JP2005116312A - マイクロ波プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導波管方式のマイクロ波プラズマ発生装置で負イオン発生にセシウムを用いると、導波管内壁にセシウムが付着することが多い。管壁にセシウムが付着すると、負イオン発生の効率が悪くなるほか、導波管内で放電が発生する危険があった。
【解決手段】導波管４内壁近傍に管壁から離して角筒状薄板導体１６を設置し、この角筒状薄板導体１６を放電容器１より高温に保つことにより負イオンビームの出力を増大させるガスの付着を防止する。角筒状薄板導体１６の加熱は、プラズマから飛び出してくる電子パワーや、電気ヒータを利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、核融合プラズマの加熱に用いられる大型イオン源や、プラズマドライエッチング装置、あるいはプラズマ気相成長装置等のプロセシングプラズマ装置のプラズマ源として使用されるマイクロ波プラズマ発生装置に関する。

従来、マイクロ波プラズマ発生装置は、核融合のための中性粒子入射過熱装置のイオン源や、半導体製造装置に使用されるプラズマドライエッチング装置、あるいはプラズマ気相成長装置のプラズマ源等に用いられている。
特に数百Ｗ以上の大電力のマイクロ波を放電容器内に導入してプラズマを生成するプラズマ発生装置では導波管が用いられている。

また、水素あるいは重水素の負イオンを発生させる水素負イオン源に使用される場合では負イオンの発生を効率的に行うために、セシウムガスを放電容器内へ導入するように構成されることがある。

以下図面を参照して、マイクロ波プラズマ発生装置の一つである水素負イオン源の従来例を説明する。
図５において、１は放電容器で、この放電容器１の一方のフランジ２には、マイクロ波発生器２０から途中に配置された真空窓３を通過させて放電容器１内へマイクロ波ＭＷを導入する矩形の導波管４が接続されている。

真空窓３の材質としてはマイクロ波の通過に対して透明なアルミナセラミクスが用いられている。
５は放電容器１の外面に配設された永久磁石で、放電容器１内に磁場を形成する。
また、放電容器１には所定の被放電ガスが充てんされ、マイクロ波ＭＷと磁場の相互作用によって放電が発生しプラズマが形成される。

６は気化したセシウムガスを供給するためのガス導入管である。セシウムガスは最も電離電圧が低い物質で、水素プラズマ中へ気化したセシウムガスを混入させることにより効率よく水素あるいは重水素の負イオンが生成できる。
放電容器１の他方のフランジ７には、プラズマ中のイオンを引き出すための複数枚の引出電極８が設置されている。

引出電極８間にはイオンビームＩＢを所定のエネルギーに加速するために所定の値の電圧を絶縁材９を介して加速電源１０から印加している。
１１と１２は放電容器１と引出電極８との間、および放電容器１と導波管４との間にバイアス電圧を加えるバイアス電源である。

図６は図５に示す水素負イオン源の軸方向に沿った断面図である。引出電極８には加速したイオンビームＩＢを通過させるための多数の引出孔１３が形成されている。
ところで、マイクロ波放電を用いるプラズマ発生装置では、フランジ２に直接真空窓３であるアルミナセラミクスを設置する例が多い。このような構成の場合は、真空窓３がプラズマの熱やプラズマ粒子の衝撃に曝され、場合によってはアルミナセラミクスが破損する恐れがある。そのため生成するプラズマ密度に制限が加わり、高密度プラズマが生成できないという問題点がある。

図５に示す水素負イオン源において、曲がった導波管４を設置している理由は、真空窓材を保護するための対策であり、真空窓３をＨコーナや、Ｅコーナによって、プラズマを直視しない位置に置いている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、このＨコーナや、Ｅコーナを配置しただけの場合は、放電容器１内のプラズマが、導波管４の内部に進入することがある。導波管４内にプラズマが存在すると、真空窓３を通過して進行してきたマイクロ波ＭＷがプラズマ表面近傍で一部が反射されてしまう。そのため放電容器１へ効率よくマイクロ波ＭＷを投入できなかった。

上記の問題点を解決するために図５および図６に示す水素負イオン源においては、放電容器１と導波管４との間に絶縁材を配し、さらに直流バイアス電源１２により導波管４を放電容器１より高電位としている。

導波管４を放電容器１より高電位にするとプラズマ中のイオンに対し静電障壁が形成され、導波管４内へのプラズマの進入が抑えられる。そのため大電力のマイクロ波を放電容器１へ容易に投入できる。
特開平７−８５９９３号公報

一方、核融合の分野では技術開発の進展に伴い、大出力の水素負イオン源が要求されるようになってきている。
負イオンビームの出力を増大させる効果的な手段は、気化したセシウムガスを水素プラズマ中へ添加することである。

セシウムガスは上述のように最も低い電離電圧をもつ物質で、低圧力放電を容易にするほか、電子の供給源として適しており、原子状の水素を効率よく負イオンへ変換することができる。そのため、大型の負イオン源ではセシウムガスが多く用いられる。

セシウムは融点２８．５℃で、適当なオーブンで加熱し、気化させて放電容器１へ供給する。放電容器１内では添加されたセシウムガスが放電プラズマ内でイオン化する一方、放電容器１の壁や引出電極８の表面に付着して薄いセシウム層を形成する。セシウム層に衝突した水素原子は、離脱する際に電子をもらって負イオンに変換され、効率のよい負イオン生成が行われる。

しかし、セシウムは気化しやすい物質ではあるが、沸点が６７０℃であることから、温度の低い場所があると液化して容易に付着する。放電容器１は放電プラズマの熱で常に過熱されているが、導波管４は加熱されていないため放電容器に比べて温度が低い。そのため、導波管４の内側の壁にもセシウムが付着する。

セシウムガスが導波管４の壁に付着するとセシウムの利用効率が低下する。その上、何らかの原因で供給する水素ガスの圧力や導波管４を通過するマイクロ波パワーが変動すると、まれに導波管４内で放電が発生することがある。

導波管４内で放電が発生すると、先に述べたようにマイクロ波の反射がおこるだけでなく、その放電の状態によっては真空窓３を破壊する恐れもある。
上記のように、導波管４を用いる負イオン源では導波管４の内側の壁へのセシウム付着防止が大きな課題である。

本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、導波管壁への負イオンビームの出力を増大させるガスが付着を防止して、負イオン生成を効率よく行わせると共に、導波管内での放電発生を抑えて真空窓の破壊を抑止したマイクロ波プラズマ発生装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、被放電ガスが充てんされ、減圧された内部にプラズマが形成される放電容器と、この放電容器内にマイクロ波を導入するとともに放電容器の温度より相対的に高い温度に設定可能な導波管と、前記放電容器の内部に磁場を形成する磁場形成手段と、前記放電容器へ負イオンビームの出力を増大させるガスを供給するガス導入器を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、被放電ガスが充てんされ、減圧された内部にプラズマが形成される放電容器と、この放電容器内にマイクロ波を導入するとともに、内部にその内壁から離間して薄板状の電気導体板を設置した導波管と、前記放電容器の内部に磁場を形成する磁場形成手段と、前記放電容器へ負イオンビームの出力を増大させるガスを供給するガス導入器を備えたことを特徴とする。

本発明のマイクロ波プラズマ発生装置によれば、導波管壁への負イオンビームの出力を増大させるガスの付着を防止して、負イオン生成を効率よく行わせると共に、導波管内での放電発生を抑えて真空窓の破壊を抑止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、図５および図６に示した従来のマイクロ波プラズマ発生装置と同一の部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１は本発明の第１の実施の形態を示す図で、図５および６に示す従来例と同様にマイクロ波プラズマ発生装置の一つである水素負イオン源を例に説明する。
図１において、放電容器１は直径１５ｃｍ、軸長１５ｃｍの略円筒状である。放電容器１の一方の端部に形成したマイクロ波導入孔のフランジ２には絶縁材９ａを介して導波管４の一端に形成されたフランジ４Ａが接続されている。

導波管４の他端部は例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を生成する図示しないマイクロ波電源に接続されている。マイクロ波電源からのマイクロ波は導波管４を通過して放電容器１内へ導入される。

また放電容器１の筒状部の外壁面には磁場形成手段であるＳｍ−Ｃｏからなる円環状の２個の永久磁石５が放電容器１の両端部に形成したフランジフランジ２、７の近傍に配設されている。
これら一対の永久磁石５は半径方向の相反する向きに着磁されているため、磁力線は放電容器１内の中心軸方向へ大きく張り出す。

放電容器１内へは図示しないガス導入口から水素ガスが導入され、図示しない排気装置によって０．１Ｐａ台の所定圧力に維持することが可能である。
導波管４から供給されたマイクロ波は磁場との相互作用により水素ガスを放電させプラズマを生成する。

水素プラズマを生成した後、図示しない導入口から気化した負イオンビームの出力を増大させるガスを放電容器１内の水素プラズマ中へ添加する。負イオンビームの出力を増大させるガスの添加によって水素負イオンの生成が効率よく行われる。
また、放電容器１のフランジ７には、複数の絶縁リング９ｂを介して引出電極８が取り付けられている。

引出電極８には、放電容器１の軸方向をイオン引出方向とするようにして、イオン引出孔１３が中央部分に多数形成されている。
引出電極８にはイオンを引き出し、加速するための所定電圧が加えられており、生成された水素負イオンは、貫通孔１３を通過しながら加速されて、イオン源外へ取り出される。

導波管４は前述のように放電容器１に対して正にバイアスされており、導波管４方向へのプラズマの移動を静電障壁で防止する。
放電容器１と、引出電極８の間にはイオン源の動作を調整するためにバイアス電圧が加えられている。

導波管４には加熱用のヒータ１５がその外壁に沿って配設され、放電室１より相対的に高い温度に導波管４を維持することが可能である。負イオンビームの出力を増大させるガスは温度が相対的に低い場所である放電室１の壁に付着しやすくなる。
図１の１４は冷却水を通水するための冷却管で、ヒータ１５とくみあわせて導波管の温度調節を行う。

このように本実施の形態によれば、放電容器１に連結した導波管４の温度を放電容器１より相対的に高い温度に設定できるため、導波管壁への負イオンビームの出力を増大させるガスの付着を防止でき、負イオンの生成を効率よく行えるとともに、導波管４内部における放電発生を防止できる。

次に本発明の第２の実施の形態について図２を参照して説明する。
本実施の形態では、導波管４内部に管壁に沿って薄板の角筒状の導体１６を熱の移動を小さくした支持体１７を介して支持した構成を成している。

ただし、角筒状の導体１６の内側寸法はその内部を通過するマイクロ波の伝播を妨げない寸法としている。
また、角筒状の導体１６と導波管４とは同電位となるように設定可能である。

前述のように放電容器１と導波管４の間には、直流バイアス電源１２により導波管４を放電容器１より高電位となるようにバイアスし、プラズマの移動を抑えている。
このためプラズマ中の電子は導波管４方向へ加速される。第１の実施の形態の場合も電子が導波管４に衝突し、管壁を加熱するが、熱容量が大きいことと、大気にさらされているためにその温度上昇は大きくはない。

第２の実施の形態では、電子は角筒状の導体１６に衝突する。角筒状の導体１６は薄板であるとともに、導波管４の壁との間の熱の移動が小さいために高温に加熱される。角筒状の導体１６の板厚と支持体１７は、衝突する電子パワーによって調節し、角筒状の導体１６が放電容器１の壁より温度が相対的に高い温度となるように設定する。

このように本実施の形態においても、放電容器１に連結した導波管４の温度を放電容器１より相対的に高く設定できるため、導波管壁へのセシウムの付着を防止でき、負イオンの生成を効率よく行えるとともに、導波管４内部における放電発生を防止できる。

次に本発明の第３の実施の形態について図３を参照して説明する。
図３において、放電容器１と導波管４を同じ電位とし、角筒状導体１６を導波管４に対し正の電位としている。１８はアルミナセラミクス製の支持体である。第１と第２の実施の形態では放電容器１と導波管４とは異なる電位であった。そのため高電位に設置されるマイクロ波電源、バイアス電源や、導波管、ケーブルなどの構造物はそれぞれの電位に応じて絶縁しなければならない。
これに対し図３では放電容器１と導波管４とが同電位であるため、高電位部分の構成が容易になる。

次に本発明の第４の実施の形態について図４を参照して説明する。
本発明の第２と第3の実施の形態では角筒状導体１６の加熱にプラズマから飛び出してくる電子のパワーを利用していた。しかしイオン源の運転中に角筒状導体１６の温度を変化させたいときもある。

図４はこのような目的のための実施の形態で、図示のごとく角筒状導体１６の周囲に冷却管１４とヒータ１５を設置している。冷却管１４とヒータ１５の併用により電子のパワーに関わりなく、角筒状導体１６の温度が任意に設定できる。

本発明の第１の実施の形態を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態を示す断面図。 本発明の第３の実施の形態を示す断面図。 本発明の第４の実施の形態を示す断面図。 従来のマイクロ波プラズマ発生装置を示す斜視図。 従来のマイクロ波プラズマ発生装置を示す断面図。

符号の説明

１…放電容器、３…真空窓、４…導波管、５…永久磁石、８…引出電極、９…絶縁材、１０…加速電源、１１、１２…バイアス電源、１３…引出孔、１４…冷却管、１５…ヒータ、１６…角筒状の導体、１７、１８…支持体、２０…マイクロ波発生器、ＭＷ…マイクロ波、ＩＢ…イオンビーム。

Claims (7)

1. 被放電ガスが充てんされ、減圧された内部にプラズマが形成される放電容器と、この放電容器内にマイクロ波を導入するとともに放電容器の温度より相対的に高い温度に設定可能な導波管と、前記放電容器の内部に磁場を形成する磁場形成手段と、前記放電容器へ負イオンビームの出力を増大させるガスを供給するガス導入器を備えたことを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
2. 前記導波管を加熱する加熱手段を具備したことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
3. 前記放電容器と前記導波管とを異なる電位に設定可能としたことを特徴とする請求項２記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
4. 被放電ガスが充てんされ、減圧された内部にプラズマが形成される放電容器と、この放電容器内にマイクロ波を導入するとともに、内部にその内壁から離間して薄板状の電気導体板を設置した導波管と、前記放電容器の内部に磁場を形成する磁場形成手段と、前記放電容器へ負イオンビームの出力を増大させるガスを供給するガス導入器を備えたことを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
5. 前記放電容器と前記導波管を異なる電位に設定可能とするとともに、前記導波管と前記薄板状の電気導体板とを同電位に設定可能としたこと特徴とする請求項４記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
6. 前記放電容器と前記導波管とを同電位に設定可能とするとともに、前記導波管と前記薄板状の電気導体板とを異なる電位に設定可能としたことを特徴とする請求項４記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
7. 前記薄板状電気導体板を加熱する加熱手段を具備したことを特徴とする請求項４記載のマイクロ波プラズマ発生装置。
   
   

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