特開 2019-96504 マイクロ波プラズマ源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-96504(P2019-96504A)

(43)【公開日】2019年6月20日

(54)【発明の名称】マイクロ波プラズマ源

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20190530BHJP

【ＦＩ】

   H05H1/46 C

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-225696(P2017-225696)

(22)【出願日】2017年11月24日

(71)【出願人】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100188592

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100181124

【弁理士】

【氏名又は名称】沖田 壮男

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(72)【発明者】

【氏名】國中 均

【テーマコード（参考）】

2G084

【Ｆターム（参考）】

2G084AA12

2G084BB02

2G084BB25

2G084BB27

2G084BB29

2G084BB34

2G084CC15

2G084CC33

2G084DD04

2G084DD12

2G084DD14

2G084DD39

2G084DD66

2G084FF02

2G084FF04

2G084FF14

2G084FF26

2G084FF27

2G084FF28

2G084FF40

(57)【要約】

【課題】高密度のプラズマを形成し、マイクロ波の漏洩が抑制されたマイクロ波プラズマ源を提供する。
【解決手段】マイクロ波プラズマ源において、筒状磁石部は、第１開口端と第２開口端とを有する。第１開口端は、第１極性を有し、第２開口端は、第２極性を有する。筒状体は、筒状磁石部に囲まれる。第１磁気回路部は、第１開口端を閉塞する。第２磁気回路部は、第１磁気回路部に対向配置される。第２磁気回路部は、第１開口部を有する。アンテナは、第１磁気回路部を貫通し、空間に導入され、空間にマイクロ波電力を供給する。ノズル部は、第１開口部よりも開口面積が小さく第１開口部に連通する第２開口部を有する。筒状体の内径をａ（ｍｍ）、空間に供給されるマイクロ波電力のマイクロ波遮断波長をλ（ｍｍ）としたときに、マイクロ波プラズマ源は、λ＞３．４１×（ａ／２）の関係式を満たすように構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１開口端と、前記第１開口端とは反対側に位置する第２開口端とを有し、前記第１開口端が第１極性を有し、前記第２開口端が前記第１極性とは反対の第２極性を有する筒状磁石部と、
前記筒状磁石部に囲まれた筒状体と、
前記第１開口端に接し、前記第１開口端を閉塞する第１磁気回路部と、
前記第２開口端に接し、前記第１磁気回路部に対向配置され、前記筒状体によって囲まれた空間を開口する第１開口部を有する第２磁気回路部と、
前記第１磁気回路部を貫通し、前記空間に導入され、前記空間にマイクロ波電力を供給することが可能なアンテナと、
前記第１磁気回路部とは反対側において前記第２磁気回路部に接し、前記第１開口部よりも開口面積が小さく前記第１開口部に連通する第２開口部を有するノズル部と、
前記筒状磁石部及び前記筒状体を貫通し、前記空間に放電ガスを供給することが可能なガスポート部と、
前記アンテナと前記第１磁気回路部との間に設けられた絶縁部材と
を具備し、
前記筒状体の内径をａ（ｍｍ）、前記空間に供給される前記マイクロ波電力のマイクロ波遮断波長をλ（ｍｍ）としたときに、λ＞３．４１×（ａ／２）の関係式を満たすように構成された
マイクロ波プラズマ源。

【請求項2】

請求項１に記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記第１磁気回路部は、前記空間において前記第１磁気回路部から前記ノズル部に向かって突出する筒状の突出部を有し、
前記突出部は、前記アンテナの一部を囲み、
前記突出部は、前記第２磁気回路部の前記第１磁気回路部側の主面と前記第１開口部の内壁とが交差する角部に向かうほど薄くなる先端部を含み、
前記先端部と、前記角部との間に形成される磁場のミラー比が３以上である
マイクロ波プラズマ源。

【請求項3】

請求項２に記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記先端部及び前記角部の少なくともいずれかにおいて、その角度が鋭角に構成されている
マイクロ波プラズマ源。

【請求項4】

請求項２または３に記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記突出部の外径よりも前記第１開口部の内径のほうが大きい
マイクロ波プラズマ源。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか1つに記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記空間に形成される前記放電ガスによるプラズマにおいて、前記絶縁部材に晒されるプラズマの密度が前記第１開口部に形成されるプラズマの密度よりも高い
マイクロ波プラズマ源。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１つに記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記アンテナは、前記第１磁気回路部から前記ノズル部に向かう第１アンテナ部と、第１アンテナ部と交差し前記第１アンテナ部に連結する第２アンテナ部とを有する
マイクロ波プラズマ源。

【請求項7】

請求項６に記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記第２アンテナ部は、複数の部材からなり、
前記複数の部材のそれぞれが前記第１アンテナ部と交差する
マイクロ波プラズマ源。

【請求項8】

請求項１〜７のいずれか１つに記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記アンテナは、前記第１磁気回路部から前記ノズル部に向かう方向に延在する第１アンテナ部と、円盤状またはコーン状に構成された第２アンテナ部とを有し、
前記第１アンテナ部は、前記第２アンテナ部の中心部に連結している
マイクロ波プラズマ源。

【請求項9】

請求項１〜８のいずれか１つに記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記ガスポート部において、前記放電ガスの供給口が前記供給口と前記アンテナの先端との距離が最も短くなるように配置される
マイクロ波プラズマ源。

【請求項10】

請求項１〜９のいずれか１つに記載されたマイクロ波プラズマ源であって、
前記空間に形成されるプラズマ中の荷電粒子を静電界によって引き出す電極機構をさらに具備する
マイクロ波プラズマ源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子サイクロトロン共鳴を利用したマイクロ波プラズマ源に関する。

【背景技術】

【0002】

プラズマ源の1つに、熱陰極から放出される熱電子を加速させてプラズマ生成を行うものがある。熱陰極の代表なものに、例えば、フィラメントカソード、ホローカソードがある。熱陰極は、通電またはヒータによるジュール加熱によって加熱され、１０００Ｋ（ケルビン）程度の高温状態を維持し、熱電子を放出する。

【0003】

しかしながら、熱陰極では、動作開始前に長い予熱と、綿密な作動温度管理が必要になる。例えば、電極の温度が低過ぎれば電極から電子が放出せず、高過ぎれば電極材料の蒸発が進行し電極寿命が短命となる。また、フィラメントが直接イオンビームに晒されるため、損耗しやすい。また、仕事関数が低い電極材料から蒸発した重金属は、周辺部品に付着する場合があり、汚染要因にもなる。さらに、仕事関数が低い電極材料は、大気雰囲気への暴露により劣化するため、未使用時でも真空保管、ガスパージと言った保守管理が必要になる。

【0004】

これに対して、放電電力としてマイクロ波を用い、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance）を利用したプラズマ源がある。このようなプラズマ源は、無電極であり、導波管などでキャビティ内に強い電界を発生させて高密度のプラズマを発生させる（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】小野寺範義、外４名「マイクロ波放電型中和器の電子放出機構」日本航空宇宙学会論文集、第４９巻、第５６４号（２００１年１月）、ｐ．２７−３１

【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、空洞共鳴器、キャビティがマイクロ波の波長以上の大きさになると、プラズマ源が大型になるばかりか、プラズマ源からマイクロ波が漏洩する可能性がある。プラズマ源からマイクロ波が漏洩すると、プラズマ源がノイズ源となり、周辺機器のノイズ対策が必要になる。

【0007】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高密度のプラズマを形成し、マイクロ波の漏洩が抑制されたマイクロ波プラズマ源を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るマイクロ波プラズマ源は、筒状磁石部と、筒状体と、第１磁気回路部と、第２磁気回路部と、アンテナと、ノズル部と、ガスポート部と、絶縁部材とを具備する。
筒状磁石部は、第１開口端と、第１開口端とは反対側に位置する第２開口端とを有する。第１開口端は、第１極性を有し、第２開口端は、第１極性とは反対の第２極性を有する。
筒状体は、筒状磁石部に囲まれる。
第１磁気回路部は、第１開口端に接し、第１開口端を閉塞する。
第２磁気回路部は、第２開口端に接し、第１磁気回路部に対向配置される。第２磁気回路部は、筒状体によって囲まれた空間を開口する第１開口部を有する。
アンテナは、第１磁気回路部を貫通し、空間に導入され、空間にマイクロ波電力を供給することができる。
ノズル部は、第１磁気回路部とは反対側において第２磁気回路部に接する。ノズル部は、第１開口部よりも開口面積が小さく第１開口部に連通する第２開口部を有する。
ガスポート部は、筒状磁石部及び筒状体を貫通し、空間に放電ガスを供給することができる。
絶縁部材は、アンテナと第１磁気回路部との間に設けられる。
筒状体の内径をａ（ｍｍ）、空間に供給されるマイクロ波電力のマイクロ波遮断波長をλ（ｍｍ）としたときに、マイクロ波プラズマ源は、λ＞３．４１×（ａ／２）の関係式を満たすように構成される。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、マイクロ波と磁場との相互作用によって、空間に電子サイクロトロン共鳴が起こる。これにより、プラズマ中の電子に選択的かつ直接的にエネルギーが供給され、高いエネルギーを持った電子と、放電ガスとが衝突して空間に高密度プラズマが発生する。さらに、λ＞３．４１×（ａ／２）の関係式を満たすように構成されているので、空間では、マイクロ波が共振しにくくなり、空間におけるマイクロ波の進行が抑制される。この結果、マイクロ波プラズマ源からはマイクロ波が漏洩しにくくなる。

【0009】

マイクロ波プラズマ源においては、第１磁気回路部は、空間において第１磁気回路部からノズル部に向かって突出する筒状の突出部を有してもよい。
突出部は、アンテナの一部を囲んでもよい。
突出部は、第２磁気回路部の第１磁気回路部側の主面と第１開口部の内壁とが交差する角部に向かうほど薄くなる先端部を含んでもよい。
先端部と、角部との間に形成される磁場のミラー比は、３以上であってもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、突出部と角部との間に、ミラー磁場が形成され、磁場に閉じ込めた電子が連続的に電子サイクロトロン共鳴により加熱される。これにより、マイクロ波の電界が弱くても、放電ガスを電離できるほどの高エネルギー電子を生成できる。

【0010】

マイクロ波プラズマ源においては、先端部及び角部の少なくともいずれかにおいて、その角度が鋭角に構成されてもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、突出部と角部との間に、ミラー比の高いミラー磁場が形成され、磁場に閉じ込めた電子が連続的に電子サイクロトロン共鳴により加熱される。これにより、マイクロ波の電界が弱くても、放電ガスを電離できるほどの高エネルギー電子を生成できる。

【0011】

マイクロ波プラズマ源においては、突出部の外径よりも第１開口部の内径のほうが大きくてもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、磁場において、磁力線が突出部から角部に向かうほど、より疎になり。ノズル部側の磁束密度は、突出部側の磁束密度よりも小さくなる。この結果、空間においては、ノズル部の開口部付近に低磁場領域が形成され、開口部付近では、プラズマが磁場によって捕捉されにくくなり、開口部付近でのプラズマの移動度が高まって、プラズマが開口部から効率よく噴射される。

【0012】

マイクロ波プラズマ源においては、空間に形成される放電ガスによるプラズマにおいて、絶縁部材に晒されるプラズマの密度が第１開口部に形成されるプラズマの密度よりも高くてもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、放電中に、絶縁部材にコンタミ、被膜等の異物が堆積したとしても、異物は、プラズマによるスパッタリング効果によって即座に除去される。

【0013】

マイクロ波プラズマ源においては、アンテナは、第１磁気回路部からノズル部に向かう第１アンテナ部と、第１アンテナ部と交差し第１アンテナ部に連結する第２アンテナ部とを有してもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、アンテナが折れ曲がった構成になり、マイクロ波がプラズマ中に効率よく吸収される。

【0014】

マイクロ波プラズマ源においては、第２アンテナ部は、複数の部材からなり、複数の部材のそれぞれが第１アンテナ部と交差してもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、複数の部材から供給されるマイクロ波と磁場との相互作用によって、空間に電子サイクロトロン共鳴が起こり、空間にさらに高密度のプラズマが発生する。これにより、マイクロ波プラズマ源から、より大きい電子電流またはイオン電流を取り出すことができる。

【0015】

マイクロ波プラズマ源においては、アンテナは、第１磁気回路部からノズル部に向かう方向に延在する第１アンテナ部と、円盤状またはコーン状に構成された第２アンテナ部とを有してもよい。第１アンテナ部は、第２アンテナ部の中心部に連結してもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、円盤状またはコーン状の第２アンテナ部から万遍なく供給されるマイクロ波と磁場との相互作用によって、空間に電子サイクロトロン共鳴が起こり、空間にさらに高密度のプラズマが発生する。これにより、マイクロ波プラズマ源から、さらに大きい電子電流またはイオン電流を取り出すことができる。

【0016】

マイクロ波プラズマ源においては、ガスポート部において、放電ガスの供給口が供給口とアンテナの先端との距離が最も短くなるように配置されてもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、供給口から空間に導入された放電ガスがアンテナから発せられるマイクロ波によって効率よく電離して、高密度のプラズマが空間に形成される。

【0017】

マイクロ波プラズマ源においては、空間に形成されるプラズマ中の荷電粒子を静電界によって引き出す電極機構をさらに具備してもよい。
このようなマイクロ波プラズマ源によれば、プラズマ中の荷電粒子の中、電子またはイオンを優先的にマイクロ波プラズマ源から引き出すことができる。

【発明の効果】

【0018】

以上述べたように、本発明によれば、高密度のプラズマを形成し、マイクロ波の漏洩が抑制されたマイクロ波プラズマ源が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図（ａ）は、本実施形態に係るマイクロ波小型プラズマ源の模式的断面図である。図（ｂ）は、その模式的上面図である。

【図2】マイクロ波小型プラズマ源の動作を説明する模式的断面図である。

【図3】本実施形態に係るマイクロ波小型プラズマ源の第１変形例の模式的上面図である。

【図4】図（ａ）は、本実施形態に係るマイクロ波小型プラズマ源の第２変形例の模式的断面図である。図（ｂ）は、その模式的上面図である。

【図5】本実施形態に係るマイクロ波小型プラズマ源の第３変形例の模式的断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。

【0021】

図１（ａ）は、本実施形態に係るマイクロ波小型プラズマ源の模式的断面図である。図１（ｂ）は、その模式的上面図である。図１（ａ）には、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線の位置での断面が示されている。

【0022】

図１（ａ）、（ｂ）に示すマイクロ波小型プラズマ源１は、電子サイクロトロン共鳴を利用したＥＣＲプラズマ源である。マイクロ波小型プラズマ源１は、筒状磁石部４０と、筒状体５０と、第１磁気回路部１０と、第２磁気回路部２０と、アンテナ３０と、ノズル部６０と、ガスポート部７０と、絶縁部材８０とを具備する。

【0023】

筒状磁石部４０は、筒状の磁性体であり、その内部が中空になっている。筒状磁石部４０は、開口端４０ａ（第１開口端）と、開口端４０ａとは反対側に位置する開口端４０ｂ（第２開口端）とを有する。筒状磁石部４０では、例えば、開口端４０ａがＳ極性（第１極性）を有し、開口端４０ｂがＳ極性とは反対のＮ極性（第２極性）を有している。

【0024】

筒状磁石部４０では、例えば、サマリウムコバルトで構成された複数のブロック状の磁石４０ＭがＸ−Ｙ軸平面において環状に並べられている。筒状磁石部４０の極性は、上記の例に限らず、開口端４０ａがＮ極性を示し、開口端４０ｂがＳ極性を示してよい。

【0025】

筒状磁石部４０の外形は、例えば、円状である。筒状磁石部４０の外径は、例えば、５０ｍｍ以下に構成され、マイクロ波小型プラズマ源１の小型化が実現されている。筒状磁石部４０の外形は、円状に限らず、三角形、四角形、五角形、六角形・・、といった多角形であってもよい。

【0026】

筒状体５０は、筒状磁石部４０に囲まれている。筒状体５０の内部は、中空である。筒状体５０は、開口端５０ａと、開口端５０ａとは反対側に位置する開口端５０ｂとを有する。開口端５０ａは、開口端４０ａに面一に構成される。開口端５０ｂは、開口端４０ｂに面一に構成される。Ｘ−Ｙ軸平面において、筒状体５０と筒状磁石部４０とは、同心円状に配置されている。筒状体５０と筒状磁石部４０とは、同心円状に配置されている必要はなく、それぞれの中心軸同士が若干ずれてもよい。

【0027】

筒状体５０の外形は、筒状磁石部４０の外形に応じて適宜変更される。図１（ｂ）の例では、筒状体５０の外形は、円状である。筒状体５０は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）を含む。

【0028】

磁気回路部１０（第１磁気回路部）は、筒状磁石部４０の開口端４０ａ及び筒状体５０の開口端５０ａに接する。磁気回路部１０は、開口端４０ａ、５０ａを閉塞する。ここで、「閉塞」とは、磁気回路部１０が開口端４０ａ、５０ａを隙間なく封じ切ることに限らず、微小の隙間がある場合、または、磁気回路部１０に他の部材を貫通させる小径孔が設けられた状態で閉じる場合も含む。磁気回路部１０は、板状である。磁気回路部１０は、強磁性体であり、例えば、軟鉄で構成されている。磁気回路部１０の外形は、筒状磁石部４０の外形に応じて適宜変更される。図１（ｂ）の例では、磁気回路部１０の外形は、円状である。

【0029】

磁気回路部１０は、空間５１に設けられた突出部１１０を有する。突出部１１０は、磁気回路部１０からノズル部６０に向かって突出している。突出部１１０は、筒状であり、アンテナ３０の一部を囲む。突出部１１０の先端部１１１は、磁気回路部２０（第２磁気回路部）の角部２２０に向かうほど、その肉厚が薄くなっている。先端部１１１の角度は、例えば、鋭角に構成されている。先端部１１１と角部２２０との間に形成される磁場のミラー比は、３以上である。また、ＥＣＲ加熱された電子をミラー閉じ込めするために、先端部１１１と角部２２０の磁場強度はＥＣＲ磁場より高くなければならない。マイクロ波周波数ｆとＥＣＲ磁場Ｂには、２πｆ＝ｅＢ／ｍの関係がある。ここでｅは電気素量、ｍは電子質量である。マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合、ＥＣＲ磁場は８７５Ｇａｕｓｓになる。

【0030】

磁気回路部２０は、筒状磁石部４０の開口端４０ｂ及び筒状体５０の開口端５０ｂに接する。磁気回路部２０は、筒状磁石部４０を介して磁気回路部１０に対向配置される。磁気回路部２０は、板状である。磁気回路部２０は、強磁性体であり、例えば、軟鉄で構成されている。磁気回路部２０の外形は、筒状磁石部４０の外形に応じて適宜変更される。図１（ｂ）の例では、磁気回路部２０の外形は、円状である。

【0031】

磁気回路部２０は、筒状体５０によって囲まれた空間５１を開口する開口部２１０（第１開口部）を有する。開口部２１０は、磁気回路部１０、２０に対して、同心円状に配置されている。開口部２１０は、磁気回路部１０、２０に対して、同心円状に配置されている必要はなく、それぞれの中心軸同士が若干ずれてもよい。開口部２１０の内径は、突出部１１０の外径よりも大きい。

【0032】

磁気回路部２０に開口部２１０が設けられたことにより、磁気回路部２０においては、磁気回路部２０の磁気回路部１０側の主面２０ａと、開口部２１０の内壁２１０ｗとが交差する角部２２０が形成される。角部２２０の角度は、図１（ａ）の例では、略９０°となっている。角部２２０の角度は、鋭角であってもよい。例えば、角部２２０の角度が鋭角の場合、開口部２１０の断面形状は、その内径が磁気回路部１０から遠ざかるほど、徐々に広がるテーパ状になる。なお、磁気回路部２０の主面２０ａと反対側に位置する主面を主面２０ｂとする。

【0033】

アンテナ３０は、マイクロ波小型プラズマ源１外からマイクロ波小型プラズマ源１内に導入される。例えば、アンテナ３０は、磁気回路部１０を貫通し、空間５１に導入される。アンテナ３０は、いわゆるマイクロ波ランチャーである。アンテナ３０は、例えば、モリブデンを含む。

【0034】

例えば、マイクロ波小型プラズマ源１外には、マイクロ波発信器（不図示）が設けられ、アンテナ３０にマイクロ波発信器が接続されている。これにより、アンテナ３０を介して空間５１にマイクロ波電力が供給される。マイクロ波の波長は、例えば、１２２ｍｍ（２．４５ＧＨｚ）である。但し、マイクロ波の波長は、この波長に限らない。

【0035】

アンテナ３０は、棒状であり、その途中が折り曲がっている。例えば、アンテナ３０は、第１アンテナ部３０１と、第１アンテナ部３０１に連結する第２アンテナ部３０２とを有する。

【0036】

第１アンテナ部３０１は、例えば、磁気回路部１０に直交し、磁気回路部１０からノズル部６０に向かう方向に延在する。第１アンテナ部３０１は、例えば、磁気回路部１０の中心軸に位置する。

【0037】

第２アンテナ部３０２は、第１アンテナ部３０１と交差する。図１（ａ）の例では、第１アンテナ部３０１と第２アンテナ部３０２とが直交し、アンテナ３０がＬ字型になっている。第２アンテナ部３０２は、さらに、先端部１１１と角部２２０との間に位置している。つまり、第２アンテナ部３０２は、磁場Ｂ１に挿入されている。このように、アンテナ３０が折れ曲がった構成になることにより、マイクロ波がプラズマ中に効率よく吸収される。第１アンテナ部３０１と第２アンテナ部３０２とがなす角度は、直交に限らず、鈍角または鋭角であってもよい。

【0038】

ノズル部６０は、磁気回路部１０とは反対側において磁気回路部２０に接する。例えば、ノズル部６０は、磁気回路部２０の主面２０ｂに接している。ノズル部６０は、開口部６１０（第２開口部）を有する。開口部６１０は、開口部２１０に連通する。開口部６１０の開口面積は、開口部２１０の開口面積よりも小さい。

【0039】

開口部６１０は、開口部２１０に対して、同心円状に配置されている。開口部６１０は、開口部２１０に対して、同心円状に配置されている必要はなく、それぞれの中心軸同士が若干ずれてもよい。開口部６１０の内径は、例えば、５ｍｍである。空間５１が開口部６１０を介して装置外と通じていることにより、空間５１に形成されたプラズマを開口部６１０から取り出すことができる。ノズル部６０は、例えば、モリブデンを含む。

【0040】

ガスポート部７０は、筒状磁石部４０及び筒状体５０を貫通する。ガスポート部７０は、例えば、磁気回路部１０と、筒状磁石部４０及び筒状体５０との間に配置されている。ガスポート部７０は、空間５１に、キセノン、アルゴン、ヘリウム、窒素等の放電ガスを供給することができる。

【0041】

ガスポート部７０において、放電ガスが供給される供給口７１は、供給口７１とアンテナ３０の先端３０ｐとの距離が最も短くなるように配置される。例えば、ガスポート部７０及びアンテナ３０をＺ軸方向から上面視した場合、供給口７１と先端３０ｐとは、互いに対向する。

【0042】

絶縁部材８０は、アンテナ３０と磁気回路部１０との間に設けられている。絶縁部材８０は、フッ化炭素樹脂、石英等を含む。これにより、アンテナ３０と磁気回路部１０との絶縁が保たれる。

【0043】

マイクロ波小型プラズマ源１において、筒状体５０の内径（幅）をａ（ｍｍ）、空間５１に供給されるマイクロ波電力のマイクロ波遮断波長をλ（ｍｍ）としたときに、マイクロ波小型プラズマ源１は、λ＞３．４１×（ａ／２）の関係式を満たすように構成されている。筒状体５０が多角径の場合は、内径ａは、筒状体５０の中心軸を通過する内径の最大内径とする。

【0044】

図２は、マイクロ波小型プラズマ源の動作を説明する模式的断面図である。

【0045】

マイクロ波小型プラズマ源１において、筒状磁石部４０に接続された磁気回路部１０及び筒状磁石部４０に接続された磁気回路部２０は、それぞれヨーク材として機能する。さらに、磁気回路部１０は、突出部１１０を有し、磁気回路部２０は、角部２２０を有する。これにより、双方の突起間（突出部１１０と角部２２０との間）に、ミラー比の高い磁場Ｂ１（ミラー磁場）が形成される。さらに、磁場Ｂ１は、突出部１１０が筒状であり、磁気回路部２０の開口部２１０が円状であることから、円環状に形成される。

【0046】

このような状況下で、空間５１に供給口７１から放電ガスが供給され、アンテナ３０から空間５１にマイクロ波が供給されると、放電ガスが放電し、マイクロ波と磁場Ｂ１との相互作用によって、空間５１に電子サイクロトロン共鳴が起こる。これにより、プラズマ中の電子に選択的かつ直接的にエネルギーが供給され、高いエネルギーを持った電子と、放電ガスとが衝突して空間５１に高密度プラズマが発生する。

【0047】

ここで、マイクロ波小型プラズマ源１は、λ＞３．４１×（ａ／２）の関係式を満たすように構成されている。これにより、空間５１では、マイクロ波が共振しにくくなり、空間５１におけるマイクロ波の進行が抑制される。この結果、マイクロ波小型プラズマ源１からはマイクロ波が漏洩しにくくなる。また、共振させなければ、マイクロ波電界が高くならず、マイクロ波電界に比例する容器壁面でのマイクロ波損失を抑制することができる。

【0048】

さらに、マイクロ波小型プラズマ源１においては、突出部１１０と角部２２０との間に、ミラー磁場（磁場Ｂ１）を形成し、磁場Ｂ１に閉じ込めた電子が連続的に電子サイクロトロン共鳴により加熱される。これにより、マイクロ波の電界が弱くても、放電ガスを電離できるほどの高エネルギー電子を生成できる。

【0049】

また、マイクロ波小型プラズマ源１においては、開口部２１０の内径が突出部１１０の外径よりも大きく構成されている。これにより、磁場Ｂ１においては、磁力線が突出部１１０から角部２２０に向かうほど、より疎になる。この結果、ノズル部６０側の磁束密度は、突出部１１０側の磁束密度よりも小さくなる。

【0050】

これにより、空間５１においては、ノズル部６０の開口部６１０付近に低磁場領域が形成され、開口部６１０付近では、プラズマが磁場によって捕捉されにくくなっている。このため、開口部６１０付近でのプラズマの移動度が高まり、プラズマ中の電子またはイオンが開口部６１０から効率よく噴射される。

【0051】

例えば、空間５１に供給口７１から流量０．３ｓｃｃｍ程度のキセノンガスを導入し、８Ｗのマイクロ波をアンテナ３０に投入したとき、開口部６１０から２００ｍＡ程度の電子電流と、５ｍＡ程度のイオン電流とが得られている。

【0052】

なお、空間５１に残ったプラズマ中のイオンは、磁場Ｂ１を通り抜けて、筒状体５０の内壁または磁気回路部１０、２０の主面に到達する。筒状体５０または磁気回路部１０、２０に当たったイオンは、電荷を失い、中性ガスに戻り、放電ガスとして再利用される。このため、マイクロ波小型プラズマ源１では、極力少ないガス流量でプラズマの維持が可能になっている。

【0053】

一方、突出部１１０側では、磁力線が角部２２０から突出部１１０に向かうほど、より密になっている。これにより、絶縁部材８０付近には、高磁場領域が形成され、空間５１に形成されるプラズマにおいては、絶縁部材８０に晒されるプラズマの密度が開口部２１０に形成されるプラズマの密度よりも高くなる。

【0054】

これにより、放電中に、絶縁部材８０にコンタミ、被膜等の異物が堆積したとしても、異物は、プラズマによるスパッタリング効果によって即座に除去される。仮に、異物が金属を含み、絶縁部材８０に異物が堆積することになれば、アンテナ３０と磁気回路部１０とが導通し、アンテナ３０から空間５１にマイクロ波を充分に供給できないことになる。

【0055】

これに対し、マイクロ波小型プラズマ源１では、空間５１にプラズマを形成さえすれば、絶縁部材８０上の異物がセルフクリーニングにより除去される。すなわち、マイクロ波小型プラズマ源１は、メンテナンスフリーで長期間にわたり稼動することができる。

【0056】

また、マイクロ波小型プラズマ源１では、供給口７１とアンテナ３０の先端３０ｐとが最も近くなるように構成されていることから、第２アンテナ部３０２付近に放電ガスが供給される。これにより、供給口７１から空間５１に導入された放電ガスは、アンテナ３０から発せられるマイクロ波によって効率よく電離する。この結果、高密度のプラズマが空間５１に形成される。

【0057】

また、磁気回路部１０とノズル部６０との間の距離をＬ（ｍｍ）としたときに、マイクロ波小型プラズマ源１は、λ＞３．４１×（Ｌ／２）の関係式を満たすように構成れてもよい。これにより、マイクロ波は、ノズル部６０の開口部６１０からより確実に漏洩しにくくなる。

【0058】

以上のようなマイクロ波小型プラズマ源１によれば、マイクロ波小型プラズマ源１からマイクロ波が漏洩しにくく、マイクロ波小型プラズマ源１によって高密度のプラズマが生成され、電子またはイオンをマイクロ波小型プラズマ源１外に噴射することができる。このようなマイクロ波小型プラズマ源１は、例えば、真空環境（１×１０^−５Ｐａ以上１×１０^−２Ｐａ以下）で使用され、真空環境が要求される製造装置、機器の帯電を緩和する除電として利用することができる。

【0059】

（変形例１）

【0060】

図３は、本実施形態に係るマイクロ波小型プラズマ源の第１変形例の模式的上面図である。

【0061】

図３に示すマイクロ波小型プラズマ源２においては、第２アンテナ部３０２が複数の部材３０２ａから構成されている。複数の部材３０２ａのそれぞれは、第１アンテナ部３０１と交差している。さらにマイクロ波小型プラズマ源２をＺ軸方向から上面視した場合、複数の部材３０２ａのそれぞれとガスポート部７０とが対向している。

【0062】

このような構成であれば、複数の部材３０２ａから供給されるマイクロ波と磁場Ｂ１との相互作用によって、空間５１に電子サイクロトロン共鳴が起こり、空間５１にさらに高密度のプラズマが発生する。これにより、マイクロ波小型プラズマ源２から、より大きい電子電流またはイオン電流を取り出すことができる。

【0063】

（変形例２）

【0064】

図４（ａ）は、本実施形態に係るマイクロ波小型プラズマ源の第２変形例の模式的断面図である。図４（ｂ）は、その模式的上面図である。

【0065】

図４（ａ）、（ｂ）に示すマイクロ波小型プラズマ源３においては、第２アンテナ部３０２が円盤状に構成されている。第２アンテナ部３０２は、コーン状に構成されてもよい。第１アンテナ部３０１は、第２アンテナ部３０２の中心部に連結している。また、マイクロ波小型プラズマ源３をＺ軸方向から上面視した場合、ガスポート部７０が複数の箇所に設けられている。

【0066】

このような構成であれば、円盤状またはコーン状の第２アンテナ部３０２から万遍なく供給されるマイクロ波と磁場Ｂ１との相互作用によって、空間５１に電子サイクロトロン共鳴が起こり、空間５１にさらに高密度のプラズマが発生する。これにより、マイクロ波小型プラズマ源３から、さらに大きい電子電流またはイオン電流を取り出すことができる。

【0067】

（変形例３）

【0068】

図５は、本実施形態に係るマイクロ波小型プラズマ源の第３変形例の模式的断面図である。

【0069】

図５に示すマイクロ波小型プラズマ源４は、空間５１に形成されるプラズマ中の荷電粒子を静電界によって引き出す電極機構９０をさらに具備する。電極機構９０は、電源９１と、多孔状の電極（グリッド電極）９２とを有する。電極９２は、空間５１とは反対側において開口部６１０に対向する。

【0070】

例えば、マイクロ波小型プラズマ源４から電極機構９０の除いた部分をマイクロ波小型プラズマ源４の本体とした場合、電源９１によって電極９２に本体よりも高いバイアス電位（正電位）を印加した場合は、空間５１から電子を優先的に引き出すことができる。一方、電源９１によって電極９２に本体よりも低いバイアス電位（負電位）を印加した場合は、空間５１からイオンを優先的に引き出すことができる。

【0071】

また、これらの荷電粒子は電極９２と本体との間に形成される静電界によって加速されることから、進行方向が揃った荷電粒子のビーム流が形成されることになる。これにより、除電をする目的対象を定めて、除電を行うことができる。

【0072】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。各実施形態は、独立の形態とは限らず、技術的に可能な限り複合させることができる。

【符号の説明】

【0073】

１、２、３、４…マイクロ波小型プラズマ源
１０…磁気回路部
２０…磁気回路部
２０ａ、２０ｂ…主面
３０…アンテナ
３０ｐ…先端
４０…筒状磁石部
４０ａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂ…開口端
４０Ｍ…磁石
５０…筒状体
５１…空間
６０…ノズル部
７０…ガスポート部
７１…供給口
８０…絶縁部材
９０…電極機構
９１…電源
９２…電極
１１０…突出部
１１１…先端部
２１０、６１０…開口部
２１０ｗ…内壁
２２０…角部
３０１…第１アンテナ部
３０２…第２アンテナ部
３０２ａ…部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】