JPS593813B2 - イオン発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の属する技術分野 本発明はイオン発生装置に係り、特に低圧気中放電の一
種であるＰＩＧ放電を用いたイオン発生装置に関する。

従来技術とその問題点 一般に、半導体や金属などの表面加工、植物理学、表面
科学などで必要とされるイオン源の特性としては、出力
電流が大きく、ビームのイオンの運動エネルギーのばら
つきが少なく、操作性が良く信頼度が高いことが要求さ
れる。

この様に、出力電流が太き（、エネルギー分布のばらつ
きが少ないイオン源として、熱陰極から電子を補給して
プラズマを生成し、そのイオンを取り出す形式のものが
実用に供されており、代表的なものとしてはデュオプラ
ズマトロンがある。

しかしながら、かかる形式のイオン源は破壊され易く、
ひんばんに取替える必要がある熱陰極を備えているので
、イオン源の操作性が悪く信頼度が低いという欠点を有
する。

これに対して、プラズマをマイクロ波で生成するものも
知られており、これは熱陰極を必要としないが、大電力
のマイクロ波を供給するだめの装置を必要とし、装置が
大規模になるという問題点がある。

これらの欠点を克服し、出力電流が大きく操作性が良く
信頼度の高いイオン源としては、現在代表的なものとし
て低圧気中放電の一種の冷陰極ＰＩＧ放電を利用したＰ
ＩＧイオン源が知られており、実放電を利用したＰＩＧ
イオン源が知られており、実用に供されている。

第１図はかかる周知のＰＩＧイオン源の構成を示す縦断
面図であり、同図中１は円筒状中空部２を有する陽極、
３，４は２枚１組でなる陰極、５は前記陽極１及び陰極
３，４を収容する真空容器６．７は前記陽極１、陰極３
，４に対する給電経路を形成する真空容器壁貫通部、８
は磁場発生装置、９は前記陰極３に設けた貫通孔である
。

第１図からも明らかな如く、陽極１０２つの開口部のお
のおのに離間かつ近接して開口を覆５形状に２枚１組の
陰極３，４が設けられ、前記陽極１、陰極３，４は真空
容器５に収容される。

また陽極１と陰極３，４０間には、図示しない電源から
図示しない給電経路を経て、更にこの給電経路の一部を
なす気密な真空容器壁貫通部６，７を経て高電圧が印加
される。

なお、２枚の陰極３，４は真空容器５の内部で短絡され
ている。

一方、磁場発生装置８は、永久磁石でも、超電導または
常電導の電磁石でもよいか、この磁場発生装置８の作る
磁場は、陽極１の中空部２の位置で円筒状中空部２の軸
に平行である。

また、陰極３の陽極の中空部２の軸心に一致する軸心を
有する貫通孔９がある。

更に、真空容器５は図示しない真空装置に接続されるが
、前記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に排気し、イオン源作動時にはこの
真空容器５の内部に所要の気体等を供給する。

さて、イオン源の作動条件は、用途によって適宜に選べ
ばよい。

例えば、真空容器５内の作動気体密度を１×１０１７ｍ
−３、陽極１の中空部２の半径を７．５龍、陽陰極間電
圧を５ＫＶ、磁場を０．１５Ｔとする。

そして、発生したイオンは開口９から取出される。

かかる構成を有する従来のＰＩＧイオン源の欠点は、イ
オンビームのエネルギ分布のばらつきが大きいことであ
った。

すなわち、（１） Ｊ ｐ Ｃ＋ Ｈｅｌｍｅｒ ａ
ｎｄ ＲＩ Ｌｐ Ｊ ｅｎｓｅｎ ：Ｅｌｅｃｔｒｉ
ｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａＰ
ｅｎｎｉｒｇＤｉｓｃｈａｒｇｅ ： Ｐｒｏｃ、ＩＲ
Ｅ、４９ （６１）、 １９２０（２） Ｗｙ Ｋｎ
ａｕｅｒ：ＭｅＩｄｌａｎｉｓｍｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｎ
ｎｉｎｇＤ ｉｓｃｈａｒｇｅ ａｔ Ｌｏｗ Ｐｒｅ
ｓｓｕｒｅｓ ：ＪｊＡｐｐＬＰｈｙｓｉ ３３（６２
）２０９３ に示される様に、取出されたイオンビームの運動エネル
ギーの分布幅が広く、ビームの集束や平行度を良（する
ためには、ビームラインの構成が非常に困難であるとい
う欠点があった。

発明の目的 本発明の目的は、冷陰極放電を利用して、ガス効率が良
（、しかも取出されたイオンビームの運動エネルギーの
分布の幅を狭くできるイオン発生装置の構成を提供する
にある。

発明の概要 本発明は、陽極を内径の大きい部分と小さい部分を同軸
に縦に配夕１ルて形成し、第一の陰極を陽極の内径の小
さい部分に隣接して配設し、気体を第一の陰極に接する
径路から導入し、貫通孔を有する第二の陰極を第一の陰
極より低い電位とし、もってガス効率がよく、ビームの
エネルギがよく揃ったイオン発生装置を構成した。

発明の実施例 第２図は本発明の一実施例を示すイオン発生装置要部縦
断面図である。

なお各図面において共通する部分には同一番号を符す。

１は内径の大きい部分（内径大部）１ａと内径の小さい
部分（内径小部）１ｂを同軸に縦に配列して形成される
管状の陽極、１０は該陽極１の内径の小さい部分１ｂの
開口端に隣接してこれを覆うごとく配設された第一の陰
極、１１は陽極１の他の開口端に隣接してこれを覆うご
とく配設された陽極の軸心と同軸に穿設された貫通孔９
を有する第二の陰極である。

１２は絶縁物製の支持体で陽極１及び第一の陰極１０を
通電路を兼ねる図示の支柱を介して支持するとともに電
気的接続部を形成し、図示しない電源出力からの図示し
ない導電線は該電気的接続部で各電極に接続され、陽極
１には正の高電位が、第一の陰極１０には陽極電位より
低い正の電位が与えられる。

第二の陰極１１は真空容器５に固着され接地される。

１３は支柱で支持体１２を支持し、図示しない構造物に
支持される。

１４は管で一端は図示しない作動気体源に接続され、他
端は支柱１３に固着され、管１４、支柱１３に穿設され
た穴１５及び第一の陰極に穿設された貫通孔１６は、第
一の陰極に接する気体供給径路を形成する。

８は磁場発生装置で本実施例では永久磁石を使用してお
り、陽極１及び二つの陰極１０．１１に包囲された空間
に陽極１の軸すなわち該陽極の中空部２の軸と実質的に
平行な磁場を印加する。

か（して構成された実施例を参照して本発明の゛効果を
述べると第３図は本発明の作用及び効果を示すイオン発
生装置動作説明図である。

同図ａに示される如く第二の陰極１１は接地されその電
位ＶＫ２はＯである。

第一の陰極１０には電源１７から電位ＶＫＩが、陽極１
には電源１７，１８から電位Ｖａが与えられ、 Ｖａ＞ｖＫｌ〉ｖＫ２−０ の関係が成立している。

同図に示される如く、陽極１の中空部２には電場と磁場
が直交するＰＩＧ放電が発生自続し高エネルギ高密度の
電子群１９が捕獲されている。

該電子群１９は第一の陰極１０にシースを介して接し、
半径Ｒｔの陽極の内径の小さい部分１ｂの内表面にシー
スを介して接している。

半径Ｒｆの陽極の内径の大きい部分１ａの内部では、電
子群１９は陽極の中空部２の軸を軸とする半径Ｒ８の円
筒の内部にだけ存在しＲｆ＞Ｒｔ＞Ｒｏ、である。

同図の断面Ｆ−Ｆにおける空間電位ＶＦ及び断面’ｆ−
Ｔにおける空間電位ｖＴを、陽極の中空部２の軸からの
距離ｒの関数として第３図すに示す。

ここで陰極降下は小さいので無視している。

０≦ｒ≦ＲｏでｖＦ＝ＶＴ ｔ Ｒｏ ＜ ｒ ＜ Ｒ
ｆでｖＴ＞ｖＦである。

ｒ＝Ｒｏ、すなわち陽極の内径の大きい部分１ａの内部
に於ける電子群１９の境界面に於て、空間電位はＶ。

であり、この部分では電子群１９は電位がｖＫｌを超え
、ｖ。

以下である空間に存在する。一方陽極の内径の小さい部
分１ｂの内部では、電子群１９は電位がｖＫ１飴鴫えＶ
ａ未満である空間に存在する。

本発明のイオン発生装置では、上述のＰＩＧ放電の電子
群が気体分子をイオン化することによりイオンが発生す
る。

気体は前記気体供給径路を通って上記第２図の実施例で
は第一の陰極１００貫通孔１６から放出される。

放出された作動気体分子の大部分は陽極１の中空部２に
入射し、そこに存在する電子群１９の電子によってイオ
ン化される。

生成されたイオンの一部は電子群１９を脱離して第二の
陰極１１に向って加速され、生成されたイオンの残りは
電子群１９を脱離して第一の陰極１０に衝突して電荷を
失い、中性化されたイオンであった粒子は種々の過程を
経て大部分が第一の陰極１０を脱離して陽極の中空部２
に入射する。

陽極の中空部２に入射して電子群１９の電子によりイオ
ン化されなかった気体分子等の大部分は陽極１の内面に
衝突し、反射あるいは吸着・脱離により再び陽極の中空
１部２の内部を運動する。

以上説明した諸過程により、中空部２に入射した作動気
体分子は効率よくイオンとなって第二の陰極１１に向っ
て加速され、その二部が貫通孔９を経由して矢印で示す
イオンビーム２０を形成し、その残りは第二の陰極１１
に衝突して再び陽極の中空部２へ入射する。

発明の効果 この結果本発明においては作動気体の分子は非常に効率
よくイオンビームのイオンになるから、冷陰極放電を利
用したガス効率のよいイオン源が実現する。

第３図Ｃはイオンビーム２０を構成するイオンのうち、
運動エネルギがｕ、ＬＪ上ｕ＋ｄｕ未満のイオンの単位
時間に取出される数がｆｄｕであると定義したエネルギ
分布函数ｆと運動エネルギＵの関係を示す。

ここでｆとＵは相対値で示しである。イオンはほとんど
一価であるから、その電価をｅとすると、陽極の内径の
大きい部分１ａの内部で作られたイオンの分布函数はｆ
Ｆ１陽極の内径の小さい部分１ｂの内部で作られたイオ
ンの分布函数はｆＴである。

陽極１の内径の大きい部分１ａの長さを内径の小さい部
分１ｂの長さより非常に長くすることによって、イオン
ビーム２０のエネルギ分布函数を実際上ｆＦに一致させ
ることができ、運動エネルギーの分布の幅を狭くできる
イオン発生装置が実現した。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＰＩＧイオン源の構成を示す縦断面図、
第２図は本発明の一実施例を示すイオン発生装置要部縦
断面図、第３図は本発明の作用及び効果を示すイオン発
生装置動作説明図である。 １・・・陽極、１ａ・・・陽極の内径の大きい部分、１
ｂ・・・陽極の内径の小さい部分、２・・・陽極の中空
部、３，４・・・陰極、８・・・磁場発生装置、９・・
・貫通孔、１０・・・第一の陰極、１１・・・第二の陰
極、１３・・・支柱、１４・・・管、１５・・・支柱１
３の穴、１６・・・第一の陰極１００貫通孔、１７．１
８・・・電源、１９・・・電子群、２０・・・イオンビ
ーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内径が犬なる内径大部と内径が小なる内径小部とを
   有する筒状の陽極と、この陽極の内径小部側の開口端を
   閉口する如く隣接して設けた第一の陰極と、前記陽極の
   内径大部側の開口端を閉口する如（隣接して設けかつ前
   記陽極の筒軸と軸心部に穿設した貫通孔を有する第二の
   陰極と、前記陽極、前記第一の陰極および前記第二の陰
   極とで包囲された空間に前記陽極の筒軸と実質的に平行
   な磁場を印加する磁場発生手段と、前記陽極内に気体を
   供給する気体供給手段と、前記陽極、第一の陰極および
   第二の陰極に電圧を印加する電圧印加手段とを具備した
   ことを特徴とするイオン発生装置。 ２ 陽極を内径大部の筒軸方向の長さより内径小部の筒
   軸方向の長さの方を短かく形成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のイオン発生装置。 ３ 内径小部を筒状陽極の開口端から形成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオン発生装置。 ４ 気体供給手段を第一の陰極に設けた気体の流通する
   貫通孔を介して設けたことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のイオン発生装置。 ５ 電圧印加手段を陽極が一番高く、第二の陰極゛が一
   番低く、第一の陰極が前記陽極より低く、前記第二の陰
   極より高い電圧となるように前記各電極に電圧を印加す
   る電源で構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のイオン発生装置。