JPH01309300A - マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置 - Google Patents
マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置Info
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- JPH01309300A JPH01309300A JP1038219A JP3821989A JPH01309300A JP H01309300 A JPH01309300 A JP H01309300A JP 1038219 A JP1038219 A JP 1038219A JP 3821989 A JP3821989 A JP 3821989A JP H01309300 A JPH01309300 A JP H01309300A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は、エツチングやデポジション等のプラ装置に係
り５特にこれら装置に好適なマイクロ波電力を用いたプ
ラズマ発生装置に関する。
り５特にこれら装置に好適なマイクロ波電力を用いたプ
ラズマ発生装置に関する。
従来のマイクロ波電力を用いたプラズマ発生装置につい
ては、（１）レビュー サイエンティフィック インス
ツルメント、３６．３ （１９６５年）第２９４頁から
第２９８頁（Ｒｅｖ、 Ｓｃｉ。 Ｉｎｓｔｒｕｍ、、３６．３ （１９６５）２９４−
２９８）、（２）アイ・イー・イー・イー トランザク
ション オブ プラズマ サイエンス。 ＰＳ−３，２（１９７５年）第５５頁から第５９頁（Ｉ
Ｅ Ｅ Ｅ Ｔｒａｎｓ、 Ｐｌａｓｍａ ５ｃｉ
ｅｎｃｅ。 ＰＳ−３，２（１９７５）５５−５９）。 （３）レビュー サイエンティフィック インスツルメ
ント、３９．１１ （１９６８年）第２９５頁から第２
９７頁（Ｒｅｖ、 Ｓｃｉ、 Ｉｎｓｔｒｕｍ、。 ３９．１１ Ｃ１９６８）２９５−２９７）。 （４）レビュー オブ サイエンティフィックインスツ
ルメント、４１．１０ （１９７０年）第１４３１から
第１４３３頁（Ｒｅｖ、 Ｓｃｉ。 Ｉｎｓｔｒｕｍ、、４１，１０ （１９７０）１４３１
−１４３３）、および（５）ジャパニーズ ジャーナル
オブ アプライド フィズイックス。 Ｖｏｌ、１６． Ｎｏ、１１ （１９７７年）第１９９
３頁から第１９９８頁（Ｊｐｎ、 Ｊ 、 Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、。 １６．１１ （１９７７）１９９３−１９９８）などに
おいて論じられている。
ては、（１）レビュー サイエンティフィック インス
ツルメント、３６．３ （１９６５年）第２９４頁から
第２９８頁（Ｒｅｖ、 Ｓｃｉ。 Ｉｎｓｔｒｕｍ、、３６．３ （１９６５）２９４−
２９８）、（２）アイ・イー・イー・イー トランザク
ション オブ プラズマ サイエンス。 ＰＳ−３，２（１９７５年）第５５頁から第５９頁（Ｉ
Ｅ Ｅ Ｅ Ｔｒａｎｓ、 Ｐｌａｓｍａ ５ｃｉ
ｅｎｃｅ。 ＰＳ−３，２（１９７５）５５−５９）。 （３）レビュー サイエンティフィック インスツルメ
ント、３９．１１ （１９６８年）第２９５頁から第２
９７頁（Ｒｅｖ、 Ｓｃｉ、 Ｉｎｓｔｒｕｍ、。 ３９．１１ Ｃ１９６８）２９５−２９７）。 （４）レビュー オブ サイエンティフィックインスツ
ルメント、４１．１０ （１９７０年）第１４３１から
第１４３３頁（Ｒｅｖ、 Ｓｃｉ。 Ｉｎｓｔｒｕｍ、、４１，１０ （１９７０）１４３１
−１４３３）、および（５）ジャパニーズ ジャーナル
オブ アプライド フィズイックス。 Ｖｏｌ、１６． Ｎｏ、１１ （１９７７年）第１９９
３頁から第１９９８頁（Ｊｐｎ、 Ｊ 、 Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、。 １６．１１ （１９７７）１９９３−１９９８）などに
おいて論じられている。
上記従来技術の文献（１）〜（３）は、マイクロ波電力
の伝送に同軸ケーブルを用いているため、大電力化の点
については配慮がされておらず、大電力時の安定性をは
じめプラズマの高密度化や大口径化に問題があった。一
方、上記従来技術の文献（４）〜（５）は、マイクロ波
利用率やプラズマの径方向分布などの点については充分
配慮されておらず、プラズマの生成効率やその均一性な
どに問題があった。 本発明の目的は、上記問題点を解決した、高温高密度の
安定な大口径プラズマを効率よく発生するマイクロ波プ
ラズマ発生装置を提供することにある。
の伝送に同軸ケーブルを用いているため、大電力化の点
については配慮がされておらず、大電力時の安定性をは
じめプラズマの高密度化や大口径化に問題があった。一
方、上記従来技術の文献（４）〜（５）は、マイクロ波
利用率やプラズマの径方向分布などの点については充分
配慮されておらず、プラズマの生成効率やその均一性な
どに問題があった。 本発明の目的は、上記問題点を解決した、高温高密度の
安定な大口径プラズマを効率よく発生するマイクロ波プ
ラズマ発生装置を提供することにある。
上記目的は、マイクロ波伝送回路を第１図（イ）に示す
如く、例えば角形導波管４０から円形同軸導波管５０に
モードを変換し、前記円形同軸導波管５０の円筒状外導
体５２を、前記円形同軸導波管５０の内導体５１より長
くし、前記内導体５１に設けた円筒状空洞５３の内径と
同程度の内径の開ロア２を有するメタルエンドプレート
７０を前記円筒状外導体５２に前記内導体５１の先端よ
り距離ｄの位置（ギャップ部）に取り付け、放電管８０
を少なくとも前記内導体５１の円筒状空洞５３内部から
前記開ロア２を通して設置し、前記ギャップ部に発生す
るマイクロ波電界（表面波）を用いて、前記放電管８０
内にプラズマを生成することにより達成される。
如く、例えば角形導波管４０から円形同軸導波管５０に
モードを変換し、前記円形同軸導波管５０の円筒状外導
体５２を、前記円形同軸導波管５０の内導体５１より長
くし、前記内導体５１に設けた円筒状空洞５３の内径と
同程度の内径の開ロア２を有するメタルエンドプレート
７０を前記円筒状外導体５２に前記内導体５１の先端よ
り距離ｄの位置（ギャップ部）に取り付け、放電管８０
を少なくとも前記内導体５１の円筒状空洞５３内部から
前記開ロア２を通して設置し、前記ギャップ部に発生す
るマイクロ波電界（表面波）を用いて、前記放電管８０
内にプラズマを生成することにより達成される。
【作用１
すなわち、マイクロ波発振器から例えば角形導波管を経
て円形同軸導波管へのマイクロ波電力の伝送には、同軸
ケーブルを用いることなく、低損失で、大電力を安定に
プラズマに供給できる。さらに、前記メタルエンドプレ
ート７０を設けると、第１図（ロ）に示すようなＺ軸方
向成分Ｅｚと半径方向成分Ｅｒとよりなる電界が、すな
わち、表面波が前記内導体５１の先端と前記メタルエン
ドプレート７０との間に形成される空間（ギャップ部ｄ
）に形成されるので、前記内導体５１の内部から前記開
ロア２を通して設置した放電管８０の内部には高温・高
密度の安定した大口径のプラズマを低気圧から大気圧ま
で、種々のガスに対して効率よく生成することができる
。 【実施例１ 以下、本発明の実施例を第１図〜第５図を用いて説明す
る。 第１図（イ）は本発明によるマイクロ波プラズマ発生装
置の立体回路の主要部構成を、同図（ロ）はマイクロ波
電界の強度分布を模式的に示す。マイクロ波電力は角形
導波管４ｏから少なくとも内導体５１と円筒状外導体５
２とから成る円形同軸波管変換器５０へ伝送され、前記
内導体５１の先端に設けたギャップｄで前記内導体５１
の円筒状空洞５３部等に設けた石英等から成る＃！縁縁
故放電管８０通じて表面波としてプラズマに吸収される
。ここで、前記ギャップｄは、前記内導体５１の先端と
前記円筒状外導体５２に設けたメタルエンドプレート７
０との間の距離を示し、ネジあるいはスペーサ等によっ
て可変できるように構成されている。なお、前記メタル
エンドプレート７０には、前記内導体５１の円筒状空洞
５３と同程度の内径を持つ開ロア２が設けてあり、必要
に応じてメタルチョーク７１を第１図（イ）のように取
付け、マイクロ波の損失を低減するとよい。また、前記
内・外導体５１．５２の少なくとも一方を強制空冷また
水冷するとよい。ここで、前記内・外導体５１．５２や
前記放電管８ｏの径は使用目的に応じて任意に設定でき
る。さらに、マイクロ波電力を効率よく前記プラズマに
吸収させるために、通常同軸回路の特性インピーダンス
は５０Ωであるので、前記同軸導波管変換器５０の角形
導波管内の８面の寸法を定形サイズより小さく（薄く）
し、Ｈ面の寸法に対する比を小さくして導波管の特性イ
ンピーダンスを小さくするとともに、１／４波長変成器
を導波管の入力側に設けて同軸部の特性インピーダンス
と一致させるとよい。さらに、龍記内導体５１の形状を
第５図に示すようにドアノブ形にしたり、短絡部を定形
サイズにするとともにプランジャ６０（可変形）を設け
てマツチングが取れるように構成するとよい。 また、前記外導体５２の外側に磁界発生器９０（コイル
や永久磁石などから成る）を設け、発散型（ビーチ型）
、マルチカスプ型またはミラー型などの磁界を、電子サ
イクロトロン共鳴条件かその前後の条件で重畳して、プ
ラズマを発生させると、より容易に高温高密度（カット
オフ密度以上）のプラズマを低圧力でも得ることができ
る（もちろん印加しなくても可）。 一方、プラズマガスはＨ２，Ｈｅ、０２１Ｎ２１Ａｒ、
ＸｅやＣＨ４，ＳｉＨ，、ＮＨ，、ＣＦ４゜ＳｉＦ４な
ど目的に応じて選定し、１０−’Ｔｏｒｒ〜７６０ Ｔ
ｏｒｒの範囲で動作させる。なお、放電管８０への試料
ガスの導入は例えば、第１図（イ）に示すような管端か
ら導入するとよいが、特に限定するものではなく、目的
に応じて決めるとよい。 第１図（ロ）は前記ギャップ６部の空間に於ける電界強
度分布の径方向成分ＥｒとＺ軸（マイクロ波進行方向）
方向成分Ｅｚとを示す。このプラズマ装置の特徴は、電
界がＥｒと成分Ｅｚ酸成分が共存するとともに、Ｚ軸上
の成分が両者とも弱く、一方、外側は強くなる表面波と
なり、これら慾 と試料ガス粒子の拡散現象との相、傑作用により低圧力
では径方向に均一なプラズマが得られるよう作用する。 また、高圧力では第４図および第５図におけるように、
ドーナツ状のプラズマが得られ。 目的に応じて圧力を選定する。 第２図は第１図（イ）に示したマイクロ波プラズマ発生
装置をエツチングやデポジション、さらには新素材創製
などのためのプラズマ反応装置に適用した１本発明の別
の第２実施例のブロック図を示す。ここで、１０は高圧
電源（直流またはパルス）、２０はマイクロ発振器（マ
グネトロンやジャイロトロン、１〜１ＯＯＧＨｚ、１０
〜５．０ＯＯＷ）、３０はアイソレータ（またはユニラ
イン）、４０は立体回路（方向性結合器、電力計、Ｅ−
Ｈチューナなどで構成）、５０は同軸導波管変換器、５
１は内導体、５２は円筒状外２４体、６０はプランジャ
、７０はメタルエンドプレート、８０は放電管、９０は
磁界発生器（なくても可）、１００は排気袋ｆｆｉ、１
１０はプラズマガス（Ａｒ、Ｈｅ、０２など）導入器、
１．２０は反応ガス（ＣＨ，、ＮＨ，、ＣＦ、、ＳｉＦ
、、０２など）加熱器などから成る）、１６０は反応微
粒子（たとえば高温超電導薄膜の形成のときにはたとえ
ばＢａＣ０，＋Ｙ２０．＋ＣｕＯなどを電子ビームなど
で蒸発させて導入）導入装置、１７０は′Ｂ、贋分析器
、１８０は分光器、１９０はデータの１′：ｉ理をはじ
め各機器を自動制御（最適化）するためのマイクロコン
ピュータを示す。この実施例では、前述したギャップ部
ｄが前記メタルエンドプレート７０をネジあるいはスペ
ーサ等によって調整することにより可変できるように構
成されている。また、前記内導体５１の径は前記同軸変
換器５０部で太くなっている（ドアノブ形）。 このように構成すると１例えば酸化物高温超伝導薄膜の
作成の時、低圧力（１０−’Ｔｏｒｒ以下）でプラズマ
ガスである酸素（ｏ２）をイオン化でき、この時発生す
る低エネルギーの酸素のラジカルやイオンと反応微粒子
として導入した、例えばＢａ、Ｙ、Ｃ：ｕの金属原子と
が物理的化学的に反応して試料台１４０上の基板にマイ
クロコンピュータ１９０で最適化しながら、良質の膜を
低温かつ短時間で作製することができる。 第３図は本発明の別の第３実施例を示す。この実施例は
、プラズマからイオンや中性粒子を引き出し、材料の表
面改質や処理を行う装置を示す。 ここで、５０は円形同軸導波管、５１は内導体、５２は
円筒状外導体、６０はプランジャ、７０はメタルエンド
プレート（種々の変形が可能）、７１はメタルチョーク
、８０は放電管、９０は磁界発生器（なくても可）、１
００は排気装置、１１０は試料ガスやキャリアガスなど
の導入器、１２０は試料ガスや反応ガスなどの導入器、
１３０は反応室、１４０は試料台、１５０は温度制御装
置、１８０は分光器、２００はイオン引出し器を示す。 なお、イオン引出し器２００は電子または中性粒子（原
子やラジカル）取り出し器として構成することもできる
。 このように構成すると、大口径で均一な高密度の試料ガ
スやキャリアガスのプラズマが生成できる。そして、例
えば前記イオン引出し器２００を用いて、前記プラズマ
から大口径で均一な高密度のイオンビームを取出し、前
記試料台１４０にセットした基板の表面処理や表面改質
を短時間かつ低温で行うことができる。 また、前記イオンビームでターゲットをスパッタし、前
記基板にターゲット材料をデポジットすることもできる
。さらに、前記中性粒子を用いても表面処理などができ
る。 第４図は生体分野等の微量元素の分析等に応用した本発
明の第４の実施例の基本構成を示す。ここで、３００は
マイクロ波発生系で、マグネ１〜ロンなどのマイクロ波
発振器や高圧電源、マイクロ波電力計、 Ｅ−Ｈ（また
はスタブ）チューナなどから成る。４００はマイク波プ
ラズマ発生系で。 第１図（イ）を基本として、第５図に示すような円形同
軸導波管、内側導体、メタルエンドプレート、放電管な
どから成る。５００は試料ガス等導入系で、試料、キャ
リアガス、ネプライザなどから構成される。６００は測
定・分析系で、分光器や質量分析器などから成る。７０
０は制御系でマイクロコンピュータなどから成る。７０
０は制御系でマイクロコンピュータなどから成り、デー
タの整理や本装置の最適制御などを行う。本実施例での
動作圧力は、大電力を安定に供給できることから、大気
圧を基本とし、放電管等の直径も前記第２および第３の
実施例に比べ小さくてよい。 第５図は本発明の第４図に示した実施例におけるプラズ
マ発生系４００の一実施例の詳細を示す。 ここで、５０は銅やアルミニウムなどから成る扁平型の
４波管（内寸： ８．６ＤＩＩｌｌＸ １０９．２ｎｕ
ｎＸ８４−ｍｍ）に形成した同軸導波管変換器、５１は
銅などから成る内導体（同軸変換部で形状は例えば同図
のように円錐台（例えば底部直径４０ｍｍ、上部直径１
５ｍｍ、高さ３０−から成る）で、その軸上部には放電
管８０を通すための円筒状空洞５３（直径例えば４〜１
２ｍｆｆ１）が設けである。５２は銅などから成る円筒
形外導体で、銅などから成る円盤状のエンドプレート７
０が取付けである。前記エンドプレート７０には、前記
内導体５１に設けた前記円筒状空洞５３の内径とほぼ等
しい内径の開ロア２が設けてあり、その周囲の厚さはそ
の外周部より同心状に薄くしである（厚さ≧０．１１Ｉ
Ｉ１１）。さらに、前記内導体５１の先端部と前記エン
ドプレート７０とのギャップｄ （０，５〜２０ｍｍ
）は調整できるように構成しである。８０は石英などか
ら成る放電管（内径：例えば４〜１０句 ｎｍ）で、その一端は開放するとともに、その他端は径
方向からプラズマガス５０１ （Ｈｅ、Ｎ、。 Ａｒなど）が供給できるように枝管８１が設けである。 また、前記放電管８０の他端部からは同軸状に石英など
から成る内管８２を設け、その一端からはネプライザ（
図示せず）などを経て試料とともにキャリアガス（前記
プラズマガス５０１と同種）など５００を導入する。５
１０は前記放電管８０や内導体５１などを冷却するため
の冷却系で、冷却剤入口５１１から冷却剤５０２（例え
ば、空気、水でも可。このときは水の出口を設け、前記
内導体５１と前記放電管８０を冷却するように構成する
。）を供給する。このように構成すると、前記放電管８
０をはじめ前記内導体５１や前記メタルエンドプレート
７０を効率よく冷却することができる。９＋００は拡散
プラズマ、’７）０１はドーナツ状高温プラズマを示す
。なお、前記放電管８ｏや前記内導体５１などの形状や
大きさは限定するものではないに のように構成すると、前記同軸導波管変換器５ｏに供給
したマイクロ波電力（例えば、２．４５ＧＨｚ、≦２Ｋ
Ｗ）は、前記内導体５１と前記メタルエンドプレート７
０のギャップ８部に集中し、第１図（ロ）に示すような
電界分布が得られる。このため、前記枝管８１より導入
したプラズマガス５０１はイオン化され、ドーナツ状の
高温のプラズマ％０１を前記放電管８ｏの内部に発生す
る。そして、分析すべき前記試料など５００を前記内管
８２から前記ドーナツ状高温プラズマ−０１の中心部に
導入すると、試料は周辺部に拡散することなく、効率よ
く原子化→励起化→イオン化を生ずる。このとき発生す
る光を前記分光器６００に、またイオンはイオンサンプ
リングインタフェース系（図示せず）を経て前記質量分
析器６００に導入すると、高周波（例えば２７ Ｍ Ｈ
ｚ ）誘導プラズマを用いる場合に比べても、高感度で
定量分析を行うことができる。なお、試料としては溶液
でも直接分析でき、さらに、有機物やハロゲンなど特に
制限はない。また、プラズマガスもＨｅ 、 Ｎ２．
Ａ ｒなどを用いることができ、特に制限はない。 その他、本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、全て
のプラズマを用いる装置を適用することができる。また
、パルス的にプラズマを発生させることもできる。 【発明の効果】 本発明によれば、マイクロ波電力を円形同軸導波管に設
けた前記ギャップｄでプラズマと表面波とを結合させる
ため、同軸ケーブルを用いることなく大電力で安定に供
給でき、しかも効率よくプラズマに吸収させることがで
きるので、低圧力（１０””Ｔｏｒｒ程度）から高圧力
（大気圧）まで広範囲に、高温・高密度のプラズマを種
々のガスについて目的に応じて生成できる効果がある。 さらに、外部磁界を重畳することにより、カットオフ密
度以上の高密度プラズマを種々のガスについて生成する
ことができる。 したがって、本発明のプラズマはエツチングやデポジシ
ョンをはじめ新しい材料の創製や表面加工・改質などに
応用でき、さらに元素分析などにおける発光やイオン源
等として幅広く用いることのできる利点がある。
て円形同軸導波管へのマイクロ波電力の伝送には、同軸
ケーブルを用いることなく、低損失で、大電力を安定に
プラズマに供給できる。さらに、前記メタルエンドプレ
ート７０を設けると、第１図（ロ）に示すようなＺ軸方
向成分Ｅｚと半径方向成分Ｅｒとよりなる電界が、すな
わち、表面波が前記内導体５１の先端と前記メタルエン
ドプレート７０との間に形成される空間（ギャップ部ｄ
）に形成されるので、前記内導体５１の内部から前記開
ロア２を通して設置した放電管８０の内部には高温・高
密度の安定した大口径のプラズマを低気圧から大気圧ま
で、種々のガスに対して効率よく生成することができる
。 【実施例１ 以下、本発明の実施例を第１図〜第５図を用いて説明す
る。 第１図（イ）は本発明によるマイクロ波プラズマ発生装
置の立体回路の主要部構成を、同図（ロ）はマイクロ波
電界の強度分布を模式的に示す。マイクロ波電力は角形
導波管４ｏから少なくとも内導体５１と円筒状外導体５
２とから成る円形同軸波管変換器５０へ伝送され、前記
内導体５１の先端に設けたギャップｄで前記内導体５１
の円筒状空洞５３部等に設けた石英等から成る＃！縁縁
故放電管８０通じて表面波としてプラズマに吸収される
。ここで、前記ギャップｄは、前記内導体５１の先端と
前記円筒状外導体５２に設けたメタルエンドプレート７
０との間の距離を示し、ネジあるいはスペーサ等によっ
て可変できるように構成されている。なお、前記メタル
エンドプレート７０には、前記内導体５１の円筒状空洞
５３と同程度の内径を持つ開ロア２が設けてあり、必要
に応じてメタルチョーク７１を第１図（イ）のように取
付け、マイクロ波の損失を低減するとよい。また、前記
内・外導体５１．５２の少なくとも一方を強制空冷また
水冷するとよい。ここで、前記内・外導体５１．５２や
前記放電管８ｏの径は使用目的に応じて任意に設定でき
る。さらに、マイクロ波電力を効率よく前記プラズマに
吸収させるために、通常同軸回路の特性インピーダンス
は５０Ωであるので、前記同軸導波管変換器５０の角形
導波管内の８面の寸法を定形サイズより小さく（薄く）
し、Ｈ面の寸法に対する比を小さくして導波管の特性イ
ンピーダンスを小さくするとともに、１／４波長変成器
を導波管の入力側に設けて同軸部の特性インピーダンス
と一致させるとよい。さらに、龍記内導体５１の形状を
第５図に示すようにドアノブ形にしたり、短絡部を定形
サイズにするとともにプランジャ６０（可変形）を設け
てマツチングが取れるように構成するとよい。 また、前記外導体５２の外側に磁界発生器９０（コイル
や永久磁石などから成る）を設け、発散型（ビーチ型）
、マルチカスプ型またはミラー型などの磁界を、電子サ
イクロトロン共鳴条件かその前後の条件で重畳して、プ
ラズマを発生させると、より容易に高温高密度（カット
オフ密度以上）のプラズマを低圧力でも得ることができ
る（もちろん印加しなくても可）。 一方、プラズマガスはＨ２，Ｈｅ、０２１Ｎ２１Ａｒ、
ＸｅやＣＨ４，ＳｉＨ，、ＮＨ，、ＣＦ４゜ＳｉＦ４な
ど目的に応じて選定し、１０−’Ｔｏｒｒ〜７６０ Ｔ
ｏｒｒの範囲で動作させる。なお、放電管８０への試料
ガスの導入は例えば、第１図（イ）に示すような管端か
ら導入するとよいが、特に限定するものではなく、目的
に応じて決めるとよい。 第１図（ロ）は前記ギャップ６部の空間に於ける電界強
度分布の径方向成分ＥｒとＺ軸（マイクロ波進行方向）
方向成分Ｅｚとを示す。このプラズマ装置の特徴は、電
界がＥｒと成分Ｅｚ酸成分が共存するとともに、Ｚ軸上
の成分が両者とも弱く、一方、外側は強くなる表面波と
なり、これら慾 と試料ガス粒子の拡散現象との相、傑作用により低圧力
では径方向に均一なプラズマが得られるよう作用する。 また、高圧力では第４図および第５図におけるように、
ドーナツ状のプラズマが得られ。 目的に応じて圧力を選定する。 第２図は第１図（イ）に示したマイクロ波プラズマ発生
装置をエツチングやデポジション、さらには新素材創製
などのためのプラズマ反応装置に適用した１本発明の別
の第２実施例のブロック図を示す。ここで、１０は高圧
電源（直流またはパルス）、２０はマイクロ発振器（マ
グネトロンやジャイロトロン、１〜１ＯＯＧＨｚ、１０
〜５．０ＯＯＷ）、３０はアイソレータ（またはユニラ
イン）、４０は立体回路（方向性結合器、電力計、Ｅ−
Ｈチューナなどで構成）、５０は同軸導波管変換器、５
１は内導体、５２は円筒状外２４体、６０はプランジャ
、７０はメタルエンドプレート、８０は放電管、９０は
磁界発生器（なくても可）、１００は排気袋ｆｆｉ、１
１０はプラズマガス（Ａｒ、Ｈｅ、０２など）導入器、
１．２０は反応ガス（ＣＨ，、ＮＨ，、ＣＦ、、ＳｉＦ
、、０２など）加熱器などから成る）、１６０は反応微
粒子（たとえば高温超電導薄膜の形成のときにはたとえ
ばＢａＣ０，＋Ｙ２０．＋ＣｕＯなどを電子ビームなど
で蒸発させて導入）導入装置、１７０は′Ｂ、贋分析器
、１８０は分光器、１９０はデータの１′：ｉ理をはじ
め各機器を自動制御（最適化）するためのマイクロコン
ピュータを示す。この実施例では、前述したギャップ部
ｄが前記メタルエンドプレート７０をネジあるいはスペ
ーサ等によって調整することにより可変できるように構
成されている。また、前記内導体５１の径は前記同軸変
換器５０部で太くなっている（ドアノブ形）。 このように構成すると１例えば酸化物高温超伝導薄膜の
作成の時、低圧力（１０−’Ｔｏｒｒ以下）でプラズマ
ガスである酸素（ｏ２）をイオン化でき、この時発生す
る低エネルギーの酸素のラジカルやイオンと反応微粒子
として導入した、例えばＢａ、Ｙ、Ｃ：ｕの金属原子と
が物理的化学的に反応して試料台１４０上の基板にマイ
クロコンピュータ１９０で最適化しながら、良質の膜を
低温かつ短時間で作製することができる。 第３図は本発明の別の第３実施例を示す。この実施例は
、プラズマからイオンや中性粒子を引き出し、材料の表
面改質や処理を行う装置を示す。 ここで、５０は円形同軸導波管、５１は内導体、５２は
円筒状外導体、６０はプランジャ、７０はメタルエンド
プレート（種々の変形が可能）、７１はメタルチョーク
、８０は放電管、９０は磁界発生器（なくても可）、１
００は排気装置、１１０は試料ガスやキャリアガスなど
の導入器、１２０は試料ガスや反応ガスなどの導入器、
１３０は反応室、１４０は試料台、１５０は温度制御装
置、１８０は分光器、２００はイオン引出し器を示す。 なお、イオン引出し器２００は電子または中性粒子（原
子やラジカル）取り出し器として構成することもできる
。 このように構成すると、大口径で均一な高密度の試料ガ
スやキャリアガスのプラズマが生成できる。そして、例
えば前記イオン引出し器２００を用いて、前記プラズマ
から大口径で均一な高密度のイオンビームを取出し、前
記試料台１４０にセットした基板の表面処理や表面改質
を短時間かつ低温で行うことができる。 また、前記イオンビームでターゲットをスパッタし、前
記基板にターゲット材料をデポジットすることもできる
。さらに、前記中性粒子を用いても表面処理などができ
る。 第４図は生体分野等の微量元素の分析等に応用した本発
明の第４の実施例の基本構成を示す。ここで、３００は
マイクロ波発生系で、マグネ１〜ロンなどのマイクロ波
発振器や高圧電源、マイクロ波電力計、 Ｅ−Ｈ（また
はスタブ）チューナなどから成る。４００はマイク波プ
ラズマ発生系で。 第１図（イ）を基本として、第５図に示すような円形同
軸導波管、内側導体、メタルエンドプレート、放電管な
どから成る。５００は試料ガス等導入系で、試料、キャ
リアガス、ネプライザなどから構成される。６００は測
定・分析系で、分光器や質量分析器などから成る。７０
０は制御系でマイクロコンピュータなどから成る。７０
０は制御系でマイクロコンピュータなどから成り、デー
タの整理や本装置の最適制御などを行う。本実施例での
動作圧力は、大電力を安定に供給できることから、大気
圧を基本とし、放電管等の直径も前記第２および第３の
実施例に比べ小さくてよい。 第５図は本発明の第４図に示した実施例におけるプラズ
マ発生系４００の一実施例の詳細を示す。 ここで、５０は銅やアルミニウムなどから成る扁平型の
４波管（内寸： ８．６ＤＩＩｌｌＸ １０９．２ｎｕ
ｎＸ８４−ｍｍ）に形成した同軸導波管変換器、５１は
銅などから成る内導体（同軸変換部で形状は例えば同図
のように円錐台（例えば底部直径４０ｍｍ、上部直径１
５ｍｍ、高さ３０−から成る）で、その軸上部には放電
管８０を通すための円筒状空洞５３（直径例えば４〜１
２ｍｆｆ１）が設けである。５２は銅などから成る円筒
形外導体で、銅などから成る円盤状のエンドプレート７
０が取付けである。前記エンドプレート７０には、前記
内導体５１に設けた前記円筒状空洞５３の内径とほぼ等
しい内径の開ロア２が設けてあり、その周囲の厚さはそ
の外周部より同心状に薄くしである（厚さ≧０．１１Ｉ
Ｉ１１）。さらに、前記内導体５１の先端部と前記エン
ドプレート７０とのギャップｄ （０，５〜２０ｍｍ
）は調整できるように構成しである。８０は石英などか
ら成る放電管（内径：例えば４〜１０句 ｎｍ）で、その一端は開放するとともに、その他端は径
方向からプラズマガス５０１ （Ｈｅ、Ｎ、。 Ａｒなど）が供給できるように枝管８１が設けである。 また、前記放電管８０の他端部からは同軸状に石英など
から成る内管８２を設け、その一端からはネプライザ（
図示せず）などを経て試料とともにキャリアガス（前記
プラズマガス５０１と同種）など５００を導入する。５
１０は前記放電管８０や内導体５１などを冷却するため
の冷却系で、冷却剤入口５１１から冷却剤５０２（例え
ば、空気、水でも可。このときは水の出口を設け、前記
内導体５１と前記放電管８０を冷却するように構成する
。）を供給する。このように構成すると、前記放電管８
０をはじめ前記内導体５１や前記メタルエンドプレート
７０を効率よく冷却することができる。９＋００は拡散
プラズマ、’７）０１はドーナツ状高温プラズマを示す
。なお、前記放電管８ｏや前記内導体５１などの形状や
大きさは限定するものではないに のように構成すると、前記同軸導波管変換器５ｏに供給
したマイクロ波電力（例えば、２．４５ＧＨｚ、≦２Ｋ
Ｗ）は、前記内導体５１と前記メタルエンドプレート７
０のギャップ８部に集中し、第１図（ロ）に示すような
電界分布が得られる。このため、前記枝管８１より導入
したプラズマガス５０１はイオン化され、ドーナツ状の
高温のプラズマ％０１を前記放電管８ｏの内部に発生す
る。そして、分析すべき前記試料など５００を前記内管
８２から前記ドーナツ状高温プラズマ−０１の中心部に
導入すると、試料は周辺部に拡散することなく、効率よ
く原子化→励起化→イオン化を生ずる。このとき発生す
る光を前記分光器６００に、またイオンはイオンサンプ
リングインタフェース系（図示せず）を経て前記質量分
析器６００に導入すると、高周波（例えば２７ Ｍ Ｈ
ｚ ）誘導プラズマを用いる場合に比べても、高感度で
定量分析を行うことができる。なお、試料としては溶液
でも直接分析でき、さらに、有機物やハロゲンなど特に
制限はない。また、プラズマガスもＨｅ 、 Ｎ２．
Ａ ｒなどを用いることができ、特に制限はない。 その他、本発明のマイクロ波プラズマ発生装置は、全て
のプラズマを用いる装置を適用することができる。また
、パルス的にプラズマを発生させることもできる。 【発明の効果】 本発明によれば、マイクロ波電力を円形同軸導波管に設
けた前記ギャップｄでプラズマと表面波とを結合させる
ため、同軸ケーブルを用いることなく大電力で安定に供
給でき、しかも効率よくプラズマに吸収させることがで
きるので、低圧力（１０””Ｔｏｒｒ程度）から高圧力
（大気圧）まで広範囲に、高温・高密度のプラズマを種
々のガスについて目的に応じて生成できる効果がある。 さらに、外部磁界を重畳することにより、カットオフ密
度以上の高密度プラズマを種々のガスについて生成する
ことができる。 したがって、本発明のプラズマはエツチングやデポジシ
ョンをはじめ新しい材料の創製や表面加工・改質などに
応用でき、さらに元素分析などにおける発光やイオン源
等として幅広く用いることのできる利点がある。
第１図（イ）は本発明によるマイクロ波プラズマ発生装
置の主要構成図、同図（ロ）はそのギャップ部における
電界強度分布図、第２図は本発明のプラズマ反応装置へ
の応用を示す実施例の構成図、第３図は本発明のイオン
源およびそのプロセスへの応用を示す実施例の構成図、
第４図は本発明の分析機器への応用を示す実施例のブロ
ック図、第５図は第４図におけるマイクロ波プラズマ発
生系４００の詳細を示す構成図である。 １０・・・高圧電源、２０・・・マイクロ波発振器、５
ｏ・・・円形同軸導波管、５１・・・円筒状内導体、５
２・・・円筒形外導体、７０・・・メタルエンドプレー
ト、７１・・・メタルチョーク、８０・・・放電管、９
０・・・磁界発生器、１００・・・排気装置、１１０・
・・ガス導入器、１２０・・・反応ガス導入器。 １３０・・・反応室、１４０・・・試料台、１９０・・
・マイクロコンピュータ、２００・・・イオン引出器、
３００・・・マイクロ波発生系、４００・・・マイクロ
波プラズマ発生系、５００・・・ガス導入系、６００・
・・測定分析系、′７）Ｏ＃・・・ドーナツ状プラズマ
。 Ｑ力゛入ぜ入 （ｑ −ヘ へ （（〜 ら Ｎ気 ト ％ 筑ち （ヘ ベ ｌ＋ ζ ＼ 〜 ？ρρ 、１１％ ： マイ７０；反発生木 グρρ ： マイ７り２艷フ０ラスＺ季（１迷ｆρρ
： 言ベオ干１＼ス羊洋入不
置の主要構成図、同図（ロ）はそのギャップ部における
電界強度分布図、第２図は本発明のプラズマ反応装置へ
の応用を示す実施例の構成図、第３図は本発明のイオン
源およびそのプロセスへの応用を示す実施例の構成図、
第４図は本発明の分析機器への応用を示す実施例のブロ
ック図、第５図は第４図におけるマイクロ波プラズマ発
生系４００の詳細を示す構成図である。 １０・・・高圧電源、２０・・・マイクロ波発振器、５
ｏ・・・円形同軸導波管、５１・・・円筒状内導体、５
２・・・円筒形外導体、７０・・・メタルエンドプレー
ト、７１・・・メタルチョーク、８０・・・放電管、９
０・・・磁界発生器、１００・・・排気装置、１１０・
・・ガス導入器、１２０・・・反応ガス導入器。 １３０・・・反応室、１４０・・・試料台、１９０・・
・マイクロコンピュータ、２００・・・イオン引出器、
３００・・・マイクロ波発生系、４００・・・マイクロ
波プラズマ発生系、５００・・・ガス導入系、６００・
・・測定分析系、′７）Ｏ＃・・・ドーナツ状プラズマ
。 Ｑ力゛入ぜ入 （ｑ −ヘ へ （（〜 ら Ｎ気 ト ％ 筑ち （ヘ ベ ｌ＋ ζ ＼ 〜 ？ρρ 、１１％ ： マイ７０；反発生木 グρρ ： マイ７り２艷フ０ラスＺ季（１迷ｆρρ
： 言ベオ干１＼ス羊洋入不
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、一端からマイクロ波電力を導入するための、円筒状
外導体と円筒状空洞を有する内導体とからなる円形同軸
導波管と、上記円形同軸導波管の他端において上記円筒
状外導体の先端部に設けられ、かつ上記内導体の上記円
筒状空洞の内径と同程度の内径の開口を有するメタルエ
ンドプレートと、上記内導体を上記円筒状外導体より短
くすることによって上記内導体の先端と上記メタルエン
ドプレートとの間に形成されたギャップ部と、上記ギャ
ップ部で発生したマイクロ波電界によってプラズマ化す
べき物質のプラズマを形成するため上記内導体の上記円
筒状空洞の内部から上記ギャップ部および上記開口を通
して設けられた放電管とを備えてなるマイクロ波プラズ
マ発生装置。 ２、上記ギャップ部のギャップ長が可変され得る第１項
のマイクロ波プラズマ発生装置。 ３、上記放電管が上記プラズマ化すべき物質を導入する
ための導入口と上記プラズマを利用するための開口とを
備える第１項あるいは第２項のマイクロ波プラズマ発生
装置。 ４、上記マイクロ波電界に外部磁界を重畳させるため上
記ギャップ部の周囲に設けられた磁界印加手段を備える
第１項から第３項までのいずれか１つの項のマイクロ波
プラズマ発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1038219A JP2781585B2 (ja) | 1988-02-24 | 1989-02-20 | マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3938488 | 1988-02-24 | ||
| JP63-39384 | 1988-02-24 | ||
| JP1038219A JP2781585B2 (ja) | 1988-02-24 | 1989-02-20 | マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8030322A Division JP2970520B2 (ja) | 1996-02-19 | 1996-02-19 | プラズマ発生装置及びプラズマ発生装置を用いた分析装置並びに質量分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01309300A true JPH01309300A (ja) | 1989-12-13 |
| JP2781585B2 JP2781585B2 (ja) | 1998-07-30 |
Family
ID=26377416
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1038219A Expired - Lifetime JP2781585B2 (ja) | 1988-02-24 | 1989-02-20 | マイクロ波プラズマ発生装置及びマイクロ波プラズマ質量分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2781585B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0766284A1 (en) * | 1995-09-29 | 1997-04-02 | Hitachi, Ltd. | Analyser and analysing method using plasma, and interface and sample introducing component used for the same |
| US6031379A (en) * | 1995-10-19 | 2000-02-29 | Seiko Instruments, Inc. | Plasma ion mass analyzing apparatus |
| JP2003069351A (ja) * | 2001-08-29 | 2003-03-07 | Yokogawa Analytical Systems Inc | 高周波増幅回路及び高周波増幅回路の駆動方法 |
| US6541769B1 (en) | 1999-09-14 | 2003-04-01 | Hitachi, Ltd. | Mass spectrometer |
| WO2005079124A1 (ja) * | 2004-02-17 | 2005-08-25 | Nu Eco Engineering Co., Ltd. | プラズマ発生装置 |
| CN115717237A (zh) * | 2022-10-25 | 2023-02-28 | 新优势产业集团有限公司 | 带有超导磁体的等离子体cvd装置 |
| CN118400857A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-07-26 | 上海凯世通半导体股份有限公司 | 一种微波等离子体喷枪 |
-
1989
- 1989-02-20 JP JP1038219A patent/JP2781585B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0766284A1 (en) * | 1995-09-29 | 1997-04-02 | Hitachi, Ltd. | Analyser and analysing method using plasma, and interface and sample introducing component used for the same |
| US5763877A (en) * | 1995-09-29 | 1998-06-09 | Hitachi, Ltd. | Analyzer using plasma and analysis method using plasma, interface used for the same and sample introducing component used for the same |
| US6031379A (en) * | 1995-10-19 | 2000-02-29 | Seiko Instruments, Inc. | Plasma ion mass analyzing apparatus |
| US6541769B1 (en) | 1999-09-14 | 2003-04-01 | Hitachi, Ltd. | Mass spectrometer |
| JP2003069351A (ja) * | 2001-08-29 | 2003-03-07 | Yokogawa Analytical Systems Inc | 高周波増幅回路及び高周波増幅回路の駆動方法 |
| WO2005079124A1 (ja) * | 2004-02-17 | 2005-08-25 | Nu Eco Engineering Co., Ltd. | プラズマ発生装置 |
| CN115717237A (zh) * | 2022-10-25 | 2023-02-28 | 新优势产业集团有限公司 | 带有超导磁体的等离子体cvd装置 |
| CN118400857A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-07-26 | 上海凯世通半导体股份有限公司 | 一种微波等离子体喷枪 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2781585B2 (ja) | 1998-07-30 |
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