JPH0715838B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents
プラズマ発生装置Info
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- JPH0715838B2 JPH0715838B2 JP2098408A JP9840890A JPH0715838B2 JP H0715838 B2 JPH0715838 B2 JP H0715838B2 JP 2098408 A JP2098408 A JP 2098408A JP 9840890 A JP9840890 A JP 9840890A JP H0715838 B2 JPH0715838 B2 JP H0715838B2
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Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 プラズマ発生装置の応用分野は年毎に拡大しつつある。
プラズマ発生装置からは電子、イオン、イオンラジカル
などを発生させることができ、特に電子工業方面では、
取り出したイオンビームによって、イオン注入、イオン
プレーティング、結晶成長、スパッタリング、エッチン
グ、化合物合成など多方面に応用されている。
プラズマ発生装置からは電子、イオン、イオンラジカル
などを発生させることができ、特に電子工業方面では、
取り出したイオンビームによって、イオン注入、イオン
プレーティング、結晶成長、スパッタリング、エッチン
グ、化合物合成など多方面に応用されている。
本発明は、マイクロ波電力を供給してプラズマを発生さ
せ、イオンビームを取り出すプラズマ発生装置に関す
る。
せ、イオンビームを取り出すプラズマ発生装置に関す
る。
電子サイクロトロン共鳴吸収（ECR）は磁界と電子の相
互作用によって、マイクロ波電力が有効に電子を加熱し
て高密度のプラズマを作るので、プラズマ発生装置とし
て各方面で利用されているが、いまだに100mm以上の大
口径で可及的平坦なプラズマを発生させることが困難で
ある。
互作用によって、マイクロ波電力が有効に電子を加熱し
て高密度のプラズマを作るので、プラズマ発生装置とし
て各方面で利用されているが、いまだに100mm以上の大
口径で可及的平坦なプラズマを発生させることが困難で
ある。
〔発明が解決しようとする課題〕 従来、ECRを使用するプラズマ発生装置としては、種々
の方式が発表されているが、全て単一モード励振であっ
て、そのため大口径のプラズマが発生出来なかった。
の方式が発表されているが、全て単一モード励振であっ
て、そのため大口径のプラズマが発生出来なかった。
本発明は、大口径の金属製円筒内でマイクロ波電力によ
るTEonモード励振を行い、この周波数に対応する磁界を
加えてサイクロトロン共鳴を生じさせることにより大口
径で可及的平坦なプラズマを発生させるプラズマ発生装
置を提供することを目的とする。
るTEonモード励振を行い、この周波数に対応する磁界を
加えてサイクロトロン共鳴を生じさせることにより大口
径で可及的平坦なプラズマを発生させるプラズマ発生装
置を提供することを目的とする。
本発明は、イオン化物質が注入される金属製の円筒、該
円筒の一方の軸方向端面から複数のループコイル又は細
隙を経由してTEonモードの励振を行うマイクロ波電力供
給手段、該円筒の外部よりマイクロ波周波数に対応する
磁界を加えて電子サイクロトロン共鳴吸収を生じさせる
磁界発生手段を有することを特徴とするプラズマ発生装
置である。
円筒の一方の軸方向端面から複数のループコイル又は細
隙を経由してTEonモードの励振を行うマイクロ波電力供
給手段、該円筒の外部よりマイクロ波周波数に対応する
磁界を加えて電子サイクロトロン共鳴吸収を生じさせる
磁界発生手段を有することを特徴とするプラズマ発生装
置である。
金属製円筒内の共振モードには、TE波とTM波とがある
が、前者は電界が導体に接しないのに、後者では電界が
導体を切ることになり損失が大きく能率が悪い。そこで
本発明ではTE波の高次モードであるTEonモード励振を採
用した。モード信号の添字の始めのｏは、円周方向に電
磁界の変化のないことを示し、次のｎは半径方向の変化
の回数を示している。またこの金属製円筒の軸方向両端
が金属板で塞がれていると、共振器を形成してこのモー
ドはTEonmの形で示され、このときｍは軸方向の電磁界
の変化の数を現している。TE021共振器の電磁界の縦断
面図を第２図、横断面図を第３図に示している。第２図
・第３図において、１はプラズマ室、２はマイクロ波電
力の入力端子、71・72は電界分布、８は磁界分布、12・
13は金属板を示す。プラズマ室１は金属製の円筒の構造
を有し、その円筒の軸方向の両端面は金属板12・13で塞
がれている。電界分布も磁界分布も金属壁面に触れない
ので、そのための損失は軽微である。図はｎが２の場合
を示しているが、一般にはｎ層になる。本発明では、TE
onモード励振によってマイクロ波電力を加えるので、プ
ラズマ励起部が単一モード励振のｎ倍となり、大口径の
金属製円筒内に広がるので、目的を達成することができ
る。
が、前者は電界が導体に接しないのに、後者では電界が
導体を切ることになり損失が大きく能率が悪い。そこで
本発明ではTE波の高次モードであるTEonモード励振を採
用した。モード信号の添字の始めのｏは、円周方向に電
磁界の変化のないことを示し、次のｎは半径方向の変化
の回数を示している。またこの金属製円筒の軸方向両端
が金属板で塞がれていると、共振器を形成してこのモー
ドはTEonmの形で示され、このときｍは軸方向の電磁界
の変化の数を現している。TE021共振器の電磁界の縦断
面図を第２図、横断面図を第３図に示している。第２図
・第３図において、１はプラズマ室、２はマイクロ波電
力の入力端子、71・72は電界分布、８は磁界分布、12・
13は金属板を示す。プラズマ室１は金属製の円筒の構造
を有し、その円筒の軸方向の両端面は金属板12・13で塞
がれている。電界分布も磁界分布も金属壁面に触れない
ので、そのための損失は軽微である。図はｎが２の場合
を示しているが、一般にはｎ層になる。本発明では、TE
onモード励振によってマイクロ波電力を加えるので、プ
ラズマ励起部が単一モード励振のｎ倍となり、大口径の
金属製円筒内に広がるので、目的を達成することができ
る。
TEon1形共振器の場合、直径Ｄが最小値以下になると減
衰してしまって、軸方向への伝搬ができなくなるので、
直径Ｄは最小値以上にしなければならない。各伝搬モー
ドに対する遮断波長λｃと周波数2.45GHzに対する最小
直径Dminには、下表の関係がある。
衰してしまって、軸方向への伝搬ができなくなるので、
直径Ｄは最小値以上にしなければならない。各伝搬モー
ドに対する遮断波長λｃと周波数2.45GHzに対する最小
直径Dminには、下表の関係がある。
いま使用周波数を2.45GHzとすると、その波長λ０は λ０＝122.364mm となり、共振器の共振長Lmmは管内波長の（1/2）だか
ら、次式で求められる。
ら、次式で求められる。
Ｌ＝λ０/2/｛１−（λ０／λｃ）2｝0.5 従って、使用周波数2.45GHzの共振器の直径Ｄを最小値
径Dmin以上に数点選んだ場合、その共振長Lmmは下表の
様に求められる。
径Dmin以上に数点選んだ場合、その共振長Lmmは下表の
様に求められる。
上表のように、TEon1モードでは直径Ｄを太くすると、
共振長Ｌが短くなるので、Ｌを長くするにはTEonmモー
ドにすれば、ｍ倍に拡張することができる。
共振長Ｌが短くなるので、Ｌを長くするにはTEonmモー
ドにすれば、ｍ倍に拡張することができる。
電子サイクロトロン共鳴では、磁界とマイクロ波電力の
相互作用によって、プラズマ電子を選択加熱して、高密
度のプラズマを作ることができる。電子サイクロトロン
周波数ｆ（GHz）と磁界強度Ｂ（kGauss）の間には、次
の関係がある。
相互作用によって、プラズマ電子を選択加熱して、高密
度のプラズマを作ることができる。電子サイクロトロン
周波数ｆ（GHz）と磁界強度Ｂ（kGauss）の間には、次
の関係がある。
ｆ＝2.8B 即ち、ｆ＝2.45（GHz）では、Ｂ＝0.875（kGauss）とな
る。ただこの磁界強度はプラズマ発生室の全面に亘って
この値にする必要はなく、特にイオン化物質の導入口付
近でプラズマ点火させる部分と、プラズマ発生室の出口
付近でマグネチック・ミラー作用を行わせるために、こ
の磁界強度に調整すれば良い。
る。ただこの磁界強度はプラズマ発生室の全面に亘って
この値にする必要はなく、特にイオン化物質の導入口付
近でプラズマ点火させる部分と、プラズマ発生室の出口
付近でマグネチック・ミラー作用を行わせるために、こ
の磁界強度に調整すれば良い。
第１図は本発明の概略を説明するための縦断面図であ
る。
る。
１は金属円筒で作られたプラズマ室で、この金属円筒の
軸方向の一方の端面は金属板12で封止され、TEonモード
励振を行うように端子２からマイクロ波電力が供給され
ている。３は励磁コイルまたは永久磁石でプラズマ室１
内を必要な磁界強度におく。４はプラズマ物質投入口で
多方向からガス状物質をプラズマ室１内に送り込み、プ
ラズマ室１の内部は10-2乃至10-3Torr程度にしている。
このプラズマ物質投入口４の付近ではサイクロトロン共
鳴吸収を起こすような強度の磁界が加えられているの
で、プラズマが点火され、ガスの流れに従ってプラズマ
室１の内部に拡散して平均化される。このプラズマ流は
TEonモードのマイクロ波電力で励振されているので、直
径の太いものとなる。プラズマ室１の他方の端面は金属
板13に多くの小孔が穿たれており、イオン引き出し電極
５との電位差によって、太いイオン・ビーム６となって
外部に取り出される。
軸方向の一方の端面は金属板12で封止され、TEonモード
励振を行うように端子２からマイクロ波電力が供給され
ている。３は励磁コイルまたは永久磁石でプラズマ室１
内を必要な磁界強度におく。４はプラズマ物質投入口で
多方向からガス状物質をプラズマ室１内に送り込み、プ
ラズマ室１の内部は10-2乃至10-3Torr程度にしている。
このプラズマ物質投入口４の付近ではサイクロトロン共
鳴吸収を起こすような強度の磁界が加えられているの
で、プラズマが点火され、ガスの流れに従ってプラズマ
室１の内部に拡散して平均化される。このプラズマ流は
TEonモードのマイクロ波電力で励振されているので、直
径の太いものとなる。プラズマ室１の他方の端面は金属
板13に多くの小孔が穿たれており、イオン引き出し電極
５との電位差によって、太いイオン・ビーム６となって
外部に取り出される。
第４図は、ループコイルでマイクロ波電力を供給する状
態をプラズマ室１の内部からみたものである。TEonモー
ド励振では端面の辺りの磁界が、第２図や第３図に示さ
れているように、直径方向に向いているので、ループコ
イル21・22のむきを磁界に直角になるようにし、しかも
その隣り合う励振位相が逆になるように取り付ける。ま
たプラズマ室内は低度の真空状態だから、金属板12のル
ープ取り付け部は耐熱絶縁物９で封じる。すなわち、第
４図においてループコイル21は、耐熱絶縁物９の位置21
1からプラズマ室内に引き込まれた後図面左側に折り曲
げられ、さらに折り曲げられた後金属板12に接合され
る。ループコイル22は、ループコイル21との逆の方向か
ら引き込まれるので、位置221からプラズマ室内に引き
込まれる。
態をプラズマ室１の内部からみたものである。TEonモー
ド励振では端面の辺りの磁界が、第２図や第３図に示さ
れているように、直径方向に向いているので、ループコ
イル21・22のむきを磁界に直角になるようにし、しかも
その隣り合う励振位相が逆になるように取り付ける。ま
たプラズマ室内は低度の真空状態だから、金属板12のル
ープ取り付け部は耐熱絶縁物９で封じる。すなわち、第
４図においてループコイル21は、耐熱絶縁物９の位置21
1からプラズマ室内に引き込まれた後図面左側に折り曲
げられ、さらに折り曲げられた後金属板12に接合され
る。ループコイル22は、ループコイル21との逆の方向か
ら引き込まれるので、位置221からプラズマ室内に引き
込まれる。
また導波管から細隙を通してマイクロ波励振を行う場合
には、第５図のように磁界に直角に穿たれた細隙10を通
して導波管11からマイクロ波電力が供給される。この場
合も、隣り合う細隙10の励振位相が逆になるように構成
し、その細隙には耐熱絶縁物で封じて気密を保ってい
る。
には、第５図のように磁界に直角に穿たれた細隙10を通
して導波管11からマイクロ波電力が供給される。この場
合も、隣り合う細隙10の励振位相が逆になるように構成
し、その細隙には耐熱絶縁物で封じて気密を保ってい
る。
本発明において、大型の共振器を使用する場合に問題に
なるのは、TMモードをいかに抑止するかである。異種モ
ード共振だがTEonモードでは特にTM1nモードと寸法が一
致するので問題となのである。
なるのは、TMモードをいかに抑止するかである。異種モ
ード共振だがTEonモードでは特にTM1nモードと寸法が一
致するので問題となのである。
TM1nモードでは、TEonの電界と磁界が逆になるので、共
振器壁内にマイクロ波電流が流れ損失が増加する。そこ
で本発明では、異種モード・サップレッサーとして第６
図の構成を試みた。第６図はプラズマ室の円筒の端面部
分の一部縦断面図であり、円筒101と金属板121の間に耐
熱絶縁環91を挿入してTMモード共振の電気ロスを大きく
したものである。耐熱絶縁環91は異種モード共振のTMモ
ードのサプレッサーとして用いられたものである。
振器壁内にマイクロ波電流が流れ損失が増加する。そこ
で本発明では、異種モード・サップレッサーとして第６
図の構成を試みた。第６図はプラズマ室の円筒の端面部
分の一部縦断面図であり、円筒101と金属板121の間に耐
熱絶縁環91を挿入してTMモード共振の電気ロスを大きく
したものである。耐熱絶縁環91は異種モード共振のTMモ
ードのサプレッサーとして用いられたものである。
本実施例ではマイクロ波電源として2.45GHz、5kWのもの
を使用し、プラズマ室寸法は直径320mm、長さ235.7mm
（TE022モードとなる）を使い、外部から励磁コイルに
よって875gaussとなる磁界を加えた。その結果、多数の
試料で高能率で大口径のほぼ均一なプラズマ発生が認め
られた。
を使用し、プラズマ室寸法は直径320mm、長さ235.7mm
（TE022モードとなる）を使い、外部から励磁コイルに
よって875gaussとなる磁界を加えた。その結果、多数の
試料で高能率で大口径のほぼ均一なプラズマ発生が認め
られた。
本発明によって、高能率で200mm乃至500mmといった大口
径のプラズマが、ほぼ均一に発生できた。
径のプラズマが、ほぼ均一に発生できた。
第１図は本発明のプラズマ発生装置の構成説明図、第２
図はTE012共振器の電磁界縦断面図、第３図はその横断
面図、第４図はループコイルを用いた実施例を示す図、
第５図は細隙によるマイクロ波励振を用いた実施例を示
す図、第６図はサプレッサーの縦断面図。 １はプラズマ室、２は入力端子、21・22はループコイ
ル、３は励磁コイルまたは永久磁石、４はプラズマ物質
投入口、５はイオン引き出し電極、６はイオンビーム、
71・72は電界分布、８は磁界分布、９は耐熱絶縁物、10
は細隙、11は導波管、12・13・121は金属板、91は耐熱
絶縁環、101は円筒。
図はTE012共振器の電磁界縦断面図、第３図はその横断
面図、第４図はループコイルを用いた実施例を示す図、
第５図は細隙によるマイクロ波励振を用いた実施例を示
す図、第６図はサプレッサーの縦断面図。 １はプラズマ室、２は入力端子、21・22はループコイ
ル、３は励磁コイルまたは永久磁石、４はプラズマ物質
投入口、５はイオン引き出し電極、６はイオンビーム、
71・72は電界分布、８は磁界分布、９は耐熱絶縁物、10
は細隙、11は導波管、12・13・121は金属板、91は耐熱
絶縁環、101は円筒。
Claims (2)
- 【請求項１】イオン化物質が注入される金属製の円筒、
該円筒の一方の軸方向端面から複数のループコイル又は
細隙を経由してTEonモードの励振を行うマイクロ波電力
供給手段、該円筒の外部よりマイクロ波周波数に対応す
る磁界を加えて電子サイクロトロン共鳴吸収を生じさせ
る磁界発生手段を有することを特徴とするプラズマ発生
装置。 - 【請求項２】円筒と軸方向端面との間にマイクロ波電力
のTMモードの供給を抑止するためのサプレッサーを備え
た請求項（１）記載のプラズマ発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2098408A JPH0715838B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | プラズマ発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2098408A JPH0715838B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | プラズマ発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03297098A JPH03297098A (ja) | 1991-12-27 |
| JPH0715838B2 true JPH0715838B2 (ja) | 1995-02-22 |
Family
ID=14219010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2098408A Expired - Fee Related JPH0715838B2 (ja) | 1990-04-13 | 1990-04-13 | プラズマ発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0715838B2 (ja) |
-
1990
- 1990-04-13 JP JP2098408A patent/JPH0715838B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03297098A (ja) | 1991-12-27 |
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