JPH043056B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明はイオン発生装置（イオン源）に係り
就中低圧気中放電の一種のクロスフイールド放電
を用いたイオン源に関する。

〔従来技術とその問題点〕

原子該物理学、宇宙推進機関、イオンインプラ
ンテイシヨン、イオンプレイテイング、イオン加
工、表面分析など広い分野で、重イオンビーム発
生装置（以下重イオン源という）が利用されてい
る。

重イオン源のうち、常温で固体である物質のイ
オンの発生するものには、電子衝撃形、PIG形、
デユオプラズマトロン形などがある。電子衝撃形
重イオン源は、所望の物質を蒸気にする蒸気発生
炉が必要で、イオン源内部が汚染され易く、ヒー
タ断線が多いので操作性が悪く、蒸気発生炉では
充分な量の蒸気が得られない低蒸気圧物質のイオ
ン源には使用できないという欠点がある。デユオ
プラズマトロン形には、高温の蒸気発生炉を用い
るものと、固体物質をスパツタし、プラズマ中で
イオン化するものがある。蒸気発生炉を用いるも
のは、電子衝撃形イオン源と共通の欠点を有す
る。スパツタリングを利用するものは、高温の蒸
気発生炉を必要とせず、多種の重イオンを発生で
きるという利点がある。

しかし、デユオプラズマトロンは、プラズマを
生成するための大電力が必要であり、更に熱陰極
あるいは高温のホローカソードという、共にイオ
ン源の操作性を悪くする部品を必要とした。

スパツタリングを利用したPIG重イオン源に
は、イオンを引出す開口を陽極に有するものと陰
極に有するものとがある。陽極上開口形には負イ
オンを取出すものと、PIGプラズマ発生装置とし
て動作させ、プラズマのイオンによりスパツタさ
れた物質をイオン化し、陽イオンとして取出すも
のがある。後者のPIGプラズマ発生形は、デユオ
プラズマトロンと同様に作動（プラズマ発生）に
大電力を必要とする欠点があり、同様にイオン発
生装置へ注入した電力による温度上昇の制御が困
難であるという欠点もある。前者の負イオン取出
し形は、負イオンを形成するためにセシウム蒸気
が必要であり、装置の耐食性や取扱いに問題があ
つた。

スパツタリングを利用し、陰極の開口を有する
ものは、構造が単純で消費電力が少なく冷却が特
別に問題とならず、小容量の真空排気装置で排気
するだけで使用でき、操作性が良いという利点が
あつたが、イオン電流が他の形式のものに比較し
て少なく、実用性が低かつた。

〔発明の目的〕

この発明は以上の様な実情に鑑み成されたもの
であり、構造が単純で消費電力が少なく、小容量
の排気装置で排気するだけで使用でき、操作性の
よい、ビーム強度を改善した冷陰極クロストフイ
ールド放電形重イオン源を提供することを目的と
する。

〔発明の概要〕

この発明の目的を達成するため、この発明によ
れば貫通した中空部を有する陽極と、陽極の二つ
の開口部の一方には周辺部に制御電極を、中心部
にはイオンとなるべき物質を有する第一の陰極を
配設し、上記陽極の他方の開口部には、イオンを
取出す貫通孔を有する第二の陰極を配設し、かつ
各電極に、陽極、制御電極、第一及び第二の陰極
の順に高い電位を与える手段と、陽極の中空部に
その軸心に実質的に平行な磁場を与える手段とに
よつて、安定なクロストフイールド放電が維持で
きる様にして目的を達成した。

〔発明の効果〕

イオンとなるべき物質をスパツタリングで供給
する第一の陰極の電位を低くしてスパツタされる
物質の量を多くし、第二の陰極に穿設された貫通
孔に原因する放電の不安定性を第二の陰極に低い
電位を与えることによつて抑制し、もつて構造が
単純で消費電力が少なく、小容量の排気装置で排
気するだけで使用できビームエネルギを自由に決
められるなど操作性がよく、かつビーム強度を大
幅に改善した冷陰極クロストフイールド放電形重
イオン源が実現した。

〔発明の実施例〕

以下、添付図面に従つてこの発明の実施例を従
来の構成を述べつつ説明する。

第１図は従来のPIG重イオン源の構成を示す縦
断面図である。陽極１は円筒状中空部２を有する
ものであり、その二つの開口部のおのおのに離間
かつ接近して、開口を覆う形状に二枚一組の陰極
３及び４が設けられ、陰極３には陽極の円筒状中
空部２の軸心の位置に陽極の中空部２の貫通の方
向に貫通孔９が穿設され、陰極４には陽極開口の
円筒状中空部２の軸心の位置にイオンを発生させ
るべき部材４ａが保持され、該部材４ａは陰極４
の一部をなす。陽極１、陰極３及び４は真空容器
５に収容され、二つの陰極３及び４は、第１図に
明らかに示す如く、該真空容器５の内部で短絡さ
れており、陽極１と陰極３及び４の間に高電圧を
印加する電源の出力（図示していない）は、気密
な真空容器壁貫通部６及び７を一部として有する
給電径路により、陽極１と陰極３及び４に供給さ
れる。磁場発生装置８の作る磁場は、陽極の中空
部２の位置で、円筒状中空部２の軸に平行であ
る。

真空容器５は真空装置（図示していない）に接
続され、該真空装置はその排気装置により予め真
空容器５の内部を所要の真空度となるように排気
し、イオン源作動時に該真空容器５の内部に、イ
オン源作動に適した気体を供給する。

イオン源の作動条件は、所要の特性によつて選
ばれる。一例を示すと、真空容器５内の作動気体
密度４×10¹⁷ｍ^-3、陽極中空部半径7.5mm、陽陰極
間電圧3kv、磁場0.15Tである。

真空装置（図示していない）から真空容器５に
導入された気体の一部は陽極の中空部２で放電に
より電離され、生成されたイオンの一部はイオン
を発生させるべき部材４ａに衝突し、スパツタさ
れた部材４ａからの粒子の一部は陽極１の中空部
で放電により電離されて重イオンを形成し、重イ
オンはイオン取出しの貫通孔９から取出されてイ
オンビームを形成する。イオンビームは通常真空
容器５に導入された気体分子イオンと、陰極上の
部材４ａからの粒子のイオンを含むので、必要に
に応じて質量分離して利用される。

これに対して、第２図はこの発明のイオン発生
装置の一実施例を示す縦断面図及び外形図であ
る。以下各図面で共通の部分には同一の番号を符
し、説明は省略する。

１０は制御電極で、貫通した中空部２を有する
陽極１の一方の開口端に離間かつ近接して配設さ
れ一方の開口の周辺部を覆う形状を有し、かつ陽
極の中空部２と同軸に穿設されて貫通孔を有す
る。１１は第一の陰極で、その一部は制御電極の
貫通孔の内部に配設され、その表面の陽極の中空
部に面しこの中空部の軸心の近傍にある部分はイ
オンとなるべき物質で被覆されている。１２は第
二の陰極で、陽極１の他方の開口端に離間かつ近
接して配設されこの他方の開口端を覆う形状を有
し、その陽極の中空部２の軸心の位置には同軸的
に貫通孔１３が穿設されている。真空容器５に保
持された磁場発生装置８は陽極の中空部２にその
軸心に実質的に平行な磁場を印加する。第二の陰
極１２は真空容器５に取着されるとともに接地さ
れる。陽極１、制御電極１０及び第一の陰極１１
は給電経路の一部を兼ねる支持体１４により支持
されるとともに給電される。各電極には図示され
ない電源より、陽極には制御電極電位よりも高
く、第一及び第二の陰極には制御電極電位よりも
低い電位が与えられる。

第３図は本発明のイオン発生装置を作動させる
ための回路の実施例を示す回路図である。１５，
１６，１７は電源で各電極に陽極１の電位をV_a、
制御電極１０の電位をV_g、第一の陰極１１の電
位をVk₁、第二の陰極１２の電位をVk₂、とした
とき、 Vk₁＜Vk₂＝０＜V_g＜V_a の関係にある電位を与える。

第４図はこの発明のイオン発生装置の、出力イ
オンのビーム強度を改善する効果を説明する線図
である。ａ〜ｅの横軸ｕは、固体面に入射するイ
オンの運動エネルギー、縦軸のうちＳは入射イオ
ン１個あたりのスパツタされる原子数で表わされ
るスパツタ比、ｆは入射するイオンの運動エネル
ギーがｕ以上ｕ＋du未満のものが単位時間に陰
極面に入射する数はfduであると定義したイオン
エネルギー分布函数であり、ｓとｆは相対値で示
される。

第４図ａは、Ｓのｕに対する依存を示す。

第４図ｂは、第１図に示す従来のPIG重イオン
源の部材４ａに入射する水素イオンのｆのｕに対
する依存を示す。

第４図ｃは、第２図に示すこの発明の実施例の
イオン発生装置の第一の陰極に入射するイオンの
ｆのｕに対する依存を示す。

第４図ｂに於いて、陰極電位O_v、陽極電位を
V_a水素イオンの電荷をｅとすると、ｆは０以下
及びeVa以上では０（ゼロ）である。さらに放電
の陰極降下eVo及び陽極降下の範囲ではｆは非常
に小さく０（ゼロ）としてよい。図に示す様に、
ｆは eVo≦ｕ＜eVa でのみ、０（ゼロ）でない値をとる。ｆはｕの小
さい範囲で大きな値をとる。ｕの大きい範囲では
ｆは小さくなる。放電の部位に放出される原子の
単位時間あたりの数Ｑは、 Ｑ＝∫^eVa _eVpｆ・Sdu で与えられる。この積分の被積分函数fSのｕ依存
を第４図ｄに示す。

第４図ｃに於いて、第二の陰極１２の電位Vk₂
をＯ、陽極１の電位をV_a、第一の陰極１１の電
位をVk₁とすると、第４図ｂの場合と同様に、ｆ
は、 ｅ（V_p−Vk₁）＜ｕ＜ｅ（V_a−Vk₁） でのみ、０（ゼロ）でない値をとる。ここでV_pは
放電の部位の電位の最小値である。ｃがｂと異な
るところは、ｃはこの発明において、放電空間の
電位が陽極電位と制御電極電位で定まるクロスト
フイールド放電であるので、V_p−Vk₁はｂにおけ
るV_pより大きく放電維持に支障のない範囲で、
第一の陰極へ入射するイオンのエネルギｕの下限
ｅ（V_p−Vk₁）自由に選択できることである。ｃ
とｂとを比較してわかるように、ｆのｕに対する
依存はｃでは、ｂのそれを示す曲線を横軸に沿つ
て高エネルギー側に移動させた曲線で表わされ
る。

第４図ｅは、第４図ｃのエネルギーの分布函数
の場合のＱを与える被積分函数fSのｕの依存を示
す。ｅとｄを比較して、この発明では従来の構成
例と比較して、第一の陰極からスパツタされる原
子の量を多くすることが出来る。

この発明は以上のように、イオンを発生させる
べき部材を有する第一の陰極を衝撃するイオンエ
ネルギー分布を制御し、大きなスパツタ比を得ら
れる領域で使用することにより、重イオンビーム
強度を増加させるイオン源を提供できる。

本発明のイオン発生装置は従来のPIG重イオン
源と同様に構造が単純で消費電力が少なく、小容
量の排気装置で排気するだけで使用でき操作性も
良い。

スパツタ比の増大は、第４図ｅで明らかな如く
従来の構成例と比較して、スパツタされる陰極物
質の量を多くすることができることを示してい
る。この結果出力イオンビームを増加することが
できる。本発明に於ては放電を安定化させるため
に、貫通孔１３を有する第二の陰極１２の電位を
制御電極の電位より充分低くして、V_p＞Vk₂とで
きるようにし、放電の不安定の原因となる第二陰
極の貫通孔よりの電子の漏れ出しを抑制してい
る。

またこの発明では、V_pとVk₂をV_p＞Vk₂という
条件を満たす範囲で、独立に定めることができる
から、第二の陰極の貫通孔から取出されたイオン
ビームのエネルギを、上記の制約のもとで、自由
に決めることができる。

この発明では気体は特に限定せず、水素、アル
ゴン、酸素等を用いても同様の効果が得られる。
スパツタされる材料についても限定せず金属の単
体、合金を用いても、非金属を用いても効果は同
様である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のPIG重イオン源の構成を示す縦
断面図、第２図はこの発明のイオン発生装置の一
実施例を示す縦断面図及び外形図、第３図はこの
発明のイオン発生装置を作動させるための回路の
実施例を示す回路図、第４図はこの発明のイオン
発生装置の出力イオンのビーム強度を改善する効
果を説明する線図である。 １……陽極、２……陽極の中空部、８……磁場
発生装置、１０……制御電極、１１……第一の陰
極、１２……第二の陰極、１３……貫通孔、１
５，１６，１７……電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 貫通した中空部を有する陽極と、この陽極の
   一方の開口端に離間かつ近接して配設され、この
   一方の開口の周辺部を覆う形状を有し、かつ陽極
   の中空部と同軸に穿設された貫通孔を有する制御
   電極と、この制御電極の貫通孔の内部に配設され
   た部分を有し、その表面の少くとも前記陽極の中
   空部に面しこの中空部の軸心の近傍にある部分は
   イオンとなるべき物質で形成された第一の陰極
   と、前記陽極の他方の開口端に離間かつ近接して
   配設され、この他方の開口端を覆う形状を有し、
   かつ陽極の中空部と同軸に穿設された貫通孔を有
   する第二の陰極と、各電極に、前記陽極には上記
   制御電極電位より高い電位を、前記第一及び第二
   の陰極には制御電極電位よりも低い電位を与える
   手段と、前記陽極の中空部にその軸心に実質的に
   平行な磁場を印加する手段と、を具備したことを
   特徴とするイオン発生装置。