JP2001338589A - 電子サイクロトロン共鳴イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス媒質を導入する導管、ガス媒質を励振す
るための高周波を注入する導波管、イオンの抽出部を有
する真空容器、及び真空容器に磁場を印加するための永
久磁石からなる電子サイクロトロンイオン源において、
所要のイオンを得るのに必要な磁束密度分布を容易に得
られるようにすること。 【解決手段】 真空容器の中心軸に平行な方向の磁場を
形成する永久磁石、中心軸に垂直な面で中心軸に対し放
射状の方向の磁場を形成する永久磁石のそれぞれについ
て、着磁の方向を真空容器の中心軸の平行方向及び垂直
方向からずらすこと、及び各永久磁石の設置位置を可変
とすることで、必要な磁束密度分布が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マルチチャージイ
オンを作るための電子サイクロトロン共鳴イオン源の、
特に、最適磁場を形成するための永久磁石の磁場方向に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】共鳴磁場中に高周波の電磁波を供給し、
希薄気体中で電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を生じ
てプラズマを発生させてイオン源とする装置が、粒子加
速器用のイオン源などとして用いられている。

【０００３】ＥＣＲ型イオン源では、従来は強い磁界を
形成できる直流の電磁石を共鳴磁場形成用として用いる
構成が一般的であった。しかし、電磁石を用いる構成で
は、装置が大型化する上に、電磁石を駆動するのための
消費電力が大きくなるという欠点があり、また消費され
る電力が最終的に熱に変わるために永久磁石の冷却機構
が必要なため、装置がさらに大型化するという問題があ
った。

【０００４】近年では、ＳｍＣｏ磁石やＮｄ―Ｆｅ―Ｂ
磁石のように小型で強力な永久磁石の開発が進められた
ため、上記の直流の電磁石の代わりに、これらの永久磁
石を用いることで装置の小型化を図る方法が検討されて
いる。図９は、そのような永久磁石を用いたＥＣＲ型プ
ラズマ発生装置の例である。永久磁石では、巻線がない
ので装置の小型化が図られるほか、電磁石と異なり磁石
内での磁極の位置をかなり自由に設定できるために、プ
ラズマ発生装置としてより好適な磁場分布を容易に得る
ことができる。さらに、磁場発生のための電力供給が不
要なので、通常の構成では冷却機構を設ける必要がな
く、消費電力の低減、装置の小型化の点で有利である。

【０００５】永久磁石を用いたＥＣＲ型イオン源の従来
例について、図９に基づいて説明する。図９は、従来の
ＥＣＲ型プラズマ発生装置の中心軸方向での断面図であ
る。このＥＣＲイオン源は、中央に密封された真空の容
器を有し、その外側に円筒状の永久磁石５３２、５３
４、５３６、５３８、５４６および永久磁石５４０を配
置した構成をとっている。真空容器は、互いに絶縁され
た導電性の内壁により囲まれており、両者の間に高周波
の交流電界が印加される構造である。永久磁石５４０
は、マルチポールの構造を持つ永久磁石であり、複合永
久磁石５４０は、後述の円輪状の永久磁石５３２、５３
４、５３６、５３８、５４６により印加される直流磁場
を中央の真空の領域内に押さえ込む作用を有している。

【０００６】一方、円筒状の永久磁石５３２，５３４，
５３６，５３８，５４６の着磁の向きは、図９に示した
矢印の向きであり、中央の真空容器を図９の左右方向に
通過する一連の閉じた磁場を形成する。これらの永久磁
石により、中央の真空領域には、中心軸上に対称に磁場
が形成されることになる。中心軸上における中心点の断
面での印加磁場による磁束密度の大きさは、中心軸上で
は磁場強度がやや低く、真空の領域の壁面に近づくほど
強度が大きくなっている。

【０００７】真空容器内に投入された高周波の交流電界
によって真空の領域内に発生する電子やイオンなどの荷
電粒子は、上記の磁場分布のために真空の領域内に安定
的に存在することができるので、イオン源である気体分
子やイオンとの相互作用が連鎖的に進み、そのためプラ
ズマの継続的な発生が行われることになる。以上記した
ＥＣＲイオン源では、永久磁石の使用により強力かつ荷
電粒子の閉じ込めに好適な磁場分布を容易に達成できる
ので、電磁石を用いた旧来のイオン源に比べ特段の小型
化とそれに伴うコストの低減化、および低消費電力化が
達成できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
永久磁石を用いたＥＣＲイオン源は、以下の２つの課題
を抱えていた。１つは、同等のプラズマ発生の能力を維
持したままでの装置の小型化、もしくは同等寸法の場合
のプラズマ発生能力の向上であり、もう１つは、形成す
る印加磁場を微調整する方法である。このうち、装置の
小型化もしくは能力の向上は、永久磁石による発生磁場
の更なる向上の必要性と考えることができる。

【０００９】永久磁石の使用によってＥＣＲイオン源は
大幅な小型化およびそれに伴うコストダウンを達成した
が、この分野で用いられるＳｍＣｏやＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁
石は高磁力ではあるものの一般に高価であり、また加工
が困難であるので大型の磁石を作製することが困難であ
るという問題を抱えている。従って、永久磁石による発
生磁場を改良して印加磁界のプラズマ発生への寄与の効
率を向上させることは、コストダウンにつながる他に、
従来は困難であった、より強力なＥＣＲイオン源の製造
を可能にする効果を有する。

【００１０】また、このＥＣＲイオン源を実験用粒子加
速器用のイオン源として用いる場合は、イオン源の種類
やその発生条件を変えながら複数の条件にて様々な実験
を繰り返すことになる。この場合、実験条件の変更に伴
いプラズマ発生に最適な印加磁場分布も変化するが、図
９に示した従来のＥＣＲイオン源の例では印加磁場の条
件を変更することが全くできない。この２点に関するＥ
ＣＲイオン源の改善が求められていた。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を達成するべく種々検討を重ねた結果、ＥＣＲイオン源
の中央の密封された真空の領域の周囲に配設される各永
久磁石の構成を見直すことで課題を解決しうることを見
いだした。すなわち、図９に示される従来例の永久磁石
５３２、５３４、５３６、５３８、５４６では、各永久
磁石での着磁の向きがＥＣＲイオン源の中心軸に対して
互いに平行、もしくは垂直の２種類のみであったことに
対し、各永久磁石の着磁の向きを平行もしくは垂直な向
きから傾けることで、互いに隣り合う永久磁石間での着
磁の方向の相対的な変化が小さくなるようにした。ま
た、ＥＣＲイオン源の中心軸に対し、垂直に配設した永
久磁石の外側に着磁方向をずらした永久磁石をさらに配
設することで、ＥＣＲイオン源の真空容器での磁場の閉
じ込めをさらに向上させることができた。

【００１２】さらに、各構成永久磁石の間に空隙を設
け、各永久磁石をイオン源の中心軸に平行な方向にそれ
ぞれ可動とすることで実験条件の変更に伴うＥＣＲイオ
ン源の印加磁場の条件の変更を可能とした。ここで、各
永久磁石間の空隙の存在は、互いに隣り合う永久磁石間
での着磁の方向の相対的な変化を吸収する効果を有する
ために、空隙を設けたことによる永久磁石の全体的な体
積の減少の影響が打ち消され、印加磁場の強度の大幅な
低減が生じることはない。

【００１３】即ち、本発明による電子サイクロトロン共
鳴イオン源は、電子サイクロトロン共鳴によりイオン化
されるガス媒質が封入されている真空容器と、真空容器
の長さ方向の両端に、それぞれ設けられた入力端部と出
力端部、真空容器の入力端部側より前記ガス媒質を導入
する手段と、真空容器の長さ方向に対して垂直な断面で
のインダクション値が、真空容器の長さ方向の中心軸上
の位置において極小となるような、軸対称の磁場を形成
する外部磁界印加手段を有し、真空容器内において前記
ガス媒質より発生するイオンおよびプラズマを閉じ込め
ることができる。

【００１４】また、本発明は、前記外部磁界印加手段
が、真空容器に対し、長さ方向の磁場を形成する永久磁
石と、真空容器の長さ方向に対し、放射状の磁場を形成
するための永久磁石とから構成されており、前記密閉容
器の出力端部側に該容器内にて前記ガス媒質より発生し
たイオンを抽出し導出する手段を有する電子サイクロト
ロン共鳴イオン源において、真空容器の長さ方向と略同
方向に磁場を形成する永久磁石による磁場の方向を、前
記長さ方向に対して非平行に配設し、かつ真空容器の長
さ方向に対し、放射状に磁場を形成する永久磁石による
磁場の方向を、前記長さ方向に垂直な断面に対して非平
行に配設したことを特徴とする電子サイクロトロン共鳴
イオン源である。

【００１５】また、本発明は、前記の電子サイクロトロ
ン共鳴イオン源において、真空容器の長さ方向と略同方
向に磁場を形成する永久磁石が、３個の永久磁石から構
成され、両端の一方である第１の永久磁石による磁場の
方向を、真空容器長さ方向の軸に対して５〜５０度傾け
た向きとし、両端の他方である第３の永久磁石による磁
場の方向を、軸に対して、第１の永久磁石とは逆向きに
５〜５０度傾けた向きとしたことを特徴とする電子サイ
クロトロン共鳴イオン源である。

【００１６】また、本発明は、前記の電子サイクロトロ
ン共鳴イオン源において、真空容器の長さ方向に対し
て、入力端部側に取り付けられた放射状に磁場を形成す
る第１及び第２の永久磁石による電磁場の方向を、第１
の永久磁石の方は軸に向かい、軸に対して３０〜８５度
傾けた向きとし、また第２の永久磁石による磁場の方向
を、軸に向かい、かつ軸に対して、第１の永久磁石とは
逆向きに３０〜８５度傾けた向きとし、さらに出力端部
側に取り付けられた放射状に磁場を形成する第１及び第
２の永久磁石による磁場の方向を、第１の永久磁石の方
は前記中心軸から離れる方向で、かつ軸に対して３０〜
８５度傾けた向きとし、また第２の永久磁石による磁場
の方向を、軸から離れる方向でかつ軸に対して第１の永
久磁石とは逆向きに３０〜８５度傾けた向きとしたこと
を特徴とする電子サイクロトロン共鳴イオン源である。

【００１７】また、本発明は、電子サイクロトロン共鳴
イオン源において、前記の磁場形成用の永久磁石の設置
位置を前記密閉容器の長さ方向に移動しうる機構を具備
したことを特徴とする電子サイクロトロン共鳴イオン源
である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施の形態による電子サ
イクロトロン共鳴イオン源の断面図である。この電子サ
イクロトロンイオン源は、導波管１０１を具備し、真空
容器からなっている。真空容器１０２の断面は、円形で
あり３０ｍｍを用いた。真空容器は、入力端部１と出力
端部２を有し、軸３を中心に、軸対称となっている。

【００２０】ガス媒質を注入する導管１０３と、真空容
器１０２を真空にするための真空ポンプの継ぎ手１０４
を具備している。導波管１０１は、入力端部１に、１
４.５ＧＨｚの高周波の周波数を注入し、その電磁場に
て、励振される。導波管１０１は、非磁性の金属を使用
した。また、ガス注入口（１０３）を具備している。

【００２１】真空容器に、イオン化するためのガス、ま
たは金属蒸気を導管１０３より注入し、プラズマを発生
させるために、真空の容器に高周波を注入する。導管１
０１は、入力の端部１より、導波管の中央部手前まで伸
びている。導管１０３と導波管１０１は、真鍮を使用す
る。真空容器内を真空ポンプを用い、継ぎ手１０４を使
用して１.１×１０^−５〜３.５×１０^−４Ｐａの真空度
とする。

【００２２】導波管１０１の出力端部２とイオン出力口
１０５を有し、その延長上にイオン抽出電極を設ける。
イオン抽出電極は、接地電極とし、ＥＣＲを接地電位の
中間の電位を与える。イオン抽出電極と、容器を保持す
る保持部材５および導波管１０１は、電気的に絶縁され
ていることが必要であり、保持部材５は、イオン抽出電
極を保持する機能を持つ。イオン抽出電極導は、軸３を
中心とする同軸上に形成することになる。

【００２３】図１に示すように、真空容器１０２内に磁
場を形成するため、永久磁石を配置する。永久磁石は、
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁性材料を使用する。真空容器また
は導波管の入力端部１の周囲に、軸３に対して、軸対称
に円筒状の永久磁石３０１、３０２を配置し、出力端部
２に円筒状の永久磁石３０３、３０４を、軸３に対して
軸対称に配置する。入力端部１の永久磁石３０１、３０
２と、出力端部２の永久磁石３０３、３０４は、真空容
器１０２内に軸対称に放射状の磁場を形成し、入力側の
磁場は軸中心へ向かう方向をもち、出力側の磁場は軸か
ら外側へ向かう方向をもつ。

【００２４】入力側の永久磁石３０１は、軸３に対して
−５〜−６０度の角度を有し、永久磁石３０２は永久磁
石３０１と対をなしており、軸３に対して＋５〜＋６０
度の角度を有している。出力側の永久磁石３０３は、軸
３に対して−５〜−６０度の角度を有し、永久磁石３０
４は永久磁石３０３と対をなしており、軸３に対して＋
５〜＋６０度の角度を有す。永久磁石３０１、３０２と
永久磁石３０３、３０４の軸３方向の長さは、永久磁石
３０１、３０２の方が、長くなるように設定する。

【００２５】図２に、永久磁石３０１、３０２、３０
３、３０４の構造を示す。製造方法は、直方体の永久磁
石のブロックを厚み方向に着磁し、着磁方向に対して上
記設定角度に切断し、扇型に加工し、それを円筒状に組
上げる。

【００２６】永久磁石３０５、３０６、３０７を同様に
して軸３に対して軸対称に配置する。永久磁石３０５の
磁場方向は、軸３に対して−５〜−５０度の角度を有
し、永久磁石３０６は、軸３に対して＋５〜＋５０度の
角度を有す。永久磁石３０７は、軸３に対して同方向の
磁場方向をもつ。ここで、永久磁石３０５、３０６の構
造は、磁場方向が異なる以外は、図２と同様な構造であ
る。永久磁石３０７は、円筒状で、一体構造をとってい
る。

【００２７】永久磁石３０１、３０２、永久磁石３０
３、３０４、永久磁石３０５、３０６、３０７を使用し
て、真空容器１０２内に磁場を発生させる。

【００２８】図３に、永久磁石３０８の構造を示す。永
久磁石３０８は、放射状の磁化構造をとり、６極のマル
チポール磁性体を成している。磁化の極性は、交互に着
磁されている。永久磁石３０８は、真空容器の容器内に
放射状の磁場を形成している。発明の実施の形態では６
極のマルチポール構造の永久磁石を使用したが、６極の
マルチポール構造以外でも実現できる。

【００２９】図４は、永久磁石３０１、３０２及び永久
磁石３０３、３０４の磁場方向の最適角度を決定するた
めのデータであり、軸３に対して−６０度及び＋６０度
で磁束密度の最大値をとる。９０度のときは従来例とな
る。従って、９０度に対して角度を減ずると、磁束密度
は上昇する。しかし明らかに有意差が認められる範囲は
３０〜８５度である。

【００３０】図５は、永久磁石３０１、３０２を−６０
度と＋６０度とし、同様に永久磁石３０３、３０４を−
６０度と＋６０度に固定したときの永久磁石３０５、３
０６の軸３に対する角度を変化させたときの角度と磁場
の関係を示すのグラフである。図６は、永久磁石３０
５、３０６の磁束の方向と軸３がなす角度と、軸３の中
心軸に垂直な面の磁束密度が５２００Ｇとなる部分の長
さの関係を示したグラフである。

【００３１】図７は、図１に示したものとまったく同じ
構成で、大きさの異なる装置について、永久磁石３０
５、３０６の軸３に対する角度と、軸３の中心点での軸
３に対して垂直な面の磁束密度分布を測定した結果を示
す。横軸は測定器からの距離を示している。この結果、
使用可能な角度の範囲は、永久磁石３０５が＋１０〜＋
５０度で、最適値は＋３０度、永久磁石３０６は−１０
〜−５０度で、最適値は−３０度である。この結果永久
磁石３０５が＋３０度、永久磁石３０６が−３０度の磁
場方向のとき最適値をとり、最もプラズマの発生するエ
リアが広くなり、イオン発生率が向上する。

【００３２】図８は、図７の場合と同じく図１に示した
ものとまったく同じ構成で、大きさの異なる装置につい
て、永久磁石３０５、３０６の位置を変化させたときの
軸３の中心点での軸３に対して垂直方向の面での磁束密
度分布図である。横軸は測定器からの距離を示してい
る。永久磁石保持部１０５を使って、永久磁石３０５、
３０６の位置を移動することにより、磁束密度分布が調
整されることを示している。本発明のＥＣＲイオン源を
使用して、イオン加速装置、半導体イオン注入装置、イ
オンビームスパッタ装置、イオンビームエッチング装置
等に利用できる。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明したごとく、本発明によれ
ば、真空容器１０２内に軸対称の磁場を形成する方法と
して、永久磁石の着磁方向を最適化したことにより、ま
た、軸対称の磁場形成に使用する永久磁石の位置を最適
化できるように可変構造をとったことにより、従来の電
子サイクロトロン共鳴イオン源のイオン発生率を１０％
向上することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による電子サイクロトロン
共鳴イオン源の断面図。

【図２】図１の永久磁石（３０１，３０２，３０３，３
０４，３０５，３０６）の断面図。

【図３】図１の永久磁石（３０７）の断面図。

【図４】永久磁石３０１，３０２及び３０３，３０４の
磁場方向と磁束密度の関係を示すグラフ。

【図５】永久磁石３０５，３０６の磁場方向と磁束密度
の関係を示すグラフ。

【図６】永久磁石３０５、３０６の磁場方向と磁束密度
が５２００Ｇとなる部分の長さの関係を示すグラフ。

【図７】永久磁石３０５、３０６の磁場方向と磁束密度
分布の関係を示すグラフ。

【図８】永久磁石３０５、３０６の位置移動による磁束
密度分布の変化を示す図。

【図９】従来の電子サイクロトロン共鳴イオン源の例を
示す図。

【符号の説明】

１ 入力端部 ２ 出力端部 ３ 軸 ４ 保持部 ５ 保持部材 １０１ 導波管 １０２ 真空容器 １０３ ガス媒質注入口 １０４ 継ぎ手 １０５ 永久磁石保持部 １０６ イオン出力口 ３０１ 永久磁石（３０２と対） ３０２ 永久磁石 ３０３ 永久磁石（３０４と対） ３０４ 永久磁磁石 ３０５ 永久磁石（補助磁石） ３０６ 永久磁石（補助磁石） ３０７ 永久磁石（補助磁石・角度０） ３０８ 永久磁石（６極マルチポール構造） ４１ 最大磁束密度 ４２ 最小磁束密度 ７１ 磁場方向の角度が５°での磁束密度分布 ７２ 磁場方向の角度が２０°での磁束密度分布 ７３ 磁場方向の角度が３０°での磁束密度分布 ７４ 磁場方向の角度が５０°での磁束密度分布 ８１ 磁石移動前の磁束密度分布 ８２ 磁石移動後の磁束密度分布 ５３２ 永久磁石 ５３４ 永久磁石 ５３６ 永久磁石（補助磁石） ５３８ 永久磁石（補助磁石） ５４０ 永久磁石 ５４６ 永久磁石（補助磁石）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子サイクロトロン共鳴によって、加速
   された電子によるプラズマの形成のために、イオン化が
   可能なガス媒質を封入している真空容器（１０２）と、
   真空容器（１０２）の長さ方向の両端に入力端部（１）
   と出力端部（２）をもち、真空容器（１０２）内に、ガ
   ス媒質をイオン化するための電磁場と、真空容器（１０
   ２）の入力端部（１）より前記ガス及び電磁波を注入す
   る手段と、真空容器（１０２）内で、長さ方向に対して
   垂直である容器の断面でのインダクション値が極小であ
   るような、軸対称の磁場を発生させる手段と、真空容器
   （１０２）において、放射状に磁場を形成するための永
   久磁石と、真空容器（１０２）の出力端部（２）よりイ
   オン抽出するイオン抽出部をもつ電子サイクロトロン共
   鳴イオン源において、真空容器（１０２）の軸（３）に
   対して、軸対称の磁場を発生させる永久磁石（３０５，
   ３０６）の磁場方向を、軸（３）に対して一定の角度を
   なすように設定し、放射状の磁場形成するための永久磁
   石（３０１，３０２，３０３，３０４）の磁場方向を、
   軸（３）に直交する面に対して一定の角度をなすように
   設定したことを特徴とする電子サイクロトロン共鳴イオ
   ン源。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電子サイクロトロン共鳴
   イオン源において、真空容器（１０２）の長さ方向の軸
   （３）に対して、軸対称の磁場を形成するための永久磁
   石（３０５）の磁場方向が、軸（３）に対して５〜５０
   度の角度をなし、かつ、磁場の向きが軸（３）側であ
   り、永久磁石（３０６）の磁場方向が、軸（３）に対し
   て５〜５０度の角度をなし、かつ磁場の向きが軸（３）
   の反対側であることを特徴とする電子サイクロトロン共
   鳴イオン源。
3. 【請求項３】 請求項１ないし請求項２のいずれかに記
   載の電子サイクロトロン共鳴イオン源において、真空容
   器（１０２）の軸（３）に対して、放射状の磁場を形成
   するための永久磁石（３０１）の磁場方向が、軸（３）
   と直交する面に対して３０〜８５度の角度をなし、かつ
   磁場の向きが永久磁石（３０２）側、永久磁石（３０
   ２）の磁場方向が軸（３）と直交する面に対して３０〜
   ８５度の角度をなし、かつ磁場の向きが永久磁石（３０
   １）側であり、永久磁石（３０３）の磁場の方向が軸
   （３）に対して６０度の角度をなし、かつ磁場の向きが
   永久磁石（３０４）の反対側、永久磁石（３０４）の磁
   場の方向が軸（３）に対して６０度の角度をなし、かつ
   永久磁石（３０３）の反対側であることを特徴とする電
   子サイクロトロン共鳴イオン源。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の電子サイクロトロン共鳴イオン源において、永久磁
   石（３０１，３０２）と、永久磁石（３０３，３０４）
   と、永久磁石（３０５，３０６）及び永久磁石（３０
   ７）の設置位置を可変とする機構を具備したことを特徴
   とする電子サイクロトロン共鳴イオン源。