JPS5987738A - イオン発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

し発明の属する技術分野］ この発明はイオン発生装置に係シ、就中低圧気中成、電
の一種のクロストフィールド放電を用いたーイオン発生
装置に関する。 ［従来技術とその問題点］ 最近、核融合の分野をはじめ、半導体や金属などの表面
加工（イオンインプランテーシ目ン、イオンプレイティ
ング、エツチングなど）、表面分析、植物理学などでは
イオン源として多種のイオン発生装置Ｒの利用が増加し
ている。イオン発生量ノ多いイオン源として、代表的な
ものはプラズマを生成してその構成粒子のイオンを引出
す形式のもので、デュオプラズマトロン、デュオピガト
ロン、無外部磁場アーク放電形などが多く使用されでい
る。このプラズマ生成形イオン源は共通して、ガス効率
が悪いという欠点を有する。ガス効率が悪いこととはイ
オンビームとともに大量の中性気体分子θＳイオン源か
ら流出することで、その結果としてイオン加速部で絶縁
破壊を生起し易くなυ高エネルギ加速が困難になること
、イオンビームがそのまわりにプラズマを形成し、その
電子がイオン加速部でイオンと逆向きにイオン源側へ加
速されて電極に衝突し、更にイオン源に向って加速され
る途中の電子は、イオン源から流出する気体分子を屯内
［Ｌすることにより数を増すので、電極の昇温か急速で
、長時間イオンを加末すると′１梶極が破壊さ？ｔも欠
へがあった。 四にプラズマ生成形イオン源は、成子供給のだめに熱陰
極を持ち、熱陰極の寿命が短いことが、この形のイオン
源の共通の欠へであることは周知されている。 これらの欠点を解決するものとして、冷陰極でガス効率
の良いＰＩＧ形イオン源が提案されている。 例えば第１図に示すような構成のイオン発生装置がある
。この従来のイオン発生装置は同筒状の陽極（１）とこ
の陽極（１）の中空部（２）を覆うように陽極（１）の
両端部に近接して設けた一対の陰極（３１、（４）とこ
れらの陽極（１）および陰極（３）　、　（４）を収納
する真空容器（５）と、この真空容器（５）の外に絶縁
して陽極（１）および陰（ｆｆｉ（３）　、　（４）に
所定の電位を与える導出部、すなわちリード線（６）　
、　（７）と、陽極（１）の筒軸方向に磁場を印加する
磁場発生装置（８）とを主たる要素として構成されてい
る。陽極（１）は両端に開口部を有し、陰極（３）　、
　（４）との間に空隙を設けて中空部（２）内にガス体
が侵入できるようになっている。陰極（３）はイオン（
Ｉｉ）を取り出す側に設けられ、円板状でその中心部に
陽極（１）の中空部（２）と同軸に貫通孔（９）が設け
られている。陰極（４）は陰極（御と対向して設けられ
ているが共通の電位となるように電気的に接続されでい
る。陽極（１）は直流電源（ｔ３）に接続され陰極（３
）　、　ｆ４）は電流測定装置（［９を介して接地され
ている。ここに流れる電流（■ｋ）は電流測定装置（ハ
）で測定される。磁場発生装置ｆ　（８）は真空容器（
５）の周囲を円筒状に包囲してなシ、電源（８ａ）の伺
勢により陽極の中空部（２）の筒軸方向に平行した磁場
を発生するように構成されている。 このように構成されたイオン発生装置は真空容器（５）
の開放側（図中左端）を、例えば図示しないイオンエツ
チング装置に接続して、このイオンエツチング装置と共
に真空容器（５）内を図示しない排気装置によって予め
所望の真空度に排気しておく。 そしてこのイオン発生装置を作動する時に、イオンエツ
チング装置４の側から真空容器（５）の内部に所望の気
体例えばＡ「ガス等を供給し、陽極（１）の中空部（２
）で気中放′６モを行なわせ、イオンを発生させる。 発生したイオンは陰極（３）の貫通孔（９）からイオン
エツチング装［１１，に放出され、エツチングに利用さ
れる。イオン発生装置の作動条件は、用途によって適宜
に選べばよいが、−例を示すと、真空容器（５）内の作
動気体密度はＩ　Ｘ　１０１７ｍ’　３、陽極中空部半
径は？、５．？ｍ、陽陰極間心圧は５ＫＶ　、磁」局は
０．１５Ｔである。イオンは該開口（９）から矢印方向
にをり出される。すなわち、このイオン発生装置はＰＩ
Ｇ形で通常高真空領域の中性気体分子密度を有する空間
における気中放電の一種であるＰＩＧ放電を生成し、放
電空間で生成されたイオンが陰極の陽極空間の中心的軸
が陰極表面と交わる部位に集中的に、衝突するこさを利
用し、陰極の該部位に開口を設はイオンを取り出すもの
であり、冷陰極であること、ガス効率の１いものを製作
できることの長所を有する。反面、 （１）　Ｊ　、　Ｃ、Ｈｅｌｍｅｒ　ａｎｄ几、Ｊ、、
Ｊｅｎｓｅｎ　：Ｂ：ＩｅｃＬｒｉｃａｌＣｈａｒａｃ
ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａ　ｐｅｎｎｉｎｇ　Ｄｉ
ｓｃｈａｒｇｅ　；　１）ｒｏｅ。 ＩＲＪ似（６１）１９２０ （２）　Ｗ、　Ｋｎａｕｅｒ　：　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
　ｏｆ　’ｔｈｅ　Ｐｅｎｎ１１１ｇ　Ｄｉｓｃｈａｒ
ｇｅａｔ　　ＬＯＷ　　Ｐｒｅｓｓｎｒｅｓ　　；　　
Ｊ　　、　　Ａｐｐｌ　　、　　Ｐｈｙｓ　　、　　３
３　（６２）。 ０９３ に示される様に、取出されたイオンビームの運動エネル
ギーの幅が広く、ビームの集束や平行度を良くするため
にはビームラインの構成が非常に困改良したもので、イ
オン発生装置に制御電極を設けることによシ、冷陰極で
ガス効率が良い、しかも取出されたイオンビームの運動
エネルギーの幅を小さくでき、さらには、イオン加速部
などを付加せずにイオン源だけを制御することにより、
出力ビームのイオン運動エネルギの平均値を、大幅かつ
簡易に制御できるという、従来のＰＩＧ形及びプラズマ
生成形イオン源では不可能であった有用な機能を実現す
るイオン発生装置を提供することこの陽極の一方の開口
端に近接して設け、かつｉＩＪ記開口の周辺部を覆う如
く設けた板状部き、該板状部に固着され前記陽極の中空
部（（延在Ｌ７かつ該陽極の中空部と同軸の管状部とか
らなる制御電極と、制御電極の管状部の中空部を覆うご
とく配設された２１％−の陰極と、陽極の他方の開口端
に近接して設け、陽極の中空部と同軸の貫通孔を有する
第二の陰極と、前記各電極を真空内に配置し、前記陽極
と前記制御電極との間及び前記制御電極と前記陰極吉の
間に電圧を印加し、かつ前記陽極の中空’ｌＸｌ５の軸
心方向に磁場を印加し、前記陽極の中空部内にガスを導
入して気中放電を発生させ、この放電により発生したイ
オンを前記第二の陰極に設けた１１孔から取り出す如く
構成したイオン発明する。第２及び３図は、この発明に
よるイオン発生装置の一実施例を示すもので、第２図は
回路図、第３図は要部縦断面図である。なお第１図で示
した部分と共通の部分は同一符号で示し、その詳、？＋
ｌ］を省略する。この実施例では従来装置の共通部分を
用いて適用したが、これに限定されるものではなく、こ
の発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に適用できる。 この実施例に示すイオン発生装置の主要部は、貫通した
中空部（２）を有する陽極（１）と、この中空部（２）
にその軸心に平行な磁場を印加する磁場発生装置（８）
と、上記陽極（１）の一方の開口端に離間かつ近接して
配設され、該陽極（１）の開口の周辺部を覆うごとく配
設された板状部（１０ａ）４、それに固着され陽極の中
空部（２）に延在しかつ中空部（２）と同軸の管状部（
＋ｏｂ）ｃ！：からなる制御＃電極（１０）と、該制御
電極の管状部（Ｊｏｌ））の中空部を覆うごとく配設さ
れた第一の陰極ａυと、陽極（１）の他方の開口端に離
間かつ近接して配設され、陽極の中空部（２）と同軸に
穿設されたイオン取出し用の貫通孔（９）を有する第二
の陰極（１りと、陽極（１）に制御電極（１０）のα位
よりも高い電位を与える電源α［有］と、制御ｔｆｆｌ
　＜１１に第−及び第二の陰極の１１位よりも高い電位
を与える電源（１４）吉陽極の中２Ｐ都へイオンとなる
べき気体を供給する開示さ１ｔない気体源で構成される
。この実施例では、二つの１１極（Ｉｌｌ　、　（１３
は接地されているつ陽極（１）の電位ｖ３及び制御ｉ電
極（１ｏ）の゛１ｄ位ｖｇは適宜選択できるが、放電の
特性りからは好ましくは６００Ｖ＜Ｖｇ〈Ｖ３　５００
Ｖ＝４５００Ｖ　（’）関係がある。 次にこの発明の作用効果を説明する０従来の実施例の特
性を示す線図第４図と１本発明の実施例の特性を示す線
図第５図を対比させながら説明す・るＱ 第４図（ａ）　、　（ｂ）および第５図（ａ）　、　（
ｂ）は、放電部分の空間電位■を、陽極の円筒状中空部
の対称軸に一致する＋Ｍｌ＋をもつ円筒座標（ｒ　、　
’２　）で示しだものである。陰極（４）あるいは（ｔ
υの陽極側の表面を２二〇、陰極（３）あるいはα功の
陽極側の表面を２＝、２４、陽極の長手方向の中心面を
Ｚ　”　Ｚ　１で示しである。 陽極の中空部（２）の半径を「８、陽極心位ンｖａ、陰
１極電位を０ミして示しである。 第４図（ａ）及び第５図（ａ）は「＝０の線に？Ｒつだ
空間電位を示し、・篤４図（ｂ）及び第５図（ｂ）は平
面２−ｚ１上の空間電位を示す。まず従来の装置の場合
を第４図で説明する。放電していない状態で、陽極に電
圧■３が印加されている場合、陽極中空部の中心付近で
は、空間電位はほぼｖａＫ等しくなる０この空間電位を
点線で示しである。放電している状態では、陽極中空部
と２枚の陰極面で包囲される空間に、電子が多数捕獲さ
れ、電子群による空間電荷により陽極中空部に′α場が
形成され、陽極中空部の電位は放電していないときの電
位より大き２下降する。放電している状態での空間電位
分布′を、第４図（ａ）　、　（ｂ）に実線で示す。Ｖ
ｏは陰極降下であり、その値は、イオン源として通常使
用されるＰＩＧ放電においてはｖａに較べて非常に小さ
い。 第４図（Ｃ）は陰極の貝通部（９）より取出されたイオ
ンビームの、イオンの運動エネルギの分布を示す。 なお本発明は取出すイオンの種類を制限するものでなく
、電荷イオンも取出してよいが、説明の簡単な電荷イオ
ンを実施例として採る。横軸Ｕは運動エネルギであり、
縦軸ｆは運動エネルギがＵ以−ヒｕ＋ｄｕ未満・パ）イ
オンの、単位時間に取出される数がｆｄｕであると定義
した分布函数である。 イオンは、放′４部に導入された中性分子等が、電子と
衝突し電離することで生成される。中性分子等と′１１
Ｌ子の大きな質量比のため、衝突で得るイオンの運動エ
ネルギは非常に小さい。イオンが取出された部ｆ（′１
のＩ’Ｊ、位は陰極電位と等しく、０であるから、イオ
ンの運動エネルギは、実際北、その発生した部位の空間
電位Ｖと陰極は位の差だけ加速されたもので、電子の゛
電荷を−ｅ、５おくと、ｅｖである。イオンはｖｏ以上
ｖａ未満の電位で生成されるので、ｆはｅＶ、）≦Ｕ≦
ｅ　Ｖａの範囲だけで、０で吃い値をとり得る。第４図
（Ｃ）は実測した例である。 １）　Ｉ　（］イオン源の大きな欠点であるｆの広い分
布は空間電位がｖｏからｖａの広い範囲に分布すること
が原因である。 以下第５図を用いて本発明の作用、効果を説明する。 本発明による装置は、空間ｔ１位の分布を狭い範囲に限
り、ｆの狭い分布を実現したものである。 Ｕ御電極（１０）の電位Ｖｇは、外部より与えられるの
で制御電極のある位置での制御電極がないと仮想した場
合（第４図で示した様な場合）の空間電位ｖｇ′と実際
ト一致しないと考えてよい。まずｖ、　＞　ｖｇ’の場
合を考えると、電子はポテンシャルエネルギの低い制御
電極（ｌＯ）に衝突吸収される。ドリフト速度は非常に
大きいので、電子の密度は急激に減少し、その空間電荷
による電場は同じく急激に減少する。陽極の電位ｖａは
外部から与えられているので、電場の減少の結果、空間
電位は陽極電位に近づき、ｖ　／　、−Ｖｇミなるまで
この変化は進行する。 電子はドリフト運動とドリフト中心の牛わりの軸回；軍
動とにより大きな運動エネルギを有するＯｋってｖ、’
＝ｖｇとなっても引きつづきα子密度の減少は続き・■
ｇ′〉Ｖｇとなる。ｖｇ′と■２の差ｈ′−ｖｇが過大
になると、制御成極のポテンシャルエネルギが過大とな
るため、′電子は制御成極に到達しなくなり、制御ｉｌ
Ｉ電極との衝突による′成子密度に減少は無くなシ、制
御電極が無い場合の空間シ位分布に近づく様に、成子密
度が増加し、その結果として■２′が減少し、ｖｇ′−
ｖｇが過大でなくなる中でこの過程は進行する。Ｖｇ’
　−Ｖｇが、・１子の運動エネルギ等で決まる一定値に
なったときに、放ｉ［は安定Ｌ、かつ安定でない場合に
は安定状態へ移行する。すなわち、空間電位等を制御゛
Ｔるという作用を、ｆ：ｉｌｌ　（ｉｌｌ　’ｉ［極は
有する。制御された空間電イオンビームの運動エネルギ
分布函数ｆを示す第５図（Ｃ）に示される。

【は、第４
図（ｃ）に示しだ場合と同様に、ｅＶ（、＜　ｕ　（ｅ
ｖａだけで零でない値を持し、第５図ＣＣ）に示される
様な曲線となる。制ｉ、［（ｔされた放１１ではりの最
小値ｅＶｏは、必要に応じ技術的に可能な範囲で、犬き
くできる。エネルギの最大値と最小値の差ｅ（ｖａ−Ｖ
ｏ）は、放成を維持するため一定値以上必要であるが、
Ｖａ及びＶ。を可能な限シ犬きくすることＫより、エネ
ルギ幅の相対値を表わす数γ ｔシ（Ｖ　　−Ｖ　　）　　　　　Ｖ。 ｖａｖａ は】より非常に小さくできる。一方従来の装置では「ミ
１である。これがこの発明の第一の効果である。 次にこの発明による他の効果を説明すると、電源（１４
）の出力電圧を変化させると、Ｖ、　＝Ｖｏの随を変化
させずに、ｖｏの値を変化させることができる。 すなわち、陰極と他の電極の間の電圧で、イオンの平均
エネルギを制御することができる。これがこの発明の第
二の効果である。

【図面の簡単な説明】

第１　ｊＸＪは従来のＰＩＧ形イオン９６生装置の榴成
を示す図、第２図（・よこのう６明のイオン発生装置４
の一実施例を示す回路図、第３図はこの発明の一実施例
の要部を示す断面図、第４図は従来のＰ　Ｉ　Ｇイオン
発生装置の特性を示す線図、第５図はこの発明の実施例
の特性を示す線図、である。 （１）・・・陽極、（２）・・・中空部、（３）　、　
（４）・陰極、（５）・・・真空容器、（８）・・・磁
場発生装置、（９）・・イオン取出し貫通孔、鱈・・制
御電極、（ｌｏａ）・・・板状部、（Ｊｏｂ　）・・管
状部、ａυ・・・第一の１粛極、（１２１−第二の陰極
、（！３）　、　Ｈ・・・ｉｄ源。 第　　１　図 第　　２　図 第　　４　図 （α）（ム） 第５図 （Ｃノ ヂ （Ｃ〕 ρ　　　　　ピＶｌ　　　　ｕ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 貫通した中空部を肩する陽極と、この陽極の一方の開口
   端に離間かつ近接して配設され、該陽極のし：４０の周
   辺部を覆うごとく配設された板状部と該板状部に固着さ
   れ該陽極の中空部に延在し、かつ該陽極の中空部と同軸
   の管状部とからなる制御゛「電極と、該制御電極の管状
   部の中空部を覆うごとく配設された第一の陰極と、陽極
   の他方の開口端に離間かつ近接して配設され、該陽極の
   中空部と同軸のに通孔を有する第二の陰極と、陽極には
   制御電極電位よりも高い電位を与える手段と、第−及び
   第二の陰極には制御電極電位よシも低い電位を与える手
   段と、前記陽極の中空部にその軸心に実質的に平行な磁
   場を印加する手段と、前記陽極の中空部にイオンとなる
   べき気体を供給する手段とを具備したことを特徴とする
   イオン発生装置０