JP4175604B2 - イオン源 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁界中において、ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマを生成する電子衝撃型のイオン源に関し、より具体的には、引き出すイオンビーム中に含まれる多価イオン（２価以上のイオン。以下同じ）の比率を向上させる手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子衝撃型のイオン源には種々の方式のものがある。その一例として、特開平９−３５６４８号公報には、磁界による電子の閉じ込めと反射電極による電子の反射とを併用してプラズマ密度を高めるバーナス型イオン源が記載されている。
【０００３】
この種のイオン源から、２価以上の多価イオンを引き出して利用したいという要望がある。これは、多価イオンの場合は、１価イオンに比べて、同じ加速電圧で価数倍（例えば２価イオンの場合は２倍）の加速エネルギーを得ることができるので、高エネルギー化が容易になる等の理由による。
【０００４】
この種のイオン源において、多価イオンを多く発生させるためには、通常、プラズマ中の平均電子エネルギーを高める必要があり、そのために、（ａ）電子閉じ込め磁場を強くする、（ｂ）プラズマ密度を上げる、または（ｃ）電子発生源からの１次電子のエネルギーを高める、という手段が従来から試みられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記プラズマ中の電子は、電子発生源からの１次電子（そのエネルギーは、通常は数十ｅＶ〜数百ｅＶ程度）と、当該１次電子が中性ガスと衝突してそれをイオン化する際に放出される２次電子（そのエネルギーは、通常は数ｅＶ〜十数ｅＶ程度）とから成る。２次電子が更に中性ガスと衝突した際に放出される電子（３次電子およびそれ以降の電子）も、この明細書では一括して２次電子と呼ぶことにする。
【０００６】
多価イオンの生成には、高いエネルギーの電子が必要（例えば、２価イオン生成には数十ｅＶ以上が必要）であるから、上記２次電子は殆ど寄与せず、殆どは上記１次電子によって多価イオンが生成される。これとは違って、１価イオンの生成には、多価イオン生成ほどには高い電子エネルギーを必要としないので、上記２次電子も大きく寄与する。
【０００７】
ところが、上記（ａ）〜（ｃ）に示した手段では、いずれも、１次電子だけでなく、２次電子も多くなってしまうため、多価イオンを多く生成しようとすると１価イオンも多く生成されてしまい、イオン源から引き出すイオンビーム中に含まれる多価イオンの比率は殆ど向上しない。
【０００８】
従って、多価イオンビーム量を多くしようとすると、イオンビーム電流全体を大きくせざるを得なくなる。しかし、イオンビーム電流全体をあまり大きくすると、イオン源の引出し電極系において、空間電荷効果によるビーム電流制限や電極間における放電発生等の不具合が発生するようになる。また、引出し電極系に引出し電圧を供給する引出し電源に流れる電流も大きくなるけれども、引出し電源の容量からそのような大電流を出力することができなくなる。従って、イオンビーム電流全体を大きくするには限界があり、そのような手段では多価イオンの量を増やすことは難しい。
【０００９】
そこでこの発明は、プラズマ中ひいてはイオンビーム中に含まれる多価イオンの比率を向上させ、それによって多価イオンの引き出し量を多くすることを可能にすることを主たる目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明のイオン源は、ガスが導入され、内部で当該ガスを電子衝撃によって電離させて内部でプラズマを生成するための容器であって、当該プラズマからイオンビームを引き出すイオン引出し口を有するプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器内へ電子を供給して前記ガスを電子衝撃によって電離させて前記プラズマを生成する電子発生源と、この電子発生源で発生した電子を前記プラズマ生成容器内において閉じ込める磁界を発生させる磁界発生器と、前記プラズマ生成容器内にそれから電気的に絶縁して設けられていて、少なくとも前記磁界に沿う方向の両側および前記イオン引出し口側の合計３箇所に開口部を有する正電極と、この正電極に前記プラズマ生成容器に対して正のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源とを備えており、かつ前記プラズマ生成容器は、前記電子発生源を基準にして正の電圧が印加されて内部で放電を生じさせる陽極を兼ねていることを特徴としている。
【００１１】
上記正電極およびバイアス電源を設けたことによる主たる作用効果は、次の（１）および（２）である。
【００１２】
（１）正電極によるイオンの押し戻し作用
プラズマ生成容器内で生成されたプラズマ中のイオンは、正電極の開口部以外の壁面では、正電極に印加される正のバイアス電圧によって、同極性であるから、プラズマ側へ押し戻される。この押し戻されたイオンは、主として電子発生源で発生した１次電子の衝突を受けて、その価数が上がる。一般的に、ｎ価（ｎ≧２）のイオン生成確率は、（ａ）中性ガスからｎ価イオンへの生成確率よりも、（ｂ）ｎ−１価イオンからｎ価イオンへの生成確率の方が遙かに大きい。このイオン源では、上記押し戻されたイオン（即ち、既にイオン化しているもの）を利用することによって上記（ｂ）の過程を効果的に利用することができるので、多価イオンを効率良く生成することができる。
【００１３】
（２）正電極による２次電子の吸引作用
電子発生源で発生した１次電子は、磁界発生器による磁界に捕捉されて当該磁界に沿って運動をして、その過程で中性ガスと衝突してプラズマを生成する。この１次電子は、前述したようにエネルギーが比較的高いので、１価イオンの生成にも多価イオンの生成にも寄与する。
【００１４】
上記のようにして生成されるプラズマの近傍には、バイアス電源から正のバイアス電圧が印加される正電極が存在する。１次電子が中性ガスに衝突してイオン化する際に放出される２次電子は、前述したようにエネルギーが比較的低く、しかも飛び出す方向もばらばらであるので、プラズマの近傍に正電極が存在することによって、正電極付近の２次電子は、異極性の正電極に吸引される。従ってその分、プラズマ中に存在する２次電子の量は少なくなる。ちなみに、電子発生源から発生した１次電子は、指向性も比較的高く、かつ前記磁界に捕捉されて磁界に沿って運動するので、１次電子が正電極に吸引される割合は、２次電子に比べれば遙かに小さい。この割合をより小さくするためには、磁界発生器による磁界をより強くして１次電子を当該磁界によってより強く捕捉するのが好ましい。
【００１５】
２次電子は、前述したようにエネルギーが比較的小さいので、多価イオンの生成には殆ど寄与せず、専ら１価イオンの生成にしか寄与せず、このような２次電子の量が正電極の存在によって減ることによって、その分、プラズマ中に生成される１価イオンは減ることになる。これは見方を変えれば、プラズマ中の多価イオンの比率が相対的に高くなることである。
【００１６】
上記（１）および（２）の作用によって、プラズマ中の多価イオンの比率を高めることができ、ひいてはイオンビーム中に含まれる多価イオンの比率を向上させることができる。その結果、イオンビーム電流（イオンビーム引き出し量）全体を大きくしなくても、多価イオンの引き出し量を多くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオン源の一例を示す断面図である。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。図３は、図１中の正電極の斜視図である。
【００１８】
このイオン源は、簡単に言えば、公知のバーナス型イオン源と呼ばれるものに、正電極２６およびバイアス電源３２を付加したことを特徴としている。
【００１９】
詳述すると、このイオン源は、例えば直方体状をしていて陽極を兼ねるプラズマ生成容器２を備えており、その内部にはプラズマ１４の生成用のガス（蒸気の場合も含む）が導入される。このプラズマ生成容器２のイオンビーム引出し方向Ｚ側の壁面（長辺壁）には、イオンビーム１６の引き出し用のイオン引出し口４が設けられている。このイオン引出し口４は、例えばスリット状をしている。
【００２０】
プラズマ生成容器２の前記イオンビーム引出し方向Ｚと直交するＸ方向の一方側の壁面（短辺壁）内には、プラズマ生成容器２内へ電子（１次電子）７を供給して前記ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマ１４を生成する電子発生源として、この例ではＵ字状のフィラメント６が設けられている。このフィラメント６とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物８によって電気的に絶縁されている。なお、このＸ方向およびＺ方向と直交する方向をＹ方向とする。
【００２１】
プラズマ生成容器２のＸ方向の他方側の壁面（短辺壁）内には、フィラメント６と相対向させて、１次電子７を反射する対向反射電極１０が設けられている。この対向反射電極１０とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１２によって電気的に絶縁されている。この対向反射電極１０は、この例のようにどこにも接続せずに浮遊電位にする場合と、フィラメント６の一方端（例えば、フィラメント電源２２の正極側端）に接続してフィラメント電位にする場合とがある。
【００２２】
プラズマ生成容器２の外部には、前記Ｘ方向においてプラズマ生成容器２を両側から挟むように、磁界発生器１８が設けられている。この磁界発生器１８は、フィラメント６で発生した１次電子７を捕捉してプラズマ１４の生成・維持の効率を高める磁界２０を、プラズマ生成容器２内において前記Ｘ方向に沿って発生させる。つまり、フィラメント６と反射電極１０との間を結ぶ方向Ｘに沿って磁界２０を発生させる。但し磁界２０の向きは、図示例とは逆でも良い。この磁界発生器１８は、例えば電磁石である。プラズマ生成容器２内における磁界２０の強さは、この発明に係るイオン源ではある程度強いのが好ましく、例えば１０ｍＴ〜５０ｍＴ程度にする。
【００２３】
フィラメント６には、それを加熱して１次電子７を放出させるために、直流のフィラメント電源２２から、直流のフィラメント電圧ＶF （例えば２〜４Ｖ程度）が印加される。
【００２４】
フィラメント６の一端とプラズマ生成容器２との間には、両者間でアーク放電を生じさせるために、フィラメント６を負極側にして、直流のアーク電源２４からアーク電圧ＶA （例えば４０〜１００Ｖ程度）が印加される。
【００２５】
上記のような構成に加えて更に、このイオン源は、正電極２６およびバイアス電源３２を備えている。
【００２６】
正電極２６は、プラズマ生成容器２内に当該プラズマ生成容器２から電気的に絶縁して設けられている。この正電極２６は、少なくとも、前記磁界２０に沿う方向（Ｘ方向）の両側および前記イオン引出し口４側（イオンビーム引出し方向Ｚ側）の合計３箇所に開口部２６ａ〜２６ｃ（図３参照）を有している。より具体的には、正電極２６はこの例では、Ｘ方向の両側およびＺ方向の合計３面が開いていて、Ｙ−Ｚ平面における断面が四角形をした四角い筒状、箱状または樋状をしている。この正電極２６は、絶縁物２８によって電気的に絶縁されてプラズマ生成容器２から支持されている。
【００２７】
この正電極２６は、上記のような開口部２６ａ〜２６ｃを有しているので、フィラメント６から発生した１次電子７の運動、および、プラズマ１４からのイオンビーム１６の引き出しを妨げない。即ち、フィラメント６から放出された１次電子７は、Ｘ方向の開口部２６ａおよび２６ｂを通して、フィラメント６と反射電極１０との間で磁界２０に沿って自由に往復運動させることができ、それによってプラズマ１４を効率良く生成することができる。また、イオン引出し口４側の開口部２６ｃを通して、プラズマ１４はイオン引出し口４の近傍にまで拡散することができるので、当該プラズマ１４からイオン引出し口４を通してイオンビーム１６を効率良く引き出すことができる。
【００２８】
バイアス電源３２は、正電極２６に、プラズマ生成容器２に対して（即ちプラズマ生成容器２の電位を基準にして）正のバイアス電圧ＶB を印加する直流電源である。正電極２６へは、この例では導体３０（図２参照）を経由してバイアス電圧ＶB を印加する。このバイアス電圧ＶB の大きさは、特に制限はないけれども、あまり大きくすると絶縁物２８等による電気絶縁が難しくなるので、上は５００Ｖ程度が現実的である。下は１Ｖからでも効果はある。従って、バイアス電圧ＶB の大きさは、１Ｖ〜５００Ｖ程度の範囲内が好ましい。
【００２９】
図４に、このイオン源における電位配置の一例を模式的に示す。プラズマ生成容器２内に上記のようなバイアス電圧ＶB が印加される正電極２６を設けると、プラズマ１４の電位は、ほぼバイアス電圧ＶB に相当する電位になる。これは、プラズマは一般的に、当該プラズマに近くて最も電位の高い導体の電位にプラズマ電位が近づく性質を有しており、その導体がこの例では正電極２６だからである。
【００３０】
従って、このイオン源においては、実質的なアーク電圧ＶS は、前記アーク電圧ＶA の向きを図示のようにプラズマ生成容器２側を正にすると、次式で表される。実質的なアーク電圧ＶS とは、１次電子７がフィラメント６から放出されるときの当該電子７のエネルギーを決定する電圧のことであり、正電極２６およびバイアス電源３２を有していない公知のイオン源では前記アーク電圧ＶA になる。なお、フィラメント電圧ＶF は小さいのでここでは無視している。
【００３１】
【数１】
ＶS ＝ＶB ＋ＶA
【００３４】
上記正電極２６およびバイアス電源３２を設けたことによる主たる作用効果は、次の（１）および（２）である。
【００３５】
（１）正電極２６によるイオンの押し戻し作用
プラズマ生成容器２内で生成されたプラズマ１４中のイオンは、正電極２６の開口部２６ａ〜２６ｃ以外の壁面では、正電極２６に印加される正のバイアス電圧ＶB によって、同極性であるから、プラズマ１４側へ（即ちプラズマ生成容器２の中央側へ）押し戻される。この押し戻されたイオンは、主としてフィラメント６で発生した１次電子７の衝突を受けて、その価数が上がる。一般的に、ｎ価（ｎ≧２）のイオン生成確率は、（ａ）中性ガスからｎ価イオンへの生成確率よりも、（ｂ）ｎ−１価イオンからｎ価イオンへの生成確率の方が遙かに大きい。このイオン源では、上記押し戻されたイオン（即ち、既にイオン化しているもの）を利用することによって上記（ｂ）の過程を効果的に利用することができるので、多価イオンを効率良く生成することができる。
【００３６】
（２）正電極２６による２次電子の吸引作用
フィラメント６からは磁界２０の方向Ｘに沿う方向に１次電子７が多く放出される。この１次電子７は、磁界発生器１８による磁界２０に捕捉されて当該磁界２０に沿ってＸ方向に運動して、その過程で中性ガスと衝突してプラズマ１４を生成する。この１次電子７は、前述したようにエネルギーが比較的高いので、１価イオンの生成にも多価イオンの生成にも寄与する。
【００３７】
上記のようにして生成されるプラズマ１４の近傍には、公知のイオン源と違ってこのイオン源では、バイアス電源３２から正のバイアス電圧ＶB が印加される正電極２６が存在する。１次電子７が中性ガスに衝突してイオン化する際に放出される２次電子は、前述したようにエネルギーが比較的低く、しかも飛び出す方向もばらばらであるので、プラズマ１４の近傍に正電極２６が存在することによって、正電極２６付近の２次電子は、異極性の正電極２６に吸引される。従ってその分、プラズマ１４中に存在する２次電子の量は少なくなる。
【００３８】
ちなみに、フィラメント６から発生した１次電子７は、指向性も比較的高く、かつ磁界２０に捕捉されて磁界２０に沿ってＸ方向に運動（この例では反射電極１０があるので往復運動）するので、１次電子７が正電極２６に吸引される割合は、２次電子に比べれば遙かに小さい。この割合をより小さくするためには、磁界発生器１８による磁界２０をより強くして１次電子７を当該磁界２０によってより強く捕捉するのが好ましい。例えば前述したように、プラズマ生成容器２内における磁界２０の強さを、１０ｍＴ〜５０ｍＴ程度にするのが好ましい。
【００３９】
２次電子は、前述したようにエネルギーが比較的小さいので、多価イオンの生成には殆ど寄与せず、専ら１価イオンの生成にしか寄与せず、このような２次電子の量が正電極２６の存在によって減ることによって、その分、プラズマ１４中に生成される１価イオンは減ることになる。これは見方を変えれば、プラズマ１４中の多価イオンの比率が相対的に高くなることである。
【００４０】
上記（１）および（２）の作用によって、プラズマ１４中の多価イオンの比率を高めることができ、ひいてはイオンビーム１６中に含まれる多価イオンの比率を向上させることができる。その結果、イオンビーム電流（イオンビーム引き出し量）全体を大きくしなくても、多価イオンの引き出し量を多くすることができる。
【００４１】
より具体例を示すと、図１に示すイオン源において、リンの３価イオン（Ｐ3+）を引き出す実験を行った。その結果を表１に示す。比較例は、バイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB を０Ｖにしたので、正電極２６を設けていない公知のイオン源に相当する。実施例は、この発明に従った例である。両者で実質的なアーク電圧ＶS （前記数１および数２参照）を同じにしたのは、全体として見たプラズマ１４の密度を同じにして条件を同じにするためである。そのために実施例では、アーク電源２４から出力するアーク電圧ＶA を０Ｖにした。この場合は、バイアス電源３２が通常言うアーク電源の働きもすることになる。イオンビーム１６を引き出すための引出し電圧は４０ｋＶとし、イオンビーム１６全体のビーム電流を比較例と実施例とで同じになるように運転して、そのイオンビーム１６中に含まれるＰ3+イオンの比率を測定した。磁界２０の強さも、両方の例とも約２４ｍＴで同じにした。
【００４２】
【表１】
【００４３】
上記表に示すように、実質的なアーク電圧ＶS および磁界２０の強さが同じであるにも拘わらず、Ｐ3+イオンの比率は、実施例の方が比較例に比べて約３倍に高まっている。従って、正電極２６を設けてそれに正のバイアス電圧ＶB を印加することが、イオンビーム１６中に含まれる多価イオンの比率を向上させることに大きく寄与していることが分かる。
【００４４】
正電極２６の形状は、図１〜図３に示したもの以外でも良い。例えば、図５に示す例のように、Ｙ−Ｚ平面における断面が円形をした丸い筒状または樋状でも良い。あるいは同断面は楕円形でも良い。
【００４５】
正電極２６のイオン引出し口４側の開口部２６ｃは、図１〜図３に示す例のように、イオン引出し口４側の面全体を開放したものでも良いし、例えば図５に示す例のように、開口部２６ｃの幅Ｗを狭くしても良い。開口部２６ｃの幅Ｗは、イオン引出し口４の幅程度にまで狭くしても良い。要は、開口部２６ｃおよびイオン引出し口４を通して、プラズマ１４からイオンビーム１６を引き出すことができれば良いからである。このことは、正電極２６の形状を問わず適用される。開口部２６ｃの幅Ｗを上記のように狭くすると、プラズマ１４中からイオンビーム１６として引き出すイオン以外のイオンを正電極２６によってプラズマ１４側へ（即ちプラズマ生成容器２の中央側へ）押し戻す面積が増えてその押し戻す作用を増大させることができるので、前記（１）に示したイオンの押し戻し作用による多価イオンの生成効率をより高めることができる。
【００４６】
また、例えば図６に示す例のように、正電極２６の上記各開口部２６ａ〜２６ｃを、正電極２６の各壁面の全面に設けるのではなく一部分にのみ設けても良い。即ち、各開口部２６ａ〜２６ｃの周りに壁面を残しておいても良い。この場合の開口部２６ａおよび２６ｂの大きさは、フィラメント６と反射電極１０との間で１次電子７が往復運動することができる程度で良い。開口部２６ｃの大きさは、プラズマ１４からイオン引出し口４を通してイオンビーム１６を引き出すことができる程度で良い。上記のようにすれば、プラズマ１４中からイオンビーム１６として引き出すイオン以外のイオンを正電極２６によってプラズマ１４側へ（即ちプラズマ生成容器２の中央側へ）押し戻す面積がより増えてその押し戻す作用をより増大させることができるので、前記（１）に示したイオンの押し戻し作用による多価イオンの生成効率をより一層高めることができる。
【００４７】
なお、プラズマ生成容器２内へプラズマ１４生成用の電子（１次電子）７を供給する電子発生源は、図１に示した構成（即ち一つのフィラメント６）に限られるものではなく、他の構成の電子発生源を採用しても良い。
【００４８】
例えば、反射電極１０の代わりに、上記フィラメント６と同様のフィラメント６をもう一つ設けても良い。
【００４９】
また、各フィラメント６の背後に、プラズマ生成容器２から電気的に絶縁されていてフィラメント６から放出された電子をプラズマ生成容器２の中央側へ反射する反射電極をそれぞれ設けても良い。
【００５０】
あるいは、特開２０００−９０８４４号公報に記載されているような、カップ状陰極と、それを加熱して電子を放出させるヒータ（フィラメント）とを備える電子発生源を採用しても良い。
【００５１】
あるいは、特開平９−３５６５０号公報に記載されているような、小プラズマ生成室内でプラズマを生成し、そのプラズマから電子を引き出してそれをプラズマ生成容器２内に供給する構成の電子発生源を採用しても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、上記正電極およびバイアス電源を設けたことによって、正電極によるプラズマ中のイオンの押し戻し作用と、正電極によるプラズマ中の２次電子の吸引作用とを奏することができ、この両作用によって、プラズマ中の多価イオンの比率を高めることができ、ひいてはイオンビーム中に含まれる多価イオンの比率を向上させることができる。その結果、イオンビーム電流全体を大きくしなくても、多価イオンの引き出し量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオン源の一例を示す断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。
【図３】図１中の正電極の斜視図である。
【図４】図１のイオン源における電位配置の一例を模式的に示す図である。
【図５】正電極の他の例を示す斜視図である。
【図６】正電極の更に他の例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
２ プラズマ生成容器
４ イオン引出し口
６ フィラメント（電子発生源）
７ 電子（１次電子）
１０ 反射電極
１４ プラズマ
１６ イオンビーム
１８ 磁界発生器
２０ 磁界
２６ 正電極
３２ バイアス電源
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁界中において、ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマを生成する電子衝撃型のイオン源に関し、より具体的には、引き出すイオンビーム中に含まれる多価イオン（２価以上のイオン。以下同じ）の比率を向上させる手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子衝撃型のイオン源には種々の方式のものがある。その一例として、特開平９−３５６４８号公報には、磁界による電子の閉じ込めと反射電極による電子の反射とを併用してプラズマ密度を高めるバーナス型イオン源が記載されている。
【０００３】
この種のイオン源から、２価以上の多価イオンを引き出して利用したいという要望がある。これは、多価イオンの場合は、１価イオンに比べて、同じ加速電圧で価数倍（例えば２価イオンの場合は２倍）の加速エネルギーを得ることができるので、高エネルギー化が容易になる等の理由による。
【０００４】
この種のイオン源において、多価イオンを多く発生させるためには、通常、プラズマ中の平均電子エネルギーを高める必要があり、そのために、（ａ）電子閉じ込め磁場を強くする、（ｂ）プラズマ密度を上げる、または（ｃ）電子発生源からの１次電子のエネルギーを高める、という手段が従来から試みられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記プラズマ中の電子は、電子発生源からの１次電子（そのエネルギーは、通常は数十ｅＶ〜数百ｅＶ程度）と、当該１次電子が中性ガスと衝突してそれをイオン化する際に放出される２次電子（そのエネルギーは、通常は数ｅＶ〜十数ｅＶ程度）とから成る。２次電子が更に中性ガスと衝突した際に放出される電子（３次電子およびそれ以降の電子）も、この明細書では一括して２次電子と呼ぶことにする。
【０００６】
多価イオンの生成には、高いエネルギーの電子が必要（例えば、２価イオン生成には数十ｅＶ以上が必要）であるから、上記２次電子は殆ど寄与せず、殆どは上記１次電子によって多価イオンが生成される。これとは違って、１価イオンの生成には、多価イオン生成ほどには高い電子エネルギーを必要としないので、上記２次電子も大きく寄与する。
【０００７】
ところが、上記（ａ）〜（ｃ）に示した手段では、いずれも、１次電子だけでなく、２次電子も多くなってしまうため、多価イオンを多く生成しようとすると１価イオンも多く生成されてしまい、イオン源から引き出すイオンビーム中に含まれる多価イオンの比率は殆ど向上しない。
【０００８】
従って、多価イオンビーム量を多くしようとすると、イオンビーム電流全体を大きくせざるを得なくなる。しかし、イオンビーム電流全体をあまり大きくすると、イオン源の引出し電極系において、空間電荷効果によるビーム電流制限や電極間における放電発生等の不具合が発生するようになる。また、引出し電極系に引出し電圧を供給する引出し電源に流れる電流も大きくなるけれども、引出し電源の容量からそのような大電流を出力することができなくなる。従って、イオンビーム電流全体を大きくするには限界があり、そのような手段では多価イオンの量を増やすことは難しい。
【０００９】
そこでこの発明は、プラズマ中ひいてはイオンビーム中に含まれる多価イオンの比率を向上させ、それによって多価イオンの引き出し量を多くすることを可能にすることを主たる目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明のイオン源は、ガスが導入され、内部で当該ガスを電子衝撃によって電離させて内部でプラズマを生成するための容器であって、当該プラズマからイオンビームを引き出すイオン引出し口を有するプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器内へ電子を供給して前記ガスを電子衝撃によって電離させて前記プラズマを生成する電子発生源と、この電子発生源で発生した電子を前記プラズマ生成容器内において閉じ込める磁界を発生させる磁界発生器と、前記プラズマ生成容器内にそれから電気的に絶縁して設けられていて、少なくとも前記磁界に沿う方向の両側および前記イオン引出し口側の合計３箇所に開口部を有する正電極と、この正電極に前記プラズマ生成容器に対して正のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源とを備えており、かつ前記プラズマ生成容器は、前記電子発生源を基準にして正の電圧が印加されて内部で放電を生じさせる陽極を兼ねていることを特徴としている。
【００１１】
上記正電極およびバイアス電源を設けたことによる主たる作用効果は、次の（１）および（２）である。
【００１２】
（１）正電極によるイオンの押し戻し作用
プラズマ生成容器内で生成されたプラズマ中のイオンは、正電極の開口部以外の壁面では、正電極に印加される正のバイアス電圧によって、同極性であるから、プラズマ側へ押し戻される。この押し戻されたイオンは、主として電子発生源で発生した１次電子の衝突を受けて、その価数が上がる。一般的に、ｎ価（ｎ≧２）のイオン生成確率は、（ａ）中性ガスからｎ価イオンへの生成確率よりも、（ｂ）ｎ−１価イオンからｎ価イオンへの生成確率の方が遙かに大きい。このイオン源では、上記押し戻されたイオン（即ち、既にイオン化しているもの）を利用することによって上記（ｂ）の過程を効果的に利用することができるので、多価イオンを効率良く生成することができる。
【００１３】
（２）正電極による２次電子の吸引作用
電子発生源で発生した１次電子は、磁界発生器による磁界に捕捉されて当該磁界に沿って運動をして、その過程で中性ガスと衝突してプラズマを生成する。この１次電子は、前述したようにエネルギーが比較的高いので、１価イオンの生成にも多価イオンの生成にも寄与する。
【００１４】
上記のようにして生成されるプラズマの近傍には、バイアス電源から正のバイアス電圧が印加される正電極が存在する。１次電子が中性ガスに衝突してイオン化する際に放出される２次電子は、前述したようにエネルギーが比較的低く、しかも飛び出す方向もばらばらであるので、プラズマの近傍に正電極が存在することによって、正電極付近の２次電子は、異極性の正電極に吸引される。従ってその分、プラズマ中に存在する２次電子の量は少なくなる。ちなみに、電子発生源から発生した１次電子は、指向性も比較的高く、かつ前記磁界に捕捉されて磁界に沿って運動するので、１次電子が正電極に吸引される割合は、２次電子に比べれば遙かに小さい。この割合をより小さくするためには、磁界発生器による磁界をより強くして１次電子を当該磁界によってより強く捕捉するのが好ましい。
【００１５】
２次電子は、前述したようにエネルギーが比較的小さいので、多価イオンの生成には殆ど寄与せず、専ら１価イオンの生成にしか寄与せず、このような２次電子の量が正電極の存在によって減ることによって、その分、プラズマ中に生成される１価イオンは減ることになる。これは見方を変えれば、プラズマ中の多価イオンの比率が相対的に高くなることである。
【００１６】
上記（１）および（２）の作用によって、プラズマ中の多価イオンの比率を高めることができ、ひいてはイオンビーム中に含まれる多価イオンの比率を向上させることができる。その結果、イオンビーム電流（イオンビーム引き出し量）全体を大きくしなくても、多価イオンの引き出し量を多くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオン源の一例を示す断面図である。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。図３は、図１中の正電極の斜視図である。
【００１８】
このイオン源は、簡単に言えば、公知のバーナス型イオン源と呼ばれるものに、正電極２６およびバイアス電源３２を付加したことを特徴としている。
【００１９】
詳述すると、このイオン源は、例えば直方体状をしていて陽極を兼ねるプラズマ生成容器２を備えており、その内部にはプラズマ１４の生成用のガス（蒸気の場合も含む）が導入される。このプラズマ生成容器２のイオンビーム引出し方向Ｚ側の壁面（長辺壁）には、イオンビーム１６の引き出し用のイオン引出し口４が設けられている。このイオン引出し口４は、例えばスリット状をしている。
【００２０】
プラズマ生成容器２の前記イオンビーム引出し方向Ｚと直交するＸ方向の一方側の壁面（短辺壁）内には、プラズマ生成容器２内へ電子（１次電子）７を供給して前記ガスを電子衝撃によって電離させてプラズマ１４を生成する電子発生源として、この例ではＵ字状のフィラメント６が設けられている。このフィラメント６とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物８によって電気的に絶縁されている。なお、このＸ方向およびＺ方向と直交する方向をＹ方向とする。
【００２１】
プラズマ生成容器２のＸ方向の他方側の壁面（短辺壁）内には、フィラメント６と相対向させて、１次電子７を反射する対向反射電極１０が設けられている。この対向反射電極１０とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１２によって電気的に絶縁されている。この対向反射電極１０は、この例のようにどこにも接続せずに浮遊電位にする場合と、フィラメント６の一方端（例えば、フィラメント電源２２の正極側端）に接続してフィラメント電位にする場合とがある。
【００２２】
プラズマ生成容器２の外部には、前記Ｘ方向においてプラズマ生成容器２を両側から挟むように、磁界発生器１８が設けられている。この磁界発生器１８は、フィラメント６で発生した１次電子７を捕捉してプラズマ１４の生成・維持の効率を高める磁界２０を、プラズマ生成容器２内において前記Ｘ方向に沿って発生させる。つまり、フィラメント６と反射電極１０との間を結ぶ方向Ｘに沿って磁界２０を発生させる。但し磁界２０の向きは、図示例とは逆でも良い。この磁界発生器１８は、例えば電磁石である。プラズマ生成容器２内における磁界２０の強さは、この発明に係るイオン源ではある程度強いのが好ましく、例えば１０ｍＴ〜５０ｍＴ程度にする。
【００２３】
フィラメント６には、それを加熱して１次電子７を放出させるために、直流のフィラメント電源２２から、直流のフィラメント電圧ＶF （例えば２〜４Ｖ程度）が印加される。
【００２４】
フィラメント６の一端とプラズマ生成容器２との間には、両者間でアーク放電を生じさせるために、フィラメント６を負極側にして、直流のアーク電源２４からアーク電圧ＶA （例えば４０〜１００Ｖ程度）が印加される。
【００２５】
上記のような構成に加えて更に、このイオン源は、正電極２６およびバイアス電源３２を備えている。
【００２６】
正電極２６は、プラズマ生成容器２内に当該プラズマ生成容器２から電気的に絶縁して設けられている。この正電極２６は、少なくとも、前記磁界２０に沿う方向（Ｘ方向）の両側および前記イオン引出し口４側（イオンビーム引出し方向Ｚ側）の合計３箇所に開口部２６ａ〜２６ｃ（図３参照）を有している。より具体的には、正電極２６はこの例では、Ｘ方向の両側およびＺ方向の合計３面が開いていて、Ｙ−Ｚ平面における断面が四角形をした四角い筒状、箱状または樋状をしている。この正電極２６は、絶縁物２８によって電気的に絶縁されてプラズマ生成容器２から支持されている。
【００２７】
この正電極２６は、上記のような開口部２６ａ〜２６ｃを有しているので、フィラメント６から発生した１次電子７の運動、および、プラズマ１４からのイオンビーム１６の引き出しを妨げない。即ち、フィラメント６から放出された１次電子７は、Ｘ方向の開口部２６ａおよび２６ｂを通して、フィラメント６と反射電極１０との間で磁界２０に沿って自由に往復運動させることができ、それによってプラズマ１４を効率良く生成することができる。また、イオン引出し口４側の開口部２６ｃを通して、プラズマ１４はイオン引出し口４の近傍にまで拡散することができるので、当該プラズマ１４からイオン引出し口４を通してイオンビーム１６を効率良く引き出すことができる。
【００２８】
バイアス電源３２は、正電極２６に、プラズマ生成容器２に対して（即ちプラズマ生成容器２の電位を基準にして）正のバイアス電圧ＶB を印加する直流電源である。正電極２６へは、この例では導体３０（図２参照）を経由してバイアス電圧ＶB を印加する。このバイアス電圧ＶB の大きさは、特に制限はないけれども、あまり大きくすると絶縁物２８等による電気絶縁が難しくなるので、上は５００Ｖ程度が現実的である。下は１Ｖからでも効果はある。従って、バイアス電圧ＶB の大きさは、１Ｖ〜５００Ｖ程度の範囲内が好ましい。
【００２９】
図４に、このイオン源における電位配置の一例を模式的に示す。プラズマ生成容器２内に上記のようなバイアス電圧ＶB が印加される正電極２６を設けると、プラズマ１４の電位は、ほぼバイアス電圧ＶB に相当する電位になる。これは、プラズマは一般的に、当該プラズマに近くて最も電位の高い導体の電位にプラズマ電位が近づく性質を有しており、その導体がこの例では正電極２６だからである。
【００３０】
従って、このイオン源においては、実質的なアーク電圧ＶS は、前記アーク電圧ＶA の向きを図示のようにプラズマ生成容器２側を正にすると、次式で表される。実質的なアーク電圧ＶS とは、１次電子７がフィラメント６から放出されるときの当該電子７のエネルギーを決定する電圧のことであり、正電極２６およびバイアス電源３２を有していない公知のイオン源では前記アーク電圧ＶA になる。なお、フィラメント電圧ＶF は小さいのでここでは無視している。
【００３１】
【数１】
ＶS ＝ＶB ＋ＶA
【００３４】
上記正電極２６およびバイアス電源３２を設けたことによる主たる作用効果は、次の（１）および（２）である。
【００３５】
（１）正電極２６によるイオンの押し戻し作用
プラズマ生成容器２内で生成されたプラズマ１４中のイオンは、正電極２６の開口部２６ａ〜２６ｃ以外の壁面では、正電極２６に印加される正のバイアス電圧ＶB によって、同極性であるから、プラズマ１４側へ（即ちプラズマ生成容器２の中央側へ）押し戻される。この押し戻されたイオンは、主としてフィラメント６で発生した１次電子７の衝突を受けて、その価数が上がる。一般的に、ｎ価（ｎ≧２）のイオン生成確率は、（ａ）中性ガスからｎ価イオンへの生成確率よりも、（ｂ）ｎ−１価イオンからｎ価イオンへの生成確率の方が遙かに大きい。このイオン源では、上記押し戻されたイオン（即ち、既にイオン化しているもの）を利用することによって上記（ｂ）の過程を効果的に利用することができるので、多価イオンを効率良く生成することができる。
【００３６】
（２）正電極２６による２次電子の吸引作用
フィラメント６からは磁界２０の方向Ｘに沿う方向に１次電子７が多く放出される。この１次電子７は、磁界発生器１８による磁界２０に捕捉されて当該磁界２０に沿ってＸ方向に運動して、その過程で中性ガスと衝突してプラズマ１４を生成する。この１次電子７は、前述したようにエネルギーが比較的高いので、１価イオンの生成にも多価イオンの生成にも寄与する。
【００３７】
上記のようにして生成されるプラズマ１４の近傍には、公知のイオン源と違ってこのイオン源では、バイアス電源３２から正のバイアス電圧ＶB が印加される正電極２６が存在する。１次電子７が中性ガスに衝突してイオン化する際に放出される２次電子は、前述したようにエネルギーが比較的低く、しかも飛び出す方向もばらばらであるので、プラズマ１４の近傍に正電極２６が存在することによって、正電極２６付近の２次電子は、異極性の正電極２６に吸引される。従ってその分、プラズマ１４中に存在する２次電子の量は少なくなる。
【００３８】
ちなみに、フィラメント６から発生した１次電子７は、指向性も比較的高く、かつ磁界２０に捕捉されて磁界２０に沿ってＸ方向に運動（この例では反射電極１０があるので往復運動）するので、１次電子７が正電極２６に吸引される割合は、２次電子に比べれば遙かに小さい。この割合をより小さくするためには、磁界発生器１８による磁界２０をより強くして１次電子７を当該磁界２０によってより強く捕捉するのが好ましい。例えば前述したように、プラズマ生成容器２内における磁界２０の強さを、１０ｍＴ〜５０ｍＴ程度にするのが好ましい。
【００３９】
２次電子は、前述したようにエネルギーが比較的小さいので、多価イオンの生成には殆ど寄与せず、専ら１価イオンの生成にしか寄与せず、このような２次電子の量が正電極２６の存在によって減ることによって、その分、プラズマ１４中に生成される１価イオンは減ることになる。これは見方を変えれば、プラズマ１４中の多価イオンの比率が相対的に高くなることである。
【００４０】
上記（１）および（２）の作用によって、プラズマ１４中の多価イオンの比率を高めることができ、ひいてはイオンビーム１６中に含まれる多価イオンの比率を向上させることができる。その結果、イオンビーム電流（イオンビーム引き出し量）全体を大きくしなくても、多価イオンの引き出し量を多くすることができる。
【００４１】
より具体例を示すと、図１に示すイオン源において、リンの３価イオン（Ｐ3+）を引き出す実験を行った。その結果を表１に示す。比較例は、バイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB を０Ｖにしたので、正電極２６を設けていない公知のイオン源に相当する。実施例は、この発明に従った例である。両者で実質的なアーク電圧ＶS （前記数１および数２参照）を同じにしたのは、全体として見たプラズマ１４の密度を同じにして条件を同じにするためである。そのために実施例では、アーク電源２４から出力するアーク電圧ＶA を０Ｖにした。この場合は、バイアス電源３２が通常言うアーク電源の働きもすることになる。イオンビーム１６を引き出すための引出し電圧は４０ｋＶとし、イオンビーム１６全体のビーム電流を比較例と実施例とで同じになるように運転して、そのイオンビーム１６中に含まれるＰ3+イオンの比率を測定した。磁界２０の強さも、両方の例とも約２４ｍＴで同じにした。
【００４２】
【表１】
上記表に示すように、実質的なアーク電圧ＶS および磁界２０の強さが同じであるにも拘わらず、Ｐ3+イオンの比率は、実施例の方が比較例に比べて約３倍に高まっている。従って、正電極２６を設けてそれに正のバイアス電圧ＶB を印加することが、イオンビーム１６中に含まれる多価イオンの比率を向上させることに大きく寄与していることが分かる。
【００４４】
正電極２６の形状は、図１〜図３に示したもの以外でも良い。例えば、図５に示す例のように、Ｙ−Ｚ平面における断面が円形をした丸い筒状または樋状でも良い。あるいは同断面は楕円形でも良い。
【００４５】
正電極２６のイオン引出し口４側の開口部２６ｃは、図１〜図３に示す例のように、イオン引出し口４側の面全体を開放したものでも良いし、例えば図５に示す例のように、開口部２６ｃの幅Ｗを狭くしても良い。開口部２６ｃの幅Ｗは、イオン引出し口４の幅程度にまで狭くしても良い。要は、開口部２６ｃおよびイオン引出し口４を通して、プラズマ１４からイオンビーム１６を引き出すことができれば良いからである。このことは、正電極２６の形状を問わず適用される。開口部２６ｃの幅Ｗを上記のように狭くすると、プラズマ１４中からイオンビーム１６として引き出すイオン以外のイオンを正電極２６によってプラズマ１４側へ（即ちプラズマ生成容器２の中央側へ）押し戻す面積が増えてその押し戻す作用を増大させることができるので、前記（１）に示したイオンの押し戻し作用による多価イオンの生成効率をより高めることができる。
【００４６】
また、例えば図６に示す例のように、正電極２６の上記各開口部２６ａ〜２６ｃを、正電極２６の各壁面の全面に設けるのではなく一部分にのみ設けても良い。即ち、各開口部２６ａ〜２６ｃの周りに壁面を残しておいても良い。この場合の開口部２６ａおよび２６ｂの大きさは、フィラメント６と反射電極１０との間で１次電子７が往復運動することができる程度で良い。開口部２６ｃの大きさは、プラズマ１４からイオン引出し口４を通してイオンビーム１６を引き出すことができる程度で良い。上記のようにすれば、プラズマ１４中からイオンビーム１６として引き出すイオン以外のイオンを正電極２６によってプラズマ１４側へ（即ちプラズマ生成容器２の中央側へ）押し戻す面積がより増えてその押し戻す作用をより増大させることができるので、前記（１）に示したイオンの押し戻し作用による多価イオンの生成効率をより一層高めることができる。
【００４７】
なお、プラズマ生成容器２内へプラズマ１４生成用の電子（１次電子）７を供給する電子発生源は、図１に示した構成（即ち一つのフィラメント６）に限られるものではなく、他の構成の電子発生源を採用しても良い。
【００４８】
例えば、反射電極１０の代わりに、上記フィラメント６と同様のフィラメント６をもう一つ設けても良い。
【００４９】
また、各フィラメント６の背後に、プラズマ生成容器２から電気的に絶縁されていてフィラメント６から放出された電子をプラズマ生成容器２の中央側へ反射する反射電極をそれぞれ設けても良い。
【００５０】
あるいは、特開２０００−９０８４４号公報に記載されているような、カップ状陰極と、それを加熱して電子を放出させるヒータ（フィラメント）とを備える電子発生源を採用しても良い。
【００５１】
あるいは、特開平９−３５６５０号公報に記載されているような、小プラズマ生成室内でプラズマを生成し、そのプラズマから電子を引き出してそれをプラズマ生成容器２内に供給する構成の電子発生源を採用しても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、上記正電極およびバイアス電源を設けたことによって、正電極によるプラズマ中のイオンの押し戻し作用と、正電極によるプラズマ中の２次電子の吸引作用とを奏することができ、この両作用によって、プラズマ中の多価イオンの比率を高めることができ、ひいてはイオンビーム中に含まれる多価イオンの比率を向上させることができる。その結果、イオンビーム電流全体を大きくしなくても、多価イオンの引き出し量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオン源の一例を示す断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａに沿う拡大断面図である。
【図３】図１中の正電極の斜視図である。
【図４】図１のイオン源における電位配置の一例を模式的に示す図である。
【図５】正電極の他の例を示す斜視図である。
【図６】正電極の更に他の例を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はそのＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
２ プラズマ生成容器
４ イオン引出し口
６ フィラメント（電子発生源）
７ 電子（１次電子）
１０ 反射電極
１４ プラズマ
１６ イオンビーム
１８ 磁界発生器
２０ 磁界
２６ 正電極
３２ バイアス電源
Claims (1)
- ガスが導入され、内部で当該ガスを電子衝撃によって電離させて内部でプラズマを生成するための容器であって、当該プラズマからイオンビームを引き出すイオン引出し口を有するプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器内へ電子を供給して前記ガスを電子衝撃によって電離させて前記プラズマを生成する電子発生源と、この電子発生源で発生した電子を前記プラズマ生成容器内において閉じ込める磁界を発生させる磁界発生器と、前記プラズマ生成容器内にそれから電気的に絶縁して設けられていて、少なくとも前記磁界に沿う方向の両側および前記イオン引出し口側の合計３箇所に開口部を有する正電極と、この正電極に前記プラズマ生成容器に対して正のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源とを備えており、かつ前記プラズマ生成容器は、前記電子発生源を基準にして正の電圧が印加されて内部で放電を生じさせる陽極を兼ねていることを特徴とするイオン源。
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