JP3758667B1

JP3758667B1 - イオン源

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Publication number: JP3758667B1
Application number: JP2005144376A
Authority: JP
Inventors: 秀樹藤田; 聖海勢頭; 成顕濱本
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: US7365339B2; JP2006324050A; US20060284104A1

Abstract

【課題】傍熱陰極型イオン源において、プラズマ生成効率の向上、ガスの利用効率の向上およびイオン源の長寿命化を可能にする。
【解決手段】プラズマ生成容器４のカソード用開口２０内に筒状のカソードホルダー２２を、その先端がプラズマ生成容器４の内壁面５よりも外側に位置するように挿入し、カソードホルダー２２内にカソード２６を、その前面２８が内壁面５よりも外側に位置するように保持している。カソードホルダー２２内に、カソード２６との間に空間をあけてその側面を取り囲む筒状の第１熱シールド３６を設けており、その先端は内壁面５よりも外側に位置している。カソード２６の後方にフィラメント３８が設けられており、カソードホルダー２２とプラズマ生成容器４との間は電気絶縁物４０で塞がれている。
【選択図】図１

Description

この発明は、フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に、プラズマ生成用の熱電子を放出させる構造のイオン源に関する。このようなイオン源は、傍熱陰極型イオン源とも呼ばれる。

この種の従来のイオン源は、プラズマ生成容器内に、プラズマ生成容器との間に電気絶縁用の隙間をあけて、筒状のカソードホルダーを挿入し、このカソードホルダーの先端にカソードを保持し、かつカソードホルダー内にカソードを加熱するフィラメントを配置した構造をしている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許第２９９５３８８号公報（段落０００９、図６）特開平１０−１３４７２８号公報（段落０００９、図７）米国特許公開公報ＵＳ２００４／００６１０６８Ａ１（段落００２１、図１）

上記イオン源においては、プラズマ生成容器内に筒状のカソードホルダーが挿入されていて、少なくとも当該カソードホルダーの体積分はプラズマの生成領域が狭くなるため、その分、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成用のガスの電離効率が低下してプラズマの生成効率が悪く、しかもプラズマの体積も減少し、ひいては当該イオン源から引き出すイオンビームのビーム電流を大きくするのが難しい。

また、カソードホルダーとプラズマ生成容器との間の隙間は、プラズマ生成用のガスの抜け道になるために、当該ガスの利用効率が低下する。プラズマ生成用のガスは一般的に高価であるので、当該ガスの利用効率が低下すると、イオン源の運転コストが嵩む。また、ガスが漏れ出ることによってプラズマ生成容器周辺の構造物を汚染し、イオン源の寿命を短くする。

更に、カソードはイオン源の運転時間と共に消耗するために、カソードの軸方向の長さ（即ち厚さ）は大きい方が、カソードひいてはイオン源の長寿命化の点で有利であるけれども、従来のイオン源ではカソードを長くするのは難しい。即ち、カソードを長くすると、カソードの側面からの輻射による熱損失が大きくなるので、カソードの加熱が難しくなる。しかも、カソードホルダーが高温に加熱されてそこから熱電子が放出されて、カソードホルダーとプラズマ生成容器との間で不要な放電（アーク放電）が生じて損失となると共に、プラズマ生成容器内が汚れやすくなる。

そこでこの発明は、プラズマ生成効率の向上、ガスの利用効率の向上およびイオン源の長寿命化を可能にすることを主たる目的としている。

この発明に係る第１のイオン源は、フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に熱電子を放出させる構造のイオン源であって、前記プラズマ生成容器の壁面に設けられたカソード用開口と、カソードを保持する筒状のカソードホルダーであって、その先端部が前記プラズマ生成容器の外部から前記カソード用開口内に、プラズマ生成容器との間に間をあけて挿入されており、しかも当該カソードホルダーの先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードホルダーと、前記カソードホルダー内に保持されたカソードであって、その前面がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードと、前記カソードホルダー内に、カソードの側面との間に空間をあけてカソードの側面を一重以上に取り囲むように設けられた筒状の熱シールドであって、その先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置している第１熱シールドと、前記カソードホルダー内に設けられていて、前記カソードをその後面から加熱するフィラメントと、前記カソード用開口内に設けられていて、前記カソードホルダーとプラズマ生成容器との間を塞いでいる電気絶縁物と、前記カソードホルダー内にあって、フィラメントとの間に空間をあけてフィラメントの後面を少なくとも二重に覆うように設けられた第２熱シールドと、前記フィラメントの二つの脚部を囲むものであってその先端に前記第２熱シールドを支持している筒状部とを備えており、前記カソードは、その後部に雄ねじ部が形成されていて、この雄ねじ部およびそれと螺合するナットによって、前記カソードホルダー内に設けられた保持部に着脱可能に保持されていることを特徴としている。

上記第１および下記第３のイオン源によれば、カソードホルダーおよびカソードは、プラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているので、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成領域を広くして、プラズマ生成効率を向上させることができる。

また、カソードホルダーとプラズマ生成容器との間を電気絶縁物で塞いでいるので、プラズマ生成用のガスの漏れを防止して、ガスの利用効率を向上させることができる。

更に、第１熱シールドによって、カソードの側面からの輻射による熱損失を抑えることができるので、カソードの長さを大きくすることができる。それによって、カソードひいてはイオン源の長寿命化を図ることが可能になる。

この発明に係る第２のイオン源は、フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に熱電子を放出させる構造のイオン源であって、前記プラズマ生成容器の壁面に設けられたカソード用開口と、カソードを保持する筒状のカソードホルダーであって、その先端部が前記プラズマ生成容器の外部から前記カソード用開口内に、プラズマ生成容器との間に隙間をあけて挿入されており、しかも当該カソードホルダーの先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードホルダーと、前記カソードホルダー内に保持されたカソードであって、その前面がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードと、前記カソードホルダー内に、カソードの側面との間に空間をあけてカソードの側面を一重以上に取り囲むように設けられた筒状の熱シールドであって、その先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置している第１熱シールドと、前記カソードホルダー内に設けられていて、前記カソードをその後面から加熱するフィラメントと、前記カソードホルダー内にあって、フィラメントとの間に空間をあけてフィラメントの後面を少なくとも二重に覆うように設けられた第２熱シールドと、前記フィラメントの二つの脚部を囲むものであってその先端に前記第２熱シールドを支持している筒状部とを備えており、かつ前記カソードホルダーとプラズマ生成容器との間の隙間の部分に、断面が折れ曲がった迷路構造部が形成されており、前記カソードは、その後部に雄ねじ部が形成されていて、この雄ねじ部およびそれと螺合するナットによって、前記カソードホルダー内に設けられた保持部に着脱可能に保持されていることを特徴としている。

上記第２および下記第４のイオン源によれば、上記第１のイオン源と同様の作用によって、プラズマ生成効率の向上およびイオン源の長寿命化が可能になる。

また、カソードホルダーとプラズマ生成容器との間の隙間の部分に形成されている迷路構造部によって、ガスのコンダクタンスを低下させることができるので、プラズマ生成用のガスの漏れを抑制して、ガスの利用効率を向上させることができる。

この発明に係る第３のイオン源は、フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に熱電子を放出させる構造のイオン源であって、前記プラズマ生成容器の壁面に設けられたカソード用開口と、カソードを保持する筒状のカソードホルダーであって、その先端部が前記プラズマ生成容器の外部から前記カソード用開口内に、プラズマ生成容器との間に間をあけて挿入されており、しかも当該カソードホルダーの先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードホルダーと、前記カソードホルダー内に保持されたカソードであって、その前面がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードと、前記カソードホルダー内に、カソードの側面との間に空間をあけてカソードの側面を一重以上に取り囲むように設けられた筒状の熱シールドであって、その先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置している第１熱シールドと、前記カソードホルダー内に設けられていて、前記カソードをその後面から加熱するフィラメントと、前記カソード用開口内に設けられていて、前記カソードホルダーとプラズマ生成容器との間を塞いでいる電気絶縁物とを備えており、前記フィラメントは、丸棒状のフィラメント材を前記カソードの後面に沿うように曲げた形状の加熱部を有しており、しかも当該加熱部の、前記カソードの後面に対向する部分は、丸棒状のフィラメント材を平坦に加工した平坦面になっていることを特徴としている。

この発明に係る第４のイオン源は、フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に熱電子を放出させる構造のイオン源であって、前記プラズマ生成容器の壁面に設けられたカソード用開口と、カソードを保持する筒状のカソードホルダーであって、その先端部が前記プラズマ生成容器の外部から前記カソード用開口内に、プラズマ生成容器との間に隙間をあけて挿入されており、しかも当該カソードホルダーの先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードホルダーと、前記カソードホルダー内に保持されたカソードであって、その前面がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードと、前記カソードホルダー内に、カソードの側面との間に空間をあけてカソードの側面を一重以上に取り囲むように設けられた筒状の熱シールドであって、その先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置している第１熱シールドと、前記カソードホルダー内に設けられていて、前記カソードをその後面から加熱するフィラメントとを備えており、かつ前記カソードホルダーとプラズマ生成容器との間の隙間の部分に、断面が折れ曲がった迷路構造部が形成されており、前記フィラメントは、丸棒状のフィラメント材を前記カソードの後面に沿うように曲げた形状の加熱部を有しており、しかも当該加熱部の、前記カソードの後面に対向する部分は、丸棒状のフィラメント材を平坦に加工した平坦面になっていることを特徴としている。

上記第３および第４のイオン源は、前記カソードホルダー内にあって、フィラメントとの間に空間をあけてフィラメントの後面を少なくとも二重に覆うように設けられた第２熱シールドと、前記フィラメントの二つの脚部を囲むものであってその先端に前記第２熱シールドを支持している筒状部とを更に備えていても良い。

請求項１に記載の発明によれば、次の効果を奏する。
（ａ）カソードホルダーおよびカソードは、プラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているので、プラズマ生成容器内に筒状のカソードホルダーを挿入している従来のイオン源に比べて、プラズマ生成容器内におけるプラズマ生成領域を広くして、プラズマ生成効率を向上させることができる。

（ｂ）その結果、引き出すイオンビームのビーム電流を大きくすることが容易になる。また、ビーム電流を大きくする代わりに、あるいは大きくしつつ、プラズマ生成用の投入電力およびガス量を減少させることもできる。

（ｃ）カソードホルダーの側面がプラズマに曝されるのを防止して、プラズマ中のイオンのスパッタによるカソードホルダーからの不純物発生を抑制することができるので、プラズマ生成容器内等が汚れにくくなり、その結果、イオン源の長寿命化を図ることができる。

（ｄ）カソードホルダーとプラズマ生成容器との間を電気絶縁物で塞いでいるので、プラズマ生成用のガスの漏れを防止して、ガスの利用効率を向上させることができる。その結果、ガスの使用量を減らして、イオン源の運転コストを低減することができる。また、ガスが漏れ出ることによるプラズマ生成容器周辺の構造物の汚染を防止することができ、これもイオン源の長寿命化に寄与する。

（ｅ）第１熱シールドによって、カソードの側面からの輻射による熱損失を抑えることができるので、カソードの長さを大きくすることができる。それによって、カソードひいてはイオン源の長寿命化を図ることが可能になる。
（ｆ）少なくとも二重の第２熱シールドによって、フィラメントからの輻射による熱損失を減少させることができるので、フィラメントによるカソードの加熱効率をより高めることができる。
（ｇ）カソードをその雄ねじ部およびナットによって着脱可能に保持しているので、カソードの消耗時等にカソードを容易に交換することができる。しかも、雄ねじ部では、嵌合等に比べて、ナットひいてはカソードホルダーに対する接触面積が小さくなるので、カソードからカソードホルダーへの伝導による熱損失を低減して、カソードの加熱効率をより高めることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明を構成する電気絶縁物の代わりに迷路構造部を設けているので、請求項１に記載の発明の上記（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）〜（ｇ）に示す効果と同様の効果を奏し、かつ次の効果を奏する。

（ｈ）カソードホルダーとプラズマ生成容器との間の隙間の部分に形成されている迷路構造部によって、ガスのコンダクタンスを低下させることができるので、プラズマ生成用のガスの漏れを抑制して、ガスの利用効率を向上させることができる。その結果、ガスの使用量を減らして、イオン源の運転コストを低減することができる。また、ガスが漏れ出ることによるプラズマ生成容器周辺の構造物の汚染を抑制することができ、これもイオン源の長寿命化に寄与する。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の上記（ａ）〜（ｅ）に示す効果と同様の効果を奏し、かつ次の効果を奏する。
（ｉ）フィラメントの加熱部の、カソード後面に対向する部分が平坦面になっているので、単なる丸棒状のフィラメントに比べて、フィラメントからカソードへ向けての熱電子の放出面積が大きくなり熱電子放出量を大きくすることができる。その結果、例えば、単なる丸棒状のフィラメントと同等の熱電子放出量を得る場合は、フィラメントの温度を下げてフィラメントの寿命を長くすることができる。また、カソードとフィラメントとの間の距離を大きくすることもできるので、フィラメントやカソード周辺部材の熱膨張に対しても動作が安定になる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の上記（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）および請求項２に記載の発明の上記（ｈ）に示す効果と同様の効果を奏し、かつ請求項３に記載の発明の上記（ｉ）に示す効果と同様の効果を奏する。

請求項５に記載の発明によれば、請求項３または４に記載の発明の上記効果に加えて更に、請求項１に記載の発明の上記（ｆ）に示す効果と同様の効果を奏する。

図１は、この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。図２は、図１中のＣ部の拡大図である。

このイオン源２は、フィラメント３８によってカソード２６を加熱して当該カソード２６から、アノードを兼ねるプラズマ生成容器４内に熱電子を放出させる構造をしており、傍熱陰極型イオン源とも呼ばれる。

プラズマ生成容器４は、例えば直方体状をしていて、その内部には、例えばガス導入口８を通して、プラズマ６の生成用の所望のガス（蒸気の場合を含む）１０が導入される。このガス１０は、所望の元素（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａs 等のドーパント）を含むガスである。より具体例を挙げれば、ＢＦ₃、ＰＨ₃、ＡsＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆等の原料ガスを含むガスである。

プラズマ生成容器４の一つの壁面（長辺壁の一つ）には、イオンビーム１４の引き出し用のイオン引出し口１２が設けられている。このイオン引出し口１２は、例えば、当該壁面の長手方向に細長いスリット状をしている。

プラズマ生成容器４の他の一つの壁面（短辺壁の一つ）には、カソード２６を位置させるためのカソード用開口２０が設けられている。カソード用開口２０の正面形状は、この例では円形をしている。このカソード用開口２０を有する壁面と対向する壁面の内側には、この例では、カソード２６と対向させて、プラズマ６中の電子を反射させる反射電極１６が、電気絶縁物１８を介して保持されている。

反射電極１６は、この例のようにどこにも接続せずに浮遊電位にしても良いし、カソード用の支持体５０（換言すれば、アーク電源６０の負極端）に接続してカソード電位にしても良い。

プラズマ生成容器４内には、この例のように、プラズマ６の生成・維持用に、プラズマ生成容器４の外部に設けられた磁石（図示省略）から、カソード２６と反射電極１６とを結ぶ軸に沿う磁界８０を印加するようにしても良い。但し磁界８０の向きは、図示とは逆でも良い。

カソード２６を保持する筒状（この例では円筒状）のカソードホルダー２２の先端部が、プラズマ生成容器４の外部からカソード用開口２０内に、プラズマ生成容器４との間に間をあけて挿入されている。但し当該間は、この例では、電気絶縁物４０によって塞がれている。このカソードホルダー２２の先端は、この例では、プラズマ生成容器のカソード用開口２０周りの内壁面５よりもプラズマ生成容器４外側に位置している。但し、カソードホルダー２２の先端を、内壁面５と同一面に位置させても良い。このカソードホルダー２２は、例えば、モリブデン（Ｍo ）から成る。後述する保持部２４、第１熱シールド３６、第３熱シールド４４、第２熱シールド４６、支持体５０、５２およびフィラメント電流導体５４も同様である。

カソードホルダー２２内には、この例では柱状（より具体的には円柱状）のカソード２６が、その側面とカソードホルダー２２との間に空間をあけて保持されている。このカソード２６の前面２８は、この例では、プラズマ生成容器４のカソード用開口２０周りの内壁面５よりもプラズマ生成容器４外側に位置している。但し、カソード２６の前面２８を、内壁面５と同一面に位置させても良い。このカソード２６は、例えばタングステン（Ｗ）から成る。後述するナット３４、フィラメント３８も同様である。

カソード２６は、この例では、その後部に雄ねじ部３２が形成されていて、この雄ねじ部３２およびそれと螺合するナット３４によって、カソードホルダー２２内の中間部に設けられた保持部２４に着脱可能に保持されている。

カソードホルダー２２内には、カソード２６の側面との間に空間をあけてカソード２６の側面を一重以上に（この例では二重に）取り囲むように、筒状（この例では円筒状）の第１熱シールド３６が設けられている。各第１熱シールド３６の先端は、この例では、プラズマ生成容器４のカソード用開口２０周りの内壁面５よりも、プラズマ生成容器４外側に位置している。但し、各第１熱シールド３６の先端は、内壁面５と同一面に位置させても良い。各第１熱シールド３６は、この例では、カソードホルダー２２の保持部２４に、それと一体物として立設されている。

カソードホルダー２２内であってカソード２６の後面３０の近傍には、カソード２６をその後面３０から加熱するフィラメント３８が設けられている。このフィラメント３８のより具体例は後述する。

プラズマ生成容器４のカソード用開口２０内には、カソードホルダー２２とプラズマ生成容器４との間を塞いでいる電気絶縁物４０が設けられている。この電気絶縁物４０は、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）から成る。後述する熱絶縁物４８も同様である。

電気絶縁物４０は、この例では、プラズマ生成容器４内側に位置していてカソード２６の先端部を環状に取り囲む部分に、断面が折れ曲がった迷路構造部４２を有している。迷路構造部４２は、より具体的には、図２に示すように、鉤状に折れ曲がった隙間４３を、内周側および外周側に有している。

更にこの例では、カソードホルダー２２内に、フィラメント３８との間に空間をあけてフィラメント３８の側面を一重以上に（この例では一重に）取り囲むように、筒状（この例では円筒状）の第３熱シールド４４が設けられている。この第３熱シールド４４は、この例では、カソードホルダー２２の保持部２４に、それと一体物として立設されている。

更にこの例では、カソードホルダー２２内に、フィラメント３８との間に空間をあけてフィラメント３８の後面を一重以上に（この例では二重に）覆うように、第２熱シールド４６が設けられている。第２熱シールド４６は、この例では、筒状部４７の先端に、それと一体で設けられている。筒状部４７は、図１、図４、図５を総合すれば分かるように、フィラメント３８の二つの脚部７０（または７６）を囲んでいる。

カソードホルダー２２は支持体５０によって、フィラメント３８はその二つの脚部７０（または７６）を介して二つのフィラメント電流導体５４によって（いずれも一方のみが図に表れている）、第２熱シールド４６は筒状部４７および支持体５２を介して一方のフィラメント電流導体５４によって、それぞれ所定の位置に支持されている。

フィラメント３８の両端、より具体的にはその二つの脚部７０（または７６）間には、フィラメント３８を加熱するフィラメント電源５６が接続されている。フィラメント３８の一端と第３熱シールド４６とは、支持体５２および筒状部４７を介して同電位にされている。フィラメント電源５６は、図示例のように直流電源でも良いし、交流電源でも良い。

フィラメント３８とカソード２６との間には、フィラメント３８から放出された熱電子をカソード２６に向けて加速して、当該熱電子の衝撃によってカソード２６を加熱する直流の加熱電源５８が、カソードホルダー２２等を介して、かつカソード２６を正極側にして接続されている。

カソード２６とプラズマ生成容器４との間には、カソード２６から放出された熱電子を加速して、プラズマ生成容器４内に導入されたガス１０を電離させると共にプラズマ生成容器４内でアーク放電を生じさせて、プラズマ６を生成する直流のアーク電源６０が、プラズマ生成容器４を正極側にして接続されている。

上記イオン源２においては、フィラメント３８によってカソード２６を加熱してカソード２６からプラズマ生成容器４内に熱電子を放出させて、当該熱電子を用いてプラズマ生成容器４内でアーク放電を生じさせて、プラズマ生成容器４内に導入されたガス１０を電離させてプラズマ６を生成し、このプラズマ６から、イオン引出し口１２を通して、電界の作用で、イオンビーム１４を引き出すことができる。なお、イオン引出し口１２の出口側近傍には、通常は、イオンビーム１４の引き出し用の引出し電極が設けられる。

このイオン源２によれば、カソードホルダー２２およびカソード２６は、プラズマ生成容器４のカソード用開口２０周りの内壁面５と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器４外側に位置しているので、プラズマ生成容器内に筒状のカソードホルダーを挿入している従来のイオン源に比べて、プラズマ生成容器４内におけるプラズマ生成領域の体積を増加させて、プラズマ生成効率を向上させることができる。換言すれば、カソードホルダー２２の側面がプラズマ６に曝されるのを防止して、カソードホルダー２２の側面との接触によるプラズマ６の損失面積を減少させることができるので、プラズマ生成効率を向上させることができる。

その結果、当該イオン源２から引き出すイオンビーム１４のビーム電流を大きくすることが容易になる。また、ビーム電流を大きくする代わりに、あるいは大きくしつつ、プラズマ生成用の投入電力およびガス量を減少させることもできる。

また、カソードホルダー２２の側面がプラズマ６に曝されるのを防止して、プラズマ６中のイオンのスパッタによるカソードホルダー２２からの不純物発生を抑制することができるので、プラズマ生成容器４内等が汚れにくくなり、その結果、イオン源２の長寿命化を図ることができる。

また、カソードホルダー２２とプラズマ生成容器４との間を電気絶縁物４０で塞いでいるので、プラズマ生成用のガス１０の漏れを防止して、ガス１０の利用効率を向上させることができる。その結果、ガス１０の使用量を減らして、イオン源２の運転コストを低減することができる。また、ガス１０が漏れ出ることによるプラズマ生成容器周辺の構造物、例えば支持体５０やフィラメント電流導体５４を支持する碍子（図示省略）の汚染を防止することができ、これもイオン源２の長寿命化に寄与する。

更に、第１熱シールド３６によって、カソード２６の側面からの輻射による熱損失を抑えることができるので、カソード２６の軸方向の長さを大きくすることができる。それによって、カソード２６ひいてはイオン源２の長寿命化を図ることが可能になる。例えば、従来のイオン源では、カソードの厚さはせいぜい５〜８ｍｍ程度が限度であったけれども、このイオン源２ではカソード２６の長さを例えば１０〜１５ｍｍ程度にすることも可能である。

更にこの実施形態では、電気絶縁物４０が迷路構造部４２を有しているので沿面距離が長くなり、当該電気絶縁物４０の表面に導電性の不純物が付着して導電性の膜が形成されても、当該膜によってカソードホルダー２２とプラズマ生成容器４との間で電気的短絡が発生しにくくなる。その結果、イオン源２のより長寿命化を図ることができる。

更に、第３熱シールド４４によって、フィラメント３８からの輻射による熱損失を減少させることができるので、フィラメント３８によるカソード２６の加熱効率をより高めることができる。

また、第２熱シールド４６によって、フィラメント３８からの輻射による熱損失を減少させることができるので、フィラメント３８によるカソード２６の加熱効率をより高めることができる。

また、カソード２６をその雄ねじ部３２およびナット３４によって着脱可能に保持しているので、カソード２６の消耗時等にカソード２６を容易に交換することができる。しかも、雄ねじ部３２では、線接触状態となって、嵌合等に比べて、ナット３４ひいてはカソードホルダー２２（より具体的にはその保持部２４）に対する接触面積が小さくなるので、カソード２６からカソードホルダー２２への伝導による熱損失を低減して、カソード２６の加熱効率をより高めることができる。

フィラメント３８は、例えば図４に示す例のように、平板状でしかもカソード２６の後面３０に沿うように曲げられた形状の加熱部６８を有するものとしても良い。加熱部６８の両端は、二つの脚部７０につながっている。

このようなフィラメント３８を用いると、丸棒状のフィラメントに比べて、フィラメント３８からカソード２６へ向けての熱電子の放出面積が大きくなり熱電子放出量を大きくすることができる。その結果、例えば、丸棒状のフィラメントと同等の熱電子放出量を得る場合、フィラメント３８の温度を下げてフィラメント３８の寿命を長くすることができる。また、カソード２６とフィラメント３８との間の距離を大きくすることもできるので、フィラメント３８やカソード２６の周辺部材の熱膨張に対しても動作が安定になる。

フィラメント３８は、例えば図５、図６に示す例のように、丸棒状のフィラメント材をカソード２６の後面３０に沿うように曲げた形状の加熱部７２を有しており、しかも当該加熱部７２は丸棒状のフィラメント材を平坦に加工（例えば切削加工）した平坦面７４を有していて、当該平坦面７４がカソード２６の後面３０に対向しているものとしても良い。即ち、加熱部７２の部分であって、カソード２６の後面に対向する部分は、平坦面７４になっている。加熱部７２の両端は二つの脚部７６につながっている。

単なる丸棒状のフィラメントだと、その円形断面の一端付近しかカソード２６の後面３０に近接させることができずその他の部分とカソード間の電界は弱くなるので熱電子放出量が少ないのに対して、上記のようなフィラメント３８を用いると、その平坦面７４をカソード２６の後面３０に近づけて配置することができるので、単なる丸棒状のフィラメントに比べて、フィラメント３８からカソード２６へ向けての熱電子の放出面積が大きくなり熱電子放出量を大きくすることができる。その結果、例えば、単なる丸棒状のフィラメントと同等の熱電子放出量を得る場合、フィラメント３８の温度を下げてフィラメント３８の寿命を長くすることができる。また、カソード２６とフィラメント３８との間の距離を大きくすることもできるので、フィラメント３８やカソード２６の周辺部材の熱膨張に対しても動作が安定になる。

再び図１を参照して、この実施形態のように、カソードホルダー２２の外周面であってプラズマ生成容器４外に位置する部分を覆う熱絶縁物４８を設けておいても良い。この例では、電気絶縁物４０から支持体５０にかけてのカソードホルダー２２の外周面の全面を熱絶縁物４８で覆っている。この熱絶縁物４８は、熱遮蔽物または保温材と呼ぶこともできる。図３に示す熱絶縁物４８も同様である。この熱絶縁物４８は、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）から成る。

このような熱絶縁物４８を設けておくと、当該熱絶縁物４８によって、カソードホルダー２２からの輻射熱を減少させることができるので、カソード２６の加熱効率をより高めることができると共に、カソードホルダー２２の周辺部材、例えば支持体５０等を余分に加熱せずに済み、当該周辺部材の熱膨張が減少して、カソード２６とフィラメント３８間の機械的な精度が維持され、フィラメント３８からの熱電子放出がより安定する。

カソードホルダー２２とプラズマ生成容器４との間を上記のような電気絶縁物４０で塞ぐ代わりに、図３に示す実施形態のように、カソードホルダー２２とプラズマ生成容器４との間の隙間６２の部分に、断面が例えばジグザク状に折れ曲がった迷路構造部６４を形成しておいても良い。図３の例では、カソードホルダー２２の先端部の外周面に、カソードホルダー２２とは別の迷路形成部材６６を取り付けることによって迷路構造部６４を形成しているけれども、カソードホルダー２２の先端部自身を迷路形成部材６６と同様の形状にして迷路構造部６４を形成しても良い。

カソードホルダー２２とプラズマ生成容器４との間の隙間の部分を、単に真っ直ぐな隙間にするのではなく、上記のような迷路構造部６４を形成することによって、隙間６２の部分におけるガスのコンダクタンスを低下させることができるので、プラズマ生成用のガス１０の漏れを抑制して、ガス１０の利用効率を向上させることができる。その結果、ガス１０の使用量を減らして、イオン源２の運転コストを低減することができる。また、ガス１０が漏れ出ることによるプラズマ生成容器周辺の構造物の汚染を抑制することができ、これもイオン源２の長寿命化に寄与する。

上記迷路構造部６４を形成するカソードホルダー２２側の迷路形成部材６６を、電気絶縁物（例えば窒化ホウ素）で形成しておいても良い。そのようにすると、迷路構造部６４の隙間６２に導電性の不純物が付着して導電性の膜が形成され、更に当該膜が剥がれて薄片（フレーク）が形成されても、それによってカソードホルダー２２とプラズマ生成容器４との間で電気的短絡が発生するのを防止することができる。その結果、イオン源２のより長寿命化を図ることができる。

図３に示す例のように、迷路形成部材６６と熱絶縁物４８とを、電気絶縁物および熱絶縁物を兼ねる材質、例えば窒化ホウ素（ＢＮ）から成る一体物で形成しても良い。あるいは、迷路形成部材６６の内のフランジ部６７と熱絶縁物４８とを上記材質から成る一体物で形成しても良い。

この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。図１中のＣ部の拡大図である。カソード周りの他の例を示す断面図である。フィラメントの一例を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図である。フィラメントの他の例を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図である。図５に示すフィラメントの線Ｄ−Ｄに沿う拡大断面図である。

符号の説明

２イオン源
４プラズマ生成容器
５内壁面
２０カソード用開口
２２カソードホルダー
２６カソード
３２雄ねじ部
３４ナット
３６第１熱シールド
３８フィラメント
４０電気絶縁物
４２迷路構造部
４４第３熱シールド
４６第２熱シールド
４８熱絶縁物
６２隙間
６４迷路構造部
６８加熱部
７２加熱部

Claims

フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に熱電子を放出させる構造のイオン源であって、
前記プラズマ生成容器の壁面に設けられたカソード用開口と、
カソードを保持する筒状のカソードホルダーであって、その先端部が前記プラズマ生成容器の外部から前記カソード用開口内に、プラズマ生成容器との間に間をあけて挿入されており、しかも当該カソードホルダーの先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードホルダーと、
前記カソードホルダー内に保持されたカソードであって、その前面がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードと、
前記カソードホルダー内に、カソードの側面との間に空間をあけてカソードの側面を一重以上に取り囲むように設けられた筒状の熱シールドであって、その先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置している第１熱シールドと、
前記カソードホルダー内に設けられていて、前記カソードをその後面から加熱するフィラメントと、
前記カソード用開口内に設けられていて、前記カソードホルダーとプラズマ生成容器との間を塞いでいる電気絶縁物と、
前記カソードホルダー内にあって、フィラメントとの間に空間をあけてフィラメントの後面を少なくとも二重に覆うように設けられた第２熱シールドと、
前記フィラメントの二つの脚部を囲むものであってその先端に前記第２熱シールドを支持している筒状部とを備えており、
前記カソードは、その後部に雄ねじ部が形成されていて、この雄ねじ部およびそれと螺合するナットによって、前記カソードホルダー内に設けられた保持部に着脱可能に保持されていることを特徴とするイオン源。
フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に熱電子を放出させる構造のイオン源であって、
前記プラズマ生成容器の壁面に設けられたカソード用開口と、
カソードを保持する筒状のカソードホルダーであって、その先端部が前記プラズマ生成容器の外部から前記カソード用開口内に、プラズマ生成容器との間に隙間をあけて挿入されており、しかも当該カソードホルダーの先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードホルダーと、
前記カソードホルダー内に保持されたカソードであって、その前面がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードと、
前記カソードホルダー内に、カソードの側面との間に空間をあけてカソードの側面を一重以上に取り囲むように設けられた筒状の熱シールドであって、その先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置している第１熱シールドと、
前記カソードホルダー内に設けられていて、前記カソードをその後面から加熱するフィラメントと、
前記カソードホルダー内にあって、フィラメントとの間に空間をあけてフィラメントの後面を少なくとも二重に覆うように設けられた第２熱シールドと、
前記フィラメントの二つの脚部を囲むものであってその先端に前記第２熱シールドを支持している筒状部とを備えており、
かつ前記カソードホルダーとプラズマ生成容器との間の隙間の部分に、断面が折れ曲がった迷路構造部が形成されており、
前記カソードは、その後部に雄ねじ部が形成されていて、この雄ねじ部およびそれと螺合するナットによって、前記カソードホルダー内に設けられた保持部に着脱可能に保持されていることを特徴とするイオン源。
フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に熱電子を放出させる構造のイオン源であって、
前記プラズマ生成容器の壁面に設けられたカソード用開口と、
カソードを保持する筒状のカソードホルダーであって、その先端部が前記プラズマ生成容器の外部から前記カソード用開口内に、プラズマ生成容器との間に間をあけて挿入されており、しかも当該カソードホルダーの先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードホルダーと、
前記カソードホルダー内に保持されたカソードであって、その前面がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードと、
前記カソードホルダー内に、カソードの側面との間に空間をあけてカソードの側面を一重以上に取り囲むように設けられた筒状の熱シールドであって、その先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置している第１熱シールドと、
前記カソードホルダー内に設けられていて、前記カソードをその後面から加熱するフィラメントと、
前記カソード用開口内に設けられていて、前記カソードホルダーとプラズマ生成容器との間を塞いでいる電気絶縁物とを備えており、
前記フィラメントは、丸棒状のフィラメント材を前記カソードの後面に沿うように曲げた形状の加熱部を有しており、しかも当該加熱部の、前記カソードの後面に対向する部分は、丸棒状のフィラメント材を平坦に加工した平坦面になっていることを特徴とするイオン源。
フィラメントによってカソードを加熱して当該カソードから、アノードを兼ねるプラズマ生成容器内に熱電子を放出させる構造のイオン源であって、
前記プラズマ生成容器の壁面に設けられたカソード用開口と、
カソードを保持する筒状のカソードホルダーであって、その先端部が前記プラズマ生成容器の外部から前記カソード用開口内に、プラズマ生成容器との間に隙間をあけて挿入されており、しかも当該カソードホルダーの先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードホルダーと、
前記カソードホルダー内に保持されたカソードであって、その前面がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置しているカソードと、
前記カソードホルダー内に、カソードの側面との間に空間をあけてカソードの側面を一重以上に取り囲むように設けられた筒状の熱シールドであって、その先端がプラズマ生成容器のカソード用開口周りの内壁面と同一面またはそれよりもプラズマ生成容器外側に位置している第１熱シールドと、
前記カソードホルダー内に設けられていて、前記カソードをその後面から加熱するフィラメントとを備えており、
かつ前記カソードホルダーとプラズマ生成容器との間の隙間の部分に、断面が折れ曲がった迷路構造部が形成されており、
前記フィラメントは、丸棒状のフィラメント材を前記カソードの後面に沿うように曲げた形状の加熱部を有しており、しかも当該加熱部の、前記カソードの後面に対向する部分は、丸棒状のフィラメント材を平坦に加工した平坦面になっていることを特徴とするイオン源。
前記カソードホルダー内にあって、フィラメントとの間に空間をあけてフィラメントの後面を少なくとも二重に覆うように設けられた第２熱シールドと、
前記フィラメントの二つの脚部を囲むものであってその先端に前記第２熱シールドを支持している筒状部とを更に備えている請求項３または４記載のイオン源。