JPH0720838Y2 - イオン源 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この考案はカスプ磁場によってプラズマを閉じ込めるイ
オン源において、電子の閉じ込め効率を高くしたものに
関する。

【従来の技術】

カスプ磁場によりプラズマを閉じ込めるようにしたバケ
ット型イオン源は、基本的には次のような構造を持って
いる。 円筒部と蓋板とよりなるアノードチャンバ、 熱電子を発生するためのカソードフィラメント アノードチャンバの外周に設けられ、極性が交互に
反対になるようにしてカスプ磁場をアノードチャンバ内
部に生ずる永久磁石、 アノードチャンバを正、カソードフィラメントを負
として電圧を供給し、アーク放電を起こさせるアーク電
源、 カソードフィラメントのフィラメントを加熱するた
めの電源、 アノードチャンバの出口に設けられイオンビームを
外部へ引き出すためのプラズマ電極。 このような構成で、イオンビームを発生させるには次の
ようにする。イオン化すべき元素よりなるガス又はその
元素を含むガスを、真空に引かれたアークチャンバ内に
導入する。 カソードフィラメントを加熱し、カソードフィラメント
とアークチャンバの間に電圧を印加する。 カソードフィラメントが高温になると熱電子が発生す
る。熱電子がカソードフィラメントとアークチャンバの
間に印加された電圧によって加速され、ガス中の中性原
子、分子に衝突しこれを電離する。イオンと電子が生ず
るが、この電子が再び加熱され他の中性分子などを電離
する。こうしてアーク放電が発生する。アーク放電によ
りプラズマが生ずる。多くの永久磁石を並べてカスプ磁
場を作っているので、荷電粒子はカスプ磁場によって閉
じ込められるので、アークチャンバの壁面に殆ど接触し
ない。

【考案が解決しようとする課題】

もともとガス状であるような元素をイオン化する場合は
このようなバケット型イオン源でも十分に効率良くイオ
ン化する事ができる。 ところが常温で固体である金属のイオンビームを得たい
という要望がある。例えば、半導体製作工程で不純物と
して金属イオンを打ち込むことがある。 例えばAl、Cr、Si、Tiなどの金属のイオンを得たいとす
る。これらの固体を別の蒸発源で加熱して金属蒸気と
し、このイオン源の中へ気体の状態で導入する。そして
アーク放電により金属原子をイオン化する。 これで良いはずであるが、必ずしも十分でない。 常温で固体であるものを蒸気にしているのであるから、
常温でガス状であるものを対象とする場合よりも、アー
クチャンバ内を高温に保たなければならない。 このためカソードフィラメントを増強してこのフィラメ
ントからの放射エネルギーを大きくするという事が考え
られる。 また熱の放散を減少させるため、アークチャンバの内部
にTa、Ｗなどの内張りを設ける、という事も考えられ
る。金属の内張りにより放射エネルギーを反射して内部
を高熱に保つ。 しかしこれでも未だ十分でない。アークチャンバの中に
他の発熱機構が存在する、という事が望まれる。 目的は異なるが、アークチャンバの中に、前記のカソー
ドフィラメント以外のものを設けたものがある。（特願
昭63-326433,S63.12.23）これは電子の閉じ込めを良く
するため、アノード電位のアノードワイヤをカスプ磁場
の切れ目であるカスプ部に設けたものである。

【課題を解決するための手段】

アークチャンバ内部の温度をさらに高めるために、カソ
ードフィラメント以外の発熱体として、もうひと組のフ
ィラメントを設ける。これはアノードチャンバと同電位
にする。それでここではアノードフィラメントと呼ぶ。
アノードフィラメントに通電する事により発熱量を増大
させ、金属蒸気をさらに高温に保つようにする。 さらに、アノードフィラメントはカスプ磁場の存在する
領域に設定する。つまり、アノードチャンバの壁面の近
傍であって、隣接する磁石の中間の位置にアノードフィ
ラメントが存在するようにするのである。

【作用】

アノードフィラメントに通電してこれを加熱するので発
熱量が多くなり、金属の蒸気であっても、蒸気の状態を
維持することができる。 カソードフィラメントが加熱されると、熱電子が発生
し、ガス分子を電離し、プラズマに変換する。 電子と、正イオンは荷電粒子であるから、永久磁石が作
るカスプ磁場によって閉じ込められ、十分なプラズマ密
度になる。 電子はカスプ磁場の切れ目に当たるカスプ部に於いてア
ークチャンバ壁に衝突するのでここで消滅する。 正イオンは、アークチャンバの壁から静電力によって引
き離されているから、アークチャンバ壁に衝突する事に
よって消滅するのは、電子の存在できるカスプ部のみで
ある。 さて新しく設けたアノードフィラメントであるが、これ
は加熱だけの作用を持つ。もちろん熱電子が放出される
こともあるが、アノード電位であるから、これは再吸収
される。 問題はプラズマ中に存在している電子を、アノードフィ
ラメントが吸収してしまわないかという事である。もし
アノードフィラメントが電子を吸収してしまえば電子の
閉じ込め効率が低くなる。高密度のプラズマを維持する
ことができない。 ところがこの心配はない。アノードフィラメントは、磁
石が作るカスプ磁場の中にある。このためプラズマはア
ノードフィラメントに殆ど接近しない。電子もアノード
フィラメントに殆ど接近しない。このため、電子がアノ
ードフィラメントに衝突する確率は低い。 従って、本考案に於いては、アノードフィラメントの存
在にも拘らず電子の閉じ込め効率が損なわれず、高密度
プラズマを維持することができる。

【実施例】

実施例を示す図面によって説明する。第１図は本考案の
実施例に係るイオン源の中央縦断面図、第２図は第１図
中のII-II断面図である。 アークチャンバ１は、円筒部10と蓋板11とよりなる。円
筒部10はCu、Al或はステンレスなどで作られる。両側に
フランジ12、13を有する。一方のフランジ12には蓋板11
が固着される。直接に両者を接触させ蓋板11もアノード
電位とする事もある。この場合は、内張り４をアノード
電位と絶縁する必要がある。また両者の間に絶縁部材を
介在させて両者を絶縁する事もある。この場合は，蓋板
の電位はアノード電位とは無関係に設定できる。蓋板も
Cu、Al、ステンレスで作られる。 アークチャンバ１は加熱されるので周囲に冷却水を通し
てこれを冷却する構造（図示せず）になっている。 アークチャンバ１の円筒部10の外周には半径方向に磁化
方向を有する複数の永久磁石２が多数設けられる。これ
らの永久磁石は磁化方向が交互に反対方向に向くように
並べられている。このため、アークチャンバの内部にお
いて、壁面近くにのみ存在する磁場を作る。 磁化方向が隣接磁石間で食い違うから、遠くの方まで磁
場が及ばない。磁石の近傍のみに強い磁場ができる。磁
力線を描くと隣接磁石間をつなぐ曲線になる。この曲線
は磁石端面に尖った部分を作るのでカスプ（cusp:尖
点）磁場と呼ぶ。 カスプ磁場の存在する部分に荷電粒子が来ると磁場によ
るローレンツ力を受け半回転して元に戻る。このためカ
スプ磁場の内部へ実効的に入って行かない。 アークチャンバの中央部の星芒形をした領域は磁場の殆
ど存在しない部分である。ここがプラズマの存在する領
域となる。永久磁石の端面磁束密度は例えば5000Gauss
〜10000Gaussである。これは電磁石で置き換えても良
い。 蓋板11の比較的中央に近い部分には導入端子21によって
カソードフィラメント５が保持されている。導入端子21
は金属の鞘と絶縁物とよりなる。絶縁物によりカソード
フィラメント５は蓋板11に対して絶縁されている。金属
の鞘は内部ではMo、外側ではCuである。 カソードフィラメント５はカソードフィラメント電源７
によって加熱され熱電子を生ずる。 蓋板11の周縁に近い部分には導入端子22によってアノー
ドフィラメント６が保持される。導入端子22によりアノ
ードフィラメント６と蓋板とが絶縁される。 アノードフィラメント６はアノードフィラメント電源８
によって加熱される。 アークチャンバ１とアノードフィラメント６は接地され
る。アークチャンバ１をアノード、カソードフィラメン
ト５をカソードとするアーク電源９が設けられる。これ
により、カソードフィラメント５とアークチャンバ１の
間にアーク放電を生ずる。 アークチャンバ１の蓋板11の反対側の端面には、イオン
ビームを引き出すための単孔、多孔、単スリット、多ス
リット等よりなるプラズマ電極３が取り付けられてい
る。 アークチャンバ１の円筒部の内側，蓋板11の内側、プラ
ズマ電極の外縁部の内側には内張り４が設けられる。こ
れはTa、Moなど耐熱性の金属板で作られる。アークチャ
ンバ内部を高熱に保つためのものである。アークチャン
バ１にはイオン化すべき原子を含むガスを導入するガス
導入口23がある。 アノードフィラメント６は第２図に示すようにアノード
チャンバ壁に近いカスプ磁場の中にある。プラズマ（電
子、正イオン）存在領域の外である。アノードフィラメ
ント６は静電力によって電子を引き付けるが、周囲の磁
場が強いため電子が弾じき返される。このため電子の実
効的な衝突断面積が小さくなり、電子の寿命が長くな
る。このため高密度プラズマを維持することができる。 内張りで囲まれる空間がプラズマの存在する領域にな
る。この例ではこの空間の長さは約10cm、直径は15cmで
ある。1400℃以上の高熱に耐える事ができる。

【考案の効果】

アーク放電によってプラズマを発生させ、電子を円筒半
径方向にはカスプ磁場によって閉じ込め、軸方向では静
電場により閉じ込めるイオン源であって、アノードフィ
ラメントを有するから、アークチャンバ内をより高温に
保持することができる。金属などのイオンビームを発生
させる場合に最適である。 アノードフィラメントはカスプ磁場によって囲まれてい
るので、アノードフィラメントを追加する事による電子
の損失は少ない。従って電子の閉じ込め効率が損なわれ
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例に係るイオン源の中央縦断面
図。 第２図は第１図中のII-II断面図。 １……アークチャンバ ２……永久磁石 ３……プラズマ電極 ４……内張り ５……カソードフィラメント ６……アノードフィラメント ７……カソードフィラメント電源 ８……アノードフィラメント電源 ９……アーク電源 10……円筒部 11……蓋板 12,13……フランジ 21,22……導入端子 23……ガス導入口

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】筒部と蓋板とよりなる容器で真空に引くこ
   とができ、アノードとなるアークチャンバと、アークチ
   ャンバの蓋板の反対側に設けられイオンを引き出すため
   のプラズマ電極と、アークチャンバの外周に極性が交互
   に異なるように設けられアークチャンバ内部にカスプ磁
   場を生ずる複数の磁石と、蓋板からアークチャンバの内
   部に挿入されたカソードフィラメントと、アークチャン
   バと同じ電位であってアークチャンバ内を加熱するため
   の蓋板からアークチャンバ内部のカスプ磁場の存在する
   部分へ挿入されたアノードフィラメントより構成される
   事を特徴とするイオン源。