(57)【要約】【課題】効率の向上を図ったプラズマ洗浄方法およびプラズマ洗浄装置を提供する。【解決手段】一態様に係るプラズマ洗浄方法は、加速器の略円筒形状の真空ダクト内にプラズマ生成用ガスを導入する工程と、前記真空ダクト内に磁場を形成する工程と、前記真空ダクト内にマイクロ波を導入する工程と、前記磁場および前記マイクロ波によるサイクロトロン共鳴によって、前記ガスからプラズマが生成される工程と、を具備する。前記生成された磁場が、前記の内壁面に沿う強度分布を有し、前記サイクロトロン共鳴が、前記内壁面に沿う共鳴点を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速器の略円筒形状の真空ダクト内にプラズマ生成用ガスを導入する工程と、
前記真空ダクト内に磁場を形成する工程と、
前記真空ダクト内にマイクロ波を導入する工程と、
前記磁場および前記マイクロ波によるサイクロトロン共鳴によって、前記ガスからプラズマが生成される工程と、を具備し、
前記生成された磁場が、前記の内壁面に沿う強度分布を有し、
前記サイクロトロン共鳴が、前記内壁面に沿う共鳴点を有する、
プラズマ洗浄方法。
【請求項２】
前記真空ダクトの中心軸から前記共鳴点までの距離ｄが、前記中心軸から前記内壁面までの距離ｄ０に対して、次の関係にある、
請求項１に記載のプラズマ洗浄方法。
ｄ０／２＜ｄ＜ｄ０
【請求項３】
前記磁場を形成する工程において、前記磁場の向きが、前記真空ダクトの中心軸の方向またはこの中心軸に直交する方向に沿う、
請求項１または２に記載のプラズマ洗浄方法。
【請求項４】
前記共鳴点が、前記内壁面に沿うように、前記磁場の強度を変化させる工程
をさらに具備する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ洗浄方法。
【請求項５】
前記共鳴点が、前記内壁面に沿うように、前記マイクロ波の周波数を変化させる工程
をさらに具備する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ洗浄方法。
【請求項６】
加速器の略円筒形状の真空ダクトを洗浄するプラズマ洗浄装置であって、
前記真空ダクトに設置して、その中心軸に沿う、強度分布を有する磁場を発生させる磁場発生器、
を具備するプラズマ洗浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は，プラズマ洗浄方法およびプラズマ洗浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速器は、陽子、電子、イオン等の荷電粒子を加速して、そのビームを形成するものであり、素粒子の研究、検査、医療等広範な分野で用いられる。加速器には、線形加速器（荷電粒子を直線上で加速する）、円型加速器（荷電粒子を円周上で加速する。例えば、シンクロトロン）などがある。
【０００３】
加速器は、真空ダクトを有し、その中で荷電粒子を加速する。荷電粒子を効率的に加速するために、真空ダクト内の真空度を良好に保つ必要がある。真空度が低下すると、荷電粒子のビームがガス分子に衝突し、ビームが損失する。
【０００４】
真空度が低下する原因の一つに真空ダクト内壁への不純物ガスの吸着がある。真空ダクト内壁に不純物ガスが吸着され、これが放出されることで、真空ダクト内の真空度が低下する。
このため、加速器のメンテナンス時や据え付け時等において、真空ダクトの内壁面にプラズマを照射して、不純物ガス自体あるいは不純物ガスを吸着する物質を取り除く（洗浄）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０１４１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、効率的なプラズマ洗浄は、必ずしも容易ではない。
本発明は、効率の向上を図ったプラズマ洗浄方法およびプラズマ洗浄装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様に係るプラズマ洗浄方法は、加速器の略円筒形状の真空ダクト内にプラズマ生成用ガスを導入する工程と、前記真空ダクト内に磁場を形成する工程と、前記真空ダクト内にマイクロ波を導入する工程と、前記磁場および前記マイクロ波によるサイクロトロン共鳴によって、前記ガスからプラズマが生成される工程と、を具備する。前記生成された磁場が、前記の内壁面に沿う強度分布を有し、前記サイクロトロン共鳴が、前記内壁面に沿う共鳴点を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、効率の向上を図ったプラズマ洗浄方法およびプラズマ洗浄装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係るプラズマ洗浄装置１０の一部断面図である。
【図２】プラズマ洗浄装置１０でのサイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒの位置を表す横断面図である。
【図３】プラズマ洗浄装置１０のプラズマ密度Ｄｐを表すグラフである。
【図４】比較例１に係るプラズマ洗浄装置１０ｘ１でのサイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒの位置を表す横断面図である。
【図５】プラズマ洗浄装置１０ｘ１のプラズマ密度Ｄｐを表すグラフである。
【図６】比較例２に係るプラズマ洗浄装置１０ｘ２のプラズマ密度Ｄｐを表すグラフである。
【図７】変形例１に係るプラズマ洗浄装置１０ａの一部断面図である。
【図８】プラズマ洗浄装置１０ａでのサイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒの位置を表す横断面図である。
【図９】変形例２に係るプラズマ洗浄装置１０ｂの一部断面図である。
【図１０】プラズマ洗浄装置１０ｂでのサイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒの位置を表す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下，図面を参照して，プラズマ洗浄装置およびプラズマ洗浄方法の実施形態を詳細に説明する。
【００１１】
（実施形態）
図１は、実施形態に係るプラズマ洗浄装置１０を模式的に表す一部断面図である。図２は、プラズマ洗浄装置１０でのサイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒの位置を表す横断面図である。図３は、プラズマ洗浄装置１０のプラズマ密度Ｄｐを表すグラフである。図１，図２において、真空ダクト１１はその断面が示される。
【００１２】
プラズマ洗浄装置１０は、例えば、シンクロトロンなどの加速器に取り付けて用いられ、プラズマ生成用ガス供給源２１、マイクロ波発生源３１、共鳴用磁場発生部（磁場発生器）４１、共鳴用磁場発生用電源４２を有する。
【００１３】
加速器は、真空ダクト１１，ガス導入ポート１２，マイクロ波導入用ポート１３を有する。
なお、加速器の荷電ビームを偏向する箇所には、ビーム制御用磁場発生部（例えば、偏向電磁石）、および磁場発生用電源が配置される。
【００１４】
真空ダクト１１は、略円筒形状を有し、図示しない真空ポンプによって、その内部が真空に保たれる。加速器を動作させると、真空ダクト１１の中心軸Ｏに沿って荷電粒子が通過する。
真空ダクト１１の内壁１１ｉに不純物ガスが吸着すると、これが後に再放出されて、真空ダクト１１内の真空度が低下する。このため、内壁１１ｉをプラズマＰなどで洗浄する必要がある。
なお、真空ダクト１１は、その中での偏向用磁場などの均一性を保つために、一般に非磁性体で構成される。
【００１５】
ガス導入ポート１２、マイクロ波導入用ポート１３にはそれぞれ、プラズマ生成用ガス供給源２１，マイクロ波発生源３１が接続される。
【００１６】
プラズマ生成用ガス供給源２１は、ガス導入ポート１２を通して真空ダクト１１内にプラズマ生成用ガス（例えば、Ａｒガス）を導入する。
このときのガス圧は、例えば、約１０−３Ｐａである。本実施形態では、サイクロトロン共鳴を用いてプラズマＰを生成することから、比較的ガス圧は低くて良い。すなわち、本実施形態でのガス圧は、例えば、グロー放電でプラズマを発生する場合の約１／１０００程度で足り、導入ガスによる再汚染の可能性は小さい。
【００１７】
マイクロ波発生源３１は、マイクロ波導入用ポート１３を通じて、真空ダクト１１内にマイクロ波を供給する。既述のように、このマイクロ波は、共鳴用磁場発生部４１からの磁場Ｂと共に、サイクロトロン共鳴を引き起こし、真空ダクト１１内のプラズマ生成用ガスをイオン化する（プラズマＰの発生）。
【００１８】
マイクロ波発生源３１は、発生するマイクロ波の周波数Ｆが固定される固定周波数型、周波数Ｆが可変な可変周波数型のいずれでもよい。
但し、マイクロ波発生源３１からのマイクロ波の周波数Ｆ、または共鳴用磁場発生部４１からの磁場Ｂの強度の少なくともいずれかが調節可能であることが好ましい。後述のように、サイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒを真空ダクト１１の内壁１１ｉに沿って形成するためである。
【００１９】
共鳴用磁場発生部４１は、真空ダクト１１内に磁場Ｂを形成する。このときに形成される磁場Ｂは、真空ダクト１１の内壁１１ｉに沿った強度分布を有することが好ましい。サイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒを真空ダクト１１の内壁１１ｉに沿って形成するためである。
【００２０】
ここでは、共鳴用磁場発生部４１は、真空ダクト１１の外周に巻かれたコイルである。共鳴用磁場発生用電源４２によって、共鳴用磁場発生部（コイル）４１に電流（例えば、直流）を流すことによって、中心軸Ｏに沿い、これを略線対称の中心とする磁場Ｂが発生する。
この例では、磁場Ｂの方向が中心軸Ｏに沿っているが、磁場Ｂの方向は問わない。磁場Ｂの強度分布が真空ダクト１１の内壁１１ｉに沿っていれば足りる。
【００２１】
真空ダクト１１の内壁１１ｉは略円柱形状をしていることから、磁場Ｂの強度分布が、例えば、真空ダクト１１の中心軸Ｏに対して、略線対称であればよい。
ここで、略線対称とは、中心軸Ｏから磁場Ｂの強度分布（等強度線）までの距離が完全に一定である必要はないことを意味する（例えば、略楕円形状等、中心軸Ｏと等強度線の距離の多少の変動が許容される）。
【００２２】
共鳴用磁場発生部４１からの磁場Ｂとマイクロ波発生源３１からのマイクロ波が真空ダクト１１内に導入されることで、サイクロトロン共鳴によって、真空ダクト１１内のプラズマ生成用ガスからプラズマＰが生成される。
【００２３】
このとき、プラズマ領域ＰＡと真空ダクト１１の内壁１１ｉ間に、イオンシースＩＳ（空間電荷層）が形成される。
プラズマＰ中のイオンは、このイオンシースＩＳによって加速され、真空ダクト１１の内壁１１ｉに衝突する。このイオン衝撃により、内壁１１ｉに吸着している不純物ガス等が脱離除去される。この結果、真空ダクト１１の内壁１１ｉからの放出ガスが低減し、真空ダクト１１内の到達真空度が向上する。
【００２４】
サイクロトロン共鳴の条件は、次の式（１）によって表される。
Ｆ＝ｅ×Ｂ／（２π×ｍ）  ・・・・・・・・（１）
ここで、
Ｆ：マイクロ波の周波数
Ｂ：磁場
ｍ：電子の質量
ｅ：電子の電荷
【００２５】
式（１）を満たす箇所Ｒ（以降、「共鳴点Ｒ」と称する）において、サイクロトロン共鳴が引き起こされる。共鳴点Ｒにおいて、マイクロ波のエネルギーが特に効率良く吸収され、プラズマＰが生成される。
例えば、マイクロ波の周波数Ｆが、２．４５ＧＨｚの場合、磁場Ｂが８７５Ｇａｕｓｓとなる地点が共鳴点Ｒとなる。
【００２６】
既述のように、本実施形態では、磁場Ｂの強度分布を真空ダクト１１の内壁１１ｉに沿ったものとしている。このため、共鳴点Ｒの位置は、この磁場Ｂの強度分布を反映する。
すなわち、磁場Ｂの強度またはマイクロ波の周波数Ｆの少なくとも一方を調節することで、真空ダクト１１の内壁１１ｉに沿う共鳴点Ｒを生成できる。共鳴点Ｒでは、プラズマＰが効率的に生成されることから、真空ダクト１１の内壁１１ｉに沿う高密度のプラズマＰを用いて真空ダクト１１の内壁１１ｉを効率的に洗浄できる。
【００２７】
具体的には、中心軸Ｏから内壁１１ｉまでの距離ｄ０に対して、中心軸Ｏから共鳴点Ｒまでの距離ｄを次の条件とする。
ｄ０／２  ＜  ｄ  ＜  ｄ０
【００２８】
このような条件となるように、共鳴用磁場発生用電源４２の磁場Ｂおよびマイクロ波発生源３１の周波数Ｆを設定し、プラズマ洗浄装置１０が運転される。
この結果、内壁１１ｉに沿った（より好ましくは、内壁１１ｉに近接する）共鳴点Ｒにて、サイクロトロン共鳴が引き起こされて、マイクロ波エネルギーが吸収され、共鳴点Ｒを起点にプラズマＰが生成される。
【００２９】
なお、プラズマ洗浄装置１０が、共鳴点Ｒが内壁１１ｉに沿うように、共鳴用磁場発生用電源４２の磁場Ｂおよびマイクロ波発生源３１の周波数Ｆの少なくとも一方を制御する制御部を有してもよい。この点、後述の変形例１，２も同様である。
【００３０】
中心軸Ｏから離れた共鳴点ＲにおいてプラズマＰの密度（プラズマ密度）Ｄｐが最も高くなる。一方、中心軸Ｏの近傍には、共鳴点が存在せず、マイクロ波エネルギーの吸収が小さく、プラズマ密度Ｄｐは低くなる。
真空ダクト１１の内壁１１ｉをプラズマＰで洗浄するためには、洗浄する真空ダクト１１の内壁１１ｉに近いところでプラズマ密度Ｄｐを高くすることができる。
このため、イオンシースＩＳで加速されるイオンの密度がより増加し、真空ダクト１１の内壁１１ｉのイオンによるスパッタリング量は増加し、真空ダクト１１の内壁１１ｉが効果的に洗浄される。この結果、内壁１１ｉからの放出ガスが低減し、真空ダクト１１内の到達真空度が向上する。
【００３１】
また、真空ダクト１１の中心部（中心軸Ｏ近傍）のプラズマ密度Ｄｐが低いため、真空ダクト１１内の全てのプラズマＰで消費される電力は、小さくなり、省エネルギーで効率良く、プラズマ洗浄を行うことができる。
【００３２】
このプラズマ洗浄装置１０は、真空ダクト１１へのマイクロ波の導入が容易であり、かつ無電極でプラズマＰを生成するため真空ダクト１１中での電極線断線等を畏れる必要がない。
【００３３】
更に、磁場Ｂ中での共鳴現象を利用することで、放電電極を必要とするグロー放電等と比べて、より高真空下で、プラズマＰを安定に生成できる。このため、本実施形態では、プラズマ生成用導入ガスによる再汚染の可能性は小さい。
【００３４】
（比較例１）
以下、比較例を説明する。
図４は、比較例１に係るプラズマ洗浄装置１０ｘ１でのサイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒの位置を表す横断面図である。図５は、プラズマ洗浄装置１０ｘ１のプラズマ密度Ｄｐを表すグラフである。
【００３５】
ここでは、真空ダクト１１内の中心軸Ｏの近傍に共鳴点Ｒが存在するように磁場Ｂとマイクロ波の周波数Ｆを設定している。このため、プラズマ密度Ｄｐは、中心軸Ｏ近傍で高く、真空ダクト１１の内壁１１ｉに近づくと共に減少する。
既述のように、真空ダクト１１の内壁１１ｉをプラズマＰの洗浄する場合、真空ダクト１１の内壁１１ｉに接するイオンシースＩＳ側のプラズマ領域ＰＡの寄与が大きい。すなわち、真空ダクト１１の中心部（中心軸Ｏ近傍）での高密度のプラズマＰはプラズマ洗浄への寄与が小さい（投入された電力が徒に消費される）。
【００３６】
（比較例２）
図６は、比較例２に係るプラズマ洗浄装置１０ｘ２のプラズマ密度Ｄｐを表すグラフである。
【００３７】
プラズマ洗浄装置１０ｘ２では、真空ダクト１１内の磁場Ｂの強度分布を一定としている。例えば、後述の変形例２において、磁性板４５の幅Ｗを真空ダクト１１の内径Φ（２＊ｄ０）よりも十分に大きくすると、真空ダクト１１内の磁場Ｂの強度分布が均一化される。
【００３８】
この場合、真空ダクト１１のほぼ全域が共鳴点Ｒとなり、プラズマＰが発生する（イオンシースＩＳの近傍を除く）。この場合も、真空ダクト１１内の中心軸Ｏ近傍の高密度のプラズマＰが内壁１１ｉの洗浄に寄与せず、洗浄の効率が良いとはいえない。
【００３９】
（変形例１）
以下、変形例を説明する。
図７は、変形例１に係るプラズマ洗浄装置１０ａを模式的に表す一部断面図である。図８は、プラズマ洗浄装置１０ａでのサイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒの位置を表す横断面図である。プラズマ洗浄装置１０ａのプラズマ密度Ｄｐを表すグラフは、図３と近似するので記載を省略する。
【００４０】
変形例１では、共鳴用磁場発生部４１ａを複数の棒磁石から構成した。すなわち、軸方向に磁化された共鳴用磁場発生部４１ａ（複数の棒磁石）を中心軸Ｏと略平行に真空ダクト１１の外周に沿って配置している。
この結果、共鳴用磁場発生部４１ａは、実施形態と同様、真空ダクト１１の中心軸Ｏに沿い、かつこれに対して対称性を有する磁場Ｂを発生する。
この変形例１では、共鳴用磁場発生部４１ａに固定磁石を用いていることから、共鳴点Ｒの位置を調節するためには、マイクロ波発生源３１が可変周波数型であることが好ましい。
【００４１】
（変形例２）
図９は、変形例２に係るプラズマ洗浄装置１０ｂを模式的に表す一部断面図である。図１０は、プラズマ洗浄装置１０ｂでのサイクロトロン共鳴の共鳴点Ｒの位置を表す横断面図である。プラズマ洗浄装置１０ｂのプラズマ密度Ｄｐを表すグラフは、図３と近似するので記載を省略する。
【００４２】
変形例２では、真空ダクト１１を上下に挟む一対の共鳴用磁場発生部４１ｂを有する。一対の共鳴用磁場発生部４１ｂは、共鳴用磁場発生用電源４２により電流が印加されることで、中心軸Ｏに垂直な方向（上下方向）の磁場Ｂを生成する。
【００４３】
共鳴用磁場発生部４１ｂは、コイル４３，コア４４，磁性板４５を有する。コア４４，磁性板４５は、磁性体（例えば、強磁性体）からなり、一体的に構成される。
コア４４は、略円柱形状を有し、その周囲にコイル４３が巻き付けられ、その中心軸に沿った磁場が形成される。
【００４４】
磁性板４５は、略平板形状であり、真空ダクト１１の中心軸Ｏ方向の長さＬ、真空ダクト１１の径方向の幅Ｗを有する。
この幅Ｗは、真空ダクト１１の内径（内壁１１ｉの直径）Φ（＝２＊ｄ０）程度以下である（例えば、０．７５＊Φ≦Ｗ≦１．０＊Φ）。この結果、共鳴用磁場発生部４１ｂは真空ダクト１１内にやや不均一な磁場Ｂを形成する。この磁場Ｂの強度分布は、図１０に示される共鳴点Ｒと対応する形状を有する。すなわち、この磁場Ｂは上下方向の均一性が左右方向の均一性より大きく、強度分布（等強度線）はやや縦長の形状（略楕円形状）となる。
【００４５】
この結果、変形例２においても、内壁１１ｉに沿って、高密度のプラズマＰを発生させ、内壁１１ｉを効率的に洗浄できる。
変形例２での磁場Ｂの方向は、縦方向であり、実施形態および変形例１の軸方向と異なる。しかし、磁場Ｂの方向は、プラズマ密度Ｄｐと直接的な関係にはなく、特に問題とはならない（磁場Ｂの強度分布が問題）。
【００４６】
なお、変形例２の共鳴用磁場発生部４１ｂは、磁場Ｂが荷電粒子の進行方向（中心軸Ｏ）に垂直に作用する。このため、この共鳴用磁場発生部４１ｂは、ビーム制御用磁場発生部（例えば、偏向電磁石）を兼ねることも可能となる。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが，これらの実施形態は，例として提示したものであり，発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は，その他の様々な形態で実施されることが可能であり，発明の要旨を逸脱しない範囲で，種々の省略，置き換え，変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は，発明の範囲や要旨に含まれるとともに，特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４８】
１０    プラズマ洗浄装置
１１    真空ダクト
１１ｉ    内壁
１２    ガス導入ポート
２１    プラズマ生成用ガス供給源
１３    マイクロ波導入用ポート
３１    マイクロ波発生源
４１，４１ａ，４１ｂ    共鳴用磁場発生部
４２    共鳴用磁場発生用電源
４３    コイル
４４    コア
４５    磁性板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020184466.tif 000010
【図９】
2020184466.tif 000011
【図１０】
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