JP3010978B2 - イオン源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子放出源にマイクロ
波放電等の高周波放電により電子を発生するプラズマカ
ソードを用いたイオン源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のプラズマカソード型イオ
ン源装置は、マイクロ波放電等の高周波放電によるプラ
ズマを電子源とし、Ｗフィラメント等の熱電子放出材を
用いないため、酸素等の反応性ガスに対しても長時間の
連続運転が行える利点がある。

【０００３】つぎに、従来このプラズマカソード型イオ
ン源装置について、その１例を示した図６を参照して説
明する。図６はマイクロ波放電により電子を発生するマ
イクロ波プラズマカソード（以下ＭＰカソードという）
を備えた場合の構造を示し、同図において、１は非磁性
体の金属製の主筺体、２は主筺体１により形成された主
プラズマ室、３は主筺体１の両側に形成された開口部、
４は一方の開口部３に取り付けられたイオンビーム引出
電極であり、電位の異なる第１電極５，第２電極６，第
３電極７から構成されている。８は主筺体１のフランジ
及び各電極５，６，７間に介在した絶縁体、９は主筺体
１の外側に設けられたカスプ磁場発生用の永久磁石又は
電磁石である。

【０００４】１０は非磁性金属材料からなる副筺体、１
１は副筺体１０により形成された副プラズマ室、１２，
１３は副筺体１０の両側の強磁性体金属材料からなる蓋
板、１４は蓋板１３の中央の電子放出孔、１５は副筺体
１０と主筺体１間の絶縁体、１６は副プラズマ室１１へ
のガスの導入口である。

【０００５】１７はマイクロ波導入用の同軸ケーブル、
１８は同軸ケーブル１７の先端のアンテナ、１９は副筺
体１０の外側に設けられた環状の永久磁石又は電磁石で
あり、蓋板１２，１３とにより磁気回路を形成し、アン
テナ１８の近傍に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条
件以上の磁場を発生する。２０は副筺体１０，副プラズ
マ室１１，蓋板１２，１３，電子放出孔１４，導入口１
６，同軸ケーブル１７，アンテナ１８，磁石１９からな
るＭＰカソードである。

【０００６】２１は放電電源であり、陽極が主筺体１
に、陰極が蓋板１１及び高抵抗値の抵抗２２を介して第
１の電極５に接続され、主筺体１をアノード電位，蓋板
１２をカソード電位にする。２３は加速電源であり、陽
極が放電電源２１の陽極に接続され、陰極がアースさ
れ、第１電極５に加速電圧を印加する。２４は第２電極
６に負の電圧を印加する減速電源である。

【０００７】そして、副筺体１０は放電電源２１の陰極
のカソード電位に保持され、アンテナ１８の先端部がマ
イクロ波放電を引き起し易いように副プラズマ室１１の
壁面に近接して設けられている。つぎに、導入口１６か
らガスを供給し、副プラズマ室１１に同軸ケーブル１
７，アンテナ１８を介してマイクロ波を導入すると、副
プラズマ室１１がマイクロ波空洞共振器条件で形成され
ていない場合でも、アンテナ１８の先端部と副プラズマ
室１１の壁面との間の高電界によりマイクロ波放電が容
易に発生し、導入口１６からのガスが電離されて副プラ
ズマ２５が生成される。

【０００８】そして、主プラズマ室２が放電電源２１に
より副プラズマ室１１より高い電位にバイアスされてい
るため、副プラズマ２５の生成で電離された電子が電子
放出孔１４を通って主プラズマ室２に放出されて供給さ
れ、主プラズマ室２では、供給された電子により直流放
電が持続し、主プラズマ室２内の希ガス等のイオン化ガ
スが電離されて主プラズマ２６が生成される。つぎに、
引出電極３のビーム引出し作用により、生成された主プ
ラズマ２６からイオンがイオンビームとなってスパッタ
室等に導出される。

【０００９】ところで、図６の従来装置の場合、イオン
ビーム出力はＭＰカソード２０からの電子放出量に比例
するので、大電流化のためには電子放出量を増大する必
要がある。一方、ＭＰカソード２０からの電子は、蓋板
１３の電子放出孔１４を通って主プラズマ室２内へ供給
されており、電子放出量は電子放出孔１４の大きさによ
り制限されている。さらに、前記電子は、副プラズマ２
５と主プラズマ２６との間で形成されるシース部の電位
差で加速されるため、その電子放出量は、副プラズマ２
５の密度，両プラズマ２５，２６間の電位差，シース部
の面積等により決定される。そこで、電子放出量を増大
するため、電子放出孔１４の孔径を大きくしたり、その
孔数を増やす等の手段がとられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記図６の従来装置に
おいて、電子放出孔１４の孔径を大きくすると、ＭＰカ
ソード２０内の中性ガスが流出してガス圧低下を招き、
高密度の副プラズマ２５の安定な生成を維持することが
できず、さらに、ガス圧を一定に保つために、より多く
のガス供給量が必要になる問題点がある。

【００１１】一方、電子放出孔１４の孔数を増やす場
合、図７に示すように、蓋板１３が副筺体１０と同電位
であり、副プラズマ室１１内において磁気回路が閉じる
よう構成されるため、副プラズマ２５は蓋板１３により
主プラズマ２６に対してある程度遮蔽される。このと
き、電子放出孔１４を通して形成された両プラズマ間２
５，２６のシース部において、電子が加速されて主プラ
ズマ室２に供給される。

【００１２】そのため、電子放出孔１４の孔数を増や
し、その一方で孔径を絞り込み、電子放出孔１個当りの
ガスコンダクタンスを小さくすると、中性ガスの流出が
抑えられても、主プラズマ２６からの直流電界がかかり
にくく、電子放出面であるシース部の形成面積が実質的
に小さくなってしまい、電子放出量が低下してしまう問
題点がある。

【００１３】本発明は前記の各点に留意し、電子放出孔
１４の孔径を大きくして供給ガス量を増加させることな
く、しかも、その孔数を増やしてプラズマ間のシース部
の形成面積を減少させることもなく、この種のイオン源
装置の主プラズマ室への電子放出量を増大させることを
課題とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、請求項１の本発明のイオン源装置は、高周波放電
によりプラズマを生成する電子放出源としてのプラズマ
カソードと、このカソードの電子放出側にカソードの筐
体と電気的に絶縁して設けられた蓋板と、この蓋板に形
成された第１の電子放出孔と、前記蓋板の筐体側近傍に
前記蓋板と電気的に絶縁して設けられ，第１の電子放出
孔に連通した第２の電子放出孔と、両電子放出孔の間に
軸方向に磁界を形成する磁界形成手段と、第１の電子放
出孔に対して前記筐体を負電位にして直流電界を形成す
る直流電界形成手段と、前記磁界と前記直流電界とによ
り高密度化された両電子放出孔の間のプラズマの電子が
第１の電子放出孔から供給され，直流放電により生成し
た主プラズマを閉じ込める主プラズマ室と、主プラズマ
からイオンビームを引き出す引出電極とを備えたもので
ある。

【００１５】したがって、磁界形成手段の磁界と、直流
電界形成手段の直流電界とにより、第１，第２の電子放
出孔の間に効果的なプラズマ閉じ込めが行われて高密度
のプラズマが輸送，形成され、このプラズマの電子が第
１の電子放出孔から主プラズマ室に供給されるため、両
電子放出孔を小さくしても、蓋板の主プラズマ室側にお
けるプラズマ間のシース部の形成面積が減少することな
く、電子放出のための電界が十分にかかり、供給ガス量
を増加させることなく、装置の大型化を防ぎ、電子放出
を容易にしてその放出量を増大することができる。

【００１６】また、請求項２の本発明のイオン源装置
は、高周波放電によりプラズマを生成する電子放出源と
してのプラズマカソードと、このカソードの電子放出側
にカソードの筐体と電気的に絶縁して設けられた蓋板
と、この蓋板に形成された第１の電子放出孔と、前記蓋
板の筐体側近傍に前記蓋板と電気的に絶縁して設けら
れ，前記蓋板側に突出したノズル状に絞り込まれて形成
され，第１の電子放出孔に連通した第２の電子放出孔
と、両電子放出孔の間に軸方向に磁界を形成する磁界形
成手段と、第１の電子放出孔に対して前記筐体を負電位
にして直流電界を形成する直流電界形成手段と、前記磁
界と前記直流電界とにより高密度化された両電子放出孔
の間のプラズマの電子が第１の電子放出孔から供給さ
れ，直流放電により生成した主プラズマを閉じ込める主
プラズマ室と、主プラズマからイオンビームを引き出す
引出電極とを備えたものである。

【００１７】この場合、第１の電子放出孔に連通した第
２の電子放出孔が、第１の電子放出孔側に突出したノズ
ル状に絞り込まれて形成されたため、プラズマ閉じ込め
の効果が極めて向上する。

【００１８】そのため、両電子放出孔の間に請求項１の
場合より一層効果的なプラズマ閉じ込めが行われ、第
１，第２の電子放出孔を小さくしても、より一層高密度
のプラズマが輸送，形成され、蓋板の主プラズマ室側に
おけるプラズマ間のシース部の形成面積が減少すること
なく、電子放出のための電界が十分にかかり、供給ガス
量を増加させることなく、装置の大型化を防ぎ、電子放
出を極めて容易にしてその放出量を一層増大することが
できる。

【００１９】

【実施例】実施例について図１ないし図５を参照して説
明する。それらの図において、図６及び図７と同一符号
は同一もしくは相当するものを示す。 （実施例１） まず、実施例１を示した図１において、２７は強磁性材
料からなる蓋板、２８は電磁コイルからなる環状の磁場
発生手段であり、蓋板２７上の周縁部に配設されてい
る。２９は強磁性材料からなる蓋板であり、周縁部が磁
場発生手段２８を覆っている。なお、図示しないが、磁
場発生手段は永久磁石とすることもできる。

【００２０】３０は蓋板１３と蓋板２９との間及び蓋板
２９と蓋板２７との間に介在された絶縁体、３１は蓋板
２７に形成された第１の電子放出孔、３２は蓋板２９の
第１の電子放出孔３１に連通する位置にノズル状に絞り
込んで形成されたオリフィス形状の第２の電子放出孔で
ある。

【００２１】３３は蓋板２７，２９，磁場発生手段２８
が形成する磁界形成手段であり、蓋板１３と絶縁体１５
との間に配設され、蓋板２７，２９，磁場発生手段２８
の磁気回路により、電子放出孔３１，３２の間に、軸上
において数百Ｇ〜数ｋＧ程度の軸方向の磁場が形成され
る。

【００２２】３４は副プラズマ室１１と電子放出孔３１
に直流電界を形成する直流電源であり、負極が蓋板１２
に接続され、正極が抵抗３５を介して蓋板２９及び蓋板
２７，放電電源２１の負極に接続されている。３６は直
流電源３４，抵抗３５からなり、第１の電子放出孔３１
に直流電界を形成する直流電界形成手段である。

【００２３】そして、副プラズマ２５は、磁界形成手段
３３による磁場により、電子放出孔３１，３２の間に輸
送されて効果的に閉じ込められる。

【００２４】また、直流電源３４により、副筺体１０は
蓋板２７に対して負の電位となり、第１の電子放出孔３
０の近傍においては直流電界が印加され、さらに、抵抗
３５により、蓋板２９は動作時副筺体１０と蓋板２７と
の中間的な電位をとる。

【００２５】そのため、磁界形成手段３３の磁界と、直
流電界形成手段３６の直流電界とにより、電子放出孔３
１，３２の間において効果的なプラズマ閉じ込めが行わ
れ、第１の電子放出孔３１から主プラズマ室２に、高密
度のプラズマに基づく効率の良い電子放出が可能にな
る。

【００２６】しかも、第１の電子放出孔３１のＭＰカソ
ード２０側の近傍に第１の電子放出孔３１に連通した第
２の電子放出孔３２が形成され、この第２の電子放出孔
３２が、蓋板２７側すなわち第１の電子放出孔３１側に
突出したノズル状に絞り込まれて形成されたため、プラ
ズマ閉じ込めの効果が一層向上する。

【００２７】そのため、第１の電子放出孔３１の近傍に
おいて極めて効果的なプラズマ閉じ込めが行われ、電子
放出孔３１，３２を小さくしても高密度プラズマが輸
送，形成され、蓋板２７の主プラズマ室２側におけるプ
ラズマ間のシース部の形成面積が減少することなく、電
子放出のための電界が十分にかかり、供給ガス量を増加
させることなく、装置の大型化を防ぎ、電子放出を極め
て容易に行うことができ、その放出量を十分に増大する
ことができる。

【００２８】（実施例２） つぎに、実施例２を示した図２において、図１と異なる
点は、図１の蓋板１３と蓋板２９との間の絶縁体３０及
び抵抗３５を省略し、副筺体１０と蓋板２９とを同電位
にした点である。

【００２９】この場合も、図３に示すように、磁界形成
手段３３の磁気回路による磁界と、直流電源３４による
電界とにより、電子放出孔３１，３２の間に効果的なプ
ラズマ閉じこめが行われて高密度のプラズマが形成さ
れ、蓋板２７の主プラズマ室２側においてプラズマ２
５，２６間のシース部の形成面積が減少せず、電子放出
が容易で孔径の小さい第１の電子放出孔３１から主プラ
ズマ室２に大電流の電子が放出される。

【００３０】（実施例３） つぎに、実施例３を示した図４において、図２と異なる
点は、図２の蓋板１３と蓋板２９とを同一部材で構成し
た蓋板３７を配設した点であり、実施例２の場合と同様
に、大電流の電子放出が可能になる。

【００３１】（実施例４） つぎに、実施例４を示した図５において、図４と異なる
点は、直流電源３４が省略され、放電電源２１の正極が
抵抗３８を介して蓋板２７に接続され、放電電源２１，
抵抗３８が直流電界形成手段３６を形成している点であ
り、蓋板２７の電位が抵抗３８により副筺体１０と主筺
体１との中間電位に維持されるため、新たな電源を加え
ることなしに実施例１〜３と同様の効果が得られ、装置
構成が簡略化できる。なお、各実施例はアンテナによる
マイクロ波放電を使用したＭＰカソードについて示した
が、一般的な高周波放電等を使用したプラズマカソード
でも同様な効果がある。

【００３２】（実験結果） つぎに、実験結果について説明する。図２及び図４の構
成において、第１の電子放出孔３１の孔径をφ２mmと
し、この電子放出孔３１の中心部で約３ｋＧの軸方向の
磁場を印加し、酸素ガスを通常の１／２以下におとして
供給し、最大電子放出量Ｉｅｅの測定を行った。

【００３３】一方、磁界形成手段３３及び直流電界形成
手段３６を用いずに電子放出孔１４の孔径をφ４mm，φ
２mmとし、酸素ガスを供給し、最大電子放出量Ｉｅｅの
測定を行った。

【００３４】その結果、前者の場合、孔径φ２mm，酸素
ガス流量Ｑ＝１．２ｃｃ／ｍｉｎでＩｅｅ＝１．１５Ａ
となり、電子放出孔３１の開口面積の減少による電子放
出量の低下は認められなかった。しかし、後者の場合、
孔径φ４mmのときＱ＝２．５ｃｃ／ｍｉｎでＩｅｅ＝
１．１８Ａ、孔径φ２mmのときＱ＝１．２ｃｃ／ｍｉｎ
でＩｅｅ＝０．４２Ａとなり、電子放出孔１４の開口面
積の減少にともない電子放出量も減少している。このよ
うに、本発明の場合、電子放出孔３１の孔径を小さく
し、ガス流量を１／２以下におとしても電子放出量はほ
とんど減少せず、大幅なガス効率の向上が可能になるこ
とが確められた。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、つぎに記載する効果を奏する。まず、請求
項１のイオン源装置は、磁界形成手段３３の磁界と、直
流電界形成手段３６の直流電界とにより、第１，第２の
電子放出孔３１，３２の間に効果的なプラズマ閉じ込め
が行われて高密度のプラズマが輸送，形成され、このプ
ラズマの電子が第１の電子放出孔３１から主プラズマ室
２に供給されるため、両電子放出孔３１，３２を小さく
しても、蓋板２７の主プラズマ室２側におけるプラズマ
間のシース部の形成面積が減少することなく、電子放出
のための電界が十分にかかり、供給ガス量を増加させる
ことなく、装置の大型化を防ぎ、電子放出を容易にして
その放出量を増大することができる。

【００３６】つぎに、請求項２のイオン源装置は、第１
の電子放出孔３１に連通した第２の電子放出孔３２が、
第１の電子放出孔３１が形成された蓋板２７と電気的に
絶縁されて蓋板２７側に突出したノズル状に絞り込まれ
て形成されたため、プラズマ閉じ込めの効果を一層向上
することができる。

【００３７】したがって、第１，第２の電子放出孔３
１，３２の間において、請求項１の場合より一層効果的
なプラズマ閉じ込めが行われ、両電子電子放出孔３１，
３２を小さくしても、より一層高密度のプラズマを輸
送，形成することができ、蓋板２７の主プラズマ室２側
におけるプラズマ２５，２６間のシース部の形成面積が
減少することなく、電子放出のための電界が十分にかか
り、供給ガス量を増加させることなく、装置の大型化を
防ぎ、電子放出を極めて容易にしてその放出量を一層増
大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の切断正面図である。

【図２】本発明の実施例２の切断正面図である。

【図３】図２の一部の作用状態図である。

【図４】本発明の実施例３の切断正面図である。

【図５】本発明の実施例４の切断正面図である。

【図６】従来例の切断正面図である。

【図７】図６の一部の作用状態図である。

【符号の説明】

２ 主プラズマ室 ４ 引出電極 １１ 副プラズマ室 ２０ マイクロ波プラズマカソード（ＭＰカソード） ２５ 副プラズマ ２６ 主プラズマ ２７ 蓋板 ３１ 第１の電子放出孔 ３２ 第２の電子放出孔 ３３ 磁界形成手段 ３６ 直流電界形成手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松原 克夫 京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電 機株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−213023（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−53422（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波放電によりプラズマを生成する電
   子放出源としてのプラズマカソードと、前記カソードの電子放出側に前記カソードの筐体と電気
   的に絶縁して設けられた蓋板と、 前記蓋板に形成された第１の電子放出孔と、 前記蓋板の前記筐体側近傍に前記蓋板と電気的に絶縁し
   て設けられ，前記第１の電子放出孔に連通した第２の電
   子放出孔と、 前記両電子放出孔の間に軸方向に磁界を形成する磁界形
   成手段と、 前記第１の電子放出孔に対して前記筐体を負電位にして
   直流電界を形成する直流電界形成手段と、 前記磁界と前記直流電界とにより高密度化された前記両
   電子放出孔の間のプラズマの電子が前記第１の電子放出
   孔から供給され，直流放電により生成した主プラズマを
   閉じ込める主プラズマ室と、 前記主プラズマからイオンビームを引き出す引出電極と
   を備えた ことを特徴とするイオン源装置。
2. 【請求項２】 高周波放電によりプラズマを生成する電
   子放出源としてのプラズマカソードと、前記カソードの電子放出側に前記カソードの筐体と電気
   的に絶縁して設けられた蓋板と、 前記 蓋板に形成された第１の電子放出孔と、前記蓋板の前記筐体側近傍に前記蓋板と電気的に絶縁し
   て設けられ， 前記蓋板側に突出したノズル状に絞り込ま
   れて形成され，前記第１の電子放出孔に連通した第２の
   電子放出孔と、前記両電子放出孔の間に 軸方向に磁界を形成する磁界形
   成手段と、 前記第１の電子放出孔に対して前記筐体を負電位にして
   直流電界を形成する直流電界形成手段と、前記磁界と前記直流電界とにより高密度化された前記両
   電子放出孔の間のプラズマの電子が前記第１の電子放出
   孔から供給され， 直流放電により生成した主プラズマを
   閉じ込める主プラズマ室と、 前記主プラズマからイオンビームを引き出す引出電極と
   を備えたことを特徴とするイオン源装置。