WO2020090890A1

WO2020090890A1 - 磁化プラズモイド射出装置

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Publication number: WO2020090890A1
Application number: PCT/JP2019/042585
Authority: WO
Inventors: 朋彦浅井; 小林　大地; 太一関
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2018-11-02
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-05-07
Anticipated expiration: 2021-05-02
Also published as: JP7332169B2; US12198899B2; JPWO2020090890A1; US20220013332A1

Abstract

不純物量の精密な制御を可能とする磁化プラズモイド射出装置（１０）であって、円筒状の外部電極（１１）と、外部電極の内部に同軸状に配置される内部電極（１２）と、外部電極と内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部（１３）と、外部電極と内部電極との間に磁化プラズモイドを生成する磁界を印加する磁界発生部（１５）と、外部電極と内部電極との間に放電電圧を印加する電源制御部（１４）と、磁化プラズモイドに不純物を含有させる不純物生成部（１００）と、を具備し、不純物生成部が、外部電極に開口するカバー電極（１０２）と、カバー電極内に位置し不純物からなる針状電極（１０１）と、カバー電極と針状電極とに電圧を印加する不純物生成電源と、を有する。

Description

磁化プラズモイド射出装置

　本発明は磁化プラズモイド射出装置に関し、特に不純物を含有する磁化プラズモイドを高速で射出する際に用いて好適な技術に関する。本願は、２０１８年１１月０２日に出願された日本国特許出願第２０１８－２０７６８４号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　スフェロマックプラズマを生成する装置として、磁化同軸プラズマ生成装置が知られている。磁化同軸プラズマ生成装置とは、同軸状に配置された外部電極と内部電極との間に電圧を印加し、両電極間に放電を起こさせることでプラズマを生成させるものである。この際、このプラズマにバイアス磁場を印加すると、放電電流による磁場と共に、バイアス磁場を含んだ状態で放出され、スフェロマックプラズマとなる。ここで、スフェロマックプラズマとは、自分自身に流れる電流によってポロイダルとトロイダルの両閉じ込め磁場が発生し、その磁場構造の持つ磁気ヘリシティを保存するように配位を自己組織化するものである。

　このような装置は、磁化プラズモイドを容易に秒速数十から数百ｋｍ程度で射出できることから、磁化プラズモイド高速射出装置として磁場閉じ込めプラズマヘの燃料粒子供給などに利用されている。
　このような装置の例として、本発明者らは特許文献１に示すような出願をおこなっている。

　また、磁化プラズモイド高速射出装置は、プラズマ生成時の電流によって電極がスパッタリングされる効果を有する。磁化プラズモイド高速射出装置は、このスパッタリング効果を強調して、金属元素などの不純物をプラズモイドヘ混入および射出することで成膜をおこなうこともできる。
　このような装置の例として、本発明者らは、高融点金属を含む合金薄膜であっても安価に生成可能な合金薄膜生成装置に関して、特許文献２および特許文献３に示すような出願をおこなっている。

日本国特許第６２７８４１４号公報日本国特開２０１４－５１６９９号公報日本国特開２０１７－０５７４５４号公報

　しかし、特許文献1および特許文献２に記載された装置では、磁化プラズモイド中に不純物を含有させる際、プラズマを発生させるための内部電極を不純物源としている。したがって、特許文献1および特許文献２に記載された装置では、混入させる元素の変更や電極損耗に応じて、内部電極の換装が必要となる。このため、これを改善したいという要求があった。

　特に、磁化プラズモイドを磁場閉じ込めプラズマヘ入射する場合には、精密に管理された超高真空容器に取り付けられた大型の磁化プラズモイド高速射出装置を使用することになる。このため、電極の換装はコストや作業面でも現実的ではないという問題があった。

　さらに、これらの特許文献の装置では、プラズマを発生させるための内部電極を不純物源として、トレーサーとなる不純物を磁場閉じ込めプラズマヘ注入する場合がある。さらに、これらの特許文献の装置では、プラズマを発生させるための内部電極を不純物源として、より精密な不純物量制御の必要がある成膜をおこなう場合がある。これらのような場合には、プラズマに混入させる不純物量を、上記の特許文献に記載された装置で実現できる程度に比べて、より精密に制御したいという要求がある。

　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
１．磁化プラズモイドに含有させる不純物濃度の正確性を向上すること。
２．トレーサー元素含有コンパクトトロイド（Ｔｒａｃｅｒ　ｃｏｎｔａｉｎｅｄ　Ｃｏｎｐａｃｔ　Ｔｏｒｏｉｄ　：　ＴＣＣＴ）を射出する手法を提供可能とすること。

　本発明は、磁化プラズモイド射出装置であって、
　円筒状の外部電極と、
　前記外部電極の内部に同軸状に配置される円筒状の内部電極と、
　前記外部電極と前記内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に磁化プラズモイドを生成する磁界を印加する磁界発生部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に放電電圧を印加するプラズマ電源と、
　前記磁化プラズモイドに不純物を含有させる不純物生成部と、
　を具備し、
　前記不純物生成部が、前記外部電極に開口するカバー電極と、前記カバー電極内に位置し不純物からなる針状電極と、前記カバー電極と前記針状電極とに電圧を印加する不純物生成電源と、を有することにより上記課題を解決した。
　本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記不純物生成部が、複数設けられることができる。
　本発明において、前記不純物生成部の前記針状電極が、前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向外側に配置されることが好ましい。
　本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記不純物生成部への電圧印加後に、前記外部電極と前記内部電極との間に電圧印加をおこなうことが可能である。
　また、本発明において、前記不純物生成部の前記カバー電極が、前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の径方向間隔よりも小さな内径寸法を有する円筒状とされる手段を採用することもできる。
　本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記プラズマ生成ガス供給部が、前記外部電極に開口するノズルを有し、前記ノズルが前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向に沿って配置されることができる。
　本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記プラズマ生成ガス供給部の前記ノズルと、前記不純物生成部の前記針状電極とが、前記外部電極と前記内部電極との軸線に交差する同一平面に沿って配置されることができる。
　本発明は、磁化プラズモイド射出装置であって、
　円筒状の外部電極と、
　前記外部電極の内部に同軸状に配置される円筒状の内部電極と、
　前記外部電極と前記内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に磁化プラズモイドを生成する磁界を印加する磁界発生部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に放電電圧を印加するプラズマ電源と、
　を具備し、
　前記プラズマ生成ガス供給部が、前記外部電極に開口するノズルを有し、前記ノズルが前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向に沿って配置されることができる。
　本発明の磁気閉じ込めプラズマ装置は、上記のいずれか記載の磁化プラズモイド射出装置を備え、前記磁化プラズモイド射出装置から磁化プラズモイドを射出することができる。
　本発明のプラズマ処理装置は、上記のいずれか記載の磁化プラズモイド射出装置と、被処理基板保持部とを備え、前記磁化プラズモイド射出装置から前記被処理基板保持部で保持した被処理基板に磁化プラズモイドを射出することができる。
　また、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマ成膜、プラズマエッチング、をおこなうことができる。

　本発明は、磁化プラズモイド射出装置であって、
　円筒状の外部電極と、
　前記外部電極の内部に同軸状に配置される円筒状の内部電極と、
　前記外部電極と前記内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に磁化プラズモイドを生成する磁界を印加する磁界発生部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に放電電圧を印加するプラズマ電源と、
　前記磁化プラズモイドに不純物を含有させる不純物生成部と、
　を具備し、
　前記不純物生成部が、前記外部電極に開口するカバー電極と、前記カバー電極内に位置し不純物からなる針状電極と、前記カバー電極と前記針状電極とに電圧を印加する不純物生成電源と、を有する。
　れにより、本発明の磁化プラズモイド射出装置では、不純物生成電源がカバー電極と針状電極とに電圧を印加する。この装置は、針状電極を構成している不純物をイオン化あるいは粒子状態として、針状電極から飛散させる。そして、この装置は、不純物を外部電極と内部電極との間に形成される磁化プラズモイド生成空間に拡散させる。その後、この装置は、プラズマ生成ガス供給部からプラズマ生成ガスを磁化プラズモイド生成空間に供給する。この装置は、磁界発生部が外部電極と前記内部電極との間に磁界を印加する。この装置は、プラズマ電源が、外部電極と前記内部電極との間に放電電圧を印加する。これにより、この装置は、不純物を含有する磁化プラズモイドを生成して射出する。
　これにより、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、従来とは異なり、生成・射出する磁化プラズモイドが含有する不純物の種類を、内部電極を構成している不純物の種類に依存することなく、針状電極を構成している不純物の種類を設定することによって、異なる種類とすることができる。さらに、この装置は、生成・射出する磁化プラズモイドが含有する不純物の量を精密に制御することが可能となる。

　ここで、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、針状電極の径寸法、および、外部電極と内部電極との間に形成される磁化プラズモイド生成空間に対する配置、および、不純物生成電源によって印加する電圧、磁化プラズモイド生成空間における不純物拡散状態、不純物拡散と磁化プラズモイド生成との時間（タイミング）を設定することによって、生成・射出する磁化プラズモイドが含有する不純物の量を精密に制御することが可能となる。

　本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記不純物生成部が、複数設けられることができる。これにより、複数の不純物生成部における針状電極を形成する不純物を、それぞれ異なる種類（元素）とすることで、この装置は、複数種類の不純物を含有する磁化プラズモイドを生成して射出することが可能となる。しかも、この装置は、それぞれの不純物生成部において、含有する不純物量を精密に制御することができる。このため、例えば、スパッタリングなどではターゲットを製造できないような組成、特に複数組成の不純物であっても、この装置は、これらの複数組成の不純物を正確な含有量として含有した磁化プラズモイドを生成・射出することが可能となる。

　本発明の磁化プラズモイド射出装置において、前記不純物生成部の前記針状電極が、前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向外側に配置されることが好ましい。
　これにより、この装置は、外部電極と内部電極との間に形成される磁化プラズモイド生成空間を直接外部空間に対して開放することなく、針状電極のみを容易に交換し、針状電極のみを容易に装着することができる。したがって、この装置は、生成・射出する磁化プラズモイドに含有する不純物を交換する際の作業時間を短縮できる。これにより、磁化プラズモイド射出装置のハンドリング性を向上し、磁化プラズモイド射出装置のメンテナンス時間を短縮することができる。
　さらに、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、外部電極と内部電極との間に形成される磁化プラズモイド生成空間において、生成される磁化プラズモイドに対して、効率的に不純物を含有させることができる。したがって、この装置は、従来の装置において磁化プラズモイドに対して含有させることができなかった不純物を、容易に含有させることが可能となる。

　本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記不純物生成部への電圧印加と同時か、または、前記電圧印加後に、前記外部電極と前記内部電極との間に電圧印加をおこなうことが可能である。つまり、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記不純物生成部の前記不純物生成電源による電圧印加前後に、前記プラズマ電源からの電圧印加をおこなうことが可能である。
　これにより、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、従来の装置において、磁化プラズモイドに対して含有できなかった不純物を、容易に含有させることが可能となる。同時に、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、磁化プラズモイドに対して含有させる不純物濃度を正確に制御することが可能となる。なお、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記プラズマ生成ガス供給部から前記プラズマ生成ガスの供給をおこない、その後、前記不純物生成部の前記不純物生成電源による電圧印加し、その後に、前記プラズマ電源からの電圧印加をおこなうことが可能である。

　また、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記不純物生成部の前記カバー電極が、前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の径方向間隔よりも小さな内径寸法を有する円筒状とされる手段を採用することもできる。
　これにより、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、外部電極と内部電極との間に形成される磁化プラズモイド生成空間を直接外部空間に対して開放することなく、針状電極のみを容易に交換装着することが可能となる。さらに、本発明は、不純物生成部を、既存の磁化プラズモイド射出装置に装着することが容易に可能となる。

　本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記プラズマ生成ガス供給部が、前記外部電極に開口するノズルを有し、前記ノズルが前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向に沿って配置されることができる。これにより、この装置は、ドーナツ状に形成される磁化プラズモイドに対して、効率的にプラズマ生成ガスを供給することが可能となる。

　本発明の磁化プラズモイド射出装置は、前記プラズマ生成ガス供給部の前記ノズルと、前記不純物生成部の前記針状電極とが、前記外部電極と前記内部電極との軸線に交差する同一平面に沿って配置されることができる。これにより、この装置は、プラズマ生成ガスを供給して、ドーナツ状に形成される磁化プラズモイドに対して、効率的に不純物を含有させることが可能となる。

　本発明は、磁化プラズモイド射出装置であって、
　円筒状の外部電極と、
　前記外部電極の内部に同軸状に配置される円筒状の内部電極と、
　前記外部電極と前記内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に磁化プラズモイドを生成する磁界を印加する磁界発生部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に放電電圧を印加するプラズマ電源と、
　を具備し、
　前記プラズマ生成ガス供給部が、前記外部電極に開口するノズルを有し、前記ノズルが前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向に沿って配置されることができる。これにより、本発明の磁化プラズモイド射出装置は、ドーナツ状に形成される磁化プラズモイドに対して、効率的にプラズマ生成ガスを供給することが可能となる。

　本発明の磁気閉じ込めプラズマ装置は、上記のいずれか記載の磁化プラズモイド射出装置を備え、前記磁化プラズモイド射出装置から磁化プラズモイドを射出することができる。これにより、本発明の磁気閉じ込めプラズマ装置は、内部電極に依存しない不純物を含有した磁化プラズモイドを生成・射出して、磁気閉じ込めプラズマ装置において有用なトレーサー元素を含有した磁化プラズモイドを供給することが可能となる。

　本発明のプラズマ処理装置は、上記のいずれか記載の磁化プラズモイド射出装置と、被処理基板保持部とを備え、前記磁化プラズモイド射出装置から前記被処理基板保持部で保持した被処理基板に磁化プラズモイドを射出することができる。これにより、本発明のプラズマ処理装置によって薄膜などを形成することで、従来成膜できなかった合金薄膜の生成を容易におこないながら、被処理基板に対する成膜等のプラズマ処理をおこなうことが可能となる。また、本発明のプラズマ処理装置によって薄膜などを形成することで、実現が難しかった不純物組成比の制御を容易におこないながら、被処理基板に対する成膜等のプラズマ処理をおこなうことが可能となる。

　また、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマ成膜、プラズマエッチング、をおこなうことができる。

　本発明によれば、従来は含有させることが困難であった種類の不純物を磁化プラズモイドに含有させることができるとともに、この不純物量を正確に制御した磁化プラズモイドの生成・射出を容易に可能とすることができるという効果を奏することが可能となる。

本発明に係る磁化プラズモイド射出装置の第１実施形態を示す縦断面図である。本発明に係る磁化プラズモイド射出装置の第１実施形態を示す横断面図である。本発明に係る磁化プラズモイド射出装置の第１実施形態における不純物生成部を示す断面図である。本発明に係る磁化プラズモイド射出装置の第１実施形態におけるプラズマ電源（電源回路）の一例を示す回路図である。本発明に係る磁化プラズモイド射出装置の第１実施形態における不純物拡散状態を示す横断面図である。本発明に係る磁化プラズモイド射出装置の第１実施形態における磁化プラズモイド生成状態を示す縦断面図である。本発明に係る磁化プラズモイド射出装置の第１実施形態における磁化プラズモイド生成状態を示す横断面図である。本発明に係る磁気閉じ込めプラズマ装置の第２実施形態を示す模式図である。本発明に係るプラズマ処理装置の第３実施形態を示す模式図である。

　以下、本発明に係る磁化プラズモイド射出装置の第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
　図１は、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置を示す縦断面図である。図２は、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置を示す横断面図である。これらの図において、符号１０は、磁化プラズモイド射出装置である。

　本実施形態に係る磁化プラズモイド射出装置１０は、図１に示すように、外部電極１１と、内部電極１２と、プラズマ生成ガス供給部１３と、電源制御部１４と、バイアスコイル（磁界発生部）１５と、不純物生成部１００と、図示しない磁束保持部と、を有する。

　外部電極１１は、例えば円筒形状の導体からなるものである。また、内部電極１２は、外部電極１１と同軸状に配置されている。外部電極１１と内部電極１２との間には、円環状の磁化プラズモイド生成空間が形成される。

　円筒状の外部電極１１の径方向内側で、かつ、円筒状の内部電極１２の径方向外側となる空間が、円環状の磁化プラズモイド生成空間とされている。外部電極１１の円筒面と、内部電極１２の円筒面とは、周方向の全周で互いに同じ径方向離間距離を有するように円環状の磁化プラズモイド生成空間を形成している。

　磁化プラズモイド射出装置１０では、外部電極１１の一端がフランジ１１ａと接続される。内部電極１２の一端は、外部電極１１の一端よりも外側まで延在する。内部電極１２の一端は、内部電極１２の一端がフランジ１２ａと接続されている。フランジ１１ａおよびフランジ１２ａは、同軸状に配置される。かつ、フランジ１１ａおよびフランジ１２ａは、軸方向に離間して配置される。

　外部電極１１と内部電極１２とは、フランジ１１ａおよびフランジ１２ａによって位置が固定されている。
　フランジ１１ａは、円筒状の外部電極１１の一端とその内径が一致する。フランジ１１ａは、外部電極１１の外側に延在する円環状の板体とされる。
　フランジ１２ａは、円筒状の内部電極１２の一端とその内径が一致する。フランジ１２ａは、内部電極１２の外側に延在する円環状の板体とされる。

　フランジ１１ａおよびフランジ１２ａは、互いの対向面が平行状態に離間している。これらフランジ１１ａおよびフランジ１２ａは、互いの間が円筒部材１７によって接続されている。
　円筒部材１７は、フランジ１１ａとフランジ１２ａとの間の中間位置に円環状の絶縁部材１８が配置される。絶縁部材１８は、円筒部材１７の両端を絶縁状態としている。フランジ１１ａおよびフランジ１２ａは、この絶縁部材１８により絶縁される。

　フランジ１１ａおよびフランジ１２ａの間の空間は、円周面である円筒部材１７、絶縁部材１８によって囲まれている。フランジ１１ａおよびフランジ１２ａの間の空間は、円筒部材１７、絶縁部材１８を介して真空状に密閉可能とされる。
　円筒部材１７および絶縁部材１８の径方向内側、かつ、内部電極１２の径方向外側である空間は、外部電極１１と内部電極１２との間に形成された円環状の磁化プラズモイド生成空間と連通している。

　外部電極１１は、他端からプラズマが放出されるように開放端となっている。外部電極１１および内部電極１２は、磁化せず融点が高く、加工が容易な材質で形成されることが好ましい。例えば、ステンレス等で構成されればよい。
　内部電極１２の他端は、密閉状態に閉塞されている。内部電極１２の内側には、バイアスコイル１５が配置される。

　外部電極１１の外周位置には、プラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａが接続されている。
　プラズマ生成ガス供給部１３は、外部電極１１と内部電極１２との間に形成された円環状の磁化プラズモイド生成空間にプラズマ生成ガスを供給するようにノズル１３ａに接続されている。

　プラズマ生成ガス供給部１３は、プラズマ生成ガス、例えば、水素ガス、ヘリウムガスやアルゴンガス等をノズル１３ａに供給可能とされる。

　ノズル１３ａは、図２に示すように、外部電極１１および内部電極１２の軸と直交する面において、これら外部電極１１および内部電極１２で形成される円環状の磁化プラズモイド生成空間に対して、その接線方向がガス噴出方向となるように配置されている。つまり、ノズル１３ａは、外部電極１１を外部から貫通するように円環状の磁化プラズモイド生成空間に開口し、この円環状の磁化プラズモイド生成空間において、内部電極１２の周囲外側を内部電極１２の周方向に流れるようにプラズマ生成ガスを噴出する。

　ノズル１３ａは、外部電極１１を外部から貫通するように外部電極１１の内部に向けて開口する。ノズル１３ａは、外部電極１１の内部にプラズマ生成ガスを噴出する。外部電極１１および内部電極１２は、外部電極１１および内部電極１２の軸と直交する軸直交面において、外部電極１１および内部電極１２の間に円環状の磁化プラズモイド生成空間を形成する。磁化プラズモイド生成空間は、外部電極１１および内部電極１２の軸方向に、ほぼ同じ断面形状を有する。ノズル１３ａは、軸直交面において、円環状の磁化プラズモイド生成空間に対して、その接線方向にプラズマ生成ガスを噴出する。ノズル１３ａは、軸直交面において、内部電極１２の周囲外側にプラズマ生成ガスを噴出する。ノズル１３ａは、軸直交面において、内部電極１２の接線方向にプラズマ生成ガスを噴出する。ノズル１３ａは、軸直交面に沿って、プラズマ生成ガスを噴出する。

　ノズル１３ａは、図２に示すように、外部電極１１および内部電極１２の軸と直交する面において、外部電極１１および内部電極１２で形成される円環状の磁化プラズモイド生成空間に対して、外部電極１１の径方向の両端位置となるように２箇所設置される。２本のノズル１３ａは、互いに平行状態、かつ、プラズマ生成ガスの噴出方向が互いに逆向きとなるように設定されている。

　２本のノズル１３ａは、軸直交面における互いの離間距離が、円環状の磁化プラズモイド生成空間の径寸法とほぼ等しく設定される。２本のノズル１３ａは、軸直交面における互いの離間距離が、外部電極１１の径寸法より小さく設定される。２本のノズル１３ａは、軸直交面における互いの離間距離が、内部電極１２の径寸法より大きく設定される。ここで、軸直交面における２本のノズル１３ａの互いの離間距離とは、軸直交面に沿うとともに、２本のノズル１３ａの軸線と直交する方向における距離として定義される。
　２本のノズル１３ａは、互いに等しい開口寸法を有することができる。
　ノズル１３ａにおける開口寸法は、外部電極１１の円筒面と内部電極１２の円筒面との径方向距離とほぼ同等か、これより小さく設定してもよい。

　外部電極１１の外側には、不純物生成部１００が接続されている。
　図３は、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置における不純物生成部を示す断面図である。

　不純物生成部１００は、図１，図３に示すように、磁化プラズモイドに含有させる不純物からなる針状電極１０１を有する。針状電極１０１は、円筒状のカバー電極１０２内に位置している。カバー電極１０２は、その一端が外部電極１１に開口するように接続される。
　針状電極１０１は、不純物として磁化プラズモイドに含有させる導体材料、例えば、タングステン、モリブデン、金などの重金属、あるいは、成膜材料として磁化プラズモイドに含有させる、炭素、クロム、ニオブ、フッ素などの単体もしくはこれらの化合物からなるものとすることができる。

　さらに、針状電極１０１に含有させる不純物種類（不純物元素）と、針状電極１０１としての形成状態（針状電極状態）と、その用途との例を表1に示す。

　カバー電極１０２の他端側には、カバー電極基部１０４が接続される。カバー電極基部１０４には、針状電極１０１の基端が接続固定されている。カバー電極１０２は、一端と他端との間に円筒状の絶縁部材１０３を有する。ている。絶縁部材１０３は、外部電極１１に開口するカバー電極１０２の一端と、カバー電極基部１０４と、を絶縁状態に接続する。
　針状電極１０１は、カバー電極１０２、絶縁部材１０３、カバー電極基部１０４に対して、これらの軸線と一致するように中心に配置されている。
　カバー電極１０２、絶縁部材１０３、カバー電極基部１０４は、いずれも針状電極１０１と離間するように、かつ、これらの内部が真空減圧可能に密閉されている。

　カバー電極基部１０４は、針状電極１０１の基端が接続固定された分離部分１０５が、カバー電極１０２に対して分離可能とされる。針状電極１０１の基端は、圧着端子を用いて分離部分１０５に接続されていてもよい。
　具体的には、針状電極１０１の基端は、圧着端子や止めネジを用いた圧着などを採用して分離部分１０５に接続することができる。

　不純物生成部１００は、分離部分１０５をカバー電極基部１０４側から分離することで、分離部分１０５および針状電極１０１を、カバー電極１０２、絶縁部材１０３、カバー電極基部１０４に対して、分離することが可能となっている。なお、カバー電極基部１０４と分離部分１０５とは、互いに接続した状態では密閉可能とされる。
　カバー電極１０２が外部電極１１に開口する内径寸法は、外部電極１１と内部電極１２との径方向距離（間隔）とほぼ同等か、これより小さく設定される。つまり、カバー電極１０２における開口寸法は、外部電極１１の円筒面と内部電極１２の円筒面との径方向距離とほぼ同等か、これより小さく設定してもよい。

　不純物生成部１００は、図３に示すように、外部電極１１および内部電極１２の軸と直交する面において、外部電極１１および内部電極１２で形成される円環状の磁化プラズモイド生成空間に対して、外部電極１１の径方向の両端位置となるように２箇所設置される。２本の不純物生成部１００は、互いに平行状態、かつ、針状電極１０１の先端が互いに逆向きとなるように設定されている。

　不純物生成部１００は、外部電極１１および内部電極１２の軸と直交（交差）する面において、ノズル１３ａと直交するように複数配置される。
　カバー電極１０２の配置とノズル１３ａの配置とは、軸直交面において点対称とすることができる。つまり、カバー電極１０２とノズル１３ａとは、外部電極１１および内部電極１２の軸に対して対称に配置することができる。

　カバー電極１０２は、外部電極１１を外部から貫通するように外部電極１１の内部に向けて開口する。カバー電極１０２および針状電極１０１の軸線方向は、軸直交面において、円環状の磁化プラズモイド生成空間に対して、その接線方向に沿って配置される。カバー電極１０２は、軸直交面において、内部電極１２の周囲で径方向外側に針状電極１０１を位置する。カバー電極１０２は、軸直交面において、内部電極１２の接線方向に針状電極１０１を位置する。

　針状電極１０１の先端の配置としては、磁化プラズモイド生成空間の外側、つまり、円筒状となる外部電極１１の表面をカバー電極１０２の開口部分で延長した円筒面よりも内部電極１２側に突出しない位置とすることができる。

　さらに、針状電極１０１の先端の配置として、外部電極１１よりも磁化プラズモイド生成空間の内部に突出した状態、あるいは、外部電極１１よりも磁化プラズモイド生成空間の外側位置、つまり、カバー電極基部１０４側となる位置である状態とすることもできる。

　不純物生成部１００には不純物生成電源が接続される。
　不純物生成電源は、カバー電極１０２とカバー電極基部１０４とに接続され、針状電極１０１のみをスパッタするため、ダイオードを用いたクローバ回路とすることができる。不純物生成電源は、その機能が電源制御部１４に含有される。

　具体的には、クローバ回路は、図３に示すように、電源Ｖ１を有する回路と、コンデンサＣ０２を有する回路とを並列に接続し、それらの回路は、イグナイトロンＩＴ（スイッチ素子）を介して、バイパス用ダイオードＤ０３の回路と負荷であるカバー電極１０２とカバー電極基部１０４とに並列に接続してある。コンデンサＣ０２の回路は、クローバ回路であり、コンデンサＣ０２は、クローバ用コンデンサである。コンデンサＣ０２は、充電用コンデンサである。
　図３に示すクローバ回路は一例であり、後述するバイアスコイル１５のパルス駆動に対して、針状電極１０１から不純物を拡散可能なスパッタ電圧を印加できるものであれば、この構成に限ることはない。

　電源制御部１４は、プラズマ電源（電源回路）と、バイアスコイル用パルス電源と、不純物生成電源と、これらを制御する制御部と、を有する。

　電源制御部１４におけるプラズマ電源（電源回路）は、外部電極１１と内部電極１２との間に負荷信号を印加するものである。プラズマ電源（電源回路）は、例えば直流的に負荷信号を印加するものであってもよいし、連続パルス信号を印加するものであってもよい。なお、負荷信号とは、外部電極１１と内部電極１２間に印加した負荷電圧、またはそのとき流れた負荷電流を意味する。

　図４は、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置におけるプラズマ電源（電源回路）の一例を示す回路図である。
　プラズマ電源（電源回路）は、コンデンサＣ１、インダクタンスＬ１、抵抗Ｒ１の回路と、バイパス用ダイオードＤ２を並列に接続したコンデンサＣ２、インダクタンスＬ２、抵抗Ｒ２、ダイオードＤ１の回路とを並列に接続し、それらの回路は、イグナイトロンＩＴ（スイッチ素子）を介して負荷Ｆに接続してある。前記ダイオードＤ１、コンデンサＣ２等の回路は、パワークローバ回路であり、ダイオードＤ１は、クローバスイッチ、コンデンサＣ２は、パワークローバ用コンデンサである。コンデンサＣ１，Ｃ２は、充電用コンデンサである。

　コンデンサＣ１，Ｃ２は、それらの容量がＣ１＜Ｃ２となるように、即ちコンデンサＣ２は、コンデンサＣ１よりも容量の大きいものを用いる。コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２は、同じ極性で、Ｖｃ１＞Ｖｃ２となるように、即ちコンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１がコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２よりも高くなるように充電する。

　この状態で制御部（図示せず）の制御によりイグナイトロンＩＴを導通すると、コンデンサＣ１は、放電を開始して放電電流Ｉｃ１が流れ、負荷Ｆに負荷電流ＩL（＝Ｉｃ１）が流れる。この際、ダイオードＤ１は、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１に対して非導通になるから、コンデンサＣ２は放電しない。コンデンサＣ１の放電が進み、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１がコンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２よりも低くなると、ダイオードＤ１が導通してコンデンサＣ２が放電を開始し、コンデンサＣ２の放電電流Ｉｃ２が負荷Ｆに流れる。
　以後、負荷Ｆには、放電電流Ｉｃ１，Ｉｃ２（ＩL＝Ｉｃ１＋Ｉｃ２）が流れる。負荷電流ＩLは、ダイオードＤ２を流れて還流する。したがって負荷電流ＩLは、非振動の単極減衰電流となる。

　コンデンサＣ１のみの場合には、負荷電流は、短時間で減衰してしまうが、容量の大きいコンデンサＣ２の放電が加わることにより、負荷電流ＩLは緩やかに減衰する。そして負荷電流ＩLの立ち上がりは、コンデンサＣ１によって決まるから急峻になる。即ち、図４に示すパワークローバ回路は、立ち上りが急峻で減衰の緩やかな負荷電流を供給することができ、１回の充電で連続的にプラズマ塊を生成することができる。

　図４に示すパワークローバ回路は、容量が小さいコンデンサＣ１と容量が大きいパワークローバ用のコンデンサＣ２を用い、コンデンサＣ１の充電電圧をコンデンサＣ２の充電電圧よりも高くする。これにより、負荷電流の立ち上り時は、コンデンサＣ１の放電電流が寄与し、その後は主としてコンデンサＣ２の放電電流が寄与するから、負荷電流は、立ち上りが急峻になり、減衰は緩やかになる。またクローバスイッチには、ダイオードＤ１を用い、コンデンサＣ１の放電電圧がコンデンサＣ２の充電電圧よりも低くなると、ダイオードＤ１が自動的に導通してコンデンサＣ２の放電を開始する。

　イグナイトロンＩＴは、イグナイトロンに代えて制御部の制御により導通、非導通の切換えが可能な他の半導体スイッチを用いることもできる。またイグナイトロンＩＴは、抵抗Ｒ１と直列に、ダイオードＤ１の接続点よりも抵抗Ｒ１側に接続してもよい。また抵抗Ｒ１，Ｒ２は、小さいほどロスが小さくなり、インダクタンスＬ１，Ｌ２は、小さいほど負荷電流ＩLの脈動が小さくなる。そしてインダクタンスＬ１をインダクタンスＬ２よりも大きくすると、負荷電流ＩLのコンデンサＣ１への戻りが小さくなり、負荷電流ＩLの大部分は、前記パワークローバ回路を経由して流れる。

　電源制御部１４におけるバイアスコイル用パルス電源は、バイアスコイル１５をパルス駆動するものである。バイアスコイル用パルス電源は、例えば所定の周波数のサイン波電流をバイアスコイル１５に印加可能に構成されている。また、例えばトランジスタを用いて電源（コンデンサ）をインバータ制御して、矩形波の連続パルス信号をバイアスコイル１５に印加するようにしてもよい。

　また、電源制御部１４における制御部は、バイアスコイル１５をパルス駆動するようにバイアスコイル用パルス電源を制御するとともに、プラズマ電源（電源回路）から外部電極１１と内部電極１２との間に出力する付加信号を制御するとともに、不純物生成電源を制御するものである。

　バイアスコイル１５は、内部電極１２の内部に配置される。これにより、超高真空を得るために必須である真空容器のベーキングが、バイアスコイルの影響を受けることなく可能となる。このため、吸着ガスの除去が可能となる。バイアスコイル１５は、外部電極１１と内部電極１２間に発生したプラズマに対して、バイアス磁場を印加するものである。これにより、プラズマが放電電流による磁場とバイアス磁場を含んだ状態で放出されるので、スフェロマックプラズマが生成されることになる。

　電源制御部１４における制御部は、スフェロマックプラズマが生成されるのに必要なバイアス磁場が外部電極１１と内部電極１２との間に与えられるのに十分な時間、かつ、磁束保持部へのバイアス磁場の磁束の染み込み時間よりも短い時間でバイアスコイル１５をパルス駆動するように、バイアスコイル用パルス電源を制御する。即ち、磁束保持部に磁束が染み込まないような時間間隔でバイアス磁場の磁束の空間分布を制御し、外部電極１１と内部電極１２の間に効率よく、必要なバイアス磁場を発生させるように制御する。

　磁束保持部は、バイアスコイル１５により印加されるバイアス磁場の磁束を外部に漏らさないようにするために用いられる。
　例えば、図１に示す例では、磁束保持部は外部電極１１と一体として形成されている。即ち、外部電極１１を銅等、高導電率かつ低透磁率の材料で構成するとともに、その外部電極１１の厚みを、バイアス磁場に必要な時間よりも長く、かつ磁束が磁束保持部に染み込む時間よりも短い時間となるのに足りる厚みとなるように設計する。

　あるいは、磁束保持部は、外部電極１１に対して着脱可能に構成されてもよい。これにより、プラズマ生成条件等に応じて磁束保持部の厚みを変えることも可能である。
　この場合、磁束保持部は、外部電極１１の外形状に合わせ形成される。例えば外部電極１１が円筒形状であれば、それに合わせて磁束保持部も円筒形状となる。そして、磁束保持部は、ジャケット状、またはシェル状に、おおむね外部電極１１を覆うように構成される。

　同時に、着脱可能な磁束保持部は、外部電極１１の外側に配置される。磁束保持部は、高導電率かつ低透磁率の材料からなるものである。例えば、銅や銅合金等であればよい。磁束保持部の長さについては、バイアスコイル１５の長さと同等以上の長さを有していれば、バイアスコイル１５から発生するバイアス磁場の磁束を効率よく閉じ込めることが可能となる。

　磁束保持部の厚みについては、スフェロマックプラズマが生成されるのに必要なバイアス磁場が外部電極１１と内部電極１２との間に与えられるのに十分な時間だけバイアスコイル１５を駆動しても、磁束保持部に磁束が染み込んで通り抜けないような厚みを有する。磁束保持部に磁束が長い時間加わると、磁束保持部に染み込んで通り抜けてしまうため、バイアス磁場に必要な時間よりも長く、かつ磁束が染み込む時間と磁束保持部の厚みとを考慮して、パルス駆動時間を設定する。

　電源制御部１４における制御部は、不純物生成電源を制御して、不純物生成部１００の針状電極１０１に電圧を印加し、磁化プラズモイド生成空間に不純物を拡散するとともに、バイアスコイル用パルス電源を制御して、スフェロマックプラズマが生成されるのに必要なバイアス磁場を外部電極１１と内部電極１２との間に印加した状態で、プラズマ電源（電源回路）を制御して、外部電極１１と内部電極１２との間に放電電圧を印加する。

　このとき、電源制御部１４における制御部が、針状電極１０１に電圧を印加すると同時もしくはその前後に、バイアス磁場を印加し、その後に外部電極１１と内部電極１２との間に放電電圧を印加することで、生成されるプラズマ中に不純物が含有される。
　この際、例えば、針状電極１０１に電圧を印加した後、数マイクロ秒から、数１００マイクロ秒後に、バイアス磁場を形成し、プラズマ生成用に放電させる制御をおこなうことが好ましい。
　あるいは、各パルス放電および不純物元素の拡散の時間スケールに応じて針状電極１０１への電圧印加やバイアス磁場の印加のタイミングを設定することで、生成されるプラズマ中に不純物を含有させる。

　次に、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置１０における不純物を含有する磁化プラズモイド生成について説明する。

　図５は、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置における不純物拡散状態を示す横断面図であり、図６は、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置におけるプラズマ生成状態を示す縦断面図であり、図７は、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置におけるプラズマ生成状態を示す横断面図である。
　本実施形態における磁化プラズモイド射出装置１０では、まず、プラズマ生成ガス供給部１３からプラズマ生成ガスを供給する。

　プラズマ生成ガスは、ノズル１３ａから円環状となる外部電極１１と内部電極１２との間の磁化プラズモイド生成空間の接線方向に噴出される。これにより磁化プラズモイド生成空間におけるプラズマ生成ガスの流れを安定させ、また、導入されたガス密度を空間的に一様にする。

　次いで、電源制御部１４における制御部は、不純物生成電源を制御して、不純物生成部１００の針状電極１０１に電圧を印加し、図５に示すように、磁化プラズモイド生成空間に不純物を拡散する。

　この際、不純物が磁化プラズモイド生成空間において拡散する範囲は、例えば、外部電極１１と内部電極１２との軸方向において、ノズル１３ａを中心とした領域でプラズマの生成される範囲よりと同等かそれより小さくなるように設定されることが好ましい。不純物の拡散範囲の制御は、例えば、ガス導入時刻と、不純物生成部１００での放電、および、磁化プラズモイド生成部の放電のタイミングなどとを設定することによっておこなうことができる。磁化プラズモイド生成部の放電は、バイアスコイル用パルス電源、プラズマ電源（電源回路）によりタイミングを設定する。

　次いで、電源制御部１４における制御部は、図６に示すように、バイアスコイル用パルス電源を制御して、スフェロマックプラズマが生成されるのに必要なバイアス磁場を外部電極１１と内部電極１２との間に印加した状態で、プラズマ電源（電源回路）を制御して、外部電極１１と内部電極１２との間に放電電圧を印加する。

　具体的には、外部電極１１と内部電極１２との間の空間に電源制御部１４におけるプラズマ電源（電源回路）により負荷信号を印加すると、外部電極１１と内部電極１２との間に放電が発生し、図７に示すように、放電電流が流れてプラズマＰが生成される。そして、バイアスコイル１５によるバイアス磁場が、バイアスコイル用パルス電源、磁束保持部、制御部により空間分布制御され、磁束がプラズマ生成領域に分散する。

　生成されたプラズマＰは、放電電流による磁場とともに、バイアスコイル１５によるバイアス磁場により、ポロイダル方向とトロイダル方向の磁場が生じ、スフェロマックプラズマとして外部電極１１と内部電極１２の開放端から放出される。放出されたスフェロマックプラズマは、すぐには拡散することなく、プラズマ塊の状態のまま高速で放出される。

　このとき、プラズマが生成される前に、磁化プラズモイド生成空間においては、不純物が拡散されているため、生成されたプラズマＰには、拡散された不純物を所定の濃度及び濃度分布で含有させることができる。
　このように、生成されたプラズマＰに拡散された不純物を含有するためには、例えば、針状電極１０１がガス導入箇所となるノズル１３ａの近傍に設置され、またバイアス磁場形成と同時に不純物を拡散することで、イオン化された不純物元素をプラズマＰ内に捕捉できるように設定されることが好ましい。

　本実施形態における磁化プラズモイド射出装置１０においては、磁化プラズモイド生成空間の接線方向にノズル１３ａからプラズマ生成ガスを供給する。これにより、磁化プラズモイド射出装置１０は、ニュートラルな状態として、安定したプラズマを発生させることが可能となる。

　また、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置１０では、ノズル１３ａと同一平面として磁化プラズモイド生成空間の接線方向に不純物生成部１００を設けた。これにより、従来の装置においてはイオン化した不純物をバイアス磁界により弾かれてしまうためプラズマに含有させることが難しかったのに対して、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、イオン化した不純物を容易にプラズマに含有させることが可能となる。同時に、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、生成したプラズマの安定度を向上することができる。

　さらに、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、針状電極１０１をスパッタすることで不純物を磁化プラズモイド生成空間に供給する。このため、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、スパッタにより発生する不純物の量を精密に制御することが容易となる。したがって、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、磁化プラズモイドに含有させる不純物濃度を極めて正確に設定することが可能となる。

　同時に、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、針状電極１０１を交換する、あるいは、予め所定の針状電極１０１を取り付けることで、不純物を所望の種類とすることができる。これにより、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、プラズマに含有させる不純物の量および組成比を、極めて短い時間、すなわち、パルス状に発生する磁化プラズモイド単位ごとに、制御することが可能となる。これによって、本実施形態の磁化プラズモイド生成装置１０は、発射するプラズマにおいて、含有される不純物量および組成比の時間的変化を容易に設定することが可能となる。

　さらに、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、不純物生成部１００から不純物を供給し、生成された磁化プラズモイドが外部電極１１と内部電極１２とで形成された磁化プラズモイド生成空間を進行して発射される間に、不純物を磁化プラズモイドに均一化して含有させる。これにより、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、磁化プラズモイド生成空間の軸方向長さに応じて、不純物濃度が均一化した磁化プラズモイドを生成・射出することができる。

　また、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、針状電極１０１をスパッタしない状態と、針状電極１０１をスパッタする状態とを切り替えることができる。これにより本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、不純物を含まないプラズマと不純物を含むプラズマとを切り替えて、それぞれ所定の時間だけ生成することも可能となる。

　本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、不純物生成部１００が磁化プラズモイド生成空間の接線方向に設けられていることにより、内部電極１２表面に針状電極１０１から発生した不純物が付着することを極めて低減することが可能となる。
　同時に、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、ノズル１３ａから供給されたプラズマ生成ガスにより、内部電極１２表面に付着物等の不具合が発生することを低減可能である。

　また、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、不純物生成部１００における針状電極１０１の交換のみで、不純物の種類を変更することができるため、磁化プラズモイド生成空間の全域を開放して交換する必要がなく、装置内部に対する外部からの汚染等悪影響を低減することができる。
　これらにより、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、装置のメンテナンスにおける作業工程を削減し、メンテナンス時間を低減することが可能となる。

　さらに、本実施形態における磁化プラズモイド射出装置１０においては、不純物生成部１００から不純物を磁化プラズモイド生成空間に生成した直後に、バイアス磁場を形成するとともに外部電極１１と内部電極１２との間にプラズマ放電をおこなうことで、従来は、バイアス磁場に弾かれてしまったイオン化された不純物をプラズマ中に含有することが可能となる。

　なお、本実施形態では、プラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａが外部電極１１の径方向外側に設けられる例を示したが、本発明はこれに限定されない。外部電極１１と内部電極１２の間にプラズマ生成ガスが供給可能であれば、例えば内部電極１２の径方向内側にプラズマ生成ガス供給部が設けられてもよい。

　なお、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０では、プラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａと不純物生成部１００とを、それぞれ異なる位置として外部電極１１に開口させたが、これに対して、不純物生成部１００の基部側からプラズマ生成ガスを供給することで、不純物生成部１００とノズルとを兼用させることもできる。この場合、磁化プラズモイド生成空間に供給する不純物量を増大させて、不純物濃度を増加した磁化プラズモイドを生成することが可能となる。

　また、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０は、バイアスコイル１５の中央付近にプラズマ生成ガスを供給したが、この場合に、磁化プラズモイドに含まれる磁束を増やすための効率が最もよくなる。これは、本実施形態のようにプラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａが、外部電極１１の外側を覆う磁束保持部の一部を貫通するように設けられることで可能になる。

　さらに、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０では、プラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａと不純物生成部１００とをそれぞれ、２本ずつ外部電極１１に開口させたが、本発明はこれに限定されない。３本以上の複数本を設けることもできる。この場合、ノズル１３ａと不純物生成部１００とが円筒状の磁化プラズモイド生成空間の接線方向に設けられることができる。

　また、本実施形態の磁化プラズモイド射出装置１０では、複数のプラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａと不純物生成部１００とが磁化プラズモイド生成空間の軸と交差する同一面内に配置されたが、これらを磁化プラズモイド生成空間の軸方向の位置が異なる平行面内にそれぞれ位置するように配置することもできる。あるいは、複数のプラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａと不純物生成部１００とが軸直交面に沿った方向とは異なる方向に配置されてもよい。この場合でも、不純物生成部１００とノズル１３ａとは、円筒状の磁化プラズモイド生成空間の接線方向に設けられることができる。

　さらに、それぞれ複数本設けられる不純物生成部１００とノズル１３ａとのうち、いずれか一本、または、適宜選択された複数本が、外部電極１１および内部電極１２の軸と直交する面以外の方向に沿った状態として、傾斜して交差する面内に配置されることができる。この場合でも、不純物生成部１００とノズル１３ａとは、円筒状の磁化プラズモイド生成空間の接線方向に設けられることができる。
　なお、不純物生成部１００を設けないこともできる。

　以下、本発明に係る磁気閉じ込めプラズマ装置の第２実施形態を、図面に基づいて説明する。
　図８は、本実施形態における磁気閉じ込めプラズマ装置を示す模式図である。本実施形態において、上述した第１実施形態と異なるのは、磁化プラズモイドを射出する部分に関する点であり、これ以外の上述した第１実施形態と対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略する。

　本実施形態における磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、図８に示すように、磁化プラズモイド射出装置１０と、磁化プラズモイド射出装置１０がプラズマを射出する部分として磁気閉じ込めプラズマ部２１を有する。

　磁気閉じ込めプラズマ部２１は、例えば、核融合炉の炉心とされ、磁化プラズモイド射出装置１０によって、トレーサーとなる元素を含む磁化プラズモイドが入射される。
　磁気閉じ込めプラズマ部２１は、例えば、射出された元素を含む磁化プラズモイドにより、炉内におけるプラズマの挙動を分光器等によって分析可能なものとされる。
　磁気閉じ込めプラズマ部２１は、プラズモイド入射に必要なポート、閉じ込め磁界を形成するコイル、その他対象となるプラズマの生成に必要な電源、真空ポンプなどから構成される。
　本実施形態における磁化プラズモイド射出装置１０において、一箇所の針状電極１０１は導電性の材料で構成されればよく、化合物や合金を用いてもよい。例えば、針状電極１０１は、Ｗ，Ｓｎ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ａｕ，Ｐｂ，Ｂｉ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｃ，Ａｌ，Ｍｏから選択される１以上の元素からなるものとすることができる。また、これらの針状電極１０１を有する不純物生成部１００を複数設けることができる。

　本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０によれば、従来は含有することの難しかった不純物を炉内である磁気閉じ込めプラズマ部２１に供給して、分光器等によってその挙動を観察・測定することが可能となる。

　ここで、従来の磁気閉じ込めプラズマ装置では、パフと呼ばれる微小な固体状のトレーサー元素、あるいは、不純物を含有したペレットをイオン化あるいは蒸発させて、磁気閉じ込めプラズマ部２１に供給していた。これに対して、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、トレーサーとなる元素を含む磁化プラズモイドを供給可能とすることで、固体を供給することで生じていた磁気閉じ込めプラズマ部２１におけるプラズマエネルギーの減少（プラズマの局所的な冷却）を防止しつつ、トレーサー元素を供給することが可能となる。これにより、磁気閉じ込めプラズマ部２１におけるプラズマの挙動に与える変化を最小にして、かつ、トレーサー元素を供給することが可能となる。

　また、本実施形態によれば、従来は難しかった、トレーサーとなる元素を含む磁化プラズモイドを供給できるため、あらかじめイオン化した不純物を容易に磁気閉じ込めプラズマ部２１のプラズマに供給することが可能となる。同時に、生成したプラズマの安定度を向上することができる。
　また、従来の固体ペレットを使った手法では、入射速度が遅いためコアプラズマへ到達する前に電離してしまうため、閉じ込め磁場に遮られてトレーサーを中心部へ運搬できないといった不具合を生じていたが、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、この不具合を生じることなく、トレーサーとなる元素を含む磁化プラズモイドを供給できる。

　さらに、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、不純物生成部１００を備えているため、射出する磁化プラズモイドが含むトレーサーとなる元素の量を精密に制御することが容易となる。これにより、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、磁気閉じ込めプラズマ部２１のプラズマに供給するトレーサーとなる元素の量を極めて正確に設定することが可能となる。

　同時に、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、不純物生成部１００の針状電極１０１を交換する、あるいは、予め所定の針状電極１０１を取り付けることで、磁気閉じ込めプラズマ部２１のプラズマに供給するトレーサーとなる元素を所望の種類とする、あるいは、複数種類のトレーサー元素を同時に供給することができる。これにより、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、磁気閉じ込めプラズマ部２１のプラズマに供給するトレーサーとなる元素の量および組成比を、極めて短い時間、すなわち、パルス状に発生して射出する磁化プラズモイド単位ごとに制御することが可能となる。これによって、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、磁気閉じ込めプラズマ部２１のプラズマに供給するトレーサーとなる元素量および組成比の時間的変化をも設定することが可能となる。

　さらに、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、磁化プラズモイド射出装置１０によって、あらかじめ均一化されたトレーサーとなる元素を含有する磁化プラズモイドを磁気閉じ込めプラズマ部２１のプラズマに供給することができる。これにより、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、磁気閉じ込めプラズマ部２１におけるトレーサー元素の均一化を向上することができる。

　また、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、不純物生成部１００の針状電極１０１をスパッタしない状態と、針状電極１０１をスパッタする状態とを切り替えて、トレーサー元素の有無を選択して磁化プラズモイドを磁気閉じ込めプラズマ部２１のプラズマに供給することも可能となる。

　本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、不純物生成部１００が磁化プラズモイド生成空間の接線方向に設けられていることにより、内部電極１２表面に針状電極１０１から発生した不純物が付着することを極めて低減することが可能となる。
　同時に、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、ノズル１３ａから供給されたプラズマ生成ガスにより内部電極１２表面に付着物等の不具合が発生することを低減可能である。
　また、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、不純物生成部１００における針状電極１０１の交換のみで、トレーサー元素の種類を変更することができる。このため、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、磁化プラズモイド射出装置１０の磁化プラズモイド生成空間およびこれに連通する磁気閉じ込めプラズマ部２１の全域を開放して交換する必要がなく、装置内部に対する外部からの汚染等悪影響を低減することができる。
　これらにより、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、装置のメンテナンスにおける作業工程を削減し、メンテナンス時間を低減することが可能となる。

　なお、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０では、磁化プラズモイド射出装置１０におけるプラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａと不純物生成部１００とをそれぞれ、外部電極１１に開口させたが、不純物生成部１００の基部側からプラズマ生成ガスを供給させて、ノズルと兼用させることもできる。この場合、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、磁気閉じ込めプラズマ部２１に供給する磁化プラズモイドが含有するトレーサー元素量を増大させることが可能となる。
　これにより、本実施形態の磁気閉じ込めプラズマ装置２０は、タングステン等とされるトレーサー元素を混入させる場合に、トレーサー導入電極部となる不純物生成部１００からもガス供給をおこない、針状電極１０１を負高圧で放電することでイオンボンビングによりスパッタ効率を上げて、トレーサー元素量を増加することができる。

　以下、本発明に係るプラズマ処理装置の第３実施形態を、図面に基づいて説明する。
　図９は、本実施形態におけるプラズマ処理装置を示す模式図である。
　本実施形態において上述した第１および第２実施形態と異なるのは射出した磁化プラズモイドによって成膜をおこなう部分に関する点であり、これ以外の対応する構成要素に関しては、同一の符号を付してその説明を省略する。

　本実施形態のプラズマ処理装置３０は、磁化プラズモイド射出装置１０から射出されるプラズマを用いて被処理基板Ｗにプラズマ処理、例えば、成膜処理をおこなうものとされる。
　本実施形態のプラズマ処理装置３０は、図９に示すように、成膜材料からなる内部電極３２と、外部電極１１の外側に位置するバイアスコイル３５と、磁化プラズモイド射出装置１０に接続されて磁化プラズモイドが射出される処理室３１と、処理室３１に配置されて被処理基板を保持するステージ（被処理基板保持部）３９と、を有する。

　内部電極３２は、上述した実施形態における内部電極１２に対応し、成膜材料からなる円柱状に形成される。内部電極３２とされる成膜材料としては、金属、カーボンまたはそれらを含む導電性の化合物または混合物を挙げることができる。

　成膜対象である被処理基板Ｗとしては、例えばシリコン基板やアルミニウム基板、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）等、種々のものが含まれる。本実施形態のプラズマ処理装置３０では、放電電流によるローレンツ力によって炭素イオンを加速し被処理基板Ｗに入射させるため、被処理基板Ｗの電位制御は必ずしも必要がない。したがって、電位制御の困難な誘電体材料等にも成膜可能である。
　また、本実施形態のプラズマ処理装置３０は、被処理基板Ｗに対する電位制御が不要であるため、例えばライン生産において個々に被処理基板Ｗに電位印加が困難な場合にも有利である。また、本実施形態のプラズマ処理装置３０は、放出されるスフェロマックプラズマは低熱負荷であるため、被処理基板Ｗが熱に弱いものであってもＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ－Ｌｉｋｅ　Ｃａｒｂｏｎ）薄膜等を成膜可能である。さらに、生成されるＤＬＣ薄膜は、衝突エネルギを上げることでより硬度が高くなる。このため、本実施形態のプラズマ処理装置３０は、電位印加が可能であれば積極的に被処理基板Ｗに電位を印加し、衝突エネルギを大きくして硬度を高めることも可能である。

　処理室３１は、所定の成膜条件を満たして密閉される。処理室３１の構造は、内部でプラズマ処理が可能であれば、特に限定はされない。処理室３１は真空チャンバとされる。処理室３１は、磁化プラズモイド射出装置１０に接続される。処理室３１は、外部電極１１と内部電極３２の開放端から放出されたプラズマを受ける構成である。具体的には、処理室３１は、絶縁体を介して外部電極１１の開放端に接続されており、放出されたプラズマが内部に導入される。

　バイアスコイル３５は、外部電極１１の外周を囲むように巻回されることができる。バイアスコイル３５は、外部電極１１と内部電極３２との間に、絶縁破壊を促進するために実効的な電極間距離を伸ばすための垂直磁界を与える。同時に、バイアスコイル３５は、外部電極１１と内部電極３２の間に発生したプラズマに対してバイアス磁場を印加する。これらのバイアスコイル３５の機能により、プラズマが放電電流による磁場とバイアス磁場を含んだ状態で放出される。したがって、バイアスコイル３５の機能により、スフェロマック様の磁場構造を持った、孤立した磁化プラズモイドが生成され、磁界によりフィルタされる。

　ステージ３９は、処理室３１内に固定される。ステージ３９は、内部電極３２の軸方向に対して垂直に被処理基板Ｗの成膜する被処理面を対向させるように保持する。ステージ３９は、磁化プラズモイド射出装置１０から被処理基板Ｗまでの間の距離を連続的に変化可能なように構成されていてもよい。また、ステージ３９は、プラズマイオンをステージ３９側に引き込むように、接地または負電圧とされてもよい。この場合、処理室３１とステージ３９は絶縁されればよい。
　ステージ３９は、磁化プラズモイド射出装置１０の中心と被処理基板Ｗの中心とが一致するように配置されることができる。

　本実施形態のプラズマ処理装置３０における成膜時には、まず、磁化プラズモイド射出装置１０において、プラズマ生成ガス供給部１３からプラズマ生成ガスである、例えばアルゴンガスを磁化プラズモイド生成空間に供給する。プラズマ処理装置３０における成膜時には、また、不純物生成部１００によって磁化プラズモイド生成空間に不純物を供給する。

　また、プラズマ処理装置３０における成膜時には、バイアスコイル３５により外部電極１１と内部電極３２との間に垂直磁界を与える。これにより磁化プラズモイド生成空間で、電子が内部電極３２の外周を回りながら外部電極１１に到達することになる。したがって、実効的な電極間距離が伸びて絶縁破壊が促進され、プラズマが放電される。そして、外部電極１１と内部電極３２との間に放電電圧を印加することで、外部電極１１と内部電極３２との間で放電させてプラズマを生成する。この放電に伴い、プラズマ中には径方向の電流が流れる。また、プラズマには、内部電極３２の電流によりトロイダル磁場が生ずる。この放電の際に、成膜材料からなる内部電極３２の表面が削り取られ、プラズマに混入する。

　そして、プラズマ処理装置３０における成膜時には、プラズマ中の径方向の電流とトロイダル方向の磁場によるローレンツ力により、バイアス磁場を引きずりながら内部電極３２の軸方向に加速される。さらに、プラズマ処理装置３０における成膜時には、磁気再結合により、磁化プラズモイド射出装置１０の先端側でのバイアス磁場がポロイダル磁場となり、スフェロマックプラズマが外部電極１１と内部電極３２の開放端から放出される。

　スフェロマックプラズマは、すぐには拡散することなく、プラズマ塊の状態のまま高速で放出される。スフェロマックプラズマには、内部電極３２の表面が削り取られた成膜材料の粒子（イオン）が含まれているため、スフェロマックプラズマを被処理基板Ｗに衝突させることで、被処理基板Ｗ上に成膜材料粒子が堆積する。

　なお、内部電極３２から溶発したマクロ粒子は、電荷をもたないため電磁加速を受けず、そのままでは成膜には寄与しない。このプラズマ放電を複数回繰り返し行うことで、プラズマ処理装置３０は、所望の膜厚になるまで被処理基板Ｗ上に不純物の含有した成膜材料粒子を堆積させていき、所望の被処理膜を得ることが可能となる。

　本実施形態のプラズマ処理装置３０は、被処理基板Ｗへの成膜時に、形成される膜の膜厚方向に不純物濃度を所定の状態に制御することが可能である。特に、プラズマ処理装置３０は、不純物生成部１００によって、生成される磁化プラズモイドに含有される不純物濃度を所定の状態に制御することで、被処理基板Ｗへ成膜される被処理膜において、膜厚方向に不純物濃度を変化させるができる。あるいは、プラズマ処理装置３０は、２箇所の不純物生成部１００の針状電極１０１をそれぞれ異なる種類からなるものとして、２箇所の不純物生成部１００からの不純物供給量を個別に制御することで、膜厚方向に異なる濃度傾斜を有する被処理膜を成膜することができる。

　さらに、プラズマ処理装置３０は、成膜処理時間中に、２箇所の不純物生成部１００からの不純物供給をおこなわない状態とすることで、膜厚方向の処置の場所で、不純物を含まない領域を形成することもできる。また、プラズマ処理装置３０は、針状電極１０１を形成する不純物を適切に選択することで、従来はできなかった種類の不純物を含む成膜をおこなうことも可能である。

　特に、グロー放電によるプラズマを用いるプラズマ成膜においては、スパッタリングターゲットを所定の組成比として製造することが極めて難しい場合でも、ターゲット製造の困難性とは関係なく、プラズマ処理装置３０は、所定組成の成膜をおこなうことが可能となる。さらに、ターゲットを用いる成膜では、膜厚方向に傾斜した組成比を形成することが難しい場合でも、プラズマ処理装置３０は、これを容易に実現することが可能となる。

　また、プラズマ処理装置３０は、ターゲットのエロージョン領域で発生する不具合、特にターゲットのひび割れ、あるいは、ターゲット合金中における組成比の不均一性や、イオン化・プラズマ化の不均一性などに影響されずに所定組成の成膜をおこなうことが可能となる。

　本実施形態のプラズマ処理装置３０は、成膜材料からなる内部電極３２に加えて、不純物生成部１００を備えているため、射出する磁化プラズモイドが含む不純物の量を精密に制御することが容易となる。これにより、プラズマ処理装置３０は、処理室３１の被処理基板に成膜する被処理膜に含有する不純物量を極めて正確に設定することが可能となる。

　同時に、プラズマ処理装置３０は、不純物生成部１００の針状電極１０１を交換する、あるいは、予め所定の針状電極１０１を取り付けることで、処理室３１の被処理基板に成膜する被処理膜に含有する不純物を所望の種類とすることができる。あるいは、プラズマ処理装置３０は、不純物生成部１００の針状電極１０１を交換する、あるいは、予め所定の針状電極１０１を取り付けることで、複数種類の不純物を同時に供給することができる。これにより、プラズマ処理装置３０は、処理室３１の被処理基板に成膜する被処理膜に含有する不純物の量および組成比を、極めて短い時間、すなわち、パルス状に発生して射出する磁化プラズモイド単位ごとに制御することが可能となる。したがって、プラズマ処理装置３０は、処理室３１の被処理基板に成膜する被処理膜における膜厚方向で含有する不純物量および組成比の変化を容易に設定することが可能となる。

　さらに、本実施形態のプラズマ処理装置３０は、磁化プラズモイド射出装置１０によって、あらかじめ均一化された不純物を含有する磁化プラズモイドを処理室３１の被処理基板に成膜する被処理膜に含有させることができる。これにより、プラズマ処理装置３０は、処理室３１の被処理基板に成膜する被処理膜に含有される不純物の均一性を向上することができる。

　また、プラズマ処理装置３０は、不純物生成部１００の針状電極１０１をスパッタしない状態と、針状電極１０１をスパッタする状態とを切り替える。これにより、プラズマ処理装置３０は、膜厚方向における不純物の有無を選択して、処理室３１の被処理基板に成膜する被処理膜に含有させることが可能となる。

　プラズマ処理装置３０は、不純物生成部１００が磁化プラズモイド生成空間の接線方向に設けられていることにより、内部電極１２表面に針状電極１０１から発生した不純物が付着することを極めて低減することが可能となる。
　同時に、プラズマ処理装置３０は、ノズル１３ａから供給されたプラズマ生成ガスにより内部電極１２表面に付着物等の不具合が発生することを低減可能である。

　また、プラズマ処理装置３０は、不純物生成部１００における針状電極１０１の交換のみで、トレーサー元素の種類を変更することができる。このため、プラズマ処理装置３０は、磁化プラズモイド射出装置１０の磁化プラズモイド生成空間およびこれに連通する処理室３１の全域を開放して交換する必要がない。したがって、プラズマ処理装置３０は、装置内部に対する外部からの汚染等悪影響を低減することができる。
　これらにより、プラズマ処理装置３０は、装置のメンテナンスにおける作業工程を削減し、メンテナンス時間を低減することが可能となる。

　なお、本実施形態のプラズマ処理装置３０では、磁化プラズモイド射出装置１０におけるプラズマ生成ガス供給部１３のノズル１３ａと不純物生成部１００とをそれぞれ、外部電極１１に開口させたが、不純物生成部１００の基部側からプラズマ生成ガスを供給させて、ノズルと兼用させることもできる。この場合、プラズマ処理装置３０は、処理室３１の被処理基板に成膜する被処理膜に含有する不純物量を増大させることが可能となる。

　さらに、本実施形態のプラズマ処理装置３０では、被処理基板Ｗを磁化プラズモイド射出装置１０に正対するように配置したが、磁化プラズモイド射出装置１０の軸方向に対して被処理基板Ｗを傾斜した配置とすることもできる。また、本実施形態のプラズマ処理装置３０では、磁化プラズモイド射出装置１０の中心と被処理基板Ｗの中心を一致させたが、これらが一致していない配置とすることもできる。

　なお、本実施形態のプラズマ処理装置３０では、プラズマ処理装置３０におけるプラズマ処理として、成膜処理をおこなうものとしたが、プラズマ処理装置３０では、プラズマを用いる他の処理をおこなうこともできる。例えば、プラズマ処理装置３０は、プラズマエッチング、プラズマ洗浄、表面改質、イオン注入をおこなうこと、あるいは、これらを切り替えておこなうことが可能な装置とすることもできる。

　なお、本発明の装置は、上述した各実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。特に、各実施形態の構成を部分的に、あるいは、複数組み合わせて構成することもできる。

　また、上述した各実施形態において、印加電流のパルス長および電圧により、スパッタリング（イオンによる叩き出し）が支配的な運転領域から、エバポレーション（熱による蒸発）が有意にはたらく領域まで制御できる可能性があり、特にスパッタ効率が悪い炭素などでは、エバポレーションを強調することで成膜効率の向上が期待される。

　本発明の活用例として、機能性ダイアモンドライクカーボン生成、合金薄膜生成、傾斜機能性薄膜生成、核融合装置へのトレーサー元素注入を挙げることができる。

１０…磁化プラズモイド射出装置
１１…外部電極
１１ａ…フランジ
１２…内部電極
１２ａ…フランジ
１３…プラズマ生成ガス供給部
１３ａ…ノズル
１４…電源制御部
１５…バイアスコイル（磁界発生部）
１７…円筒部材
１８…絶縁部材
２０…磁気閉じ込めプラズマ装置
２１…プラズマ部
３０…プラズマ処理装置
３１…処理室
３２…内部電極
３５…バイアスコイル（磁界発生部）
３９…ステージ（被処理基板保持部）
１００…不純物生成部
１０１…針状電極
１０２…カバー電極
１０３…絶縁部材
１０４…カバー電極基部
１０５…分離部分
Ｐ…プラズマ
Ｗ…被処理基板

Claims

　磁化プラズモイド射出装置であって、
　円筒状の外部電極と、
　前記外部電極の内部に同軸状に配置される円筒状の内部電極と、
　前記外部電極と前記内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に磁化プラズモイドを生成する磁界を印加する磁界発生部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に放電電圧を印加するプラズマ電源と、
　前記磁化プラズモイドに不純物を含有させる不純物生成部と、
　を具備し、
　前記不純物生成部が、前記外部電極に開口するカバー電極と、前記カバー電極内に位置し不純物からなる針状電極と、前記カバー電極と前記針状電極とに電圧を印加する不純物生成電源と、を有することを特徴とする磁化プラズモイド射出装置。
　前記不純物生成部が、複数設けられることを特徴とする請求項１記載の磁化プラズモイド射出装置。
　前記不純物生成部の前記針状電極が、前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向外側に配置されることを特徴とする請求項１記載の磁化プラズモイド射出装置。
　前記不純物生成部への電圧印加と同時か、または、前記電圧印加後に、前記外部電極と前記内部電極との間に電圧印加をおこなうことを特徴とする請求項１記載の磁化プラズモイド射出装置。
前記不純物生成部の前記カバー電極が、前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の径方向間隔よりも小さな内径寸法を有する円筒状とされることを特徴とする請求項１記載の磁化プラズモイド射出装置。
　前記プラズマ生成ガス供給部が、前記外部電極に開口するノズルを有し、前記ノズルが前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向に沿って配置されることを特徴とする請求項１記載の磁化プラズモイド射出装置。
　前記プラズマ生成ガス供給部の前記ノズルと、前記不純物生成部の前記針状電極とが、前記外部電極と前記内部電極との軸線に交差する同一平面に沿って配置されることを特徴とする請求項６記載の磁化プラズモイド射出装置。
　磁化プラズモイド射出装置であって、
　円筒状の外部電極と、
　前記外部電極の内部に同軸状に配置される円筒状の内部電極と、
　前記外部電極と前記内部電極との間にプラズマ生成ガスをパルス状に供給するプラズマ生成ガス供給部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に磁化プラズモイドを生成する磁界を印加する磁界発生部と、
　前記外部電極と前記内部電極との間に放電電圧を印加するプラズマ電源と、
　を具備し、
　前記プラズマ生成ガス供給部が、前記外部電極に開口するノズルを有し、前記ノズルが前記外部電極と前記内部電極とで形成される円環状の接線方向に沿って配置されることを特徴とする磁化プラズモイド射出装置。
　請求項１から８のいずれか記載の磁化プラズモイド射出装置を備え、前記磁化プラズモイド射出装置から前記磁化プラズモイドを射出することを特徴とする磁気閉じ込めプラズマ装置。
　請求項１から８のいずれか記載の磁化プラズモイド射出装置と、被処理基板保持部とを備え、前記磁化プラズモイド射出装置から前記被処理基板保持部で保持した被処理基板に前記磁化プラズモイドを射出することを特徴とするプラズマ処理装置。
　請求項１０記載のプラズマ処理装置が、プラズマ成膜、プラズマエッチング、をおこなうことを特徴とするプラズマ処理装置。