ヘリコン波による高密度プラズマ生成のための高効率アンテナの開発

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本研究は、従来のプロセス用プラズマに替わる次世代のプラズマ源として着目されている、ヘリコン波による高密度プラズマ生成のための高効率アンテナの開発を目的として行なわれた。実験では、直線型実験装置(HPX)を用いて定常磁場(<1.5kG)のもとでアルゴンガス(数mTorr)を封入した真空容器の一端に設置したアンテナに高周波(周波数=13.56MHz,電力<5kW)を印加しヘリコン波プラズマ(密度<4x10^<13>cm^<-3>,電子温度〜3eV)を生成した。ヘリコン波励起用アンテナには、異なる方位角モード(m=+1、-1、0)を持つヘリコン波プラズマを生成するために、ヘリカルアンテナ(m=+1、-1)、ワンターンループアンテナ(m=0)、及び、ヘリコン波の軸方向の波長の制御が可能な2つのループアンテナ(位相制御m=0)を用いた。これら種々の形状のアンテナを設計・製作して異なる方位角モードを持つヘリコン波プラズマを生成し、その特性を明らかにした。特に印加電力に対する急激なプラズマの密度ジャンプの前(低密度モード)と後(高密度モード)における振動電磁場成分の(r,z)分布より、低密度モードではヘリコン波は励起されておらずアンテナによるインダクション電場、で高密度モードではヘリコン波の強い波動電場でそれぞれプラズマが生成されていることが明らかになった。この密度ジャンプが起こる電力のしきい値は方位角モードによって異なるが、印加電力=4.5kWでは方位角モードにかかわらずプラズマ密度〜3x10^<13>cm^<-3>が得られた。また、m=+1,0では高密度モードの電子エネルギー分布関数に高速成分が観測され、アルゴンイオンの発光分布はこの高速電子成分の分布と良く一致することがわかった。