JP2015079589A

JP2015079589A - マイクロ波イオン源

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Publication number: JP2015079589A
Application number: JP2013214822A
Authority: JP
Inventors: 伸明高橋; Nobuaki Takahashi; 裕彦村田; Hirohiko Murata
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-15
Also published as: JP6150705B2

Abstract

【課題】マイクロ波イオン源において高密度プラズマを生成する。【解決手段】マイクロ波イオン源１０は、マイクロ波導入部１６と、イオン引出部１８と、プラズマ生成空間１４を囲むようにマイクロ波導入部１６とイオン引出部１８とを接続する側壁部２０と、を備えるプラズマ室１２を備える。側壁部２０及びイオン引出部１８の少なくとも一方は、プラズマ生成空間１４への露出表面を有する二次電子放出材料層５０を備え、露出表面の少なくとも一部に凹凸が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波イオン源に関する。

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。

特開平７−１４５３５号公報特開平４−３５１８３８号公報

プラズマ室の内壁面に荷電粒子が到達すると、そうした粒子はプラズマから失われうる。より多くのイオンを外に引き出して利用するためには、このような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において高密度プラズマを生成することにある。

本発明のある態様によると、マイクロ波イオン源は、マイクロ波導入部と、イオン引出部と、プラズマ生成空間を囲むように前記マイクロ波導入部と前記イオン引出部とを接続する側壁部と、を備えるプラズマ室を備える。前記側壁部及び前記イオン引出部の少なくとも一方は、前記プラズマ生成空間への露出表面を有する二次電子放出材料層を備え、前記露出表面の少なくとも一部に凹凸が形成されている。

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、マイクロ波イオン源において高密度プラズマを生成することができる。

本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源を概略的に示す断面図である。図１に示す一点鎖線Ａにおけるプラズマ室の断面を示す。本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源において磁場発生器によりプラズマ室に生じる磁場を例示する図である。本発明の他の実施形態に係るプラズマ室の側壁部の一部を概略的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源１０を概略的に示す断面図である。マイクロ波イオン源１０は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たす磁場またはそれよりも高い磁場を印加したプラズマ室１２内へ、磁力線方向にマイクロ波電力を入力して高密度プラズマを生成しイオンを引き出すイオン源である。マイクロ波イオン源１０は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマ室１２の外部へイオンを引き出すように構成されている。

よく知られるように、ＥＣＲ条件を満たす磁場の強さは使用されるマイクロ波の周波数に対し一意に定まり、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合には８７．５ｍＴ（８７５ガウス）の磁場が必要である。以下では説明の便宜上、ＥＣＲ条件を満たす磁場を、共鳴磁場と呼ぶことがある。

マイクロ波イオン源１０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１０は例えば、一価イオン源として使用される。また、マイクロ波イオン源１０は、プロトン加速器のためのイオン源、またはＸ線源としても使用され得る。

プラズマ室１２は、真空チャンバ（図示せず）に収容されている。よって、プラズマ室１２の内部空間にはプラズマを生成し維持するための真空環境が提供される。プラズマ室１２の内部空間を以下では、プラズマ生成空間１４と呼ぶことがある。

プラズマ室１２は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマ室１２の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を包囲する方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマ室１２が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。また、プラズマ室１２の軸方向長さは、プラズマ室１２の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。

プラズマ室１２は、マイクロ波導入部１６と、イオン引出部１８と、を備える。マイクロ波導入部１６とイオン引出部１８とはプラズマ生成空間１４を挟んで対向している。

また、プラズマ室１２は、マイクロ波導入部１６とイオン引出部１８とを接続し、プラズマ生成空間１４を囲む側壁部２０を備える。よって側壁部２０の内面はプラズマ生成空間１４に露出されている。マイクロ波導入部１６及びイオン引出部１８それぞれの外周部分に側壁部２０が固定されている。側壁部２０の少なくとも本体部分は、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。

マイクロ波導入部１６、イオン引出部１８、及び側壁部２０によってプラズマ室１２の中にプラズマ生成空間１４が画定されている。なお、プラズマ室１２は、マイクロ波導入部１６、イオン引出部１８、及び側壁部２０が一体にプラズマ生成空間１４を囲むよう構成されているから、イオン引出部１８に接続される側壁部２０の末端はイオン引出部１８の一部であるとみなすこともできる。同様に、マイクロ波導入部１６に接続される側壁部２０の末端はマイクロ波導入部１６の一部であるとみなすこともできる。

プラズマ室１２は例えば円筒形状を有する。この場合、マイクロ波導入部１６及びイオン引出部１８は概ね円板形状であり、側壁部２０は概ね円筒である。なおプラズマ室１２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。

側壁部２０はその内側の表層部分に、二次電子放出材料層５０を備える。よって、二次電子放出材料層５０は、プラズマ生成空間１４に露出された表面を有する。二次電子放出材料層５０は、側壁部２０においてイオン引出部１８側に設けられている。二次電子放出材料層５０の露出表面は、側壁部２０のプラズマ生成空間１４への露出表面と平坦である。図１及び図３においては、理解を容易にするために便宜上、二次電子放出材料層５０を太線で示す。

本実施形態においては、二次電子放出材料層５０は、例えばアルミナ、酸化マグネシウム、または窒化ホウ素のような二次電子放出係数の高い材料で形成されている。ここで、二次電子放出係数の高い材料とは、本用途においてイオンに要求されるエネルギーレベル（例えば数ｅＶ〜数１０ｅＶ、または約１０ｅＶ）において当該材料にイオンが入射したとき少なくとも１個の電子を放出する材料をいう。こうして二次電子放出材料層５０は、プラズマ室１２の内面のうち当該層で覆われていない部分（例えば、側壁部２０の本体部分がプラズマ生成空間１４に露出された領域）に比べて高い二次電子放出能力を有する。

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。

図２は、図１に示す一点鎖線Ａにおけるプラズマ室１２の断面を示す。二次電子放出材料層５０の少なくとも一部に凹凸が形成されている。この凹凸は、図２に示されるように、プラズマ生成空間１４の外周部に連続する複数の溝部５２を含む。複数の溝部５２は、周方向に等間隔に設けられている。複数の溝部５２はそれぞれ、マイクロ波の進行方向Ｐ（図１参照）に沿って（すなわちプラズマ室１２の軸方向に）延びる凹部である。図示される例においては、各溝部５２の幅は等しい。また各溝部５２の深さは等しい。

詳しくは図３を参照して後述するが、二次電子放出材料層５０の露出表面の少なくとも一部の領域には磁場発生器４０の磁場５４が交差する。磁場５４と交差する露出表面の領域に、二次電子放出材料層５０の凹凸形状が形成されている。

このような凹凸は、二次電子放出材料層５０が比較的厚い場合には二次電子放出材料層５０への加工によって形成されていてもよい。二次電子放出材料層５０が比較的薄い場合には、側壁部２０の本体部分への加工によって形成され、この本体部分が二次電子放出材料層５０で被覆され、その結果として二次電子放出材料層５０の露出表面に凹凸が形成されていてもよい。

なお、プラズマ室１２の側壁部２０をプラズマから保護するために、側壁部２０の内面を被覆する（例えば窒化ホウ素の）ライナが設けられていてもよい。二次電子放出係数の高い材料でライナが形成されている場合には、ライナは二次電子放出材料層５０に相当する。また、側壁部２０は、側壁部２０を冷却するための冷却部を備えてもよい。この冷却部は側壁部２０に内蔵されていてもよいし、側壁部２０の外側に付設されていてもよい。

図１に示されるように、マイクロ波導入部１６は、真空窓２２と、真空窓２２を支持する真空窓支持部２４と、を備える。真空窓２２はプラズマ室１２の内部を真空に封じる。真空窓２２はマイクロ波導入窓と呼ばれることもある。真空窓２２の一方の側がプラズマ生成空間１４に面しており、真空窓２２の他方の側がマイクロ波供給系または導波管２６に向けられている。マイクロ波の進行方向Ｐは真空窓２２に垂直である。真空窓２２は、導波管２６からマイクロ波をプラズマ生成空間１４へと受け入れる。本実施形態では真空窓２２はマイクロ波導入部１６の全体を占めているが、真空窓２２はマイクロ波導入部１６の一部（例えば中心部）に形成されていてもよい。

プラズマ室１２へのマイクロ波の入射電力は例えば、約１００Ｗより大きい。あるいは、プラズマ室１２へのマイクロ波の入射電力は、約５００Ｗ以上または約１ｋＷ以上でもよい。このような高電力のマイクロ波の供給には、同軸線のような他の供給手段に比べて、導波管２６及び真空窓２２が適する。

真空窓２２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２２は二層構造を有し、例えば窒化ホウ素の窓内層２８がプラズマ生成空間１４に面しており、その窓内層２８に例えばアルミナの窓外層３０が隣接する。プラズマ生成空間１４に面する窓内層２８の表面は平坦である。窓内層２８は、プラズマ室１２の外からイオン引出開口３２を通じてプラズマ室１２に逆流する電子から窓外層３０を保護するために窓外層３０を被覆する。真空窓支持部２４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。真空窓支持部２４は側壁部２０の一端に形成されたフランジ部であってもよい。

一方、イオン引出部１８には少なくとも１つのイオン引出開口３２が形成されている。イオン引出開口３２は例えば、紙面に垂直な方向に細長いスリットである。イオン引出開口３２はイオン引出部１８の中心部分に形成されている。イオン引出開口３２は、プラズマ生成空間１４を挟んで真空窓２２に対向する位置に形成されている。真空窓２２、プラズマ生成空間１４、及びイオン引出開口３２は、プラズマ室１２の中心軸に沿って配列されている。イオン引出開口３２を通じてプラズマ生成空間１４からイオンが引き出される。イオン引出部１８の内壁面のうち、マイクロ波導入部１６に対向する部分を、イオンビーム引出面３４と称することがある。イオンビーム引出面３４は、プラズマ生成空間１４に露出されている。

イオン引出部１８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。イオン引出部１８は、例えばタングステンのような高融点金属またはグラファイトのような高融点の半金属導体であってもよい。したがって、イオンビーム引出面３４には、このような非磁性、導電性、及び高融点の材料が露出されている。こうした材料は一般に、側壁部２０の二次電子放出材料に比べて二次電子放出能力に劣る。

プラズマ室１２に正の高電圧を印加するために電源４８が設けられている。プラズマ室１２に高電圧が印加されるとき、その一部であるイオン引出部１８にも同じ高電圧が印加されるので、イオン引出部１８はプラズマ電極と呼ばれることもある。

イオン引出開口３２の軸方向外側には、イオンをプラズマ室１２の外に引き出すための少なくとも１つの引出電極３６を備える引出電極系が設けられている。引出電極３６は、イオン引出部１８との間に軸方向に引出ギャップ３８を有して対向する。引出電極３６は、それぞれ例えば環状に形成されており、プラズマ室１２から引き出されたイオンを通すための開口部分を中心部に有する。また、引出電極系は、引出電極３６に電位を印加するための引出電源（図示せず）を備える。

図１に示されるように、マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１２に磁場を発生させるための磁場発生器４０を備える。磁場発生器４０は、プラズマ室１２の中心軸上において軸方向に向けられた磁場を発生させるために、プラズマ室１２の側壁部２０を囲むように配設されている。その磁力線方向Ｍを図１に矢印で示す。磁場発生器４０による磁力線方向Ｍは、マイクロ波の進行方向Ｐと同一の方向である。また、この磁場は、プラズマ室１２の中心軸上の少なくとも一部分において共鳴磁場またはそれよりも高強度である。しかし、磁場発生器４０は、プラズマ室１２の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場よりも低い磁場を発生させることも可能である。

磁場発生器４０は、プラズマ室１２を囲むドーナツ型のコイル４２と、コイル４２に装着されたヨーク４４と、を備える。コイル４２は環状に形成され、プラズマ室１２の周方向に導線が巻かれている。ヨーク４４は、コイル４２の外周及び軸方向両端に隣接して設けられている。また、磁場発生器４０は、コイル４２に電流を流すためのコイル電源（図示せず）を備える。

なお磁場発生器４０は、図示されるように１つのコイル４２を備える代わりに、プラズマ室１２の軸方向に沿って配列された複数のコイルを備えてもよい。また、磁場発生器４０は、これら１つ又は複数のコイルとともに、または１つ又は複数のコイルに代えて、永久磁石を備えてもよい。

磁場発生器４０は、プラズマ室１２に対して磁場発生器４０を支持するための磁石支持部（図示せず）を備えてもよい。この場合、磁場発生器４０は、その磁石支持部によってプラズマ室１２を囲むように配置される。本実施形態においては、磁場発生器４０は、プラズマ室１２と磁場発生器４０との間に径方向隙間４６が形成されるように支持されている。このように磁場発生器４０とプラズマ室１２とが離れている場合には、磁場発生器４０とプラズマ室１２とに異なる電位が与えられてもよい。そのためにマイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１２及び磁場発生器４０のそれぞれに電位を与えるための高電圧電源（図示せず）を備えてもよい。なお磁場発生器４０はプラズマ室１２の外表面に直に取り付けられていてもよい。

本実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の動作を説明する。マイクロ波が真空窓２２を通じてプラズマ室１２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１２にプラズマが生成される。生成されたプラズマは、磁場発生器４０によりプラズマ室１２に生じる磁場５４により閉じ込められる。イオン引出開口３２を通じてプラズマ室１２の外へとイオンが引き出される。

磁場発生器４０によりプラズマ室１２に生じる磁場５４を図３に例示する。磁場５４は、マイクロ波の進行方向Ｐ（図１参照）に向けられている。磁場５４はプラズマ室１２の中心軸上及びその近傍においてはイオンビーム引出面３４を横切っている。中心軸から離れたプラズマ室１２の外周側においては二次電子放出材料層５０を横切っている。二次電子放出材料層５０は上述のように側壁部２０においてイオン引出部１８側に設けられている。

プラズマ中の荷電粒子は磁場５４に沿って（例えば、磁場５４に巻き付くように）移動する。そして、一部の荷電粒子はイオンビーム引出面３４に当たり、イオンビーム引出面３４を加熱する。そうした荷電粒子はイオンビーム引出面３４に捕捉されプラズマから失われうる。また、プラズマ中の電子が壁面に捕らわれるとプラズマポテンシャルが上がり、イオンが壁に引き寄せられてプラズマから失われうる。

その一方で、一部の荷電粒子（例えばイオン）は二次電子放出材料層５０に当たる。二次電子放出材料層５０に荷電粒子が衝突するときプラズマ生成空間１４に二次電子が放出され、プラズマに電子が補充される。二次電子放出材料層５０はイオン引出部１８に隣接するから、プラズマ生成空間１４のうちイオン引出部１８に隣接する領域における電子密度が高まり、それにより電気的平衡状態に近づくように当該領域にイオンが流入する。こうして、イオン引出部１８のプラズマ密度を向上し、マイクロ波イオン源１０から引き出されるイオンの量（つまり引出可能なイオンビーム電流量）を増やすことができる。

本実施形態においては、二次電子放出材料層５０の露出表面に凹凸が形成されている。凹凸を形成することにより、二次電子放出材料層５０の表面積が幾何学的に大きくなる。このようにして二次電子放出可能な領域の面積を増やすことにより、二次電子の供給量を増加させることができる。特に、磁場５４と交差する壁部分に凹凸が形成されており、従って、荷電粒子がより多く入射する領域の表面積が大きくなっている。よって、二次電子の供給量をさらに増加させることができる。

また、本実施形態においては、二次電子放出材料層５０が側壁部２０に設けられている。たいていの場合、側壁部２０の内表面積はプラズマ室１２の端面（例えばイオンビーム引出面３４）の面積より広い。よって、同じ密度で凹凸を形成するとしたら、側壁部２０に形成するほうが表面積の増加量が大きくなる。また、一般に、側壁部２０とプラズマ室１２の端部（例えばイオン引出部１８）とは別の部材であるから、両方の部材に凹凸を加工するよりも一方のみに加工するほうが製造が容易である。

さらに、本実施形態においては、磁場５４はマイクロ波の進行方向Ｐに向けられており、溝部５２はその方向に沿って形成されている。このように磁場５４と溝部５２の方向を合わせることにより、溝部５２の表面を全体的に有効に利用することができる。ある他の実施形態においては、図４に示すように、側壁部２０において周方向に延びる溝部５６が形成されてもよい。この場合、溝部５６の第１側面５８は磁場５４に向かい合うが、他方の第２側面６０は反対向きであるから荷電粒子が入射しにくい。第２側面６０はいわば陰となっている。したがって、二次電子の供給源としての第２側面６０の寄与は比較的小さい。こうした陰は、図２に示すように磁場５４と溝部５２の方向が一致する場合には生じない。

また、側壁部２０は筒であるから、軸方向の溝部５２は、周方向またはその他の方向の溝部に比べて、加工が容易であるという利点もある。

以上、本発明を実施例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。

例えば、二次電子放出材料層５０は、側壁部２０及びイオン引出部１８の少なくとも一方に設けられていてもよい。二次電子放出材料層５０は、側壁部２０の一部または全部を覆っていてもよいし、イオン引出部１８の一部または全部を覆っていてもよい。ある実施形態においては、イオンビーム引出面３４の少なくとも一部に二次電子放出材料層が設けられていてもよい。この場合、磁場５４に沿ってイオンビーム引出面３４に入射する荷電粒子によって二次電子を放出することができる。

上述の実施形態においては、側壁部２０の露出表面の一部に凹凸が形成されている。ある実施形態においては、プラズマ生成空間１４への露出表面全体にわたって凹凸が形成されていてもよい。例えば、側壁部２０の溝部５２がイオン引出部１８からマイクロ波導入部１６まで延びていてもよい。

凹凸は溝部５２には限られない。凹凸の形状は任意であり、例えば、表面に二次元的に分布する多数の突起であってもよい。上述の実施形態においては凹凸は視認可能な寸法を有するが、ある実施形態においては凹凸は多孔質表面や粗面であってもよく、この場合凹凸は人の目で視認不能であってもよい。

１０マイクロ波イオン源、１２プラズマ室、１４プラズマ生成空間、１６マイクロ波導入部、１８イオン引出部、２０側壁部、２６導波管、４０磁場発生器、５０二次電子放出材料層、５２溝部、５４磁場。

Claims

マイクロ波導入部と、イオン引出部と、プラズマ生成空間を囲むように前記マイクロ波導入部と前記イオン引出部とを接続する側壁部と、を備えるプラズマ室を備え、
前記側壁部及び前記イオン引出部の少なくとも一方は、前記プラズマ生成空間への露出表面を有する二次電子放出材料層を備え、前記露出表面の少なくとも一部に凹凸が形成されていることを特徴とするマイクロ波イオン源。
前記プラズマ室に磁場を発生させる磁場発生器をさらに備え、
前記露出表面の少なくとも一部は、前記磁場が前記露出表面に交差する領域を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波イオン源。
前記磁場は、マイクロ波の進行方向に向けられており、
前記凹凸は、前記進行方向に沿って延びる溝部を含むことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波イオン源。
前記側壁部が前記二次電子放出材料層を備え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マイクロ波イオン源。
前記マイクロ波導入部は、前記プラズマ生成空間に導波管からマイクロ波を受け入れるためのマイクロ波導入窓を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。