JPH04184899A

JPH04184899A - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JPH04184899A
Application number: JP2313444A
Authority: JP
Inventors: Hideo Tsuboi; 秀夫坪井; Kenichi Takagi; 憲一高木; Akira Hoshino; 明星野
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 1992-07-01
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: JP2937468B2

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。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はプラズマ発生装置に関する。特にマイクロ波を
用いることによってプラズマを発生するプラズマ発生装
置に関する。

［従来の技術及びその問題点］マイクロ波を用いて電子サイクロトロン共鳴番こよって
プラズマを発生する方法が知られてＬＸる。

この種の装置として、特開昭６１−２６９９００号公報
では、第３図及び第４図に示すようなプラズマ発生装置
を開示している。すなわち、図において、［マイクロ波
発生装置であるマグネトロン（１）力５矩形状導波管（
２）に取り付けられている。この導波管（２）の内面か
らは管状のアンテナ（８）が延ばされており、このアン
テナはアンテナが設けられた管壁に対向する管壁に設け
られた開口（４）を突き抜けて導波管（２）の外方に延
びている。このアンテナ（８）と中心軸を一致する円筒
状の磁場発生装置（５）が設けられている。この磁場発
生装置（５）は、中心軸側の磁極が交互になるように円
筒状に配された複数本のフェライト棒状磁石（６）から
成っている。磁場発生装置（５）　によって作られる磁
場強度は中心軸上で共鳴磁場強度（ｉｉ子サイクロトロ
ン共鳴発生条件を満たす磁場強度Ｂ＝ωｍ／ｅ：ｍ＝電
子の質量、ｅ＝電子の電荷）未満であり、中心軸から離
れた位置で共鳴磁場強度以上である。導波管（２）に設
けられた開口は、アンテナ（８）を空間を有して包囲す
るセラミック製の真空シール部（７）によってシールさ
れており、また、磁場発生装置（５）の外周面は放電管
である外壁（８）によって覆われており、外壁（８）内
が高真空状態に維持できるようにされている。導波管（
１）の端部には整合器（９）が設けられている。この整
合器は、マグネトロンｍから放射されたマイクロ波がプ
ラズマを生成するのに完全に利用されて反射波がＯにな
るように調整される。

このように構成されたプラズマ発生装置においては、プ
ラズマは次のようにして発生される。マグネトロン（１
）から発生されたマイクロ波は、導波管（２）内を伝達
してアンテナ（８）に至り、このアンテナ（８）から高
真空状態に保たれた空間に放出される。放出されたマイ
クロ波共鳴磁場強度の磁場中までさらに伝播して、ここ
で電子サイクロトロン共鳴を起してプラズマを生成する
のにそのエネルギーが消費される。生成されたプラズマ
は磁場発生装置（５）の中心軸に沿って拡散される。

プラズマの生成と共に熱が発生するが、アンテナから導
波管（２）内に冷却媒体を流すようにすれば発熱による
装置の損傷は防止することができる。」と開示している
。

第３図に示すマイクロ波アンテナ（３）はセラミック製
の真空シール部（７）を通って放電管（８）へマイクロ
波を放出してプラズマ生成を行なうものであるが、この
場合、以下のような要因により真空シール部（７）が破
損し、よってこのような真空システム全体が失陥してし
まう事故が発生している。

■すなわちプラズマからの荷電粒子及びマイクロ波のセ
ラミックシール部での誘電体ロスによりこの真空シール
部（７）が高温となり、また金属部との接合箇所の高温
度により熱変形を受けて破損する。これは導波管部（２
）及び放電管部（８）を冷却媒体を流すことにより冷却
しても防止することができない（この公開公報では特に
媒体が何であるか明示していないが構造上、空気である
と思われる。）。特に７００ワツトを越える高電力のマ
イクロ波を導入するときには、その故障頻度は増加する
。

■特にイオンビーム引出のためのイオン源の場合は引出
電極（１０）が設けられるが、この付近で出てきた電子
は加速され、放電管（８）側へ逆流して（る。この電子
はセラミック製の真空シール部（７）を直撃し、これを
破損するに至る。

〔発明が解決しようとする間顕点］本発明は上記問題に鑑みてなされ、誘電体でなる真空シ
ール部の破損を防止し、７００ワツトを越えるような高
電力のマイクロ波でも定常的に導入することのできるプ
ラズマ発生装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段１上記目的は、内部が高真空に保たれる放電管と、中心軸
上の磁場強度が共鳴磁場強度未満であり、前記中心軸か
ら離れた位置の磁場強度が共鳴磁場強度以上である磁場
を前記放電管内に形成する筒状の磁場発生装置と、前記
放電管の中心軸に同心的に該放電管の管壁に一端が固定
される筒状ケーシングと、該筒状ケーシングの内側に同
心的に配設され、該筒状ケーシングの前記一端から前記
放電管内に所定長、突出するように配設された管状のア
ンテナと、前記筒状ケーシングの内壁面と前記アンテナ
の外壁面との間に気密に固定され、誘電体で成る環状の
真空シール部材と、前記管状のアンテナ内に冷却媒体を
循環させる冷却媒体循環手段と、前記真空シール部材に
対応する前記筒状ケーシングの外壁面の部位に取り付け
られた環状の冷却用ブロックとから成り前記筒状ケーシ
ングと前記アンテナとの間の空間をマイクロ波が伝送さ
れるようにしたプラズマ発生装置、によって達成される
。

〔作　　　用１アンテナはその内部を循環する冷却媒体で冷却され、ま
たその外側の筒状のケーシングは冷却用ブロックで冷却
されるので、このブロックに対応するように筒状ケーシ
ング及びアンテナ間に嵌着されている真空シール部材の
外周部及び内周部が効率よく冷却され、プラズマ及び誘
電体、導電体でのマイクロ波の電力ロスにより大きく温
度の上がることが防止されている。よってこの真空シー
ル部材を長期に亘って正常に動作させるべく冷却する。

よってまた１にＷという高電力のマイクロ波も導入する
ことができ、またアンテナの寿命は大巾にのばすことが
できる。

［実　施　例］以下、本発明の実施例によるプラズマ発生装置について
第１図を参照して説明する。

第１図においてプラズマ発生装置は全体として（２０）
で示され円筒状の放電管（２１）は従来と同様に構成さ
れ、その内部は高真空化されているが内周壁部に磁場発
生装置（２９１（なお、−Ｈ的には外周壁部に設けられ
る。これによってプラズマによる内周壁部の汚染が防止
される。）が設けられ、これは従来例の第３区と同様に
構成され、軸方向に延びる磁極が多数Ｎ極とＳ極とを交
互に変化させて配置固定させている。また放電管（２１
）の側壁部に形成される開口端ｆ２１ａ）には筒状ケー
シング（２２）の一端が固定されており、これと同心的
にこの内側には２重管としての管状のアンテナ（２３）
が配設されており、これは放電管（２１）内に所定量突
出しており、この放電管（２１）内に突出している一端
には円形の平板（２６）が固定されている。

アンテナ（２３）は２重管構造であるが、外側の管（２
４）と同心的に内管（２５）が配設されており、内管（
２５）内の空間Δ及び外管（２４）と内管（２５）との
間の空間旦との間に矢印で示すよう水Ｗが循環している
。なおこの水を循環させるための駆動部は図示省略して
いる。

アンテナ（２３）の外管（２４）と筒状のケーシング（
２２）との間にはセラミックで成る真空シール部材（２
７）が嵌着固定されている。すなわち接合部Ｐ及びＱで
示すようにケーシング（２２）の内壁及び管状アンテナ
（２３）の外壁に気密に接合している。また真空シール
部材（２７）に対応する部位の、ケーシング（２２）の
外壁面に環状の冷却用ブロック（２８）が嵌着されてい
る。

また本実施例によれば放電管（２１）の一端には引出用
の電極（３０）が取り付けられている。放電管（２１）
の軸方向の長さは１．５　ん（えは導入されるマイクロ
波の波長）であり、平板（２６）の径はｌ／４λ、また
アンテナ（２３）の放電管（２１）内への突出量は３／
４　λと設定されている。

本発明の実施例によるプラズマ発生装置は以上のように
構成されるのであるが、次にこの作用について説明する
。

第１図において右側の方に配設されるマグネトロンで発
生したマイクロ波はケーシング（２２）とアンテナ（２
３）との間の空間を矢印（３２）で示すように伝播し、
セラミック製の真空シール部材（２７）を通ってアンテ
ナ（２３）の働きにより矢印（３１）で示すように放電
管（２１）内へ放出される。多数の磁石（２９）で形成
されるマイクロ波共鳴磁場強度の磁場中に伝播し、ここ
で電子サイクロトロシ共鳴　１ＥｃＲ１を起こし、プラ
ズマ生成のためそのエネルギーを消費する。またこのよ
うに形成されたプラズマから引出量１ｆｉ　ｆ３０＋に
よりイオンビームが引き出され、この場合にはイオン源
として引出電極（３Ｇ）が機能する。

またこのとき、電子［ｅ）は矢印で示す如く真空シール
部材（２７（に向がって流れるが平板（２６）により遮
られて、これら電子は真空シール部材（２７）を直撃す
ることはない。

また真空シール部材（２７）の誘電体ロスや筒状ケーシ
ング（２２）に生ずる渦電流によるエネルギーロスによ
り真空シール部材（２７）に熱が加えられても、この内
周部及び外周部の冷却により、すなわちアンテナ（２３
）内を循環する冷却用水により内周部から接合部Ｑを介
して冷却され、またその外周部は冷却用ブロック（２８
）によりケーシング（２２）との接合部Ｐが効率よく冷
却されるので真空シール部材（２７）の温度が上昇する
ことなく、よって従来生じていた、このシール部の破損
が防止される。

よって第１図に示すような真空系全体が長期に亘って正
常に作動することを保証する。また本実施例によればキ
ャビティとしての放電管（２１）の軸方向の長さが１．
５凡のアンテナ（２３）の放電管（２１）内への突出量
が３７４ん、平板（２６）の径が　１７４尤（波長え＝
　１２２１）１）１）　）とすることによりマイクロ波
が効率よくプラズマに吸収され本実施例ではＩＫｗ以上
のマイクロ波が導入することができ、またアンテナ（２
３）の寿命は引出電極（３０）の所で数置の放電が生じ
、電子の逆流があったにも拘らず従来の寿命の１０倍延
びた。すなわち約半年間メンテナンスフリーとなった。

第２図は、本発明の第２実施例によるプラズマ発生装置
を示すが第１実施例に対応する部分については同一の符
号を付し、その詳細な説明は省略する。

すなわち、本実施例においては開口端（２１ａｌ　に近
接して、更に誘電体でなるブロック板（３３）が配設さ
れている。これは管状のアンテナ（２３）に嵌着されて
いる。放電管（２１）内で金属イオンを発生する場合に
は、これが真空シール部材（２７）の方にも飛んでくる
が、本実施例によれば、開口端１２１ａ）の開口度は充
分に小さいので、その金属イオンの付着量は少ないが、
なおこの付着量が漸次増大すると、マイクロ波を遮蔽す
ることになり放電管（２１）内にマイクロ波を伝達する
ことができなくなる。あるいはその伝達量が非常に少な
くなる。これに対処するために本実施例では誘電体でな
るブロック板（３３）が開口端（２１ａｌ　に近接して
配設されている。これにより放電管（２１）から飛んで
くる金属イオンがブロック板（３３）で遮断され、真空
シール部材（２７）に付着することが防止される。よっ
て金属イオンが発生する場合でも本実施例のプラズマ発
生装置は長期に亘って所定の作用を行なうことができる
のであるが、それでも真空シール部材（２７）に金属膜
が付着し、これがマイクロ波の遮蔽作用を示す場合には
アンテナ（２３）に容易に例えば１３．５６ＭＨ，程度
の周波数のＲＦを印加できるので、これにより真空シー
ル部材（２７）の周辺にプラズマを発生し、このイオン
が真空シール部材（２７１の表面に衝突し、すなわちス
パッタリングすることにより、付着していた金属イオン
を離脱させ、除去することができる。よって真空シール
部材（２７）に付着していた金属イオンによるマイクロ
波の遮蔽作用は再び元通り零とされる。

以上、本発明の実施例について説明したが、勿論、本発
明はこれに限定されることな（、本発明の技術的思想に
基いて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施例においてはアンテナ（２３）の放電
管（２１）内への突出量、放電管（２目の軸方向の長さ
、平板（２６）の径の大きさ等を導入されるマイクロ波
の波長に所定の関係に設定したが、所定値でなくても本
発明の効果が失われることがない。

また以上の実施例では引出電極（３０）をイオン源とし
て用いたが、勿論引出電極を省略して単にプラズマ発生
装置としても本発明は適用可能である。

また以上の実施例ではアンテナ（２３）内に水を循環さ
せることにより冷却されたが、これに限ることなく他の
媒体、例えば油を流すことにより冷却するようにしても
よい。

また以上の実施例ではアンテナ（２３）の一端に平板（
２６）を取り付けることにより真空シール部材（２月へ
と向かう電子を遮るようにしたが、場合によっては平板
を省略しても本発明の効果が大巾に失われることはない
。

［発明の効果］以上述べたように本発明のプラズマ発生装置によれば真
空シール部の寿命を従来より大巾に長くすることができ
、よって長期に亘ってメンテナンスフリーとすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明による第１、第２実施例のプ
ラズマ発生装置の要部の側断面図、第３図は従来例のプ
ラズマ発生装置の側断面図及び第４図は第３図における
ＩＶ−ＩＶ線方向断面図である。なお、図において、（２０）・・・・・・・・　プラズマ発生装置（２１）
・・・・・・　円筒状の放電管（２２）・　・　・　筒
状のケーシング（２３）・・・　・　　管状のアンテナ
（２７）・・・・　真空シール部材（２９）　　　・・磁場発生装置代　　　理　　　人鈑　　阪　　　　泰　　雄第１大第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）内部が高真空に保たれる放電管と、中心軸上の磁
場強度が共鳴磁場強度未満であり、前記中心軸から離れ
た位置の磁場強度が共鳴磁場強度以上である磁場を前記
放電管内に形成する筒状の磁場発生装置と、前記放電管
の中心軸に同心的に該放電管の管壁に一端が固定される
筒状ケーシングと、該筒状ケーシングの内側に同心的に
配設され、該筒状ケーシングの前記一端から前記放電管
内に所定長、突出するように配設された管状のアンテナ
と、前記筒状ケーシングの内壁面と前記アンテナの外壁
面との間に気密に固定され、誘電体で成る環状の真空シ
ール部材と、前記管状のアンテナ内に冷却媒体を循環さ
せる冷却媒体循環手段と、前記真空シール部材に対応す
る前記筒状ケーシングの外壁面の部位に取り付けられた
環状の冷却用ブロックとから成り前記筒状ケーシングと
前記アンテナとの間の空間をマイクロ波が伝送されるよ
うにしたプラズマ発生装置。
（２）前記アンテナの前記放電管内にある一端に、前記
真空シール部材に向って流れる電子を受けるように遮蔽
板が固定されている請求項（１）に記載のプラズマ発生
装置。
（３）前記アンテナは２重管であって、その内側の管内
と外側の管内との間で冷却媒体を循環させるようにした
請求項（１）又は（２）に記載のプラズマ発生装置。
（４）前記放電管の軸方向の長さは１．５λ（λは伝送
されるマイクロ波の波長）である請求項（１）乃至（３
）のうちいずれかに記載のプラズマ発生装置。
（５）前記アンテナの前記放電管内の突出長は３／４λ
である請求項（１）乃至（４）のうちいずれか１項に記
載のプラズマ発生装置。
（６）前記遮蔽板は円形の平板であつて、その径は１／
４λである請求項（１）乃至（５）のうちいずれか１項
に記載のプラズマ発生装置。