ECRプラズマの一様性・制御における電磁波のモード変換・吸収の役割

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電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマは、低ガス圧力で高い電子密度を容易に得ることが出来る為、半導体加工のプラズマ源やビーム源として現在不可欠である。そのようなプラズマ源としてのプラズマには高密度、一様性、また大口径化が容易であることの3点が主に望まれる。ECRプラズマは電磁波動とプラズマの相互作用が明らかでない為に試行錯誤的に一様性を確保する必要があるが、これでは大口径化が困難である。こうしてECRプラズマにおける電磁波動の振る舞いを明らかにすることが切望されている。本研究では、プラズマ端でパワー吸収を行うことが出来る異常波(X波)とそのプラズマ周辺の真空境界での振る舞いについて着目し、これを利用しECRプラズマの制御性を高めることを目的としている。実験は磁気ミラー型プラズマ発生装置を用いて、電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成した。マイクロ波の周波数は2.45GHz,最大出力5kWである。得られた主な成果は以下の通りである。(1)円筒導波管の基本モードであるTE_<11> のマイクロ波を用いて、直径200mmに亘って均一なECRプラズマ(均一性が±5%)の生成に成功した。(2)プラズマ中の電磁波測定を行った結果、(i)プラズマ密度が10^<11>cm^<-3>より低い時はR波とし波が共鳴領域まで伝播し、共鳴領域より下流ではL波のみが伝播していること、(ii)プラズマ密度が10^<11>cm^<-3>より高い時はR波のみが共鳴領域までに伝播し、共鳴領域より下流であh電磁波が存在していないことを明らかにした。(3)磁場に直角方向の電磁波測定を行い、得られた波形の分散関係から異常波(X波)が伝播していることを初めて見出した。(4)また、(i)共鳴領域より下流ではX波の波長が周辺部に行くに従って短くなること、(ii)電磁波の電場強度が周辺部で強いことから、一様分布の時に得られるイオン飽和電流の周辺部におけるピークはX波の高域混成波共鳴によるものであると結論される。(5)二次元モータ駆動装置を用いて、中心領域のみならず周辺領域においても詳細な電磁波測定を行った結果、中心領域でR波のみが伝播している条件下でも周辺領域で短波長のR波の他に長波長の電磁波が伝播していること、すなわちRCRプラズマ周辺領域でモード変換が起きていることがわかった。以上の結果は、半導体プロセス用大口径プラズマ源の開発に大きく貢献できるものと期待される。