JPH01307145A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、イオン源に関し、特に半導体あるいは金属
などの表面改質またはビーム加工に利用するイオンビー
ム発生用のイオン源に関するものである。

〔従来の技術〕

第６図は従来のイオン源を示す断面構成図である。図に
おいて、＋１１はディスク状の自己加熱形の熱陰極で、
比較的低温で熱電子放出能の高い材料、例えばり、Ｂ６
（六ホウ化ランタン）で形成されている。（２）は自己
加熱形の熱陰極＜１１を保持する、高融点金属材料（例
えばタングステン、タンタル。

モリブデン等）でできた陰極構造体、（３）は耐熱性の
金属材料（例えばステンレススチール等）による陰極構
造体の取り付は部、（４）は陰極構造体の取り付は部（
３）に接続する取り付は部で、冷却部を備えた陰極フラ
ンジ、（５）は強磁性材料で作られ、後述する発生した
プラズマαηを電界と強磁界でピンチさせる中間電極、
（６）は非磁性材料よりなるもので、中間電極（５）の
冷却部、（７）は中間電極（５）をプラズマから保護す
るため高融点金属材料で作られたライナー、（８）は陰
極（１）間との印加電圧で放電を発生させる陽極、（９
）は強（ｎ場を発生させるマグネットコイル、（１０１
はイオン源にガスを導入するためのガス導入口、０υは
イオン源の放電用電源、＠は放電用電源ＯＤにより負電
圧が印加される陰極電位部であり・熱陰極（１）、陰極
構造体（２）、陰極構造体取り付は部（３）、フランジ
（４）および導入口αΦより構成されている。α濁は中
間電極（５）に電位を与えるためのフローティング抵抗
、Ｑ４１はフローティング抵抗０３１により電位を与え
られる中間電極電位部であり、中間電極（５）、中間電
極の冷却部（６）およびライナー（７）より構成されて
いる。０９は陰極電位部０乃と中間電極電位部側を絶縁
するための絶縁物、ａｅは陽極（８）と中間電極電位部
００を絶縁するための絶縁物、０１は低気圧アーク放電
によって生成された放電プラズマ、ＯＩは放電プラズマ
Ｑ７１からイオンを引き出すイオン引き出し電極、ａ情
は引き出されたイオンビームである。

次に動作について説明する。中間電極（５）内の圧力が
例えば０．５　Ｔｏｒｒ程度になるように例えばアルゴ
ンガスをガス４人口（ｔｉｌｌから導入する。この状態
で陰極電位部０りを負、陽極（８）を正として５００　
Ｖ前後の電圧を放電用電源０υにより印加すると、中間
型ｐｉＡ（５１にもフローティング抵抗０１を通じて正
の電圧が印加される。この時、熱陰極（１）および陰極
構造体（２）と中間電極（５）の間のうちパッシェンの
法則の最小火花電圧を与える真空度と電極間距離の積の
値（Ｐｄ）Ｃの条件を？＋’ｊｊたす付近の部位で絶縁
破壊を起こす。（バフジエンの法則についての詳細は真
空技術常用諸表（日刊工業新聞社、　１９６５）第１１
０頁に掲載されている。）パッシェンの法則の最小火花
電圧を与える真空度と電橋間距離の積の値（ｐｄ）　ｃ
　はガスの種類、陰極材料、および陰極表面状態などに
よって異なるが、おおよそ、０．５〜１．５Ｔｏｒｒ−
ｃ＋ｎ程度である。この場合、中間電極（５）内の圧力
が０．５　Ｔｏｒｒであるので、電極間距離は１〜３Ｃ
１ｉ１のところがこの条件に相当する。中間電極（５）
のノズル開口部と陰極構造体（２）の距離を’ｌ　ｃｍ
程度にしておけば、陰極構造体（２）と中間電極（５）
の間の中心軸付近で絶縁破壊が起こり、グロー放電が発
生する。このとき、中間電極（５）は抵抗ａ３によりフ
ローティングされているので、放電電流により抵抗αで
の両端に電圧が発生し、中間電極（５）の電位は陰極の
電位に近づく。このため、中間電極（５）と陽極（８）
の間に電圧が発生し、陰極（１）と中間電極（５）間の
放電が陰極（１＋と陽極（８）間の放電に進展する。陰
極（１）と陽極（８）間のグロー放電により自己加熱形
の熱陰極ｆｉｌは加熱されて高温になり、熱電子放出を
始め、アーク放電へと移行して放電プラズマ面を発生す
る。この放電プラズマａ１は中間電極（５）によりピン
チされて細く絞られているが、マグネットコイル（９）
で中間電極〈５）と陽極（８）間に強磁場を発生させる
ことにより、さらにピンチしてプラズマ密度を高めるこ
とができる。次に、陽極（８）に対し、イオン引き出し
電極ａ鴎が負電位になるよう数十ＫＶ程度の高電圧を印
加すると、陽極（８）の開口を通過した放電プラズマａ
ηから高密度のイオンビームＱｌが引き出される。この
イオンビームα傷は例えば金属の表面改質などに用いら
れる。

〔発明が解決使用とする課題〕

従来のイオン源は以上のように構成されているので、放
電破壊した直後に中間電極（５）と陽極（８）間に発生
した電圧により、中間電極（５）の先端と陽極（８）間
あるいは中間電極の冷却部（５１と陽極（８）で絶縁破
壊を起こしやすく、中間電極（５）の表面に陰極点を形
成して金属蒸気を発生するなど放電を不安定にして、熱
陰極ｆｉ＋をスムーズに加熱できないという問題点があ
った。さらに金属蒸気の発生あるいは電極からのガス放
出によりイオン源内の真空度が変化し一条件の異なる場
所で放電が発生する。

とりわけ、陰極取り付は部（３）と中間電極（５）間で
放電が発生した場合、上述した中間電極（５）と陽極（
８）間の放電も発生しやすく、二重の安定な７−り放電
に進展するなどの問題点があったゆ この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、イオン源内で発生する異常な放電を抑制し、
熱陰極の加熱を安定にして、容易にアーク放電に移行さ
せると共に金属蒸気発生によるイオン源内の汚染を抑え
ることができるイオン源を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るイオン源は、中間電極のノズル先端部を
高融点金属材料で被うと共に、上記ノズル先端部を除く
中間電極と、この中間電極に対向する陽極との間隔を、
パッシェンの法則における最小火花電圧を与える真空度
と電極間距離の積の値の条件を満足する電極間距離より
も小さくしたものである。

〔作用〕

この発明におけるイオン源は、中間電極のノズル先端を
高融点金属材料にし、中間電極と陽極間ギャップを絶縁
破壊が起こらない程度に十分小さくすることにより、中
間電極と陽極間の異常放電が抑制され、自己加熱形の熱
陰極を安定に加熱し、アーク放電に移行するようしたも
のである。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。（２
Φは中間電極のノズル先端部を被った高融点金属材料（
例えばタングステン、タンタル、モリブデン等）で形成
された中間電極のノズルカバーであり、中間電極（５）
と熱的に密着した状態にある。

通常、中間電極（５）をプラズマから保護するインサー
ト物であるライナー（７）も高融点金属材料でつくられ
るので、ここではライナー（７）と一体となったものを
ノズルカバーＱ＠としている。強磁性材料でできている
中間電極（５）および中間電極の冷却部（６）および陽
極（８）は従来のものと機能は同じであるが、中間電極
（５）と陽極（８）の間隔は、パッシェンの法則におけ
る最小火花電圧を与える真空度と電極間距離の積の値（
Ｐｄ）　ｃの条件を満たす電極間距離ｄよりも十分小さ
い。より具体的にいうとＱ、　５　Ｔｏｒｒ程度のガス
圧力下で動作を開始させる場合には、平行平板電極にお
けるｄの値は１〜３ｃｍであるので、中間電極（５）と
陽極（８）の間隔は３寵以下にする。この時、高融点金
属材料によるノズルカバーＱｌｌＩと陽極（８）との間
隔は３ｆ１以上でよい。

上記のように構成されるイオン源では、イオン源内の圧
力が例えばＱ、　５　Ｔｏｒｒ程度になるように例えば
アルゴンガスをガス導入口αΦから導入し、陰極電位部
（２）を負、陽極（８）を正として５００■前後の電圧
を放電用電源αＢにより印加する。中間電極（５）ｌに
もフローティング抵抗０３を通じて正の電圧が印加され
るので、中間電極（５）と熱陰極＋１１あるいは陰極構
造体（２）の間に火花放電が発生し、グロー放電へと移
行する。この時、熱陰極ｆｌ＋あるいは陰極構造体（２
）の表面に陰極点が発生すると、陰極電位部α乃と中間
電極電位部０４Ｊは短絡状態となり、放電用電源θＢの
ほぼ全電圧が抵抗（＋３の両端に発生し、中間電極電位
部圓と陽極（８）の間に約５ｏｏｖの電圧が印加された
ことになる。従来のイオン源では中間電極電位部Ｑ４１
と陽極（８）間に火花放電が発生して中間電極電位部Ｏ
ａの表面にも陰極点が形成されて放電を不安定にしてい
た。この実施例のイオン源では、中間電極電位部α旬と
陽極（８）の間隔がノズル先端部を被うノズルカバーα
鴨の部分を除いて３龍以下であり、真空度と電極間距離
の積の値はほぼＱ、１５Ｔｏｒｒａａ以下となり、火花
放電を起こすには約１０００　Ｖ以上の電圧が必要とさ
れるので、中間電極電位部０船と陽極（８）の間では火
花放電が発生しない。

中間電極（５）のノズル先端部は磁極であり、陽極（８
）との距離も含めてイオン源の重要なパラメータとなっ
ている。このため、この部分については磁極形状などを
従来のものと変更することなく、ノズル先端部を高融点
金属材料によるノズルカバー（２ａｌで被っているので
、火花放電が発生しても放電は持続しにくい。中間電極
電位部００と陽極（８）の間で異常放電が発生しなけれ
ば、中間電極（５）と陰極電位部Ｑ乃の間の放電は抵抗
０１により電流が制限されるので、熱陰極ｆｉｌあるい
は陰極構造体（２）の表面に発生した陰極点も消失し、
安定なグロー放電状態となる。熱陰極ｆｌ＋および陰極
構造体（２）と陽極（８）間の放電は、放電用電源αＵ
の出力電圧および出力電流により制御され、熱陰極（１
）を安定に加熱し、アーク放電に移行することができる
。さらに、金属上記蒸気の発生によるイオン源内の汚染
を抑えることができる。

なお、上記実施例では、中間電極電位部０４１．１！：
陽極（８）の間隔を３龍以下にした場合について示した
が、この改善により、中間電極（５）と陽極（８）間を
絶縁するために設けられた絶縁物（１１９の露出部の長
さが短かくなり、絶縁長さが短かくなる。絶縁長さが短
かくなると金属蒸気等が付着したりして、絶縁表面が劣
化する。そこで、他の実施例として第２図に示すように
中間電極電位部００と陽極（８）の間隔は保ったまま、
電極表面に凹凸部を設けてもよい。また、第３図に示す
ように絶縁物形状を変えた構造であってもよい。上記ど
ちらの場合にも、金属蒸気が絶縁物０１ｌＯに付着しに
＜＜、絶縁表面の劣化を防止できる。

次に第４図に示すこの発明の他の実施例について説明す
る。第４図の実施例において、中間電極電位部Ｏａと陽
極（８）の構造は第１図に示した実施例と同様である。

第１図と異なる点は陰極構造体取り付は部（３）を高融
点金属材料で形成し、絶縁物α５）を耐熱性絶縁物（た
とえばアルミナ等のセラミックス等）で形成し、陰極構
造体取り付は部（３）及びフランジ（４）と中間電極（
５）とをほぼ完全にシールドできる構造とした点である
。

第１図で説明した熱陰極（１）あるいは陰極構造体（２
）と中間電極（５）の間の火花放電は、陰極電位部側の
表面状態あるいは各電極からの放出ガス等によって、陰
極構造体の取り付は部（３）あるいはフランジ（４）と
中間電極（５）の間で発生し、陰極構造体取り付は部（
３）あるいはフランジ（４）と中間電極（５）の間で発
生し、陰極構造体取り付は部（３）あるいはフランジ（
４）の中間電極（５）と対向した面に陰極点を形成する
。従来のイオン源では陰極構造体取り付は部（３）およ
びフランジ（４）はたとえばステンレススチール等で構
成されているので陰極点が形成された場合、人世の金属
蒸気およびガスを放出し、イオン源内の圧力が上昇する
。このため、中間型ｐｉＡ電位部ａ４＋と陽ｐｉ　ｆ８
１の間隔を前述したように３Ｒ以下にした状態であって
も、中間電極電位部００と陽極（８）の間に火花放電が
発生し、ともに進展して二重のアーク放電となる。第４
図に示すイオン源では陰極構造体取り付は部（３）を高
融点金属材料とし、陰極構造体取り付は部（３）および
フランジ（４）と中間電極（５）との対向する部分のす
べてを耐熱性絶縁物０鴇でシールドしたことにより、金
属蒸気およびガスの放出が抑制され、二重のアーク放電
は発生しない。

たとえ絶縁物α９と陰極構造体（２）のすきまを通して
火花放電が発生した場合でも、イオン源内の圧力上昇は
少なく、中間電極電位部α１と陽極（８）の間で火花放
電は発生せず、抵抗αりにより電流が制限されるための
放電が消失するか、あるいは正常な放電に移行する。

さらにまた、上記実施例においては、デュオプラズマト
ロンの場合について述べたが、中間電攪（５）が非磁性
材料であり、ソースマグネットコイルのないモノプラズ
マトロンの場合であってもよく、第５図に示すようなデ
ュオプラズマトロンを変形したデュオピガトロンの場合
であっても同様の効果を奏する。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、陰極構造体により保
持される熱陰極、ノズル部を有する中間電極、及び陽極
を備え、熱陰極と上記中間電極間の火花放電により絶縁
破壊してグロー放電を引き起こし、このグロー放電によ
って熱陰極を加熱して熱陰極と陽極間にアーク放電によ
る放電プラズマを発生させるイオン源において、中間電
極のノズル先端部を高融点金属材料で被うと共に、ノズ
ル先端部を除く中間電極と、この中間電極に対向する陽
極との間隔を、パソシヱンの法則における最小火花電圧
を与える真空度と電極間距離の積の値の条件を満足する
電極間距離よりも小さくしたことにより、イオン源内の
異常な放電を抑制でき、熱陰極の加熱を安定にして、容
易にアーク放電に移行させることができ、不安定な放電
による陰極劣化も抑制でき、また金属蒸気による絶縁の
劣化も抑制できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるイオン源を示す断面
図、第２図および第３図はそれぞれこの発明の他の実施
例によるイオン源の要部を示す断面図、第４図はこの発
明のさらに他の実施例を示す断面図、第５図はこの発明
のさらに他の実施例として、デュオプラズマトロンを変
形したデュオピガトロンであるイオン源を示す断面図、
第６図は従来の一例であるデュオプラズマトロンイオン
源を示す断面図である。 閏において、＋１１は熱陰極、（２）は陰極構造体、（
３）は陰極構造体の取り付は部、（５）は中間電極、（
８）は陽極、０りは絶縁物、（２ｔＩは中間電極先端部
である。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 特許出願人　工業技術院長　　飯　塚　幸　三第１図 ２θ：、％局史、亡タＡ打才十 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 陰極構造体により保持される熱陰極、ノズル部を有する
   中間電極、及び陽極を備え、上記熱陰極と上記中間電極
   間の火花放電により絶縁破壊してグロー放電を引き起こ
   し、このグロー放電によって上記熱陰極を加熱して上記
   熱陰極と上記陽極間にアーク放電による放電プラズマを
   発生させるイオン源において、上記中間電極のノズル先
   端部を高融点金属材料で被うと共に、上記ノズル先端部
   を除く中間電極と、この中間電極に対向する陽極との間
   隔を、パッシェンの法則における最小火花電圧を与える
   真空度と電極間距離の積の値の条件を満足する電極間距
   離よりも小さくしたことを特徴とするイオン源。