JPH0778582A

JPH0778582A - イオン源装置

Info

Publication number: JPH0778582A
Application number: JP5172256A
Authority: JP
Inventors: Koji Miyake; 浩二三宅; Takashi Mikami; 隆司三上; Hideaki Tawara; 英明田原; Katsuo Matsubara; 克夫松原
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1993-06-17
Filing date: 1993-06-17
Publication date: 1995-03-20
Anticipated expiration: 2015-02-21
Also published as: JP3010978B2

Abstract

(57)【要約】【目的】供給ガス量を増加させることなく、装置の大
型化を防ぎ、シース部の形成面積を減少させることな
く、容易に電子放出量を増大する。【構成】高周波放電のプラズマ生成により電子を発生
する電子放出源としてのマイクロ波プラズマカソード２
０と、カソード２０の蓋板２７に形成された電子放出孔
３０から電子が供給され直流放電により生成した主プラ
ズマ２６を閉じ込める主プラズマ室２と、主プラズマ２
６からイオンビームを引き出す引出電極４とを備えたイ
オン源装置において、電子放出孔３０に軸方向に磁界を
形成する磁界形成手段３１を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子放出源にマイクロ
波プラズマカソード（以下ＭＰカソードという）を用い
たイオン源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＭＰカソード型イオン源装置は、
マイクロ波放電によるプラズマを電子源とし、Ｗフィラ
メント等の熱電子放出材を用いないため、酸素等の反応
性ガスに対しても長時間の連続運転が可能である。

【０００３】このＭＰカソード型イオン源装置をその１
例を示した図８について説明する。同図において、１は
非磁性体の金属製の主筺体、２は主筺体１により形成さ
れた主プラズマ室、３は主筺体１の両側に形成された開
口部、４は一方の開口部３に取り付けられたイオンビー
ム引出電極であり、電位の異なる第１電極５，第２電極
６，第３電極７から構成されている。８は主筺体１のフ
ランジ及び各電極５，６，７間に介在された絶縁体、９
は主筺体１の外側に設けられた円筒状の磁場，即ちカス
プ磁場発生用の永久磁石又は電磁石である。

【０００４】１０は非磁性金属材料からなる副筺体、１
１は副筺体１０により形成された副プラズマ室、１２，
１３は副筺体１０の両側の強磁性体金属材料からなる蓋
板、１４は蓋板１３の中央の電子放出孔、１５は副筺体
１０と主筺体１間の絶縁体、１６は副プラズマ室１１へ
のガスの導入口である。

【０００５】１７はマイクロ波導入用の同軸ケーブル、
１８は同軸ケーブル１７の先端のアンテナ、１９は副筺
体１０の外側に設けられた環状の永久磁石又は電磁石で
あり、蓋板１２，１３とにより磁気回路を形成し、アン
テナ１８の近傍に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条
件以上の磁場を発生する。２０は副筺体１０，副プラズ
マ室１１，蓋板１２，１３，電子放出孔１４，導入口１
６，同軸ケーブル１７，アンテナ１８，磁石１９からな
るＭＰカソードである。

【０００６】２１は放電電源であり、陽極が主筺体１
に、陰極が蓋板１１及び高抵抗値の抵抗２２を介して第
１の電極５に接続され、主筺体１をアノード電位，蓋板
１２をカソード電位にする。２３は加速電源であり、陽
極が放電電源２１の陽極に接続され、陰極がアースさ
れ、第１電極５に加速電圧を印加する。２４は第２電極
６に負の電圧を印加する減速電源である。

【０００７】そして、副筺体１０は放電電源２１の陰極
のカソード電位に保持され、アンテナ１８の先端部がマ
イクロ波放電を引き起し易いように副プラズマ室１１の
壁面に近接して設けられている。つぎに、導入口１６か
らガスを供給し、副プラズマ室１１に同軸ケーブル１
７，アンテナ１８を介してマイクロ波が導入されると、
副プラズマ室１１がマイクロ波空洞共振器条件で形成さ
れていない場合でも、アンテナ１８の先端部と副プラズ
マ室１１の壁面との間の高電界によりマイクロ波放電が
容易に発生し、導入口１６からのガスが電離されて副プ
ラズマ２５が生成される。

【０００８】そして、主プラズマ室２が放電電源２１に
より副プラズマ室１１より高い電位にバイアスされてい
るため、副プラズマ２５の生成で電離された電子が電子
放出孔１４を通って主プラズマ室２に放出され、主プラ
ズマ室２では、供給された電子により直流放電が持続
し、主プラズマ室２内の希ガス等のイオン化ガスが電離
されて主プラズマ２６が生成される。つぎに、引出電極
３のビーム引出し作用により、生成された主プラズマ２
６からイオンがイオンビームとなってスパッタ室等に導
出される。

【０００９】ところで、前記装置の場合、出力はＭＰカ
ソード２０からの電子放出量に比例するので、大電流化
のためには電子放出量を増大する必要がある。一方、Ｍ
Ｐカソード２０からの電子は、蓋板１３の電子放出孔１
４を通って主プラズマ室２内へ供給されており、電子放
出量は電子放出孔１４の大きさにより制限されている。
さらに、前記電子は、副プラズマ２５と主プラズマ２６
との間で形成されるシース部の電位差で加速されるた
め、その電子放出量は、副プラズマ２５の密度，両プラ
ズマ２５，２６間の電位差，シース部の面積等により決
定される。そこで、電子放出量を増大するため、放出孔
１４の孔径を大きくしたり、孔数を増やす等の手段がと
られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記装置において、孔
径を大きくする場合、ＭＰカソード２０内の中性ガスが
流出し、ガス圧低下を招き、安定に高密度の副プラズマ
２５の生成を維持できず、さらに、ガス圧を一定に保つ
ためにより多くのガス供給量を必要とするという問題点
がある。

【００１１】一方、孔数を増やす場合、図９に示すよう
に、蓋板１３は副筺体１０と同電位であり、副プラズマ
室１１内において磁気回路が閉じるよう構成されている
ため、副プラズマ２５は蓋板１３により主プラズマ２６
に対し、ある程度遮蔽されており、電子放出孔１４を通
して形成された両プラズマ間２５，２６のシース部にお
いて電子が加速され、主プラズマ室２に供給されるた
め、孔数を増やし、その孔径を絞り込み、ガスコンダク
タンスを小さくすると、中性ガスの流出が抑えられて
も、主プラズマ２６からの直流電界がかかりにくく、電
子放出面であるシース部の形成面積が実質的に小さくな
ってしまい、電子放出量が低下してしまうという問題点
がある。本発明は前記の点に留意し、供給ガス量を増加
させることなく、装置の大型化を防ぎ、シース部の形成
面積を減少させることなく、容易に電子放出量を増大す
るイオン源装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、マイクロ波放電のプラズマ生成により電
子を発生する電子放出源としてのマイクロ波プラズマカ
ソードと、カソードの蓋板に形成された電子放出孔から
電子が供給され直流放電により生成した主プラズマを閉
じ込める主プラズマ室と、主プラズマ室のカソードに対
向する位置に設けられ主プラズマからイオンビームを引
き出す引出電極とを備えたイオン源装置において、電子
放出孔に軸方向に磁界を形成する磁界形成手段を備えた
ものである。また、電子放出孔に直流電界を形成する直
流電界形成手段を備えたものである。

【００１３】

【作用】前記のように構成された本発明のイオン源装置
は、電子放出孔に軸方向に磁界を形成する磁界形成手段
を設けたため、電子放出孔の近傍において効果的なプラ
ズマ閉じこめが行われ、電子放出孔を小さくしても高密
度プラズマが輸送され、蓋板の主プラズマ室側における
両プラズマ間のシース部の形成面積が減少することな
く、電子放出のための電界が十分にかかり、供給ガス量
を増加させることなく、装置の大型化を防ぎ、電子放出
が容易になる。また、電子放出孔に直流電界を形成する
直流電界形成手段を設けたため、前記と同様の作用を有
する。

【００１４】

【実施例】実施例について図１ないし図７を参照して説
明する。それらの図において、図８及び図９と同一符号
は同一もしくは相当するものを示す。まず、実施例１を
示した図１において、２７は強磁性材料からなる蓋板、
２８は電磁コイル或いは永久磁石からなる環状の磁場発
生手段であり、蓋板２７上の周縁部に配設されている。
２９は強磁性材料からなる蓋板であり、磁場発生手段２
８を覆うように蓋板２７の周縁部に装着されている。３
０は蓋板２７，２９の電子放出孔１４に連通する位置に
絞り込むように形成された電子放出孔である。

【００１５】３１は蓋板２７，２９，磁場発生手段２
８，電子放出孔３０からなる磁界形成手段であり、蓋板
１３と絶縁体１５との間に配設され、蓋板２７，２９，
磁場発生手段２８から構成される磁気回路により、電子
放出孔１４，３０の軸上において数百〜数ｋＧ程度の軸
方向の磁場が形成される。

【００１６】そして、副プラズマ２５は、磁界形成手段
３１による軸方向の磁場と放電電源２１による直流電界
により、電子放出孔１４，３０の経路内において効果的
に閉じこめられ、効率の良い電子放出が可能になる。

【００１７】つぎに実施例２を示した図２において、図
１と異なる点は、蓋板１３と蓋板２９とを同一部材で構
成した蓋板３２を配設した点であり、図１と同様に効率
の良い電子放出が可能になる。

【００１８】つぎに実施例３を示した図３において、３
３は蓋板１３と蓋板２９との間及び蓋板２９と蓋板２７
との間に介在された絶縁体、３４は電子放出孔１４，３
０に直流電界を形成する直流電源であり、負極が蓋板１
２に接続され、正極が抵抗３５を介して蓋板２９及び蓋
板２７，放電電源２１の負極に接続されている。３６は
直流電源３４，抵抗３５からなり、電子放出孔１４，３
０に直流電界を形成する直流電界形成手段である。

【００１９】そして、直流電源３４により、副筺体１０
は蓋板２７に対して負の電位となり、電子放出孔１４，
３０の近傍においては直流電界が印加され、さらに、抵
抗３５により、蓋板２９は動作時副筺体１０と蓋板２７
との中間的な電位をとり、磁場と電界との効果的な閉じ
こめにより、電子放出孔１４，３０より高密度のプラズ
マが放出され、さらに効率の良い電子放出が可能にな
る。

【００２０】つぎに実施例４を示した図４において、図
３と異なる点は、蓋板１３と蓋板２９との間の絶縁体３
３及び抵抗３５を省略し、副筺体１０と蓋板２９とを同
電位にした点である。

【００２１】そして、図５に示すように、磁界形成手段
３１の磁気回路による磁界と直流電源３４による電界と
により電子放出孔１４，３０の近傍において、効果的な
プラズマ閉じこめが行われ、狭い電子放出孔３０内より
高密度のプラズマが放出され、蓋板２７の主プラズマ室
２側において両プラズマ２５，２６間のシース部が形成
され、電子放出が容易になり、孔径の小さい電子放出孔
３０でも大電流の電子放出が可能になる。

【００２２】つぎに実施例５を示した図６において、図
４と異なる点は、蓋板１３と蓋板２９とを同一部材で構
成した蓋板３７を配設した点であり、図４と同様に、大
電流の電子放出が可能になる。

【００２３】つぎに実施例６を示した図７において、図
６と異なる点は、直流電源３４が省略され、放電電源２
１の正極が抵抗３７を介して蓋板２７に接続されている
点であり、蓋板２７の電位は抵抗３８により副筺体１０
と主筺体１との中間電位に維持されるため、新たな電源
を加えることなしに図３，図４，図６と同様の効果が得
られ、装置構成が簡略化できる。

【００２４】つぎに実験結果について説明する。図４及
び図６に示す構成において、電子放出孔３０の孔径をφ
２ｍｍとし、電子放出孔３０の中心部で約３ｋＧの軸方
向の磁場を印加し、酸素ガスを通常の１／２以下におと
して供給し、最大電子放出量Ｉｅｅの測定を行った。

【００２５】一方、磁界形成手段３２及び直流電界形成
手段３６を用いずに電子放出孔１４の孔径をφ４ｍｍ，
φ２ｍｍとし、酸素ガスを供給し、最大電子放出量Ｉｅ
ｅの測定を行った。

【００２６】その結果、前者の場合、孔径φ２ｍｍ，酸
素ガス流量Ｑ＝１．２ｃｃ／ｍｉｎでＩｅｅ＝１．１５
Ａとなり、電子放出孔の開口面積の減少による電子放出
量の低下は認められなかった。しかし、後者の場合、孔
径φ４ｍｍのときＱ＝２．５ｃｃ／ｍｉｎでＩｅｅ＝
１．１８Ａ、孔径φ２ｍｍのときＱ＝１．２ｃｃ／ｍｉ
ｎでＩｅｅ＝０．４２Ａとなり、電子放出孔の開口面積
の減少にともない電子放出量も減少している。このよう
に、電子放出孔３０の孔径を小さくし、ガス流量を１／
２以下におとしても電子放出量はほとんど変化せず、大
幅なガス効率の向上が可能になる。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、つぎに記載する効果を奏する。本発明のイ
オン源装置は、電子放出孔３０に軸方向に磁界を形成す
る磁界形成手段３１を設けたため、電子放出孔３０の近
傍において効果的なプラズマ閉じこめを行い、電子放出
孔３０を小さくしても高密度プラズマを輸送することが
でき、蓋板２７の主プラズマ室側における両プラズマ２
５，２６間のシース部の形成面積を減少させることな
く、電子放出のための電界を十分にかけることができ、
供給ガス量を増加させることなく、装置の大型化を防
ぎ、電子放出を容易にすることができる。また、電子放
出孔３０に直流電界を形成する直流電界形成手段３６を
設けたため、前記と同様の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の切断正面図である。

【図２】本発明の実施例２の切断正面図である。

【図３】本発明の実施例３の切断正面図である。

【図４】本発明の実施例４の切断正面図である。

【図５】図４の一部の作用状態図である。

【図６】本発明の実施例５の切断正面図である。

【図７】本発明の実施例６の切断正面図である。

【図８】従来例の切断正面図である。

【図９】図８の一部の作用状態図である。

【符号の説明】

２主プラズマ室４引出電極１４電子放出孔２０マイクロ波プラズマカソード２６主プラズマ２７蓋板３０電子放出孔３１磁界形成手段３６電界形成手段

【手続補正書】

【提出日】平成６年９月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】イオン源装置

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子放出源にマイクロ
波放電等の高周波放電により電子を発生するプラズマカ
ソードを用いたイオン源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種プラズマカソード型イオン
源装置は、マイクロ波放電等の高周波放電によるプラズ
マを電子源とし、Ｗフィラメント等の熱電子放出材を用
いないため、酸素等の反応性ガスに対しても長時間の連
続運転が可能である。

【０００３】このプラズマカソード型イオン源装置をそ
の１例を示した図８について説明する。同図はマイクロ
波放電により電子を発生するマイクロ波プラズマカソー
ド（以下ＭＰカソードという）を用いた場合を示し、同
図において、１は非磁性体の金属製の主筺体、２は主筺
体１により形成された主プラズマ室、３は主筺体１の両
側に形成された開口部、４は一方の開口部３に取り付け
られたイオンビーム引出電極であり、電位の異なる第１
電極５，第２電極６，第３電極７から構成されている。
８は主筺体１のフランジ及び各電極５，６，７間に介在
された絶縁体、９は主筺体１の外側に設けられたカスプ
磁場発生用の永久磁石又は電磁石である。

【００１０】

【００１１】一方、孔数を増やす場合、図９に示すよう
に、蓋板１３は副筺体１０と同電位であり、副プラズマ
室１１内において磁気回路が閉じるよう構成されている
ため、副プラズマ２５は蓋板１３により主プラズマ２６
に対し、ある程度遮蔽されており、電子放出孔１４を通
して形成された両プラズマ間２５，２６のシース部にお
いて電子が加速され、主プラズマ室２に供給されるた
め、孔数を増やし、その一方で孔径を絞り込み、電子放
出孔１個当りのガスコンダクタンスを小さくすると、中
性ガスの流出が抑えられても、主プラズマ２６からの直
流電界がかかりにくく、電子放出面であるシース部の形
成面積が実質的に小さくなってしまい、電子放出量が低
下してしまうという問題点がある。本発明は前記の点に
留意し、供給ガス量を増加させることなく、装置の大型
化を防ぎ、シース部の形成面積を減少させることなく、
容易に電子放出量を増大するイオン源装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、高周波放電のプラズマ生成により電子を
発生する電子放出源としてのプラズマカソードと、カソ
ードの蓋板に形成された電子放出孔から電子が供給され
直流放電により生成した主プラズマを閉じ込める主プラ
ズマ室と、主プラズマからイオンビームを引き出す引出
電極とを備えたイオン源装置において、電子放出孔に軸
方向に磁界を形成する磁界形成手段を備えたものであ
る。また、電子放出孔に直流電界を形成する直流電界形
成手段を備えたものである。

【００１３】

【００１４】

【実施例】実施例について図１ないし図７を参照して説
明する。それらの図において、図８及び図９と同一符号
は同一もしくは相当するものを示す。まず、実施例１を
示した図１において、２７は強磁性材料からなる蓋板、
２８は電磁コイルからなる環状の磁場発生手段であり、
蓋板２７上の周縁部に配設されている。２９は強磁性材
料からなる蓋板であり、磁場発生手段２８を覆うように
蓋板２７の周縁部に装着されている。なお、図示しない
が、磁場発生手段は永久磁石とすることもできる。３０
は蓋板２７に形成された電子放出孔、３９は蓋板２９の
電子放出孔３０に連通する位置にノズル状に絞り込んで
形成されたオリフィスである。

【００１５】３１は蓋板２７，２９，磁場発生手段２
８，電子放出孔３０からなる磁界形成手段であり、蓋板
１３と絶縁体１５との間に配設され、蓋板２７，２９，
磁場発生手段２８から構成される磁気回路により、電子
放出孔３０の軸上において数百〜数ｋＧ程度の軸方向の
磁場が形成される。

【００１６】そして、副プラズマ２５は、磁界形成手段
３１による軸方向の磁場と放電電源２１による直流電界
により、電子放出孔３０の経路内において効果的に閉じ
こめられ、効率の良い電子放出が可能になる。

【００１８】つぎに実施例３を示した図３において、３
３は蓋板１３と蓋板２９との間及び蓋板２９と蓋板２７
との間に介在された絶縁体、３４は副プラズマ室１１と
電子放出孔３０に直流電界を形成する直流電源であり、
負極が蓋板１２に接続され、正極が抵抗３５を介して蓋
板２９及び蓋板２７，放電電源２１の負極に接続されて
いる。３６は直流電源３４，抵抗３５からなり、電子放
出孔３０に直流電界を形成する直流電界形成手段であ
る。

【００１９】そして、直流電源３４により、副筺体１０
は蓋板２７に対して負の電位となり、電子放出孔３０の
近傍においては直流電界が印加され、さらに、抵抗３５
により、蓋板２９は動作時副筺体１０と蓋板２７との中
間的な電位をとり、磁場と電界との効果的な閉じこめに
より、電子放出孔３０より高密度のプラズマが放出さ
れ、さらに効率の良い電子放出が可能になる。

【００２１】そして、図５に示すように、磁界形成手段
３１の磁気回路による磁界と直流電源３４による電界と
により電子放出孔３０の近傍において、効果的なプラズ
マ閉じこめが行われ、狭い電子放出孔３０内より高密度
のプラズマが放出され、蓋板２７の主プラズマ室２側に
おいて両プラズマ２５，２６間のシース部が形成され、
電子放出が容易になり、孔径の小さい電子放出孔３０で
も大電流の電子放出が可能になる。

【００２３】つぎに実施例６を示した図７において、図
６と異なる点は、直流電源３４が省略され、放電電源２
１の正極が抵抗３８を介して蓋板２７に接続されている
点であり、蓋板２７の電位は抵抗３８により副筺体１０
と主筺体１との中間電位に維持されるため、新たな電源
を加えることなしに図３，図４，図６と同様の効果が得
られ、装置構成が簡略化できる。なお、各実施例はアン
テナによるマイクロ波放電を使用したＭＰカソードにつ
いて示したが、一般的な高周波放電等を使用したプラズ
マカソードでも同様な効果がある。

【００２７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の切断正面図である。

【図２】本発明の実施例２の切断正面図である。

【図３】本発明の実施例３の切断正面図である。

【図４】本発明の実施例４の切断正面図である。

【図５】図４の一部の作用状態図である。

【図６】本発明の実施例５の切断正面図である。

【図７】本発明の実施例６の切断正面図である。

【図８】従来例の切断正面図である。

【図９】図８の一部の作用状態図である。

【符号の説明】２主プラズマ室４引出電極２０マイクロ波プラズマカソード２６主プラズマ２７蓋板３０電子放出孔３１磁界形成手段３６電界形成手段

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図９】

【図８】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松原克夫京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波放電のプラズマ生成により電
子を発生する電子放出源としてのマイクロ波プラズマカ
ソードと、該カソードの蓋板に形成された電子放出孔か
ら前記電子が供給され直流放電により生成した主プラズ
マを閉じ込める主プラズマ室と、該主プラズマ室の前記
カソードに対向する位置に設けられ前記主プラズマから
イオンビームを引き出す引出電極とを備えたイオン源装
置において、前記電子放出孔に軸方向に磁界を形成する磁界形成手段
を備えたイオン源装置。
【請求項２】マイクロ波放電のプラズマ生成により電
子を発生する電子放出源としてのマイクロ波プラズマカ
ソードと、該カソードの蓋板に形成された電子放出孔か
ら前記電子が供給され直流放電により生成した主プラズ
マを閉じ込める主プラズマ室と、該主プラズマ室の前記
カソードに対向する位置に設けられ前記主プラズマから
イオンビームを引き出す引出電極とを備えたイオン源装
置において、前記電子放出孔に直流電界を形成する直流電界形成手段
を備えたイオン源装置。