JP2000021599A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】過負荷耐量を増大させることができ、運転自由
度を拡大できるプラズマ発生装置を提供する。 【解決手段】マイクロ波発生源から送出されたマイクロ
波電力を放電容器内に注入する導波管２，２２，４と、
これら導波管の途中に介挿されて放電容器を封止する誘
電体製の窓材１６を持つ封止機構３と、導波管の途中で
封止機構３と放電容器との間を誘電体製の窓材２６で仕
切る防護用仕切り機構２１とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波電力を
使って放電容器内にプラズマを発生させるプラズマ発生
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波電力を使ってプラズマを発生
させるプラズマ発生装置は、核融合炉における中性粒子
入射装置のイオン源や、プラズマエッチング装置、プラ
ズマ気相成長装置などのプロセシングプラズマ装置のプ
ラズマ源として用いられる。このようなプラズマ発生装
置のうち、数百Ｗ以上の大電力のマイクロ波を放電容器
内へ注入してプラズマを発生させる装置では、通常、マ
イクロ波源と放電容器とを導波管でつなぐ構成が採用さ
れる。

【０００３】図６には導波管を用いた従来のプラズマ発
生装置の概略構成が示されている。マイクロ波源１で生
成されたマイクロ波は、導波管２、封止機構３、Ｌ字型
の導波管４、５、フランジ６を介して放電容器７へ注入
される。導波管内は、封止機構３を境にして大気雰囲気
（導波管２）と真空雰囲気（導波管３，４）とに分かれ
る。

【０００４】放電容器７は図示しない排気装置に接続さ
れるとともに図示しないガス供給装置に接続されてい
る。放電容器７に導入されたマイクロ波は、放電容器７
の周囲に配された永久磁石８，９が発生する磁場と相互
作用し、放電容器７内のガスを電離してプラズマを発生
する。発生したプラズマ中のイオンは絶縁材１０を介し
て電圧の印加されているイオン引き出し電極１１，１２
によって放電容器外へと引き出される。

【０００５】図７には封止機構３の概略断面が示されて
いる。

【０００６】封止機構３は、導波管２の端部に取り付け
られたフランジ１３と導波管４の端部に形成されたフラ
ンジ１４との間にゴムリング１５を介してアルミナセラ
ミックス等で形成された窓材、つまり誘電体製の窓材１
６を介在させ、この状態でボルト１７を使って締め付け
て気密に封止したものとなっている。なお、図では省略
されているが、通常、窓材１６を冷却する機構が設けら
れている。この構成から判るように、窓材１６を境にし
て導波管２内は大気圧であり、導波管４，５内は放電容
器７内の圧力と同じで、また窓材１６は放電容器７内で
発生するプラズマを直視しない位置に設けられている。

【０００７】このような構成のプラズマ発生装置では、
放電容器７の内部に磁場が存在しているため、この放電
容器７内は磁場が存在しない導波管４，５の内部に比べ
て放電し易い環境となっている。このため、通常の運転
条件では放電の発生する領域は放電容器７内に限定され
る。

【０００８】ところで、大出力のイオンビームを引き出
そうとしたり、プラズマプロセシングでより高効率の反
応を行わせようとしたりするときには、より高密度のプ
ラズマが必要になる。このような場合には、導波管を介
して伝送するマイクロ波電力を増大させたり、放電容器
７内の動作圧力を上昇させたりする方式が採られる。

【０００９】しかしながら、このような手段を講じる
と、導波管４，５内の圧力が、放電容器７内の圧力と略
同じであるため、導波管４，５内でも放電が発生する虞
がある。もしも、導波管４内で放電が発生すると、窓材
１６であるアルミナセラミクスがプラズマの熱や粒子に
さらされることになる。窓材１６の周囲には冷却用の水
冷管が配置されているが、窓材１６を構成しているアル
ミナセラミクスは熱伝導率が小さく、熱や粒子の衝撃が
大きい場合には窓材１６が破壊される。窓材１６が破壊
されると、マイクロ波源１は勿論のこと、放電容器７
や、放電容器側を低圧状態に保持する真空排気装置も損
傷を受けることになり、大きな被害を被ることになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、プラズマ
を発生させるためのエネルギ源としてマイクロ波電力を
用い、このマイクロ波電力を導波管を介して放電容器内
に注入するようにした従来のプラズマ発生装置にあって
は、過負荷状態にした場合に放電容器に接続されている
導波管内で放電が発生する虞がある。導波管内で放電が
発生すると、導波管の途中に設けられている封止機構の
窓材が破損し、大きな被害を被る虞があった。

【００１１】そこで本発明は、過負荷耐量を増大させる
ことができ、運転自由度の拡大に寄与できるプラズマ発
生装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るプラズマ発生装置は、放電容器と、こ
の放電容器内にプラズマ生成用のガスを導入するガス導
入手段と、マイクロ波発生源から送出されたマイクロ波
電力を前記放電容器内に注入する導波管と、この導波管
の途中に介挿されて前記放電容器を封止する誘電体製の
窓材を持つ封止機構と、前記導波管の途中で前記封止機
構と前記放電容器との間を誘電体製の窓材で仕切る少な
くとも１つの防護用仕切り機構とを具備してなることを
特徴としている。

【００１３】なお、防護用仕切り機構は、導波管内を管
軸方向に気密に仕切っていてもよい。この場合、導波管
の管軸方向に隣り合う防護用仕切り機構間または防護用
仕切り機構と前記封止機構との間に存在する空間の圧力
を可変可能とする圧力可変機構を付加し、前記空間の圧
力を放電容器内の圧力より高いレベルまたは低いレベル
に保持することによって上記空間での放電発生を防止す
るようにしてもよい。勿論、前記防護用仕切り機構は、
誘電体製の窓材を前記封止機構における誘電体製の窓材
に近接配置することによって、窓材間での放電発生を防
止する構成であってもよい。

【００１４】本発明に係るプラズマ発生装置では、導波
管内において放電容器側とマイクロ波発生源側とを気密
に遮断する誘電体製の窓材を持つ封止機構の位置を基準
にし、この封止機構と放電容器との間に誘電体製の窓材
を持つ防護用仕切り機構を設けている。このため、例え
ば過負荷運転の実行で放電容器に接続されている導波管
内で放電が生じた場合、防護用仕切り機構の窓材は上記
放電に伴うプラズマの熱や粒子に晒されるが、肝心の封
止機構における窓材はプラズマの熱や粒子に晒されるこ
とはない。したがって、例えば防護用仕切り機構の窓材
がプラズマの熱や粒子によって破壊される程度までプラ
ズマ密度を上げても、真空状態は封止機構の窓材によっ
て維持され、装置としての健全性は何ら損なわれること
はなく、結局、過負荷耐量を大幅に向上させることがで
きる。なお、導波管内を管軸方向に気密に仕切るように
防護用仕切り機構を設けた場合、この防護用仕切り機構
を構成している窓材が破壊すると、放電容器内の圧力や
マイクロ波の入射・反射の状態が変動するので、これら
の変動から窓材が破壊したことを容易に検知できる。し
たがって、防護用仕切り機構における窓材の破壊が検知
された時点で運転を停止したり、運転条件を変更したり
して装置の安全を保持することができる。窓材の破壊の
多くは微小なクラックの発生であり、この程度の破壊で
はマイクロ波の伝送に支障をきたすことはない。したが
って、動作条件の変更によって運転を続行することが可
能で、適当な時期を選んで防護用仕切り機構の破壊され
ている窓材を交換すればよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施形態を説明する。

【００１６】図１には本発明の第１の実施形態に係るプ
ラズマ発生装置の要部斜視図が示されている。なお、こ
の図では図６と同一機能部分が同一符号で示されてい
る。したがって、重複部分の詳しい説明は省略する。

【００１７】この例に係るプラズマ発生装置が従来の装
置と異なる点は、導波管の途中で封止機構３と放電容器
７との間に防護用仕切り機構２１を介在させたことにあ
る。

【００１８】防護用仕切り機構２１は、図２に示すよう
に、導波管４の端部に形成されたフランジ１４と繋ぎ用
の導波管２２の一方の端部に形成されたフランジ２３と
の間にゴムリング２４，２５を介してアルミナセラミッ
クス等で形成された、いわゆる誘電体製の窓材２６を介
在させ、この状態でボルト２７を使って締め付けて気密
に仕切ったものとなっている。なお、図では省略されて
いるが、窓材２６を冷却するための冷却機構が設けられ
ている。また、封止機構３は、導波管２２の他方の端部
に形成されたフランジ２８とフランジ１３との間に設け
られている。

【００１９】そして、この例においては、防護用仕切り
機構２１と封止機構３との間に形成された空間２９が放
電容器７内の圧力に較べて十分に低い、高真空に保持さ
れている。

【００２０】このような構成であると、過負荷運転の実
行等で、導波管４の内部で放電が起こると、防護用仕切
り機構２１の窓材２６は放電に伴うプラズマの熱や粒子
に晒される。しかし、気密封止の主役である封止機構３
における窓材１６はプラズマの熱や粒子に晒されること
はない。したがって、例えば防護用仕切り機構２１の窓
材２６がプラズマの熱や粒子によって破壊される程度ま
でプラズマ密度を上げても、封止機構３の窓材１６によ
って放電容器側の真空状態が維持され、装置としての健
全性が保持されるので、結局、過負荷耐量を大幅に向上
させることができる。

【００２１】また、この例では防護用仕切り機構２１と
封止機構３との間に形成された空間２９が放電容器７内
の圧力に較べて十分に低い、高真空に保持されているの
で、この空間２９において放電が起こるようなことはな
い。すなわち、ガスを閉じ込める容器の大きさを固定す
ると、ガスが放電するためには放電に適した圧力領域が
存在する。放電はエネルギを持った電子やイオンがガス
と衝突してガスを電離し、電離して生じた電子等がマイ
クロ波によって生成される高周波電場で加速され、更に
ガスを電離する。この過程を繰り返すことによって荷電
粒子が増大する。圧力が極端に低くガス粒子が少ないと
きには、荷電粒子はガスと衝突する前に容器壁に衝突す
る。一方、圧力が高過ぎると電子が十分に加速される前
にガスと衝突するため、電離に必要な高エネルギを得る
ことができない。したがって、圧力には電離し易い領域
がある。放電させるためには、この放電に適した圧力値
が選ばれる。放電容器７内では、さらに磁場を印加する
ことによって、より放電し易い環境を作ることができ
る。マイクロ波放電で用いる典型的な圧力領域は１〜
０．０１Ｐａ程度である。空間２９の圧力を上記値より
低い０．００１Ｐａ以下に保持しておくと、空間２９内
で放電が発生することはない。

【００２２】なお、空間２９の圧力を放電容器７内の圧
力とは異ならせておくと、防護用仕切り機構２１を構成
している窓材２６が破壊したとき、放電容器７内の圧力
やマイクロ波の入射・反射の状態が変動するので、これ
らの変動から窓材２６が破壊したことを容易に検知でき
る。したがって、防護用仕切り機構２１における窓材２
６の破壊が検知された時点で運転を停止したり、運転条
件を変更したりして装置の安全を保持することができ
る。窓材２６の破壊の多くは微小なクラックの発生であ
り、この程度の破壊ではマイクロ波の伝送に支障をきた
すことはない。したがって、動作条件の変更によって運
転を続行することが可能で、適当な時期を選んで防護用
仕切り機構２１の破壊されている窓材２６を交換すれば
よいことになる。

【００２３】上記例では、空間２９の圧力を放電容器７
内の圧力より十分低くしているが、逆に放電容器７内の
圧力より十分高く、例えば大気圧程度に高くしてもよ
い。このように空間２９の圧力を十分高くすると、前述
のように電子などが十分なエネルギを得る前にガスに衝
突してしまうために放電することはない。空間２９内の
ガスを空気とし、圧力を大気圧とすると、封止機構３の
組み立てに当たって真空ポンプやガス導入系などの特別
な設備を必要としないので、作業の容易化を図ることが
できる。空間２９の圧力を大気圧に比べ陽圧あるいは負
圧にしても、放電容器７内に比べ十分高い圧力であれば
略同じ効果を得ることができる。勿論、ガスの種類も空
気に限られるものではない。

【００２４】図３には本発明の第２の実施形態に係るプ
ラズマ発生装置における要部が示されている。この図で
は図２と同一機能部分が同一符号で示されている。した
がって、重複する部分の詳しい説明は省略する。

【００２５】この例が先の例と異なる点は、空間２９
を、導管３１，バルブ３２を介して図示しない圧力可変
機構に接続し、圧力およびガスの種類を自由に可変でき
るようにしたことにある。

【００２６】このように構成しても、先の例と同様の効
果を発揮させることができる。

【００２７】上述した各例では、空間２９の圧力を放電
容器７内の圧力より十分に高くしたり、あるいは逆に十
分に低くしたりすることによって空間２９での放電発生
を防止しているが、空間２９の形状、寸法を放電の起き
ない条件に設定してもよい。

【００２８】図４にはこのような条件に設定したプラズ
マ発生装置、すなわち本発明の第３の実施形態に係るプ
ラズマ発生装置における要部が示されている。この図に
おいては図３と同一機能部分が同一符号で示されてい
る。したがって、重複する部分の詳しい説明は省略す
る。

【００２９】この例においては、マイクロ波の進行方向
を基準にして、封止機構３における窓材１６の後流側側
面に近接させて防護用仕切り機構２１ａを構成している
誘電体製の窓材２６を配置し、窓材２６と窓材１６との
間に形成されている空間２９ａの圧力を放電容器内の圧
力と同じにしている。

【００３０】具体的には、放電容器内で使用するガスが
圧力０．１Ｐａの水素の場合で、窓材２６と窓材１６と
の間にスペーサ３３を介在させて間隔を１ｍｍ程度と
し、空間２９ａで放電が起きないようにしている。

【００３１】このように構成してもよい。なお、窓材２
６を気密封止形態に設け、空間２９ａのガスの種類や圧
カ条件を適宜設定してもよい。

【００３２】また、生成されるプラズマ密度が低い等で
窓材への負担が少ない場合には、図５に示すように、防
護用仕切り機構２１を、プラズマを直視する場所に設置
してもよい。

【００３３】なお、本発明は上述した例に限られるもの
ではない。上述した例では矩形導波管を用いているが、
円形導波管を用いてもよい。また、上述した例では防護
用仕切り機構を１段だけ設けているが、複数段設けても
よい。この場合、導波管の管軸方向に隣り合う防護用仕
切り機構間に存在する空間の圧力を、放電条件を満たさ
ない値に可変可能とする圧力可変機構を付加してもよ
い。また、窓材としては、アルミナセラミックスに限ら
ず、窒化ボロン、サファイア等も使用できる。また、用
途としては、イオン源のほかに、マイクロ波プラズマを
用いる半導体製造設備や化学処理装置などのプラズマ発
生装置にで用いることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、過負荷
耐力を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ発生装
置の要部斜視図

【図２】同装置に組み込まれた封止機構と防護用仕切り
機構とを示す断面図

【図３】本発明の第２の実施形態に係るプラズマ発生装
置における要部断面図

【図４】本発明の第３の実施形態に係るプラズマ発生装
置における要部断面図

【図５】本発明の第４の実施形態に係るプラズマ発生装
置における要部断面図

【図６】従来のプラズマ発生装置における要部斜視図

【図７】同装置に組み込まれた封止機構の断面図

【符号の説明】

１…マイクロ波源 ２，４，５，２２…導波管 ３…封止機構 ６…フランジ ７…放電容器 ８，９…磁石 １０…絶縁材 １１，１２…イオン引き出し電極 １３，１４，１４ａ，２３，２８…フランジ １５…ゴムリング １６…誘電体製の窓材 １７，２７…ボルト ２１，２１ａ…防護用仕切り機構 ２４，２５…ゴムリング ２６…誘電体製の窓材 ２９，２９ａ…空間 ３１…導管 ３２…バルブ ３３…スペーサ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電容器と、この放電容器内にプラズマ生
   成用のガスを導入するガス導入手段と、マイクロ波発生
   源から送出されたマイクロ波電力を前記放電容器内に注
   入する導波管と、この導波管の途中に介挿されて前記放
   電容器を封止する誘電体製の窓材を持つ封止機構と、前
   記導波管の途中で前記封止機構と前記放電容器との間を
   誘電体製の窓材で仕切る少なくとも１つの防護用仕切り
   機構とを具備してなることを特徴とするプラズマ発生装
   置。
2. 【請求項２】前記防護用仕切り機構は、前記導波管内を
   管軸方向に気密に仕切っていることを特徴とする請求項
   １に記載のプラズマ発生装置。
3. 【請求項３】前記導波管の管軸方向に隣り合う前記防護
   用仕切り機構間または上記防護用仕切り機構と前記封止
   機構との間に存在する空間の圧力を可変可能とする圧力
   可変機構が付加されていることを特徴とする請求項２に
   記載のプラズマ発生装置。
4. 【請求項４】前記圧力可変機構は、前記空間の圧力を前
   記放電容器内の圧力より高いレベルまたは低いレベルに
   保持していることを特徴とする請求項３に記載のプラズ
   マ発生装置。
5. 【請求項５】前記防護用仕切り機構は、前記誘電体製の
   窓材を前記封止機構における前記誘電体製の窓材に近接
   配置していることを特徴とする請求項１に記載のプラズ
   マ発生装置。