(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスをマイクロ波によってプラズマに変換するプラズマ室と、プラズマ室の出口に穿孔されたイオンビ−ムを引き出すための帯状のスリットと、プラズマ室にマイクロ波を導入するための導波管とを含むＥＣＲイオン源において、マイクロ波を導く導波管の全体又は一部を方形導波管としてその短辺がスリットの長辺に平行になるように配置したことを特徴とするＥＣＲイオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＣＲイオン源及びＥＣＲイオン源を用いたビーム応用装置に関する。特にマイクロ波の外部への洩れを少なくする改良に関する。ＥＣＲイオン源は、縦磁場を掛けて電子をサイクロトロン運動させてマイクロ波を共鳴吸収するようにし、高速で運動する電子によってガスをプラズマに励起するものである。マグネトロンで発生したマイクロ波が導波管を通してイオン源に供給される。チャンバにはその寸法や形状に応じたモードのマイクロ波が立つ。
【０００２】
イオン源の周りにはコイルがあって直流電流が流れている。これによってチャンバの中には軸方向の磁場が生成される。電子はこの磁場に捕らえられて磁力線の回りにサイクロトロン運動する。その周波数をマイクロ波周波数に等しくすることによってマイクロ波を共鳴吸収させるのである。チャンバ内にガスを電離したプラズマができる。
【０００３】
チャンバの出口にはいくつかの穴を穿孔した電極板が３枚或いは２枚設けられる。正電極、負電極、接地電極などである。これらの電極に電圧を印加する事によってチャンバからイオンビームを引き出すようになっている。
【０００４】
【従来の技術】
これらの有孔電極を引出電極系と呼ぶこともある。電極に穿孔した穴が一つの場合は細いイオンビ−ムを引き出すことができる。この場合は磁場によってビームをｘｙ二方向に走査することによって、対象物の広い範囲に渡ってビームを照射するようにする。ｘｙ二方向に走査すると時間がかかるので初めから大面積のイオンビ−ムを生成することもある。その場合は、小さい穴を多数穿孔した引出電極系を用いる。
【０００５】
さらに帯状の穴を持つ電極系によって帯状の断面のイオンビ−ムを引き出す事もある。帯状のビームであるから、帯の広がりと直角の方向にだけ走査することによって二次元的広がりのある対象物の全体にイオンビ−ム照射することができる。本発明はこのように帯状の穴を電極に穿ち、帯状の断面を持つイオンビ−ムを引き出すようにしたイオン源を対象にする。ここではイオン源チャンバのことをプラズマ発生室と呼ぶ。
【０００６】
図１は従来例に係るＥＣＲイオン源の原理を示す概略斜視図である。マグネトロン（図示しない）によって励起されたマイクロ波は導波管２を伝搬して誘電体窓７を通ってプラズマ室１の内部に入る。矩形断面の導波管をこの場合用いている。プラズマ室１にはアルゴンその他のガスが導入される。プラズマ室１の周囲にはコイル３が設置される。コイルには直流が流れており、軸方向の静磁場Ｂがプラズマ室１の内部に形成される。プラズマ室１の出口には電極の穴４がある。これは帯状の穴である。そこで出口穴のことをスリット４と呼ぶ。
【０００７】
本発明はイオンビ−ムの出口穴が線分状（帯状）の場合だけを問題にする。図１において、マイクロ波の進行方向をｚ軸、イオンビ−ムの出口であるスリット４の方向をｙ軸、スリットと直角の方向をｘ軸とする。磁場Ｂの方向、イオンビ−ムの方向、マイクロ波伝搬方向ともにｚ方向である。
【０００８】
マイクロ波の周波数によって導波管を伝搬し得るマイクロ波モードが決まる。導波管の寸法が小さい程、低次モードしか伝搬できないようになる。多くの場合は最低次（基本）モードだけを通す導波管が用いられる。図４に示すように矩形（方形）断面の導波管を伝搬する基本モードはＴＥ10であり、電界は短辺に平行、磁界は長辺に平行になる。基本モードはノード（節）がなく電界、磁界の方向が領域内で一定である。もちろん振幅は領域内で変化する。矢印は振幅を表現せず方向だけを示している。電界は導波管壁で０になるという境界条件があり、短辺に平行なモードの方が長辺に平行なモードよりも位相速度βを大きくできるから、これが最低次（基本）モードになる。
【０００９】
端的にいうと、電界が長辺に平行なモードは短辺方向の振幅に広がりが狭くなり、それだけ位相速度が小さくなる。もちろん導波管の寸法が波長に比べて大きいと高次モードも存在するが、それでも基本モードが最も優勢である。導波管寸法が小さくなると高次モードは遮断されてゆき、低次モードだけ伝搬するようになる。さらに導波管が小さくなると唯一基本モードだけが伝搬する。図１の場合、導波管の短辺がｘ方向に平行、長辺がｙ軸に平行であるから、基本モードの電界はｘ方向を向いている。
【００１０】
マイクロ波の作用と縦磁場の作用によって高密度のプラズマがプラズマ室１に生成される。電子のラーモア周波数がマイクロ波周波数に等しいから、マイクロ波を電子が吸収し易い。だから高密度のプラズマが生成される。プラズマは導電性に富む気体である。だからプラズマ密度が十分に高い場合はマイクロ波をプラズマが全部吸収する。マイクロ波がイオンビ−ム出口にまで漏れるというような事はない。
【００１１】
しかしプラズマの密度が低い場合（弱点灯）あるいはプラズマが点灯していない場合（非点灯）、プラズマがマイクロ波を完全に吸収できない。イオンビ−ム引出口より外部にマイクロ波が放出される。図１に於いて破線でマイクロ波の漏れを示す。
【００１２】
図２は他の従来例に係るＥＣＲイオン源の斜視図である。やはり長辺がｙ軸（スリット）に平行な矩形導波管２を利用している。直接にチャンバ１につながず、一旦円形断面の誘電体（セラミック）導波管５を通してチャンバ１に導いている。中空の金属導波管と違い、誘電体の中実体である。この場合、円形の導波管５は円形モードを立てることになる。誘電体導波管の場合、図３に示すＴＥ11モードが基本モードである。矩形の場合と違って電界磁界ともに円弧状になる。外壁で電界磁界が壁面に直交するという条件から図３のようになる。これは図４の矩形導波管の場合と比べて一見異なるようであるが、節がなく磁界と電界が直交するという本質は共通する。
【００１３】
図２において、初めは矩形導波管２を伝搬するから図４の基本モードが伝搬している。これが円形誘電体導波管に連続するので図３のようなモードに変換される。これが窓７を通してプラズマ室１に入る。電界は窓においてｘ軸に平行である。この場合もプラズマが盛んに立っている場合はマイクロ波が完全に吸収される。しかし非点灯、弱点灯の場合、マイクロ波が出口スリット４からマイクロ波が漏洩してしまう。図２において破線によってマイクロ波の漏れを示す。
【００１４】
本発明は非点灯、弱点灯時のマイクロ波の外部への漏れを問題にする。しかも帯状の穴をイオンビ−ム出口として有する電極系の場合だけを対象とする。丸い小さい穴を有する電極や、多数の小さい穴を有する電極の場合は本発明の対象外である。
【００１５】
イオン源の真空チャンバから電極穴を通って放出されたマイクロ波は絶縁碍子などの誘電体部分より外部に放射される。漏れたマイクロ波は３つの問題点を引き起こす。まず洩れたマイクロ波は他の測定系のノイズを引き起こす。さらに近傍にいる作業者に悪影響を与える。加えて、洩れマイクロ波は電極間の放電現象を引き起こす。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
イオンビ−ム出口からマイクロ波が洩れるという問題はイオンビ−ム出口をスリットにすることによって初めて生じた問題である。電極に穿孔したイオンビ−ム出口が小さい円形の穴である場合、マイクロ波が穴を通らないので漏洩するはずがない。大面積イオンビ−ムを得るため小径の穴が多数穿孔されている場合も一つ一つの穴は小さいのでマイクロ波はこれを通らない。だからマイクロ波漏れの問題は起こらない。
【００１７】
最近になってイオンビ−ム出口を帯状にしたのでこのような問題が新たに発生したのである。スリット状出口を持つプラズマ室においてプラズマが非点灯弱点灯であって、イオン源部分からマイクロ波が洩れていると次のような問題がある。メンテナンスを行う場合、作業者にマイクロ波が照射されるという危険性がある。またイオン源周りにある制御系へのノイズとなり、その装置の誤動作を引き起こすことがある。さらにイオンビ−ム引き出し部分の電極系に於いて洩れマイクロ波が放電を誘起する。洩れマイクロ波による放電はかなり頻発する。このように洩れマイクロ波は、イオン源それ自身、周りの機器、人間などに様々の悪影響を与える。マイクロ波の洩れを抑制することが望ましい。
【００１８】
イオン源スリット４の面積を小さくしていけば放出されるマイクロ波のレベルは低くなるであろう。しかしそれもできない。スリットはイオンビ−ムの引出口である。スリットを狭くするとマイクロ波点灯時に引き出されるビーム電流が低下する。現状はその反対で、生産性を上げるために、イオン源の引き出しビームは大電流化し、ビームは大面積化する傾向にある。つまりスリットを大きくせざる得ない。ために非点灯弱点灯時のイオンビ−ム出口からのマイクロ波の洩れはますます増大する傾向にある。
【００１９】
プラズマが非存在の時又はプラズマ密度が低い時にＥＣＲイオン源からのマイクロ波の洩れを少なくすることが本発明の第１の目的である。低プラズマ密度におけるイオン源からのマイクロ波の漏れを抑えイオン源周りの制御系などの誤動作を防止するような機構を提供する事が本発明の第２の目的である。イオン源からのマイクロ波の漏れを防ぎメンテナンス作業者のマイクロ波被曝を防ぐようにした機構を提供することが本発明の第３の目的である。マイクロ波のイオン源からの漏れを防ぎ放電現象を抑制できるようにすることが本発明の第４の目的である。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＥＣＲイオン源は、イオン源のスリットの長手方向と、マイクロ波の電界方向が平行となるようにする。つまりスリットの方向をｙ軸方向とすると、電界はｙ軸に平行であるようにする。そのために矩形導波管によってマイクロ波を導く場合、矩形導波管の短辺がスリットに平行であるようにする。こうすると非点灯弱点灯時でもマイクロ波が出口から洩れない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
マグネトロンからプラズマ室まで、マイクロ波は導波管の中を伝搬する。プラズマ室自体も導波管と考えることができる。マイクロ波の伝送形態（モード）は導波管形状によって決定される。方形導波管の場合基本モードにおいて、電界は方形の長辺に垂直な方向となる。従来は、イオン源プラズマ室はイオン源スリット長手方向に直角な電界をもつモードのマイクロ波が導入されていた。プラズマ室全体が導波管となると、スリット開口部がアンテナとなり、ここから外部にマイクロ波が放出された。
【００２２】
本発明はそうでなく、イオン源スリット長手方向と、電界方向が平行となるようにマイクロ波のモードを決める。。つまり電界をｙ軸に平行にする。そのためにプラズマ室自体をスリットと直角方向に長い非等方性のあるものにすることもできる。しかし最も有効なのは導波管によるモード決定を利用することである。そのため導波管の方向を工夫する。
【００２３】
図５は本発明の第１の実施例に係るイオン源の概略を示す斜視図である。プラズマ室１にスリット状のイオンビ−ム出口４がある。プラズマ室１の周囲にコイル３があってこれが縦磁場（ｚ方向磁場）を発生している。ところが出口近傍での電界の方向がスリットに平行（ｙ方向）になっている。そのために矩形導波管２の方向が図１とは異なっている。出口付近で電界がｙ方向を向くようにするために矩形導波管２の長辺がｘ軸に平行であるように設置される。このようにすると基本モードＴＥ10モードにおいて電界はｙ方向を向く。導波管からチャンバに入るとモード変換がおこるが電界方向は殆どそのまま維持される。出口においてもスリットと電界が平行になる。ためにマイクロ波はプラズマ室１の壁で完全に反射される。スリットを抜けることができない。非点灯時や弱点灯時においてもマイクロ波がスリットから抜け出て行かずマイクロ波の漏れがない。
【００２４】
図６は本発明の他の実施例を示す。誘電体の円形導波管５を矩形断面の導波管２とプラズマ室１の窓７との間に設けている。これも矩形導波管の長辺がｘ軸に平行であるように置く。基本モードにおいて電界がｙ方向を向く。これが一旦円形導波管に入っても、本質的に電界がｙ方向に平行になっている。これがチャンバに入ると、高次モードも少し励起される。しかし主流は図４の矩形導波管の基本モードに近いモードである。だから出口においても、電界が出口スリット４の長手方向（ｙ方向）に平行になる。電界がスリットに平行であるからマイクロ波はスリットを抜けでる事ができない。マイクロ波の漏洩を防ぐ事ができる。
【００２５】
図１、図２の従来例においてマイクロ波入力が１５０Ｗでプラズマ非点灯時において、出口でのマイクロ波漏洩が１５〜２０ｍＷ／ｃｍ2 であった。図５、図６の実施例においては、１５０Ｗのマイクロ波入力に対して非点灯時のマイクロ波漏れは１ｍＷ／ｃｍ2 であった。１／１５〜１／２０程度にマイクロ波漏れが抑制される。
【００２６】
どうしてスリットと電界が平行であるとマイクロ波が出口スリットから漏れないのか？これは直観的にいうと図１のように電界がスリットに直交する場合は渦電流の方向もスリットに直交し、渦電流がスリットによって遮断されて流れないので渦電流損失が少なくマイクロ波が外部に出て行くということである。図５のように電界がスリットに平行であると電界による渦電流が流れるからジュール熱を生じて減衰するためマイクロ波が外部に出ていかないのである。
【００２７】
これは直観的な話である。より厳密には、エネルギーが出口を介して内部から外部へどのように出ていくかということによって差異が出てくる。マイクロ波のモードは導波管の寸法形状によって決まる。プラズマ室１は導波管より大きいので基本モード以外に高次モードも存在し得る。導波管には基本モードだけしかなかったとしてもそれがチャンバで高次モードに変換される。変換量は基本モードとその高次モードの位相定数βの差に反比例する。であるからチャンバにおいても依然として基本モードが優勢である。それが出口まで持続する。だから出口でも電界の方向は導波管での電界方向にほぼ平行になる。
【００２８】
スリット断面積は導波管断面積より小さいのでスリットがｚ方向に十分に長いと（つまり導波管をなすと）すると基本モードも伝搬できないはずである。ところがスリットはｚ方向には極短いので漏れが起こるのである。スリットが十分ｚ方向に長いとして基本モードを考えると電界は短辺に平行（ｘ方向）であるはずである。これを仮想基本モードと呼ぶ。スリットの長辺に平行な電界を持つモードは高次モードである。これは仮想高次モードと呼ぶ。
【００２９】
すると図１においてプラズマ室の内外において電界はｘ方向を向き、出口の短い間では基本モード（ｘ方向）を向く。つまりマイクロ波の遷移は出口４において、
ｘ方向モード（内）→出口での仮想基本モード（ｘ方向）→ｘ方向モード（外）という変換をするが、２箇所での遷移の確率が大きいので図１ではマイクロ波が外部に漏洩するのである。
【００３０】
ところが図５の場合は、出口に短い区間で高次モード（ｙ方向電界）を介してマイクロ波が洩れることになる。
ｙ方向モード（内）→出口での仮想高次モード（ｙ方向）→ｙ方向モード（外）という変換をする。仮想高次モードが存在しにくいので矢印の２箇所での遷移の確率が小さい。だからｙ方向電界のマイクロ波は出口での漏れが少ない。本発明はマイクロ波の導波管における振る舞いに対する深い省察によってなされたものである。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマ非点灯弱点灯時においてイオン源からのマイクロ波の洩れを減らすことができる。マイクロ波の洩れが減るので次の３つの利点がある。まずメンテナンス時においてマイクロ波が外部に殆ど洩れないから人体に与える悪影響を減らすことができる。さらにイオン源の周りの機器の誤動作を防止する事ができる。またイオン源そのものにおいても、イオンビ−ム引き出し電極部分での洩れマイクロ波による放電現象を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】矩形導波管によってマイクロ波をチャンバに導くようにした従来例に係るＥＣＲイオン源の概略構成図。
【図２】矩形導波管と円形導波管によってマイクロ波をチャンバに導くようにした従来例に係るＥＣＲイオン源の概略構成図。
【図３】円形導波管に於けるマイクロ波基本モードでの電界磁界の方向を示す概略図。
【図４】方形（矩形）導波管に於けるマイクロ波基本モードでの電界磁界の方向を示す概略図。
【図５】矩形導波管によってマイクロ波をチャンバに導くようにした本発明の実施例に係るＥＣＲイオン源の概略構成図。
【図６】矩形導波管と円形導波管によってマイクロ波をチャンバに導くようにした本発明の実施例に係るＥＣＲイオン源の概略構成図。
【符号の説明】
１  プラズマ室
２  方形（矩形）導波管
３  コイル
４  プラズマ室出口のスリット
５  セラミック円形導波管
７  窓
【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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