JP2879342B2 - 電子ビーム励起イオン源 - Google Patents

電子ビーム励起イオン源

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JP2879342B2 JP63321479A JP32147988A JP2879342B2 JP 2879342 B2 JP2879342 B2 JP 2879342B2 JP 63321479 A JP63321479 A JP 63321479A JP 32147988 A JP32147988 A JP 32147988A JP 2879342 B2 JP2879342 B2 JP 2879342B2
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民夫 原
学 浜垣
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進 難波
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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、電子ビームによってイオンを生成し、生成
されたイオンを引き出して放射する電子ビーム励起イオ
ン源に係わり、特に、低エネルギーかつ大電流のイオン
ビームを発生することのできる電子ビーム励起イオン源
に関する。
(従来の技術) 電子を加速するための加速陰極付近に生じる空間電荷
の制限をなくして、低エネルギーかつ大電流のイオンビ
ームを発生することのできる電子ビームイオン源を本出
願人は既に提案した(特願昭60−132138号)。このイオ
ン源においては、プラズマ領域、加速陰極、電子ビーム
加速領域、加速陽極、イオン生成領域およびターゲット
陰極がこの順で設けられており、前記加速陽極に対して
負の電位を前記ターゲット陰極に与える手段と、前記イ
オン生成領域において生成された正イオンまたは負イオ
ンを吸収し、このイオンを引き出すイオン引出電極とが
備えられている。このようにイオン源が構成されている
と、プラズマ領域中の電子は加速陽極によって引き出さ
れ、イオン生成領域内に突入する。突入した電子はイオ
ン生成領域内の不活性ガス(または金属蒸気)と衝突し
てイオンを生成するが、このイオンの逆流によって、加
速陰極の出口付近に形成される負のポテンシャルバリヤ
が中和される。従って、プラズマ密度に比例する大電流
電子ビームがイオン生成領域に流入する。イオン生成領
域において、流入した電子ビームの電流値に比例した数
のイオンを含むプラズマが発生し、この発生されたプラ
ズマ中のイオンはイオン引出電極によって吸引され、イ
オン生成領域外へと放射される。
このようなイオン源において、更に装置の簡略化、小
型化、低コスト化を図ることのできる電子ビーム励起イ
オン源を本出願人は先に提案した(特願昭61−121967
号)。
(発明が解決しようとする課題) 上述したようなイオン源においても、多原子分子から
成る材料ガスを使用して単原子イオンを高効率で引き出
すためには、分子のより十分な解離と電離が要求され
る。
(課題を解決するための手段) 上述した問題点は、カソードとアノードとの間におい
て、放電と交わる方向に磁場を発生する磁場発生手段を
設けたことにより解決する。
(作用) 本発明においてはカソードとアノードとの間に放電と
交わる方向に磁場が印加されているので、この領域の放
電はPIG(Philips Ionization Gauge)放電となり、こ
こに導入される気体分子の解離・励起を強力に行うこと
ができる。
即ち、本発明において、カソードとアノードとの間の
空間は、単に電子ビームを発生するための電子源として
機能するだけではなく、BF3等の多原子分子を解離し
て、B等の中性単原子を生成するために使用される。多
原子分子の解離によって生成した中性単原子は拡散又は
ガスの流れに沿って、アノードとカソードとの間から外
に出て、そこで強い電子ビームの励起(衝突)を受け、
B+等の正イオン原子が生成される。この様にして、効率
良く単原子イオンを引き出すことが出来る。
(発明の効果) 本発明では、従来の電子ビームイオン源では分解が不
十分であった材料ガスもPIG放電により効率良く解離さ
れるので、引き出される全イオンビーム電流中の単原子
イオンの比率を大幅に高めることができる。また、本発
明では、電子ビームを発生するための電子源が熱電子源
ではないので、反応性の高いガスを含む幅広い多原子分
子ガス種から大電流単原子イオンを長時間安定に発生で
きるようになる。
(実施例) 以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。各実施例において同様の構成要素には同一の番号
を付して説明する。
第1図は、本発明の好ましい実施例の概略図である。
放電を行うための一方の電極であるカソード1は例えば
タンタル等の材質により形成され、円筒状形状を有して
いる。このカソード1は貫通孔1′を有しており、この
孔1′を通して放電用ガス、例えばアルゴンガスが装置
内に流入される。円筒状カソード1と対向してアノード
2が設けられている。このアノード2はスリット状また
は円筒状の透孔が設けられた導電体である。円筒状カソ
ード1と多孔状アノード2との間には放電電源3により
放電電圧が印加されグロー放電によるプラズマ生成が行
われる。この放電電圧は、例えば500Vのような低電圧で
もよい。円筒状カソード1と多孔状アノード2との間に
は二つに分割された微小コンダクタンス隘路4、4′が
設けられている。この隘路4、4′のコンダクタンスの
大きさは、例えば、カソード1側の室のガス圧を0.3−
1.0Torr、好適には0.8Torrにおさえ、アノード2側の室
のガス圧を0.01−0.04Torrにおさえるように選択され
る。なお、隘路4は、中間電極の役割も兼ねている。こ
の隘路4の孔の内面のうち、アノード側の大部分が絶縁
物5、例えばアルミナ系セラミックスで覆われており、
カソード1とアノード2との放電が容易に成されるよう
にされている。隘路4′は絶縁物から成り、隘路4、
4′の間に材料ガス導入用のガス導入口12が設けられて
いる。カソード1とアノード2の間において放電(電場
E)と交わる方向に磁場Bが印加される。この磁場Bは
反対極性を有する磁極端11,11′によって、隘路4、
4′の部分に局所的に発生される。磁場の発生は永久磁
石によっても、電磁石によってもよい。この様に放電と
交わる方向に磁場が印加されることでPIG放電が生じ、
多原子分子(例えば、BF3)から中性単原子分子(例え
ばB)が効率よく生成される。
アノード2の下段には電子ビーム加速用電極6、イオ
ン引出電極7、7′が設けられている。アノード2と電
子ビーム加速用電極6との間は0.5−1.5mmの間隔を有
し、これら電極の間には電源8により加速電圧が印加さ
れ、これら電極2,6間は、カソード1とアノード2の間
の放電により生じたプラズマの内から電子を引き出し、
更にこの電子を加速する電子ビーム加速領域として機能
する。また、電子ビーム加速用電極6とイオン引出電極
7、7′との間にはそれぞれ電源9、9′によりイオン
引出電圧が印加される。この電子ビーム加速用電極6と
イオン引出電極7、7′との間は加速された電子が中性
単原子分子(例えばB)と衝突してイオン(例えばB+
および電子が生成され、この内のイオンが加速されるイ
オン生成領域として機能する。
装置内のガスを排気する真空排気口10はイオン引出電
極7、7′の下流のみに設けられている。この排気口10
を介して装置内が減圧されると、隘路4、4′および各
電極によって遮られた各部分が上記所望の真空値になる
ように排気量が選択される。実際排気を行った所、カソ
ード1と隘路4、4′との間を0.8Torr、隘路4、4′
とアノード2との間を0.1Torr、電子ビーム加速陰極6
とイオン引出電極7との間を0.01Torrと所望の値に設定
することができた。
作動の際は、排気口10から排気を行いつつ、ガス導入
口12から材料ガスを入れ運転する。まず、カソード1と
アノード2との間で放電を発生させ、その後、隘路4、
4′に、例えば100−150ガウス程度の局所的な磁場を印
加する。材料ガスは、この磁場印加領域における放電プ
ラズマ中で強く解離される。放電は隘路4、4′を通し
て行われること、さらに磁場と交わる方向に維持される
ことから、プラズマの密度と電子温度は比較的高い。こ
のため、多原子分子、例えばBF3の解離が容易に行わ
れ、気体中の単原子Bの比率を大幅に高めることができ
る。従って、大電流の単原子イオンの引き出しが可能と
なる。
次に、本発明のイオン源をイオン注入装置用イオン源
に適用した実施例を第2図を参照して説明する。
円筒状気密容器の一端にはグロー放電用ガスの供給管
を兼ねるカソード1が設けられている。このカソード1
側の室のガス圧を例えば0.8Torrに維持するように隘路
4、4′が設けられている。円筒状カソード1と多孔状
アノード2との間には放電電源3により放電が行われて
プラズマが生成される。隘路4、4′間には補助放電用
アノード13が設けられている。この補助放電用アノード
としては、例えば内径4cmの導電板のリングを用いるこ
とが出来る。また、この装置には補助放電用アノード13
の位置に、これを内包するソレノイドコイル14が設けら
れている。このコイル14により装置の軸方向に例えば10
0−150ガウス程度の外部磁場Bが印加される。材料ガス
はガス導入口12から入れる。カソード1と補助放電用ア
ノード13との間には別の放電電源15により補助放電(電
場E)が維持される。この補助放電(電場E)は、磁場
Bを横切る放電(いわゆるPIG放電)であるため、電子
温度は高く、ここに導入された材料ガスを効率良く解離
する。解離されて生成した単原子分子は、イオン生成領
域16に流入し、電子ビームによって更に電離されて高密
度プラズマとなり、単原子イオンが生成される。隘路4
の孔の内面の補助放電用アノード側の大部分及び補助放
電用アノード側の端面は絶縁物5、例えばアルミナ系セ
ラミックで覆われており、カソード1とアノード2およ
び補助放電用アノード13との間の放電が容易に成される
ようになっている。隘路4′は絶縁物から成っており、
その透孔は、例えばイオン引き出し電極の透孔の形状に
合ったプラズマを成形するようなスリット形状を有する
ことができる。
アノード2の下段には電子ビーム加速用電極6が設け
られている。アノード2と電子ビーム加速用電極6との
間は0.5−1.5mmの間隔を有し、電源8により加速電圧が
印加される。これら電極2,6間はカソード1とアノード
2の間の放電により生じたプラズマの内から電子を引き
出し、更に、この電子を加速する電子ビーム加速領域と
して機能する。また、電子ビーム加速用電極6とイオン
導出部17のイオン引き出し電極7、7′との間において
は、加速された電子が中性気体と衝突してプラズマが生
成される。このようにして発生したプラズマからイオン
注入用のイオンがイオン導出部17において、引き出され
る。このイオン導出部17のイオン電極7,7′の形状はそ
れぞれ方形状および楕円形状とすることができる。この
スリットの構成は周知のイオン注入装置のイオン源に用
いられているイオン導出部17の電極構成であり、具体的
に電極7のスリットとしては縦長の1.5mm×20mmの長方
形状の透孔を、電極7′のスリットとしは短径5mm長径2
0mmの楕円形状の透孔を使用することができる。これら
電極7、7′を経たイオンビームはイオン注入装置の質
量分析用の磁場中へ出射する。
第3図は本発明の別の実施例を示している。これは、
第2図の実施例において、外部磁場Bを永久磁石18を用
いて印加した例である。磁力線は、鉄製ヨーク19,19′
によってガイドされ、補助放電用アノード13付近にのみ
集められるようになっている。
第4図および第5図は本発明の更に別の実施例を示し
ている。これらは、初期放電の方向に対して直角の方向
にイオンを引き出し、加速するイオン源の例であり、筒
状カソード1の軸に対してアノード2の面が平行に設置
されている。第4図の実施例においては、コイル20に電
流を流すことにより発生させた磁場Bが鉄製ヨーク21に
よってPIG放電部にのみに集中させられている。第5図
の実施例においては装置全体を外部から挟むヨーク磁極
端22,22′によりイオン源の中心軸付近に磁場Bが印加
されている。第4図および第5図の実施例において、補
助放電用アノード13の電源は、アノード2用の電源3と
共用される。また、アノード2により、十分PIG放電が
行われるのであれば、補助放電用アノード13は必ずしも
必要ではない。さらに、第4図および第5図に示された
例で注意すべきことは、電子加速領域を印加磁場の外側
に配置することである。もし、この領域に強い外部磁場
が印加されると、電子を損失なく加速することが困難と
なる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に従う電子ビーム励起イオン源の好適
な実施例の概略側断面図、 第2図は、本発明をイオン注入装置用イオン源に適用し
た場合の実施例の概略側断面図、 第3図から第5図は、本発明の更に別の実施例の構成を
示す概略側断面図である。 (符号の説明) 1……カソード、1′……カソード貫通孔、2……アノ
ード、3……放電電源、4、4′……隘路、5……絶縁
物、6……電子ビーム加速用電極、7、7′……引出電
極、8……電源、9、9′……電源、10……真空排気
口、12……材料ガス導入口、13……補助放電用アノー
ド、14……ソレノイドコイル、15……放電電源、16……
イオン生成領域、17……イオン導出部、18……永久磁
石、19,19′……鉄製ヨーク、20……コイル、21……鉄
製ヨーク、22,22′……磁極端。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 難波 進 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究 所内 (56)参考文献 特開 昭62−278736(JP,A) 特開 昭60−240039(JP,A) 特開 昭63−81735(JP,A) 特開 平1−176633(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】カソードとアノードとの間で放電を生じ、
    これらカソードとアノードとの間から引き出されて発生
    された電子ビームの励起によってイオンを生成し、この
    生成されたイオンを引き出し放射する電子ビーム励起イ
    オン源であり、 前記カソードと前記アノードとの間に原材料ガス導入口
    が設けられており、前記原材料分子を解離する目的で、
    前記カソードと前記アノードとの間において放電と交わ
    る方向に磁場を発生する磁場発生手段を設けたことを特
    徴とする電子ビーム励起イオン源。
  2. 【請求項2】前記磁場と交わる方向に生じる放電が、前
    記カソードと前記アノードとの間で発生されたものであ
    ることを特徴とする請求項(1)記載の電子ビーム励起
    イオン源。
  3. 【請求項3】前記カソードが筒状形状を有しており、前
    記アノードの面が、前記カソードの軸に対して平行に設
    置されていることを特徴とする請求項(2)記載の電子
    ビーム励起イオン源。
  4. 【請求項4】前記磁場発生手段が、前記アノードと間隙
    を有しかつ前記アノードに平行に磁場を発生するように
    対向して設置されたヨークおよびこのヨークの先端に反
    対極性の磁極を発生する磁石から構成されることを特徴
    とする請求項(3)記載の電子ビーム励起イオン源。
  5. 【請求項5】前記磁場発生手段が、前記アノードと間隙
    を有しかつ前記アノードに平行に磁場を発生するように
    対向して設置されたヨークおよびこのヨークの先端に反
    対極性の磁極を発生する空心コイルから構成されること
    を特徴とする請求項(3)記載の電子ビーム励起イオン
    源。
  6. 【請求項6】前記磁場と交わる方向に生じる放電が、前
    記カソードと前記アノードとの間に設けられた補助放電
    用アノードと前記カソードとの間で発生されたものであ
    ることを特徴とする請求項(1)記載の電子ビーム励起
    イオン源。
  7. 【請求項7】前記磁場発生手段が、前記カソードと前記
    アノードとの間に設けられた空心コイルであることを特
    徴とする請求項(6)記載の電子ビーム励起イオン源。
  8. 【請求項8】前記磁場発生手段が、前記カソードと前記
    アノード間において、間隙を有して対向するヨークおよ
    びこのヨークの先端に反対極性の磁極を発生する磁石か
    ら構成されることを特徴とする請求項(6)記載の電子
    ビーム励起イオン源。
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