JP2010267504A

JP2010267504A - Ion source

Info

Publication number: JP2010267504A
Application number: JP2009118264A
Authority: JP
Inventors: Naoki Miyamoto; 直樹宮本
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: JP5321234B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion source capable of being miniaturized with high efficiency of ion-beam generation. <P>SOLUTION: The ion source 2 includes a plasma-generating chamber 22, a hot cathode 10 arranged in the same, a gas supply pipe 28 supplying raw-material gas 8 to an inner conductor 14, and a drawer electrode system 36 equipped with a plasma electrode 38 for drawing out ion beams 50 from plasma 20. The hot cathode 10 includes a hollow outer conductor 12, the hollow inner conductor 14 arranged concentrically inside the same, and a connecting conductor electrically connecting tips of both conductors 12, 14. The raw-material gas 8 is released into the plasma generating chamber 22 from the tip of the inner conductor 14. The plasma electrode 38, also serving as an anode, is arranged at one end of the plasma chamber 22 so as to be opposed to a tip of the hot cathode 10, and that, has an ion-extracting hole in front of the tip of the inner conductor 14 of the hot cathode 10. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、筒状（中空）の外部導体内に内部導体を配置した同軸構造の熱陰極を備えているイオン源に関する。 The present invention relates to an ion source provided with a hot cathode having a coaxial structure in which an inner conductor is disposed in a cylindrical (hollow) outer conductor.

プラズマ生成室の一方側内に、熱電子を放出する熱陰極（具体的にはフィラメント）を設け、他方側内に、電子を反射させる反射電極を熱陰極に相対向させて設け、かつ熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向に外部から磁界を印加する構造をしている、いわゆるバーナス型イオン源が従来から種々提案されている（例えば特許文献１参照）。 A hot cathode (specifically, a filament) that emits thermoelectrons is provided in one side of the plasma generation chamber, and a reflective electrode that reflects electrons is provided in the other side so as to face the hot cathode. Various so-called Bernas type ion sources having a structure in which a magnetic field is applied from the outside in a direction along a line connecting the electrode and the reflecting electrode have been proposed (see, for example, Patent Document 1).

上記プラズマ生成室の一つの壁面には、熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向に伸びている細長いイオン引出し孔が設けられており、このイオン引出し孔に対向する壁面または当該壁面に直交する壁面には、プラズマ生成室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給口が設けられている。 One wall surface of the plasma generation chamber is provided with an elongated ion extraction hole extending in a direction along a line connecting the hot cathode and the reflective electrode, and the wall surface facing the ion extraction hole or orthogonal to the wall surface. The wall surface to be provided is provided with a source gas supply port for supplying source gas into the plasma generation chamber.

上記バーナス型イオン源においては、プラズマ生成室の壁面が陽極を兼ねていて、それと熱陰極との間のアーク放電によって原料ガスが電離されて、熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向を長軸（密度の高い部分を長手方向に結ぶ軸）とするプラズマが生成され、このプラズマから、その長軸とほぼ直交する方向に上記イオン引出し孔を通してイオンビームが引き出される。 In the Bernas ion source, the wall of the plasma generation chamber also serves as the anode, and the source gas is ionized by arc discharge between the plasma generation chamber and the hot cathode, and the direction along the line connecting the hot cathode and the reflective electrode Plasma having a long axis (an axis connecting a portion having a high density in the longitudinal direction) is generated, and an ion beam is extracted from the plasma through the ion extraction hole in a direction substantially perpendicular to the long axis.

また、特許文献２には、筒状の外部導体と、その内側に同軸状に配置されている中実（中が詰まっていて中空でないこと）構造の内部導体と、両導体の先端部間を埋めて当該先端部間を電気的に接続する接続導体とを有している同軸構造の熱陰極、およびそれを備えているイオン源が記載されている。この熱陰極に対する加熱電流は、接続導体を通して折り返されて、外部導体と内部導体とで互いに逆向きに流される。 Patent Document 2 discloses a cylindrical outer conductor, an inner conductor coaxially disposed on the inner side of the inner conductor and having a solid structure (not clogged and not hollow), and a gap between the tips of the two conductors. A coaxial hot cathode having a connecting conductor that is buried and electrically connected between the tip portions and an ion source including the same are described. The heating current for the hot cathode is folded back through the connection conductor and flows in the opposite direction between the outer conductor and the inner conductor.

この特許文献２に記載の熱陰極によれば、（ａ）外部導体と内部導体とが同軸状であり、かつ両導体で加熱電流が互いに逆向きに流されるので、両導体に流れる加熱電流が発生させる磁界が相殺し合い、当該熱陰極全体として見れば、加熱電流を流すことによって発生する磁界を小さく抑えることができるので、熱電子を放出しやすくなる、（ｂ）熱陰極の先端部等の体積を、線材（棒材とも言える）によって形成されている公知のフィラメントに比べて大きくすることができるので、陰極寿命を長くすることができる、等の効果を奏するとされている。 According to the hot cathode described in Patent Document 2, (a) the outer conductor and the inner conductor are coaxial, and the heating currents flow in opposite directions in both conductors. The generated magnetic field cancels each other, and when viewed as a whole of the hot cathode, the magnetic field generated by flowing the heating current can be kept small, so that it is easy to emit thermoelectrons, (b) the tip of the hot cathode, etc. Since the volume can be made larger than that of a known filament formed of a wire (also referred to as a rod), it is said that the cathode life can be increased.

特許文献２には、バーナス型イオン源については言及されていないけれども、それに記載の熱陰極を、フィラメントに代わるものとして、バーナス型イオン源にも適用することができることは当業者にとって明らかであろう。 Although Patent Document 2 does not mention a Bernas ion source, it will be apparent to those skilled in the art that the hot cathode described therein can be applied to a Bernas ion source as an alternative to a filament. .

上記バーナス型イオン源においては、熱陰極としてフィラメントまたは上記同軸構造の熱陰極のいずれを用いるにせよ、熱陰極から放出された電子は、プラズマ生成室壁面との電位差によって加速されつつ飛行するが、このとき、外部の磁石から印加される磁界中で螺旋運動を行う。それによって、プラズマ生成室内において電子と原料ガス分子との衝突回数を増加させて、プラズマ生成効率を高めている。このような機能を実現するために、プラズマ生成室は、電子がガス分子と衝突するのに十分な大きさを持つ必要がある。 In the Bernas type ion source, whether the filament or the coaxial structure of the hot cathode is used as a hot cathode, electrons emitted from the hot cathode fly while being accelerated by a potential difference with the plasma generation chamber wall surface. At this time, spiral motion is performed in a magnetic field applied from an external magnet. As a result, the number of collisions between electrons and source gas molecules in the plasma generation chamber is increased to increase the plasma generation efficiency. In order to realize such a function, the plasma generation chamber needs to be large enough for electrons to collide with gas molecules.

また、プラズマ生成室の壁面に設けた原料ガス供給口から原料ガスを供給するために、プラズマの長軸とガス放出方向とは互いにほぼ直交した方向となる。その結果、プラズマの長軸に沿う方向におけるガス圧分布が不均一になり、ひいては、プラズマ密度分布が不均一になるので、この不均一を緩和するために、プラズマ生成室の体積を大きくする必要がある。 In addition, since the source gas is supplied from the source gas supply port provided on the wall surface of the plasma generation chamber, the major axis of the plasma and the gas discharge direction are substantially perpendicular to each other. As a result, the gas pressure distribution in the direction along the long axis of the plasma becomes non-uniform, and consequently the plasma density distribution becomes non-uniform. In order to alleviate this non-uniformity, it is necessary to increase the volume of the plasma generation chamber. There is.

更に、プラズマ生成室の壁面はプラズマにとっては損失面となるために、熱陰極の反対側に電子反射用の反射電極を設ける必要があり、そのための空間がプラズマ生成室内に必要である。 Furthermore, since the wall of the plasma generation chamber is a loss surface for the plasma, it is necessary to provide a reflective electrode for electron reflection on the opposite side of the hot cathode, and a space for this is required in the plasma generation chamber.

以上のように、バーナス型イオン源においては、ある程度以上のプラズマ生成室の体積を確保する必要があるので、これが制約となって、当該イオン源を小型化するのが難しいという課題がある。 As described above, in the Bernas ion source, it is necessary to secure a volume of the plasma generation chamber of a certain level or more. This is a limitation, and there is a problem that it is difficult to downsize the ion source.

また、プラズマ生成室の体積が大きいと、プラズマ生成のために投入する放電電力の利用効率が低下するので、そのぶんイオンビーム生成効率が低下するという課題もある。 In addition, when the volume of the plasma generation chamber is large, the utilization efficiency of the discharge power input for plasma generation is reduced, so that there is a problem that the ion beam generation efficiency is reduced.

そこでこの発明は、小型化が可能であり、かつイオンビーム生成効率の高いイオン源を提供することを主たる目的としている。 Therefore, the main object of the present invention is to provide an ion source that can be miniaturized and has high ion beam generation efficiency.

この発明に係るイオン源は、（ａ）プラズマを生成するためのプラズマ生成室と、（ｂ）前記プラズマ生成室内に配置されていて、加熱電流が流されて前記プラズマ生成室内に熱電子を放出する熱陰極であって、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されている熱陰極と、（ｃ）前記プラズマ生成室外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成室内へ放出させるガス供給手段と、（ｄ）前記熱陰極との間で放電を生じさせる陽極を兼ねる電極であって、前記プラズマ生成室の一端部に、前記熱陰極の先端部に間隔をあけて対向するように配置されており、かつ前記熱陰極の内部導体の先端の正面にイオン引出し孔を有しているプラズマ電極を有していて、前記プラズマ生成室内のプラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系とを備えていることを特徴としている。 The ion source according to the present invention includes (a) a plasma generation chamber for generating plasma, and (b) arranged in the plasma generation chamber, and a heating current is passed to emit thermoelectrons into the plasma generation chamber. A hot cathode, and is provided between a hollow outer conductor, a hollow inner conductor coaxially disposed inside the outer conductor, and a tip portion of the inner conductor and a tip portion of the outer conductor. And an annular connecting conductor that electrically connects both ends, and the heating current is folded back through the connecting conductor so that the outer conductor and the inner conductor are opposite to each other. A hot cathode configured to flow, and (c) supplying a source gas into the inner conductor of the hot cathode from a portion outside the plasma generation chamber, and passing the source gas through the inner conductor to the tip of the inner conductor From the plastic (D) an electrode that also serves as an anode for generating a discharge between the hot cathode and a gas supply means for discharging the gas into the generator chamber, and is spaced from one end of the plasma generator chamber to the tip of the hot cathode And a plasma electrode having an ion extraction hole in front of the front end of the inner conductor of the hot cathode, and an ion beam from the plasma in the plasma generation chamber. And an extraction electrode system for drawing out.

このイオン源においては、熱陰極（より具体的にはその内部導体）の先端が原料ガス供給口を兼ねており、原料ガスは熱陰極の先端からプラズマ電極のイオン引出し孔に向けて放出される。従って、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に、プラズマ生成室内で最もガス圧の高い領域が形成され、しかもその領域に、当該領域に近接している熱陰極から熱電子が放出されるので、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に柱状で高密度のプラズマが生成される。この高密度のプラズマから、当該プラズマに近接しているプラズマ電極のイオン引出し孔を通して、当該プラズマの軸に沿う方向にイオンビームを引き出すことができる。 In this ion source, the tip of the hot cathode (more specifically, its internal conductor) also serves as a source gas supply port, and the source gas is discharged from the tip of the hot cathode toward the ion extraction hole of the plasma electrode. . Therefore, a region with the highest gas pressure is formed in the plasma generation chamber between the vicinity of the tip of the hot cathode and the vicinity of the ion extraction hole of the plasma electrode, and the region is heated from the hot cathode adjacent to the region. Since electrons are emitted, a high-density columnar plasma is generated between the vicinity of the tip of the hot cathode and the vicinity of the ion extraction hole of the plasma electrode. From this high-density plasma, an ion beam can be extracted in the direction along the axis of the plasma through the ion extraction hole of the plasma electrode close to the plasma.

その結果、大きな体積のプラズマ生成室を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室の体積を小さくすることができるので、当該イオン源を小型化することができる。しかも、プラズマ電極のイオン引出し孔の近傍に生成された高密度のプラズマからその軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。 As a result, it is not necessary to provide a large volume plasma generation chamber, and the volume of the plasma generation chamber can be reduced, so that the ion source can be downsized. In addition, since the ion beam can be extracted in the axial direction from the high-density plasma generated in the vicinity of the ion extraction hole of the plasma electrode, high ion beam generation efficiency can be realized.

前記熱陰極は、前記接続導体を有する代わりに、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続していて、その接続部で前記加熱電流が折り返されるよう構成されていても良い。 Instead of having the connection conductor, the hot cathode is configured to electrically connect the tip of the outer conductor and the tip of the inner conductor directly, and the heating current is folded at the connection. May be.

前記熱陰極の内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されていても良い。 The inner conductor of the hot cathode may be formed of a material having a higher melting point than the outer conductor.

前記プラズマ生成室内に前記熱陰極の内部導体の先端部の中心と前記プラズマ電極のイオン引出し孔の中心とを結ぶ線に沿う方向に磁界を発生させる磁気コイルを備えていても良い。 A magnetic coil for generating a magnetic field in a direction along a line connecting the center of the tip of the inner conductor of the hot cathode and the center of the ion extraction hole of the plasma electrode may be provided in the plasma generation chamber.

請求項１に記載の発明によれば、熱陰極の先端が原料ガス供給口を兼ねていて、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に柱状で高密度のプラズマが生成され、このプラズマからプラズマ電極のイオン引出し孔を通して当該プラズマの軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、大きな体積のプラズマ生成室を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室の体積を小さくすることができる。従って当該イオン源を小型化することができる。しかも、プラズマ電極のイオン引出し孔の近傍に生成された高密度のプラズマからその軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。 According to the first aspect of the present invention, the tip of the hot cathode also serves as the source gas supply port, and columnar and high-density plasma is generated between the vicinity of the tip of the hot cathode and the vicinity of the ion extraction hole of the plasma electrode. Since the ion beam can be extracted from the plasma through the ion extraction hole of the plasma electrode in the axial direction of the plasma, there is no need to provide a large volume plasma generation chamber, and the volume of the plasma generation chamber can be reduced. . Therefore, the ion source can be reduced in size. In addition, since the ion beam can be extracted in the axial direction from the high-density plasma generated in the vicinity of the ion extraction hole of the plasma electrode, high ion beam generation efficiency can be realized.

また、熱陰極の先端付近で生成される熱電子は、プラズマ生成室内で最もガス圧の高い領域に放出されることになるので、熱陰極から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、放電電圧を低くすることや、熱陰極の加熱温度を低くすることが可能になり、それによって熱陰極の消耗量を小さく抑えて熱陰極の寿命を長くすること等が可能になる。 In addition, since the thermoelectrons generated near the tip of the hot cathode are emitted to the region with the highest gas pressure in the plasma generation chamber, the number of collisions between the thermoelectrons emitted from the hot cathode and gas molecules is small. It increases and it becomes easy to maintain arc discharge. As a result, it is possible to lower the discharge voltage and lower the heating temperature of the hot cathode, thereby reducing the consumption amount of the hot cathode and extending the life of the hot cathode.

更に、熱陰極の内部導体が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体の太さを大きくすることができる。その結果、内部導体の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命を長くすることができる。 Furthermore, since the inner conductor of the hot cathode is hollow, it is possible to increase the thickness of the inner conductor while suppressing an increase in mass and cross-sectional area of the inner conductor as compared to a solid case. As a result, the concentration of heat per unit surface area of the inner conductor can be suppressed, and the temperature rise of the inner conductor can be suppressed. Therefore, the life of the inner conductor and the life of the hot cathode can be extended.

請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の外部導体の先端部と内部導体の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体を用いる場合に比べて、熱陰極の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。 According to invention of Claim 2, there exists the following further effect. That is, since the tip of the outer conductor of the hot cathode and the tip of the inner conductor are electrically directly connected without using the connecting conductor, the tip of the hot cathode is compared with the case of using the connecting conductor. The volume can be reduced. As a result, the thermal capacity of the hot cathode can be reduced, the time constant during temperature control can be reduced, and the responsiveness of temperature control can be improved.

請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の内部導体は外部導体よりも温度が高くなるけれども、内部導体は外部導体よりも融点の高い材料で形成されているので、内部導体の耐熱性が高く、従って内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極の運転範囲をより広くすることもできる。 According to invention of Claim 3, there exists the following further effect. That is, although the temperature of the inner conductor of the hot cathode is higher than that of the outer conductor, the inner conductor is made of a material having a melting point higher than that of the outer conductor. The lifetime of the hot cathode can be further increased. In addition, the operating range of the hot cathode can be made wider.

請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のような磁気コイルを備えていると、当該磁気コイルが発生する磁界の強度を制御することによって、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に生成される柱状のプラズマの直径方向の大きさを変化させることができる。それによって、当該プラズマ内での電子とガス分子、電子とイオン、イオンとイオン等の衝突の平均回数を変化させてプラズマ中のイオン種の比率を変化させ、イオンビーム中に含まれるイオン種の比率を制御することができる。 According to invention of Claim 4, there exists the following further effect. That is, when the magnetic coil as described above is provided, a columnar shape generated between the vicinity of the tip of the hot cathode and the vicinity of the ion extraction hole of the plasma electrode by controlling the intensity of the magnetic field generated by the magnetic coil. The size of the plasma in the diameter direction can be changed. As a result, the average number of collisions between electrons and gas molecules, electrons and ions, ions and ions, etc. in the plasma is changed to change the ratio of ion species in the plasma, and the ion species contained in the ion beam are changed. The ratio can be controlled.

この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the ion source which concerns on this invention. 図１中の熱陰極周りの拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view around a hot cathode in FIG. 1. 図１に示すイオン源の放電電流−引出し電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result of the discharge current-drawing current characteristic of the ion source shown in FIG. 図１に示すイオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result of the discharge voltage-discharge current characteristic of the ion source shown in FIG. 従来のバーナス型イオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result of the discharge voltage-discharge current characteristic of the conventional Bernas type ion source. この発明に係るイオン源を構成する熱陰極の他の例を部分的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows partially the other example of the hot cathode which comprises the ion source which concerns on this invention. この発明に係るイオン源を構成する熱陰極の更に他の例を部分的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows partially another example of the hot cathode which comprises the ion source which concerns on this invention.

図１は、この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。図２は、図１中の熱陰極周りの拡大断面図である。 FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an ion source according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view around the hot cathode in FIG.

このイオン源２は、プラズマ２０を生成するためのプラズマ生成室２２を備えている。プラズマ生成室２２は、この実施形態では、真空容器２４、プラズマ電極３８、両者２４、３８間を絶縁する筒状の絶縁物３１および真空容器２４内に設けられた陰極ホルダ２６によって区画されている。プラズマ生成室２２内は、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して真空排気される。これはイオン源の一般的な方法である。 The ion source 2 includes a plasma generation chamber 22 for generating plasma 20. In this embodiment, the plasma generation chamber 22 is defined by a vacuum vessel 24, a plasma electrode 38, a cylindrical insulator 31 that insulates the two 24, 38, and a cathode holder 26 provided in the vacuum vessel 24. . The plasma generation chamber 22 is evacuated through the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38. This is a common method of ion source.

プラズマ生成室２２内に、陰極ホルダ２６によって保持されて、熱陰極１０が配置されている。熱陰極１０は、中空の外部導体１２と、この外部導体１２の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体１４と、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体１６とを有している。従ってこの熱陰極１０は、特許文献２に記載の熱陰極と違って、その内部（より具体的には内部導体１４の内部）に後述するように原料ガス８を通すことができる。外部導体１２および内部導体１４は、共に筒状（但し以下に述べるように、横断面が円形に限られるものではない）をしていると言うこともできる。 The hot cathode 10 is disposed in the plasma generation chamber 22 by being held by a cathode holder 26. The hot cathode 10 includes a hollow outer conductor 12, a hollow inner conductor 14 coaxially disposed inside the outer conductor 12, and a gap between the tip of the outer conductor 12 and the tip of the inner conductor 14. It has an annular connecting conductor 16 that is provided and electrically connects the two tip portions. Therefore, unlike the hot cathode described in Patent Document 2, the hot cathode 10 can pass the source gas 8 into the inside thereof (more specifically, inside the internal conductor 14) as described later. It can also be said that both the outer conductor 12 and the inner conductor 14 have a cylindrical shape (however, as described below, the cross section is not limited to a circle).

内部導体１４のプラズマ生成室２２外の端部に、ガス供給パイプ２８が接続されている。このガス供給パイプ２８は、プラズマ生成室２２外の部分から熱陰極１０の内部導体１４内に原料ガス（蒸気の場合を含む）８を供給して、当該原料ガス８を、内部導体１４内を通して当該内部導体１４の先端からプラズマ生成室２２内へ放出させるガス供給手段と、内部導体１４に加熱電源５２からの加熱電流Ｉ_Hを流す電流導入端子とを兼ねている。 A gas supply pipe 28 is connected to the end of the inner conductor 14 outside the plasma generation chamber 22. The gas supply pipe 28 supplies a raw material gas (including vapor) 8 from a portion outside the plasma generation chamber 22 into the inner conductor 14 of the hot cathode 10, and passes the raw material gas 8 through the inner conductor 14. It also serves as a gas supply means that discharges from the tip of the inner conductor 14 into the plasma generation chamber 22 and a current introduction terminal that allows the heating current I _H from the heating power source 52 to flow through the inner conductor 14.

加熱電源５２からの加熱電流Ｉ_Hは、真空容器２４、陰極ホルダ２６、熱陰極１０の外部導体１２、接続導体１６、内部導体１４およびガス供給パイプ２８の経路で流される。３２は筒状の絶縁物である。 The heating current I _H from the heating power source 52 is passed through the path of the vacuum vessel 24, the cathode holder 26, the outer conductor 12 of the hot cathode 10, the connection conductor 16, the inner conductor 14, and the gas supply pipe 28. 32 is a cylindrical insulator.

即ち、この熱陰極１０においては、加熱電源５２から供給される加熱電流Ｉ_Hは、先端部の接続導体１６を通して折り返されて、外部導体１２と内部導体１４とで互いに逆向きに流される。この加熱電流Ｉ_Hによって、熱陰極１０は、より具体的にはそれを構成する外部導体１２、内部導体１４および接続導体１６は発熱してプラズマ生成室２２内に熱電子を放出する。 That is, in the hot cathode 10, the heating current I _H supplied from the heating power supply 52 is folded back through the connecting conductor 16 at the tip, and flows in the opposite direction between the outer conductor 12 and the inner conductor 14. By this heating current I _H , the hot cathode 10 more specifically, the outer conductor 12, the inner conductor 14 and the connecting conductor 16 constituting the heat cathode 10 generate heat and emit thermoelectrons into the plasma generation chamber 22.

加熱電源５２は、この実施形態では直流電源の場合の例を示しているが、それに限られるものではなく、交流電源でも良い。 In this embodiment, the heating power source 52 is an example of a DC power source, but is not limited thereto, and may be an AC power source.

熱陰極１０の外部導体１２および内部導体１４は、この実施形態では、横断面が共に円形をしているが、それに限られるものではなく、横断面が共に楕円形や多角形等をしていても良い。 In this embodiment, the outer conductor 12 and the inner conductor 14 of the hot cathode 10 are both circular in cross section. However, the cross section is not limited to this, and the cross section is both elliptical or polygonal. Also good.

接続導体１６は、この実施形態では円環状をしているが、それに限られるものではなく、要は外部導体１２および内部導体１４の横断面形状に合わせれば良い。 In this embodiment, the connection conductor 16 has an annular shape. However, the connection conductor 16 is not limited to this, and the connection conductor 16 may be matched with the cross-sectional shapes of the outer conductor 12 and the inner conductor 14.

接続導体１６は、この実施形態では、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部との間に嵌合して結合している。この接続導体１６と外部導体１２および内部導体１４との結合は、例えば、嵌合による結合のみでも良いし、嵌合と溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、結合の信頼性が向上する。 In this embodiment, the connection conductor 16 is fitted and coupled between the distal end portion of the outer conductor 12 and the distal end portion of the inner conductor 14. The connection between the connection conductor 16 and the outer conductor 12 and the inner conductor 14 may be, for example, only a connection by fitting, or a combination of fitting and welding. When welding is used in combination, the reliability of the connection is improved.

外部導体１２、内部導体１４および接続導体１６は、それぞれ、例えば、モリブデン（融点２８９６Ｋ）、タンタル（融点３２９０Ｋ）、タングステン（融点３６９５Ｋ）、レニウム（融点３４５９Ｋ）、イリジウム（融点２７３９Ｋ）のような高融点金属またはこれらの金属の内の二つ以上を含む合金等の高融点材料で形成するのが好ましい。 The outer conductor 12, the inner conductor 14, and the connecting conductor 16 are respectively high, such as molybdenum (melting point 2896K), tantalum (melting point 3290K), tungsten (melting point 3695K), rhenium (melting point 3459K), iridium (melting point 2739K). It is preferably formed of a high melting point material such as a melting point metal or an alloy containing two or more of these metals.

プラズマ生成室２２の一端側には、プラズマ生成室２２内で生成されたプラズマ２０から電界の作用でイオンビーム５０を引き出す引出し電極系３６が配置されている。引出し電極系３６は、この実施形態では、上記プラズマ電極３８と、その下流側に設けられた接地電極４２とを有している。両電極３８、４２間には、前者３８を正極側にして、直流の引出し電源５６から引出し電圧Ｖ_Eが印加される。３０は筒状の絶縁物である。 On one end side of the plasma generation chamber 22, an extraction electrode system 36 that extracts the ion beam 50 from the plasma 20 generated in the plasma generation chamber 22 by the action of an electric field is disposed. In this embodiment, the extraction electrode system 36 includes the plasma electrode 38 and a ground electrode 42 provided on the downstream side thereof. An extraction voltage V _E is applied between the electrodes 38 and 42 from the DC extraction power source 56 with the former 38 as the positive electrode side. Reference numeral 30 denotes a cylindrical insulator.

プラズマ電極３８は、プラズマ生成室２２の一端部を区画しているので、プラズマ生成室２２の一端部に配置されていると言うことができる。このプラズマ電極３８は、熱陰極１０との間で放電（具体的にはアーク放電。以下同様）を生じさせる陽極を兼ねており、熱陰極１０の先端に所定の（例えば数ｍｍ〜数ｃｍ程度の）間隔をあけて対向するように配置されている。 Since the plasma electrode 38 defines one end of the plasma generation chamber 22, it can be said that the plasma electrode 38 is disposed at one end of the plasma generation chamber 22. The plasma electrode 38 also serves as an anode that generates a discharge (specifically, arc discharge, the same applies hereinafter) with the hot cathode 10, and has a predetermined (for example, several mm to several cm) at the tip of the hot cathode 10. Are arranged so as to face each other with a gap.

プラズマ電極３８は、熱陰極１０の内部導体１４の先端の正面にイオン引出し孔４０を有している。より具体的には、内部導体１４の先端部の穴の中心とイオン引出し孔４０の中心は、実質的に同じ軸４６上に、即ち実質的に同軸上に位置している。接地電極４２のイオン引出し孔４４も同様である。イオン引出し孔４０および４４は、例えば円形の孔であるが、それに限られるものではない。 The plasma electrode 38 has an ion extraction hole 40 in front of the tip of the inner conductor 14 of the hot cathode 10. More specifically, the center of the hole at the tip of the inner conductor 14 and the center of the ion extraction hole 40 are located on substantially the same axis 46, that is, substantially coaxial. The same applies to the ion extraction hole 44 of the ground electrode 42. The ion extraction holes 40 and 44 are, for example, circular holes, but are not limited thereto.

引出し電極系３６の、プラズマ電極３８よりも下流側の電極構成は、この実施形態以外の構成でも良い。即ち引出し電極系３６は、この実施形態では２枚の電極で構成されているが、それに限られるものではなく、目的等に応じて、３枚や４枚等の電極で構成されていても良い。 The electrode configuration downstream of the plasma electrode 38 in the extraction electrode system 36 may be other than this embodiment. That is, the extraction electrode system 36 is configured with two electrodes in this embodiment, but is not limited thereto, and may be configured with three or four electrodes depending on the purpose or the like. .

プラズマ電極３８と熱陰極１０（より具体的にはこの実施形態ではその内部導体１４）との間には、前者３８を正極側にして、直流のアーク電源５４から放電電圧Ｖ_Dが印加される。 A discharge voltage V _D is applied between the plasma electrode 38 and the hot cathode 10 (more specifically, the inner conductor 14 in this embodiment) from the DC arc power supply 54 with the former 38 as the positive electrode side. .

この実施形態のように、熱陰極１０の周囲に熱シールド３４を設けておいても良い。それによって、熱陰極１０の温度上昇の効率を高めると共に、周囲の真空容器２４、絶縁物３１等への輻射熱の伝播抑制を図ることができる。熱シールド３４は、この実施形態では２重の筒状をしているが、１重でも良い。 As in this embodiment, a heat shield 34 may be provided around the hot cathode 10. Thereby, the efficiency of the temperature rise of the hot cathode 10 can be increased, and the propagation of radiant heat to the surrounding vacuum vessel 24, the insulator 31 and the like can be suppressed. Although the heat shield 34 has a double cylindrical shape in this embodiment, it may be single.

必要に応じて、プラズマ生成室２２の周りの構造物を冷却する冷却機構を設けておいても良い。例えば、真空容器２４、プラズマ電極３８、接地電極４２、ガス供給パイプ２８等を、冷却水等の冷媒によって冷却する冷却機構（例えば冷却パイプ）を設けておいても良い。 A cooling mechanism for cooling the structure around the plasma generation chamber 22 may be provided as necessary. For example, a cooling mechanism (for example, a cooling pipe) that cools the vacuum vessel 24, the plasma electrode 38, the ground electrode 42, the gas supply pipe 28, and the like with a coolant such as cooling water may be provided.

このイオン源２を相手機器に取り付けるための取付けフランジ４８を必要に応じて設けておいても良い。 A mounting flange 48 for mounting the ion source 2 to the counterpart device may be provided as necessary.

また、図１に示すイオン源２は、仮想線（二点鎖線）で示すように磁気コイル５８を有していない場合の例であるが、それを有していても良い。これについては後述する。後述する図３、図４は、磁気コイル５８を有していないイオン源２についてのものである。 Moreover, although the ion source 2 shown in FIG. 1 is an example when it does not have the magnetic coil 58 as shown by a virtual line (two-dot chain line), you may have it. This will be described later. 3 and 4 to be described later relate to the ion source 2 that does not have the magnetic coil 58.

このイオン源２においては、熱陰極１０（より具体的にはその内部導体１４）の先端が原料ガス供給口を兼ねており、ガス供給パイプ２８から供給された原料ガス８は、熱陰極１０の先端からプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０に向けて放出され、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０から排気される。従って、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に、即ち上記軸４６付近に、プラズマ生成室２２内で最もガス圧の高い領域が形成される。 In this ion source 2, the tip of the hot cathode 10 (more specifically, its internal conductor 14) also serves as a source gas supply port, and the source gas 8 supplied from the gas supply pipe 28 is supplied from the hot cathode 10. It is emitted from the tip toward the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38 and exhausted from the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38. Therefore, a region having the highest gas pressure in the plasma generation chamber 22 is formed between the vicinity of the tip of the hot cathode 10 and the vicinity of the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38, that is, in the vicinity of the shaft 46.

しかもそのガス圧の高い領域に、当該領域に近接している熱陰極１０から熱電子が放出され、この熱電子が上記放電電圧Ｖ_Dによって加速されて原料ガス分子と衝突してそれを電離させるので、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間にアーク放電が発生する。それによって、原料ガス分子が更に電離されて、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に柱状で高密度のプラズマ２０が生成される。このプラズマ２０の軸２１は、上記軸４６とほぼ一致している。 Moreover, thermoelectrons are emitted from the hot cathode 10 adjacent to the high gas pressure region, and the thermoelectrons are accelerated by the discharge voltage V _D to collide with the source gas molecules and ionize them. Therefore, an arc discharge occurs between the vicinity of the tip of the hot cathode 10 and the vicinity of the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38. Thereby, the source gas molecules are further ionized, and a columnar and high-density plasma 20 is generated between the vicinity of the tip of the hot cathode 10 and the vicinity of the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38. The axis 21 of the plasma 20 substantially coincides with the axis 46.

そして上記高密度のプラズマ２０から、当該プラズマ２０に近接しているプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して、引出し電極系３６によって、当該プラズマ２０の軸２１に沿う方向にイオンビーム５０が引き出される。従ってイオンビーム５０は、上記軸４６、２１とほぼ同軸上に軸５１を持つことになる。 The ion beam 50 is extracted from the high-density plasma 20 through the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38 adjacent to the plasma 20 by the extraction electrode system 36 in the direction along the axis 21 of the plasma 20. Therefore, the ion beam 50 has an axis 51 that is substantially coaxial with the axes 46 and 21.

以上のようにこのイオン源２によれば、熱陰極１０の先端が原料ガス供給口を兼ねていて、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に柱状で高密度のプラズマ２０が生成され、このプラズマ２０からプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して当該プラズマ２０の軸２１に沿う方向にイオンビーム５０を引き出すことができるので、大きな体積のプラズマ生成室２２を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室２２の体積を小さくすることができる。従って当該イオン源２を小型化することができる。 As described above, according to the ion source 2, the tip of the hot cathode 10 also serves as a source gas supply port, and the columnar high height is provided between the vicinity of the tip of the hot cathode 10 and the vicinity of the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38. Since a plasma 20 having a high density is generated and an ion beam 50 can be extracted from the plasma 20 in the direction along the axis 21 of the plasma 20 through the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38, a plasma generation chamber 22 having a large volume is provided. This is unnecessary, and the volume of the plasma generation chamber 22 can be reduced. Therefore, the ion source 2 can be reduced in size.

熱陰極１０の先端が原料ガス供給口を兼ねているので、プラズマ生成室２２の壁面に原料ガス供給口を設ける必要がないことも、プラズマ生成室２２の体積を小さくすることに寄与している。また、この実施形態では、真空容器２４の一部分が加熱電流Ｉ_Hの経路を兼ねており、これもプラズマ生成室２２の体積を小さくすることに寄与している。 Since the tip of the hot cathode 10 also serves as the source gas supply port, it is not necessary to provide the source gas supply port on the wall surface of the plasma generation chamber 22, which contributes to reducing the volume of the plasma generation chamber 22. . In this embodiment, a part of the vacuum vessel 24 also serves as a path for the heating current I _H , which also contributes to reducing the volume of the plasma generation chamber 22.

この実施形態では、プラズマ生成室２２の寸法を、直径が約２ｃｍ、長さが約３ｃｍと、非常に小さくすることができた。それに伴ってイオン源２全体も非常に小型化することができた。 In this embodiment, the dimensions of the plasma generation chamber 22 can be made very small with a diameter of about 2 cm and a length of about 3 cm. Along with this, the entire ion source 2 could be very miniaturized.

しかもこのイオン源２は、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の近傍に生成された高密度のプラズマ２０からその軸２１に沿う方向にイオンビーム５０を引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。これを補足説明すると、このイオン源２では、イオン引出し孔４０付近のプラズマ２０中のイオン電流密度は、アーク放電電流密度と大して変らず、このような高密度のプラズマ２０からその軸２１方向にイオンビーム５０を引き出すことができる。その結果、従来のバーナス型イオン源に比べてイオンビーム生成効率はかなり高くなる。 In addition, since the ion source 2 can extract the ion beam 50 in the direction along the axis 21 from the high-density plasma 20 generated in the vicinity of the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38, high ion beam generation efficiency can be achieved. Can be realized. In supplementary explanation, in this ion source 2, the ion current density in the plasma 20 near the ion extraction hole 40 is not much different from the arc discharge current density. The ion beam 50 can be extracted. As a result, the ion beam generation efficiency is considerably higher than that of the conventional Bernas ion source.

この実施形態のイオン源２において、イオンビーム生成効率が高くなる効果を確かめた結果を、図３に示す放電電流−引出し電流特性を参照して説明する。放電電流Ｉ_Dはアーク電源５４の出力電流である。引出し電流Ｉ_Eは、引出し電源５６の出力電流であるが、これはイオンビーム５０のビーム電流にほぼ等しいと言うことができる。この図３の測定では、原料ガス８をアルゴンガスとし、ガス圧は、イオン源２を取り付けている真空容器内の圧力をイオン源２の近傍において電離真空計で測定したものである（これは図４、図５においても同様）。アーク電源５４の出力電圧である放電電圧Ｖ_Dは６０Ｖ、引出し電源５６の出力電圧である引出し電圧Ｖ_Eは１ｋＶにした。 The result of confirming the effect of increasing the ion beam generation efficiency in the ion source 2 of this embodiment will be described with reference to the discharge current-drawing current characteristics shown in FIG. The discharge current _ID is an output current of the arc power supply 54. The extraction current _IE is an output current of the extraction power source 56, which can be said to be approximately equal to the beam current of the ion beam 50. In the measurement of FIG. 3, the source gas 8 is argon gas, and the gas pressure is measured by an ionization vacuum gauge in the vicinity of the ion source 2 in the vacuum vessel to which the ion source 2 is attached (this is The same applies to FIGS. 4 and 5). The discharge voltage V _D, which is the output voltage of the arc power supply 54, is 60 V, and the extraction voltage V _E, which is the output voltage of the extraction power supply 56, is 1 kV.

この図３の例では、引出し電圧Ｖ_Eは１ｋＶという低いものであったが、例えばガス圧が０．２Ｐａ、放電電流Ｉ_Dが５００ｍＡで、約１ｍＡの引出し電流Ｉ_Eが得られている。このイオン源２のプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の直径は４ｍｍであるので、引出し電流密度は約８ｍＡ／ｃｍ²であり、イオンビーム生成効率を表す一つの指標である放電電流効率（＝引出し電流密度÷放電電流Ｉ_D）は、約０．０１６ｃｍ^-2である。これは一般的なバーナス型イオン源の約２．５倍という高い効率である。 In the example of FIG. 3, the extraction voltage V _E is as low as 1 kV. For example, the gas pressure is 0.2 Pa, the discharge current _ID is 500 mA, and the extraction current I _{E of} about 1 mA is obtained. Since the diameter of the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38 of the ion source 2 is 4 mm, the extraction current density is about 8 mA / cm ² , and the discharge current efficiency (= extraction) which is one index representing the ion beam generation efficiency. The current density / discharge current I _D ) is about 0.016 cm ⁻² . This is an efficiency as high as about 2.5 times that of a general Bernas ion source.

また、このイオン源２においては、熱陰極１０の先端付近で生成される熱電子は、上述したように、プラズマ生成室２２内で最もガス圧の高い領域に放出されることになるので、熱陰極１０から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、放電電圧Ｖ_Dを低くすることや、熱陰極１０の加熱温度を低くすることが可能になる。 Further, in the ion source 2, the thermoelectrons generated near the tip of the hot cathode 10 are emitted to the region having the highest gas pressure in the plasma generation chamber 22 as described above. The number of collisions between the thermoelectrons emitted from the cathode 10 and gas molecules increases, and it becomes easier to maintain arc discharge. As a result, the discharge voltage V _D can be lowered and the heating temperature of the hot cathode 10 can be lowered.

放電電圧Ｖ_Dを低くすることによって、プラズマ２０から受ける熱陰極１０のスパッタリングを低減することができるので、熱陰極１０の消耗量が減り、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。また、低い放電電圧Ｖ_Dで運転を行うことによって、電離電圧や解離電圧の低い分子イオンやクラスターイオンの生成効率を向上させることもできる。即ち、イオンビーム５０中に含まれる分子イオンやクラスターイオンの割合増加を図ることもできる。 By reducing the discharge voltage V _D , the sputtering of the hot cathode 10 received from the plasma 20 can be reduced, so that the consumption amount of the hot cathode 10 is reduced and the life of the hot cathode 10 can be extended. Further, the low discharge by performing the operation in voltage V _D, thereby improving the production efficiency of the low ionization potential and dissociation voltage molecular ions and cluster ions. That is, the ratio of molecular ions and cluster ions contained in the ion beam 50 can be increased.

熱陰極１０の加熱温度を低くすることによって、熱陰極１０の消耗量が減るので、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。 By reducing the heating temperature of the hot cathode 10, the consumption amount of the hot cathode 10 is reduced, so that the life of the hot cathode 10 can be extended.

この実施形態のイオン源２において、放電電圧Ｖ_Dを低くすることができることを確かめた結果を、図４に示す放電電圧−放電電流特性を参照して説明する。この図４の測定では、原料ガス８（即ちアルゴンガス）の圧力は０．０１Ｐａとした。この図４から分かるように、上記ガス圧では、熱陰極１０に流す加熱電流Ｉ_Hが５０Ａで放電が可能となっている。また、加熱電流Ｉ_Hが５０Ａ〜５５Ａの範囲で、アルゴンガスの第１電離電圧に近い約１８Ｖという低い放電電圧Ｖ_Dで放電が可能になっている。 The result of confirming that the discharge voltage V _D can be lowered in the ion source 2 of this embodiment will be described with reference to the discharge voltage-discharge current characteristics shown in FIG. In the measurement of FIG. 4, the pressure of the source gas 8 (that is, argon gas) was set to 0.01 Pa. As can be seen from FIG. 4, at the above gas pressure, discharge is possible when the heating current I _H flowing through the hot cathode 10 is 50A. In addition, when the heating current I _H is in the range of 50 A to 55 A, the discharge can be performed with a discharge voltage V _{D as} low as about 18 V close to the first ionization voltage of the argon gas.

比較のために、従来のバーナス型イオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を図５に示す。この測定に用いたバーナス型イオン源は、熱陰極としてフィラメントを有している。この図５の測定では、原料ガスをアルゴンガスとし、そのガス圧を６．３×１０^-3Ｐａとした。この図５から分かるように、バーナス型イオン源では約３０Ｖ以上の放電電圧からでしか放電が可能にならない。 For comparison, FIG. 5 shows an example of the measurement result of the discharge voltage-discharge current characteristics of a conventional Bernas ion source. The Bernas ion source used for this measurement has a filament as a hot cathode. In the measurement of FIG. 5, the source gas was argon gas, and the gas pressure was 6.3 × 10 ⁻³ Pa. As can be seen from FIG. 5, the Bernas ion source can be discharged only from a discharge voltage of about 30 V or more.

また、この実施形態のイオン源２においては、熱陰極１０の内部導体１４が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体１４の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体１４の太さ（例えば外径）を大きくすることができる。その結果、内部導体１４の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体１４の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体１４の寿命ひいては熱陰極１０の寿命を長くすることができる。 Moreover, in the ion source 2 of this embodiment, since the inner conductor 14 of the hot cathode 10 is hollow, it is possible to prevent the inner conductor 14 from increasing in mass and cross-sectional area as compared with a solid case. The thickness (for example, outer diameter) of the conductor 14 can be increased. As a result, the concentration of heat per unit surface area of the inner conductor 14 can be suppressed, and the temperature rise of the inner conductor 14 can be suppressed. Therefore, the life of the internal conductor 14 and thus the life of the hot cathode 10 can be extended.

より具体的には、内部導体１４の外径が外部導体１２の内径よりも小さいと内部導体１４の温度は外部導体１２の温度よりも必ず高くなるけれども、内部導体１４の外径を大きくすることによって、例えば外部導体１２の内径に近づけることによって、内部導体１４の温度を外部導体１２の温度に近づけることができる。 More specifically, if the outer diameter of the inner conductor 14 is smaller than the inner diameter of the outer conductor 12, the temperature of the inner conductor 14 is necessarily higher than the temperature of the outer conductor 12, but the outer diameter of the inner conductor 14 is increased. Thus, for example, the temperature of the inner conductor 14 can be made closer to the temperature of the outer conductor 12 by bringing it closer to the inner diameter of the outer conductor 12.

熱陰極１０は、例えば図６、図７に示す例のように、前記接続導体１６を有する代わりに、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部とを電気的に直接接続して、その接続部１８で前記加熱電流Ｉ_Hが折り返されるよう構成しても良い。 For example, as shown in FIGS. 6 and 7, the hot cathode 10, instead of having the connection conductor 16, electrically connects the distal end portion of the external conductor 12 and the distal end portion of the internal conductor 14, The connecting portion 18 may be configured so that the heating current I _H is folded.

より具体的には、図６に示す熱陰極１０では、外部導体１２の先端部を内側に絞っておくことによって、内部導体１４の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部１８を形成している。 More specifically, in the hot cathode 10 shown in FIG. 6, the front end portion of the outer conductor 12 is squeezed inward to bring it into contact with the front end portion of the inner conductor 14 and both the front end portions are electrically connected to each other. The connecting portion 18 is formed.

図７に示す熱陰極１０では、内部導体１４の先端部を外側に広げておくことによって、外部導体１２の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部１８を形成している。 In the hot cathode 10 shown in FIG. 7, the front end portion of the inner conductor 14 is spread outward so as to come into contact with the front end portion of the outer conductor 12 and the front end portions are electrically connected to each other. Is forming.

上記接続部１８における両導体１２、１４の先端部の接続は、嵌め合いによる接続だけでも良いし、それと溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、接続の信頼性が向上する。 The connection of the tip portions of the two conductors 12 and 14 in the connection portion 18 may be only a connection by fitting, or may be used in combination with welding. Use of welding together improves connection reliability.

熱陰極１０の温度制御の応答性の観点から、図２、図６、図７に示した各熱陰極１０を比べると、図６、図７に示した熱陰極１０では、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体１６を用いた図２の熱陰極１０に比べて、熱陰極１０の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極１０の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。 From the viewpoint of the temperature control responsiveness of the hot cathode 10, when comparing the hot cathodes 10 shown in FIGS. 2, 6, and 7, in the hot cathode 10 shown in FIGS. 2 and the tip of the internal conductor 14 are directly connected electrically without using a connecting conductor, so that the tip of the hot cathode 10 is compared with the hot cathode 10 of FIG. The volume can be reduced. As a result, the heat capacity of the hot cathode 10 can be reduced, the time constant during temperature control can be reduced, and the temperature control response can be improved.

上記いずれの例の熱陰極１０においても、内部導体１４を、外部導体１２よりも融点の高い材料で形成しておいても良い。その一例を挙げると、外部導体１２をタンタルで形成し、内部導体１４をタングステンで形成しておいても良い。前述したように、内部導体１４は必ず外部導体１２よりも温度が高くなるので、内部導体１４を外部導体１２よりも融点の高い材料で形成しておくことによって、内部導体１４の耐熱性を高くして、内部導体１４の寿命ひいては熱陰極１０の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極１０の運転範囲をより広くすることもできる。 In any of the above-described hot cathodes 10, the inner conductor 14 may be formed of a material having a melting point higher than that of the outer conductor 12. For example, the outer conductor 12 may be formed of tantalum and the inner conductor 14 may be formed of tungsten. As described above, since the temperature of the inner conductor 14 is always higher than that of the outer conductor 12, the inner conductor 14 is made of a material having a melting point higher than that of the outer conductor 12, thereby increasing the heat resistance of the inner conductor 14. As a result, the life of the internal conductor 14 and thus the life of the hot cathode 10 can be extended. In addition, the operating range of the hot cathode 10 can be made wider.

再び図１、図２を参照して、イオン源２は、プラズマ生成室２２内に、熱陰極１０の内部導体１４の先端部の中心とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の中心とを結ぶ線に沿う方向に、換言すれば前記軸４６に沿う方向に磁界６０を発生させる磁気コイル５８を備えていても良い。この磁気コイル５８は、直流の励磁電源６２によって励磁されて磁界６０を発生させる。磁界６０の向きは図示とは逆でも良い。 Referring again to FIGS. 1 and 2, the ion source 2 is connected to the center of the tip of the inner conductor 14 of the hot cathode 10 and the center of the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38 in the plasma generation chamber 22. In other words, a magnetic coil 58 that generates the magnetic field 60 in the direction along the axis 46 may be provided. The magnetic coil 58 is excited by a direct current excitation power source 62 to generate a magnetic field 60. The direction of the magnetic field 60 may be opposite to that illustrated.

上記のような磁気コイル５８を備えていると、当該磁気コイル５８が発生する磁界６０の強度を制御することによって、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に生成される柱状のプラズマ２０の直径方向の大きさを変化させることができる。それによって、当該プラズマ２０内での電子とガス分子、電子とイオン、イオンとイオン等の衝突の平均回数を変化させてプラズマ２０中のイオン種の比率を変化させ、イオンビーム５０中に含まれるイオン種の比率を制御することができる。 When the magnetic coil 58 as described above is provided, the intensity of the magnetic field 60 generated by the magnetic coil 58 is controlled, so that the gap between the vicinity of the tip of the hot cathode 10 and the vicinity of the ion extraction hole 40 of the plasma electrode 38 is obtained. The magnitude | size of the diameter direction of the columnar plasma 20 produced | generated can be changed. As a result, the average number of collisions between electrons and gas molecules, electrons and ions, ions and ions, etc. in the plasma 20 is changed to change the ratio of ion species in the plasma 20 and are included in the ion beam 50. The ratio of ionic species can be controlled.

２イオン源
８原料ガス
１０熱陰極
１２外部導体
１４内部導体
１６接続導体
１８接続部
２０プラズマ
２２プラズマ生成室
２８ガス供給パイプ
３６引出し電極系
３８プラズマ電極
４０イオン引出し孔
５０イオンビーム
５８磁気コイル
Ｉ_H 加熱電流 2 ion source 8 source gas 10 hot cathode 12 outer conductor 14 inner conductor 16 connecting conductor 18 connecting portion 20 plasma 22 plasma generation chamber 28 gas supply pipe 36 extraction electrode system 38 plasma electrode 40 ion extraction hole 50 ion beam 58 magnetic coil I _H Heating current

特開２００１−２３６８９７号公報（段落０００１−０００８、図３）JP 2001-236897 A (paragraphs 0001-0008, FIG. 3) 特開２００６−５４１０８号公報（段落００２０−００２３、図１、図２）JP 2006-54108 A (paragraphs 0020-0023, FIGS. 1 and 2)

Claims

(A) a plasma generation chamber for generating plasma;
(B) A hot cathode that is disposed in the plasma generation chamber and emits thermoelectrons into the plasma generation chamber when a heating current is passed, and is coaxial with the hollow outer conductor and the outer conductor. A hollow inner conductor disposed, and an annular connecting conductor provided between the tip of the inner conductor and the tip of the outer conductor to electrically connect the two tips. The heating current is folded through the connection conductor, and the outer cathode and the inner conductor are configured to flow in opposite directions to each other,
(C) Gas supply means for supplying a raw material gas into the internal conductor of the hot cathode from a portion outside the plasma generation chamber and releasing the raw material gas from the tip of the internal conductor through the internal conductor into the plasma generation chamber. When,
(D) An electrode that also serves as an anode for generating a discharge with the hot cathode, and is disposed at one end of the plasma generation chamber so as to face the tip of the hot cathode with a space therebetween. And a plasma electrode having an ion extraction hole in front of the front end of the inner conductor of the hot cathode, and an extraction electrode system for extracting an ion beam from the plasma in the plasma generation chamber. Characteristic ion source.

Instead of having the connection conductor, the hot cathode is configured to electrically connect the tip of the outer conductor and the tip of the inner conductor directly, and the heating current is folded at the connection. The ion source according to claim 1.

The ion source according to claim 1, wherein the inner conductor of the hot cathode is formed of a material having a higher melting point than the outer conductor.

A magnetic coil for generating a magnetic field in a direction along a line connecting a center of a tip portion of an inner conductor of the hot cathode and a center of an ion extraction hole of the plasma electrode is provided in the plasma generation chamber. 3. The ion source according to 3.