JPS5914218B2 - イオンビ−ム発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高強度電子及びイオンビームを発生する低圧
電子装置に関する。

本発明は、特に支持−ガスー放電スパッタ装置（ｓｕｐ
ｐｏｒｔｅｄ−ｇａｓ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｐｕｔ
ｔｅｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ） ； 蒸発とスパッタ付
着析出の同時に行なうために高強度イオンビームを必要
とする装置；隔解、鋳造、蒸発又は溶接用の高強度電子
ビームを必要とする装置；並びにこのような高強度のイ
オン又は電子ビームを必要とする他の装置に適用できる
。

本明細書に使用する用語「支持−ガスー放電スパッタ装
置」は、熱イオンを放出できる加熱陰極を有するスパッ
タ装置を包含する。

従来は、陰極表面で簡単に分極する薄いフィルムを使用
して強力な電子を放出していた。

種々なフィルム及びディスペンサ装置は、コール（Ｋ
ｏｈ ｌ）著「陰極とヒータ（Ｃａｔｈａｉｅｓ ａｎ
ｄ Ｈｅａｔｅｒｓ） Ｊ、ハンドブック・オブ・マテ
ルアルズ・エンド・テクニックス・フォア・バキューム
・デバイセス（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒＶａｃ
ｕｕｍ Ｄｅｖｉｃｅｓ ）、ラインホールド拳パブリ
ッシング−−ｒ−ボレー−／ ヨ７ （Ｒｅｉｎｈｏｌ
ｄ Ｐｕｂｌｉｓｈ−ｉｎｇＣｏｒｐ、）発行、ニュー
ヨーク（Ｎｅｗ Ｙ ｏｒｋ）１９６７年、４８４〜５
０３頁に記載されている。

このフィルムは、タングステン等の基体と、分極し易い
陽電子性の添加剤の混合物である。

セシウム、セリウム、バリウム、トリウム、ランタン、
ウラン、イツトリウム及びジルコニウム等の低仕事関数
を有する添加剤を、添加剤又は基体金属のいずれよりも
低い熱イオンの仕事関数を示す薄いフィルムの製造に使
用することが提案されている。

しかし、真空装置の操作中に蒸発及びスパッタ作用によ
り添ＦＪＯ剤が失われるため、このような薄いフィルム
放出体の使用は限られていた。

陰極表面に添加剤を補給するために種々な手段が提案さ
れているが、いずれも完全に満足できるものではない。

例えば、高真空装置においては、一般に蒸気相から補給
することはできない。

また他の装置では、添加剤を陰極内部から分配するが、
表面フィルムへの拡散は十分ではなく、オフセット・ロ
ス（ｏｆｆｓｅｔ １ｏｓｓ ）になる。

本発明の目的は、分極し易い原子を陰極表面に補給する
改良手段な備えた高電流、低圧ガス放電な行なう装置を
提供することにある。

本発明の別な目的は、フィラメントの寿命を延長させた
改良支持−ガスー放電スパッタ装置を提供することにあ
る。

本発明は、不活性ガス放電装置を提供するものである。

この装置は、はぼ真空圧に近い状態で電離性不活性ガス
導入手段を備えた気密室内に設けｔ電極および陽極を有
している。

陽極と陰極間に十分な電圧を印加すると防電又はプラズ
マが形成する。

この装置の改良した部分は、陰極の負電気ポテンシャル
に等しいかそれ以上の電源に接続され、かつ陰極近くに
配設された補助電極である。

陰極に対向する補助電極の少なくともひとつの表面は、
陰極材料と混合されて熱イオンの仕事関数が小さい表面
フィルムを形成しうる金属を含有している。

装置の運転時には、不活性ガスイオンがプラズマからこ
の補助電極に抽出されて、前記金属が陰極表面に付着析
出する。

本発明のひとつの特殊な適用方法には、ターゲット電極
と基板を有する支持−ガスー放電スパッタ装置に補助電
極を組込むことがある。

基板、ターゲット又は陽極よりも陰極に近い方に補助電
極な配設して、補助電極金属力戦極以外の表面に付着析
出するのを最小限におさえる。

第１図には、不活性ガス供給装置１２と真空源１３に適
当な手段により接続した気密容器１１を示す。

真空度は２〜５ミリトルＡ ｒ 、 Ｋ ｒ又はＸｅで
ある。

容器１１は適当な放電電圧源１７に接続された陽極１４
と陰極１５を有し、これら電極間にガスプラズマを形成
する。

加熱電圧源１９を設けて陰極フィラメントを加熱する電
流を流す。

上記装置は、低圧不活性ガス中で放電を行なうことがで
きるものならばどのような装置でもよい。

この種の装置は、スパッタ及び蒸発法用の高強度イオン
ビーム、又は隔解、鋳造、蒸発又は溶接用高強度電子ビ
ームを形成するためのほかに、高電流を必要とする装置
に使用されてきた。

不活性ガス又は図示の真空源との接続を有していない密
制室又は管内に低圧不活性ガスを刺入したガス放電管に
も適用できる。

この種の装置は、公知である。本発明においては、その
主面２３が陰極１５に対向するように設けた補助電極２
１が上記型式のガス放電装置に組込まれる。

負の電圧源２４によって供給された、ガス放電プラズマ
からイオンを抽出するのに十分なポテンシャルで補助電
極２１な作動させると、原子が表面２３から陰極１５の
表面に付着析出する。

通常は、他の部材よりは陰極の方に近づけて装置内に補
助電極２１を配設し、陰極の電圧より負の電圧に維持す
る。

補助電極は例えば陰極電極の約２〜５倍の電圧で作動す
る。

補助電極２１又は少なくともその主面２３部分は、対象
とするガス放電装置内の所定温度で低（・蒸気圧を示す
、仕事関数が比較的小さい金属を含有している。

この金属は、陰極１５の材料と混合した場合、成分単独
に比較すると、それよりも低い熱イオンの仕事関数を付
与する。

陰極１５は、フィラメントに使用できる公知耐熱物質か
ら通常形成する。

例えば、タングステン、モリブテン、ニオブ、タンタル
、又はこれら物質からなる合金を用いることができる。

これらの物質の熱イオンの仕事関数はかなり高く、例え
ばＷ。

４．５ ｅＶ、 Ｍｏ ： ４．２ ｅＶ、 Ｎｂ ：
４．ＯｅＶ及びＴａ ： ４．２ ｅＶである。

表１は、補助電極の表面２３に使用できる、仕事関数が
比較的低い多数の金属又は物質な示す。

また、表１には、掲示した金属の沸点も示しである。

この表から、これらの金属が低い蒸気圧と非揮発性を有
していることが判る。

仕事関数が低くかつ蒸気圧が低い他の希土類及び遷移金
属も使用するのに適していることは云うまでもない。

これら金属相互の合金及びこれら金属と微量の他の金属
との合金も、本発明において使用できる。

基礎合金成分としてのプルトニウムは、補助電極材とし
て使用する場合、ガリウム１重量楚を添加することが有
利である。

陰極材料と表１の仕事関数が比較的低い物質とを陰極表
面で結合させて薄いフィルムを形成させると、仕事関数
は一層低下する。

このフィルムは単に、陰極表面な一価原子で部分的に被
覆して形成してもよい。

表２Ｑ’４これら種々の薄いフィルムの仕事関数を示す
。

表２のデータは前記のＫｏｈｌの論文から引用したもの
である。

本発明を適用することによって改良されたことを証明す
るために、第１図に示したのと同じ装置に補助電極２１
な付けて、又は付けずに試験を行なった。

この装置は、長さ約１７ｃＩＩＬ、直径１．３順のタン
グステンフィラメントを使用してあり、約２〜５ミリト
ルＫｒガス圧力で作動させた。

別な試験においては、Ｕ及びＧａを１重量製含有するＰ
ｕを補助電極２１内の低仕事関数金属として使用した。

これら物質を使用して同様な操作を行ない、フィラメン
トの温度２２００ｃＫにおいて得られた電子放出に関す
るデータはほぼ同じであった。

補助電極を使用して、あるいは使用せずに、フィラメン
ト温度２２００〜２９００°Ｋにおける電子放出に関す
るデータを、表３に示す。

４１［）及び（３）のデータは実際の実験に基づくもの
であり、欄（２）及び（４）のデータは、エッチ、エイ
、ジョーンズ（Ｈ，Ａ、Ｊｏｎｅｓ）及びアイ、ラング
ミュア−（Ｉ。

Ｌａｎｇｍｕｉｒ）のジェネラル・エレクトレツク・レ
ビ：ｙ−−（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅ １ｅｃｔｒｉｃ Ｒ
ｅｖｉｅｗ）、１９２７年６月刊から計算したものであ
る。

表３から明らかなように、熱ベース金属フィラメントの
表面にスパッタ電極原子鎖付着析出することにより、強
力な電子が放出する。

フィラメント加熱電圧、放電電圧及び補助電極電圧を調
節することにより、強力な放出レベルを制御する。

このように調節すると、通常２５０♂にで操作したフィ
ラメントから得られる熱効率の２０倍以上の熱効率を有
する安定化した強力な電子が放出するＣ 表３ ’）Ｉ
！に３）参照）。

約ｚ２ｏｄ’にで操作シタフィラメントと比較すると、
熱効率は２５０倍以上改善されている。

原子を補給せずに、補助電極から４６８５．５ｍａ１０
ｙｆの熱イオンを放出するためには、フィラメントの加
熱電力が８９８ワツトであることが必要であった。

補助電極を使用した場合、同じ熱イオンを放出するため
に必要な電子は、わずか２５３ワツトであった。

フィラメントを加熱するのにこのような大きな電力を使
用することは、その寿命が著しく短縮、すなわちわずか
５８時間に短縮するので、実用的ではない。

フィラメント加熱電圧、放電電圧及び補助電極電圧を適
当に調節することにより、強力な電子放出レベルな広範
囲にわたってかえることができた。

これは重要なことである。

各折しいレベルで、電子放出は＝定であった。

これは、物理的には、補助電極からスパッタされて陰極
フィラメントに付着析出した原子と、フィラメントから
失われたＵ又はＰｕの原子との間に平衡が保たれている
ことな示している。

第２図には、支持−ガスー放電スパッタ装置に本発明を
適用した場合を示す。

この種の装置は、ＢＮＷＬ−５５３、マクラメハン等（
ＭｃＣｌａｎａｈａｎｅｔａｌ、）著、［中性子検出陽
極の製造へのスパッタリングの応用（Ａｐｐｌｉｃａｔ
ｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｒｌｇｔｏ ｔｈｅ
Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｄｅ
ｔｅｃｔｏｒＡｎｏｄｅｓ） Ｊ、パシフィック・ノー
スウェスト・うボラトリー（Ｐ ａｃ ｉｆ ｉｃ Ｎ
ｏｒｔｌｙｅｓｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ）、１９６
７年、に記載されている。

この装置は、不活性ガス（例えば、Ａｒ、Ｋｒ又はＸｅ
）供給弁２９と、約２〜５ミリトルの真空を付与する接
続３１を備えた気密室２１からなる。

気密室２７は、放電電圧源３７（例えば最高約１００ポ
ル）、１０アンペア）に接続した陰極３３と陽極３５を
有する。

加熱電圧源３９（例えば、最高約１２Ｖ、１００アンペ
ア）によって陰極フィラメントを加熱する。

又、気密室には、ターゲット電極４１及び、スパッタに
より付着析出した原子を付与しかつ受は取る基体４３を
設けておく。

プラズマ４７から不活性ガスイオンを抽出するために、
高電圧源４５（例えば、最高約２５００ｖ１１アンペア
）の負端子に、ターゲット電極４１を接続する。

プラズマガスイオンにより原子をスパッタして、基体４
３に再析出させる。

この公知支持−ガスー放電スパッタ装置を改良するため
に、陰極３３０近くに、その主面５１が該陰極に対向す
るように補助電極４９を設ける。

陽極、ターゲット又は基体よりも陰極３３の方に近づけ
て電極４９を設け、基体４３のスパッタによる付着析出
な妨害せずに、表面５１から原子を陰極にスパッタさせ
る。

負電圧源５３（例えば、最高約２００ｖ、０．５アンペ
ア）に補助電極を接続する。

電圧源５３は、陰極電圧の約２〜５倍の負電圧で補助電
極４９を維持するのに十分であるため、プラズマから陽
イオンな抽出でき、その結果、表面５１から原子が陰極
にスパッタする。

例えば、補助電極は一１５０ボルトで、陰極は一５０ボ
ルトで操作できる。

第１図の実施態様における場合と同様に、調節操作が行
なえるように各電圧源を可変にしておくのが好ましい。

又、電圧源を図示したように離して設けるか、又は適当
な回路と完全にまたは部分的に組合せて、所定のレベル
を得ることができる。

電極４９に用いる物質としては、有効であることが判っ
ているＵ又はＰｕがあるが、一方、表２に示した型式の
薄いフィルムを陰極に形成できる表１に示した物質のい
ずれも使用できる。

電極４９０表面５１を、電極の他の部分とは異なる物質
で構成することができる。

スパックせずかつプラズマを汚染しない材料、又はター
ゲット電極４１用として選択した物質とほぼ同じ物質を
用いて電極４９０表面以外の部分を構成することができ
る。

このような２層補助電極は、陰極に付着析出した低仕事
関数物質から、ターゲット及び基体を遮蔽する効果を有
している。

例えば、適当な基体に付着析出すべきニッケルのターゲ
ット電極を、陰極に対向する表面５１がウラニウム層で
、陰極でなくターゲット電極４１に対向する裏面がニッ
ケル又はニッケル合金属からなる補助電極と組合わせる
ことができる。

勿論必要に応じて、補助電極及びターゲット電極を適当
な手段によって冷却することができる。

また、陰極に対向する面を除く金側部を、密接に隔置し
た（数量）電気絶縁遮蔽材で包囲することにより、補助
電極を放電から遮蔽することができる。

以上、本発明を特定の実施態様について詳細に説明して
きたが、電極の構成や形状は種々変えることができる。

例えば、陰極に対するスパッタによる付着析出を最適に
するように、また必要に応じて、電極寿命を延長できる
ように補助電極を成形しかつ大きさを決定できる。

補助電極と陰極の幾何学的配置の最適化を図って、熱効
率をさらに増加させることもできる。

以上から、本発明が、低仕事関数を有し、分極し易い原
子を陰極面に補給できる改良ガス放電装置を提供できる
ことは明らかである。

この改良により、幾分低い温度で熱陰極からの電子放出
を増加させ、陰極フィラメントの寿命を延長させること
ができる。

本発明は、支持−ガスー放電スパッタ装置に適用できる
が、高強度電子又はイオンビームを発生させる他の装置
にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ガス放電低圧装置の概略図である。 第２図は、支持−ガスー放電スパッタ装置の概略図であ
る。 １１ｔ２７・・・・・・気密容器または気密室、１４゜
３５・・・・・・陽極、１５，３３・・・・・・陰極、
１７，３７・・・・・・放電電圧源、１９ 、３９・・
・・・・加熱電圧源、２４．５３・・・・・・負電圧源
、２１，４９・・・・・・補助電極、２３，５１・・・
・・・面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＩＩまぼ真空圧で不活性ガスを含有した真空チャンバ内
   に、外側電子放出面を有する陰極と該陰極から隔置した
   陽極とを有し、陰極の電子放出面と陽極との間にイオン
   化ガスプラズマを形成させるのに十分な電圧源により陽
   極と陰極とな相互接続してなるイオンビーム発生装置に
   おいて、補助電極をその少なくとも１つの表面力稚極の
   電子放出面と対向するように配設し、補助電極の前記１
   つの表面には低仕事関数を有する物質を含有せしめ、こ
   の物質が陰極の電子放出面内部に分散するときに陰極材
   料の仕事関数より低い熱イオンの仕事関数なもたらすよ
   うにし、さらに、前記補助電極に負電圧源を接続して陰
   極の電位差よりも低い負の電位差に補助電極を維持し、
   前記プラズマからのイオン化ガスを補助電極の前記１つ
   の表面に衝突させて陰極の電子放出面に低仕事関数の物
   質をスパッタにより付着析出させるようにしたことを特
   徴とするイオンビーム発生装置。 ２ 前記補助電極の１つの表面に含有せしめる物質は、
   Ｐｕ 、Ｕ、Ｔｈ、Ｌａ 、Ｃｅ 、ＹｙＺｒよりなる
   低蒸気圧かつ低仕事関数の物質群から選ばれる特許請求
   の範囲第１項記載の装置。 ３ 前記陰極に熱イオンを放出するための加熱手段を設
   け、かつ前記陰極は陰極材料の表面に形成した薄いフィ
   ルムと補助電極からのスパッタによる付着析出物質を有
   している特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４ 前記陰極材料の表面に形成した薄いフィルムはＷ、
   Ｍｏ 、ＮｂまたはＴａからなり、スパッタによる付着
   析出物質はＰｕ 、Ｕ、Ｔｈ ｙＬａ、ＣｅｙＹおよび
   Ｚｒからなる群から選ばれる特許請求の範囲第３項記載
   の装置。 ５ 前言激極の薄いフィルムは、Ｗ、Ｍｏ 、Ｎｂまた
   はＴａの表面にスパッタにより付着析出されたＵまたは
   Ｐｕを有する特許請求の範囲第３項記載の装置。 ６ 前記真空チャンバには陰極または補助電極よりも実
   質的に低い負の電位差で第２の電圧源に接続されたター
   ゲット電極を含ませて、前記プラズマからガスイオンを
   抽出しこれによってターゲット材料の部分をスパッタさ
   せ、さらに、前記真空チャンバは前記スパッタされたタ
   ーゲット材料を受は取るように配設された基体を有して
   いる特許請求の範囲第１項記載の装置。 ７ 前記補助電極を、真空チャンバ内のターゲット、基
   体または陽極よりも陰極の近くに配設した特許請求の範
   囲第６項記載の装置。 ８ 前記陰極から離れて対向している補助電極の面を前
   記ターゲット材料と実質的に同じ材料とした特許請求の
   範囲第６項記載の装置。