JP3065748B2

JP3065748B2 - イオンビ−ム発生装置

Info

Publication number: JP3065748B2
Application number: JP3297753A
Authority: JP
Inventors: デ− マグヌソングスタヴ; エフトッカ− ジョセフ; ア−ルトレグリオジェ−ムス
Original assignee: アイエスエムテクノロジーズインコーポレーテド
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1991-10-18
Publication date: 2000-07-17
Anticipated expiration: 2015-07-17
Also published as: DE69115451T2; EP0486147B1; JPH04315754A; EP0486147A3; ATE131659T1; US5089707A; EP0486147A2; DK0486147T3; DE69115451D1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、金属イオ
ンビーム発生装置に関するもので、更に特定すれば、複
数のカソードの切替えが可能なイオンビーム発生装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属イオンビームを発生させるための多
くの異なる装置が開発されてきた。アメリカ合衆国特許
第３，５６６，１８５号に登録された一つのシステムで
は、スリット・アノードから離れた位置にある一対の平
行カソードを使用している。両カソードは、アノードに
対して、同じ負のポテンシャルにある。ガス原子の電離
によりつくられた電子は、アノードに向けて加速され、
磁場によって閉じ込められて、カソードとの間を振動す
る。正イオンのボンバードが物質をカソードからスパッ
タしてプラズマをつくり、プラズマから、イオンが金属
イオンビームとして、アノード・スリットを通り抜けて
出てくる。このシステムは、比較的低いイオン電流しか
発生出来ず、イオン化する金属を変えるためにカソード
を取り替えるのが遅くて、時間がかかり、真空を破って
カソードを交換し、再び真空を回復させる必要がある。

【０００３】ブラウン氏は、アメリカ合衆国特許第４，
７１４，８６０号で、一つのイオンビーム発生装置を提
示している。イオン発生源として使用される金属ででき
たカソードは、真空槽の中で、中央に一個の穴があいた
アノードから間隔をあけて配置される。アノード・カソ
ード間には、電気ポテンシャルがかけられる。アノード
とカソードの間に電気アークが発生し、カソードの一部
を蒸気化して金属イオン・プラズマを形成し、イオン
は、磁場によって、アノードの穴を通してターゲットに
向けて、移動させられる。この装置は、効率的なイオン
ビームを発生出来るけれども、送り出す金属イオンを変
えるためには、基本的には装置の解体が必要で、真空を
破り、再び真空を回復する必要がある。ここでは、アノ
ードの穴に揃えて配置される一個のカソードだけが使用
出来る。また、カソードは使用と共に劣化し、カソード
の取り替えのために装置を解体しなければならない時点
にまで、効率が落ちこむ。

【０００４】回転タレットの上に複数のカソードを配置
して、カソードが劣化したり、異なる種類の金属が欲し
い時には、異なる金属のカソードや新しいカソードを、
アノードの穴に揃うように、回転して持って来る試みが
いくつかなされている。しかし、回転タレットと真空槽
の間のシールの真空リークに問題があったり、使用中の
カソードが使用していなカソードの影響を受けたり、狭
いカソードの穴にアラインメントするのが精密に出来な
いなどの問題点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、システム
の真空を破ることなしに、素早い簡便なカソードの切替
えが出来て、使用中のカソードの劣化を保証出来、カソ
ードとアノードの穴の精密なアラインメントを行なわな
くても使用することが出来、さらに、機械的な複雑さ、
あるいは製造上の複雑さの少ない、イオンビーム発生装
置の改良型に対する要求が常にある。

【０００６】したがって、本発明の目的は、上記問題を
解決するイオンビーム発生装置を提供することにある。

【０００７】もう一つの目的は、複数のカソードを、電
子スイッチにより、すばやく切り替えることの出来る、
イオンビーム発生装置を提供することにある。

【０００８】さらに、本発明の目的は、カソードがいつ
も一つの動作位置にあることを必要としないアノードを
持つ、イオンビーム発生装置を提供することにある。

【０００９】更にもう一つの目的は、信頼性をたかめた
カソード・アークのトリガー、より強いビーム電流、パ
ルス運転が出来るより長い時間、アーク効率の増加など
の特徴を持つ、イオンビーム発生装置を提供することに
ある。

【００１０】更にもう一つの目的は、ビーム発生中のカ
ソードの劣化に対応するために、カソードが連続的に所
定の場所に送り込まれる、イオンビーム発生装置を提供
することにある。

【００１１】本発明のその他の特徴や付随する利点は、
この種の技術に精通した人々にとっては、添付された図
面にしたがって記述された以下の詳細な説明を読むこと
により、明白なものとなろう。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明により、下記のイ
オンビーム発生装置が提供される。

【００１３】下記（ａ）〜（ｄ）を含む、イオンビーム
発生装置：（ａ）一般に管状をしたハウジングで、第一の端部が第
一のプレートで閉じられ、第二の端部が第二のプレート
で閉じられたハウジング；（ｂ）前記ハウジングの中で前記第一のプレートに装着
される複数のカソードであって、そのすべてが前記第一
のプレートおよびお互いから電気的に絶縁され、前記第
二のプレートに向かって基本的には平行に伸びるアレイ
として配置されるカソード；（ｃ）前記第二のプレートの開口部に装着された高透過
性スクリーン・アノードであって、前記アノードは前記
カソード・アレイに基本的には平行で、本質的には前記
アレイと同じサイズを持つスクリーン・アノード；およ
び（ｄ）前記カソード・アレイに隣接し、前記ハウジング
の中に伸びる、少なくとも一個のトリガー・カソードと
トリガー電極装置；および下記（ａ）〜（ｄ）を含む、
イオンビーム発生装置：（ａ）一般に管状をしたハウジングで、第一の端部が第
一のプレートで閉じられ、第二の端部が第二のプレート
で閉じられたハウジング；（ｂ）前記ハウジングの中で前記第一のプレートに装着
される複数のカソードで、前記カソードはすべて、前記
第一のプレートおよびお互いから電気的に絶縁され、前
記第二のプレートに向かって基本的には平行に伸びるア
レイとして配置されるカソード；（ｃ）前記第二のプレートの開口部に装着された高透過
性スクリーン・アノードで、前記アノードは、前記カソ
ード・アレイに基本的には平行で、本質的には前記アレ
イと同じサイズを持つスクリーン・アノード；（ｄ）前記カソードの少なくともいくつかを、前記アノ
ードに向かって選択的に動かす、直線運動する供給装
置；および（ｅ）前記カソード・アレイに隣接し、前記ハウジング
の中に伸びる、少なくとも一個のトリガー・カソードと
トリガー電極装置。

【００１４】

【実施例】図１および図２に示されたイオンビーム発生
装置１０は、使用中は真空が気密であり、通常の真空チ
ェンバ１１に連結されており、真空チェンバの一部が図
式的に示されている。本発明は、イオンビームを発生さ
せる装置だけを含むものである。冷却装置、ターゲット
支持装置、真空チェンバなどを含む、全体の金属プレー
ト構造の残り部分は、この種の技術に精通した技術者に
は良く知られる、現在市販の装置に使用されている通常
のものであってよい。第一の円筒型ハウジング１４が、
第一のリング１２により、チェンバ１１に装着されてい
る。第二の一般に管状をしたハウジング１５が、プレー
ト１６に設置され、プレート１６は、リング１７によっ
てハウジング１４に固定されている。これらの部品は、
複数の通常の固定部品、たとえば図示されたボルト１８
のような部品で、お互いに固定されている。この図面で
はすべてのボルトが示されているわけではなく、あるも
のは隠れている。カソード支持プレート２２は、ハウジ
ング１５の遠方端に固定されている。

【００１５】ベース・プレート２２には、複数のカソー
ド２６が装着されている。典型的な例では、カソードの
配列は、図２に見られるように、一つのカソードを中心
においたリング状の配置である。典型的なカソードは、
ベース・プレート２２から電気的に絶縁され、端部にイ
オン化される金属を装着した、銅本体部から構成され
る。その他の適切なカソード配置もまた使用可能であ
る。固形の銅カソードは、銅本体部の端部に、イオン化
される金属２８をブロックあるいはシリンダとして装着
している。

【００１６】あるいはまた、金属２８は、図１に模式的
に示されるように、スリーブ２６の中をスライドするよ
うに支持された、長いシリンダであってもよい。その場
合、金属２８は、プレート２２を通って、図４に模式的
に示され以下に記述される駆動機構まで伸びている。図
示された実施例のような適切な直線運動駆動機構が、金
属シリンダ２８を、それが消費される速度に対応して、
装置の中に送り込むために使用される。そのようなカソ
ード供給機構により、カソードの寿命が４０時間あるい
はそれ以上に伸ばされる。

【００１７】カソード・トリガー装置３０が、複数のカ
ソード２６のどれかをイオン化するトリガーのために、
装着されている。カソード・トリガー装置３０は、ベー
ス・プレート３２に装着され、ハウジング１５に連結さ
れたチューブ３４の中に納められている。トリガー電極
３６は、トリガー・カソード３８から離して置かれ、コ
ネクタ４０を通して、通常のパルス・トランス（ここに
は示されていない）に接続されている。トリガー・カソ
ード３８には、典型的には銅製の金属コア４２があり、
それは、電気絶縁性のスリーブ４４と金属製のスリーブ
４６に取り囲まれている。

【００１８】電圧が約１０−２０kVのパルスが、カソー
ド４２と金属製リング４６の間に、アーク放電を開始さ
せる。パルスは、典型的には約１００マイクロ秒のパル
ス長さを持つ。アーク・スポットがカソード４２の端部
に形成され、そこでは、電流密度が、平方センチメート
ルあたり、一千万から一億アンペア（１０−１００MA）
に達する。この電流密度は、少量のカソード物質を蒸気
化し、本質的には完全にイオン化するのに十分な値であ
る。このようにして作られた金属プラズマは、トリガー
・カソード４２からカソード２６のアレイに向かうよう
な指向性のある速度を持つ。点火されるカソードには、
選択されたカソード２６と隣接するスクリーン・アノー
ド４８（詳細は以下に記述されるように、リング５０に
装着される）の間に、５０Ｖから数１００Ｖの差の電圧
ポテンシャルがかけられる。その他のカソード２６は、
電気的にはフローティングの状態にある。パルスは、単
にある他の特定のカソードをカソード・ポテンシャルに
接続し、もとのカソードを電気的にフローティング状態
になるようにすることによって、他のカソード２６に電
気的に切り替えられる。トリガー・カソード３８からの
プラズマ・パルスは、選ばれたカソード２６からスクリ
ーン・アノード４８への導電性通路を与え、こうして、
トリガー装置３０に４４および４６の位置に与えられる
種類のトリガー・リングや絶縁体はそれぞれのカソード
２６の端部に不要となる。

【００１９】アノード４８は、高い透過率を持つ金属ス
クリーンの形で、チューブ５０のカソード２６の端部に
近い場所に装着されている。チューブ５０は、リング１
６に支えられている。細かい穴のあいた金属シートや織
られたスクリーンなど、どんな形状のものであれ、適切
なスクリーンを使用することができる。スクリーンの約
３０％から７５％が開口部であるのが望ましい。スクリ
ーン・アノード４８の材質としては、その優れた熱伝導
性および電気的物理的特質のために、銅を使用するのが
望ましい。このスクリーンは、イオンの流れを通すため
に、一個の中央に穴がある従来技術のアノードに比べ
て、非常に優れている。一個の穴があるアノードでは、
しばしば、カソードからアノードへアークを伝達するの
が困難な場合がある。特に、低い蒸気圧を持つカソード
材質の場合が困難である。スクリーン・アノードを使用
すると、カソードはアノードの開口部の正確な中心に置
かれる必要がなく、図１および図２に示されるように、
種々のカソード位置が許される。スクリーン・アノード
４８とチューブ５０は、リングあるいは第二のプレート
１６に装着され、そのときアノードは、第一のリングあ
るいはプレートに装着されたカソード２６のアレイに平
行に、かつ、間隔をあけて取り付けられる。

【００２０】ひとつのカソードから別のカソードに取り
替えるには、使いたい一つのカソード、あるいは複数の
カソードを、カソード・ポテンシャルに接続し、残りの
カソードをフローティング状態にするだけでよい。どれ
か一つのカソード、あるいはいくつかのカソードを一時
に点火するのは簡単である。タレット上で、あるいは同
様の装置上で、複数のカソードを移動させる必要をなく
すことには、多くの利点がある。すなわち、カソードを
取り替える時間を短くできること、真空シールやその他
の機構をなくせること、などの点である。

【００２１】プラズマはスクリーン・アノード４８を通
過し、取り出し領域に移動し、そこでは、複数のグリッ
ド５１がイオンを引き出して、イオンを通常の方法でタ
ーゲットの方に移動させる。

【００２２】トリガー・カソード３８による補助トリガ
リングの方法により、それぞれのカソードに個別のトリ
ガー装置を配置する必要がなくなる。このことにより、
トリガーの信頼性がたかまり、長いパルスでの動作（１
ミリ秒以上）が可能となり、平均ビーム電流を増すこと
が出来る。

【００２３】本発明のカソード２６に対応する従来技術
のカソードは、一般的には図３に示された種類のもので
ある。これによると、カソード５２は動作端部の回りに
絶縁リング５４を必要とし、この絶縁リングを囲んでト
リガー・リング５６を必要とする。これらのカソードを
用いると、高電圧パルスをトリガー・リングに印加する
ことにより、アークが発生する。アーク・スポットがカ
ソード端部に形成され、このとき、電流密度が少量のカ
ソード物質を蒸気化するに十分な密度となる。アークか
らの金属プラズマが、カソードと、一個の穴のある隣接
するアノードとの間の空間を満たす。そして、アークは
カソード・アノード間のポテンシャル差によって、アノ
ードに伝達される。アークは、カソードとアノードの間
で、約１ミリ秒間保持され、その後消滅し、この全工程
が毎秒１回ないし１００回繰り返される。プカスマはア
ノードの円形の穴を通って、取り出し領域に流動してい
き、そこでイオンは多穴グリッドによって取り出され、
エネルギーの高いイオンビームを発生させる。

【００２４】従来技術でのカソード配置では、アークの
点火は、絶縁体５４を横切る導電通路の存在に頼ってい
た。この導電通路は、カソード５２から絶縁体５４の上
に金属が付着することによって形成される。過剰な金属
が付着すると、トリガー電圧がショート状態となり、ア
ークの点火に失敗する。絶縁体５４上の金属の付着が余
り少なすぎると、やはり点火に失敗する。金属付着の量
をコントロールする重要な要素の一つは、カソード５２
の材質の蒸気圧である。このように、アーク点火の信頼
性は、一つのカソード材質から他のカソード材質へと大
きく変化するので、従来技術のカソードには深刻な問題
があった。また、従来技術のカソードでは、長いパルス
時間（約１ミリ秒以上）で使用すると、金属付着が厳し
くなり、非常に短い運転時間でトリガー電圧がショート
する事態になるので、パルス時間長さに制限があった。
一方、本発明のシステムでは、絶縁スリーブ５４とトリ
ガー・リング５６をなくすことにより、変化する金属付
着量の問題をなくして、広い範囲で変わる蒸気圧を持つ
金属カソードが使用出来て、長いパルス時間で（典型的
には１０ミリ秒以上）動作出来るようにしている。長い
パルス時間で運転すると、結果的に、デューティ・サイ
クルがあがり、平均ビーム電流強度があがり、アーク効
率が高くなる。また、絶縁体５４をなくすことにより、
運転中に絶縁体の破片が形成するのを避けることが出来
る。

【００２５】カソードの寿命を伸ばすために、われわれ
は、図４に詳細に示されるような直線駆動機構を提供
し、それぞれのカソードの終端部が消費されるにつれ、
カソード２８あるいは３８を前進させるようにしてい
る。駆動機構は、図１にみられるように、ハウジング６
１と６２の中に配置されている。それぞれのカソード２
６と３８は、それぞれ金属棒２８と４２を持ち、金属棒
は、ハウジングから金属カソードを絶縁する絶縁材であ
る外側スリーブの中でスライドできる。図４に見られる
ように、直線運動できるカソード棒６４は、矢印６６で
示される動きをさせるために、適当な手段で、それぞれ
のカソード棒２８および／あるいは４２の基底部に連結
されている。アーム６０は、棒６４を、リードねじ７０
にねじで噛み合うナット６８に連結する。リードねじ７
０は、一方端が軸受けブロック７２に取付けられ、もう
一方の端はギヤ７８に噛み合う。ステッピング・モータ
がギヤ７８を通じてギヤ７４を駆動する。このように、
カソード材が消費されると、カソードが前進させられ、
次に使い古されたカソードを新しいものあるいは異なる
カソードに取り替えるため、カソードが後退させられ
る。通常のセンサがカソードの腐食を検知し、ステッピ
ング・モータ７６を駆動して、自動的に腐食を補償する
か、あるいはもし望まれるならば、カソードの動きを手
動でコントロールすることが出来る。

【００２６】上記の望ましい実施例の記述では、ある特
定の望ましい配置、寸法および材質が詳細に示されてい
るが、これらは、それが適切な場合には、同様の結果が
得られるように、変化させることが出来る。本発明のそ
の他の変形や分岐、応用は、この種技術に精通した人々
には可能であろう。これらのことは、添付された請求項
に定義される本発明の全範囲の中に含まれるように意図
するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の模式的断面図で、基本的には円
筒型装置の中心線に沿った断面図。

【図２】図１の線２−２にそった模式的断面図で、基本
的にはカソード・アレイの端部を示す断面図。

【図３】典型的な従来技術によるカソードの模式的軸断
面図。

【図４】カソード供給機構の模式的詳細図。

【符号の説明】

１０イオンビーム発生装置１１真空チェンバ１２第１のリング１４第１の円筒型ハウジング１５第２の管状ハウジング１６プレート１７リング１８ボルト２２カソード支持プレート２６カソード２８イオン化する金属３０カソード・トリガー装置３６トリガー電極３８トリガー・カソード４０コネクタ４２金属コア４４絶縁性スリーブ４６金属性スリーブ４８アノード５０チューブ５２カソード５４絶縁リング５６トリガー・リング６０アーム６４棒６６矢印

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョセフエフトッカ− アメリカ国 92131 カリフォルニアサンディエゴピンキャストルストリ−ト 10364 (72)発明者ジェ−ムスア−ルトレグリオアメリカ国 92131 カリフォルニアサンディエゴスプルスグロ−ヴプレイス 12202 (56)参考文献特開昭63−276858（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−29641（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）一般に管状をしたハウジングで、
第一の端部が第一のプレートで閉じられ、第二の端部が
第二のプレートで閉じられたハウジング；（ｂ）前記ハ
ウジングの中で前記第一のプレートに装着される複数の
カソードであって、そのすべてが前記第一のプレートお
よびお互いから電気的に絶縁され、前記第二のプレート
に向かって基本的には平行に伸びるアレイとして配置さ
れるカソード；（ｃ）前記第二のプレートの開口部に装
着された高透過性スクリーン・アノードであって、前記
アノードは前記カソード・アレイに基本的には平行で、
本質的には前記アレイと同じサイズを持つスクリーン・
アノード；および（ｄ）前記カソード・アレイに隣接
し、前記ハウジングの中に伸びる、少なくとも一個のト
リガー・カソードとトリガー電極装置とを含んでなるイ
オンビーム発生装置。
【請求項２】さらに、前記カソードの中から選ばれた
一つのカソードを、前記アノードの方に選択的に供給す
る、直線運動する供給装置を含む請求項１記載のイオン
ビーム発生装置。
【請求項３】さらに、前記トリガー・カソードを前記
アレイに向かって選択的に供給する、直線運動する供給
装置を含む請求項１記載のイオンビーム発生装置。
【請求項４】前記アノード・スクリーン領域が約３０
％から７０％の開口部を持つ、請求項１記載のイオンビ
ーム発生装置。
【請求項５】（ａ）一般に管状をしたハウジングで、
第一の端部が第一のプレートで閉じられ、第二の端部が
第二のプレートで閉じられたハウジング；（ｂ）前記ハ
ウジングの中で前記第一のプレートに装着される複数の
カソードで、前記カソードはすべて、前記第一のプレー
トおよびお互いから電気的に絶縁され、前記第二のプレ
ートに向かって基本的には平行に伸びるアレイとして配
置されるカソード；（ｃ）前記第二のプレートの開口部
に装着された高透過性スクリーン・アノードで、前記ア
ノードは、前記カソード・アレイに基本的には平行で、
本質的には前記アレイと同じサイズを持つスクリーン・
アノード；（ｄ）前記カソードの少なくともいくつか
を、前記アノードに向かって選択的に動かす、直線運動
する供給装置；（ｅ）前記カソード・アレイに隣接し、
前記ハウジングの中に伸びる、少なくとも一個のトリガ
ー・カソードとトリガー電極装置とを含んでなるイオン
ビーム発生装置。
【請求項６】さらに、前記トリガー・カソードを前記
アレイに向かって選択的に供給する、直線運動する供給
装置を含む、請求項５記載のイオンビーム発項５記載の
イオンビーム発生装置。
【請求項７】前記アノード・スクリーン領域が、約３
０％から７０％の開口部を持つ、請求項５記載のイオン
ビーム発生装置。
【請求項８】前記複数のカソードが、前記第一のプレ
ートおよびお互いから電気的に絶縁された、請求項５記
載のイオンビーム発生装置。