が起こりプラズマが生成される。そして生成
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
てプラズマ室内に更にプラズマが生成され、かかるプラ
ズマから引出し電極系２によってイオンビームが引出さ
れる。

【０００７】そして、このイオン源では、アンテナ３、
その近傍のプラズマ室１の室壁１ａ及びアンテナの周囲
のプラズマがマイクロ波ストリップ線路構造を形成して
おり、これにより、アンテナの近傍で発生したプラズマ
がプラズマ室の中心部方向に拡散しやすくなるから、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３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
吸収させて同全域に均一なプラズマを生成することを可
能にする。これに伴い、アンテナ３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出すこ
とが可能になる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のマイ
クロ波イオン源では、マイクロ波電力とプラズマとの結
合に係るアンテナ３とプラズマ室１の室壁１ａとの位
置、距離関係、及び、第１の磁石７による磁界の強度と
分布を変化させることにより、マイクロ波ストリップ線
路構造部の誘電率テンソルを変化させても、アンテナが
長くなると、プラズマ生成をアンテナ３の全域に亘って
均一化することが困難になる。この傾向は、特に、プラ
ズマ室内の動作ガス圧が高い場合に顕著であり、これ
は、ガス圧が高いと、中性粒子と電子との衝突が頻繁と
なり、マイクロ波電力が効率良くプラズマに吸収され
て、アンテナ３のマイクロ波電力供給側付近にのみ高密
度プラズマが生成される状態が発生しやすいことによ
る。したがって、均一なプラズマ生成が可能なアンテナ
の長さが制限されてしまう。

【０００９】そこで、この制限された長さ以上の断面短
冊状の長尺イオンビームを得るには、多数のアンテナ３
を平行に配置し、各アンテナの軸方向と直交する方向に
長い領域でプラズマを生成しなければならない。しか
し、こうすると、アンテナ同士のクロストーク等の問題
によりマイクロ波発生器５を個別に操作する必要があ
り、マイクロ波発生器が多数の場合には、この操作は非
常に複雑になり、また、マイクロ波発生器を動作させる
電源も多数を要する、ないしは大型化する。

【００１０】本発明は、かかるマイクロ波イオン源の改
良に関し、単純な構造のもとで、長い領域に効率良く且
つ均一にマイクロ波を供給することを可能にし、均一且
つ大きなイオンビーム電流を得ることができるマイクロ
波イオン源の提供を目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、磁界中のマイ
クロ波放電によって内部にプラズマが生成されるプラズ
マ室と、生成されたプラズマからイオンビームを引出す
引出し電極系と、前記プラズマ室の室壁に沿って配置さ
れた一次元的に長いマイクロ波放射用のアンテナと、こ
のアンテナが配置された前記室壁の背面側にアンテナに
沿うように配置された第１の磁石とを有し、前記アンテ
ナ、前記プラズマ室の前記室壁及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しているマイク
ロ波イオン源において、前記アンテナは同一軸上に配置
された２本一対のアンテナからなり、この一対の各アン
テナは、その一端をマイクロ波の１／４波長の整数倍の
距離をおいて配置されており、その他端の側からマイク
ロ波が給電されて、マイクロ波の伝搬方向が対向してい
ることを主たる特徴とするものである。

【００１２】

【作用】２本一対の各アンテナは、同一軸上に向かい合
って位置し、一対のアンテナは、軸方向に長い領域の両
端部からマイクロ波が供給されることになり、各アンテ
ナは、その一端がマイクロ波の１／４波長の整数倍の距
離をおいて位置していることに伴い、定在波が発生し、
各アンテナに供給されたマイクロ波は互いに他のアンテ
ナのマイクロ波を乱すことがないから、長い領域に亘っ
て均一なプラズマを生成することができる。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例について図面を参照して説明
する。図１はマイクロ波イオン源の上面図、図２は図１
のＡ−Ａ線での断面図であり、図３、図４と同一符号は
同等部分を示す。プラズマ室１の引出し電極系２に対向
する室壁１ａに沿ってマイクロ波放射用の一次元的に長
い複数のアンテナ、ここでは、それぞれ２本のアンテナ
３₁₁と３₁₂、及び３₂₁と３₂₂による二対の対アンテナ３
₁、３₂が配置されている。各対における各アンテナは、
真空気密とマイクロ波の絶縁を兼ねるシール部材、具体
的にはアルミナセラミック製のハーメチックシール部材
４を用いてプラズマ室１の側壁１ｂを貫通してプラズマ
室内に導入されている。二つの対アンテナ３₁、３₂は、
プラズマ室１内に高密度かつ均一性の高いプラズマが生
成できるように平行に配置されており、その各アンテナ
は二重パイプ、同軸型水冷構造とし、その内部に冷却水
を通流させてアンテナを強制的に冷却している。

【００１４】各アンテナ３₁₁、３₁₂、３₂₁、３₂₂はマイ
クロ波発生器５₁₁、５₁₂、５₂₁及び５₂₂によって各別に
マイクロ波電力が供給されており、各対のアンテナ３₁₁
と３₁₂、３₂₁と３₂₂は、その終端部、即ちマイクロ波の
供給側とは反対側の端が、マイクロ波の波長をλとし
て、λ／４の整数倍の距離Ｌを置いて同一軸上に配置さ
れており、各対に係るマイクロ波発生器は対アンテナに
おける２本のアンテナの外側に位置し、対アンテナの軸
方向に長い領域の両端部からその各アンテナにマイクロ
波を給電することになり、各アンテナにおけるマイクロ
波の伝搬方向は対向することになる。

【００１５】マイクロ波電力がプラズマに結合する領域
の誘電率テンソルを変化させるために、プラズマ室の室
壁１ａの背面側には各対アンテナ３₁、３₂にそれぞれ平
行に第１の磁石７が配置されており、磁石７は押え板８
によって固定されている。プラズマ室１は、マイクロ波
放電に伴いアンテナ３の近傍で生成された高速電子によ
るイオン源ガスの電離を促進させる放電空間であり、こ
の高速電子の閉じ込めを良くするために、プラズマ室の
側壁１ｂの周囲に、プラズマ室内に多極線カスプ磁界を
形成する複数の小さい永久磁石による第２の磁石９を配
置している。引出し電極系２は、プラズマ電極２₁と接
地電極２₂で構成されているが、場合によっては、加速
−減速型の引出し電極系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でもよい。また、引出し電極
系２における各電極のイオン引出し孔は、スリット状の
ものでもよいし、多孔の引出し孔でもよい。

【００１６】上述のように、平行して配置された２つの
対アンテナ３₁、３₂に給電するマイクロ波発生器５₁₁、
５₁₂、５₂₁及び５₂₂は両対アンテナの両端部の位置に設
置されており、これにより、プラズマが生成される長い
領域の両端部にマイクロ波の供給部が位置すると共に、
対アンテナにおける二つのアンテナは、その端部が１／
４波長の整数倍の距離Ｌを置いて同軸上に配置されてい
るから、定在波が発生し、二つのマイクロ波発生器から
それぞれ別個に供給されたマイクロ波は互いに他方のマ
イクロ波を乱すことがない。したがって、プラズマ生成
部の長い領域に亘ってマイクロ波のプラズマによる吸収
が安定した状態のもとで平均、均一化され、生成される
プラズマも均一化される。そして生成される高速電子に
ついても均一化が生じ、プラズマ室１内に生成されるプ
ラズマは均一化し、均一な長尺のイオンビームを引出す
ことができる。

【００１７】各対アンテナ３₁、３₂に沿わせた第１の磁
石７によって形成されるアンテナと室壁１ａとの間の領
域の磁界が、同領域の誘電率テンソルに影響を及ぼすか
ら、この磁石による磁界の強度と分布を調整し、或いは
アンテナと室壁との間の距離を調整し、アンテナの長手
方向における誘電率テンソルを調整することによって、
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
る吸収を均一化することができる。各対アンテナ３₁、
３₂におけるマイクロ波の供給側付近でマイクロ波の吸
収が大きくなりがちであるから、具体的には、第１の磁
石７によるアンテナのマイクロ波供給側の磁界強度を終
端部側のそれより大きくするか、アンテナのマイクロ波
供給側におけるアンテナと室壁１ａとの間の距離を、終
端部側のそれより小さくすることにより、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
均一化することができ、その結果、生成されるプラズマ
をより均一化することができる。

【００１８】生成された高速電子がプラズマ室１内で効
率良く閉じ込められるように、線カスプ磁界を形成する
第２の磁石９を配置しているが、同室内の磁界が単なる
線カスプ磁界の場合は、プラズマ中に正イオンができや
すいのに対して、同室内の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。し
たがって、閉じ込め磁界形成用の第２の磁石９とマイク
ロ波電力吸収に係る第１の磁石７による磁界を調整し
て、両磁界を互いに結合させ、全体として磁気フィルタ
を構成させることにより、イオン源から引出されるイオ
ンビームのイオン種の比率を変化させることができる。

【００１９】上述の実施例では二対４本のアンテナ
３₁₁、３₁₂、３₂₁及び３₂₂を用いて、アンテナの軸方向
に長い領域にプラズマを生成し、断面短冊形状、長尺の
イオンビームを引出すようにしているが、アンテナにつ
いては、一対２本でも、三対６本以上であっても良い。
アンテナの対数を増やすことにより、短冊状ビームから
方形エリアビームに近い形状のビームを得ることとがで
きる。そしてアンテナへの給電については、各アンテナ
を別個のマイクロ波発生器から給電しても良いし、アン
テナの同じ端部側から給電され、マイクロ波の伝搬方向
を同じくするアンテナについては、複数のアンテナを一
台のマイクロ波発生器によって給電するようにしても良
い。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、マイク
ロ波電力をプラズマ生成部の長い領域に亘り安定した状
態のもとでプラズマに吸収させることができ、生成され
るプラズマも平均、均一化され、均一なイオンビームを
長尺イオン源の全域から引出すことができる。これは、
特に高いガス圧で動作させる場合にあっても可能であ
り、この点、本発明によれば、広い動作ガス圧に亘り、
均一な長尺のイオンビームを引出すことができる。

【００２１】また、各アンテナとその背後のプラズマ室
壁との距離を、各アンテナのマイクロ波供給側を反供給
側より小さくしたり、第１の磁石７の磁界強度を、各ア
ンテナのマイクロ波供給側を反供給側より大きくするこ
とにより、各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均一化することができ、より均一
なプラズマを生成させることができる。

【００２２】プラズマ室の側壁部に多極線カスプ磁界を
形成する第２の磁石９を配置することにより、プラズマ
室内における高速電子の閉じ込めが改善され、より高密
度のプラズマを生成することができる。

【００２３】第１の磁石７の磁界と第２の磁石９の磁界
を結合させて、これらの磁界で全体として磁気フィルタ
を構成させることにより、イオンビームとして引出すイ
オン種を選択することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の断面図である。

【図２】実施例の上面図である。

【図３】従来例の断面図である。

【図４】図４のＡ−Ａ線での断面図である。

【符号の説明】

1 プラズマ室 2 引出し電極系 3₁₁,3₁₂,3₂₁,3₂₂ アンテナ 5₁₁,5₁₂,5₂₁,5₂₂ マイクロ波発生器 7 第１の磁石 8 押え板 9 第２の磁石

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内部に
   プラズマが生成されるプラズマ室と、生成されたプラズ
   マからイオンビームを引出す引出し電極系と、前記プラ
   ズマ室の室壁に沿って配置された一次元的に長いマイク
   ロ波放射用のアンテナと、このアンテナが配置された前
   記室壁の背面側にアンテナに沿うように配置された第１
   の磁石とを有し、前記アンテナ、前記プラズマ室の前記
   室壁及び生成されたプラズマがマイクロ波ストリップ線
   路構造を形成しているマイクロ波イオン源において、 前記アンテナは同一軸上に配置された２本のアンテナを
   一対として成り、この一対のアンテナは、その各一端を
   マイクロ波の１／４波長の整数倍の距離をおいて配置さ
   れており、その各他端の側からマイクロ波が給電され
   て、マイクロ波の伝搬方向が対向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】 前記一対のアンテナと前記プラズマ室の
   前記室壁との間の距離が、各アンテナにおけるマイクロ
   波の供給側を終端部側より小さくされていることを特徴
   とする請求項１記載のマイクロ波イオン源。
3. 【請求項３】 前記第１の磁石による前記一対のアンテ
   ナと前記プラズマ室の室壁との間の領域の磁界の強度
   が、各アンテナにおけるマイクロ波の供給側を終端部側
   より大きくされていることを特徴とする請求項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、プラズマ室
   内に線カスプ磁界を形成する第２の磁石を配置したこと
   を特徴とする請求項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前記第２の
   磁石による磁界を互いに結合させ、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たことを特徴と
   する請求項４記載のマイクロ波イオン源。