JP2006513536A - イオン加速器装置 - Google Patents

Abstract

本発明では、イオン加速器装置に対して、カスプ構造を有する磁界と長手方向軸に対して横断方向に延長されたイオン化チャンバ横断面との組み合わせが提案される。これは有利にはイオン流のスケーリングを可能にする。

Description

本発明はイオン加速器装置に関する。

イオン加速器装置は例えば表面処理のためにとりわけ半導体技術において又はスペースミサイルの推進部として使用される。イオンは、大抵の場合、推進目的のための中性作業ガス、とりわけ希ガスから発生され、加速される。イオンの発生及び加速のためにとりわけ２つの構造原理が定着している。

グリッド加速器ではプラズマから正に帯電したイオンがグリッド装置によって取り出され、２つのグリッドの間で静電的に加速される。このグリッド装置ではプラズマチャンバに隣接する第１のグリッドがアノード電位にあり、ビーム射出方向にシフトされた第２のグリッドがより負のカソード電位にある。このような装置は例えばＵＳ３６１３３７０から公知である。空間電荷効果によってこのような加速器装置のイオン流密度は低い値に限定される。

もう１つの構造形式はプラズマチャンバを有し、このプラズマチャンバは、一方で正に帯電したイオンをビーム射出開口部の方向に加速するための電界と、他方で中性作業ガスのイオン化に使用される電子をガイドするための磁界とが組み合わされている。とりわけリング状プラズマチャンバを有する加速器装置が以前から使われており、このリング状プラズマチャンバでは磁界が主にラジアル方向に経過し、電子は電界及び磁界の影響の下で閉じたドリフト軌道上を運動する。このような加速器装置は例えばＵＳ５８４７４９３から公知である。

これとは理論的にかつ実用的に極めて異なるパルスプラズマ加速器の構成は、例えばＤＥ１５３９２６４から公知のように、平坦なプラズマチャネルの相対する側面に電極レールを有する。これらの電極レールの間ではパルス状の放電によってチャネル内に存在する作業ガスにおいて電流がこのチャネルの長手方向に対して横断方向に流れ、プラズマが生じる。電極レールによる電流ループ及びプラズマチャンバを通る電流は磁気的な排除によってイオン化されたガスのパルス状噴出を引き起こす。

プラズマチャンバにおいて電界及び磁界を有する新しいタイプのクローズド・エレクトロン・ドリフト型イオン加速器装置では、磁界は、第２の種類の長手方向区間における主に長手方向に対してパラレルなフィールド経過及び第１の種類の長手方向区間における主に長手方向に対して垂直な、とりわけラジアル方向の経過を有する特別な構造を示し、これらの長手方向区間はとりわけカスプ（ｃｕｓｐ）とも呼ばれる磁界の経過を示す。この装置は有利には第１及び第２の種類の交互する連続した長手方向区間によって多段に構成される。このようなイオン加速器装置は例えばＤＥ１００１４０３３Ａ１、ＤＥ１０１３０４６４Ａ１又はＤＥ１９８２８７０４Ａ１から公知である。

本発明の課題は、フレキシブルに変更可能な構造原理を有するイオン加速器装置を提供することである。

本発明は特許請求項１に記述されている。従属請求項は本発明の有利な実施形態を含む。

本発明は、それ自体はＤＥ１００１４０３３Ａ１から公知の磁界構造を基礎とする。イオン化チャンバは長手方向に対して横断方向に経過する切断面において単純につながっている横断面（eine einfach zusammenhaengende Querschnittsflaeche）を有し、すなわち、リング状イオン化チャンバにおいて中心に向かってラジアル方向にチャンバを限定する中心部分なしで構成される。

円形状のチャンバ横断面からの意図的な逸脱及び１つの横断方向のチャンバ横断面を第２の横断方向のチャンバの寸法に対して相対的に有利には少なくともファクタ２だけは拡大することは、装置の他のパラメータを保持しながら、送出されるイオン流の必要ならば十分に任意のスケーリングを可能にする。この装置はとりわけ横断面に関連して有利なプラズマ密度を有する。

本発明を次に有利な実施例に基づいて図面を参照しつつ詳しく説明する。

図１はイオン化チャンバの基本形状を示し、
図２はｚ−ｘ平面における断面図を示し、
図３は部分的にｘ−ｙ平面における断面図を示し、
図４はｙ−ｚ平面における断面図を示す。

前方からイオン射出開口部ＡＯを見た場合の斜視図である図１の斜視図には、本発明のイオン加速器装置におけるイオン化チャンバＩＫの基本形状が概略的に示されており、このイオン化チャンバＩＫはこの概略図において分かりやすいようにほぼ平行６面体状にｙ方向の幅ＫＢ、ｚ方向の高さＫＨ及びｘ方向の長さＫＬによって図示されている。この座標系の座標軸はイオン化チャンバの主軸の方向に置かれている。座標原点はアノード電極の近くのイオン化チャンバの足部において装置の中心長手方向軸の延長線上に配置されており、この中心長手方向軸はこの概略的な例ではｘ軸と一致している。ｘ方向は長手方向とも呼び、ｙ及びｚ方向は横断方向と呼ぶ。イオン化チャンバは有利にはｘ−ｚ平面に対してもｘ−ｙ平面に対しても鏡面対称である。

ｙ方向においてこのチャンバを限定する縁部部分ＲＢは有利には完全な平行６面体形状ではなく、このイオン化チャンバを限定するチャンバ壁の丸まった形の壁面を有する。ｙ方向における中心領域ＭＩではチャンバＩＫの高さＫＨは実質的に一定である。イオン化チャンバは、ここでは簡略化した説明のために、以下においては実質的にシリンダ状であり、すなわちｘ方向において変わらない断面積を有すると仮定する。しかし本発明はこれに限定されるものではない。図１では、わかりやすさのために、電極装置、マグネット装置ならびに電界及び磁界の経過は書き込まれていない。

図１の座標系のｘ−ｚ平面の図２の断面図からは、とりわけイオン化チャンバにおけるそれ自体は公知の基本となる磁界の典型的な経過が具体的に見て取れる。この磁界ＭＦは次のことによって特徴付けられる。すなわち、装置の長手方向（ｘ）において第１の種類の長手方向区間ＭＡ１及び第２の種類の長手方向区間ＭＡ２が相次いで連続しており、第１の種類の長手方向区間ＭＡ１では磁界は主にｙ−ｚ平面に対してパラレルに、つまり長手方向に対して垂直に経過し、第２の種類の長手方向区間ＭＡ２では磁界は主に長手方向ｘに対してパラレルに経過する。第１の種類の長手方向区間では磁界の長手方向成分の方向が正反対になっている。第１の種類の長手方向区間ＭＡ１における磁界構造はカスプ構造とも呼ばれる。第１及び第２の種類の長手方向区間は直接互いに連続するか、又は、図のように中間区間によって長手方向において間隔をおいて配置されうる。磁力線は第１の種類の長手方向区間から連続的に、場合によってはそれらの間にある中間区間を貫いて第１の種類の長手方向区間ＭＡ１の中へと続いていく。磁界がイオン化チャンバにおいて長手方向に交互にここに記述される特徴的なフィールド経過を有する複数の第１の種類の長手方向区間及び複数の第２の種類の長手方向区間を有するように、マグネット装置乃至は磁界は有利には多段式である。磁界ＭＦはそれ自体は公知のやり方でコイル及び／又は永久磁石ＰＭを用いて発生されうる。

電極装置はそれ自体は公知のやり方でイオン化チャンバＩＫのイオン射出開口部ＡＯに配置されたカソードＫＡ及びｘ方向においてこのイオン射出開口部の反対側に配置されたアノードＥＡを含む。有利には、とりわけ有利なマグネット装置の多段構成において、さらに中間電極ＥＺ１、ＥＺ２、ＥＺ３がイオン化チャンバの壁面ＷＡに設けられており、これらの中間電極ＥＺ１、ＥＺ２、ＥＺ３はとりわけアノード電位とカソード電位との間の固定的な又は滑らかに変化する中間電位にある。アノードＥＡは有利には図示されているようにイオン射出開口部ＡＯに向かい合ったイオン化チャンバの底部に配置されている。カソードＫＡは図２ではそれ自体は公知のやり方で長手方向においてイオン射出開口部にこの開口部の横にシフトされて配置されている。とりわけこのカソードは作業ガスのイオン化のためにイオン化チャンバに注入すべき一次電子のための及び／又は射出イオンビームＰＢに電気的中和のために加えられる電子のための電子源として使用される。中性作業ガスＡＧは有利にはアノードＥＡの領域においてイオン化チャンバに注入される。

別の有利な実施形態では、カソードは、電子を放出しない、従って中和器及び／又は一次電子源としてガスイオン化に使用されない電極として構成されうる。この場合、カソードは有利にはイオン化チャンバの射出開口部を取り囲みかつカソード電位にあるハウジング部材によって与えられる。

図２において破線で概略的に記入された電極装置の静電界ＥＦの影響の下に、電子はアノードへと加速され、正に帯電されたガスイオンはイオン射出開口部へと加速され、電子は磁界の影響を受けて磁界の第１の種類の長手方向区間ＭＡ１においてリング状に閉じたドリフト流ＤＳを長手方向の周囲に形成する（図４）。図３では、図１のｘ−ｙ平面の断面図の一部分が示され、この領域における典型的な磁界経過の図示を有している。図４は、典型的な磁界経過及びリング状に閉じたドリフト流ＤＳの図示を有する長手方向区間ＭＡ１の領域におけるｙ−ｚ平面にパラレルな断面の断面図を示す。ドリフト流の回転方向は第１の種類の長手方向区間ＭＡ１における磁界のラジアル方向に依存し、それぞれ長手方向において連続する第１の種類の長手方向区間ＭＡ１の間で変化する。図４では、付加的に、マグネット装置ＰＭがチャンバ外周を取り囲むように図示されており、このマグネット装置ＰＭはコイル又は有利には永久磁石によって形成されうる。電極装置及び／又はマグネット装置は有利にはそのジオメトリにおいてイオン化チャンバの引き伸ばされた横断面形状に適合される。

上記の及び請求項に記載のならびに図面から見て取れる特徴的な構成は個別にも様々な組み合わせにおいても有利に実現可能である。本発明は上記の実施例には限定されず、当業者の能力の枠内で様々なやり方で応用可能である。

イオン化チャンバの基本形状を示す。 ｚ−ｘ平面における断面図を示す。 部分的にｘ−ｙ平面における断面図を示す。 ｙ−ｚ平面における断面図を示す。

符号の説明

ＡＯ イオン射出開口部
ＩＫ イオン化チャンバ
ＫＢ 幅
ＫＨ 高さ
ＫＬ 長さ
ＲＢ 縁部部分
ＭＩ 中心領域
ＭＦ 磁界
ＭＡ１ 第１の種類の長手方向区間
ＭＡ２ 第２の種類の長手方向区間
ＰＭ 永久磁石
ＫＡ カソード
ＥＡ アノード
ＥＺ１、ＥＺ２、ＥＺ３ 中間電極
ＷＡ 壁面
ＰＢ イオンビーム
ＡＧ 中性作業ガス
ＤＳ ドリフト流
ＥＦ 静電界

Claims (5)

1. イオン化チャンバ、マグネット装置及び電極装置及び前記イオン化チャンバに中性作業ガスを注入するための手段を有するイオン加速器装置において、
   前記電極装置は前記イオン化チャンバにおいて主にこの装置の長手方向に向いた静電加速フィールドを正に帯電したイオンのために発生し、
   前記マグネット装置は前記イオン化チャンバにおいて磁界を発生し、該磁界は長手方向において主にこの長手方向に対して垂直に経過する磁界を有する少なくとも１つの第１の種類の長手方向区間とこの第１の種類の長手方向区間に対して長手方向において両側に隣接してそれぞれ主に長手方向に対してパラレルな磁界の経過を有するそれぞれ第２の種類の長手方向区間とを有し、
   前記イオン化チャンバは、長手方向においてイオン射出開口部を有し、側面では取り囲むチャンバ壁面によって限定されており、直手方向に対して垂直にイオン化チャンバ横断面は単純につながっている横断面を形成し、該横断面は第１の方向（ｙ）において少なくともこの第１の方向（ｙ）に対して垂直な第２の方向（ｘ）の少なくとも２倍の大きさである、イオン加速器装置。
2. 第１の方向（ｙ）において中心領域（ＭＩ）では磁界（ＭＦ）、静電界（ＥＦ）及びチャンバ横断面の寸法（ＫＨ）は第２の方向（ｚ）においてほぼ一定である（ＫＨ（ｙ）＝一定）ことを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. イオン化チャンバは２つの直交平面（ｘ−ｙ、ｘ−ｚ）に関して鏡面対称に構成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の装置。
4. カソード（ＫＡ）は、電子源としてイオン射出開口部（Ａ０）の領域にかつこのイオン射出開口部（Ａ０）から間隔をおいて横に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の装置。
5. 電子放出カソードは中和電子源及び／又は一次電子源としてイオンビームの発生のためには設けられていないことを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の装置。

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