JPH0330296A - マイクロ波エネルギーの結合・分配装置 - Google Patents

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、任意のタイプの気体媒質からプラズマを発生
させ、表面処理又はイオン・ビームの発生のような非常
に広範な応用が可能な技術分野に関するものである。 本発明は、一層特定して言えば、マイクロ波によりプラ
ズマを励起する分野、特に、電子サイクロトロン共振に
よりプラズマを励起する分野に関するものである。

【従来の技術】

フランス国特許願第８５０８８３６号は電子サイクロト
ロン共振によりプラズマを励起する技術を開示している
。この共振は、次式で関係づけられている磁界Ｂと、励
起周波数ｆに対して得られる。 Ｂ＝２πｍ　ｆ　／　６ ここで、ｍとｅは電子の質量と電荷である．例えば、周
波数２．４５ＧＨｚ（７）時、０．０８７５テスラの磁
界が共振を得るのに必要である。 上記フランス国特許願に記述されている技術は永久磁石
を必要とし、各永久磁石が電子サイクロトロン共振に対
応する強さで一定の磁界を帯びる表面を形成するのに使
用される。電磁界エネルギーは、それぞれが或る長さの
金属線で構戒されたプラズマ励起器により共振区域に運
ばれる。各励起器は反応炉（リアクター）の壁に取付け
られている永久磁石と関連してプラズマ反応炉の内部に
置かれる。 この技術で励起されたプラズマが低圧力（約ｌパスカル
の１０分の１、即ち、０．１パスカル）で動作すると、
マイクロ波エネルギーがプラズマが通過する孔から電気
的に絶縁されている連結要素を含む封止された供給路を
介して反応炉内に注入され、同軸形の構造を構成する。 連結要素は励起器に至るエンクロージャの内側に取付け
られ、エンクロージャの外側では、例えば、電磁波エネ
ルギーを運ぶ同軸ケーブルのコアに取付けられる。 一組の励起器と嵌合するエンクロージャのようなものを
用いると、各励起器は単一のマイクロ波源又は複数個の
独立なマイクロ波源のいずれかから給電されねばならな
い。複数個のマイクロ波源を用いる場合は、各励起器が
インピーダンス整合手段及びおそらく測定手段をも介し
て、少なくとも１個のマイクロ波源と関連させられる．
単一のマイクロ波源を使用する場合は、インピーダンス
整合手段及び測定手段と関連する少なくとも１個のマイ
クロ波二卒ルギー分配器を使用する必要がある。このよ
うな技術は実務ではとても満足できるものではないこと
が判明している。

【発明が解決しようとする課題】

第１の欠点はマイクロ波エネルギー分配器に関するもの
で、これらは一般には同軸コネクタにより構成され、こ
れら同軸コネクタでは中心コアが多かれ少なかれ導波管
又はマイクロ波空胴内に入り込んでいる。特別な環境を
除いて、同軸コネクタの位置は複雑で、コンピュータで
計算する必要がある。更に、種々の同軸コネクタを互い
に平衡させ、各コネクタの挿入の深さにつき、多数の繰
返し調整を必要とする。 この技術の更なる欠点は、マイクロ波エネルギーをプラ
ズマ励起区域内に供給するための、封止された同軸形の
送給路を作ることに関するものである。 こうして、同軸ケーブル・コアと励起器とを結ぶ送給路
の連結要素の結合は、インピーダンスの不連続及び熱源
となり、これによりエネルギーが損失する。 加えて、プラズマに面する送給路内の誘電体は同時にプ
ラズマによる加熱と、プラズマ処理による汚染とを豪る
。送給路を貫通してプラズマを励起するマイクロ波電力
が高い程、汚染も大きい。 しかし、マイクロ波エネルギーがプラズマ励起により吸
収され、送給路からの距離が大きくなると共に下落する
場合、高電力の伝送には、困難で高価な技術を用いて作
られる同軸形の送給路を必要とする。 更に、高マイクロ波電力を用いると、各励起器を効率よ
く冷却しなければならない。封止された送給路を用いる
と、励起器を完全に冷却することが非常にむずかしい。 蓋し、冷却は一般には励起器の自由端から注入される冷
却液の流れにより得られるからである。実際には、同軸
ケーブル及び送給路はもっぱら励起器からの熱伝導によ
り冷却される。結果として、許容できるマイクロ波電力
は、各励起器が冷却される効率、及び同軸形の送給路を
作るのに使用される誘電体の電力の能率によっても限定
される。 このプラズマ励起技術のもう一つの欠点は、マイクロ波
源から送られてくるマイクロ波電力が、励起器に沿って
漸次下落する点に関するものである。マイクロ波は損失
を伴なわずには伝播せず、結果としてプラズマの密度が
マイクロ波電力と共に下落する。 本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、マイクロ
波エネルギーを少なくとも１個の励起器と結合させ、マ
イクロ波エネルギーの一層良好な結合を得る装置を提供
することにある。 本発明の目的は、マイクロ波エネルギーを１組の励起器
で分配させ、同軸形の送給路を使用しなくてもよい装置
を提供することにある。 本発明の他の目的は、マイクロ波エネルギーを励起器の
全長に沿って分配させる分配装置を提供することにある
。

【課題を解決するための手段及び作用】上述した目的を
達成するため、本発明は、マイクロ波エネルギーを少な
くとも１個の励起器と結合させ、且つプラズマを発生せ
しめるために、マイクロ波エネルギーを励起器に沿って
分配する装置において、その内側がマイクロ波エネルギ
ーに浸されている第１のエンクロージャと、イオン化す
べき気体媒質を含む第２のエンクロージャと、これらの
２個のエンクロージャ間にある少なくとも１個の伝達路
からなる第１の系列と、そして第１のエンクロージャの
内面から或る距離にあって各伝達路を通り、まず第１に
少なくとも第１のエンクロージャの内側に延在して電磁
波エネルギーの１部と結合するように取付けられ、第２
に少なくとも第２のエンクロージャの内側で結合された
マイクロ波エネルギーを局所的に気体媒質と結合させる
ように搬送する励起器であって、伝達路及びエンクロー
ジャの壁が励起器に面する部分と共に、その励起器が同
軸形の構造を構成するようにしている。 種々の他の特徴は添付図面につきなされる以下の説明か
ら明らかとなろう。これら実施例は、本発明を限定する
ものではない。

【実施例】

第１図は、本発明に係る装置の実施例を示す図で、これ
は表面処理又はイオン・ビームを発生させるような非常
に広凡な用途でプラズマを発生させるために、マイクロ
波エネルギーを結合させたり分配させたりする装置を表
わしている。 この装置は第１の金属のエンクロージャ（囲い）１を具
え、その内側が任意の適当な通常の手段で生じたマイク
ロ波エネルギーに侵されているか、又は図示したように
、マイクロ波エネルギーがエンクロージャの中に注入さ
れている。注入される場合は、マイクロ波電力はインピ
ーダンス整？器２ａを備えた発生器２で発生され、これ
は、誘電帯窓のような封止系３を介してエンクロージャ
１内に注入される。 エンクロージャ１は側壁１，で相互に連結された底壁１
，と上壁１２とを有し、これにより排他的ではないが、
好適に円柱エンクロージャを形成し、その断面が第２ａ
図に見るように円形である。 本発明の装置はまたイオン化されるΔき気体媒質を含む
第２の金属エンクロージャ４を含む。この気体媒質は適
当な通常の手段５により、その中に注入される。エンク
ロージャ４にはまたイオン化さるべき気体の圧力を所望
の値に定めるのに役立つボンブ手段６が取付けられてい
る。この所望の値は、気体の性質に依存するが、例えば
１０−３パスカルから数パスカルであってもよい。エン
クロージャ４は好ましくは側壁４，にょって相互に接続
された底壁４１と上壁４■とで構成されるが、これ以外
でも、そのエンクロージャの直角の断面が円形を形成す
るのに適した形状であればよい。エンクロージャ４の機
能については後に一層詳細に述べるが、一般的場合は、
種々の形、例えば、円筒（第１図）、らせん（第２ａ図
）又は、少なくとも１個の平面（第２ｂ図）含む形であ
ってもよい。同じように、エンクロージャ１も、エンク
ロージャ４に対して与えられた任意の形につき上述した
ように種々の形をとることができる。 エンクロージャ１がらせん形であるか又は少なくとも１
個の平面を含む場合は、共振器に沿って進行波が移動す
る通常のタイプのリング共振器を用いると有利である。 本発明によれば、エンクロージャ１と４は少なくとも１
個の伝達路７からなる第１の組（系）で相互に接続され
、各伝達路が垂直軸線Ｉを有し、各通路はエンクロージ
ャｌと４の側壁の少なくとも近傍を通って延在している
垂直軸Ｉを有している。図示した例では、各伝達路７が
直角の断面が、排他的ではないが円形であると好適な管
状ダクト８により構成される。これらの管状ダクトの？
能については後に一層明瞭に説明するが、底壁１１と上
壁４■の結合された厚さより長くてはならず、従って、
２個のエンクロージャが直接隣接する（第２ｂ図）。し
かし、管状ダクト８の長さは、エンクロージャを互に離
れた距離に置けるように設計し、これにより観察窓９を
エンクロージャ４の上壁４■内に設置できるようにする
と良い。適当な光学システム１１と関連する窓９により
、エンクロージャ４の内容量を観察できるようにし、そ
こでは、例えば、担体ｌ２により搬送されたサンプルを
表面処理することができる。 代りに、光学システム１ｌは、形がうす巻きであるエン
クロージャ１の中央を貫通することもできることを理解
されたい。 一緒になって気密構造を構成するエンクロージャ１と４
は種々の異なる方法で作ることができ、特に単一片又は
個別に作ってエンクロージャを解体し易くすることもで
きる。当然、エンクロージャは金属で作るか、又は誘電
体若しくは金属コーティングで覆うことができる。 各管状伝達路８毎に、本発明装置は、更に、誘電体又は
金属コーティングでカバーできる金属線要素で構成され
たプラズマ・励起器１３を含む。 各励起器１３はダクト８の内面から或る距離にある管状
ダクト８の１つを通過するように取付けられ、ダクトと
組んで同軸形の構造を構或する。垂直軸線Ｉにほぼ平行
な方向に沿って延在する励起器１３は、前記軸線に対し
てオフ・セットされ、これはダクトと接触しない限り続
く。 各励起器は、第１のエンクロージャ１の内側からその側
壁１３に接近するように延在し、エンクロージャ１の内
側に延在するマイクロ波エネルギーの部分が励起器と結
合し、エンクロージャ１がエネルギーを１組の励起器に
分散させる機能を助ける。同じように、各励起器１３は
、第２のエンクロージャ４の側壁４３の近傍で第２のエ
ンクロージャ４の内部にも延在し、マイクロ波エネルギ
ーが全部励起器に沿って伝播する。 当然１個又は複数個の励起器１３が使われ、励起器の数
を、達成させるべき最高プラズマ密度に適合させる。数
個の励起器が使われる場合、それらは均一に分布させら
れるか、又はエンクロージャの周辺及びその壁に沿って
分布させられる。 加えて、マイクロ波エネルギー分配エンクロージャ１は
、マイクロ波電波内のいかなる割込みを防ぎ、かつ励起
器と、励起器に面するエンクロージャ壁１３及び４，の
対応する部分により管状グクト８の両側に形成された開
発された同軸形構造に、高度のマイクロ波を結合するこ
とができるように、十分長くなければならない。 分配エンクロージャ１の内部で、開発された同軸構造の
励起器１３とマイクロ波エネルギーを結合させると、マ
イクロ波エネルギーは管状ダクト８の中を伝播し、開発
された同軸構造の励起器１３上のエンクロージャ４内に
伝播する。当然、管状ダクト８と励起器１３の寸法は、
意図する条件下で、管状ダクト内でプラズマの励起が生
じないように設計されている。 第３図に一層明瞭に示したように、そしてフランス国特
許願第８５０８８３６号によれば、各励？器１３は電子
サイクロトロン共振に対応する強さの静磁界を有する表
面１４に近く位置決めすると好適である。一定の磁界を
帯びるこの表面は、取付けられた磁石ｌ５により、例え
ば壁４３の外側面上で作られ、対応する励起器１３に平
行に延在する。この形態では、各励起器１３がマイクロ
波エネルギーを伝播させるだけではなく、プラズマを励
起するのにも役立つ。 各励起器１３が、２つのエンクロージャ１及び４の少な
くとも１つを真直に貫通すると有利で、できれば両方を
貫通すると好適である。斯くして、第１図に一層明瞭に
示したように、各励起器はエンクロージャｌの気密上壁
１■と、エンクロージャ４の気密底壁４ｌとを貫通する
。その結果として、冷却液は管の形態の各励起器１３の
内側に沿って、単一の方向に流れしめられる。 励起器が１個の気密壁しか貫通しない場合は、各励起器
１３が２個の管の形態のいずれかに形作られ、冷却液を
２方向に流れさせられるか、又はその両端の１つで閉じ
られたヒート・バイブにより構或される。 励起器がいずれの気密壁をも貫通しない場合は、送電体
を介して冷却することができる。 本発明の装置は斯くして互いに全く独立であるが、その
上にマイクロ波電力が均一に分散される励起器を使用で
きる。これにより、その結合及びマイクロ波効率を向上
させることができる。更に、そのような励起器を長方形
にしても、何も困難な組立操作を行なう必要はない。 第４図は、両端で励起器１３がマイクロ波エネルギーと
結合させられる本発明の装置の異なる実施例を示す． この目的で、第２のエンクロージャ４は、形機能及び伝
達路７への数が第１の系列の場合と同じである少なくと
も１つの伝達路７′の第２の系列を含む．本例で底壁４
．を通して設けられたこれら伝達路７′は、その内側が
マイクロ波エネルギーに浸されているエンクロージャ１
７と、密閉された伝達を提供できる。 このエンクロージャ１７は、第１のエンクロ−ジャ１に
より形成すると有利である．この場合、第１のエンクロ
ージャ１は、エンクロージャ４の土壁と下壁の両方を覆
う特別な形を有している。 このエンクロージャ１の特別な形は好ましくはらせん形
とし、エンクロージャ４の内部が観察できるようにする
とよい。 当然、第１図に不連続線で示すように、エンクロージャ
１７はエンクロージャ１と独立なエンクロージャを構成
し、上述したように種々の形とす゛ることができる。 選択された冷却タイプの機能により、励起器１３はエン
クロージャ１及び／或はエンクロージャｌ７の気密壁を
貫通することに注目されたい。 第３図に一層詳細に示すように、本発明の装置は分配を
改良し、またプラズマ製造エンクロージャ内に置かれた
励起器の全体に沿ってマイクロ波を閉じ込めることを改
良する。 この目的で、各励起器１３は、少なくともその長さ方向
の部分を第２のエンクロージャ４内に置き、真直な断面
が少なくとも励起器１３に面している凹部を含む少なく
とも１個の金属表面１８から、或る距離をおいて位置し
ている。表面１８は溝２０の底辺により構成され、その
溝２０はエンクロージャ４の壁４３内に形成され、励起
器１３に面する垂直断面の輪郭が凹状となっている。溝
２０の輪郭は任意の凹形とすることができ、例えば、円
形とすることができる。結果として、マイクロ波エネル
ギーは共振しにくい区域内で伝播され、これにより損失
が最小のマイクロ波エネルギーの伝播が得られる。加え
て、励起器は斯くしてエンクロージャの壁を著しく弱め
ることなく磁石に近く置かれ、これにより達成されるべ
き所定の共振値に対して、より力の小さい磁石を使うこ
とができる。 金属面１８はまた励起器１３の壁４３と反対の側に取付
けられた反射器２１の前面を含む。反射器はマイクロ波
エネルギーを伝播区域内に閉じ込め、電子の通路がエン
クロージャの壁からあまり遠くへ離れるのを防ぐのに役
立つ。このような機能を達或するため、反射器２１は種
々の異なる形、例えば、長方形又は励起器に向って凸面
の垂直断面の輪郭を有することができる。 当然、励起器１３は溝２０及び／或は反射器２１と関連
して配置される。 溝２０及び反射器２１は冷却液の流れを確立するように
設計すると好適である。励起器１３をエンクロージャの
任意の気密壁を貫通させない場合は、誘電体を介して、
又はできれば反射器２１の表面１８から冷却を与えると
よい。 本発明の装置はまた、隣接する溝２０の夫々の対の間で
、エンクロージャ４の壁４３の内面に取付けられた非磁
性素子２３を含む。各素子２３はエンクロージャの内側
に面する凸状輪郭の形態を有している。素子の輪郭は、
壁の近傍でイオンを励起させる磁界の第２のスカラツビ
ング（　ｓｃａｌｌｏｐｉｎｇ）を避けるように設計す
る。 本発明は上述し且つ図示した実施例に限定されるもので
はない。蓋し、本発明の範囲を逸脱することなく、数値
を修正できるからである。

【発明の効果】

以上説明したように本発明によれば、マイクロ波エネル
ギーを少なくとも１つの励起器と結合させ、マイクロ波
エネルギーの一層良好な結合を得ることができる。 他の発明によれば、マイクロ波エネルギーを１組の励起
器で分配させることができるため、同軸形の送給路を使
用しなくてもよいという効果がある。 更に、マイクロ波エネルギーを励起器の全長に沿って分
配できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る結合装置の一実施例の半径方向断
面図、 第２ａ図は本発明の一実施例の一部切欠斜視図、 第２ｂ図は本発明の他の実施例の部分斜視図、第３図は
第１図の線ＩＩＩ一Ｉによる断面図、そして 第４図は本発明のもう一つの実施例の略式半径方向断面
図である。 図中、１・・・第１のエンクロージャ、２・・・マイク
ロ波発生器、２ａ・・・インピーダンス整合器、３・・
・封止系、４・・・第２のエンクロージャ、６・・・ボ
ンブ手段、７，７゜・・・伝達路、８・・・管状ダクト
、９・・・観察窓、ｌ１・・・光学システム、１２・・
・担体、１３・・・励起器、１５・・・磁石，１７・・
・第３のエンクロージャ、ｌ８・・・金属表面、２０・
・・溝、２１・・・反射器、２３・・・非磁性素子であ
る。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波エネルギーを少なくとも１個の励起器
   と結合させ、且つプラズマを発生せしめるために、マイ
   クロ波エネルギーを励起器に沿つて分配する装置におい
   て、 その内側がマイクロ波エネルギーに浸されている第１の
   エンクロージヤ（１）と、 イオン化すべき気体媒質を含む第２のエンクロージヤと
   、 これらの２つのエンクロージヤ（１、４）間にある少な
   くとも１個の伝達路（７）からなる第１の系列と、そし
   て 前記第１のエンクロージヤの内面から或る距離にあつて
   各伝達路（７）を通り、まず第１に少なくとも第１のエ
   ンクロージヤ（１）の内側に延在して電磁波エネルギー
   の１部と結合するように取付けられ、第２に少なくとも
   第２のエンクロージヤ（４）の内側で結合されたマイク
   ロ波エネルギーを局所的に気体媒質と結合させるように
   搬送する励起器（１３）であつて、伝達路（７）及びこ
   れらエンクロージヤの壁が励起器に面する部分と共に、
   その励起器が同軸形の構造を構成することを特徴とする
   マイクロ波エネルギーの結合・分配装置。
2. （２）各励起器（１３）が永久磁石（１５）により生じ
   た一定の磁界を有する表面（１４）の近くに位置し、前
   記磁界の強さが電子サイクロトロン共振に対応すること
   を特徴とする請求項第１項記載の装置。
3. （３）第２のエンクロージヤ（４）が、その内側がマイ
   クロ波エネルギーに浸されている第３のエンクロージヤ
   （１７）を具える少なくとも１つの伝達路（７′）から
   なる第２の系列を含み、各励起器（１３）が各系列内の
   伝達路（７、７′）のうちの対応する１つの伝達路を介
   して、第２のエンクロージヤを真直に貫通することを特
   徴とする請求項第１項記載の装置。
4. （４）エンクロージヤ（１、４）の壁の周辺及び壁に沿
   つて分配させられた１系列の励起器（１３）を含むこと
   を特徴とする請求項第１項ないし第３項のいずれか１項
   に記載の装置。
5. （５）第３のエンクロージヤ（１７）が第１のエンクロ
   ージヤ（１）の１部により形成されることを特徴とする
   請求項第３項記載の装置。
6. （６）第３のエンクロージヤ（１７）が第１のエンクロ
   ージヤ（１）から独立したエンクロージヤであることを
   特徴とする請求項第３項記載の装置。
7. （７）各励起器（１３）が第１と第３のエンクロージヤ
   （４、７）の少なくとも１つを真直ぐに貫通し、冷却液
   がエンクロージヤの外側から励起器に沿つて流れるよう
   にされたことを特徴とする請求項第３項、第５項及び第
   ６項のいずれか１項に記載の装置。
8. （８）エンクロージヤ（１、４、１７）のうち少なくと
   も１つがらせんを形成するように構成されていることを
   特徴とする請求項第１項ないし第７項のいずれか１項に
   記載の装置。
9. （９）エンクロージヤ（１、４、１７）のそれぞれが少
   なくとも１つの平面を含むことを特徴とする請求項第１
   項ないし第７項記載のいずれか１項に記載の装置。
10. （１０）少なくとも１つの系列内の各伝達路（７、７′
    ）が管状ダクト（８）により構成されることを特徴とす
    る請求項第３項記載の装置。
11. （１１）各励起器（１３）が関連する第２のエンクロー
    ジヤ内のその長さの少なくとも一部に亘り、且つ少なく
    とも１個の金属表面（１８）から或る距離に位置決めさ
    れ、前記金属表面の断面が励起器に面する少なくとも１
    個の凹部を含むことを特徴とする請求項第１項ないし第
    １０項のいずれか１項に記載の装置。
12. （１２）金属表面（１８）が第２のエンクロージヤ壁内
    に形成され、且つ真直な断面が凹状の輪郭を有する溝（
    ２０）の底により構成されることを特徴とする請求項第
    １１項記載の装置。
13. （１３）金属表面（１８）が励起器のエンクロージヤの
    壁に対して反対側に置かれた反射器（２１）の前面によ
    り構成され、これによりマイクロ波エネルギーを閉じ込
    めることを特徴とする請求項第１項記載の装置。
14. （１４）各励起器が関連して配置され、且つ第２のエン
    クロージヤの壁内に形成された溝（２０）と励起器のエ
    ンクロージヤの壁と反対側に位置決めされた反射器（２
    １）の両方から或る距離に位置決めされることを特徴と
    する請求項第１１項記載の装置。
15. （１５）連続した溝（２０）の各対間に非磁性要素（２
    ３）を具え、この非磁性要素がエンクロージヤの壁によ
    り担持され、且つエンクロージヤの内側の方に面する凸
    状輪郭を含むことを特徴とする請求項第１２項又は第１
    ４項に記載の装置。