JPH02168541A

JPH02168541A - 電子ビーム励起イオン源

Info

Publication number: JPH02168541A
Application number: JP32147988A
Authority: JP
Inventors: Tamio Hara; 民夫原; Manabu Hamagaki; 浜垣　学; Katsunobu Aoyanagi; 克信青柳; Susumu Nanba; 難波　進
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1990-06-28
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JP2879342B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、電子ビームによってイオンを生成し、生成さ
れたイオンを引き出して放射する電子ビーム励起イオン
源に係わり、特に、低エネルギーかつ大電流のイオンビ
ームを発生することのできる電子ビーム励起イオン源に
関する。

（従来の技術）電子を加速するための加速陰極付近に生じる空間電荷の
制限をなくして、低エネルギーかつ大電流のイオンビー
ムを発生することのできる電子ビームイオン源を本出願
人は既に提案した（特願昭６０−１３２１３８号）。こ
のイオン源においては、プラズマ領域、加速陰極、電子
ビーム加速領域、加速陽極、イオン生成領域およびター
ゲット陰極がこの順で設けられており、前記加速陽極に
対して負の電位を前記ターゲット陰極に与える手段と、
前記イオン生成領域において生成された正イオンまたは
負イオンを吸収し、このイオンを弓き出すイオン引出電
極とが備えられている。このようにイオン源が構成され
ていると、プラズマ領域中の電子は加速陽極によって引
き出され、イオン生成領域内に突入する。突入した電子
はイオン生成領域内の不活性ガス（または金属蒸気）と
衝突してイオンを生成するが、このイオンの逆流によっ
て、加速陰極の出口付近に形成される負のポテンシャル
バリヤが中和される。従って、プラズマ密度に比例する
大電流電子ビームがイオン生成領域に流入する。イオン
生成領域において、流入した電子ビームの電流値に比例
した数のイオンを含むプラズマが発生し、この発生され
たプラズマ中のイオンはイオン引出電極によって吸引さ
れ、イオン生成領域外へと放射される。

このようなイオン源において、更に装置の簡略化、小型
化、低コスト化を図ることのできる電子ビーム励起イオ
ン源を本出願人は先に提案した（特願昭６１−１２１９
６７号）。

（発明が解決しようとする課題）上述したようなイオン源においても、多原子分子から成
る材料ガスを使用して単原子イオンを高効率で引き出す
ためには、分子のより十分な解離と電離が要求され、ま
た、装置構造の簡略化、小型化、低コスト化が当然要求
される。

（課題を解決するための手段）上述した問題点は、カソードとアノードとの間において
、放電と交わる方向に磁場を発生する磁場発生手段を設
けたことにより解決する。

（作　用）本発明においてはカソードとアノードとの間に放電と交
わる方向に磁場が印加されているので、この領域の放電
はＰＩＧ放電となり、ここに導入される気体分子の解離
・励起を強力に行うことができる。

（発明の効果）本発明では、従来の電子ビームイオン源では分解が不十
分であった材料ガスもＰＩＧ放電により効率良く解離さ
れるので、引き出される全イオンビーム電流中の単電子
イオンの比率を大幅に高めることができる。これにより
、反応性の高いガスを含む単原子分子から多原子分子ま
での幅広いガス種の大電流単原子イオンを長時間安定に
発生できるようになる。

（実施例）以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。各実施例において同様の構成要素には同一の番号を
付して説明する。

第１図は、本発明の好ましい実施例の概略図である。放
電を行うための一方の電極であるカソード１は例えばタ
ンタル等の材質により形成され、円筒状形状を有してい
る。このカソード１は貫通孔１′を有しており、この孔
１′を通して放電用ガス、例えばアルゴンガスが装置内
に流入される。

円筒状カソード１と対向してアノード２が設けられてい
る。このアノード２はスリット状または円筒状の透孔が
設けられた導電体である。円筒状カソード１と多孔状ア
ノード２との間には放電電源３により放電電圧が印加さ
れグロー放電によるプラズマ生成が行われる。この放電
電圧は、例えば５００Ｖのような低電圧でもよい。円筒
状カソード１と多孔状アノード２との間には二つに分割
された微小コンダクタンス隘路４．４′が設けられてい
る。この隘路４．４′のコンダクタンスの大きさは、例
えば、カソードｌ側の室のガス圧を０、３−１．　ＯＴ
ｏｒｒ、好適には０．８　Ｔｏｒｒにおさえ、アノード
２側の室のガス圧を０．０１−０．０４　Ｔｏｒｒにお
さえるように選択される。なお、隘路４は、中間電極の
役割も兼ねている。この隘路４の孔の内面のうち、アノ
ード側の大部分が絶縁物５、例えばアルミナ系セラミッ
クスで覆われており、カソード１とアノード２との放電
が容易に成されるようにされている。隘路４′は絶縁物
から成り、隘路４．４′の間に材料ガス導入用のガス導
入口１２が設けられている。カソードｌとアノード２の
間において放電（電場Ｅ）と交わる方向に磁場Ｂが印加
される。この磁場Ｂは反対極性を有する磁極端１１．１
１’によって、隘路４．４′の部分に局所的に発生され
る。磁場の発生は永久磁石によっても、電磁石によって
もよい。

アノード２の下段には電子ビーム加速用電極６、イオン
引出電極７．７′が設けられている。アノード２と電子
ビーム加速用電極６との間は０．５１、５　ｍｍの間隔
を有し、これら電極の間には電源８により加速電圧が印
加され、これら電極２．６間は、カソード１とアノード
２の間の放電により生じたプラズマの内から電子を引き
出し、更にこの電子を加速する電子ビーム加速領域とし
て機能する。また、電子ビーム加速用電極６とイオン引
出電極７．７′との間にはそれぞれ電源９．９′により
イオン引出電圧が印加される。この電子ビーム加速用電
極６とイオン引出電極７．７′との間は加速された電子
が中性気体と衝突してイオンおよび電子が生成され、こ
の内のイオンが加速されるイオン生成領域として機能す
る。

装置内のガスを排気する真空排気口１０はイオン引出電
極７．７′の下流のみに設けられている。

この排気口１０を介して装置内が減圧されると、隘路４
．４′および各電極によって遮られた各部分が上記所望
の真空値になるように排気量が選択される。実際排気を
行った所、カソード１と隘路４．４′との間を０．８　
Ｔｏｒｒ、隘路４．４′とアノード２との間を０．　Ｉ
　Ｔｏｒｒ、電子ビーム加速陰極６とイオン引出電極７
との間を０．０１　Ｔｏｒｒと所望の値に設定すること
ができた。

作動の際は、排気口ＩＯから排気を行いつつ、ガス導入
口１２から材料ガスを入れ運転する。まず、カソード１
とアノード２との間で放電を発生させ、その後、隘路４
．４′に、例えば１００−１５０ガウス程度の局所的な
磁場を印加する。材料ガスは、この磁場印加領域におけ
る放電プラズマ中で強く解離される。放電は隘路４．４
′を通して行われること、さらに磁場と交わる方向に維
持されることから、プラズマの密度と電子温度は比較的
高い。このため、多原子分子、例えばＢＦ。

の解離が容易に行われ、気体中の単原子Ｂの比率を大幅
に高めることができる。従って、大電流の単原子イオン
の引き出しが可能となる。

次に、本発明のイオン源をイオン注入装置用イオン源に
適用した実施例を第２図を参照して説明する。

円筒状気密容器の一端にはグロー放電用ガスの供給管を
兼ねるカソード１が設けられている。このカソード１側
の室のガス圧を例えば０．８　Ｔｏｒｒに維持するよう
に隘路４．４′が設けられている。

円筒状カソード１と多孔状アノード２との間には放電電
源３により放電が行われてプラズマが生成される。隘路
４．４′間には補助放電用アノード１３が設けられてい
る。この補助放電用アノードとしては、例えば内径４　
ａｍの導電板のリングを用いることが出来る。また、こ
の装置には補助放電用アノード１３の位置に、これを内
包するソレノイドコイル１４が設けられている。このコ
イル１４により装置の軸方向に例えばｌ　ＯＯ−１５０
ガウス程度の外部磁場Ｂが印加される。材料ガスはガス
導入口１２から入れる。カソード１と補助放電用アノー
ド１３との間には別の放電電源１５により補助放電（電
場Ｅ）が維持される。この補助放電（電場Ｅ）は、磁場
Ｂを横切る放電（いわゆるＰＩＧ放電）であるため、電
子温度は高く、ここに導入された材料ガスを効率良く解
離する。

解離されて生成した単原子分子は、イオン生成領域１６
に流入し、電子ビームによって更に電離されて高密度プ
ラズマとなる。隘路４の孔の内面の補助放電用アノード
側の大部分及び補助放電用アノード側の端面は絶縁物５
、例えばアルミナ系セラミックで覆われており、カソー
ド１とアノード２および補助放電用アノード１３との間
の放電が容易に成されるようになっている。隘路４′は
絶縁物から成っており、その透孔は、例えばイオン引き
出し電極の透孔の形状に合ったプラズマを成形するよう
になスリット形状を有することができる。

アノード２の下段には電子ビーム加速用電極６が設けら
れている。アノード２と電子ビーム加速用電極６との間
は０．５−　Ｌ　５　ｍｍの間隔を有し、電源８により
加速電圧が印加される。これら電極２゜６間はカソード
１とアノード２の間の放電により生じたプラズマの内か
ら電子を引き出し、更に、この電子を加速する電子ビー
ム加速領域として機能する。また、電子ビー、ム加速用
電極６とイオン導出８Ｂ１７のイオン引き出し電極７．
７′との間においては、加速された電子が中性気体と衝
突してプラズマが生成される。このようにして発生した
プラズマからイオン注入用のイオンがイオン導出部１７
において、引き出される。このイオン導出部１７のイオ
ン電極７．７′の形状はそれぞれ方形状および楕円形状
とすることができる。このスリットの構成は周知のイオ
ン注入装置のイオン源に用いられているイオン導出部１
７の電極構成であり、具体的に電極７のスリットとして
は縦長の１．５　＋ｎ＋ｎ　Ｘ　２０　ｍ＋ｎの長方形
状の透孔を、電極７′のスリットとしては短径５　＋ｎ
ｍ長径２０＋ｎｍの楕円形状の透孔を使用することがで
きる。これら電極７．７′を経たイオンビームはイオン
注入装置の質量分析用の磁場中へ出射する。

第３図は本発明の別の実施例を示している。これは、第
２図の実施例において、外部磁場Ｂを永久磁石１８を用
いて印加した例である。磁力線は、鉄製ヨーク１９．１
９’によってガイドされ、補助放電用アノード１３付近
にのみ集められるようになっている。

第４図および第５図は本発明の更に別の実施例を示して
いる。これらは、初期放電の方向に対して直角の方向に
イオンを引き出し、加速するイオン源の例である。第４
図の実施例においては、コイル２０に電流を流すことに
より発生さた磁場Ｂが鉄製ヨーク２１によってＰＩＧ放
電部にのみに集中させられている。第５図の実施例にお
いては装置全体を外部から挾むヨーク磁極端２２．２２
’によりイオン源の中心軸付近に磁場Ｂが印加されてい
る。第４図および第５図の実施例において、補助放電用
アノード１３の電源は、アノード２用の電源３と共用さ
れる。また、アノード２により、十分ＰＩＧ放電が行わ
れるのであれば、補助放電用アノード１３は必ずしも必
要ではない。さらに、第４図および第５図に示された例
で注意すべきことは、電子加速領域を印加磁場の外側に
配置することである。もし、この領域に強い外部磁場が
印加されると、電子を損失なく加速することが困難とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う電子ビーム励起イオン源の好適
な実施例の概略側断面図、第２図は、本発明をイオン注入装置用イオン源に適用し
た場合の実施例の概略側断面図、第３図から第５図は、
本発明の更に別の実施例の構成を示す概略側断面図であ
る。（符号の説明）１・・・カソード、１′・・・カソード貫通孔、２・・
・アノード、３・・・放電電源、４．４′・・・隘路、
５・・・絶縁物、６・・・電子ビーム加速用電極、７．
７′・・・引出電極、８・・・電源、９．９′・・・電
源、１０・・・真空排気口、１２・・・材料ガス導入口
、１３・・・補助放電用アノード、１４・・・ソレノイドコイル、１５・・・放電電源、１
６・・・イオン生成領域、１７・・・イオン導出部、１
８・・・永久磁石、１９．１９’・・・鉄製ヨーク、２
０・・・コイル、２１・・・鉄製ヨーク、２２．２２’
・・・磁極端。第４図２゜第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）カソードとアノードとの間で放電を生じ、これら
カソードとアノードとの間から引き出されて発生された
電子ビームの励起によってイオンを生成し、この生成さ
れたイオンを引き出し放射する電子ビーム励起イオン源
であり、前記カソードと前記アノードとの間において、放電と交
わる方向に磁場を発生する磁場発生手段を設けたことを
特徴とする電子ビーム励起イオン源。
（２）前記磁場と交わる方向に生じる放電が、前記カソ
ードと前記アノードとの間で発生されたものであること
を特徴とする請求項（１）記載の電子ビーム励起イオン
源。
（３）前記アノードが、前記カソードに対して横向きに
設置されていることを特徴とする請求項（２）記載の電
子ビーム励起イオン源。
（４）前記磁場発生手段が、前記アノードと間隙を有し
かつ前記アノードに平行に磁場を発生するように対向し
て設置されたヨークおよびこのヨークの先端に反対極性
の磁極を発生する磁石から構成されることを特徴とする
請求項（３）記載の電子ビーム励起イオン源。
（５）前記磁場発生手段が、前記アノードと間隙を有し
かつ前記アノードに平行に磁場を発生するように対向し
て設置されたヨークおよびこのヨークの先端に反対極性
の磁極を発生する空心コイルから構成されることを特徴
とする請求項（３）記載の電子ビーム励起イオン源。
（６）前記磁場と交わる方向に生じる放電が、前記カソ
ードと前記アノードとの間に設けられた補助放電用アノ
ードと前記カソードとの間で発生されたものであること
を特徴とする請求項（１）記載の電子ビーム励起イオン
源。
（７）前記磁場発生手段が、前記カソードとアノードと
の間に設けられた空心コイルであることを特徴とする請
求項（６）記載の電子ビーム励起イオン源。
（８）前記磁場発生手段が、前記カソードと前記アノー
ド間において、間隙を有して対向するヨークおよびこの
ヨークの先端に反対極性の磁極を発生する磁石から構成
されることを特徴とする請求項（６）記載の電子ビーム
励起イオン源。