(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を有する誘電体共振器構造と、
前記中心軸の周りの前記誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、前記誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源と
を備えるプラズマ発生器。
【請求項２】
前記誘電体共振器構造が、１００より大きい品質係数を有する、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項３】
前記誘電体共振器構造が、１×１０１０Ω・ｃｍより大きい電気抵抗率を有する、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項４】
前記誘電体共振器構造が、銅の融点より高い融点を有する、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項５】
誘電体共振器構造が、損失正接が０．０１未満の誘電率を有する、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項６】
前記誘電体共振器構造が、５より大きい比誘電率を有する、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項７】
前記誘電体共振器構造が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）およびチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）からなる群から選択される、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項８】
前記誘電体共振器構造が、前記中心軸に沿った中央開口部を有するリングである、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項９】
前記リングが、直径が少なくとも１ミリメートル、または少なくとも１２．７ミリメートルの中央開口部を有する、請求項８に記載のプラズマ発生器。
【請求項１０】
前記リングの軸に沿って前記リング内にガスを導入するガスポートさらに含む、請求項８に記載のプラズマ発生器。
【請求項１１】
前記無線周波数電源が、前記誘電体共振器構造の前記固有共振周波数で無線周波数電力を出力するために、前記誘電体共振器構造の前記固有共振周波数を自動的に求める、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項１２】
前記無線周波数電源が、マグネトロンである、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項１３】
前記無線周波数電源は、２０メガヘルツ〜１０００メガヘルツの範囲にある電力を出力する、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項１４】
前記無線周波数電源は、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、４３０ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ、２４５０ＭＨｚからなる群から選択される少なくとも１つの周波数を含む範囲にある電力を出力する、請求項１に記載のプラズマ発生器。
【請求項１５】
光学レーザ、プラズマトーチ、ロケットエンジン、電子サイクロトロンプラズマまたはイオン源、半導体処理用誘導結合プラズマ源、およびイオンサイクロトロンプラズマヒータの構造のうちのいずれかに組み込まれた、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のプラズマ発生器。
【請求項１６】
誘電体共振器構造と、前記誘電体共振器構造の中心軸の周りの前記誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、前記誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源とを含むプラズマ発生器と、
前記プラズマ発生器によって発生したプラズマ中に、ガス、および調べるべき材料を導入するための導入器ノズルと、
前記プラズマによって加熱された時に、前記材料が発した光の周波数を測定するための光センサと
を備える光学分光計。
【請求項１７】
誘電体共振器構造と、前記誘電体共振器構造の中心軸の周りの前記誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、前記誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源とを含むプラズマ発生器と、
前記プラズマ発生器によって発生したプラズマ中に、ガス、および調べるべき材料を導入するための導入器ノズルと、
前記プラズマによって加熱された時に、前記材料の生成されたイオンの質量電荷比を測定するためのイオンセンサと
を備える質量分析計。
【請求項１８】
誘電体共振器構造と、前記誘電体共振器構造の中心軸の周りの前記誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、前記誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源とを含むプラズマ発生器を使用してプラズマを発生させる方法であって、
（ａ）前記誘電体共振器構造に隣接する領域内にガスを導入するステップと、
（ｂ）導入した前記ガス中にプラズマを発生させるために、固有共振周波数で前記誘電体共振器構造を励振するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年３月１３日付けで出願され、かつ本明細書によって援用される米国仮特許出願第６１／７７９，５５７号明細書の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、電気アンテナ、特に、プラズマ発生などのための効率的かつ均一な電磁場を発生させるアンテナに関する。
【背景技術】
【０００３】
プラズマ発生用高周波電場では、メガヘルツからギガヘルツの範囲で振動するＡＣ電流によって駆動される導電性コイル（「電場印加装置」）を使用し得る。コイル内のガスは、ガスをプラズマ状態に励起する誘導結合によって、コイルからエネルギーを受け取る。
【０００４】
プラズマを発生させるためのそのような誘導結合技術には、数多くの大きな問題がある。第１に、通常、導電性コイルは複数の「巻き」を有していなければならず、各巻きは、プラズマイオンの不均一な速度、軌道および密度として明示され得る場（ひいてはプラズマ）を生じさせるループの隣接する巻きとの相互キャパシタンスを示す。プラズマ中の不均一性は、均一なプラズマが要求される用途（例えば、集積回路産業でのエッチング用）に悪影響を及ぼし得、望ましくないプラズマ工程でエネルギーを浪費し得る。相互キャパシタンスはまた、導電性コイルの巻きの間で誘電破壊せずにコイルに印加され得る電圧を制限する。
【０００５】
第２に、導電性コイルに流す必要がある大量の電力ひいては大量の電流は、複雑または嵩高い冷却構造を必要とする著しい抵抗加熱をもたらす。銅などの高導電性材料を使用することで抵抗損失を低減することはできるが、銅および同様の金属を使用することは、そのような高導電性材料がプラズマの過酷な環境で腐食および溶融されやすいことで複雑になる。
【０００６】
第３に、導電性ループを効率的に駆動するには、ループが、同調コンデンサをコイル回路内に配置することによって実装される共振構造の一部となる必要がある。本目的に適したコンデンサは高価で嵩高い。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、誘電体アンテナを使用することによってプラズマを発生させるためのアンテナ構造を提供する。本発明者は、そのようなアンテナは、誘電率が高く、誘電損失が低い材料で製造される場合、電力消散が少ない高電場強度を与えるように共振時に操作することができることを明らかにしている。
【０００８】
発明者は特定の理論に縛られることを望まないが、本発明によって、従来のコイル中の電子の「伝導」電流が誘電材料中の電子の「分極」電流に取って代わられることを理解する。分極電流は、電場の影響下で誘電材料の分子に束縛された素電荷のわずかな移動に起因する。両方のタイプの電流（伝導電流および分極電流）は、同じ電磁気の法則によって、磁場および誘導電場を生成する。しかしながら、誘電材料は、それ自体のコンデンサであると同時にインダクタでもあるため、誘電体の内部、および誘電体の周りの空間のあらゆるところで電位はちょうど０である。したがって、寄生容量結合は完全に除去され、電場は誘導によってのみ生成される。さらに、分極電流とは異なり、伝導電流の流れをリング構造の最外部に集中させる、誘電材料中の「皮膚」効果がないことで改善された電流分布が得られるとさらに考えられている。
【０００９】
次いで具体的には、本発明は、プラズマ発生器であって、中心軸を有する誘電体共振器構造と、軸の周りの誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れを促進し、隣接するガス中にプラズマを発生させるために、誘電体共振器構造に電気的に結合された無線周波数電源とを有するプラズマ発生器を提供する。
【００１０】
したがって、プラズマ生成用の強いが均一な電場を発生させるための改善された無線周波数アンテナを提供することは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００１１】
誘電体共振器は、１００より大きい品質係数、１×１０１０Ω・ｃｍより大きい電気抵抗率、損失正接が０．０１未満の誘電率、および５より大きい誘電率のうちの任意の１つまたは複数の品質を有し得る。
【００１２】
したがって、冷却およびエネルギー損失の問題を最小化するために、無線周波数場での極低損失および高電力レベルをもたらす誘電材料を提供することは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００１３】
誘電体共振器は、銅の融点より高い融点を有する材料からなってもよい。
【００１４】
したがって、プラズマの超高温に対して頑強な材料を提供することは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００１５】
誘電材料は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）またはチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）であってもよい。
【００１６】
したがって、比較的一般的で製造可能な材料から構成され得る装置を提供することは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００１７】
誘電体共振器は、軸に沿った中央開口部を有するリングであってもよい。
【００１８】
したがって、製造するのが比較的単純な誘電体共振器を提供することは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００１９】
リングは、直径が少なくとも１ミリメートル、または少なくとも２分の１インチの中央開口部を有してもよい。
【００２０】
したがって、流れるガス中でのプラズマ形成に容易に適用可能な誘電体共振器を提供することは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００２１】
この目的のために、プラズマ発生器は、リングの軸に沿ってリング内にガスを導入するガスポートを含んでもよい。
【００２２】
したがって、分光用途または他の用途にプラズマトーチの要素を提供することは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００２３】
無線周波数電源は、誘電体共振器構造の固有共振周波数で無線周波数電力を出力するために、誘電体共振器構造の固有共振周波数を自動的に求めてもよい。
【００２４】
したがって、誘電共振材料またはその環境の変化に自動的に適応し得るプラズマ発生器を提供することは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００２５】
無線周波数電源は、マグネトロン、固体発振器または真空管発振器であってもよい。
【００２６】
したがって、超高周波プラズマの発生を可能にすることは、本発明の少なくとも１つの実施形態の特徴である。
【００２７】
これら特定の目的および利点は、特許請求の範囲内にあるいくつかの実施形態にのみ適用され得るため、本発明の範囲を定義しない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態における、リング誘電体共振器を使用するプラズマ発生器の部分切欠斜視図である。
【図２】分極電流の流れの向きを示す、図１のリング誘電体共振器の上面図である。
【図３】図２のリング誘電体共振器内の電場を示すモデルである。
【図４】支持構造への熱伝導経路および空気の流れのためのスタンドオフを有するリング誘電体共振器における代替実施形態の斜視図である。
【図５】個々のセクタから製造されたリング誘電体共振器の斜視図であり、そのようなセクタを１つ示す。
【図６】複数の積層リングから製造された誘電体共振器の斜視図である。
【図７】周溝および中心軸方向孔を有するロッドから製造された誘電体共振器の部分切欠斜視図である。
【図８】外部プラズマ領域を示す、ディスク誘電体共振器の部分切欠斜視図である。
【図９】軸方向円盤状プラズマを生成するために段差面ディスクを提供するディスク誘電体共振器の部分切欠斜視図である。
【図１０】プラズマ切断および溶接、またはプラズマスラスタで使用するためのノズルの部分切欠斜視図である。
【図１１】誘電体共振器に電力を誘導結合するための、図１に示すシステムに類似したループ電力結合システムの断片図である。
【図１２】マイクロ波導波管を使用する結合システムを示す、図１１に類似した図である。
【図１３】同調するために互いに対して移動可能な２つの同一のリング状誘電体共振器の斜視図である。
【図１４】同調のために、一方の誘電体共振器が他方の誘電体共振器上に嵌合し得る代替同調構造を示す、図１３に類似した図である。
【図１５】誘電体共振器と、誘電体共振器の外表面と直接接触するＲＦシールドとの部分切欠斜視図である。
【図１６】２つの同軸セラミックリングの形をした誘電体共振器と、２つのＲＦシールドとの部分切欠斜視図である。
【図１７】本発明の誘電体共振器を組み込む分光計の簡略化された断面図である。
【図１８】本発明の誘電体共振器を組み込む質量分析計の簡略化された概略断面図である。
【図１９ａ−ｂ】本発明のプラズマシステムを使用する小型マイクロ波ガス放電レーザの簡略化された断面図である。
【図２０】本発明による拡散冷却同軸マイクロ波ガス放電レーザの簡略化された断面図である。
【図２１】本発明による対流冷却同軸マイクロ波ガス放電レーザの簡略化された断面図である。
【図２２】本発明の教示を使用する電子サイクロトロン共鳴プラズマ源の簡略化された断面図である。
【図２３】本発明による大面積、高密度、かつ均一なプラズマ源の簡略化された断面図である。
【図２４】本発明による超大面積、高密度、かつ均一なプラズマ源の簡略化された断面図である。
【図２５】本発明を使用するマイクロ波プラズマトーチの簡略化された断面図である。
【図２６】ロケットエンジンの基礎を形成し得るようなマイクロ波プラズマトーチの簡略化された断面図である。
【図２７ａ−ｂ】図２７ａは、イオンサイクロトロン共鳴プラズマ加熱システムの上面断面図であり、図２７ｂは、イオンサイクロトロン共鳴プラズマ加熱システムの側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
ここで図１を参照すると、本発明のプラズマ発生器１０は、本実施形態では軸１４を中心とする円筒環である誘電体共振器１２を設け得る。
【００３０】
当技術分野で理解されるように、誘電材料は、直流に対して実質的に絶縁体であるが（すなわち、誘電体が電場中に配置された時に、電荷は、導体中で流れるように材料中を自由に流れない）、材料中の束縛電子または束縛イオンの平衡位置がわずかに移動することで生じる分極電流を与えることができる。
【００３１】
本実施形態では、誘電体共振器１２は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなってもよく、外径が２インチ、内径が１インチ、軸１４に沿った長さが０．７５インチで、約２．４５ギガヘルツの電気的共振を有する円形環であってもよい。この材料は、品質係数が５０００より大きく、比誘電率が９．８であり、摂氏１０００度を超える温度でその電気特性および物理的完全性を保持する。
【００３２】
誘電体共振器１２の代替材料は、外径が３．１３インチ、内径が２．３４インチ、長さが１．１２インチで、約４３０メガヘルツで共振するチタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）であってもよい。このリングは、品質係数が５０００を超え、比誘電率が２００である。
【００３３】
多くのタイプの最新技術セラミックはこれらの要件を満たすが、同様の電気特性を有する他の誘電材料が代わりに使用されてもよい。
【００３４】
より一般的には、誘電体共振器１２の誘電材料は、（ａ）０．０１未満の損失正接、（ｂ）１００より大きい品質係数、（ｃ）５より大きい比誘電率の特性を有し得る。あるいは、品質係数は、１０００より大きくなるべきである。
【００３５】
誘電材料は、１×１０１０オームセンチメートルより大きく、典型的には１×１０１４オームセンチメートルより大きい抵抗率を有し得ることが望ましい。誘電材料は、銅または他の同等の導電性金属より高い融点を有し得ることが望ましい。誘電率は、好ましくは５より大きく、より望ましく９より大きい。これらの例は、限定するものではない。
【００３６】
リングの３つの寸法がすべて同じ係数によって変更される場合、リングの共振周波数は、比誘電率の平方根にほぼ反比例し、リングの線形寸法にほぼ反比例し、これらの例を他の寸法に容易に修正することができる。
【００３７】
誘電体共振器１２は、今度は無線周波電源１８に取り付けられた結合アンテナ１６の近くに位置付けされ、無線周波電源１８は、誘電体共振器１２の共振周波数で結合アンテナ１６を励振する高周波電流を生成してもよい。無線周波数電源１８の周波数出力を誘電体共振器１２の共振周波数に整合させることは、周波数設定を調整することによって手動で、または例えば、共振に関連するインピーダンスの変化を検出するフィードバックシステムを使用することによって自動的に行われてもよい。自動同調はまた、感知アンテナ１９からのフィードバックを使用して「自己共振」によって施されてもよく、感知アンテナ１９の出力は、増幅器として働く無線周波数電源１８を駆動する。自己共振は、当技術分野で一般に理解されるような必要なループ移相を確実にすることによって施される。無線周波数電源１８は、電力２１、例えば、従来の電源からの線電流を受け取る。
【００３８】
無線周波数電源は、誘電体共振器に電気的に結合され得る。磁場もまた存在するため、無線周波数電源は、誘電体共振器構造に電気的に結合され、かつ磁気結合され得る。したがって、無線周波数電源は、誘電体共振器構造に電磁結合されると言え得る。この結合によって、誘電体共振器構造の固有共振周波数で交流分極電流の流れが促進される。一般に、無線周波数電源は、その固有共振周波数で誘電体共振器構造に少なくともいくらかの電力を結合するのに十分な周波数または周波数範囲（広帯域など）で駆動される。無線周波数電源は、誘電体共振器構造の固有共振周波数に関連する周波数で駆動されることが好ましい。無線周波数電源は、誘電体共振器が負荷される場合、誘電体共振器構造の共振周波数の２つの半値全幅（ＦＷＨＭ）帯域幅内にある周波数で駆動されることがより好ましい。無負荷の誘電体共振器の帯域幅は、非常に狭く、プラズマで負荷された時に１００倍広がり得る。
【００３９】
ここで図１および図１４を参照すると、誘電体共振器１２の共振周波数は、誘電体共振器１２の寸法を変更することだけではなく、第２の誘電体同調素子４４を誘電体共振器１２に近接して配置することによっても調整され得る。図１４のこの例では、同調素子４４は、誘電体共振器１２の外径より大きい円筒環であり、軸１４と位置合わせされる。同調素子４４は、機構４６（例えば、ラックピニオン親ねじなど）に取り付けられ、移動方向を表す矢印５０で示すように、軸に沿って同調素子４４を移動させ、同調素子４４と誘電体共振器１２との誘導結合を変更し、それによって誘電体共振器１２の共振周波数を変更することができる。同調素子４４は誘電体共振器１２の周りに嵌合し得るため、感度の良い同調を得るために密結合が確立され得る。同調素子４４の移動は、フィードバック制御に応じて、例えば上で説明したような感知インピーダンスに応じて、手動または自動であってもよい。
【００４０】
ここで図１３を参照すると、代替実施形態では、２つの同一の誘電体共振器１２ａおよび１２ｂが使用され得、誘電体共振器１２ｂは同調素子４４として働く。２つの同一構成要素を使用すると、同調範囲が非常に広がり、均一な電場の領域が拡張される。誘電体共振器１２ａおよび誘電体共振器１２ｂのうちの１つまたは両方は、プラズマを発生させる電場を提供し得る。
【００４１】
あるいは、上記例のどちらかでは、同様の同調効果を与えるために、同調素子４４は、アルミニウム、銅または銀メッキ銅などの金属であり得る。
【００４２】
また図２および図１１を参照すると、この例では、結合アンテナ１６は、電源１８に繋がる同軸ケーブル２２で終端し、かつ、軸１４に略平行である軸２４を有する単一のループ２０であり、ループ２０と、磁束線２６を有する誘電体共振器１２との間で電力を誘導結合し得る。単一ループ２０は、結合度を制御し、かつ軸１４と適切に位置合わせするように、回転方向を表す矢印４３で示すように調整されてもよい。結果として、誘電体共振器１２の共振周波数で軸１４の周りを円周方向に振動する誘電体共振器１２内に、分極電流の流れ２７（図２に示す）ができる。
【００４３】
ここで図３を参照すると、所与の瞬間での誘電体共振器１２内の電場２８は、寄生容量結合が実質的に除去されている純粋な誘導場を示す誘電体共振器１２の内周および外周周辺に実質的に接している。誘電体共振器は、それ自体のコンデンサであると同時にインダクタでもあるために、誘電体共振器１２の内部、および誘電体共振器１２の周りの空間のあらゆるところで電位はちょうど０であるため、電場２８はそのように高品質なものであると考えられている。
【００４４】
再び図１を参照すると、ガス源３２、例えばアルゴン系プラズマ用アルゴンは、レギュレータ３４を通って、誘電体共振器１２の中心を通る軸１４に沿ってガスを方向付けるガスポート３６に供給され得る。誘電体共振器１２内では、高電場によりガスが、軸１４に沿って流れ得るプラズマ４０に変わる。流れる距離は、プラズマ励起の寿命によって決定される。誘電体共振器１２は、電磁エネルギーの放射による電力損失を低減し、高強度非電離放射線への人体暴露を最小化し、かつ電磁干渉を制御するために、無線周波数シールド４２内に配置されてもよい。シールド４２は、同軸ケーブル２２の戻りに接続されてもよい。
【００４５】
増幅器によって直接駆動される伝導性金属の複数または単一ループコイルの代わりに、誘電体共振器１２を使用すると、以下を含む複数の利点がもたらされる。
【００４６】
ａ）誘電体共振器１２のエネルギー損失は、従来のコイルの伝導損失より１〜２桁低い。多くの用途では、これによって、流体冷却が完全に不要となり、プラズマ源の寸法、コストおよび複雑さが非常に低減され得る。半導体処理用途では、環境を破壊する誘電冷却流体を不要とすることが可能になり得る。
【００４７】
ｂ）電力がプラズマに吸収されない場合、誘電体共振器１２のエネルギー損失が極めて低いことは、プラズマ点火段階中の電場強度が非常に大きいこと意味する。これは、プラズマ放電をより容易、かつより確実に点火するのに役立つ。
【００４８】
ｃ）誘電体共振器１２の自己共振の性質によって、誘電体共振器１２と電源１８との間の外部インピーダンス整合ネットワークが非常に単純化され、または不要となるため、プラズマ源の寸法、コストおよび複雑さが低減される。
【００４９】
ｄ）プラズマへの結合を改善し、またはプラズマ源に利用可能な限られた空間を収容するために、誘電体共振器１２内にアルミナなどのセラミック材料を使用することによって、真空チャンバ内部に直接配置することができる超高真空工程に適合するプラズマ発生器が提供される。
【００５０】
ｅ）高い熱伝導率を有するアルミナなどのセラミック材料から誘電体共振器１２を作ると、伝導による迅速な熱除去が可能となる。誘電体共振器１２がプラズマと直接接触する場合、ガス放電レーザ用途において特に重要な特徴である、プラズマガスの効率的な冷却を可能にすることができる。
【００５１】
ｆ）誘電体共振器用アルミナなどのセラミック材料を使用すると、摂氏１，０００度を超える超高温で、良好な機械的および電気的特性が維持され、これにより、誘電体共振器１２は、高温大気プラズマに関する用途によく適するようになる。
【００５２】
ｇ）本設計で可能な純粋な誘導場、極低損失、高温動作、および高い熱伝導率のすべてによって、従来の誘導結合プラズマ技術で今日可能なことを大幅に上回る電力レベルでの動作が可能となる。
【００５３】
ここで図４を参照すると、代替構成では、誘電体共振器１２は、例えば、図１に示した管状シールド４２などの支持構造に対して誘電体共振器１２を支持し得る放射状に延在するスタンドオフ５２を設け得る。スタンドオフ５４の端部は、金属筐体への熱抵抗を低減し、誘電体共振器１２の冷却を助けるために金属でメッキされてもよく、誘電体共振器１２は、スタンドオフ５２の周りの空気の自然対流または強制流動によって冷却もされ得る。
【００５４】
ここで図５を参照すると、特に、より大きい誘電体共振器１２の場合、誘電体共振器１２は、金属メッキ端部表面６２の当接部である継目６０に共に配置された複数の環状セクタ５８から組み立てられ得る。少量の非誘電材料は、誘電体の利点に著しくは影響を及ぼさない。
【００５５】
ここで図６を参照すると、誘電体共振器１２は、薄い絶縁スペーサ６６によって離して保持され、かつ共通軸１４に沿って位置合わせされた複数の薄いリング６４から構成され得る。より小さいリングは、より製造および輸送しやすくなり得、端部表面６２同士の間隔によって、軸方向における誘電分極電流の望ましくない流れを防ぎながら、冷却を改善し得る。
【００５６】
ここで図７を参照すると、中心軸方向孔７０と、軸方向の分極電流を防ぐ役目をする外周切欠部７２とを有する細長いチューブ６８の形をした誘電体共振器１２を製造することによって、同様の結果が達成され得る。
【００５７】
ここで図８を参照すると、誘電体共振器１２はリングである必要はなく、トロイダルプラズマ４０が、ディスク７４の形をした誘電体共振器１２の外周の周りに発生し得ることが理解される。プラズマ４０の環状体は、ディスク７４の対称軸である軸１４を中心とし得る。共振モードを適切に選択することによって、ディスク７４の共振時における主要な円周方向の電流成分２７が確実となる。
【００５８】
ここで図９を参照すると、ディスク７４の中心に向かって移動するにつれ、高さが増す一連の円形段差７６を確立することによって、プラズマ４０は、誘電体共振器１２のディスク７４の対向面に移動し得る。段差７６の背後にある考えは、単純なリングまたはディスク中で、電場が軸上では０であり、外半径に向かってほぼ直線的に増加することに対応することである。電場およびプラズマは、リングの近くで最も強い。軸と外半径との間で誘導電場がより均一になるように、段差は、より小さい半径での分極電流を増加させる役目をする（厚みを増加させることによって）。これにより、半径方向のプラズマの均一性が改善され得ると考えられる。プラズマの移動に関する限り、ディスクの反対側のプラズマは、例えば、高真空またはより高いガス圧力によって抑えられなければならないであろう。
【００５９】
ここで図１０を参照すると、一実施形態では、誘電体共振器１２は、プラズマ切断および溶接、またはロケットエンジンなどの用途で、高温亜音速プラズマ流８０を超音波プラズマ流８２に加速するために、中細ノズルを設け得る。この場合、誘電体共振器１２は、例えば、プラズマ発生位置にラバールノズルを生成するために、より小さい直径８４に向かって内側にくびれる中央孔７０を含む。
【００６０】
上記の図に示すその多くの変形例が様々な方法で組み合わされてもよいことが理解される。例えば、熱除去を容易にするために図４のスタンドオフ５２は、図１０のロケットノズルと組み合わせることができ、または、所望の電流の流れパターンを促進するために、図７に示す切欠部７２を、図８および図９のディスク内に、ディスク７４の表面のうちの１つへ下方に切り取られた周溝の形で実装することができる。
【００６１】
ここで図１２を参照すると、例えば、マイクロ波源によって駆動され、軸１４に略垂直に方向付けられた導波管８９の端部に誘電体共振器１２を配置して、誘電体共振器１２を励振して共振させる他の方法が用いられ得る。導波管８９の開口部９０は、マイクロ波源と誘電体共振器１２との結合度を制御するために、矢印９２で示す絞り９４を開閉し得る絞り機構によって制御されてもよい。
【００６２】
ここで図１５を参照すると、ＲＦシールド４２は、誘電体共振器１２の外表面と直接接触し得る。この構成では、寸法が小さくなり、ＲＦシールド４２に熱がより良好に伝達されるという利点がある。ＲＦシールド４２と接触しているセラミックリング１２の表面は、金属でメッキされてもよい。
【００６３】
ここで図１６を参照すると、プラズマ４０は、２つの同心セラミックリング１２ｃと１２ｄとの環状隙間内に形成され得る。大きい方のリング１２ｃの外表面は、外側ＲＦシールド４２ａと直接接触している。小さい方のリング１２ｄの内表面は、内側ＲＦシールド４２ｂと直接接触している。同心リング１２ｃと１２ｄとの環状隙間は、電場強度が最大である半径に、またはその半径の近くに位置付けられることが好ましい。
【実施例】
【００６４】
実施例１  発光分光法
本発明は、目的が、未知の化学試料中の原子種および分子種を励起し、光を生成することである、発光分光計（ＯＥＳ）で使用されてもよい。プラズマが発した光の分光分析は、試料中に存在する化学物質のタイプおよび量を決定するために使用される。プラズマ特性は、プラズマを消滅させることなく水性溶媒または有機溶媒中の試料を処理する能力、安全性および経済性を改善するために様々なプラズマガスで動作する能力、様々な種類の化学物質を検出する能力、非常に広範囲の被分析物濃度を正確に測定する能力、極めて低い濃度の被分析物を検出する能力、多くの試料を短時間で処理する能力、長時間にわたって測定が繰り返される場合に、安定した結果を生む能力などの点において、ＯＥＳの分析性能に大いに影響を及ぼす。
【００６５】
本出願の典型的なプラズマ源は、本設計によって実施されるはるかに高い周波数を有する４０ＭＨｚより高い無線周波数で動作してもよい。あるいは、本設計は、大量のマイクロ波電力源としてマグネトロン装置を使用して、９１５ＭＨｚまたは２，４５０ＭＨｚなどのマイクロ波周波数でプラズマを提供してもよい。プラズマ発生器の既存の設計は、容量結合が支配的であり、または、プラズマ源に深刻な悪影響を及ぼすかなりの量の寄生容量結合を保持し、または、分光計の残りの部分への従来の機械的、光学的、化学的インタフェースを著しく修正する必要があるであろう形状因子を有する。インタフェースは、当分野において長年にわたる無線周波数ＯＥＳの動作でその能力を証明している。
【００６６】
対照的に、本設計のプラズマ源は、従来の無線周波数誘導結合プラズマ源の動作をマイクロ波周波数まで広げ、分光計の残りの部分との確立された機械的、光学的、化学的インタフェースを最小限修正する必要があるが、従来の設計を制限している寄生容量結合を実際に排除し得る。さらに、新規な電場印加装置の損失が極めて低いために、流体冷却システムを完全になくすことができるため、分光計の寸法、コストおよび複雑さを低減させることができる。
【００６７】
ここで図１７を参照すると、円形環の形をした高密度アルミナ（Ａｌ２０３）セラミックで作られた本発明の誘電体共振器１２を使用する発光分光法１０２用マイクロ波誘導結合プラズマ源。誘電体共振器１２は、アルミニウムなどの金属からなる円筒状無線周波数シールド４２内に支持されてもよく、それぞれが、アルミニウム管状延長部１１０、１１２および１１４それぞれで囲まれた複数の円形開口部１０４、１０６および１０８を有する。管状延長部１１０〜１１４は、シールド４２外部のマイクロ波エネルギーの漏れを最小化するため、マイクロ波技術でよく理解されるように、切断部の下方に円筒導波管を形成するのに十分小さい直径、および十分長い長さを有し、延長チューブを通してマイクロ波の伝播を大きく減衰させるように設計される。
【００６８】
マグネトロン１２０と連通している導波管８９からのマイクロ波電力１１８は、２，４５０ＭＨｚの周波数で供給され、カプラ１２４によってシールド４２の矩形開口部９０を通して、誘電体共振器１２に印加される。誘電体共振器１２の共振周波数は、アルミニウムリングの形に作られ、かつ、誘電体共振器１２のリングと同軸上に位置付けされた同調素子４４の軸方向の場所を変えることによって、微調整することができる。
【００６９】
３軸マニホールド１２５は、開口部１０４内の中心にあり、かつ誘電体共振器１２の内径と位置合わせされた軸１４に沿って方向付けられ、石英またはアルミナ管状材料で作られる。プラズマ冷却ガス１２６は３軸マニホールド１２５の外リングに適用され、一方、プラズマ補助ガス１２８は次の内リングに適用され、中心孔は、分析すべき試料源１３２から、溶解された分析試料１３０を受け取る。試料１３０は、プラズマ４０中に直接導入され得る、エアロゾルの形をしている。
【００７０】
当技術分野において既知の方法による光１３４の周波数成分を決定し得る分析コンピュータ１３８に結合された光センサ１３６によって分析するために、軸１４に対して半径方向のプラズマ４０から発した光１３４が、管状延長部１１２内を通過する。あるいはまたは同時に、いわゆる軸方向ＯＥＳの目的のために、軸１４の軸方向におけるプラズマ４０が発した光１４０は、同様の光センサ１３６（明瞭には図示せず）によってさらに分光分析を行うために、管状延長部１１０を通して移送される。管状延長部１１０はまた、高温プラズマガスおよび化学製品１４２を排気換気システム（図示せず）に方向付ける。開口部１０８および管状延長部１１４は、空気の自然対流または強制流動によってプラズマ発生器１２の空気冷却を可能にする。
【００７１】
実施例２  質量分析
本発明は、発光分光法および質量分析（ＭＳ）の両方において同様の利点があり、質量分析用途のさらなる利点は、イオン速度の制御が改善され、イオン収集効率が高まり、サンプルコーンのスパッタリングが低減されることである。
【００７２】
図１８によると、質量分析２００用マイクロ波誘導結合プラズマ源は、リングの形をした高密度アルミナ（Ａｌ２０３）セラミックで作られた、本発明の電場印加装置１２を使用する。ＭＳ２００用マイクロ波誘導結合プラズマ源は、図１７に示すＯＥＳ１０２用マイクロ波誘導結合プラズマ源と共通した多くの構成要素を有し、同様の構成要素は、同じ参照符号を有する。図１８に示した追加の構成要素について、ここで説明する。サンプルコーン２０１は小オリフィス２０２を有し、スキマコーン２０３は小オリフィス２０４を有する。サンプルコーン２０１とスキマコーン２０３との間の領域は、真空ポンプ（図示せず）でガス２０５を排気することによって、低圧で維持される。イオン化された試料２０６は、オリフィス２０２を通って、サンプルコーンとスキマコーンとの間の低圧領域に入る。イオン２０７は、オリフィス２０４を通って、質量分析計の高真空領域内にさらに移送される。質量分析計は、少なくとも１つのイオン集束素子を備えるイオン集束構成要素２０９と、質量分析器２１０と、イオン検出器２１１とを備える。質量分析計内に配置された２段以上のポンピング（図示せず）があってもよい。質量分析計は、好ましくはコンピュータである制御部（図示せず）によって制御される。イオン検出器２１１からの検出された信号は、好ましくはまたコンピュータを使用して記録され、このコンピュータは、制御部として使用されるのと同じコンピュータであってもよい。オリフィス２０２に浸透していない加熱されたプラズマガス２０８は、ＲＦシールド４２とサンプルコーン２０１との間の環状領域から排気される。
【００７３】
実施例３  対流冷却マイクロ波ガス放電レーザ
本発明のプラズマ発生器は、数百ワットの光パワーの高品質ビームを生成する小型中電力ガス放電レーザを構成するために使用されてもよい。本設計は、対流冷却、およびマイクロ波振動数での純粋な誘導結合の気体放電に基づく。
【００７４】
図１９ａおよび図１９ｂはそれぞれ、本発明の誘電体共振器１２に基づく中電力小型ガス放電レーザ３００の断面図および上面図を示す。誘電体共振器１２は、中心軸方向孔７０および外周切欠部７２（図７参照）を有する、軸１４を備えた細長い管６８の形をしている。誘電体共振器１２は、高密度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から作られてもよい。円筒状ＲＦシールド４２は、プラズマガス入口３０２およびプラズマガス出口３０４を含む。低温ガス３０６は、ガス入口３０２を通って入り、中心軸方向孔７０を通って流れて、加熱されたガス３０８としてガス出口３０４を通って出る。当技術分野においてよく知られているように、入口３０２および出口３０４は、送風機と、ガスを冷却するための熱交換器とを含むガス循環システム（図示せず）に接続される。２，４５０ＭＨｚのマグネトロン（図示せず）によって提供されたようなマイクロ波電力１１８は、１対の絞り９４によって画定された開口部９０を有するＲＦシールド４２内の導波管ポート１２４によってレーザ３００に結合される。誘導結合プラズマ４０は、誘電体共振器１２の内部孔７０内に形成される。円筒状シールド４２の平坦端部は、光キャビティを形成する反射球面ミラー３１０および半透過球面ミラー３１２を支持する。プラズマ４０は、ミラー３１０および３１２によって形成された光キャビティ内部の光利得媒体であり、適した外部光学部品（図示せず）によって非常に小さい寸法の点に集束させることができる数百ワットの高品質の軸対称光ビーム３１４を放射する。金属シールド４２と接触している誘電体共振器１２の表面は、金属メッキされることが好ましい。
【００７５】
実施例４  拡散冷却同軸マイクロ波ガス放電レーザ
本発明のプラズマ発生器は、数キロワットの光パワーを有する高品質光ビームを生成することができる、スケーラブル設計の大電力ガス放電レーザを構成するために使用されてもよい。光学設計では、当技術分野においてよく知られている同軸拡散冷却構成が採用される。拡散レーザは、送風機を必要とせず、最少量のガスを消費する。しかしながら、従来の同軸レーザ中のプラズマは、内側同軸電極と外側同軸電極との間の純粋な容量性ＲＦ放電によって維持され、これにより容量結合プラズマに固有の放電不安定性に起因して極限電力が設定される。一方、本発明では、より簡便で小型かつ効率的な電源として大電力マグネトロンを使用することができるマイクロ波振動数で同時に操作しながら、誘導結合プラズマを使用して、より高い電力レベルで安定した放電を得る。さらに、レーザ気体と直接接触しているセラミック電場印加装置の熱伝導率が高いために、拡散冷却の効率は保たれる。
【００７６】
図２０は、セラミックリング１２ｃおよび１２ｄの形をした本発明の誘電体共振器を使用する大電力拡散冷却同軸レーザ４００の断面を示す。円筒状ＲＦシールドは、共通軸１４を備えた、より大きい直径の金属管４２ａおよびより小さい直径の金属管４２ｂからなる。管４２ａと４２ｂとの間の空間は、平坦端部板４２ｃおよび４２ｄで気密密閉され、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）およびヘリウム（Ｈｅ）の混合物などのレイジングガスで充填される。反射トーリックミラー４０２および半透過トーリックミラー４０４はそれぞれ、板４２ｄおよび４２ｃの上に取り付けられ、同軸光キャビティを形成する。内側ＲＦシールド４２ｂは、水入口４０８および水出口４１０を含む水ジャケット４０６に囲まれる。冷水４１２が入口４０８に入り、加熱された水４１４が水出口４１０を通じて除去される。外側ＲＦシールド４２ａは、水入口４１８および水出口４２０を含む水ジャケット４１６に囲まれる。冷水４２２が入口４１８に入り、加熱された水４２４が出口４２０を通じて除去される。断面ＡＡ’と断面ＢＢ’との間に示された部分は、レーザの出力ビームパワーを高めるために、軸方向１４に１回または複数回繰り返すことができるモジュール組立体を形成する。図１８に示すそのような３つの同一モジュールのうちの１つについて、ここで説明する。外側ＲＦシールド４２ａはまた、対の絞り９４によって画定された開口部９０を備えた導波管ポート１２４を含む。マイクロ波電力１１８は、工業加熱用途に通常使用される大電力９１５ＭＨｚまたは２，４５０ＭＨｚマグネトロンからなどの別個のマイクロ波源（図示せず）によって、導波管ポート１２４のそれぞれに供給することができる。誘電体共振器は、高密度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミック材料から作られた、外リング１２ｃおよび内リング１２ｄの２つのリングからなる。ガスからセラミックリング１２ｃおよび１２ｄまで熱拡散によって熱を効率的に伝達することができるように、内リング１２ｄの外表面と外リング１２ｃの内表面との間隙は、たった数ミリメートルの幅である。セラミックリングの高熱伝導率により、プラズマガスから、冷却ジャケット４０６および４１６内部を流れる水に熱が迅速に伝達される。純粋な誘導結合によって維持されたプラズマ４０は、トーリックミラー４０２および４０４によって形成された光キャビティ内部の光利得媒体を形成する。これにより、当技術分野においてよく知られているように、外部光学部品（図示せず）によって小さい寸法の点に集束させることができる、大電力で、円筒対称の高品質同軸光ビーム４２６が放射される。金属リング４２８および４３０は、モジュール間の誘導結合を最小化し、かつガスから冷却ジャケット４０６および４１６内部を流れる水への熱の拡散伝達を容易にする役目をする。リングの厚さが、リングの外径と内径との差として画定される場合には、図２０は、ほぼ同一の厚さを有するようなリング１２ｃおよび１２ｄの両方を示す。しかしながら本発明は、等しい厚さのリングに限定されない。
【００７７】
実施例５  対流冷却同軸マイクロ波ガス放電レーザ
本発明のプラズマ発生器は、数十キロワットの電力を有する高品質光ビームを生成することができる、スケーラブル設計の超大電力ガス放電レーザを構成するために使用されてもよい。本設計では、当技術分野においてよく知られている同軸対流冷却構成が採用される。しかしながら、従来の同軸レーザ中のプラズマは、内側同軸電極と外側同軸電極との間の純粋な容量性ＲＦ放電によって維持され、これにより、容量結合プラズマに固有の放電不安定性に起因して極限電力が設定される。一方、本発明では、より簡便で小型かつ効率的な電源として大電力マグネトロンを使用することができるマイクロ波振動数で同時に操作しながら、誘導結合プラズマを使用して、より高い電力レベルで安定した放電を得る。
【００７８】
図２１は、セラミックリング１２ｃおよび１２ｄの形をした本発明の誘電体共振器を使用する対流冷却誘導結合同軸ガス放電レーザ５００の断面を示す。ＲＦシールドは、共通軸１４を備えた外側金属管４２ａおよび内側金属管４２ｂによって形成される。管４２ａと４２ｂとの間の空間は、平坦板４２ｃおよび４２ｄで気密密閉され、平坦板４２ｃおよび４２ｄは、反射トーリックミラー４０２および半透過トーリックミラー４０４を支持する。高電力ガス放電レーザの技術分野においてよく知られているように、ミラー４０２および４０４は、同軸光キャビティを形成する。断面ＡＡ’と断面ＢＢ’との間に示された部分は、レーザの出力ビームパワーを高めるために、軸方向１４に１回または複数回繰り返すことができるモジュール組立体を形成する。図１９に示すそのような３つの同一モジュールのうちの１つについて、ここで説明する。外側ＲＦシールド４２ａには、ガス入口３０２およびガス出口３０４が設けられる。低温プラズマガス３０６は入口３０２を通ってレーザ５００に入り、加熱されたプラズマガス３０８は、出口３０４を通って出る。当技術分野においてよく知られているように、入口３０２および出口３０４は、超高流量送風機と、ガスを冷却するための熱交換器とを含むガス循環システム（図示せず）に接続される。ガス流の方向は、矢印５０２によって示される。外側ＲＦシールド４２ａはまた、対の絞り９４によって画定された開口部９０を備えた導波管ポート１２４を含む。マイクロ波電力１１８は、工業マイクロ波加熱用途に通常使用される大電力９１５ＭＨｚマグネトロンからなどの別個のマイクロ波源（図示せず）によって、ポート１２４のそれぞれに供給することができる。誘電体共振器は、高密度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミック材料から作られた、外リング１２ｃおよび内リング１２ｄの２つのリングからなる。熱除去の目的でプラズマガスの高流速に対して十分な断面積を与えるように、内リング１２ｄの外表面と外リング１２ｃの内表面との間隙は、約１ｃｍ〜２ｃｍの幅である。純粋な誘導結合によって維持されたプラズマ４０は、トーリックミラー４０２および４０４によって形成された光キャビティ内部に光利得媒体を形成する。これにより、当技術分野においてよく知られているように、外部光学部品（図示せず）によって小さい寸法の点に集束させることができる、大電力で、円筒対称の高品質同軸光ビーム４２６が放射される。丸みを帯びた縁部を備えた金属リング５０４および５０６は、リング１２ｃおよび１２ｄによって占有された領域に電場を拘束すること、隣接するモジュール間の誘導結合を最小化すること、ならびに、プラズマガス３０６および３０８の高速流を案内するのを支援することの３つの目的を有する。金属シールド４２ａおよび４２ｂと接触しているセラミックリング１２ｃおよび１２ｄの表面は、金属メッキされることが好ましい。リングの厚さが、リングの外径と内径との差として画定される場合には、図２１は、ほぼ同一の厚さを有するようなリング１２ｃおよび１２ｄの両方を示す。しかしながら本発明は、等しい厚さのリングに限定されない。
【００７９】
実施例６  電子サイクロトロン共鳴プラズマ源
本発明のプラズマ発生器は、電子サイクロトロン共鳴プラズマ源を構成するために使用されてもよい。この電子サイクロトロン共鳴プラズマ源は、イオン源、または宇宙推進用のイオンスラスタとして半導体ウェハのプラズマ処理に使用されてもよい。
【００８０】
図２２は、リングの形をした本発明の誘電体共振器１２を使用する電子サイクロトロン共鳴プラズマ源６００を示す。誘電体共振器１２は、比誘電率が大きく、誘電損失が非常に少ない、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ３）セラミックなどの最新技術セラミックス材料から作られる。ＥＣＲプラズマ源の技術分野においてよく知られているように、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを生成するのに適した静磁場を作るために、ステンレス鋼などの非磁性材料から作られた円筒状ＲＦシールド４２が、１組の電磁石または永久磁石６０２に囲まれる。無線周波数電力１５０は、結合ループ２０で終端する同軸伝送線路２２を介して供給される。結合ループ２０の一端部は同軸ケーブル２２の中央導体に接続され、ループの他端部はＲＦシールド４２に接続される。残りのプラズマ源が大気圧でありながら、石英管６０４内部の空間を低圧で維持することができるように、石英管６０４およびＲＦシールド４２は気密筐体を形成する。冷気または冷却流体６０６は、電場印加装置１２、石英管６０４およびＲＦシールド４２から熱を除去し、加熱された空気または流体６０８として排気される。低圧プラズマガス６１０は石英管６０４に入り、そこでプラズマ４０に変換される。プラズマは、電場印加装置１２の純粋な誘導ＲＦ場と、電磁石または永久磁石６０２の静磁場との複合作用によって維持される。使用済ガス６１２は、真空容器６１４に接続された真空ポンプ（図示せず）の作用によって除去される。宇宙推進用イオンスラスタでは、容器６１４は惑星間空間の真空に置き換えられるであろう。イオン源の技術分野においてよく知られているように、イオン６１６は、外部ＤＣ電源（図示せず）によって様々な静電位で保持されたグリッド電極６１８のシステムによってプラズマ４０から抽出される。
【００８１】
図２２に示すＥＣＲプラズマ源６００の前述の説明では、ＲＦエネルギーの形態の励起１５０を仮定する。しかしながら、本発明の誘電体共振器１２は、広範囲の周波数にわたる動作に採用されてもよい。例えば、電場印加装置１２の材料を高密度アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に変更することによって、電磁石６０２の静磁場が周波数に比例して増加すると、図２２のＥＣＲプラズマ源は、マイクロ波振動数で動作するように作ることができるであろう。マイクロ波振動数での動作では、同軸ケーブル２２およびループカプラ２０はそれぞれ、導波管および絞りカプラに置き換えられていてもよい。
【００８２】
イオン６１６の源として図２２に示すＥＣＲプラズマ源６００の主要機能は、単に例示目的のためだけに選択されている。グリッド電極６１８を除去し、プラズマ４０を真空容器６１４内に直接浸透させることによって、化学蒸着、プラズマエッチング、プラズマアッシング、真空イオンポンプなどの多くの他の用途にＥＣＲプラズマ源６００を使用することが可能になる。
【００８３】
用途によっては、電磁石６０２を用いずに、図２２に示すプラズマ源６００を操作することが有利になり得る。そのような場合には、ＥＣＲ効果によるプラズマ密度の増大はないが、本発明の電場印加装置１２の高効率で純粋な誘導結合によって、従来のＲＦ誘導結合源より優れた高密度で均一なプラズマ４０をさらに生成することができるであろう。
【００８４】
実施例７  大面積、高密度かつ均一なプラズマ源
本発明のプラズマ発生器は、半導体ウェハの処理に適した高密度、かつ均一なプラズマ源を構成するために使用されてもよい。
【００８５】
図２３は、スペーサ６６によって離して保持され、積み上げられた１つまたは複数のセラミックリング６４の形に作られた本発明の誘電体共振器を使用するプラズマ源７００を示す。円筒状ＲＦシールド４２は、冷却水ジャケット４１６を有する。冷水４２２はＲＦシールド４２から熱を除去し、加熱された水４２４は、閉じた冷却システムの一部である冷却装置（図示せず）に熱を伝達する。冷却水はアースされたＲＦシールド４２とのみ接触するため、従来の誘導結合プラズマ源のコイルを冷却する時に必要とされるであろう環境を破壊する誘電冷却流体を使用する必要はない。ＲＦシールド４２の内部に発生した熱は、外側円筒面がＲＦシールド４２と直接接触している誘電体共振器リング６４の高熱伝導性セラミック材料によって、ＲＦシールドの壁に伝導される。ＲＦ電力１５０は、ループカプラ２０で終端する同軸伝送線路２２を介して印加され、ループカプラ２０は、ＲＦシールド４２と気密嵌合を形成する石英またはセラミックキャップ７０４によって過酷なプラズマ環境から保護される。低圧プラズマガス６１０は、積み上げられた誘電体共振器６４の作用によってプラズマ４０に励起され、使用済ガス６１２は、ターボ分子真空ポンプ（図示せず）によって除去される。プラズマ４０は、チャック７０８上に保持された半導体ウェハ７０６のプラズマ処理を容易にする。チャック７０８は、一般に異なる周波数形式においてプラズマを維持するために使用されるＲＦ電力１５０であるＲＦ電力７１４が、同軸伝送線路７１２によって供給されるＲＦバイアス電極７１０を含んでもよい。
【００８６】
実施例８  超大面積、高密度、かつ均一なプラズマ源
本発明のプラズマ発生器は、大型半導体ウェハおよび太陽電池パネルの処理に適した超大面積にわたる均一なプラズマを生成する高密度プラズマ源を構成するために使用されてもよい。
【００８７】
図２４は、可変厚さの段差７６を備えたセラミックディスク７４の形をした本発明の誘電体共振器を使用するプラズマ源８００を示す。段差７６の厚さは、最も均一なプラズマ４０を生じる誘電体の内部に誘電分極電流を半径方向に分布させるように最適化されてもよい。円筒状ＲＦシールド４２は、冷却水ジャケット４１６を有する。冷水４２２はＲＦシールド４２から熱を除去し、加熱された水４２４は、閉じた冷却システムの一部である冷却装置（図示せず）に熱を伝達する。ＲＦシールド４２の内部に発生した熱は、外側円筒面がＲＦシールド４２と直接接触している誘電体共振器７４の高熱伝導性セラミック材料によって、ＲＦシールドの壁に伝導される。ＲＦ電力１５０は、ループカプラ２０で終端する同軸伝送線路２２を介して印加される。プラズマガス６１０は、ディスク７４上方の空間に進入し、ディスク７４の表面にわたって均一に分布した狭いキャピラリ穴８０２を通って流れ、シャワヘッド効果を生む。狭い穴にわたる圧力降下により、ディスク７４上方の圧力は、プラズマ源８００のこの部分にプラズマが生じないくらい十分高い。ディスク７４の底部から外に流れるプラズマガス６１０は、大面積、高密度、かつ均一なプラズマ４０に励起され、使用済ガス６１２はターボ分子真空ポンプ（図示せず）によって除去される。プラズマ４０は、チャック７０８上に保持された、直径が大きい半導体ウェハまたは太陽電池パネル７０６のプラズマ処理を容易にする。チャック７０８は、一般に異なる周波数形式においてプラズマを維持するために使用されるＲＦ電力１５０であるＲＦ電力７１４が、同軸伝送線路７１２によって供給されるＲＦバイアス電極７１０を含んでもよい。
【００８８】
実施例９  マイクロ波プラズマトーチ
本発明のプラズマ発生器は、誘導結合マイクロ波エネルギーで駆動する、電極のない大気プラズマトーチを構成するために使用されてもよい。そのようなトーチは、高度な製造、環境、化学合成、宇宙および科学の用途で使用されてもよい。
【００８９】
図２５は、本発明の誘電体共振器１２を使用するプラズマ源に基づく大気マイクロ波プラズマトーチ８５０を示す。円筒状ＲＦシールド４２は、冷水４２２の入口および加熱された水４２４の出口を備えた水冷ジャケット４１６に囲まれる。誘電体共振器１２は、熱を効率的に除去するために、外側円筒面がＲＦシールド４２と直接接触しているセラミックリングの形で作られる。ＲＦシールド４２はまた、１対の絞り９４によって画定された開口部９０を備えた導波管ポート１２４を含む。マイクロ波電力１１８は、マグネトロン（図示せず）から導波管ポート１２４に供給することができる。アルミナセラミックまたは石英からなる３軸マニホールド８５２は、冷却ガス８５４、補助ガス８５６および噴霧すべき材料８５８の粒子を、誘電体共振器リング１２の中央開口部を通して案内する。高温大気圧プラズマ４０は、材料８５８を溶かし、表面処理を受ける対象物８６２の表面上に注入または蒸着される溶融材料８６０の噴霧を生成する。大気プラズマトーチの技術分野においてよく知られているように、図２３に示すプラズマ溶射用途は、高温プラズマ処理を受ける様々な物質８５８および対象物８６２を使用することにより実現され得る多くの可能な用途のうちのたった１つである。
【００９０】
図２６は、中細ノズル１１１を形成するために、より小さい直径８４に向かって内側にくびれる中央孔７０を備えた誘電体共振器１２に基づくマイクロ波プラズマトーチ８７０を示す。円筒状ＲＦシールド４２は、冷水４２２の入口および加熱された水４２４の出口を備えた水冷ジャケット４１６に囲まれる。誘電体共振器１２の外表面は、熱を効率的に伝達するためにＲＦシールド４２と直接接触している。ＲＦシールド４２はまた、１対の絞り９４によって画定された開口部９０を備えた導波管ポート１２４を含む。マイクロ波電力１１８は、マグネトロン（図示せず）から導波管ポート１２４に供給することができる。アルミナまたは石英から作られた２軸マニホールド８７２は、冷却ガス８５４およびプラズマガス８７４を中央孔７０内に案内する。プラズマガス８７４はプラズマに変換され、マイクロ波エネルギー１１８を吸収することによって高温に加熱され、それにより、高温亜音速流８０を形成する。亜音速流８０の大きい熱エネルギーは、中細ノズル１１１の作用によって超音速流８２の運動エネルギーに変換される。超音速流８２は、宇宙推進用熱ロケット同様に、プラズマ溶接およびプラズマ切断などの高度な製造用途で使用することができる。
【００９１】
実施例１０  イオンサイクロトロン共鳴プラズマ加熱
本発明のプラズマ発生器は、宇宙推進用核融合反応炉または比推力可変型プラズマ推進機（ＶＡＳＩＭＲ）などの用途のイオンサイクロトロン加熱（ＩＣＲＨ）アンテナを構成するために使用されてもよい。
【００９２】
図２７ａおよび図２７ｂはそれぞれ、本発明の誘電体共振器１２を使用するトカマク核融合炉９００の断面Ａ−Ａおよび断面Ｂ−Ｂを示す。真空容器４２はまた、ＲＦシールドとしての役目をし、プラズマ４０の磁気閉込めのためのトロイダル静磁場を生成する超電導電磁石９０２に囲まれる。誘電体共振器１２は、比誘電率が大きい誘電体セラミック材料から、リングの形で作られる。ＩＣＲＨの典型的な１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数における約数百万ワットのＲＦ電力１５０が、ＲＦシールド４２の一部を形成するキャビティ９０４の内部に位置するループカプラ２０で終端する同軸伝送線路２２を介して供給される。
【００９３】
特定の用語は、参照のみの目的で本明細書において使用され、したがって限定するものではない。例えば、「上部の」、「下部の」、「上方に」「下方に」などの用語は、参照される図面中の方向を指す。「正面の」、「背部の」、「後部の」、「底部の」および「側面の」などの用語は、論じている構成要素を説明する本文および関連図面を参照することによって明らかとなる、一貫しているが任意の基準枠内の構成要素の部分の向きを説明している。そのような用語は、具体的に上で言及した単語、その派生語および同様の輸入語を含んでもよい。同様に、「第１の」、「第２の」という用語、および構造を指す他のそのような数の用語は、文脈で明確に示さない限り、シーケンスまたは順序を示唆しない。
【００９４】
本開示および例示的実施形態の要素または特徴を導入する場合、「１つの」および「前記」という冠詞は、そのような要素または特徴が１つまたは複数存在することを意味するものである。「備える」、「含む」および「有する」という用語は、包括的なものであり、具体的に記述するもの以外の追加の要素または特徴が存在し得ることを意味する。本明細書で説明した方法ステップ、工程、および操作は、実行順序として具体的に特定しない限り、議論または説明した特定の順序でそれらの実行を必ず要求するものとして解釈されるべきではないことをさらに理解されるべきである。また、追加または代替のステップを用いてもよいことも理解されるべきである。
【００９５】
「リング」という用語は、一般に特質的なトポロジカルな表面を意味し、特に明示しない限り、例えば、円形形状、放射対称、または直径対高さの特定のアスペクト比を要求も排除もしないことを理解されたい。
【００９６】
本発明は、本明細書に含まれる実施形態および例示に限定されないことが特に意図され、特許請求の範囲は、以下の特許請求の範囲内にあるような実施形態の一部を含む修正形式の実施形態、および異なる実施形態の要素の組合せを含むことを理解されたい。特許および非特許公報を含む、本明細書で説明した刊行物のすべては、それら全内容が本明細書に援用される。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７ａ】
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【図２７ｂ】
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