JP2014139889A - マイクロ波イオン源及びプラズマ室 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波イオン源のプラズマ室におけるプラズマ損失を抑制する。
【解決手段】マイクロ波イオン源のためのプラズマ室１０は、二次電子放出源をプラズマ室１０内に備える。二次電子放出源は、少なくとも二種のアルカリ土類金属元素を含むアルカリ土類金属酸化物を備える。アルカリ土類金属酸化物は、酸化ストロンチウムカルシウムであってもよい。プラズマ室は、外壁部３２と、外壁部３２の内側に配設されているライナ３４と、を備え、ライナ３４の内面の少なくとも一部がアルカリ土類金属酸化物で被覆されていてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波イオン源及びプラズマ室に関する。

マイクロ波をプラズマ生成に用いるイオン源が知られている。真空のプラズマ室にマイクロ波が導入される。プラズマ室に供給された原料ガスがマイクロ波によって励起され、プラズマが生成される。プラズマからイオンが引き出される。こうしてイオン源から引き出されたイオンは例えばイオン注入処理のために使用される。また、プラズマ室に電子サイクロトロン共鳴を引き起こすための磁場を印加して、プラズマを効率的に生成する方式も知られている。

特開昭６３−６６８２７号公報

生成されたプラズマの一部は、プラズマ室の壁面での再結合によって失われうる。より多くのイオンを外に引き出して利用するためには、プラズマ室内でのプラズマの損失を抑制することが望まれる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、マイクロ波イオン源のプラズマ室におけるプラズマ損失を抑制することにある。

本発明のある態様によると、マイクロ波イオン源のためのプラズマ室は、二次電子放出源を該プラズマ室内に備え、前記二次電子放出源は、少なくとも二種のアルカリ土類金属元素を含むアルカリ土類金属酸化物を備える。

前記少なくとも二種のアルカリ土類金属元素は、ストロンチウム又はバリウムである第１元素と、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、及びバリウムからなるグループから選択され第１元素と異なる第２元素と、を含んでもよい。

前記アルカリ土類金属酸化物は、酸化ストロンチウムカルシウムであってもよい。

前記プラズマ室は、外壁部材と、前記外壁部材の内側に配設されているライナと、を備え、前記ライナの内面の少なくとも一部が前記アルカリ土類金属酸化物で被覆されていてもよい。

前記プラズマ室は、イオン引出開口を有する第１壁部と、該第１壁部に対向する第２壁部と、を備え、前記二次電子放出源は、前記第２壁部より前記第１壁部に近くてもよい。

本発明のある態様によると、こうしたプラズマ室を備えるマイクロ波イオン源が提供される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、プラズマ室におけるプラズマ損失を抑制することができる。

本発明のある実施形態に係るプラズマ室を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るプラズマ室を概略的に示す断面図である。

図１は、本発明のある実施形態に係るプラズマ室１０を概略的に示す断面図である。プラズマ室１０は、マイクロ波イオン源のプラズマ室に適する。マイクロ波イオン源は、例えばイオン注入装置又は粒子線治療装置のためのイオン源に使用される。

マイクロ波イオン源は、マイクロ波によって原料ガスのプラズマをプラズマ室１０に生成し、そのプラズマからプラズマ室１０の外部へイオンを引き出すように構成されている。マイクロ波を原料ガスに効率的に吸収させるために、電子サイクロトロン共鳴条件の磁場又はそれよりも強い磁場がプラズマ室１０に印加され、その磁力線方向にマイクロ波電力が入力されてもよい。こうしてプラズマ室１０に高密度プラズマが生成されてもよい。

プラズマ室１０は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている真空チャンバである。プラズマ室１０の内部空間を以下では、プラズマ収容空間１２と呼ぶことがある。プラズマ室１０は両端をもつ筒状の形状を有するので、プラズマ収容空間１２もまた筒状の形状を有する。

プラズマ室１０は、入口端部１４、出口端部１６、及び側壁１８を備える。入口端部１４と出口端部１６とはプラズマ収容空間１２を挟んで対向している。側壁１８はプラズマ収容空間１２を囲み、入口端部１４と出口端部１６とを接続する。入口端部１４及び出口端部１６の外周部に側壁１８の末端が固定されている。このようにして、入口端部１４、出口端部１６、及び側壁１８によってプラズマ収容空間１２がプラズマ室１０の内部に画定されている。プラズマ室１０の外壁部材は、入口端部１４、出口端部１６、及び側壁１８を備える。

プラズマ室１０は例えば円筒形状を有する。この場合、入口端部１４及び出口端部１６は円板形状であり、側壁１８は円筒である。なおプラズマ室１０は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状であってもよい。

入口端部１４は、真空窓２０と、真空窓２０を支持する真空窓支持部２２と、を備える。真空窓２０の一方の側がプラズマ収容空間１２に面しており、真空窓２０の他方の側がマイクロ波供給系または導波管（図示せず）に向けられている。マイクロ波の伝搬方向は真空窓２０に垂直である。本実施形態では真空窓２０は入口端部１４の全体を占めているが、真空窓２０は入口端部１４の一部（例えば中心部）に形成されていてもよい。真空窓２０はプラズマ室１０の内部を真空に封じる。本実施形態では真空窓２０の外層２６の外周部が真空窓支持部２２にシール部２８を介して取り付けられている。

真空窓２０は例えばアルミナまたは窒化ホウ素のような誘電体で形成されている。本実施形態では真空窓２０は二層構造を有し、窒化ホウ素の内層２４がプラズマ収容空間１２に面しており、その内層２４にアルミナの外層２６が隣接する。真空窓支持部２２は例えばステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性金属材料で形成されている。

出口端部１６には少なくとも１つのイオン引出開口３０が形成されている。イオン引出開口３０は出口端部１６の中心部分に形成されている。イオン引出開口３０は、プラズマ収容空間１２を挟んで真空窓２０に対向する位置に形成されている。すなわち、真空窓２０、プラズマ収容空間１２、及びイオン引出開口３０は、プラズマ室１０の中心軸に沿って配列されている。イオン引出開口３０の外側には、イオンをプラズマ室１０の外に引き出すための引出電極系（図示せず）が設けられている。出口端部１６は例えばステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性金属材料で形成されている。

側壁１８は、プラズマ室１０の中心軸に沿って入口端部１４から出口端部１６へと延在する。側壁１８は、真空窓支持部２２と出口端部１６とを接続する外壁部３２と、外壁部３２の内側に設けられているライナ３４と、を備える。外壁部３２は例えばステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性金属材料で形成されている。プラズマ収容空間１２の中心軸に沿う磁場を発生させるための例えばコイルなどの磁場発生器（図示せず）が外壁部３２の外側に設けられていてもよい。

ライナ３４は、外壁部３２の内側に隣接して設けられている。ライナ３４は、外壁部３２の内面を被覆する。またライナ３４は、真空窓支持部２２の内周面を被覆する。ライナ３４は、真空窓２０の内層２４から出口端部１６へと延在する。

ライナ３４は、ライナ本体３６と、ライナ本体３６の内側表層３８と、を備える。ライナ本体３６が上述のように、外壁部３２及び真空窓支持部２２の内面を被覆し、真空窓２０の内層２４から出口端部１６へと延在する。ライナ本体３６は例えば窒化ホウ素で形成されている。内側表層３８は、ライナ本体３６の内面を被覆する膜である。

本実施形態では、ライナ本体３６は外壁部３２に挿入され嵌め込まれている。ライナ本体３６と外壁部３２とは密着しているわけではなく、両者の間にはわずかな隙間がある。この微小な空間によって、ライナ本体３６と外壁部３２との間で熱を伝わりにくくすることができる。つまり、ライナ本体３６から外壁部３２へと熱が逃げにくい。このことは、プラズマの生成を開始するときにプラズマ収容空間１２を速やかに昇温することに役立つ。

内側表層３８は、ライナ本体３６よりも高い二次電子放出能力を有する材料で形成されている。本実施形態では内側表層３８は酸化ストロンチウムカルシウムで形成されている。酸化ストロンチウムカルシウムは、ライナ本体３６を形成する窒化ホウ素よりも二次電子放出能力が高い。

内側表層３８は、ライナ本体３６への真空蒸着などの乾式の成膜方法で形成される。この場合、真空蒸着の蒸発材料は酸化ストロンチウムと酸化カルシウムとの混合材料を用いることができる。こうして、酸化ストロンチウムと酸化カルシウムとを主成分とする蒸着膜をライナ本体３６に形成することができる。酸化ストロンチウムカルシウムの真空蒸着方法は特開２００７−１１９８３３号に例示されている。あるいは、内側表層３８は、ライナ本体３６への湿式の塗布方法によって形成されてもよい。

本実施形態に係るマイクロ波イオン源の動作を説明する。マイクロ波が真空窓２０を通じてプラズマ室１０に導入される。マイクロ波によって原料ガスが励起され、プラズマ室１０にプラズマが生成される。イオン引出開口３０を通じてプラズマ室１０の外へとイオンが引き出される。

プラズマはプラズマ室１０の内面に作用しうる。例えば内側表層３８に荷電粒子が衝突する。内側表層３８は上述のように酸化ストロンチウムカルシウムで形成されており、酸化ストロンチウムカルシウムは二次電子を放出する能力が高い。したがって、プラズマが内側表層３８に作用することによって、多量の二次電子がプラズマ収容空間１２に放出される。こうした二次電子は、プラズマの原料ガスを電離させることができるので、プラズマの生成及び維持に役立つ。

よって、本実施形態によると、プラズマ室１０の壁面によるプラズマの損失を抑制することができる。また、プラズマ損失が軽減されることにより、高密度プラズマを維持するための電力を低減することができる。

また、ライナ本体３６が二次電子放出材料層で被覆されている。そのため、ライナ本体３６を形成する材料は二次電子放出能力により制約されない。二次電子放出能力の低い材料でライナ本体３６を形成することができる。

図２は、本発明の他の実施形態に係るプラズマ室１０を概略的に示す断面図である。図１に示す実施形態においては内側表層３８がライナ本体３６の内面全体を被覆するのに対し、図２に示す実施形態は内側表層３８がライナ本体３６の内面を部分的に被覆する。図２に示すその他の構成については図１に示す構成と同様であるので、冗長を避けるため説明を適宜省略する。

上述のように二次電子放出材料からなる内側表層３８は、高密度プラズマを生成し維持するために設けられている。したがって、内側表層３８は、プラズマ収容空間１２においてプラズマの密度が相対的に高い場所に選択的に形成される一方、プラズマの密度が相対的に低い場所には内側表層３８が形成されなくてもよい。

プラズマ室１０は典型的に、イオン引出開口３０の近傍でプラズマ密度が高くなるように構成されている。よって例えば、プラズマ室１０は、イオン引出開口３０を有する第１壁部（例えば出口端部１６）と、第１壁部に対向する第２壁部（例えば入口端部１４）と、を備え、二次電子放出材料が第２壁部より第１壁部に近接する場所に設けられていてもよい。すなわち、内側表層３８は、真空窓２０とイオン引出開口３０との中間点よりもイオン引出開口３０に近い領域の少なくとも一部に形成されていてもよい。

図２に示されるように、内側表層３８は、ライナ本体３６の内面のうち軸方向に関してイオン引出開口３０に近接する端部を被覆する。また、内側表層３８は、イオン引出開口３０を除いて出口端部１６の内面を被覆する。

こうして、プラズマ室１０の軸方向に関して引出開口側に二次電子放出材料層が形成され、それによりプラズマ収容空間１２においてプラズマ密度が高い領域が二次電子放出材料層で囲まれている。したがって、プラズマの作用によって多量の二次電子がプラズマ収容空間１２に放出され、プラズマの損失を抑制することができる。

本実施形態ではライナ本体３６も、ある程度の二次電子放出能力をもつ材料（例えば窒化ホウ素）で形成されている。ライナ本体３６の内面は、プラズマ室１０の軸方向に関して真空窓側でプラズマ収容空間１２に露出されている。したがって、プラズマがライナ本体３６の露出表面に作用することによって、いくらかの二次電子がプラズマ収容空間１２に放出される。こうした二次電子もプラズマ損失の抑制に役立つ。

なお、本実施形態では二次電子放出材料層が出口端部１６に直接形成されているが、側壁１８と同様に二次電子放出材料層が出口端部１６にライナを介して形成されていてもよい。逆に、側壁１８はライナ３４を有していなくてもよく、側壁１８において二次電子放出材料層がライナ３４を介さずに外壁部３２に直接形成されていてもよい。

以上、本発明を実施形態にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

プラズマ損失を抑制することを重視する場合には、二次電子放出材料層は、プラズマ室１０の内壁面をすべて被覆してもよい。この場合、真空窓２０の内面に二次電子放出材料層が形成されていてもよい。マイクロ波への影響を重視する場合には、上述の実施形態のように、真空窓２０には二次電子放出材料層を形成しないようにしてもよい。

二次電子放出材料は、少なくとも二種のアルカリ土類金属元素を含むアルカリ土類金属酸化物であってもよい。こうしたアルカリ土類金属酸化物は、高い二次電子放出能力を持ちうる。そのために、アルカリ土類金属元素は、電子数の多い元素であることが望ましい。そこで、少なくとも二種のアルカリ土類金属元素のうち第１の元素は、ストロンチウム又はバリウムであってもよい。また、少なくとも二種のアルカリ土類金属元素のうち第２の元素は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、及びバリウムからなるグループから選択され、第１の元素と異なる元素であってもよい。あるいは、少なくとも二種のアルカリ土類金属元素は、ストロンチウムと、マグネシウム、カルシウム、及びバリウムからなるグループから選択される元素と、を含んでもよい。アルカリ土類金属酸化物は、酸化ストロンチウムカルシウムまたは酸化ストロンチウムマグネシウムであってもよい。

二次電子放出材料は、プラズマ室１０の壁面を被覆していなくてもよい。プラズマ室１０の中に二次電子放出材料が存在するとき、この材料は二次電子放出源としてプラズマ損失の抑制に役立ちうる。したがって、プラズマ室１０は、プラズマ室１０内に設けられている二次電子放出源を備えてもよい。この場合、二次電子放出源は例えば、定形又は不定形の塊状、粒状、又は粉状の二次電子放出材料であってもよく、プラズマ室１０内に固定されずに収容され又はプラズマ室１０内に固定されていてもよい。二次電子放出源はイオン引出開口３０の近傍に配置されていてもよい。

１０ プラズマ室、 １８ 側壁、 ３０ イオン引出開口、 ３２ 外壁部、 ３４ ライナ、 ３６ ライナ本体、 ３８ 内側表層。

Claims (6)

1. マイクロ波イオン源のためのプラズマ室であって、
   二次電子放出源を該プラズマ室内に備え、
   前記二次電子放出源は、少なくとも二種のアルカリ土類金属元素を含むアルカリ土類金属酸化物を備えることを特徴とするプラズマ室。
2. 前記少なくとも二種のアルカリ土類金属元素は、ストロンチウム又はバリウムである第１元素と、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、及びバリウムからなるグループから選択され第１元素と異なる第２元素と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ室。
3. 前記アルカリ土類金属酸化物は、酸化ストロンチウムカルシウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ室。
4. 前記プラズマ室は、外壁部材と、前記外壁部材の内側に配設されているライナと、を備え、前記ライナの内面の少なくとも一部が前記アルカリ土類金属酸化物で被覆されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ室。
5. 前記プラズマ室は、イオン引出開口を有する第１壁部と、該第１壁部に対向する第２壁部と、を備え、
   前記二次電子放出源は、前記第２壁部より前記第１壁部に近いことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ室。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のプラズマ室を備えるマイクロ波イオン源。

Images