JPH02199760A - イオン源装置 - 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、イオンビームにより物体を削るイオンミリ
ング、材料の表面を改質するイオン注入などに用いられ
る大電流イオン源装置であって、排気可能な真空容器に
取り付けられ真空に排気された内部空間内にガスを導入
されてこれをプラズマ化するとともにこのプラズマ中か
らイオンビームを真空容器の空間内へ引き出すイオン源
装置に関する。

〔従来の技術〕

第２図に、まず、この種イオン源装置を備えたイオンビ
ーム装置の構成例を示す、排気可能な真空容器３１に取
り付けられたイオン源装置ｆ　３２から引き出されたイ
オンビーム３３はイオンビームの走行方向に順に配され
たＹ方向偏向電極３４．Ｘ方向偏向電極３５の間を通過
する際に所望の方向に走行方向を制御され、被処理物体
３６の所望部分に削りなどの成形加工やイオンの注入に
よる表面の改質処理などを施す。

第３図に、この種イオン源装置の第１の構成例としてマ
イクロ波を用いるイオン源装置を示す。

マグネトロン３７から発振されたマイクロ波は導波管３
Ｂ、マイクロ波導入窓３９を通り、励磁ソレノイド４５
によって直流磁界が印加されているプラズマ空間４１に
マイクロ波電界を形成し、ガス導入管４２から導入され
たガスを効率よく電離してプラズマを生成する。そして
このプラズマ中からイオン引出し電極４８により静電的
にイオンビーム５１が引き出される。ここで、４３．４
４は励磁ソレノイド４５により作られる磁力線が通る高
透磁率材料からなる磁路、５０は高透磁率材料からなり
前記磁力線が通る磁路を構成するとともにイオン引出し
電ＦｌｊＡ４８を構成する補助引出し電極。

４６は中心にイオン引出し口４７を有する。非磁性材か
らなるイオン引出し口部材であり、イオン引出し口４７
とそのまわりにはイオン引出し電極４８とイオン引出し
口部材４６との間の空間やプラズマ空間４１　と同様な
強さの磁界が存在し、この部分における電離、プラズマ
化をさかんにして、消費されるイオンの供給効率、プラ
ズマ空間４１内のイオンの利用効率が高められている。

第４図にこの種イオン源装置の第２の例として、カウフ
マン型に代表される。熱陰極を用いるイオン源装置を示
す、真空排気されるプラズマ室２１を貫通して張られプ
ラズマ室２１　に対して負の電位に課電された熱フィラ
メント２２から放出されてプラズマ室内を横切る電子に
進行方向に垂直な磁界Ｂを作用させ、電子に熱フィラメ
ントまわりの高速円運動を起こさせて電離確率を増すこ
とにより、プラズマ室２１内に密度の高いプラズマ２５
が生成され、このプラズマ中のイオンはプラズマ室２１
　のスリット２３の前面に配されたイオン引出し電極２
４によりスリット２３を通して弓き出されイオン引出し
電極２４　のスリット２６を通過して背後へ送り出され
る。

上記いずれのイオン源装置においてもプラズマ室内にプ
ラズマが拡がっており、その一部からイオンビームが引
き出される構成となっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のように、従来のイオン源装置においては、プラズ
マ室内に拡がっているプラズマの一部からを イオンビーム←引き出していたため、プラズマの利用効
率が悪く、大電流を引き出そうとしてイオン引出し電極
に大きい電圧を印加すると、プラズマ室のイオン引出し
口あるいはスリット近傍のプラズマを乱し、プラズマ密
度の減少を引き起こすため、引出し電圧を大きくしても
所望の大電流イオンビームが得られないという問題があ
った。

この発明の目的は、引出し電圧の増大とともにイオンビ
ームの電流もこれに対応して増加するイオン源装置の構
成を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明においては、排気
可能な真空容器に取り付けられ真空に排気された内部空
間内にガスを導入されてこれをプラズマ化するとともに
このプラズマ中からイオンビームを真空容器の空間内へ
引き出すイオン源装置を、前記導入されたガスがプラズ
マ化される内部空間と真空容器の空間とをメツシュの目
を介して連通状態に仕切るリング状のカソードメツシュ
と、該カソードメツシュの内部空間側にメツシュの面に
平行な成分を有する半径方向磁界を発生させる手段と、
該カソードメツシュとの間に前記磁界成分とおおむね直
交する電界を生じさせるアノードとを用いて構成し、ア
ノードとカソードメツシュとの間に電圧を印加して前記
内部空間の電子をカソードメツシュの面に沿って終端な
くサイクロイド運動をさせてリング状のプラズマをカソ
ードメツシュの面に沿って生成させ、このプラズマ中か
らカソードメツシュの面に向けて加速されるイオンをカ
ソードメツシュを通して真空容器の空間内へビームとし
て送り込むようにするものとする。

〔作用〕

イオン源装置をこのように構成することにより、イオン
源装置の内部空間に導入されたガスを電離する電子の周
方向サイクロイド運動をカソードメツシュの面に沿うリ
ング状の層内に限定することができ、カソードメツシュ
の面から内部空間Ｓ側鵬のところに高密度のプラズマが
拘束され、かつ、このプラズマの電位は、プラズマ中に
アノードへ向かう電子が存在し、その大きい移動度によ
りプラズマとアノードとの間に導電性を生ずることから
、はぼアノードの電位と等しくなる。従って、アノード
とカソードメジシュとの間の電圧に相当するエネルギを
もったイオンがほとんど散乱を受けることなくカソード
メツシュ方向へ飛来し、メツシュの開口率に応じた量の
イオンがカソードメツシュ暮方へ送り出される。そこで
、アノードとカソードメツシュ間電圧を大きくすると、
カソードメツシュの面に沿う電離電子の駆動力が増して
カソードメツシュの面に沿うプラズマの密度が増加する
とともにプラズマ中からカソードメツシュに向かうイオ
ンの加速も大きくなり、大電流イオンビームを容品に得
ることができる。

〔実施例］ 第１図に本発明によるイオン源装置構成の一実施例を示
す０図示されない真空容器に取り付けられるイオン源装
置の支持板８はリング状の開口８ａを有する円板として
形成され、このリング状開口８ａと同心にリング状のカ
ソードメツシュ１が支持Ｆｉ８に同電位に取り付けられ
るとともにこの支持板８にはさらに、絶縁スペーサ７を
介して以下に詳細を説明する磁力線９の磁路を形成する
円筒状の磁性体重が取り付けられている。この磁性体重
は天井板３ａの中心から下方へ延びる棒状の磁路３Ｃを
形成され、この磁路３ｃの下端部に円錐状の磁極３ｃ＋
が形成されている。また、磁性体重の円筒壁３ｂの下端
部には内側が摺鉢状に（１斜するリング状の磁極３ｂｌ
が形成されている。磁性び５が配され、いずれの励磁コ
イルも磁力線９の矢印方向に磁力線を生ずるように外部
Ｔ！１源に接続される。さらに、励磁コイル４と５との
間にはリング状の空間］を形成するアノード２が配され
るとともに、アノード２と励磁コイル４．５および磁性
体の天井板３ａとの間には水冷バイブロが配されている
。

このような構成において、励磁コイル４，５に励磁電流
を供給してカソードメツシュ１の内部空間Ｓ側にカソー
ドメジシュの面に平行となる成分を有するトンネル状の
磁力線９を生せしめるとともに図示しない電源からアノ
ード２にカソードメツシュｌに対して正の電圧を印加す
ると、カソードメツシュ１の内部空間Ｓ側に磁力線９と
直交する電界が生じ、ガスをガス導入口１２から導入し
、内部空間Ｓ内の圧力をたとえば５　Ｘ　１Ｏ−３ｔｏ
ｒｒに上げると、リング状のプラズマ１０がカソードメ
ツシュ１の内部空間側数■のところに形成される。

このとき、すでに述べたように、プラズマ１０の電位は
ほぼアノード２の電位に等しく、この結果、プラズマ中
のイオンはほぼ全印加電圧に相当したエネルギに加速さ
れ、イオンビーム１１　となってカソードメツシュ外方
へ送り出される。アノード２は電子を主とするエネルギ
粒子の衝突にさらされ、熱を発生するが、この熱はアノ
ード背面側に配された冷却バイブロを通る冷却液により
奪い去られる。また、冷却バイブロは励磁コイル４．５
の発熱を吸収する役目も兼ねている。なお、図には特に
示していないが、支持Ｆｉ８もカソードメツシュ１の温
度上昇を抑えるために冷却することが望ましい、また、
この実施例では、支持板８は接地された金属製真空容器
に取り付けるものとしているが、真空容器内各種電極と
の関係から、真空容器と同電位とすることが好ましくな
い場合は、適当な絶縁物を介して真空容器に取り付ける
ようにすればよい、さらに、磁界発生手段として、励磁
コイルの代わりに永久磁石を用い、磁性体↓における磁
路の一部を永久磁石で置き換えることも勿論可能である
。

（発明の効果〕 以上に述べたように、本発明によれば、排気可能な真空
容器に取り付けられ真空に排気された内部空間内にガス
を導入されてこれをプラズマ化するとともにこのプラズ
マ中からイオンと一部を真空容器の空間内へ引き出すイ
オン源装置を、前記導入されたガスがプラズマ化される
内部空間と真空容器の空間とをメツシュの目を介して連
通状態に仕切るリング状のカソードメツシュと、該カソ
ードメツシュの内部空間側にメツシュの面に平行な成分
を有する半径方向磁界を発生させる手段と、該カソード
メツシュとの間に前記磁界成分とおおむね直交する電界
を生じさせるアノードとを用いて構成し、アノードとカ
ソードメツシュとの間に電圧を印加して前記内部空間の
電子をカソードメツシュの面に沿って終端なくサイクロ
イド運動をさせてリング状のプラズマをカソードメツシ
ュの面に沿って生成させ、このプラズマ中からカソード
メツシュの面に向けて加速されるイオンをカソードメツ
シュを通して真空容器の空間内へビームとして送り込む
ようにしたので、イオン源装置の内部空間に導入された
ガスを電離する電子の周方向サイクロイド運動をカソー
ドメツシュの面に沿うリング状の層内に限定することが
でき、カソードメツシュの面から内部空間側数１のとこ
ろに高密度のプラズマが拘束され、しかもこのプラズマ
の電位はアノードの電位に等しくなるから、アノードと
カソードメツシュとの間の電圧に相当するエネルギをも
ったイオンがほとんど散乱を受けることなくカソードメ
ツシュ方向へ飛来し、メツシュの開口率に応じた量のイ
オンがカソードメツシュ外方へ送り出される。このため
、アノードとカソードメツシュとの間の電圧を大きくす
ることにより、カソードメツシュの面に沿う電離電子の
駆動力が増してカソードメツシュの面に沿うプラズマの
密度が増加するとともにプラズマ中からカソードメツシ
ュに向かうイオンの加速も大きくなり、大電流イオンビ
ームを得ることが容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるイオン源装置構成の一実施例を示
す断面模式図、第２図は本発明が対象とするイオン源装
置を備えたイオンビーム装置の構成例を示す説明図、第
３図は本発明が対象とするイオン源装置の従来の第１の
構成例を示す断面図、第４図は同じく第２の構成例を示
す図であって、同図（ａ）は平面断面図、（ｂ）は側面
断面図、（Ｃ）は（ト））におけるＹ−Ｙ位置において
矢印方向にみたイオン引出し電極の正面図である。 ｌ・・・カソードメツシュ、２・・・アノード、４，５
・・・励磁コイル（ｌ界発生手段）、９・・・磁力線（
磁界）　、１０．２５．５２・・・プラズマ、１１．２
７．３３．５１・・・イオンビーム、１２・・・ガス導
入口、２１・・・プラズマ室（内部空間）、３１・・・
真空容器、３２・・・イオン源装置、４１・・・プラズ
マ空間（内部空間）、４２・・・ガス導入管、Ｓ・・・
内部空間。 第　１　図 て 図 ５１イ不シヒ゛−ム （山） （ｂ） （Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）排気可能な真空容器に取り付けられ真空に排気され
   た内部空間内にガスを導入されてこれをプラズマ化する
   とともにこのプラズマ中からイオンビームを真空容器の
   空間内へ引き出すイオン源装置であって、前記導入され
   たガスがプラズマ化される内部空間と真空容器の空間と
   をメッシュの目を介して連通状態に仕切るリング状のカ
   ソードメッシュと、該カソードメッシュの内部空間側に
   メッシュの面に平行な成分を有する半径方向磁界を発生
   させる手段と、該カソードメッシュとの間に前記磁界成
   分とおおむね直交する電界を生じさせるアノードとを備
   え、アノードとカソードメッシュとの間に電圧を印加し
   て前記内部空間の電子をカソードメッシュの面に沿って
   終端なくサイクロイド運動をさせてリング状のプラズマ
   をカソードメッシュの面に沿って生成させ、このプラズ
   マ中からカソードメッシュの面に向けて加速されるイオ
   ンをカソードメッシュを通して真空容器の空間内へビー
   ムとして送り込むことを特徴とするイオン源装置。