JP6388491B2 - 計測装置を備えたプラズマ発生装置及びプラズマ推進器 - Google Patents

計測装置を備えたプラズマ発生装置及びプラズマ推進器 Download PDF

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Description

本発明は、計測装置を備えたプラズマ発生装置及びプラズマ推進器に関し、特に、発光分光計測装置及びプローブ計測装置を備えたプラズマ発生装置及びプラズマ推進器に関する。
近年、宇宙ロケット用の推進器としてプラズマ推進器が脚光を浴びている。このプラズマ推進器においては、推進剤（推進ガス）としてのキセノンなどの気体を電離イオン化して荷電粒子とした後、荷電粒子に電磁力及び膨張力を作用させることにより、従来のロケット用推進器と比較して効率的に推進を行う。このようなプラズマ推進器に関連するプラズマ発生装置としては、放電容器に発生したプラズマからの光を検出して放電プラズマ中のイオン密度の経時変化を測定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２６９１９１号公報
しかしながら、従来のプラズマ発生装置においては、プラズマからの光で発生状態を制御しているので、プラズマの状態の経時変化は測定できる一方、プラズマの状態を定量的に測定して制御することは困難であった。このため、プラズマの状態をより適切に制御できるプラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ推進器が望まれている。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、プラズマの状況を安定して適切に制御可能な計測装置を備えたプラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ推進器を提供することを目的とする。
本発明の計測装置を備えたプラズマ発生装置は、内部に導入されたガスをイオン化してプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記プラズマの発光スペクトルにより前記プラズマの電子密度の相対値を測定する発光分光計測装置と、前記プラズマ生成部に配置されたプローブにより前記プラズマの電子密度の相対値を測定するプローブ測定装置と、前記プローブ測定装置で測定された前記プラズマの電子密度の絶対値に基づいて、前記発光分光計測装置で測定された前記プラズマの電子密度の相対値を絶対値に補正し、補正された絶対値の測定結果に基づいて前記プラズマ生成部に供給する電力量、磁界分布、及び供給ガス量の少なくとも一つを制御する制御装置と、前記プラズマから前記発光分光計測装置に入光する光の光軸を変化させる光軸駆動部と、具備することを特徴とする。
この計測装置を備えたプラズマ発生装置によれば、光軸駆動部によって発光分光計測装置に入光するプラズマからの光の光軸を変化させることができるので、プラズマ生成部内で生成したプラズマの電子密度の分布をプラズマ生成部内の全域に亘って測定できる。そして、発光分光計測装置で測定されるプラズマの電子密度の相対値をプローブ測定装置で測定されるプラズマの電子密度の絶対値で補正できるので、プラズマ生成部内で生成したプラズマの電子密度の絶対値の分布をプラズマ生成部内の全域に亘って測定することが可能となる。これにより、測定されたプラズマの電子密度の絶対値の分布に基づいて制御装置がプラズマ生成部に供給する電力量、磁界分布、及び供給ガス量などを制御することができるので、プラズマの状況を安定して適切に制御可能な計測装置を備えたプラズマ発生装置を実現できる。
本発明の計測装置を備えたプラズマ発生装置においては、前記発光分光計測装置は、前記プラズマ中の中性粒子に基づく第１発光スペクトルと、前記プラズマ中のイオンに基づく第２発光スペクトルとを選別して前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとのスペクトル強度比を計測し、前記制御装置は、計測した前記スペクトル強度比に基づいて前記プラズマ生成部に供給する電力量、磁界分布、及び供給ガス量の少なくとも一つを制御することが好ましい。
本発明の計測装置を備えたプラズマ発生装置においては、前記プローブが、高周波プローブであることが好ましい。この構成により、磁場の存在下及びプラズマの電子密度が高い場合であっても、精度よく定量的にプラズマ生成部内のプラズマの電子密度を測定することが可能となる。
本発明の計測装置を備えたプラズマ発生装置においては、前記プローブが、前記プラズマの電子密度が１Ｅ１８ｍ-3以上１Ｅ１９ｍ-3以下の領域に設置されてなることが好ましい。この構成により、プラズマの電子密度が適度な範囲内にプローブを配置することができるので、よりプラズマの電子密度が高い領域のプラズマの状態の影響を与えることなく、安定してプラズマの状態を制御することが可能となる。
本発明のプラズマ推進器は、上記計測装置を備えたプラズマ発生装置を備えたことを特徴とする。このプラズマ推進器によれば、光軸駆動部によって発光分光計測装置に入光するプラズマからの光の光軸を変化させることができるので、プラズマ生成部内で生成したプラズマの電子密度の分布をプラズマ生成部内の全域に亘って測定できる。そして、発光分光計測装置で測定されるプラズマの電子密度の相対値をプローブ測定装置で測定されるプラズマの電子密度の絶対値で補正できるので、プラズマ生成部内で生成したプラズマの電子密度の絶対値の分布をプラズマ生成部内の全域に亘って測定することが可能となる。これにより、測定されたプラズマの電子密度の絶対値の分布に基づいて制御装置がプラズマ生成部に供給する電力量などを制御することができるので、プラズマの状況を安定して適切に制御可能なプラズマ推進器を実現できる。
本発明によれば、プラズマの状況を安定して適切に制御可能な計測装置を備えたプラズマ発生装置及びそれを用いたプラズマ推進器を実現できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る計測装置を備えたプラズマ発生装置の模式図である。 図２Ａは、プローブ計測器によるプラズマの電子密度の測定結果の説明図である。 図２Ｂは、発光モニタによるプラズマの電子密度の測定結果の説明図である。 図２Ｃは、プローブ計測器及び発光モニタによるプラズマの電子密度の測定結果の説明図である。 図３は、本実施の形態に係るプラズマ推進器を用いたイオンスラスタの模式的な断面図である。 図４は、図３に示したプラズマ測定部の構成の一例を示す図である。 図５は、スクリーングリッドの正面図である。 図６は、ホールスラスタの概念図である。 図７は、本実施の形態に係るプラズマ推進器を用いたホールスラスタの断面模式図である。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。
図１は、本発明の一実施の形態に係る計測装置を備えたプラズマ発生装置１（以下、単に、「プラズマ発生装置１」ともいう）の模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る１は、内部にプラズマが発生するプラズマ発生領域Ａ１を有する放電容器（プラズマ生成部）１００を備える。この放電容器１００は、接地電位に接続されるアノード１０１と、ＲＦ（ＲＦ：Radio Frequency）電源１０２からＲＦ電力が供給されるカソード１０３と、アノード１０１とカソード１０３との間に設けられ、アノード１０１とカソード１０３との間を絶縁する絶縁部材１０４とを備える。アノード１０１には、放電容器１００内にキセノン、アルゴン及びクリプトンなどのプロセス・ガスを導入するガス導入孔１０５と、放電容器１００内のガスを排気する排気孔１０６と、放電容器１００内に発生したプラズマによる光を透過して外部に出光する光透過窓１０７とが設けられている。
このプラズマ発生装置１においては、真空排気装置（不図示）により放電容器１００内のガスが排気孔１０６を介して放電容器１００外に排出され、放電容器１００内が真空状態となる。この状態で、ガス導入孔１０５からプロセス・ガスが導入され、ＲＦ電源１０２から供給されたＲＦ電力によってプロセス・ガスがイオン化して放電容器１０１内のプラズマ生成領域Ａ１にプラズマが生成する。このプラズマにより、例えば、カソード１０３上に配置されたシリコン・ウェハなどの被処理体１０８を微細加工することができる。
放電容器１００外部には、光透過窓１０７を介して放電容器１００内のプラズマの光を受光して発光スペクトルを測定する発光モニタ（発光分光計測装置）２００が配置されている。この発光モニタ２００は、プラズマ中の中性粒子に基づく第１発光スペクトルと、プラズマ中のイオンに基づく第２発光スペクトルとを選別して第１発光スペクトルと第２発光スペクトルとのスペクトル強度比を計測する。発光モニタ２００と光透過窓１０７との間には、放電容器１００内のプラズマの光を集光して発光モニタ２００に照射する集光レンズ２０１が配置されている。この集光レンズ２０１は、光軸駆動部２０２により集光レンズ２０１の角度を変化可能に配置されている。光軸駆動部２０２は、集光レンズ２０１の角度を変化させることにより、発光モニタ２００に入光するプラズマからの光の光軸Ｘ１を変化させる。発光モニタ２００は、測定したプラズマの発光スペクトルを制御装置２０３に出力する。
また、放電容器１００のアノード１０１には、プローブ２０４が配置されている。このプローブ２０４は、先端が放電容器１００内のプラズマ発生領域Ａ１内に配置される。また、プローブ２０４は、プローブ２０４によって放電容器１００内に生成したプラズマの電子密度を測定するプローブ計測器２０５に接続される。プローブ計測器２０５は、測定したプラズマの電子密度を制御装置２０３に出力する。プローブ２０４としては、プラズマ吸収プローブ（ＰＡＰ：Plasma Absorption Probe）、ラングミュアプローブ及びアンテナプローブなどの各種プローブを用いることができる。また、プローブ２０４としては、磁場の存在下及びプラズマの電子密度が高い場合であっても、精度よく定量的にプラズマ生成部内のプラズマの電子密度を測定することが可能となる観点から、高周波プローブが好ましい。また、プローブ２０４は、プラズマ発生領域Ａ１内の外縁部のプラズマの電子密度が比較的小さい（例えば、１Ｅ１８ｍ-3以上１Ｅ１９ｍ-3以下）範囲に設置することが好ましい。このように配置することにより、プラズマの電子密度が適度な範囲内にプローブを配置することができるので、よりプラズマの電子密度が高い領域のプラズマの状態の影響を与えることなく、安定してプラズマの状態を制御することが可能となる。
制御装置２０３は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの汎用又は専用のコンピュータ及びこのコンピュータ上で動作するプログラムを利用して実現することができる。制御装置２０３は、プローブ計測器２０５によって測定されたプラズマの電子密度及び発光モニタ２００によって測定されたプラズマの発光スペクトルに基づいてＲＦ電源１０２からカソード１０３に供給する電力量、及びガス導入孔１０５から供給されるガス量を制御する。これにより、放電容器１００内に発生したプラズマ発生領域Ａ１内のプラズマを所望の電子密度に制御することが可能となる。また、制御装置２０３は、光軸駆動部２０２を介して集光レンズ２０１を駆動して発光モニタ２００に入光するプラズマの光の光軸Ｘ１を制御する。これにより、発光モニタ２００によってプラズマ発生領域Ａ１内全域のプラズマの電子密度を測定することが可能となる。また、制御装置２０３は、発光モニタ２００によって計測したスペクトル強度比に基づいてアノード１０３に供給する電力量を制御することが好ましい。これにより、プラズマの中性粒子及びイオンのスペクトル強度比に基づいてプラズマの状態を制御できるので、簡便に定性的なプラズマの電子密度の制御が可能となる。
次に、図２Ａ〜図２Ｃを参照して本実施の形態に係るプラズマ発生装置におけるプラズマの電子密度の検出原理について詳細に説明する。図２Ａは、プローブ計測器２０５によるプラズマの電子密度の測定結果の説明図であり、図２Ｂは、発光モニタ２００によるプラズマの電子密度の測定結果の説明図であり、図２Ｃは、プローブ計測器２０５及び発光モニタ２０２によるプラズマの電子密度の測定結果の説明図である。なお、図２Ａ〜図２Ｃにおいては、横軸にプラズマ発光領域Ａ１内の特定の直線上における位置を示し、縦軸に電子密度を示している。
図２Ａに示すように、プローブ計測器２０５でプラズマ発光領域Ａ１内のプラズマの電子密度を測定した場合、プローブ２０４が設置された所定の位置近傍のプラズマの電子密度の絶対値が測定される。これにより、プローブ計測器２０５の測定結果に基づいて制御装置２０３がＲＦ電源１０２からカソード１０３に供給するＲＦ電力、及びガス導入孔１０５から供給されるガス量を制御することにより、プローブ２０４が設置されたプラズマ発生領域Ａ１内の所定の位置近傍の電子密度を正確に制御することが可能となる。
一方、図２Ｂに示すように、発光モニタ２００でプラズマ発光領域Ａ１内のプラズマの電子密度を測定した場合、プラズマ発生領域Ａ１内の光軸Ｘ１に沿った領域のプラズマの電子密度の相対値が測定される。これにより、発光モニタ２００の測定結果に基づいて制御装置２０３がＲＦ電源１０２からカソード１０３に供給するＲＦ電力、及びガス導入孔１０５から供給されるガス量を制御することにより、プラズマ発生領域Ａ１内の発光モニタ２００に入光する所定の光軸Ｘ１に沿った領域の所定の位置近傍の電子密度の分布を速やかに測定することが可能となる。そして、制御装置２０３が光軸駆動部２０４を介して集光レンズ１０２を駆動して光軸Ｘ１を変化させることにより、プラズマ発生領域Ａ１内の全域の電子密度の分布を測定することが可能となる。
図２Ｃに示すように、プローブ計測器２０５及び発光モニタ２００でプラズマ発光領域Ａ１内のプラズマの電子密度を測定した場合、プローブ２０４が設置された所定の位置近傍のプラズマの電子密度の絶対値、及びプラズマ発生領域Ａ１内の光軸Ｘ１に沿った領域のプラズマの電子密度の相対値が測定される。ここで、プローブ２０４が配置された領域上に光軸Ｘ１を配置することにより、光軸Ｘ１に沿った領域のプラズマの電子密度の相対値と、プローブ２０４が設置された所定の位置近傍のプラズマの電子密度の絶対値とを対比することができるので、発光モニタ２００で測定されるプラズマの電子密度の相対値をプローブ２０４によって測定されるプラズマ密度の絶対値に基づいて絶対値に補正することができる。したがって、プローブ計測器２０５及び発光モニタ２００を併用してプラズマ発生領域Ａ１内のプラズマの電子密度を測定することにより、プラズマ発生領域Ａ１内のプラズマ電子密度の分布を絶対値で測定することができる。これにより、プローブ計測器２０５及び発光モニタ２００の測定結果に基づいて制御装置２０３がＲＦ電源１０２からカソード１０３に供給するＲＦ電力を制御することにより、プラズマ発生領域Ａ１内の全域のプラズマの電子密度を正確に制御することが可能となる。
なお、本実施の形態においては、カソード１０３にＲＦ電力を供給してプラズマを発生させる例について説明したが、ＲＦコイルを用いて放電容器１００の外部から放電容器１００内に電界を印加してプラズマを発生させてもよい。
次に、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１の全体動作について説明する。まず、真空排気装置（不図示）が、排気孔１０６を介して放電容器１００内のガスを放電容器１００外に排出し、放電容器１００内を真空状態とする。次に、ガス導入孔１０５からキセノン、アルゴン及びクリプトンなどのプロセス・ガスが導入される。次に、ＲＦ電源１０２からカソード１０３に供給されたＲＦ電力によって放電容器１０１内のプロセス・ガスがイオン化してプラズマ生成領域Ａ１にプラズマが生成する。
次に、制御装置２０３は、光軸駆動部２０２を介して集光レンズ２０１の角度を変化させて発光モニタ２００に入光するプラズマの光の光軸Ｘ１をプラズマ発生領域Ａ１内で変化させながらプラズマの発光スペクトルを計測してプラズマの電子密度の相対的な空間分布を測定する。ここでは、制御装置２０３は、プラズマ中の中性粒子に基づく第１発光スペクトルと、プラズマ中のイオンに基づく第２発光スペクトルとを選別して第１発光スペクトルと第２発光スペクトルとのスペクトル強度比を計測してもよい。また、制御装置２０３は、プローブ計測器２０５により、プラズマ発生領域Ａ１内のプローブ２０４の先端が配置された領域のプラズマの電子密度の絶対値を測定する。
次に、制御装置２０３は、発光モニタ２００によって測定されたプラズマの電子密度の相対的な空間分布をプローブ計測装置２０５の測定結果で補正してプラズマ発生領域Ａ１内のプラズマの電子密度の絶対的な空間分布を測定する。次に、制御装置２０３は、測定したプラズマの電子密度の絶対的な空間分布に基づいてＲＦ電源１０２からカソード１０３に供給するＲＦ電力の電力量、及びガス導入孔１０５から供給されるガス量を制御する。以上により、プラズマ発生領域Ａ１内の電子密度を所望の電子密度に制御する。
以上説明したように、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１によれば、光軸駆動部２０２によって発光モニタ２００に入光するプラズマからの光の光軸Ｘ１を変化させるので、放電容器１００内で生成したプラズマの電子密度の分布をプラズマ発生領域Ａ１内の全域に亘って測定できる。そして、発光モニタ２００で測定されるプラズマの電子密度の相対値をプローブ計測器２０５で測定されるプラズマの電子密度の絶対値で補正できるので、放電容器１００内で生成したプラズマの電子密度の絶対値の分布をプラズマ発生領域Ａ１内の全域に亘って測定することが可能となる。これにより、測定されたプラズマの電子密度の絶対値の分布に基づいて制御装置２０３がカソード１０３に供給するＲＦ電力量、及びガス導入孔１０５から供給されるガス量を制御することができるので、プラズマの状況を安定して適切に制御可能なプラズマ発生装置１を実現できる。
次に、本実施の形態に係るプラズマ推進器について説明する。本実施の形態に係るプラズマ推進器は、イオンスラスタやホールスラスタなどの各種静電荷電粒子推進器及び各種電磁荷電粒子推進器と呼ばれる各種プラズマ推進器に適用可能である。
図３は、本実施の形態に係るプラズマ推進器を用いたイオンスラスタ４００の模式的な断面図である。図３に示すように、このイオンスラスタ４００は、一端が開放された略円筒形状の放電容器４０１と、この放電容器４０１の他端部に設けられ、中心軸線Ａに垂直な底板４０１ａと、放電容器４０１の開放された一端側を覆うように設けられた多層導電性板のイオンビーム抽出電極４０２とを備える。このイオンスラスタ４００においては、放電容器４０１の内部で発生したイオンを加速してイオンビームとし、イオンビーム抽出電極４０２を通してイオンビームを抽出することにより推力を得る。
放電容器４０１の内側面には、放電容器４０１の内部に磁場を形成する磁石を有した磁気回路４０３が設けられている。底板４０１ａの中央部には電子ビームを発生するホローカソード４０４が設けられている。また、底板４０１ａには、キセノン、アルゴン、クリプトン及び重水素などの推進ガスを放電容器４０１内部に供給する推進ガス供給口４０５が設けられている。さらに、放電容器４０１内部には、磁気回路４０３の内面に沿って軸線Ａ周りに延びた環状のアノード４０６が設けられている。このアノード４０６は、ホローカソード４０４よりも電位が高く保持されている。これにより、ホローカソード４０４で発生した電子ビームがアノード４０６により放電容器４０１内で加速される。この加速された電子ビームが推進ガスに衝突し、推進ガスがイオン化し放電容器４０１内にプラズマが発生する。
イオンビーム抽出電極４０２は、モリブデンなどの金属板で構成され、放電容器４０１内側から軸線Ａ方向にスクリーングリッド４０７、加速グリット４０８及び減速グリット４０９の順で互いに隙間を介して配置されている。
放電容器４０１には、先端が放電容器４０１の他端側に向くようにプローブ４１１が配置される。プローブ４１１は、放電容器４０１内の他端部に誘導されたプラズマの電子密度を測定するプローブ計測器４１２に接続される。プローブ４１１としては、プラズマ吸収プローブ（ＰＡＰ：Plasma Absorption Probe）、ラングミュアプローブ及びアンテナプローブなどの各種プローブを用いることができる。プローブ４１１としては、磁場及び高電子密度環境下でも精度よく定量的なプラズマの電子密度を測定できる観点から、高周波プローブが好ましい。また、プローブ４１１は、プラズマ発生領域となる放電容器４０１内の外縁部のプラズマの電子密度が比較的小さい（例えば、１Ｅ１８ｍ-3〜１Ｅ１９ｍ-3）の範囲に設置する。この範囲に配置することにより、放電容器４０１内の中央部に生成した当該範囲より高電子密度のプラズマの電子密度への影響を抑制しつつ、プラズマの電子密度を正確に計測することが可能となるので、イオンスラスタ４００による推進力の低下を防ぐことができる。プローブ計測器４１２は、測定したプラズマの電子密度を制御装置４１３に出力する。
図４は、図３に示したプラズマ測定部４１１の構成の一例を示す図である。センサプローブ４２６の先端部４２６ａは、平面視にて略Ｌ字形状の石英管で被覆されている。センサプローブの先端部４２６ａは、プラズマ生成部に向けてプラズマ測定部の壁面４２１から所定間隔ｄとって配置される。この所定間隔ｄを変化させることにより、プラズマ測定部の任意の領域のプラズマの電子密度の測定が可能となる。センサプローブ４２６の先端部４２６ａは、接続コード４２６ｂを介してレセプタブルコネクタ４２６ｃに接続されている。センサプローブ４２６の先端部４２６ａとプラズマ測定部との間の隙間は真空用トールシールなどの接着剤４３２で封止されている。センサプローブ４２６は、一対の支持板４３３と、この一対の支持板４３３間に配置されるスペーサー４３４と、スペーサー４３４を支持板４３３に固定するナット４３５によってプラズマ測定部に固定される。
図３に示すように、放電容器４０１の外側には、放電容器４０１で生成したプラズマの光を受光して発光スペクトルを測定する発光モニタ４１４が配置されている。発光モニタ４１４と放電容器４０１との間には、放電容器４０１内のプラズマの光を集光して発光モニタ４１４に照射する集光レンズ４１５が配置されている。この集光レンズ４１５には、集光レンズ４１５の角度を変化させる光軸駆動部４１６が接続されている。光軸駆動部４１６は、集光レンズ４１５の角度を変化させることにより発光モニタ４１４に入光するプラズマの光の光軸Ｘ３を放電容器４０１内で変化させる。発光モニタ４１４は、測定したプラズマの発光スペクトルを制御装置４１３に出力する。
制御装置４１３は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの汎用又は専用のコンピュータ及びこのコンピュータ上で動作するプログラムを利用して実現される。制御装置４１３は、プローブ計測装置４１２によって測定されたプラズマの電子密度及び発光モニタ４１４によって測定されたプラズマの発光スペクトルに基づいて電源（不図示）から磁気回路４０３、ホローカソード４０４、及びアノード４０６に供給する電流量及び電圧、推進ガス供給部（不図示）から放電容器４０１内に供給されるガス量を制御する。これにより、放電容器４０１内に発生したプラズマを所望の電子密度に制御することが可能となる。また、制御装置４１３は、光軸駆動部４１６を介して集光レンズ４１５を駆動して発光モニタ４１４に入光するプラズマの光の光軸Ｘ３を制御する。これにより、発光モニタ４１４によって放電容器４０１内の全域のプラズマの電子密度を測定することが可能となる。
また、制御装置４１３は、発光モニタ４１４によって測定したプラズマ中の中性粒子に基づく第１発光スペクトルと、プラズマ中のイオンに基づく第２発光スペクトルとを選別して第１発光スペクトルと第２発光スペクトルとのスペクトル強度比に基づいて磁気回路４０３、ホローカソード４０４、及びアノード４０６に供給する電流量及び電圧、放電容器４０１内に供給されるガス量を制御することが好ましい。これにより、プラズマの中性粒子及びイオンのスペクトル強度比に基づいてプラズマの状態を制御できるので、簡便に定性的なプラズマの電子密度の測定が可能となる。また制御装置４１３は、推進ガス供給部（不図示）を介して放電容器４０１内に導入する推進ガスの流量、及び推進ガスの混合比を制御する。
図５は、スクリーングリッド４０７の正面図である。図５に示すように、スクリーングリッド４０７には、貫通する複数のスクリーンイオン抽出孔４０７ａが設けられている。スクリーングリッド４０７だけでなく、加速グリッド４０８（図５において不図示、図３参照）及び減速グリッド４０９（図５において不図示、図３参照）にも同様に複数の加速イオン抽出孔及び複数の減速イオン抽出孔がそれぞれ設けられている。これらスクリーンイオン抽出孔４０７ａ、加速イオン抽出孔及び減速イオン抽出孔は、軸線Ａに沿って揃って重なるように軸心を一致させて配置されている。
また、スクリーングリッド４０７は、放電容器４０１の電位と同一電位（例えば、＋１ｋＶ）となっており、発生したプラズマを放電容器４０１内部に保つ。加速グリッド４０８は、スクリーングリッド４０７に比べて電位が低く負電位（例えば、−５００Ｖ）となっており、放電容器４０１内のプラズマの陽イオンを軸線Ａに沿って加速グリッド４０８に向かって加速する。また、減速グリッド４０９は、加速グリッド４０８に比べて電位が高く（例えば、０Ｖ）なっており、加速グリッド４０８の下流側のイオンが再び加速グリッド４０８に吸引され衝突することを抑制して加速グリッド４０８を保護する。
次に、本実施の形態に係るイオンスラスタ４００の全体動作について説明する。まず、制御装置４１３が、推進ガス供給部（不図示）を介して予め設定された設計条件の推進ガスの流量、及び推進ガスの混合比に従って推進ガスを推進ガス供給口４０５から放電容器４０１内に供給する。また、制御装置４１３は、予め設定された設計条件の電流量及び電圧に応じて磁気回路４０３、ホローカソード４０４及びアノード４０６に所定の電力を供給する。これにより、ホローカソード４０４からは電子ビームが発生し、アノード４０６により電子ビームが加速される。この電子ビームは、加速されると共に磁石を有する磁気回路４０３により形成された磁場により放電容器４０１内を螺旋状に移動して放電容器４０１内に閉じ込められる。この螺旋移動する電子ビームにより、放電容器４０１内の推進ガスに衝突し電離反応が行われ、キセノン、アルゴン、クリプトン及び重水素などの推進ガスがプラズマとなり、放電容器４０１内にプラズマソース１０が生成される。
加速グリッド４０７の電位は、放電容器４０１の電位に比べて低い負電位となっているので、加速グリッド４０７及び放電容器４０１の電位差に起因する電界が放電容器４０１内部に形成される。この電界により、プラズマの陽イオンが加速グリッド４０８に向かって加速される。この加速された陽イオンは、揃えて重ねられた複数のスクリーンイオン抽出孔４０７ａ、加速イオン抽出孔及び減速イオン抽出孔を通って軸線Ａ方向に放電容器４０１外に放出される。これにより、イオンスラスタ４００には、陽イオンの運動量に応じた推力が与えられる。
次に、制御装置４１３は、光軸駆動部４１６を介して集光レンズ４１５の角度を変化させ、発光モニタ４１４に入光するプラズマの光の光軸Ｘ３を放電容器４０１内で変化させながらプラズマの発光スペクトルを計測してプラズマの電子密度の相対的な空間分布を測定する。ここでは、制御装置４１３は、プラズマ中の中性粒子に基づく第１発光スペクトルと、プラズマ中のイオンに基づく第２発光スペクトルとを選別して第１発光スペクトルと第２発光スペクトルとのスペクトル強度比を計測してもよい。また、制御装置４１３は、プローブ計測器４１２により、放電容器４０１内のプローブ４１１の先端が配置された領域のプラズマの電子密度の絶対値を測定する。
次に、制御装置４１３は、発光モニタ４１４によって測定されたプラズマの電子密度の相対的な空間分布をプローブ計測装置４１２の測定結果で補正し、放電容器４０１内のプラズマの電子密度の絶対的な空間分布を測定する。次に、制御装置４１３は、測定したプラズマの電子密度の絶対的な空間分布に基づいて磁気回路４０３、ホローカソード４０４及びアノード４０６に供給するＲＦ電力の電流量及び電圧を制御する。また、制御装置４１３は、放電容器４０１内に導入する推進ガスの流量、及び推進ガスの混合比を制御する。以上により、放電容器４０１で生成するプラズマの電子密度を設計条件に制御することが可能となる。
以上説明したように、本実施の形態に係るイオンスラスタ４００によれば、光軸駆動部４１６によって発光モニタ４１４に入光するプラズマからの光の光軸Ｘ３を変化させるので、放電容器４０１内で生成したプラズマの電子密度の分布を放電容器４０１内の全域に亘って測定できる。そして、発光モニタ４１４で測定されるプラズマの電子密度の相対値をプローブ計測器４１２で測定されるプラズマの電子密度の絶対値で補正できるので、放電容器４０１内で生成したプラズマの電子密度の絶対値の分布を放電容器４０１内の全域に亘って測定することが可能となる。これにより、測定されたプラズマの電子密度の絶対値の分布に基づいて、制御装置４１３が磁気回路４０３、ホローカソード４０４、及びアノード４０６に供給する電力及び放電容器４０１内に導入する推進ガスのガス流量及び混合比を制御してプラズマの状態を適切に制御して推進力を制御することが可能となる。これにより、例えば、推進ガスの流量不足又は磁気回路４０３、ホローカソード４０４、及びアノード４０６の電流の変動などにより、イオンスラスタ４００が設計条件に応じた推進力が得られない場合であっても、プラズマの電子密度を正確に測定してプラズマを適切な状態に制御できるので、設計条件での安定的なイオンスラスタ４００の動作を確認、制御することが可能となる。
なお、上記実施の形態においては、プラズマ推進器の一例として、イオンスラスタへの適用形態について説明したが、本発明は、他のプラズマ推進器として、例えばホールスラスタ及びＭＰＤ（Magneto-Plasma-Dynamic）／ホローカソードタイプのプラズマ推進器にも適用可能である。
図６は、ホールスラスタの概念図である。このホールスラスタ５００は、円環状の加速チャネル５０１を備える。この加速チャネル５０１は、チャネル外周壁５０２ａとチャネル内周壁５０２ｂとを有しており、推進ガスのガス流れ方向の下流側の端部が開放されている。加速チャネル５０１の下流側の端部の近傍には、カソード５０３が配置されている。加速チャネル５０１の上流部には、アノード５０４が配置されている。アノード５０４には、加速チャネル５０１に推進ガスを供給する推進ガス供給口５０４ａが複数設けられている。推進ガスとしては、例えば、キセノン、アルゴン、クリプトン及び重水素などが用いられる。チャネル外周壁５０２ａの外側には、外周磁気コア５０５が配置され、チャネル内周壁５０２ｂの内側には、中央磁気コア５０６が配置される。
加速チャネル５０１には、径方向の磁場Ｂと軸方向の電場が印加される。外周磁気コア５０５と中央磁気コア５０６により形成される磁気回路に磁気コイルが設けられ、発生する磁束が漏洩することにより加速チャネル５０１に径方向の磁場が印加される。また、アノード５０４とかカソード５０３の間には電圧が印加されて、軸方向の電場を形成する。カソード５０３から放出され加速チャネル５０１内に流入した電子は、電場と磁場の相互作よって、加速チャネル５０１内を円周方向に周回し、ホール電流と呼ばれる円周方向の電流を形成して電子が閉じ込められる。推進ガス供給口５０４ａから供給される推進ガスは、ホール電流として閉じこめられた電子と電離衝突してプラズマが発生する。このプラズマからイオンのみが軸方向の電場によって加速・噴出され、その反作用でホールスラスタの推力が得られる。噴出されたイオンはカソード５０３から放出された電子と結合して中性粒子となる。
図７は、本実施の形態に係るプラズマ推進器を用いたホールスラスタ６００の断面模式図である。図７に示すように、本実施の形態に係るホールスラスタ６００は、加速チャネル６０１は、チャネル外周壁６０２ａとチャネル内周壁６０２ｂにより形成された円環状空間からなる。加速チャネル６０１の推進ガスのガス流れ方向における下流側の端部近傍に、カソード６０３が配置されている。加速チャネル６０１の上流側に、アノード６０４が配置されている。加速チャネ６０１の上流端部には、推進ガス供給口６０５が設けられている。
チャネル外周壁６０２ａの外側に外周磁気コア６０６が配置され、チャネル内周壁６０２ｂの内側には、中央磁気コア６０７が配置されている。加速チャネル６０１の上流端側に配置された後端板６０８は、外周磁気コア６０６と中央磁気コア６０７との間の磁路を形成するヨークとして機能する。外周磁気コア６０６及び中央磁気コア６０７にはそれぞれ、外側磁気コイル６０９、及び内側磁気コイル６１０が設けられている。外側磁気コイル６０９と加速チャネル６０１の間、及び内側磁気コイル６１０と加速チャネル６０１の間にはマグネティックシールド６１１、６１２が配置されている。このホールスラスタ６００においては、マグネティックシールド６１１、６１２を設けて漏洩磁束を遮断し、加速チャネル６１１の下流端域のみにおいて漏洩磁束を通過させることにより、所望の位置に集中した磁場分布が形成される。
チャネル外周壁６０２ａには、先端が加速チャネル６０１の他端側に向けてプローブ７０１が配置される。プローブ７０１は、加速チャネル６０１内のプラズマの電子密度を測定するプローブ計測器７０２に接続される。プローブ７０１としては、プラズマ吸収プローブ（ＰＡＰ：Plasma Absorption Probe）、ラングミュアプローブ及びアンテナプローブなどの各種プローブを用いることができる。プローブ７０１としては、磁場及び高電子密度環境下でも精度よく定量的なプラズマの電子密度を測定できる観点から、高周波プローブが好ましい。また、プローブ７０１は、プラズマ発生領域となる放電容器４０１内の外縁部のプラズマの電子密度が比較的小さい（例えば、１Ｅ１８ｍ-3〜１Ｅ１９ｍ-3）の範囲に設置する。この範囲に配置することにより、加速チャネル６０１内の中央部に生成した当該範囲より高電子密度のプラズマの電子密度への影響を抑制しつつ、プラズマの電子密度を正確に計測することが可能となるので、ホールスラスタ６００による推進力の低下を防ぐことができる。プローブ計測器７０２は、測定したプラズマの電子密度を制御装置４１３に出力する。
推進ガス導入口６０５の近傍には、加速チャネル６０１内で生成したプラズマの光を受光して発光スペクトルを測定する発光モニタ７０４が配置されている。発光モニタ７０４と推進ガス導入口６０５との間には、発光チャネル６０１内のプラズマの光を集光して発光モニタ７０４に照射する集光レンズ７０５が配置されている。この集光レンズ７０５には、集光レンズ７０５の角度を変化させる光軸駆動部７０６が接続されている。光軸駆動部７０６は、集光レンズ７０５の角度を変化させることにより発光モニタ７０４に入光するプラズマの光の光軸Ｘ４を加速チャネル６０１内で変化させる。発光モニタ７０４は、測定したプラズマの発光スペクトルを制御装置７０３に出力する。
制御装置７０３は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの汎用又は専用のコンピュータ及びこのコンピュータ上で動作するプログラムを利用して実現される。制御装置７０３は、プローブ計測装置７０５によって測定されたプラズマの電子密度及び発光モニタ７０４によって測定されたプラズマの発光スペクトルに基づいて電源（不図示）からカソード６０３、アノード６０４、外周磁気コア６０６、及び中央磁気コア６０７に供給する電流量及び電圧、加速チャネル６０１内に供給されるガス量を制御する。これにより、放電容器６０１内に発生したプラズマを所望の電子密度に制御することが可能となる。また、制御装置７０３は、光軸駆動部７０６を介して集光レンズ７０５を駆動して発光モニタ７０４に入光するプラズマの光の光軸Ｘ４を制御する。これにより、発光モニタ７０４によって加速チャネル６０１内の全域のプラズマの電子密度を測定することが可能となる。
また、制御装置７０３は、発光モニタ７０４によって測定したプラズマ中の中性粒子に基づく第１発光スペクトルと、プラズマ中のイオンに基づく第２発光スペクトルとを選別して第１発光スペクトルと第２発光スペクトルとのスペクトル強度比に基づいてカソード６０３、アノード６０４、外周磁気コア６０６、及び中央磁気コア６０７に供給に供給する電流量及び電圧、加速チャネル６０１内に供給されるガス量を制御することが好ましい。これにより、プラズマの中性粒子及びイオンのスペクトル強度比に基づいてプラズマの状態を制御できるので、簡便に定性的なプラズマの電子密度の測定が可能となる。また制御装置７０３は、推進ガス供給口６０５（不図示）を介して加速チャネル６０１内に導入する推進ガスの流量、及び推進ガスの混合比を制御する。
次に、本実施の形態に係るホールスラスタ６００の全体動作について説明する。まず、制御装置７０３が、推進ガス供給部（不図示）を介して予め設定された設計条件の推進ガスの流量、及び推進ガスの混合比に従って推進ガスを推進ガス供給口６０５から加速チャネル６０１内に供給する。また、制御装置７０３は、予め設定された設計条件の電力を外周磁気コア５０５及び中央磁気コア５０６に印加する。これにより、加速チャネル６０１に径方向の磁場が印加される。また、制御装置７０３は、予め設定された設計条件の電圧をアノード５０４とカソード５０３の間には電圧を印加し、加速チャネル６０１に軸方向の電場を形成する。これにより、カソード６０３から放出され加速チャネル６０１内に流入した電子は、電場と磁場の相互作よって、加速チャネル６０１内を円周方向に周回し、ホール電流と呼ばれる円周方向の電流を形成して電子が閉じ込められる。推進ガス供給口６０５から供給される推進ガスは、ホール電流として閉じこめられた電子と電離衝突して、プラズマが発生する。このプラズマからイオンのみが軸方向の電場によって加速・噴出され、その反作用でホールスラスタ６００の推力が得られる。
次に、制御装置７０３は、光軸駆動部７０６を介して集光レンズ７０５の角度を変化させ、発光モニタ７０４に入光するプラズマの光の光軸Ｘ４を加速チャネル６０１内で変化させながらプラズマの発光スペクトルを計測してプラズマの電子密度の相対的な空間分布を測定する。ここでは、制御装置７０３は、プラズマ中の中性粒子に基づく第１発光スペクトルと、プラズマ中のイオンに基づく第２発光スペクトルとを選別して第１発光スペクトルと第２発光スペクトルとのスペクトル強度比を計測してもよい。また、制御装置７０３は、プローブ計測器７０２により、加速チャネル６０１内のプローブ７０１の先端が配置された領域のプラズマの電子密度の絶対値を測定する。
次に、制御装置７０３は、発光モニタ７０４によって測定されたプラズマの電子密度の相対的な空間分布をプローブ計測装置７０５の測定結果で補正し、加速チャネル６０１内のプラズマの電子密度の絶対的な空間分布を測定する。次に、制御装置７０３は、測定したプラズマの電子密度の絶対的な空間分布に基づいて外周磁気コア６０６と中央磁気コア６０７、並びにアノード６０４とカソード６０３に印加する電圧を制御する。また、制御装置７０３は、加速チャネル６０１内に導入する推進ガスの流量、及び推進ガスの混合比を制御する。以上により、加速チャネル６０１で生成するプラズマの電子密度を設計条件に制御することが可能となる。
以上説明したように、本実施の形態に係るホールスラスタ６００によれば、光軸駆動部４１６によって発光モニタ４１４に入光するプラズマからの光の光軸Ｘ４を変化させるので、加速チャネル６０１内で生成したプラズマの電子密度の分布を加速チャネル６０１内の全域に亘って測定できる。そして、発光モニタ７０４で測定されるプラズマの電子密度の相対値をプローブ計測器７０２で測定されるプラズマの電子密度の絶対値で補正できるので、加速チャネル６０１内で生成したプラズマの電子密度の絶対値の分布を加速チャネル６０１内の全域に亘って測定することが可能となる。これにより、測定されたプラズマの電子密度の絶対値の分布に基づいて、制御装置７０３が外周磁気コア６０６と中央磁気コア６０７、並びにアノード６０４とカソード６０３に印加する電圧加速チャネル６０１内に導入する推進ガスのガス流量及び混合比を制御してプラズマの状態を適切に制御して推進力を制御することが可能となる。これにより、例えば、推進ガスの流量不足又は外周磁気コア６０６と中央磁気コア６０７、並びにアノード６０４とカソード６０３に印加する電圧の変動などにより、ホールスラスタ６００が設計条件に応じた推進力が得られない場合であっても、プラズマの電子密度を正確に測定してプラズマを適切な状態に制御できるので、設計条件での安定的なホールスラスタ６００の動作を確認、制御することが可能となる。
１ 計測装置を備えたプラズマ発生装置
１００ 放電容器（プラズマ生成部）
１０１ アノード
１０２ ＲＦ電源
１０３ カソード
１０４ 絶縁部材
１０５ ガス導入孔
１０６ 排気孔
１０７ 光透過窓
１０８ 被処理体
２００ 発光モニタ（発光分光計測装置）
２０１ 集光レンズ
２０２ 光軸駆動部
２０３ 制御装置
２０４ プローブ
２０５ プローブ計測器
４００ イオンスラスタ
４０１ 放電容器（プラズマ生成部）
４０１ａ 底板
４０２ イオンビーム抽出電極
４０３ 磁気回路
４０４ ホローカソード
４０５ 推進ガス供給口
４０６ アノード
４０７ スクリーングリッド
４０８ 加速グリッド
４０９ 減速グリッド
４１０ プラズマビーム
４１１，４２６ プローブ
４１２ プローブ計測器（プローブ測定装置）
４１３ 制御装置
４１４ 発光モニタ（発光分光計測装置）
４１５ 集光レンズ
４１６ 光軸駆動部
４２１ 壁面
４３２ 接着剤
４３３ 支持板
４３４ スペーサー
４３５ ナット
５００，６００ ホールスラスタ
５０１，６０１ 加速チャネル（プラズマ生成部）
５０２ａ，６０２ａ チャネル外周壁
５０２ｂ，６０２ｂ チャネル内周壁
５０３，６０３ カソード
５０４，６０４ アノード
５０４ａ，６０５ 推進ガス供給口
５０５，６０６ 外周磁気コア
５０６，６０７ 中央磁気コア
６０８ 後端板
６０９ 外側磁気コイル
６１０ 内側磁気コイル
６１１、６１２ マグネティックシールド
７０１ プローブ
７０２ プローブ計測器（プローブ測定装置）
７０３ 制御装置
７０４ 発光モニタ（発光分光計測装置）
７０５ 集光レンズ
７０６ 光軸駆動部
Ａ１ プラズマ発生領域
Ｘ１〜Ｘ４ 光軸

Claims (5)

  1. 内部に導入されたガスをイオン化してプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    前記プラズマの発光スペクトルにより前記プラズマの電子密度の相対値を測定する発光分光計測装置と、
    前記プラズマ生成部に配置されたプローブにより前記プラズマの電子密度の絶対値を測定するプローブ測定装置と、
    前記プローブ測定装置で測定された前記プラズマの電子密度の絶対値に基づいて、前記発光分光計測装置で測定された前記プラズマの電子密度の相対値を絶対値に補正し、補正された絶対値の測定結果に基づいて前記プラズマ生成部に供給する電力量、磁界分布、及び供給ガス量の少なくとも一つを制御する制御装置と、
    前記プラズマから前記発光分光計測装置に入光する光の光軸を変化させる光軸駆動部と、を具備することを特徴とする計測装置を備えたプラズマ発生装置。
  2. 前記発光分光計測装置は、前記プラズマ中の中性粒子に基づく第１発光スペクトルと、前記プラズマ中のイオンに基づく第２発光スペクトルとを選別して前記第１発光スペクトルと前記第２発光スペクトルとのスペクトル強度比を計測し、
    前記制御装置は、計測した前記スペクトル強度比に基づいて前記プラズマ生成部に供給する電力量、磁界分布、及び供給ガス量の少なくとも一つを制御する、請求項１に記載の計測装置を備えたプラズマ発生装置。
  3. 前記プローブが、高周波プローブである、請求項１又は請求項２に記載の計測装置を備えたプラズマ発生装置。
  4. 前記プローブが、前記プラズマの電子密度が１Ｅ１８ｍ-3以上１Ｅ１９ｍ-3以下囲の領域に設置されてなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の計測装置を備えたプラズマ発生装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の計測装置を備えたプラズマ発生装置を備えたプラズマ推進器。
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