JP5075052B2 - 電子ビーム発生装置 - Google Patents

Description

本発明は電子ビーム発生装置に関し、詳しくは電子ビーム励起プラズマ発生装置、特に小型電子ビーム励起プラズマ発生装置に好適に用いることのできる電子ビーム発生装置に関する。

窒化処理等の各種金属材料の表面改質処理、シリコンウエハ等の微細ドライエッチング加工や、プラズマＣＶＤやイオンプレーティング等の成膜処理等には、電子ビーム励起プラズマ（ＥＢＥＰ）発生装置が広く使用されている。

電子ビーム励起プラズマ発生装置は、プラズマから電子ビームを発生させる電子ビーム発生室と、電子ビーム発生室から放出された電子ビームによりガスプラズマを発生させて被処理材を処理する反応室とを備える。電子ビーム発生室には、プラズマ発生用の放電陰極と、この放電陰極と対向する電子ビーム発生装置とが配設される。電子ビーム発生装置は、チャンバと、チャンバに保持された加速電極及び放電陽極並びに両電極を絶縁する絶縁板とを備える。チャンバは冷却媒体が通過する冷却通路を有する。冷却媒体の通過により冷却されたチャンバは加速電極及び放電陽極を冷却する。加速電極はチャンバに接して保持され、また放電陽極は絶縁板を介して加速電極に対向するように配設される。放電陽極は、放電陰極からの電子によりプラズマを発生させる。加速電極は、放電陽極の透孔から電子を引き出して加速する。加速電極の透孔から反応室に向けて放出された電子ビームは、反応室内でガスを解離、電離してガスプラズマを生成する。

かかる構成を有する電子ビーム励起プラズマ発生装置においては、加速電極にかける電圧の大きさによって、反応室に向けて放出される電子ビームの速度を制御することができ、反応室内の気相中において特定の分子の解離とイオン化とを選択的に促進させることが可能となる。このため、電子ビーム励起プラズマ発生装置によれば、例えば結合エネルギーの大きい窒素分子であっても高効率で解離することができる。

このような電子ビーム励起プラズマ発生装置として、多孔プレート製の放電陽極及び加速電極を用いて小型化を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この多孔プレート製の放電陽極及び加速電極は、円板状を呈し、プラズマの電子を透過させる透孔が多数貫設された円形の中央多孔部と、中央多孔部の周縁に一体に設けられた枠状の周縁部とを有する。

ここに、例えば金属材料の表面を窒化処理する際、反応室の容積を大きくしようとすると、電子ビーム励起プラズマ生成時の投入パワーを増大させる必要がある。プラズマ源のパワーを増大させると、多孔プレート製の放電陽極及び加速電極の熱負荷が増大する。このため、定常的に引き出せる電子ビームの最大値及び電極寿命は多孔プレート製電極の熱負荷によって決定される。

ところが、従来の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置においては、多孔プレート製電極の熱負荷を低減させるための工夫がなされていなかった。このため、４〜５Ａ程度の電子ビーム電流での定常運転が限界であり、生成される電子ビーム励起プラズマの高密度化や電極の長寿命化を図ることにも限界があった。
特開平７−２７２８９４号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、多孔プレート製電極の形状を工夫することにより、多孔プレート製電極の熱負荷を低減させ、電子ビーム励起プラズマの高密度化と電極の長寿命化を図ることを解決すべき技術課題とする。

上記課題を解決する本発明の電子ビーム発生装置は、プラズマ発生用の放電陰極と対向するように電子ビーム励起プラズマ発生装置に配設される電子ビーム発生装置であって、複数の電極保持部と、各該電極保持部にそれぞれ設けられた複数の貫通孔と、冷却機構とを有するチャンバと、各前記電極保持部にそれぞれ保持されるとともに前記放電陰極からの電子によりプラズマを発生させ、発生した該プラズマの電子を透過するための第１透孔が複数貫設された第１中央多孔部と、該第１中央多孔部の周縁に一体に設けられた枠状の第１周縁部とを有する複数の多孔放電陽極と、各前記多孔放電陽極と対向するように各前記電極保持部にそれぞれ直に接して保持されるとともに該多孔放電陽極の前記第１透孔から前記電子を引き出して加速し、加速した該電子を透過するための複数の第２透孔が貫設された第２中央多孔部と、該第２中央多孔部の周縁に一体に設けられた枠状の第２周縁部とを有する複数の多孔加速電極と、各前記多孔放電陽極と各前記多孔加速電極との間に配設されて該多孔放電陽極及び該多孔加速電極間を絶縁し、該多孔放電陽極の前記第１中央多孔部及び該多孔加速電極の前記第２中央多孔部に対応した形状の通孔を有する複数の第１絶縁板と、各前記多孔放電陽極と各前記電極保持部との間に配設されて該多孔放電陽極及び該電極保持部間を絶縁する複数の第２絶縁板と、各前記多孔放電陽極に通電するための複数のリード線と、を備え、前記多孔放電陽極及び前記多孔加速電極の外形状における長手方向長さに対する短手方向長さの比が１未満であり、前記第１絶縁板及び前記第２絶縁板が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する熱伝導性電気絶縁材よりなることを特徴とする。

多孔放電陽極の第１中央多孔部及び多孔加速電極の第２中央多孔部における中心部は、冷却されたチャンバから最も離れているため、冷却効率が最も劣る部分となる。例えば、従来の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置における多孔放電陽極及び多孔加速電極のように円板状電極の場合は、円形の中央多孔部の中心部で冷却効率が最低となる。このため多孔放電陽極に流れる放電電流の増大に伴い、多孔放電陽極の第１中央多孔部の中心部に過大な熱負荷が加わるようになり、この中心部に熱損傷が生じやすくなる。

この点、本発明の電子ビーム発生装置では、多孔放電陽極及び多孔加速電極の外形状における長手方向長さに対する短手方向長さの比が１未満とされている。このため、多孔放電陽極の長手方向における中心部であっても、その中心部における第１中央多孔部の中心は、多孔放電陽極の外縁からはこの多孔放電陽極の短手方向長さの半分の長さ分しか離れていない。また、多孔放電陽極と多孔加速電極とを絶縁する第１絶縁板の熱伝導率、及び多孔放電陽極とチャンバの電極保持部とを絶縁する第２絶縁板の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高い。一方、チャンバの電極保持部は冷却機構によって冷却される。また、チャンバの電極保持部に直に接して保持された多孔加速電極は、チャンバの電極保持部によって冷却される。したがって、多孔放電陽極の熱を、第１絶縁板を介して多孔加速電極に効率良く拡散させることができるとともに、第２絶縁板を介してチャンバの電極保持部に効率良く拡散させることができる。よって、多孔放電陽極及び多孔加速電極の熱負荷を低減させることが可能となり、特に高温となり易い多孔放電陽極の第１中央多孔部の中心部を効率良く冷却することが可能となる。

本発明の電子ビーム発生装置において、好ましくは、前記多孔放電陽極及び前記多孔加速電極の外形状が矩形状であり、かつ前記第１中央多孔部及び前記第２中央多孔部の外形状が矩形状である。

本発明の電子ビーム発生装置は、好ましくは、前記多孔放電陽極の前記第１周縁部に接して配設された枠状金属板をさらに備える。この場合、この枠状金属板は、前記多孔放電陽極を構成する材料よりも電気伝導率の高い金属よりなり、前記リード線が該枠状金属板に接続される。リード線が多孔放電陽極に接続されている場合は、多孔放電陽極において接続点に近い部分と遠い部分とで生じる電位差が大きくなりやすく、第１中央多孔部のうち接続点に近い部分に放電が集中して熱負荷も集中しやすい。この点、本発明の電子ビーム発生装置が高熱伝導率の枠状金属板をさらに備える場合は、枠状金属板へのリード線の接続位置にかかわらず、多孔放電陽極の第１中央多孔部の全体で均一に放電を発生させて熱負荷も第１中央多孔部の全体に分散させやすい。

本発明の電子ビーム発生装置において、好ましくは、前記熱伝導性電気絶縁材が窒化系セラミックスである。

したがって、本発明の電子ビーム発生装置によると、多孔放電陽極に従来よりも大きな放電電流を流すことができ、電子ビーム励起プラズマの密度を従来よりも向上させることが可能となる。また、多孔放電陽極及び多孔加速電極の長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の電子ビーム発生装置の実施形態について詳しく説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の電子ビーム発生装置は、下記実施形態に限定されるものではない。本発明の電子ビーム発生装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。

図１は、本実施形態の電子ビーム発生装置の要部を示す分解斜視図である。図２は、本実施形態の電子ビーム発生装置の斜視図である。図３は、本実施形態の電子ビーム発生装置を用いた小型電子ビーム励起プラズマ発生装置の全体構成を概略的に示す説明図である。

＜小型電子ビーム励起プラズマ発生装置の概略構成＞
この小型電子ビーム励起プラズマ発生装置は、図３に示されるように、プラズマから電子ビームを発生させる電子ビーム発生室１と、電子ビーム発生室１から放出された電子ビームによりガスプラズマを発生させて被処理材２を処理する反応室３とを備えている。電子ビーム発生室１には、プラズマ発生用の放電陰極４と、この放電陰極４と対向する電子ビーム発生装置５とが配設されている。放電陰極４と、電子ビーム発生装置５との間には、補助電極６が配設されている。

放電陰極４及び補助電極６はいずれもタングステンよりなる。放電陰極４は直流電源７によりジュール加熱される。放電陰極４及び補助電極６は直流電源８に接続されており、放電陰極４と補助電極６との間において、直流電源８により直流放電が発生する。

＜電子ビーム発生装置５の構成＞
電子ビーム発生装置５は、水冷チャンバ９と、水冷チャンバ９に保持された複数（本実施形態では６個）の電極部１０とを備えている。水冷チャンバ９は、冷却媒体としての冷却水が図示しない冷却水供給装置から供給されて通過する複数（本実施形態では３個）の冷却通路１１を備えている。なお、冷却通路１１は、本発明における冷却機構に含まれる。この冷却機構としての冷却通路１１に冷却水を通過させることで、水冷チャンバ９の全体を冷却することができる。また、電極部１０及び後述する電極保持部１２や冷却通路１１の数は特に限定されず、適宜設定可能である。冷却機構の構成も特に限定されず、冷却媒体として水の代わりにエチレングリコールや液体窒素等を利用してもよい。

水冷チャンバ９は、複数（本実施形態では６個）の電極保持部１２を備えている。各電極保持部１２は、凹部１３と、この凹部１３の底面に貫設された貫通孔１４とを備えている。凹部１３は６４ｍｍ×２２ｍの矩形状を呈し、凹部１３の深さは８ｍｍである。貫通孔１４は、凹部１３の中心部に配設され、４２ｍｍ×８ｍｍの矩形状を呈する。各電極保持部１２にはそれぞれ電極部１０が保持されている。

各電極部１０は、多孔放電陽極１５と、多孔加速電極１６と、第１絶縁板１７と、第２絶縁板１８と、リード線１９と、枠状金属板２０とを備えている。多孔加速電極１６、第１絶縁板１７、多孔放電陽極１５及び枠状金属板２０は、この順で、電極保持部１２の凹部１３の底面に、セラミックス等の絶縁材料よりなる絶縁ネジ２１により固定されている。

多孔放電陽極１５は、第１中央多孔部１５１と、第１周縁部１５２とからなる。多孔放電陽極１５は、厚さ１ｍｍのグラファイト板よりなる。多孔放電陽極１５の外形状は５８ｍｍ×２０ｍｍの矩形状であり、第１中央多孔部１５１の外形状は４２ｍｍ×８ｍｍの矩形状である。多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１には、放電陰極４からの電子により発生したプラズマの電子を透過するための多数（本実施形態では２４１個）の第１透孔１５１ａが貫設されている。この第１透孔１５１ａは、第１中央多孔部１５１の全体に均一に分布している。第１透孔１５１ａの直径は１ｍｍであり、第１透孔１５１ａ同士の間隔（ピッチ）は１．２ｍｍである。また、第１周縁部１５２には、絶縁ネジ２１が挿通される５個のネジ穴１５２ａが貫設されている。

多孔加速電極１６は、第２中央多孔部１６１と、第２周縁部１６２とからなる。この多孔加速電極１６は冷却チャンバ９の電極保持部１２に直に接して保持されている。詳しくは、多孔加速電極１６の第２周縁部１６２と、電極保持部１２の凹部１３の底面とが接している。これにより、多孔加速電極１６は水冷チャンバ９に導通し接地される。

多孔加速電極１６は、厚さ１ｍｍのグラファイト板よりなる。多孔加速電極１６の外形状は５８ｍｍ×２０ｍｍの矩形状であり、第２中央多孔部１６１の外形状は４２ｍｍ×８ｍｍの矩形状である。多孔加速電極１６の第２中央多孔部１６１には、多孔放電陽極１５の第１透孔１５１ａから引き出したプラズマの電子を透過するための多数（本実施形態では２４１個）の第２透孔１６１ａが貫設されている。この第２透孔１６１ａは、第２中央多孔部１６１の全体に均一に分布している。第２透孔１６１ａの直径は１ｍｍであり、第２透孔１６１ａ同士の間隔（ピッチ）は１．２ｍｍである。また、第２周縁部１６２には絶縁ネジ２１が挿通される５個のネジ穴１６２ａが貫設されている。

第１絶縁板１７は、多孔放電陽極１５と多孔加速電極１６との間に配設されている。第１絶縁板１７の中央には、多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１及び多孔加速電極１６の第２中央多孔部１６１に対応した形状、すなわち第１中央多孔部１５１及び第２中央多孔部１６１の外形状と同一形状（同一の矩形状）の通孔１７１が貫設されている。第１絶縁板１７の周縁部１７２には、絶縁ネジ２１が挿通される５個のネジ穴１７２ａが貫設されている。第１絶縁板１７の外形状は５８ｍｍ×２０ｍｍの矩形状で、第１絶縁板１７の厚さは０．７ｍｍである。また、第１絶縁板１７の通孔１７１の形状は４２ｍｍ×８ｍｍの矩形状である。

第２絶縁板１８は、多孔放電陽極１５、多孔加速電極１６及び枠状金属板２０と冷却チャンバ９の電極保持部１２との間に配設され、多孔放電陽極１５及び枠状金属板２０と冷却チャンバ９の電極保持部１２との間を絶縁する。第２絶縁板１８の高さは８ｍｍ、第２絶縁板１８の厚さは１ｍｍである。

第１絶縁板１７及び第２絶縁板１８は、いずれも５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する熱伝導性電気絶縁材よりなる。具体的には、第１絶縁板１７及び第２絶縁板１８は、いずれも窒化系セラミックスとしての窒化アルミニウムよりなる。窒化アルミニウムの熱伝導率は８０〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

ここに、第１絶縁板１７及び第２絶縁板１８に用いることのできる５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する熱伝導性電気絶縁材として、窒化アルミニウムの他に、窒化ホウ素、炭化珪素やアルミナ等を挙げることができる。これらの中では、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する窒化アルミニウム、窒化ホウ素及び炭化珪素が好ましい。また、高熱伝導性と高電気抵抗率の観点より、第１絶縁板１７及び第２絶縁板１８の材料として窒化アルミニウムや窒化ホウ素を採用することが好ましい。

リード線１９は、銅製の電流導入端子１９１を有する。このリード線１９の電流導入端子１９１は、セラミックス等の絶縁材料よりなる絶縁ネジ２１により枠状金属板２０に接続されている。冷却チャンバ９に導通された多孔加速電極１６と、リード線１９の電流導入端子１９１とは、直流電源２２に接続されている。

枠状金属板２０は、多孔放電陽極１５の第１周縁部１５２に直に接して配設されている。枠状金属板２０と多孔放電陽極１５とは導通しているため、リード線１９の電流導入端子１９１を介して、多孔放電陽極１５を接地に対して−５０Ｖ〜−２００Ｖにバイアスする。

枠状金属板２０は、多孔放電陽極１５を構成する材料よりも電気伝導率の高い金属よりなる。具体的には、枠状金属板２０は銅よりなる。なお、枠状金属板１８を構成する金属の種類としては、多孔放電陽極１５を構成する材料よりも電気伝導率の高い金属であれば特に限定されず、銀や金等であってもよいが、コスト面より銅を採用することが好ましい。

枠状金属板２０の中央には、多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１及び多孔加速電極１６の第２中央多孔部１６１にほぼ対応した形状の通孔２０１が貫設されている。枠状金属板２０の周縁部２０２には、絶縁ネジ２１が挿通される５個のネジ穴２０２ａが貫設されている。枠状金属板２０の外形状は５８ｍｍ×２０ｍｍの矩形状で、枠状金属板２０の厚さは０．５ｍｍである。また、枠状金属板２０の通孔２０１の形状は４５ｍｍ×１３ｍｍの矩形状である。すなわち、枠状金属板２０の通孔２０１は、多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１及び多孔加速電極１６の第２中央多孔部１６１と比べて、長手方向長さ及び短手方向長さがいずれも少し長い矩形状とされている。

なお、反応室３内には、石英チャンバ３１と、被処理材２が載置される石英台３２とが配設されている。また、石英チャンバ３１内は、外部ヒータ３３により所定温度に保たれる。

上記構成を有する本実施形態の電子ビーム発生装置５では、多孔放電陽極１５及び多孔加速電極１６の外形状が矩形状とされており、かつ多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１及び多孔加速電極１６の第２中央多孔部１６１の外形状が矩形状とされている。このため、多孔放電陽極１５の第２中央多孔部１５１の長手方向における中心部であっても、その中心部における第１中央多孔部１５１の中心は、多孔放電陽極１５の外縁からこの多孔放電陽極１５の短手方向長さの半分の長さ分しか離れていない。また、多孔放電陽極１５と多孔加速電極１６とを絶縁する第１絶縁板１７、及び多孔放電陽極１５と冷却チャンバ９の電極保持部１２とを絶縁する第２絶縁板１８が、窒化アルミニウムよりなる。この窒化アルミニウムの熱伝導率は８０〜１００Ｗ／ｍ・Ｋ程度と極めて高い。一方、冷却チャンバ９の電極保持部１２は冷却通路１１内を流れる冷却水によって冷却される。また、冷却チャンバ９の電極保持部１２に直に接して保持された多孔加速電極１６は、冷却チャンバ９の電極保持部１２によって直接冷却される。したがって、多孔放電陽極１５の熱を、第１絶縁板１７を介して多孔加速電極１６に効率良く拡散させることができるとともに、第２絶縁板１８を介して冷却チャンバ９の電極保持部１２に効率良く拡散させることができる。なお、多孔加速電極１６の熱は、冷却チャンバ９の電極保持部１２に効率良く拡散される。よって、多孔放電陽極１５及び多孔加速電極１６の熱負荷を低減させることが可能となり、特に高温となり易い多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１の中心部を効率良く冷却することが可能となる。

また、本実施形態の電子ビーム発生装置５では、多孔放電陽極１５の第１周縁部１５２に枠状金属板２０が直に接して配設されている。そして、この枠状金属板２０にリード線１９が接続されている。ここに、この枠状金属板２０は、多孔放電陽極１５を構成する材料よりも電気伝導率の高い銅よりなる。このため、多孔放電陽極１５において、リード線１９の接続点に近い部分と遠い部分とで生じる電位差を小さくすることができる。したがって、枠状金属板２０へのリード線１９の接続位置にかかわらず、多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１の全体でほぼ均一に放電を発生させることができ、第１中央多孔部１５１における熱負荷も第１中央多孔部１５１のほぼ全体に分散させることができる。

よって、本実施形態の電子ビーム発生装置５によると、多孔放電陽極１５に従来よりも大きな放電電流を流すことができ、電子ビーム励起プラズマの密度を従来よりも向上させることが可能となる。また、多孔放電陽極１５及び多孔加速電極１６の長寿命化を図ることができる。さらに、電極保持部１２及び電極部１０の外形状が矩形状であるため、電極保持部１２及び電極部１０の外形状が例えば円形状である場合と比較して、各電極部１０に接続されるリード線１９の配置や、冷却チャンバ９内における冷却通路１１の配置の自由度が高くなる。

以下、前記実施形態で説明した電子ビーム発生装置５を備えた小型電子ビーム励起プラズマ発生装置を用いて、被処理材２としての鉄鋼材（工具鋼鋼材、ＪＩＳ ＳＫＤ６１）の表面を窒化処理した例について説明する。

ポート１ａから放電用アルゴンガスを電子ビーム発生室１に供給し、直流電源７によりジュール加熱された放電陰極４と補助電極６との間において、直流電源８により直流放電を起こした。その後、直流電源２３により、多孔放電陽極１５に放電を誘導するとともに、放電陰極４と多孔放電陽極１５との間で生成されたプラズマから、多孔加速電極１６により電子を引き出して電子ビームを生成し、この電子ビームを反応室３内に放出した。このときの電子ビームエネルギーは、直流電源２３の電圧より制御した。反応室３内に放出された電子ビームは、ポート３ａから供給されて石英チャンバ３１中に導入された窒素ガスと衝突して、窒素プラズマを生成した。石英チャンバ３１内の圧力は、排気口３ｂからの排気により調製した。また、石英チャンバ３１内の温度は、外部ヒータ３３により５００℃程度に保った。

電子ビーム励起プラズマ生成時の条件を、電子ビームエネルギー：８０ｅＶ、電子ビーム電流：１０Ａ、窒素ガス分圧：０．１２Ｐａ、アルゴンガス分圧：０．１４Ｐａとしたところ、多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１のほぼ全体に亘って僅かな赤熱が認められたが、第１中央多孔部１５１の一部のみが極端に赤熱することはなかった。すなわち、電子ビーム電流１０Ａでの定常運転が可能であることが認められた。

これに対し、前記実施形態で説明した電子ビーム発生装置５における枠状金属板２０を省くとともに、リード線１９の電流導入端子１９１を多孔放電陽極１５に接続して、上記と同様の条件で窒化処理した場合は、リード線１９の電流導入端子１９１の接続点に近い部分のみが選択的に大きく赤熱し、その部分的な熱消耗も大きかった。これにより、枠状金属板２０を設けることにより、多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１の全体でほぼ均一に放電を発生させて、第１中央多孔部１５１における熱負荷を第１中央多孔部１５１のほぼ全体に分散させることが可能になることが確認できた。

また、前記実施形態で説明した電子ビーム発生装置５を備えた実施例の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置を用いて、電子ビーム励起プラズマ生成時の条件を、電子ビームエネルギー：８０ｅＶ、窒素ガス分圧：０．１２Ｐａ、アルゴンガス分圧：０．１４Ｐａとし、電子ビーム電流を２〜１０Ａの範囲で種々変更したときに、生成される電子ビーム励起プラズマのプラズマ密度を調べた。その結果を図４に示す。

比較のため、従来の電子ビーム発生装置を備えた比較例１の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置を用いた場合について、同様に電子ビーム電流と、電子ビーム励起プラズマのプラズマ密度との関係を調べた。その結果を図４に併せて示す。なお、ここで用いた従来の電子ビーム発生装置では、多孔放電陽極及び第１中央多孔部の外形状、並びに多孔加速電極及び第２中央多孔部の外形状を円形状とし、また枠状金属板２０を省くとともにリード線１９の電流導入端子１９１を多孔放電陽極に接続した。

図４において、□で示すのが実施例のデータであり、●で示すのが比較例１のデータである。図４から明らかなように、実施例のデータでは、電子ビーム電流を１０Ａまで増大させた場合であっても、電子ビーム電流の増大に伴って、生成される電子ビーム励起プラズマのプラズマ密度も増大した。これに対し、比較例１のデータにおいては、電子ビーム電流２〜６Ａ程度の範囲でのみ、電子ビーム電流の増大に伴って、生成される電子ビーム励起プラズマのプラズマ密度が増大したが、電子ビーム電流６Ａ〜１０Ａの範囲では、電子ビーム電流を増大させても、生成される電子ビーム励起プラズマのプラズマ密度は増大しなかった。

さらに、前記実施形態で説明した電子ビーム発生装置５を備えた実施例の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置を用いて、電子ビーム励起プラズマ生成時の条件を、電子ビームエネルギー：８０ｅＶ、窒素ガス分圧：０．１２Ｐａ、アルゴンガス分圧：０．１４Ｐａ、試料バイアス電圧：−５０Ｖ、電子ビーム電流：８Ａ、プラズマ密度：１．７×１０^１０ｃｍ^−３として窒化処理したところ、３時間という短い処理時間で、工具鋼鋼材の表面から６０μｍの深さ範囲までをＨｖ１１００以上のビッカース硬さとすることができた。

これに対し、前記従来の電子ビーム発生装置を備えた比較例１の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置を用いて、電子ビーム励起プラズマ生成時の条件を、電子ビームエネルギー：８０ｅＶ、窒素ガス分圧：０．１２Ｐａ、アルゴンガス分圧：０．１４Ｐａ、試料バイアス電圧：−５０Ｖ、電子ビーム電流：５Ａ、プラズマ密度：１．３×１０^１０ｃｍ^−３として窒化処理したところ、６時間と処理時間を長くしても、ビッカース硬さがＨｖ１１００以上となったのは工具鋼鋼材の表面から５０μｍの深さ範囲までだけであった。

加えて、前記実施形態で説明した電子ビーム発生装置５を備えた実施例の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置において、電子ビームエネルギー：８０ｅＶ、放電電圧：４３Ｖ、アルゴンガス分圧：０．１５Ｐａとし、電子ビーム電流を時間の経過とともに１．９Ａ、３．３Ａ、４．５Ａ、５．６Ａ、６．７Ａ、７．６Ａ、８．４と徐々に増大させて、多孔放電陽極１５の温度を測定した。なお、この電極温度の測定では、多孔放電陽極１５の第１中央多孔部１５１の温度であって、第１中央多孔部１５１の端（リード線１９の接続点に近い側の端）から４ｍｍ離れた位置の温度を測定した。その結果を図５に示す。

比較のため、第１絶縁板１７及び第２絶縁板１８の材料として、窒化アルミニウムの代わりにアルミナとシリカとの複合セラミックス（マシナブルセラミックス）を採用したこと以外は、実施例の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置と同様の比較例２の小型電子ビーム励起プラズマ発生装置について、実施例と同様に電極温度を測定した。その結果を図５に併せて示す。なお、このマシナブルセラミックスの熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋである。

図５から明らかなように、第１絶縁板１７及び第２絶縁板１８の材料として窒化アルミニウムを採用することにより、電極温度を最大で２００℃近く低下させることができた。

実施形態に係る電子ビーム発生装置の要部を示す分解斜視図である。 実施形態に係る電子ビーム発生装置の斜視図である。 実施形態に係る電子ビーム発生装置を用いた小型電子ビーム励起プラズマ発生装置の全体構成を概略的に示す説明図である。 実施例と比較例１とにおいて、電子ビーム電流と、電子ビーム励起プラズマのプラズマ密度との関係を示すグラフである。 実施例と比較例２とにおいて、電子ビーム電流と電極温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

４…放電陰極 ５…電子ビーム発生装置
９…冷却チャンバ １０…電極部
１１…冷却通路 １２…電極保持部
１３…凹部 １４…貫通孔
１５…多孔放電陽極 １６…多孔加速電極
１７…第１絶縁板 １８…第２絶縁板
１９…リード線 ２０…枠状金属板
２１…絶縁ネジ １５１…第１中央多孔部
１５２…第１周縁部 １５１ａ…第１透孔
１６１…第２中央多孔部 １６２…第２周縁部
１６２ａ…第２透孔 １７１…通孔

Claims (4)

1. プラズマ発生用の放電陰極と対向するように電子ビーム励起プラズマ発生装置に配設される電子ビーム発生装置であって、
   複数の電極保持部と、各該電極保持部にそれぞれ設けられた複数の貫通孔と、冷却機構とを有するチャンバと、
   各前記電極保持部にそれぞれ保持されるとともに前記放電陰極からの電子によりプラズマを発生させ、発生した該プラズマの電子を透過するための第１透孔が複数貫設された第１中央多孔部と、該第１中央多孔部の周縁に一体に設けられた枠状の第１周縁部とを有する複数の多孔放電陽極と、
   各前記多孔放電陽極と対向するように各前記電極保持部にそれぞれ直に接して保持されるとともに該多孔放電陽極の前記第１透孔から前記電子を引き出して加速し、加速した該電子を透過するための複数の第２透孔が貫設された第２中央多孔部と、該第２中央多孔部の周縁に一体に設けられた枠状の第２周縁部とを有する複数の多孔加速電極と、
   各前記多孔放電陽極と各前記多孔加速電極との間に配設されて該多孔放電陽極及び該多孔加速電極間を絶縁し、該多孔放電陽極の前記第１中央多孔部及び該多孔加速電極の前記第２中央多孔部に対応した形状の通孔を有する複数の第１絶縁板と、
   各前記多孔放電陽極と各前記電極保持部との間に配設されて該多孔放電陽極及び該電極保持部間を絶縁する複数の第２絶縁板と、
   各前記多孔放電陽極に通電するための複数のリード線と、を備え、
   前記多孔放電陽極及び前記多孔加速電極の外形状における長手方向長さに対する短手方向長さの比が１未満であり、
   前記第１絶縁板及び前記第２絶縁板が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する熱伝導性電気絶縁材よりなることを特徴とする電子ビーム発生装置。
2. 前記多孔放電陽極及び前記多孔加速電極の外形状が矩形状であり、かつ前記第１中央多孔部及び前記第２中央多孔部の外形状が矩形状である請求項１に記載の電子ビーム発生装置。
3. 前記多孔放電陽極の前記第１周縁部に接して配設された枠状金属板をさらに備え、
   前記枠状金属板が前記多孔放電陽極を構成する材料よりも電気伝導率の高い金属よりなり、前記リード線が該枠状金属板に接続される請求項１又は２に記載の電子ビーム発生装置。
4. 前記熱伝導性電気絶縁材が窒化系セラミックスである請求項１〜３のいずれか一つに記載の電子ビーム発生装置。

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