JPH0714698A

JPH0714698A - イオン源

Info

Publication number: JPH0714698A
Application number: JP5177428A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Agawa; 阿川　　義昭; Takeshi Hisamune; 武司久宗
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1993-06-23
Filing date: 1993-06-23
Publication date: 1995-01-17

Abstract

(57)【要約】［目的］反射電極のイオン放出口からのイオン電流の
電流密度を大とし、かつ、そのイオン電流の発散角を小
としながらイオンの価数を減少させないイオン源を提供
すること。［構成］カソード１と整列して、中間電極２、アノー
ド電極３及び反射電極６をその中心孔を整列させて配列
し、反射電極６の中心孔６ａに嵌着された絶縁で成り内
側に拡張空間を形成する拡張カップ４の外端面に当接し
て、同じく絶縁材で成る放出口アパーチャー５を配設
し、この外端面に反射電極６にまで延在するように金属
薄膜Ｍを形成させている。これにより図１に示すような
等電位分布Ｅが得られ、電流密度の高い、発散角の小さ
いイオン電流Ｉを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はデュオピガトロン型のイ
オン源に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】図２は従来例のデュオピ
ガトロン型のいわゆる多価イオン生成を目的とするイオ
ン源を示すものであるが、フィラメント１は磁性材で成
る中間電極２内に設けられており、これに直流電源１０
が接続され、これを加熱するように構成されている。中
間電極２は図示するようにノズル形状を呈しており、こ
の内部にガス導入パイプ１７が明白に図示しないが一点
鎖線で示すように真空室Ｗを画成する壁部に真空保持用
のガスフィールドスルーを介して導入されている。

【０００３】中間電極２と対向して非磁性材の金属で成
るアノード電極３が配設されており、この中心孔３ａは
上述の中間電極２のノズル孔２ａと整列している。更
に、アノード電極３を挟んでで中間電極２と反対側に
は、磁性材で成る反射電極６が配設されており、これは
中間電極２とは線Ｒで表されているように電気的及び磁
気的に結合されている。例えば、磁性材で成る円筒体に
取り付けられている。また、図示せずとも中間電極２と
アノード電極３との間及びアノード電極３と反射電極６
との間に絶縁円筒が挟着されており、これら電極間は相
互に電気的に絶縁されており、この全体は一点鎖線Ｗで
示されるように真空室内にあり、またこれら中間電極
２、アノード電極３及び反射電極６は真空室の壁部とも
電気的に絶縁されている。

【０００４】反射電極６の中心孔６ａには、絶縁材（例
えばポロンナイトライド）で成る拡張カップ４、及びこ
れに当接してイオン導通孔５ａを備えたアパーチャー５
が取りつけられている。

【０００５】上述したように、中間電極２、アノード電
極３及び反射電極６は真空室Ｗ内に設けられているが、
中間電極２の外周に真空室Ｗの壁を介して、大気側に電
磁コイル９が巻装されており、これに直流電源１２が接
続され、コイル９の軸心に沿って磁束を発生させるよう
に構成されている。また、フィラメント１とアノード電
極３との間にはアーク電源１１が接続され、この正極が
アノード電極３及び負極はフィラメント電源１０に接続
されている。更に、この正電極は抵抗１３及びスイッチ
１４を介して中間電極２に接続されている。

【０００６】反射電極６の軸線ｃに沿って外方には、円
すい形状の遮蔽電極７が配設され、これには可変直流電
源１５の負極側が接続され、その正極側は接地されてい
る。更にこの外方には、円すい形状の引出し電極８が配
設されており、これには可変直流電源１６の負極側が接
続されているが、同時に接地されており、この正極側は
アノード電極３に接続されている。従来例のイオン源は
以上のように構成されるが、次に、その作用について説
明する。

【０００７】電磁コイル９に直流電源１２により電流が
通電されると、このコイルのターン数とこの電流との積
に比例した磁界がこの電磁コイル９の内外に形成され、
これは中間電極２と反射電極６の外側が磁気的に接続さ
れているので、例えば、円筒状の磁性体で被覆されてい
るので、これらの間で磁気回路が形成され、磁力線が中
間電極２、アノード電極３及び反射電極６のそれぞれノ
ズル孔２ａ、中心孔３ａ及び６ａを結ぶ軸心Ｃに沿って
磁束が流れる。よって中間電極２、反射電極６及び図示
しない円筒状の磁性体で磁気回路が形成される。

【０００８】フィラメントの加熱電源１０により、フィ
ラメント１は２０００℃ないし３０００℃に加熱され、
これによりフィラメント１の表面から熱電子が放出され
る。また、図では示されていないが、材料タンクからイ
オンの材料となるガス（もしくは蒸気）をパイプ１７を
介して中間電極２内に導入される。また、一方で、アー
ク電源１１から約１００ボルトの電圧がアノード電極
３、カソードとしてのフィラメントに印加されている。
このような状態で中間電極２内の空間に宇宙線などが通
過することにより発生したイオンと電子の内、イオンは
フィラメント１に向かって移動し、また電子は中間電極
２の内壁に向かって加速され、その電子が中間電極２の
室内に導入された材料ガスの中性分子と衝突し、更にイ
オンと電子を発生させる。すなわち、カスケード（雪崩
現象）的にイオンと電子が発生し、よってプラズマが形
成される。すなわち、宇宙線がこのプラズマ発生のトリ
ガーとなったわけである。勿論、トリガーはこれに限ら
れない。

【０００９】この時、中間電極２の壁内に流れ込んだ電
子は、電子電流としてスイッチ１４、抵抗１３を介して
アーク電源１１に流入する。この時、この中間電極２の
電位はこの電子による電流と抵抗１３の抵抗値の積に相
当する電圧降下で低下し、よって、アノード電極３と中
間電極２との間に電位差が生じる。これにより中間電極
２に達したプラズマは、更にアノード電極３にまで到達
する。この時、大部分の電子群はアノード電極３に流入
することによりアノード電極３、アーク電源１１、カソ
ード１との間で回路が形成され、この時点でプラズマが
アノード電極３まで到達したことによりスイッチ１４を
切る。なお、アノード電極３にプラズマが到達したこと
は、例えば、上述の回路内に電流計を介在させ、この電
流計が急激に０から大きく振れることにより検知するこ
とができる。これにより、中間電極２にはフィラメント
１からの熱電子により負にチャージアップし、更にそれ
に引き寄せられるように中間電極２内のイオンがこの内
壁に接近し、いわば、中間電極内壁表面にシースが形成
される。この時の中間電極２の電位はアノード電極３の
電位より数１０ボルト低くなり、またこれと電気的に接
続されている反射電極６はこの中間電極２の電位は同一
になる。よって、図１の上方で示されているように、カ
ソードとしてのフィラメント１と反射電極６との間に電
子に対し谷を形成するような電位が生ずる。すなわち、
アノード電極３において谷となり、電位Ａであり、この
両側で電位Ｉまで中間電極２と反射電極６では上昇し、
更に、中間電極２のノズル２ａの領域及び反射電極６の
中心孔６ａ領域においてはレベルＩで一定であり、中間
電極２のノズル孔２ａからフィラメント１にはレベルＫ
まで電位が上昇する。このようにして電子に対しアノー
ド電極３で谷となる電位が形成されることになる。

【００１０】アノード電極３に流入しなかった残りの電
子群は反射電極６の近傍まで到達する。上述したよう
に、アノード電極３の中心孔３ａを磁束が通っているの
で、この磁場により電子が束縛され、反射電極６の近傍
まで到達するが、上述したように電子に対し電位の谷が
形成されているので、電子が中間電極２と反射電極６と
の間で往復運動を繰り返す。これによりこの間に存在し
ているイオンとの衝突頻度が高くなり、よって、目的と
する多価イオンが形成される。

【００１１】また、反射電極６の中心孔６ａに設けた絶
縁材で成る拡張カップ４内では、内部からのプラズマが
ここで急激にその容積が膨張することにより密度が小と
なるが、この状態でアパーチャー５のイオン放出口５ａ
を通って外部の遮蔽電極７に印加されている直流電源１
５の電圧と、引出し電極８に印加されている直流電源１
６の電圧によって形成される電界に応じたプラズマの密
度に薄められる。この時、アパーチャー５のイオン放出
口５ａの開口度により、ここでのプラズマの界面（ミニ
スカス）の大きさ及びわん曲の度合が決定されることに
なる。

【００１２】

【発明が解決しようとする問題点】以上述べたように、
従来の多価イオン用デュオピガトロンイオン源では放出
口アパーチャー５が絶縁材で成るので、遮蔽電極７及び
アノード電極３に印加された電圧によって形成される電
位分布が放出口アパーチャー５によって定まらず、拡張
カップ４内に電界が浸透し、そのためアパーチャー５の
放出口５ａで形成されるべきプラズマの界面が放出口ア
パーチャー５の付近で形成されないため、イオンビーム
をこれから効率良く引き出すため（平行ビームとして）
の所望とする界面形状とはならない。また、放出口アパ
ーチャー５を仮に導電性の金属で製作してイオン放出口
５ａの電位を決定しようとすると、内部の多価イオンが
この金属で成るアパーチャー中の自由電子と再結合し、
せっかく多価となったイオンの価数が減少し易くなり、
多価イオンの収量が減少してしまう。本発明は、上述の
ような問題を解決するためになされ、所望とするイオン
ビームを容易に引き出すことができ、かつ、多価イオン
の収量の減少を軽減することができるデュオピガトロン
型の多価イオン源を供給することを目的とする。

【００１３】

【問題点を解決するための手段】以上の目的は、カソー
ドに整列して中空なる中間電極、アノード電極及び反射
電極をこれらの中心孔を整列して配設し、前記中間電極
と前記反射電極との電位を等電位とし、かつ、前記アノ
ード電極の電位を前記カソード電極の電位に対し所定レ
ベル正電位となるようにこれらの間に電圧を印加し、前
記反射電極の中心孔に内側に拡張空間を形成させ、絶縁
材で成る環状部材を嵌着させ、かつ、前記各中心孔を通
る軸方向に磁束を発生させる電磁コイルを備えたイオン
源において、前記環状部材のイオン放出側の外端面に前
記反射電極にまで延在するように金属薄膜を形成させた
ことを特徴とするイオン源、によって達成される。

【００１４】

【作用】反射電極のイオン放出側に面する絶縁材で成る
拡張空間を形成するための環状部材の端面に金属薄膜が
形成されているので、反射電極及びこれと対向して外側
に配設される、少なくとも引出し電極との間の電位分布
を確定的にし、イオン放出口の近辺のプラズマの界面を
所定のものとすることができ、これにより多価イオンの
収量を減少させることなくイオン電流の密度及び発散角
を小とするイオン電流を得ることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例によるイオン源につい
て図１を参照して説明する。なお、図１に対応する部分
については、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略
する。

【００１６】すなわち、本実施例によれば、放出アパー
チャー５の下流側の面に反射電極６にまで延在して金属
薄膜Ｍがスパッタ法で形成される。その他の構成は従来
と全く同様である。

【００１７】次に、その作用について説明する。本実施
例のイオン源も反射電極４までのプラズマ生成過程につ
いては従来のプラズマ生成過程と同様なので、説明を省
略する。ここでは、放出口アパーチャー５によるイオン
ビーム引出し作用について、特に説明する。イオン源に
おいて、引出し電源１６から電圧（この場合、グランド
電位に対してプラス）がアノード電極３に印加される。
更に、遮蔽電源１５の電圧（この場合、グランド電位に
対してマイナス）は遮蔽電極７に印加されている。これ
により、イオン源（プラスの電位となる）と遮蔽電極７
の電位（マイナス）と引出し電極（グランド電位）８の
各々の電極間の電位差によって電場が形成される。この
時、放出口アパーチャー５の下流側に面する端面に、本
実施例によれば金属薄膜Ｍを反射電極６にまで延在させ
て形成させているので、放出口５ａの電位は引出し電源
１６の電圧の電位よりはむしろ中間電極２（反射電極６
と同電位）の電位によって電場が定められる。放出口ア
パーチャー５の下流側の遮蔽電極７に対向している端面
の電位が定まり、放出口アパーチャー５の下流側には図
１で示すような電場Ｅが形成され、プラズマの界面（ミ
ニスカス）は拡張カップ４内のプラズマの密度と、金属
薄膜Ｍによって形成される電場と間に作用する力の均衡
によって定まる、ある曲面を持つ。

【００１８】図１で等電位面はＥで示されており、この
各電位に対し垂直方向にイオンが加速されるので、図示
するようなイオンビームＩで外部に導出される。よって
所望の電流密度で発散角の小さい（ほぼ平行な）イオン
ビームＩを得ることができる。

【００１９】以上、本発明の実施例について説明した
が、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明
の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００２０】例えば、以上の実施例では、イオン放出ア
パーチャー５の下流側端面に金属薄膜Ｍを形成させるの
にスパッタ方法を用いたが、これに代えて真空室内でこ
のアパーチャー５にこの金属を蒸発させて付着させるよ
うにしてもよい。

【００２１】また、以上の実施例では、拡張カップ４と
これに当接して放出口アパーチャー５を用い、この外端
面に金属薄膜Ｍを形成するようにしたが、場合によって
は放出口アパーチャー５を省略し、拡張カップ４を更に
外方へ延長させてこの外端面に反射電極６にまで延在さ
せて金属薄膜を形成させるようにしても本発明の効果が
得られる。

【００２２】また、拡張カップ４と放出口アパーチャー
５を一体化させた環状部材の外端面に金属薄膜を形成さ
せるようにしてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明のイオン源によ
れば、常に安定して所望の電流密度で発散核のイオン流
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるイオン源の要部の断面図
である。

【図２】従来例のイオン源の要部のイオン源の断面図及
び各部の電位のチャートである。

【符号の説明】

５アパーチャーＭ金属薄膜

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【手続補正書】

【提出日】平成５年１０月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明のイオン源によ
れば、常に安定して所望の電流密度で発散角の小なるイ
オン流を得ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カソードに整列して中空なる中間電極、
アノード電極及び反射電極をこれらの中心孔を整列して
配設し、前記中間電極と前記反射電極との電位を等電位
とし、かつ、前記アノード電極の電位を前記カソード電
極の電位に対し所定レベル正電位となるようにこれらの
間に電圧を印加し、前記反射電極の中心孔に内側に拡張
空間を形成させ、絶縁材で成る環状部材を嵌着させ、か
つ、前記各中心孔を通る軸方向に磁束を発生させる電磁
コイルを備えたイオン源において、前記環状部材のイオ
ン放出側の外端面に前記反射電極にまで延在するように
金属薄膜を形成させたことを特徴とするイオン源。