特許 6976434 多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6976434

(24)【登録日】2021年11月11日

(45)【発行日】2021年12月8日

(54)【発明の名称】多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/02 20060101AFI20211125BHJP

   H01J 37/05 20060101ALI20211125BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20211125BHJP

   H05H 1/22 20060101ALI20211125BHJP

   H05H 1/54 20060101ALN20211125BHJP

   H05H 1/46 20060101ALN20211125BHJP

【ＦＩ】

   H01J27/02

   H01J37/05

   H01J37/08

   H05H1/22

   !H05H1/54

   !H05H1/46 A

【請求項の数】17

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2020-527050(P2020-527050)

(86)(22)【出願日】2018年10月24日

(65)【公表番号】特表2021-503691(P2021-503691A)

(43)【公表日】2021年2月12日

(86)【国際出願番号】KR2018012642

(87)【国際公開番号】WO2019098554

(87)【国際公開日】20190523

【審査請求日】2020年5月19日

(31)【優先権主張番号】10-2017-0154107

(32)【優先日】2017年11月17日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】518445687

【氏名又は名称】韓国原子力研究院

【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＡＴＯＭＩＣ ＥＮＥＲＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100129425

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 護晃

(74)【代理人】

【識別番号】100087505

【弁理士】

【氏名又は名称】西山 春之

(74)【代理人】

【識別番号】100168642

【弁理士】

【氏名又は名称】関谷 充司

(74)【代理人】

【識別番号】100217076

【弁理士】

【氏名又は名称】宅間 邦俊

(74)【代理人】

【識別番号】100218604

【弁理士】

【氏名又は名称】池本 理絵

(74)【代理人】

【識別番号】100107319

【弁理士】

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100096769

【弁理士】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】ホ，ソンユル

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−２８９９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／００３２９３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ２７／０２

Ｈ０１Ｊ ３７／０５

Ｈ０１Ｊ ３７／０８

Ｈ０５Ｈ １／２２

Ｈ０５Ｈ １／５４

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気的負性ガスにパルス電力を供給してプラズマを生成する複数のプラズマ発生部と、
前記複数のプラズマ発生部にそれぞれ連結され、前記プラズマを受け取る負イオン供給部と、
前記複数のプラズマ発生部にそれぞれ連結され、該各プラズマ発生部に供給される前記パルス電力の特性をそれぞれ制御し、前記複数のプラズマ発生部のいずれか１つがアクティブグロー（active-glow）状態になると、他のプラズマ発生部がアフターグロー（after-glow）状態になるように、前記パルス電力のパルスの位相差を制御する制御部と、を含み、
前記複数のプラズマ発生部は、前記パルス電力の位相差によって前記各プラズマ発生部が交互にプラズマを生成し、前記アクティブグロー状態のいずれか１つのプラズマ発生部から前記負イオン供給部に供給される負イオンの供給量が減少すると、前記アフターグロー状態の他のプラズマ発生部から前記負イオン供給部に負イオンを供給することにより、前記減少した負イオンの供給量を補償することを特徴とする多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項2】

前記複数のプラズマ発生部は、前記アクティブグロー状態のいずれか１つのプラズマ発生部が生成した負イオン前駆体及び電子を前記負イオン供給部に供給する際に、前記アフターグロー状態の他のプラズマ発生部が生成した負イオンを前記負イオン供給部に供給することを特徴とする請求項１に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項3】

前記制御部は、
前記複数のプラズマ発生部にそれぞれ連結され、前記プラズマ発生部が前記アクティブグロー状態又は前記アフターグロー状態になるように、前記パルス電力の特性を制御する複数のパルス電源制御部と、
前記パルス電源制御部に連結され、前記アクティブグロー状態のいずれか１つのプラズマ発生部においてアクティブグロー状態が終了してから前記アフターグロー状態の他のプラズマ発生部においてアクティブグロー状態が開始する時点を遅延させるように、前記複数のパルス電源制御部間の前記パルス電力の位相差を制御するシステム制御部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項4】

前記プラズマ発生部と前記負イオン供給部との間に設けられる磁気フィルタをさらに含み、
前記磁気フィルタは、前記プラズマ発生部のアクティブグロー状態で生成された電子のうち高エネルギー電子が前記負イオン供給部に移動することを制限することを特徴とする請求項１に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項5】

前記磁気フィルタは、永久磁石から構成されることを特徴とする請求項４に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項6】

前記磁気フィルタは、電磁石から構成され、
前記電磁石は、前記プラズマ発生部の動作状態に応じて磁場を形成することを特徴とする請求項４に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項7】

前記電磁石は、前記パルス電力の位相差に連動して前記プラズマ発生部のアクティブグロー状態で磁場を形成することを特徴とする請求項６に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項8】

前記プラズマ発生部と前記負イオン供給部との間に設けられるプラズマ粒子フィルタをさらに含み、
前記プラズマ粒子フィルタは、前記プラズマ発生部で生成された粒子を極性によって選択的に前記負イオン供給部に輸送することを特徴とする請求項１に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項9】

前記プラズマ粒子フィルタは、電場を印加できる電極及びグリッドのいずれかからなることを特徴とする請求項８に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項10】

前記プラズマ発生部に連結され、前記電気的負性ガスを供給するガス供給部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項11】

前記ガス供給部は、前記プラズマ発生部に供給されるガスの供給量を経時的に制御するガス供給制御装置を含むことを特徴とする請求項１０に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項12】

前記負イオン供給部に連結され、前記負イオンを引き出すビーム引出部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム。

【請求項13】

複数のプラズマ発生部にパルス電力を供給してプラズマを生成し、前記プラズマを負イオン供給部に供給する負イオンの生成及び供給ステップと、
前記複数のプラズマ発生部にそれぞれ供給されるパルス電力のパルスの位相差を制御して、前記複数のプラズマ発生部を交互に動作させ、前記負イオン供給部に負イオンを供給する負イオンの供給ステップと、
前記負イオン供給部から前記負イオンを引き出す負イオンの引き出しステップと、を含むことを特徴とする多重パルスプラズマを用いた負イオン供給方法。

【請求項14】

前記負イオンの生成及び供給ステップは、
前記プラズマ発生部に前記パルス電力が供給されると、負イオン、負イオン前駆体及び電子を含むプラズマが生成されるステップと、
前記負イオン前駆体及び前記電子が前記負イオン供給部に供給されるステップと、
前記負イオン供給部で前記負イオン前駆体が前記電子と反応して第１負イオンが生成されるステップと、
前記プラズマ発生部への前記パルス電力の供給が中断されると、前記パルス電力の供給が中断される前に生成されたプラズマから第２負イオンが生成されるステップと、
前記第２負イオンが前記負イオン供給部に供給されるステップと、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給方法。

【請求項15】

前記負イオン前駆体及び前記電子が前記負イオン供給部に供給されるステップは、
前記電子のうち高エネルギー電子が前記負イオン供給部に移動することが制限されるように、前記負イオン供給部と前記プラズマ発生部との間に設けられた磁気フィルタにより磁場を発生させるステップを含むことを特徴とする請求項１４に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給方法。

【請求項16】

前記負イオンの供給ステップは、
前記複数のプラズマ発生部に時間差をおいてパルス電力が供給されるように、前記複数のプラズマ発生部に供給されるパルス電力の位相差を制御するステップと、
前記パルス電力が供給されていずれか１つの前記プラズマ発生部がアクティブグロー状態になると、他の前記プラズマ発生部がアフターグロー状態になり、前記複数のプラズマ発生部のそれぞれが前記位相差によって前記アクティブグロー状態と前記アフターグロー状態とに交互に切り替えられるステップと、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給方法。

【請求項17】

前記負イオンの引き出しステップは、
前記負イオン供給部に連結されたビーム引出部の極性を設定するステップと、
前記ビーム引出部の極性が正極であれば、前記負イオン供給部から負イオンを引き出し、前記ビーム引出部の極性が負極であれば、前記負イオン供給部から正イオンを引き出すステップと、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の多重パルスプラズマを用いた負イオン供給方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、多重パルスプラズマを制御して負イオンを供給するシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

プラズマは、物質の３つの状態である固体、液体、気体に続く、物質の第４の状態である。

【0003】

プラズマとは、気体にエネルギーを加えて生成された準中性のイオン化されたガス又は粒子の集合体を意味し、中性粒子、電子及びイオンが含まれる。ここで、電子は、エネルギーによる粒子数分布を有し、エネルギー準位によって高エネルギー電子と低エネルギー電子に分類される。

【0004】

一方、負イオン利用技術は、様々な研究・産業分野、特に核融合、半導体及び宇宙推進機分野で直接・間接的に活発に活用されている。以下、これらの各分野で活用される負イオン利用技術と要求される新たな負イオン技術について詳細に説明する。

【0005】

核融合分野において、核融合反応を起こすためには、核融合炉のプラズマの温度を上昇させる加熱装置、及び核融合炉の連続運転に必要なプラズマ電流を駆動する駆動装置が必須である。

【0006】

中性粒子ビーム入射装置（Neutral Beam Injection, NBI）は、核心的な核融合炉の加熱装置であり、かつプラズマ電流の駆動装置である。具体的には、中性粒子ビーム入射装置は、イオン源で生成された荷電粒子（例えば、重水素の正イオン又は負イオン）を、電場に印加して加速させ、その後中性化し、中性化した高速粒子を、強力な磁場を発生する核融合炉内に入射させるように構成される。

【0007】

一方、研究によれば、加速されたビームの中性化過程での中性化効率は、エネルギーによって正イオンビームと負イオンビームとで異なる。例えば、高速に加速されたビームの条件では、負イオンビームの中性化効率の方が正イオンビームの中性化効率よりはるかに高い。

【0008】

よって、高速中性粒子ビームの入射を必要とする高性能の核融合炉の効率的な運用のためには、中性粒子ビーム入射装置に負イオンを安定して供給することのできる負イオンの供給及び制御技術の開発が求められている。

【0009】

一方、数ナノメートル（nanometer, nm）レベルのチップを生産する半導体分野においては、ウエハパターンの最小線幅（Critical Dimension, CD）が狭くなるにつれて精巧なエッチング技術が用いられるようになったが、ＣＤが非常に狭いプラズマエッチング時には、基板に荷電粒子（主に正イオン）が積層されることにより、電荷の帯電損傷（charging damage）や異常エッチング（abnormal etching）などが発生するという問題があった。

【0010】

それを解決するために、基板に積層された荷電粒子とは異なる電荷を帯びた粒子である負イオンを安定して供給して基板に積層された荷電粒子を中性化することのできる負イオンの供給及び制御技術の開発が求められている。

【0011】

一方、宇宙推進機分野において、従来の宇宙推進機である静電スラスタ（electrostatic thruster）は、プラズマイオン源から正イオンが供給されて推進力を生成するように構成される。しかし、プラズマイオン源は、推進に用いられる正イオンだけでなく、電荷の帯電損傷を起こしたり加速電場を相殺する電子を生成するので、体積が大きく重い中性化装置をさらに必要とするという問題があった。

【0012】

よって、従来の静電スラスタの問題を解決するために、従来とは異なる方式である定常状態のイオン−イオンプラズマ（steady-state ion-ion plasma）を用いる推進機が研究されている。具体的には、イオン−イオンプラズマを用いる推進機は、正イオンと負イオンとを交互に引き出す方式で推進することにより、従来における電荷の帯電及び電場の相殺の問題を解決する。ただし、そうするためには、電子の密度に比べて高い密度の負イオンを生成し続けなければならないという技術的難題がある。

【0013】

前述したように、上記の様々な分野の問題を解決するためには、高い密度の負イオンを供給し続けなければならず、そのための制御技術が必要である。以下、従来の負イオンの供給及び制御技術について詳細に説明し、それに関する問題について説明する。

【0014】

一般に、負イオンを生成して供給する装置をプラズマ負イオン源という。具体的には、プラズマ負イオン源とは、電気的負性ガス（electronegative gas）を含むガスを放電して負イオンを含むプラズマを生成し、生成された負イオンを引き出して用いる装置を意味する。ここで、電気的負性ガスとは、プラズマ状態で負イオンを生成できる原料ガス又はガスをいう。

【0015】

プラズマ負イオン源内で負イオンを生成するメカニズムは、大きく表面生成（surface production）メカニズムと体積生成（volume production）メカニズムに分けられる。

【0016】

表面生成メカニズムは、仕事関数の低い物質（例えば、セシウム（Ｃｓ））をイオン源装置の表面に塗布すると、電気的負性ガス原子（又は正イオン）がその表面から電子を受けて負イオンが生成される反応原理である。ここで、仕事関数とは、物質中から１つの電子を外に引き出すために必要な最小の仕事又はエネルギーを意味する。

【0017】

もっとも、表面生成メカニズムを用いた負イオン源は、後述する体積生成メカニズムを用いた負イオン源より負イオン生成効率が非常に高いが、塗布物質の化学特性と表面吸脱着に関する動力学が複雑であり、制御が困難であるという問題があった。

【0018】

また、塗布物質が他の残留不純物と化学反応すると、仕事関数が低下し、加速部（accelerator stage）に移動して高電圧に対する耐電圧性能（voltage holding capability）が低下するなど、管理が容易でないという問題があった。

【0019】

さらに、表面生成メカニズムを用いた負イオン源は、長時間運転時、必ず装置の表面に塗布物質を新たに塗布し、コンディショニングを行わなければならない不便があった。

【0020】

一方、前述した表面生成メカニズムを用いた負イオン源の欠点により、近年、塗布物質の使用を排除するか又は最小限に抑える高性能の負イオン源に関する研究開発が行われている。その研究開発の１つが後述する体積生成メカニズムを用いた負イオンの生成及び供給方法に関する研究開発である。

【0021】

体積生成メカニズムは、電気的負性ガス分子を高エネルギー電子（例えば、数十電子ボルト（electron volt, eV）により励起して高振動励起分子（例えば、振動量子数が５以上）を生成するステップと、前記高振動励起分子を低エネルギー電子（例えば、１ｅＶ以下）により解離性付着して原子と共に負イオンを生成するステップとから構成される。

【0022】

一方、体積生成メカニズムにおいて、高エネルギー電子は、高振動励起分子を生成して負イオン生成反応に寄与するが、同時に電子脱離反応により生成された負イオンを除去する。従って、体積生成メカニズムを用いた負イオン源は、表面生成メカニズムを用いた負イオン源よりは効率が劣るという問題があった。

【0023】

よって、研究者らは、プラズマパルシング技術を導入して体積生成メカニズムを用いた負イオン源の効率を高める試みを行っている。ここで、プラズマパルシングとは、経時的に電力供給の有無及び電力量を調整して電子のエネルギーを調整する方法を意味する。

【0024】

しかし、プラズマパルシングを用いた負イオン源は、その特性上、高い密度の負イオンが維持される時間が短いので（例えば、μｓ単位程度の時間）、負イオンの安定した供給が困難であるという問題があった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0025】

本発明の目的は、上記の様々な研究開発及び産業分野、特に核融合、半導体及び宇宙推進機分野における要求を満たす負イオンを供給するシステムを提供することにある。

【0026】

本発明の具体的な目的は次の通りである。

【0027】

本発明の第１の目的は、メンテナンスが難しい従来の負イオン表面生成メカニズムを用いた負イオン源を代替し、体積生成メカニズムを用いて負イオンを生成し、高い密度の負イオンを供給することのできるシステムを提供することにある。

【0028】

本発明の第２の目的は、プラズマに生成された高エネルギー電子が既に生成された負イオンを除去できないように、高エネルギー電子と負イオンとの反応を抑制することのできるシステムを提供することにある。

【0029】

本発明の第３の目的は、本発明に従来の表面生成メカニズムを組み込むか、又は体積生成メカニズムの反応率を高める他の技術（例えば、特異表面金属材料の使用）を組み込むことにより効率性が向上した、負イオンを供給することのできるシステムを提供することにある。

【0030】

本発明の第４の目的は、上記要求を満たす、負イオンを連続的に供給する方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0031】

本発明の第１の目的を達成するために、多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システムは、前記電気的負性ガスにパルス電力を供給してプラズマを生成する複数のプラズマ発生部と、前記複数のプラズマ発生部にそれぞれ連結され、前記プラズマを受け取る負イオン供給部と、前記複数のプラズマ発生部にそれぞれ連結され、該各プラズマ発生部に供給される前記パルス電力の特性をそれぞれ制御し、前記複数のプラズマ発生部のいずれか１つがアクティブグロー（active-glow）状態になると、他のプラズマ発生部がアフターグロー（after-glow）状態になるように、前記パルス電力のパルスの位相差を制御する制御部と、を含み、前記複数のプラズマ発生部は、前記パルス電力の位相差によって前記各プラズマ発生部が交互にプラズマを生成し、前記アクティブグロー状態のいずれか１つのプラズマ発生部から前記負イオン供給部に供給される負イオンの供給量が減少すると、前記アフターグロー状態の他のプラズマ発生部から前記負イオン供給部に負イオンを供給することにより、前記減少した負イオンの供給量を補償するようにしてもよい。

【0032】

すなわち、前記アクティブグロー状態のいずれか１つのプラズマ発生部から前記負イオン供給部への負イオンの供給量が減少すると、前記アフターグロー状態の他のプラズマ発生部から前記負イオン供給部への負イオンの供給量を増加させる。

【0033】

前記複数のプラズマ発生部は、前記アクティブグロー状態のいずれか１つのプラズマ発生部が生成した負イオン前駆体及び電子を前記負イオン供給部に供給する際に、前記アフターグロー状態の他のプラズマ発生部が生成した負イオンを前記負イオン供給部に供給するようにしてもよい。

【0034】

前記制御部は、前記複数のプラズマ発生部にそれぞれ連結され、前記プラズマ発生部が前記アクティブグロー状態又は前記アフターグロー状態になるように、前記パルス電力の特性を制御する複数のパルス電源制御部と、前記パルス電源制御部に連結され、前記アクティブグロー状態のいずれか１つのプラズマ発生部においてアクティブグロー状態が終了してから前記アフターグロー状態の他のプラズマ発生部においてアクティブグロー状態が開始する時点を遅延させるように、前記複数のパルス電源制御部間の前記パルス電力の位相差を制御するシステム制御部と、を含むようにしてもよい。

【0035】

本発明の第２の目的を達成するために、前記多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システムは、前記プラズマ発生部と前記負イオン供給部との間に設けられる磁気フィルタをさらに含み、前記磁気フィルタは、前記プラズマ発生部のアクティブグロー状態で生成された電子のうち高エネルギー電子が前記負イオン供給部に移動することを制限するようにしてもよい。

【0036】

また、前記磁気フィルタは、永久磁石から構成されるようにしてもよい。

【0037】

前記磁気フィルタは、電磁石から構成され、前記電磁石は、前記プラズマ発生部の動作状態に応じて磁場を形成するようにしてもよい。

【0038】

前記電磁石は、前記パルス電力の位相に連動して前記プラズマ発生部のアクティブグロー状態で磁場を形成するようにしてもよい。

【0039】

前記磁気フィルタは、複数の永久磁石と、電磁石とから構成されるようにしてもよい。

【0040】

前記多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システムは、前記プラズマ発生部と前記負イオン供給部との間に設けられるプラズマ粒子フィルタをさらに含み、前記プラズマ粒子フィルタは、前記プラズマ発生部で生成された粒子を極性によって選択的に前記負イオン供給部に輸送するようにしてもよい。

【0041】

前記プラズマ粒子フィルタは、電場を印加できる電極及びグリッドのいずれかからなるようにしてもよい。

【0042】

本発明の第３の目的を達成するために、前記多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システムは、前記プラズマ発生部の表面に仕事関数の低い物質が塗布されるようにしてもよい。

【0043】

本発明の第４の目的を達成するために、多重パルスプラズマを用いた負イオン供給方法は、複数のプラズマ発生部にパルス電力を供給してプラズマを生成し、前記プラズマを負イオン供給部に供給する負イオンの生成及び供給ステップと、前記複数のプラズマ発生部にそれぞれ供給されるパルス電力のパルスの位相差を制御して、前記複数のプラズマ発生部を交互に動作させ、前記負イオン供給部に負イオンを供給する負イオンの供給ステップと、前記負イオン供給部から前記負イオンを引き出す負イオンの引き出しステップと、を含むようにしてもよい。

【0044】

前記負イオンの生成及び供給ステップは、前記プラズマ発生部に前記パルス電力が供給されると、負イオン、負イオン前駆体及び電子を含むプラズマが生成されるステップと、前記負イオン前駆体及び前記電子が前記負イオン供給部に供給されるステップと、前記負イオン供給部で前記負イオン前駆体が前記電子と反応して第１負イオンが生成されるステップと、前記プラズマ発生部への前記パルス電力の供給が中断されると、前記パルス電力の供給が中断される前に生成されたプラズマから第２負イオンが生成されるステップと、前記第２負イオンが前記負イオン供給部に供給されるステップと、を含むようにしてもよい。

【0045】

前記負イオン前駆体及び前記電子が前記負イオン供給部に供給されるステップは、前記電子のうち高エネルギー電子が前記負イオン供給部に移動することが制限されるように、前記負イオン供給部と前記プラズマ発生部との間に設けられた磁気フィルタにより磁場を発生させるステップを含むようにしてもよい。

【0046】

前記負イオンの供給ステップは、前記複数のプラズマ発生部に時間差をおいてパルス電力が供給されるように、前記複数のプラズマ発生部に供給されるパルス電力の位相差を制御するステップと、前記パルス電力が供給されていずれか１つの前記プラズマ発生部がアクティブグロー状態になると、他の前記プラズマ発生部がアフターグロー状態になり、前記複数のプラズマ発生部のそれぞれが前記位相差によって前記アクティブグロー状態と前記アフターグロー状態とに交互に切り替えられるステップと、を含むようにしてもよい。

【0047】

前記負イオンの引き出しステップは、前記負イオン供給部に連結されたビーム引出部の極性を設定するステップと、前記ビーム引出部の極性が正極であれば、前記負イオン供給部から負イオンを引き出し、前記ビーム引出部の極性が負極であれば、前記負イオン供給部から正イオンを引き出すステップと、を含むようにしてもよい。

【0048】

本発明の一実施形態によれば、前記ガス供給部は、前記プラズマ発生部に供給されるガスの供給量を経時的に制御するガス供給制御装置を含むようにしてもよい。

【0049】

本発明の一実施形態によれば、前記多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システムは、前記負イオン供給部に連結され、前記負イオンを引き出すビーム引出部をさらに含むようにしてもよい。

【発明の効果】

【0050】

上記解決手段により得られる本発明の効果は次の通りである。

【0051】

第一に、複数のプラズマ発生部が負イオン供給部に連結され、プラズマ発生部に供給されるパルス状のプラズマ発生電力（パルス電力）の特性及び各パルス電力の位相差が制御されるようにするので、いずれか１つのプラズマ発生部のアクティブグロー状態で減少する負イオンの供給を、他のプラズマ発生部のアフターグロー状態で生成された負イオンで補償することができる。

【0052】

上記構成によれば、プラズマパルシングを導入して体積生成メカニズムを用いた負イオン源の限界として指摘されていた、負イオンの安定供給が不可能であるという問題を構造的に解決することができる。

【0053】

第二に、プラズマ発生部と負イオン供給部との間に設けられた磁気フィルタにより、高エネルギー電子が負イオン供給部に移動することを制限することができる。

【0054】

磁気フィルタは、負イオン供給部で高エネルギー電子が負イオンと反応して負イオンが消滅するメカニズムを妨げ、全体としてシステムの負イオン供給効率が低下することを防止することができる。

【0055】

第三に、表面生成メカニズムを代替して、体積生成メカニズムを用いたシステム及び方法を提供することにより、プラズマ負イオン源のメンテナンスを最小限に抑えることができる。

【0056】

第四に、前記システム及び方法は、従来の体積生成メカニズム関連技術又は表面生成メカニズム活用技術と併用することにより、従来のプラズマ負イオン源の性能及び効率性を向上させることができる。

【0057】

第五に、前記システムに適用された負イオン供給方法は、負イオン供給を必要とする様々な産業及び研究分野に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0058】

【図1】多重パルスプラズマを用いた負イオン連続供給システムを示す概念図である。

【図2】単一のプラズマ発生部にパルス電力が供給される際の経時的なプラズマの特性を示す概念図である。

【図3】図１に示す複数のプラズマ発生部にパルス電力が交互に供給される際の経時的なプラズマの特性を示す概念図である。

【図4】多重パルスプラズマを用いた負イオン連続供給方法を示すフローチャートである。

【図5】図４に示すフローチャートにおける負イオンの生成及び供給ステップを示すフローチャートである。

【図6】図４に示すフローチャートにおける負イオンの連続供給ステップを示すフローチャートである。

【図7】図４に示すフローチャートにおける最後のステップである負イオンの引き出しステップを示すフローチャートである。

【図8】図４に示すフローチャートを図式化した概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0059】

以下、図面を参照して、本発明による多重パルスプラズマを用いた負イオン供給システム及び方法（以下、多重パルスプラズマ負イオン連続供給システム、多重パルスプラズマ負イオン連続供給方法ともいう。）についてより詳細に説明する。

【0060】

単数の表現には、特に断らない限り複数の表現が含まれる。

【0061】

本明細書に開示された実施形態について説明する上で、関連する公知技術についての具体的な説明が本明細書に開示された実施形態の要旨を不明にすると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。

【0062】

本明細書においては、異なる実施形態及び変形例であっても同一又は類似の構成については同一又は類似の符号を付し、それについての重複する説明は省略する。

【0063】

添付図面は本明細書に開示された実施形態を容易に理解できるようにするためのものにすぎず、添付図面により本明細書に開示された技術的思想が限定されるものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

【0064】

本明細書においては、説明の便宜上、２つのプラズマ発生部が設けられることを前提として説明し、プラズマ発生部の符号については必要に応じて１１０又は１１０ａ、１１０ｂを混用する。これは、説明の便宜のためのものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

【0065】

なお、パルス状のプラズマ発生電力（略してパルス電力）は、一般的に、電力が供給されるオン状態又は電力が供給されないオフ状態にある。しかし、本明細書においては、パルス電力が供給されて電力がオンになった状態を略してパルス電力供給状態という。

【0066】

まず、多重パルスプラズマ負イオン連続供給システムの構成について説明し、次に、多重パルスプラズマ負イオン連続供給方法について詳細に説明する。

【0067】

図１は本発明の一実施形態による多重パルスプラズマ負イオン連続供給システム１００を示す概念図である。図２はプラズマ発生部１１０にパルス電力が供給される際のそれぞれのプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂの経時的なプラズマの特性を示す概念図である。図３は図１に示す複数のプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂが設定されたパルス電力の位相差によって動作する際の多重パルスプラズマ負イオン連続供給システム１００により実現される負イオンの連続供給過程を示す概念図である。

【0068】

多重パルスプラズマ負イオン連続供給システム１００は、電気的負性ガスを含む供給ガスにパルス電力を供給して負イオン、負イオン前駆体である高振動励起分子、並びに高エネルギー電子及び低エネルギー電子を含むプラズマを生成し、生成されたプラズマを負イオン供給部１２０に供給するように構成される。ここで、高振動励起分子は、振動量子数（ｖ）が一般的に５以上の分子であるが、それに限定されるものではなく、４以上の分子を適用することもできる。

【0069】

複数のプラズマ発生部１１０のそれぞれは、位相差によってパルス電力を電気的負性ガスに供給してプラズマを生成することにより、負イオン供給部１２０において特定の密度の負イオンが維持され続けるようにする。なお、プラズマ発生部１１０で生成されたプラズマが負イオン供給部１２０に供給される過程と供給される粒子については後に詳述する。

【0070】

多重パルスプラズマ負イオン連続供給システム１００は、プラズマ発生部１１０、負イオン供給部１２０及び制御部１３０を含む。

【0071】

プラズマ発生部１１０は、複数のプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂから構成され、負イオン、負イオン前駆体及び電子を含むプラズマを生成し、前記プラズマをプラズマ発生部１１０に連結された負イオン供給部１２０に供給する。

【0072】

同図において、複数のプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂは、負イオン供給部１２０にそれぞれ連結され、後述するガス供給部１４０ａ、１４０ｂから電気的負性ガスを含む供給ガスが供給され、前記電気的負性ガスにパルス電力を供給してプラズマを生成するように構成される。

【0073】

もっとも、同図においては、２つのプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂを図示しているが、それに限定されるものではなく、制限なくシステムを構成できることは言うまでもない。なお、複数のプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂにそれぞれ供給されるパルス電力の制御については後に詳述する。

【0074】

前述したように、複数のプラズマ発生部１１０でシステムを構成することにより、発明の背景技術において指摘した、プラズマパルシングを用いた負イオン源において負イオンの密度が一定でないことから連続運転できない問題を解決し、負イオンを連続供給できるという利点がある。

【0075】

一方、以下、図２を参照して、パルス電力に応じてそれぞれのプラズマ発生部１１０において起こる現象について詳細に説明する。

【0076】

まず、プラズマ発生部１１０にパルス電力が供給されるか否かによって、パルス電力が供給される時間領域（又は状態）をアクティブグローといい、パルス電力が供給されない時間領域をアフターグローという。状況によって、アクティブグロー領域をプラズマ発生部の電力供給装置の電源オン状態といい、アフターグロー期間をプラズマ発生部の電力供給装置の電源オフ状態といってもよい。

【0077】

以下、図２を参照して、アクティブグロー状態にてプラズマ発生部１１０で生成されたプラズマの特性と、アフターグロー状態にてプラズマ発生部１１０で生成されたプラズマの特性とについて具体的に説明する。

【0078】

第一に、アクティブグロー状態における、時間（μｓ）に対する単一のプラズマ発生部１１０の電子の温度（electron temperature, eV）、電子の密度（electron density, cm^-3）、高振動励起分子の密度（highly vibrational excited molecule density, cm^-3）及び負イオンの密度（cm^-3）の変化について具体的に説明する。

【0079】

同図において、電子の温度は、アクティブグロー状態で、初期には急激に増加するが定常状態の一定の温度に維持されることを示し、電子の密度は、パルス電力の供給により増加するが定常状態の一定の密度になることを示す。

【0080】

アクティブグロー領域での高振動励起分子の密度は、電子の温度及び密度の変化との高い相関性を有し、前記領域の初期には増加するが定常状態の一定の密度になる傾向を有する。これは、高エネルギー電子により生成される高振動励起分子の生成反応率が、電子の温度が高いほど、また電子の密度が高いほど、高くなるからである。

【0081】

一方、アクティブグロー領域では、負イオン消滅反応に関与する高エネルギー電子が多いので、高振動励起分子の密度は高いが、負イオンの密度は後述するアフターグロー領域での負イオンの密度より低いことが分かる。よって、パルス電力が供給されるアクティブグロー状態では、負イオン供給部１２０に供給できる負イオンが多くないという問題がある。

【0082】

第二に、アフターグロー状態における、時間に対するプラズマ発生部１１０の電子の温度、電子の密度、高振動励起分子の密度及び負イオンの密度の変化について説明する。

【0083】

同図においては、電子の温度は、アフターグロー領域に移行すると急激に減少した。これは、電子に外部の電力エネルギーが供給されなくなった状態で、粒子同士が衝突してエネルギー損失が起こったり、又は壁により電子が消滅したからである。

【0084】

電子の密度は、経時的な電子の温度のグラフに比べて緩やかに減少する傾向を有する。電子の温度のグラフと電子の密度のグラフとを比較すると、アフターグローの初期には、低エネルギー電子より高エネルギー電子の方が主に消滅することが分かる。

【0085】

高振動励起分子の密度は、高エネルギー電子の消滅による生成率の減少や衝突又は反応による損失などの理由で減少し、その減少率は電子の温度の減少率より緩やかである。

【0086】

その結果、アフターグロー領域の開始から所定の期間では、体積生成メカニズムによる負イオン生成反応に必要な低エネルギー電子及び高振動励起分子の密度は反応に必要な程度に維持されるのに対して、負イオン消滅反応に寄与する高エネルギー電子の密度は大幅に低くなる。つまり、負イオンの密度は、アクティブグロー条件での負イオンの密度より高い密度値を有するが、負イオン生成反応による低エネルギー電子及び高振動励起分子の消耗などの理由で次第に減少する。

【0087】

よって、アフターグローで高い密度の負イオンが生成されるので、複数のプラズマ発生部１１０により、アクティブグロー状態で減少する負イオンの供給量をアフターグローで生成された負イオンで補償することができる。

【0088】

すなわち、負イオン供給部１２０に複数のプラズマ発生部１１０を連結し、一方のプラズマ発生部１１０がアクティブグロー状態であるため負イオンの供給量が少ない場合、他方のプラズマ発生部１１０をアフターグロー状態にして負イオンの供給量を補償することにより、複数のプラズマ発生部１１０から負イオン供給部１２０に供給される負イオンの総量を一定に維持することができる。これについての具体的な構成及び制御に関しては後述する。

【0089】

一方、プラズマ発生部１１０は、誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma, ICP）装置、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance, ECR）プラズマ装置、マイクロ波プラズマ装置、フィラメント放電プラズマ装置、ラジオ周波数プラズマ装置、ヘリコンプラズマ装置、容量結合プラズマ（Capacitively Coupled Plasma, CCP）装置などのいずれかを含み、それらの様々な組み合わせで構成することもできる。

【0090】

同図においては、一実施形態として、プラズマ発生部１１０が、誘導結合プラズマ装置であるプラズマ発生部１１０ａ、及び電子サイクロトロン共鳴プラズマ装置であるプラズマ発生部１１０ｂの２つのプラズマ発生部で構成され、それぞれが負イオン供給部１２０に連結されていることを示す。

【0091】

誘導結合プラズマ装置である第１プラズマ発生部１１０ａは、プラズマ生成空間１１１ａ、電気的負性ガスにパルス電力を供給するアンテナ１１４ａ、アンテナ１１４ａに電力を供給する連続波電源供給装置１１３ａ、及びインピーダンス整合器１１２ａを含む。

【0092】

電子サイクロトロン共鳴プラズマ装置である第２プラズマ発生部１１０ｂは、プラズマ生成空間１１１ｂ、電子サイクロトロン共鳴領域（Electron Cyclotron Resonance Zone, ECR zone）を形成するための磁場発生用磁石１１２ｂ、電磁波発生器用電源供給装置１１３ｂ、及び電磁波発生部１１４ｂを含む。

【0093】

磁場発生用磁石１１２ｂは、電磁石１１２ｂ１及び電磁石用電源供給装置１１２ｂ２を含んでもよく、電磁波発生部１１４ｂは、電磁波を発生する電磁波発生器１１４ｂ１、インピーダンス整合のためのスタブチューナ１１４ｂ２、及び電磁波送信のための導波管１１４ｂ３を含んでもよい。

【0094】

ただし、プラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂは、上記一実施形態に限定されるものではなく、前述したように様々な組み合わせで構成することもできる。

【0095】

負イオン供給部１２０は、プラズマ発生部１１０にそれぞれ連結され、プラズマ発生部１１０で生成された負イオンを受けて収容したり、プラズマ発生部１１０から受けた負イオン前駆体と低エネルギー電子が反応して負イオンが生成される空間を設けるように構成される。

【0096】

プラズマ発生部１１０で生成されたプラズマが負イオン供給部１２０に供給される具体的な方法としては、拡散又はグリッドに電圧を印加して形成される電場を用いる方法などが考えられる。これについては後に詳述する。

【0097】

負イオン供給部１２０は、アフターグロー状態の一方のプラズマ発生部１１０で多量に生成された負イオン、アクティブグロー状態の他方のプラズマ発生部１１０で生成された負イオン前駆体及び電子が供給され、負イオンの密度が高く維持される。

【0098】

また、複数のプラズマ発生部１１０がパルス位相差に基づいて交互に運転されることにより、負イオン供給部１２０は経時的に一定の密度の負イオンを確保することができる。それについては後に詳述する。

【0099】

制御部１３０は、プラズマ発生部１１０にそれぞれ連結され、プラズマ発生部１１０に供給されるパルス電力の特性を制御するように構成される。ここで、パルス電力の特性とは、１つのプラズマ発生部１１０に関連するパルス電力のパルス繰り返し周波数、パルス幅、デューティサイクル（duty cycle）などであって、電源供給装置が発生するパルス電力を特定できる特性値を意味する。

【0100】

制御部１３０は、プラズマ発生部１１０のいずれか一方がアクティブグロー状態の場合、他方はアフターグロー状態になるように、プラズマ発生部１１０に供給されるパルス電力の位相差を制御するように構成される。

【0101】

制御部１３０は、負イオン供給部１２０の負イオンの密度を経時的に一定に維持させて負イオンを連続的に供給させるように、前述したパルス電力の位相差を装置及び運転条件に応じて最適値に調整するように構成されてもよい。

【0102】

制御部１３０は、複数のパルス電源制御部１３１ａ、１３１ｂ及びシステム制御部１３２を含む。

【0103】

同図において、パルス電源制御部１３１ａ、１３１ｂは、プラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂにそれぞれ連結され、それぞれのプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂに供給されるパルス電力の特性を調整するように構成される。

【0104】

なお、同図においては２つのパルス電源制御部１３１ａ、１３１ｂを示すが、パルス電源制御部１３１ａ、１３１ｂは、常に２つで構成されるわけではなく、プラズマ発生部１１０の設置数だけ設けられてもよく、１つだけ設けられて複数のプラズマ発生部１１０を制御するように構成されてもよいことは言うまでもない。

【0105】

パルス電源制御部１３１ａ、１３１ｂは、それぞれのプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂの電源供給装置１１３ａ、１１３ｂに連結され、パルス電力の特性を制御してプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂをアクティブグロー状態又はアフターグロー状態に移行させるように構成される。

【0106】

システム制御部１３２は、負イオン供給部１２０内の負イオンの密度を一定に維持するように構成されてもよい。このために、システム制御部１３２は、パルス電源制御部１３１ａ、１３１ｂに連結され、パルス電源制御部１３１ａ、１３１ｂのパルス電力間のパルス位相差を制御するように構成される。

【0107】

システム制御部１３２は、一方のプラズマ発生部１１０のアクティブグロー状態が終了してから、他方のプラズマ発生部１１０のアクティブグロー状態が開始する時点を遅延させるように、パルス電源制御部１３１ａ、１３１ｂ間のパルス電力の位相差を制御することができる。

【0108】

図１において、誘導結合プラズマ装置であるプラズマ発生部１１０ａは、第１プラズマ発生部１１０ａといい、電子サイクロトロン共鳴プラズマ装置であるプラズマ発生部１１０ｂは、第２プラズマ発生部１１０ｂという。ただし、本発明は、上記特定された装置に限定されるものではなく、様々なプラズマ装置を用いることができる。

【0109】

図３においては、第１プラズマ発生部１１０ａと第２プラズマ発生部１１０ｂとに所定の位相差をおいてパルス電力が供給されることにより、第１プラズマ発生部１１０ａのアクティブグローが終了してから所定時間経過後、第２プラズマ発生部１１０ｂのアクティブグローが開始されることを示す。

【0110】

具体的には、アクティブグロー状態の第１プラズマ発生部１１０ａで高エネルギー電子により負イオンが消滅して負イオン供給部１２０に供給される負イオンが減少すると、アフターグロー状態の第２プラズマ発生部１１０ｂで生成される負イオンが負イオン供給部１２０に供給されるようにする。

【0111】

また、パルス電力の位相差により第１プラズマ発生部１１０ａと第２プラズマ発生部１１０ｂが交互にプラズマ生成反応を起こし、一方のプラズマ発生部１１０で減少した負イオンを他方のプラズマ発生部１１０で生成された負イオンで補償するようにする。よって、負イオン供給部１２０の負イオンの密度が経時的に一定に維持される。

【0112】

上記構造によれば、従来の体積生成メカニズムを用いた負イオン源の限界として指摘されていた、負イオンの連続供給が不可能であるという問題を解決することができる。具体的には、複数のプラズマ発生部１１０に供給されるパルス電力の位相差を制御することにより、経時的に負イオン供給部１２０の負イオンの密度値を一定に維持することができる。よって、本発明は、常時負イオンの活用を必要とする装置に提供することができる。

【0113】

ただし、本発明は、これに限定されるものではなく、パルス電力の位相差により、一方のプラズマ発生部１１０のアクティブグロー状態が終了する時点に次いで、他方のプラズマ発生部１１０がアクティブグロー状態に移行し、本発明のシステム全体の観点から見るとアクティブグロー状態が連続するようにしてもよい。

【0114】

多重パルスプラズマ負イオン連続供給システム１００は、ガス供給部１４０ａ、１４０ｂ、磁気フィルタ１５０、ビーム引出部１６０及び真空ポンプシステム１８０を含んでもよい。

【0115】

ガス供給部１４０ａ、１４０ｂは、プラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂにそれぞれ連結され、プラズマの発生や工程の制御のための背景ガス、電気的負性ガス、又は背景ガスと電気的負性ガスが混合された供給ガスをプラズマ発生部１１０に供給する。

【0116】

背景ガスは、プラズマ発生特性又は工程に関する反応又は副反応を制御するものであり、アルゴン又は水素が含まれる。

【0117】

電気的負性ガスは、目的とする負イオンを生成できる気体であり、水素、フッ素又は塩素が含まれる。

【0118】

ガス供給部１４０ａ、１４０ｂは、プラズマ発生部１１０に供給されるガスの供給量を経時的に制御できるように、ガス供給制御装置１４１ａ、１４１ｂを含んでもよい。上記構成によれば、ガスの供給量を一定に又は経時的に変化するように制御することにより、プラズマ及び工程特性を調整することができる。

【0119】

ガス供給部１４０ａ、１４０ｂがそれぞれのプラズマ発生部１１０に連結される部分の形状は、単一孔形状や多重環のシャワーヘッド状など、ユーザの必要に応じて様々な形状にすることができる。

【0120】

ガス供給部１４０ａ、１４０ｂには、目的に応じて供給する液体、固体物質を気体状態にして供給する気化装置や、背景ガス、原料ガスと電気的負性ガスを混合するための別途の混合装置が含まれてもよい。

【0121】

ガス供給部１４０ａ、１４０ｂには、プラズマ発生部１１０に供給されるガスの断続や逆流防止のための断続バルブ１４２ａ、１４２ｂと、フィルタ及び特定のガスの液化防止のための温度調整装置（図示せず）とがさらに含まれてもよい。

【0122】

同図においては、ガス供給部１４０ａ、１４０ｂが背景ガスと電気的負性ガスをそれぞれ供給するように構成されていることを示す。ただし、本発明は、これに限定されるものではなく、背景ガスと電気的負性ガスとが混合されて単一のガス供給部（図示せず）により供給されるようにしてもよい。

【0123】

磁気フィルタ１５０は、プラズマ発生部１１０と負イオン供給部１２０との間に設けられ、磁場を形成するように構成される。

【0124】

磁気フィルタ１５０には、プラズマ発生部１１０と負イオン供給部１２０が連結される連結部１５１ａ、１５１ｂが設けられる。磁気フィルタ１５０をプラズマ発生部１１０又は負イオン供給部１２０の周辺に設けることができることは言うまでもない。

【0125】

磁気フィルタ１５０は、磁場を形成し、アクティブグロー状態のプラズマ発生部１１０で生成された高エネルギー電子が負イオン供給部１２０に移動することを制限するように構成される。

【0126】

磁気フィルタ１５０は、電磁石磁気フィルタ１５０ａ又は永久磁石磁気フィルタ１５０ｂで構成されてもよく、他の様々な組み合わせで構成されてもよいことは言うまでもない。

【0127】

電磁石磁気フィルタ１５０ａは、電磁石用電源供給装置１５０ａ１及び電磁石１５０ａ２を含んでもよい。

【0128】

電磁石磁気フィルタ１５０ａは、システム制御部１３２によりパルス電力の位相差に連動（又は同期）して、プラズマ発生部１１０の動作状態によって磁場の大きさを調整することができる。具体的には、磁気フィルタ１５０は、プラズマ発生部１１０がアクティブグロー状態で磁場を形成して高エネルギー電子が負イオン供給部に移動することを制限する。もちろん、電磁石磁気フィルタ１５０ａは、経時的に変化することなく一定の磁場を形成するか、特定の時間に遅延して動作するようにしてもよいことは言うまでもない。

【0129】

同図に示すように、上記構成によれば、高エネルギー電子の移動を防いでアクティブグロー状態である第１プラズマ発生部１１０ａで生成された低エネルギー電子及び負イオン前駆体が負イオン供給部１２０に供給されて負イオンを形成する反応を起こし、それと同時にアフターグロー状態である第２プラズマ発生部１１０ｂから負イオンが負イオン供給部１２０に供給される場合、高エネルギー電子による負イオン消滅反応を防ぐことができるという利点がある。

【0130】

よって、負イオン供給部１２０内の負イオンの密度を高く維持し、負イオン供給の連続性を向上させることができる。

【0131】

永久磁石磁気フィルタ１５０ｂは、設置が簡単であり、電磁石磁気フィルタ１５０ａより経済的に高エネルギー電子の移動を制限できるという利点がある。

【0132】

上記構成によれば、負イオン供給部１２０で高エネルギー電子が負イオンと反応して負イオンが消滅するメカニズムが抑制され、全体として多重パルスプラズマ負イオン連続供給システム１００における負イオン供給効率が低下することを防止することができる。

【0133】

一方、磁気フィルタ１５０を設ける代わりに、プラズマ発生部１１０もしくは負イオン供給部１２０の体積や形状を調整するか、又はプラズマ発生部１１０と負イオン供給部１２０との間の連結部１５１ａ、１５１ｂの大きさや形状を調整することにより、高エネルギー電子の消滅を誘導し、他の粒子を負イオン供給部１２０に拡散又は輸送させることができる。

【0134】

あるいは、プラズマ発生部１１０と負イオン供給部１２０との間には、プラズマ発生部１１０で生成された荷電粒子の負イオン供給部１２０への輸送特性を調整するように、電場を印加できる電極又はグリッドを含むプラズマ粒子フィルタ（図示せず）が設けられてもよい。例えば、前記プラズマ粒子フィルタ（図示せず）により、輸送する荷電粒子の電気的特性を考慮した供給量で選択的に輸送することができる。

【0135】

上記構成によれば、磁気フィルタ１５０に類似した効果を奏することができる。また、上記構成を磁気フィルタ１５０と共に用いてもよいことは言うまでもない。

【0136】

ビーム引出部１６０は、負イオン供給部１２０に連結され、負イオンを引き出したり、負イオンビームを用いるように構成される。

【0137】

ビーム引出部１６０の変形例として、ビーム引出部１６０に平板又はグリッド１６２を設けて電圧を印加し、正イオン又は負イオンを用いるか又は引き出すことのできるイオン−イオンプラズマを構成することができる。ビーム引出部１６０が貫通孔を備えた平板又はグリッド１６２から構成された場合、ビーム引出部１６０は、イオンビームを用いることのできる反応チャンバ１７０をさらに含んでもよい。

【0138】

ビーム引出部１６０は、電圧差を形成するために、電源供給装置１６１と、電源供給装置１６１に連結されて電圧の特性を制御するビーム引出部制御部１３３とを含んでもよい。

【0139】

電源供給装置１６１は、ユーザの利便性に応じて、ＡＣ又はＲＦの使用有無、電圧の大きさ、ＤＣ電源の極性、連結位置などを変えることができる。

【0140】

ビーム引出部制御部１３３は、システム制御部１３２に連結され、電圧の時変制御命令を受けるように構成される。よって、ビーム引出部制御部１３３は、ビーム引出部１６０から引き出される負イオン又は負イオンビームの特性（例えば、電流、連続性など）を制御することができる。

【0141】

真空ポンプシステム１８０は、反応チャンバ１７０に連結され、ガス供給部１４０ａ、１４０ｂと共にガス圧力を時変制御するように構成されてもよい。システムの数や連結位置などを調整して様々に構成できることは言うまでもない。

【0142】

上記構成によれば、本発明は、体積生成メカニズムを用いたシステムを提供することにより、表面生成メカニズム負イオン源に比べてプラズマ発生部１１０などのメンテナンスが最小限に抑えられる。

【0143】

他の実施形態として、多重パルスプラズマ負イオン連続供給システム（図示せず）は、高振動励起分子を多量に生成するために、プラズマ発生部１１０などの特定の表面温度の特定の物質を用いてその効率性を向上させることができ、仕事関数の低い物質を塗布するように構成されてもよい。

【0144】

上記構成によれば、表面生成メカニズムのみを用いた従来のプラズマ負イオン源より効率が高くなると共に、メンテナンスがさらに容易になる。

【0145】

次に、多重パルスプラズマを用いた負イオン連続供給方法について詳細に説明する。

【0146】

図４は本発明の一実施形態による多重パルスプラズマを用いた負イオン連続供給方法を示すフローチャートである。

【0147】

図５は図４に示すフローチャートにおける負イオンの生成及び供給ステップ（Ｓ１０）の詳細フローチャートである。図６は図４に示すフローチャートにおける負イオンの連続供給ステップ（Ｓ２０）の詳細フローチャートである。図７は図４に示すフローチャートにおける最後のステップである負イオンの引き出しステップ（Ｓ３０）の詳細フローチャートである。

【0148】

図８は図４に示すフローチャートを図式化した概念図である。具体的には、図８の（ａ）は一方のプラズマ発生部１１０ａがアクティブグローであり、他方のプラズマ発生部１１０ｂがアフターグローである状態でのプラズマの形成及び粒子の移動を示し、図８の（ｂ）は一方のプラズマ発生部１１０ａがアフターグローであり、他方のプラズマ発生部１１０ｂがアクティブグローである状態を示す。

【0149】

図４と図８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、多重パルスプラズマを用いた負イオン連続供給方法は、複数のプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂのそれぞれにおいて、アクティブグロー状態で生成されたプラズマの負イオン、負イオン前駆体もしくは電子を負イオン供給部１２０に供給するか、又はアフターグロー状態で負イオンを生成して負イオン供給部１２０に供給する負イオンの生成及び供給ステップ（Ｓ１０）と、それぞれのプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂに供給されるパルス電力の位相差を制御して、プラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂを交互に動作させ、負イオン供給部１２０に負イオンを連続的に供給する負イオンの連続供給ステップ（Ｓ２０）と、負イオン供給部１２０から負イオンを引き出す負イオンの引き出しステップ（Ｓ３０）とからなる。

【0150】

なお、前記交互という表現は、パルス電力の位相差が１８０°であり、一方のプラズマ発生部１１０ａがアフターグローに移行するとすぐに、他方のプラズマ発生部１１０ｂがアクティブグロー状態に移行することを意味するのではなく、パルス電力の位相差によってプラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂ間のオン／オフの時間差をも含む。

【0151】

以下、各ステップについて具体的に説明する。

【0152】

図５及び図８に示すように、負イオンの生成及び供給ステップ（Ｓ１０）は、プラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂにパルス電力が供給されるか否か（Ｓ１１）によって２つのステップ（Ｓ１２、Ｓ１６）に分岐する。

【0153】

プラズマ発生部１１０にパルス電力が供給されるアクティブグロー状態の場合、負イオンの生成及び供給ステップ（Ｓ１０）は、プラズマを生成するが、主に多量の正イオン、負イオン前駆体及び電子を生成し、少量の負イオンを形成するステップ（Ｓ１２）と、負イオン供給部１２０に移動した負イオン前駆体と低エネルギー電子が反応して負イオンを形成するステップ（Ｓ１５）とから構成される。

【0154】

ここで、プラズマ発生部１１０ａ、１１０ｂと負イオン供給部１２０との間に磁気フィルタ１５０が備えられ、磁気フィルタ１５０がシステム制御部１３２により動作する場合、電子が負イオン供給部１２０に供給されるステップ（Ｓ１５）の前のステップとして、高エネルギー電子が負イオン供給部１２０に移動することを制限するように、磁気フィルタの動作を設定するステップ（Ｓ１３）と、磁気フィルタ１５０が磁場を形成するステップ（Ｓ１４）とを含んでもよい。

【0155】

プラズマ発生部１１０への電力供給が中断されてアフターグロー状態である場合、負イオンの生成及び供給ステップ（Ｓ１０）は、プラズマ発生部１１０で多量の高エネルギー電子が消滅し、負イオン前駆体と低エネルギー電子が反応して負イオンが生成されるステップ（Ｓ１６）と、生成された負イオンが負イオン供給部１２０に供給されるステップ（Ｓ１７）とから構成される。

【0156】

図６及び図８に示すように、負イオンの連続供給ステップ（Ｓ２０）は、システム制御部１３２が各プラズマ発生部１１０に供給されるパルス電力の位相差を制御するステップ（Ｓ２１）と、前記パルス位相差によって、パルス電力が供給されるプラズマ発生部１１０では正イオン、負イオン前駆体及び電子が生成され（Ｓ１０’１）、パルス電力が供給されない他のプラズマ発生部１１０では負イオンが生成され（Ｓ１０’２〜Ｓ１０’ｎ）、プラズマ発生部１１０が交互に動作してアフターグローで生成された負イオンを負イオン供給部１２０に供給するステップ（Ｓ２２）と、を含む。

【0157】

図６に示すように、負イオンが生成されるステップ（Ｓ２２）においては、複数のプラズマ発生部１１０に供給される電力の位相（Φ１、Φ２、・・・Φｎ）により、それぞれのプラズマ発生部１１０のアフターグローでの負イオンの生成時間が異なってもよく、同じであってもよい。ここで、電力の位相であるΦ１、Φ２、・・・Φｎは、互いに異なってもよく、一部の位相が同じであってもよいが、全ての位相が同じであってはならない。

【0158】

以上、一方のプラズマ発生部１１０がアクティブグロー状態の場合、他方のプラズマ発生部が１１０がアフターグロー状態で負イオンを生成することを示したが、本発明は、これに限定されるものではなく、複数で構成されたプラズマ発生部群がアクティブグロー状態の場合、複数で構成された他のプラズマ発生部群がアフターグロー状態になるように、パルス電力の位相差を制御できることは言うまでもない。

【0159】

なお、前記ｎは自然数であり、多重パルスプラズマを用いた負イオン連続供給システムに設けられたプラズマ発生部１１０の総数を意味する。

【0160】

図７及び図８に示すように、負イオンの引き出しステップ（Ｓ３０）は、負イオン供給部１２０に連結されたビーム引出部１６０の極性を設定するステップ（Ｓ３１）と、ビーム引出部１６０の電極が正極の場合、負イオンが引き出され（Ｓ３２ａ）、ビーム引出部１６０の電極が負極の場合、正イオンが引き出される（Ｓ３２ｂ）ステップ（Ｓ３２）とを含む。

【0161】

上記構成によれば、負イオンの引き出しステップ（Ｓ３０）において、負イオンが供給されると共に、必要に応じて、負イオン供給部に存在する正イオンもユーザの選択によって供給されるようにしてもよい。よって、本明細書においては、イオンを引き出すステップを負イオンの引き出しステップ（Ｓ３０）というが、当該ステップにおける機能は名称に限定されるものではない。

【0162】

以上説明したのは、本発明による多重パルスプラズマを用いた負イオン連続供給システム又は多重パルスプラズマを用いた負イオン連続供給方法を実施するための実施形態にすぎず、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲において請求するように、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更実施が可能であり、それらも本発明の技術的思想に含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0163】

本発明は、負イオンの安定供給を必要とする核融合技術装置、半導体生産装置、宇宙推進機開発の産業分野などで様々に実施及び応用することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】