JPH0265033A - 無線周波数のイオンビーム源 - Google Patents

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） この発明は、イオン化されるべき個々の作業ガス、特に
濃縮自在のガス状金属蒸気及び金属化合物が充填される
イオン化容器、誘導的に刺徴される放電によって発生す
るプラズマと共に、イオン化容器内にプラズマを発生さ
せるための無線周波数源に連結されるコイル、及び数個
の抽出格子を有するビーム形成システムをを含む無線周
波数イオンビーム源に関する。

（従来の技術） 表面処理及び、特に薄い層の製造の技術は、近年とくに
このような工程の工業的応用に関して非常に重要になっ
ている。薄い層の製造または調製と金属表面の処理のた
めには、こんにち非常に多くの工程が存在する。これら
はすべて、工程室内での減圧または真空を必要とするた
め、真空装置内で行なわれる。

いくつかの非常によく知られた工程は、炉やるつぼ等向
での、電気加熱または電子やイオン衝撃でのジュール熱
による蒸発に関係する。他の工程は、陽極や陰極アーク
の手段によって、または誘導されるＡＣ磁界内での誘導
物質の渦電流熱によっても作られる蒸発を使用する。直
流または交流のグロウ放電でのイオン化の磁気的増進作
用を有し、及び有さない各神の陰極スパッタリング装置
を使用する陰極上での大きな面積の昇華についても説明
が必要である。

公知の、従来の蒸発源は、原子とイオンを、微粒子の運
動エネルギを法尻に配分する基礎上での凝縮のために供
給する。これは、高いエネルギの微粒子が、一般に希望
されて無欠陥の結晶成長をもたらす−様な凝縮よりもむ
しろ、損傷を生じるために、問題である。惹起される損
傷は、陰極スパッタリングの形に類似して、結晶の分裂
、結晶の破壊または表面の分解の形をとる。これに対し
て低いエネルギの入射微粒子は、結晶格子内部への規則
的結合のため表面での必要な運動エネルギを獲（りしな
い。

これらのエネルギは、しばしば、基礎と層の間の境界面
内で、希望される被覆の結合強度を得るためには不十分
である。ある場合には微粒子の高いエネルギが、基礎の
温度がある理由のため低く保持されねばならない時、ま
たは基礎と最上部凝縮面の間の熱交換が不十分の時、基
礎の表面エネルギを高めるために被覆ビーム内で必要で
ある。

冒頭に挙げた種類の無線周波数イオン源も同じく公知で
ある（ＥＰ−Ａ２　０２６１３３８及びＤＥ−Ａ１　３
７０８７１６参照）、これらにおいて無線周波数・コイ
ルは個々のイオン化容器の外側に配置され、かつ特別に
形成されたイオン抽出装置が使用されている。このよう
なイオンビーム源は、簡単に充填されるイオンだけ、す
なわち単一のエネルギビームのピークだけの発生を可能
にし、反応性ガスとの使用が可能であり、頑丈で簡単な
構造と簡単な電源調節ユニットを有し、これらはまた、
作業上の信頼性と作業寿命上に設定される実際的要求を
満足することが出来る。

しかしながら公知の無線周波数イオンビーム源では、実
際には極度に低い値以下への、可変イオンエネルギの強
いビームに対して発生する要求、特に金属イオンをも発
生すべき要求を満足することは出来ない。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、したがって実際上、冒頭に挙げた種類
の無線周波数イオンビーム源を開発し、広範囲に単一エ
ネルギ的なイオンのエネルギ分布によってイオンエネル
ギとイオン東密度が、共に連続的かつ極度に大きな範囲
で可変であり、またとりわけ、非常に低いエネルギの強
い金属イオンビームを発生可能にするすることである。

ビームの分散は、少なくとも実質的には回避されるべき
である。

（問題点を解決するための手段） この目的は本発明に従って、自動的リング放電を生じさ
せ、かつイオン、電子及び中性ガス微粒子の非等温性プ
ラズマの発生のために機能する無線周波数コイルがイオ
ン化容器の内部で同軸的に配置されること、イオン化容
器が金属の伝導性容器として形成されること、かつビム
形成システムが多孔性抽出格子とこれらに直接続き、特
に選択的にスイッチオン可能な焦点集中ユニットの組み
合わせを含むことで満足される。

イオン化容器の内部での無線周波数コイルの配置及び金
属のイオン化容器の使用は、全面的に頑丈で価格価値の
ある構造を有する非常に強固な装置をもたらすだけでな
く、特に金属イオンの発生をも可能にす・る。これは、
外側へ配置された無線周波数コイルを持つ公知の石英容
器で発生する危険がもはや存在しないために可能である
。即ち分解された誘導物質は石英容器の内壁上に付着し
て、誘導的被覆を形成し、かつ放電プラズマ内部への侵
入に対して無線周波数エネルギを遮断する。

多孔性抽出格子と、イオン光学的、静電的、静磁気的、
または電子磁気的原理で作動し、かつ特に選択的にスイ
ッチインされるイオン焦点集中ユニットの組み合わせの
形をした本発明のビーム形成システムによって、連続的
に選択自在のイオン電流密度が大きな範囲内で、特にほ
ぼ単一エネルギ的で連続的に可変のイオンエネルギを持
つ１　ｍ　Ａ　／　ｃ−以下及び１０　ｍ　Ａ　／　ｃ
＋ｊ以上の範囲に対して、特にほぼ１０ｅＶと３ｋｅｙ
の間で、実際にまた独立的に調節自在がっ高い電流密度
によって確保される。本発明に従う無線周波数イオンビ
ーム源は、ガス状金属化合物からの金属イオンを含むイ
オン及び反応ガスのイオンの広い範囲に対して使用可能
である。

それは、長い作業寿命と仕事の間の長い時間間隔の点で
特徴を有する。

イすン化容器は、好ましくは化学的に抵抗性のステンｌ
／スの非磁性鋼から成り、かつ冷却液、例えば冷却水を
備えることが出来る。無線周波数コイルは、好ましくは
、高いプラズマ伝導性とコイルに沿って差動的な無線周
波数電圧を考慮して、例えば石英繊維織物のカバーまた
はガラス被覆の形の絶縁層と共に、被覆されている鋼管
コイルを有し、それを通って冷却液が流れる非磁性的な
良導電性の金属管コイルから成る。

イオン化容器は、一端でカバーを、他端で取り付けカバ
ーを備える。イオン源は、外部には薄い取り付けフラン
ジを介して、関連する真空室上にフランジ接合される。

カバーを通してのコイル接続部の通過のための絶縁体が
カバー内またはその上に備えられて、コイルへの無線周
波数出力の供給を可能にする。

ガスの入り口もカバー・内にあり、このカバーは好まし
くは容器と一体的に形成される。内側へ配置されるスク
リーンが好ましくはイオン化容器内に使用されて、金属
がコイル接続部用の絶縁体上に付着するのを防止する。

交番極性の永久磁石のリングは、中心でイオン化容器と
コイルに対して相対的に、イオン化容器の金属製外側ジ
ャケット上に取り付けられて、イオン化容器の壁での放
電損失を減少させる。与えられた無線周波数出力に対し
て、プラズマ密度とビーム密度は、この種の゛尖端磁界
配置″がイオン化装置の壁でのプラズマ電流損失を大幅
に減少させ、かつこれらの永久磁石の適当な配置によっ
てプラズマが抽出穴を介してさらに集中させられるため
、この方法で増大させることが出来る。

本発明に従って備えられる抽出格子は、好ましくけ多孔
性の三つの格子抽出システムを形成し、このシステムの
第一の格子電極は金属イオン化容器と結合される。相互
に絶縁される個々の格子電極の厚さとこれらの相互間隔
は非常に小さく、好ましくは実質的に１ｍｍ以下である
。

中央の支柱は、格子電極の正確な間隔を確保し、かつ格
子の熱的曲げ変位を制限すべく、備えられる。

本発明に従って備えられるイオン焦点集中ユニットは、
特に低いイオンエネルギと高い電流密度においてスイッ
チオンされる。このユニットは、好ましくは、第三の格
子電極と二つのリング７Ｊ　ｆｆｉによって形成される
イオン光学的焦点集中レンズから成る。二つのリングｍ
　Ｆ３は、好ましくは仮想円すい面、特にイオン化容器
から喘れで分岐し、３０°の包含角を持つ円すい面上に
ある。

本発明の実施例に従って、白熱フィラメントコイルを持
つビーム中和装置は、好ましくは接地されるイオン源出
力の領域内に、またはイオンレンズの内側にも備えられ
る。ビーム中和装置は、有利には、絶縁性ターゲットと
共に、または少なくとも低いエネルギのイオンビームの
空間充電の広がりを二次的に減少させる絶縁性表面を有
するターゲットと共に使用される。

さらに、イオンエネルギに対して合わせられた磁界強さ
を持つ磁気レンズがイオン源出力の領域内に備えられて
、ビームの集束を支援する。

本発明に従ってイオンビーム源を作動させるための方法
に関連して、有利には、無線周波数出力及び／または抽
出電圧に依存する電流密度及びイオンエネルギをお互い
から独立して変化させることが出来る。この方法で、最
も誰多、かつ最も困難な仕事を理想的に満足させること
が出来る。

これらの仕事は以下のように説明することが出来る。す
なわち、基礎上に面突するイオンのエネルギと電流密度
は、明々の物質に対して希望される層の品質に対して選
択され、かつ最良にされなければならない。これには、
以下の理由がある。

特殊な結晶方向の成長のためには、イオンの到着の最小
と最大のエネルギを共に規定することが必要である。例
えば多くの結晶は、エネルネギの供給と熱の消散にしば
しば方向的に依存しているこれらの生成によって、内部
熱的に生成される。その上、丸い塊、長い針、円柱また
はスレート様の板として現われる結晶質の形は、成長の
間、入射イオンと原子のエネルギに依存する。

さらに基礎上へ入Ｑ１するイオンの電流密度または原子
の電流密度は、全面の結晶質組織と、したがって全層の
成長速度に大きな影響をもたらす。イオン電流密度とイ
オンエネルギは共に、各物質の種類と層の品質に対して
個別に最良にされなければならず、この層の品質は本発
明のイオンビーム源によって可能にされる。

基礎と現実の層の間にしっかりと結合された境界層を形
成するためには、しばしば、高いイオンエネルギで作業
が行なわれて、一種のイオン注入と、したがって基礎に
意図された層の特別な固着作用が得られる。イオン注入
は結果的に、原子が結晶質の間で、かつ結晶質の内部で
も、いくつかの原子の平面の深さまで基礎の結晶内に結
合されることをもたらす。そうすることで、到着原子の
、結晶質原子との拡散的交換が同時的に可能とされる。

これは、結果的には例えば、固溶体、混合結晶、及び内
部金属的な化合物をもたらす。

上述されたすべてのことは、本発明のイオンビーム源の
使用によって、連続的な方法段階で中断することなく、
同じ真空プラントと同じ位置において可能とされる。し
たがって、陰極スパッタリングまたはイオンビーム腐蝕
による表面掃除のようないくつかの方法段階は、高いエ
ネルギのイオンと、次にしっかり結合された境界層の生
成、そして最後に希望の層の生成によって、上述のよう
に、中断なしに、かつ同じイオンビーム源によって実施
することが出来る。

例として、方法段階は、以下の方法段階の少なくともい
くつかの組み合わせを含むことが出来る。

ａ）基礎面は、適当に選択されたイオンエネルギとイオ
ン電流密度によるイオンビーム腐蝕によって清浄化され
、部分的に腐蝕される。

ｂ）基礎面は、低いイオンエネルギと高い電流密度（１
ｍ　Ａ　／　ｃｄ以上）のイオンビーム手段によって加
熱され、ガスを除去される。

Ｃ）基礎面は、凹凸穴と溝の手段によって、希望される
層の良好な機械的アンカー作用を目標に線面化される。

ｄ）高エネルギ（５０ｋｅＶ以上）のイオン（ビームの
電流密度は低い）が基礎に射出される結果、イオンは若
干の原子平面を、結晶ｒ１（結晶粒）内部に、特に結晶
原子の間の空間内部に、かつ結晶質（内部粒）の内部空
間の内部にさえ、深く侵入して原子の内部拡散を開始し
、それによってイオンの注入が侵入イオン、混合された
結晶体及び、例えば、基礎の物質との内部金属的化合物
の固溶体を作り出す。

ｅ）金属、合金または化合物の層が、基礎の表面上に各
結晶物の組織と形状に対して必要な】１）良のイオンエ
ネルギと最良のイオン電流密度によって生成される。

ｆ）金属、合金または化合物の層が、各結晶組織と結晶
方向に対して必要な、最良のイオンエネルギと最良のイ
オン電流密度によって生成される。

さらにこの可能性を説明するために、上述の方を去段階
ａ）、ｂ）、ｄ）及びｆ）は、例えば、超硬合金やセラ
ミック層を無機質の基礎上に適用すべく使用可能である
。対照的に、ａ）、ｂ）。

ｃ）、ｅ）及びｆ）は、近代的プラスチックへの金属層
、例えばポリ四ふっ化エチレンへの金の層の適用に対し
て適当である。本発明の方法はまた、半導体の被覆、例
えばガリウム砒素がペースの半導体への接触適用に対し
て十分適している。このため、上述の方法段階ａ）、ｂ
）、ｅ）及びｆ）の組み合わせが好適である。

そのほか、特に重要なのは、イオン源は適当なイオン電
流密度とイオンエネルネギによって基礎上に、例えば複
合材の性質の合金をも含む合金及び化合物を付着すべく
使用可能、ということである。

さらに述べられるべき点は、その後の磁気的焦点集中は
処理室内で行なうことが出来るため、特に低いイオンエ
ネルギでのイオンの分岐傾向に対抗し得ることである。

すなわち、磁気的後段焦点集中は、イオン放射源と基礎
の間の処理室内で行なわれ、または相応する装置が配置
される。この後段焦点集中装置は、特にイオンエネルネ
ギが約５００ｅＶ以下に落下するとき有用である。

本発明の別の有利な特徴と展開は、従属請求の範囲に呈
示される。

（実施例） 以下において本発明の好適実施例を、図面を参照してさ
らに詳細に説明する。

第１図に示されるように、高周波のイオンビーム源は、
関連するガス供給システム２付きの金属イオン化容器１
、イオン化容器１の内部に配置されて関連する無線周波
数発信器４を有する無線周波数コイル３′、及びビーム
形成システムを含み、このシステムは三つの格子電極６
．７．８と、イオンレンズに属する二つのリング電極９
．１０を含む。

格子電極及び／またはリング電極は高電圧発生器１１に
接続される。イオン化容器１は、特別の装置１！ｊ５内
の永久磁石によって包囲される。

ガス供給システム２がら流入する作業ガスは、イオン化
容器１内でイオン化される。即ち、正のイオンと電子に
分離されて、プラズマ状態が作り出される。

誘導的な無線周波数と自動的リング放電のため必要な放
電出力は、好ましくは０．５ないし３０　Ｍ　ＨＺの周
波数帯域で作動する無線周波数発信器によって発生する
。これはまず第一に、誘導によって同じ周波数の閉鎖さ
れた磁カ綜を持つ電気的製磁界を発生するコイルの内部
に高周波の軸方向磁界を惹起する。この渦磁界放電にお
いて、電子は、それが新しいイオン化インパクトを惹起
可能となるまで、はぼ円形の道程上で加速される。方向
反転による弾性的中心？★ｉ突と無線周波数方位角電界
の方向変化の共働によって、この位置で影響される電子
は急速にエネルギをＭ積することが出来る。発信器周波
数、放電圧力及びイオン化容器の周囲を最良に合わせる
ことによって、この蓄積の工程は、静的観点から有利に
影響され得る。イオン化容器の長さも、容器の半径とイ
オンの質量に依存して最良状態にして、イオンの収−叶
を最大にすることが出来る。

イオン化する電子が先行するイオン化石３動から作り出
されるときは、それを供給するために陰極がグロウ発光
をなんら必要としない独立的ガス放電が存在する。これ
は結果的に、無線周波数放電の高度のイ３頼性と長寿命
を、特に反応ガスと作動するとき、もたらす。

無線周波数放電の開始は、自動的に、適当な高さの作動
圧力の高電圧パルスまたは低いガス圧力での短時間サー
ジ圧力によって発生する。

無線周波数放電の生成時間は約３０μｓだけであり、こ
れは多くの用途に対して重要である。

無線周波数放電は、イオン、電子及び中性のガス微粒子
を含む非等温プラズマを発生する。

第２図から分かるように、電子の温度Ｔ６は１０’にの
オーダに達するのに対して、イオンの温度、特に中性微
粒子の温度は室温より少し高いだけである。このことも
、全イオン化装置の冷却を簡単にしている。

無線周波数放電の別の利点は、プラズマ電子のほぼ純粋
なマクスウェル分布であって、これは、定量的基礎にお
いては二重イオンがほとんど発生せず、したがって希望
されるエネルギの同等性が二重または多数エネルギの微
粒子によって妨害されないことを意味している。誘導法
則の結果として、電気的な渦磁界強さＥはイオン化装置
の軸においてゼロであって、コイルの半径方向へ上昇し
、かつこの過程はスキン効果によってさらに増幅される
。この結果として、電子の温度Ｔ６は、第２図に示され
るように外側へ急速に上昇する。

しかしながらプラズマ密度ｎは、周縁方向へ、また実際
上、その後のイオンと電子の再組み合せを持つ充電キャ
リア運動の結果、減少する。

抽出自在のビーム電流密度はｎ−ＪＴ、に比例するため
、この場合両効果はほぼ互いに相殺し、したがって高周
波イオンビーム源は希望される−様なビーム輪郭を有す
る。プラズマ密度ｎは、したがって抽出自在の電流密度
も無線周波数発ｆ３器の出力と共に直線的に増大するた
め、得られるイオン密度は抽出システムと、冷却手段と
共に備えられるイオンビーム源の最大作動温度によって
制限されれるだけである。

イオンビーム１２の形成のため第１図に示されるシステ
ムは、イオン化装；ｎからのプラズマイオンを抽出し、
これらを加速し、かつこれらをビーム１２内部で焦点集
中させる仕事を有する。この仕事を１００ｖ以下のビー
ム電圧またはイオンエネルギに対して満足するために、
本発明の無線周波数イオンビーム源は、多数の孔の抽出
格子とイオン光学的焦点集中ユニットの組み合わせと共
に備え′られる。

このビーム形成システムに属する全格子及びリング電極
６．７．８．９は、第１図に示されるように、好ましく
はモリブデン、ステンレス鋼を含み、かつこれらの電極
には高い熱的安定性が要求される。個々の電極は相応す
る高電圧源に接続される。

第一の格子電極は抽出陽極とも呼ばれ、はぼ１０ないし
３０００Ｖの正電位にあって、電気及び熱伝導的にイオ
ン化容器１に接続される。

イオン化容器１は作業においては陽極として働き、かつ
アース電位に保持される最後の電ｔ−ｉ　ｔＯと一緒に
、イオンエネルギのためのビーム電圧（約１０ないし３
０００Ｖ）を決定する。

第二の格子電極７は抽出陰極と呼ばれ、あるレベルにお
いて負にバイアスされている。このレベルは、第一格子
電極６からの電位差が理想的抽出電圧に依存する希望の
電流密度を供給する程度の高さである。第二格子電極か
らのプラズマ境界面１４の距離は第３図に示され、それ
によって等価電位線の曲がりを考慮したイオンの加速経
路ｄを説明している。第三の格子電極８は減速電極と呼
ばれ、接地する必要はない。

それは、同時に、抽出経路の後ろに挿入されて自由に選
択自在の電位を持つイオンレンズの第一電極として働く
。

第一のリング電極９はイオンレンズの中央電極を代表し
、その電位は理想的にはビーム電流とビーム電圧の希望
される値に合っていなければならない。

第二のリング電極１０はアース電位にあって、イオンレ
ンズとビーム形成システム全体を終了している。

第３図は、三つの格子電極６．７．８内部での電位分布
と部分的ビームに対するイオン通路を示す。プラズマイ
オンは、二つの第一電極６．７の間の抽出磁界によって
拾い上げられ、かっ第二格子電極７（抽出ｌ１３極）の
穴に向けて加速されるのに対してプラズマ電子は抑制さ
れるため、正の空間充電が抽出範囲内部に発生する。

無線周波数放電の中性プラズマと正の空間充電域の間の
境界はプラズマ境界１４と呼ばれて、″イオンエミッダ
゛として作用する。

特別のイオンエネルギ及び同時に定義された電流密度が
必要と、されるとき、これは実質的につねに、二つの第
一格子電位Ｕ＋を調節することによって得られる。

希望されるビーム電圧Ｕは、通常、希望される電流密度
に依存する必要な依存性抽出電圧以下にある。この場合
は、いわゆる加速・減速技術が使用されて、イオンは第
二格子電極７と第二格子電極８の間で、希望されるＵ値
以下に減速される。抽出される全イオン電流は、個々の
抽出穴での電流密度、抽出穴の数及び個々の穴の断面積
の積から生じる。しかるとき、放射されるべき基礎にお
ける電流密度は、基礎の位ｉＺｌでのビーム断面に関係
して、その電流から続いて生じる。放電プラズマを無線
周波数イオン化装置内で準中性的に保持するためには、
後者を抽出されるイオン電流に匹敵する多数のプラズマ
電子から抽出することが必要である。これは、正にバイ
アスされる抽出陽極として作用する第一の格子電極６及
び、とりわけ後者に接続される金属イオン化容器１によ
って自動的に行なわれる。放電プラズマは自動的に、抽
出陽極６のそれよりも約１０Ｖ高くにあるイオン化容器
に対して相対的な電位を１する。

ビーム形成システムは、希望されるイオン電流を抽出し
てそれを希望される電圧に加速する仕事を有するのみな
らず、出来るだけ分岐の小さいビームにその焦点を集中
させるべき課題を持つ。一定の限界内で、個々の部分ビ
ームの焦点集中は、すでに三つの格子電極６．７．８内
で、第３図に示されるように行なわれる。

これは、放電出力に依存する適度な高さの抽出電圧にお
いて、プラズマ境界は上方へ凹面鏡状に湾曲しているた
め、すべての等電位面も加速経路の上部において対応的
に湾曲し、したがって部分的ビームのくびれをもたらす
イオン光学レンズが生じるからである。これの結果とし
て、第二格子電極７内の六′をより小さくして中性ガス
の損失を減少させることが出来、このことはイオン源の
ガスの経済性を改善可能にする。

第４図は、第３図に基づく三つの格子抽出システムの抽
出自在な合計イオン電流、第二格子電極７への電流損失
及び抽出電圧の関数としての抽出電流を示す。イオン化
装置内のプラズマ密度と抽出電圧がお互いに正しく合う
ならば、したがっていわゆる′°理想的に焦点集中され
た場合″が存在するならば、部分ビームの焦点は正確に
第二格子電極７の穴の中心にある。抽出陰極を代表する
この格子電極７での損失電流は、それによって最小値に
達する。抽出電圧が大きすぎたり小さすぎたりすると、
レンズの焦点長さは加速度距離以下または以上にあり、
それによって損失電流は大きくなり、出力損失とスパッ
タリング損傷は増大する。高いビーム電流密度と同様な
後間において非常に低いイオンエネルギへの要求を満足
し、それによってビームの拡散効果を回避するために、
本発明に従ってイオン焦点集中レンズが、格子電極シス
テムの後ろに配置され、かつ第三の格子電極８と二つの
リング電極９．１０を含む。

第５図は、本発明に従って無線周波数イオンビーム源の
実施例の断面を示す。イオン化容器１は、内径Ｌｏａｍ
及び内部高さ６ｃｍの金属円筒を含む。円筒部分の壁厚
さは２ｍｍに、またカバー２４の壁厚さは６ｍｍになる
。イオン化容器１は＋ｌＯＶから＋３０００ｖまでの範
囲内の正のビーム電位にあり、かつ冷却システムと共に
備えられる。

対応的にフライス加工された逃げ部分を備えるしんちゅ
うリング内には、例として、１６個のコバルト・サマリ
ウム永久磁石５が配置される。磁石の支持リングは、上
からイオン化円筒上に押し込まれて後者にねじ固定され
る。

入り口２を介してのガスの供給は、交換容易で圧力減少
式の供給容器及び調整式の通′Ａ流量測定装置、小さい
フランジ接続部及び例えば電位を定められたレベルに保
持するための二つのｗ４製１ｉｉ１３１を備えた適当な
セラミック絶縁体２２を介して行なわれる。このガス供
給部は、イオン化容器１内の環状の出口隙間を持つガス
分配頭２３内で開放する。

絶縁保護層で被覆される水冷式の無線周波数コイル３は
、例えば３ｍｍの鋼管から成る。無線周波数コイル３の
、関連する無線周波数発生器への接続は、イオン化装置
カバー２４を通り、無線周波数損失回避の目的のために
、面積が大きく、真空密封され、かつ雲ｆ））盤２６を
介して金属の付着に対して保護される二つの通過コネク
タ２５を介して行なわれる。二つの無線周波数通過コネ
クタ２５とガス供給部は、好ましくは無線化装置２４上
で、中心コイル軸と対応する三角形の中心を持つ等辺二
角形の垂線に配置される。

ビーム形成システムは、第一の格子電極６によってイオ
ン化容器１に直接確保される。第三の格子抽出システム
６．７．８は、特別に、非常に低いビーム電圧に対して
設計される。例えば直径５．３ｃｍの断面１５の全体に
わたって、第一の格子電極６．７は各々、厚さが０．５
ｍｍだけで、かつ間隔も０．５ｍｍにすぎない。

従って、電流を決定する抽出間隔ｄ（第３図）は約２　
ｍ　ｍだけである。

格子電極６．７は、機械的及び熱的理由のために、抽出
面１５の外側でそれぞれ１．５ｍｍに厚くされる。

全格子電極は、好ましくは、高い電気及び熱的伝導性、
低い熱爬張係数及び高い温度安定性並びに低いスパッタ
リング率の点で、モリブデンから製造される。

格子電極の熱的不整配列を回避するために、小さい空間
寸法の支持装置または中心ホルダ１７が格子の中心に配
置ｎされる。第一の格子電極６．７を中心ホルダ１７と
一緒に機械的に安定した方法で確保するために、第三の
格子電極８は全断面にわたって比較的安定化され、かつ
例えば、好ましくは円すい的にテーパ付けされた抽出穴
と共に、約２ｍｍの厚さで形成される。

第５図に示される本発明の変形例では、三つの格子電極
６．７．８の個々の穴直径は、それぞれ３ｍｍ、２ｍｍ
及び３．２ｍｍである。第一の格子電極６において、ビ
ーム直径５．０ｍと１ｍｍの穴の間の幅では、それによ
り１４４の抽出穴が得られる。これに関して注意される
べきことは、抽出面は、希望されるならば、さらに穴あ
けすることが出来、約３００の抽出穴を得るのは困難で
はない、ということである。

抽出システムの後ろに挿入されるイオン光学的焦点集中
レンズは、第三の抽出格子８のばかに、二つの等間隔の
ステンレス鋼リング電極９．１０を含み、これらの電極
はビーム軸に対して約１５°の角度で設定されている。

すなわち、リング電極の半径方向内部周縁は、１５６の
二倍の円すい角を有する仮想円すい面上にある。

四つの電圧供給ユニットの最大値は、ビーム形成システ
ム全体に対して、すなわちイオン化容器１を含む第一の
格子電極６、第二の格子電極７、第三の格子電極８及び
第一のリング電極９に対して必要とされる。Ｋｋ　ｆ＆
のイオンレンズ電極を形成するリング電極１０は、接地
電位にある。必要ならば二つの電極を同じ電圧源、また
は電位分割器を介して同じ電圧源に直結することも可能
である。

五つの電極６．７．８．９．１０は、好ましくは絶縁体
１８及び絶縁体ボルトによって、絶縁体フランジ１６の
対応する穴内に絶縁体ボルトを挿入することにより中心
出しされる。イオン化及びビーム形成システムは接地ハ
ウジング３０に、支持リング１９、ガラスＩａ＃ｔ１把
手２０及び第二のリング電極１ｏを介して確保される。

ハウジング３０は、イオン源を外側から関連する真空室
上にフランジ結合可能な手段によって、フランジ２１と
共に備えられる。

第６図は、非常に低いイオンエネルギのための二次的な
磁気焦点集中装置を持つ無線周波数イオンビーム源の変
形実施例を示している。

この目的のため磁界コイル２７は出力側に備えられ、か
つ例えば１０から３０ｍＴの範囲にあって、運動イオン
エネルギへの方法である磁界強さを有する磁気的レンズ
を形成する。磁界コイル２７は、それによって第二のリ
ング電極１０と軟鉄カバー２８の間に取り付けられる。

軟鉄カバー２８は、ねじボルト２９によってリング電極
１０に確保される。

第７図は、２ＭＨｚでアルゴンを使用するとき、第５図
に基づく高周波イオンビーム源に対する典型的放電特性
を示す。抽出されたイオン′ｒｒ！、流が（パラメータ
として）、高周波出力とガス’ＬＸｆｆｉに依存して示
される。イオン電流源に対して約４０Ｗの約高周波渦電
流損失は、電流ゼロに対する水平境界線として生ずる。

！［！直漸近線は、理論的な１００％ガス経清性によっ
て示される。注目すべき点は、従来の装置のそれの約二
倍程度の高さの、非常に高いイオン収量（無線周波数の
ユニット当たりのビーム密度）である。相応する無線周
波数出力とガス通過量に対して、合計２００ｍＡ以上の
イオン電流を作り出すことは、困難ではない。

特別な、希望されるイオン電流を抽出するためには、第
７図に示されるように、無線周波数出力とガス流量を選
択して、両者が互いに適応するようにすることが必要で
ある。さらに、第８図から分かるように、第一の格子電
極６と第二の格子電極７の間の電位差として、必要な抽
出電圧が印加されなければならない。これから独立的に
、イオンエネルギは第一の格子電極６の電位によって決
定することが出来る。第二の格子電極７の電位は、しか
るとき、必要な抽出電圧と希望されるビーム電圧の差に
よって与えられる。さらに、イオンレンズは、低いイオ
ンエネルギと高い電流密度でさらにスイッチオンされる
。

そのほかに第８図から分かるように、本発明によるイオ
ンビーム源は、明らかに従来のイオンビーム源の抽出電
圧以下、特に係数２ないし３．５だけ下方、にある低い
抽出電圧を使用する。従って、例えば１ｋＶの抽出電圧
を用いて５　ｍ　Ａ　／−の電流密度を得ることは、す
でに可能であり、この値は、加速・減速比を限界内に保
持可能のため、低いイオンエネルギにおいて特に有利で
ある。

イオン光学的ビームレンズはイオン放射源の出力におい
て、とりわけ低いイオンエネルギで、電流分布、焦点集
中の程度及びビームの輪郭に作用する。イオンビームの
品質はさらに、ビームの周りに分布して配置される白熱
フィラメントによって、接地されたイオン源出力におい
て発生可能な電子による出力側でのビーム中性化によっ
て改善される。イオンレンズの中心電極の負の電位が、
三つの格子電極を中性化装置からの電子に対して遮蔽す
ることも有利である。

（発明の効果） 本発明に基づく無線周波数イオンビーム源は、ガス状金
属化合物からの金属イオン及び反応ガス、例えばＮ９、
Ｃ０、Ｂｉｏ、Ｂ”Ｔｉ◆　２ｒ◆のイオンを含む広範
なイオンに対して使用可能である。さらにそれは、約０
．５ｍＡ／ｃｊと１０　ｍ　Ａ　／　ｃｄの間で連続的
に調節自在のイオン電流密度を、約１０ｅＶと３ｋｅＶ
の間でほぼ連続的に可変のイオンエネルギと共に、独立
的に調節自在の高い電流密度をもってさえも、選択する
ことを可能にする。さらに、高周波のイオンビーム源は
、ここで述べられた例では、約５ｃｍのビーム直径を供
給するため、５ｃｍ以上の直径の基礎と共に作動させる
ことが出来る。イオン源と基礎の間の距離は、２０ない
し４０ｃｍの範囲に存在しｆする。さらに、本発明のイ
オンビーム源は、長い作業寿命と仕事の間の長い時間間
隔並びに取り扱い易さの点で特徴を有する。このことは
、それを問題なしに外側からそれぞれ関係する真空室上
にフランジ接合可能にするため、利点である。

反応室と抽出格子システムを拡大することによって、異
なる形状において実際上、より幅広いビームを発生させ
ることも出来る。抽出システムの適当な寸法形状によっ
て、ビームは円形にも積置形にも、またはそれらがまる
で細長溝から出て来たかの様なストライブ状にすること
さえも出来る。ビームの分岐は、適当なイオン光学技術
と抽出格子の形状寸法によって、希望されるように選択
することも出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は基礎上への被覆の製造と材料表面の処理のため
の本発明による無線周波数イオンビーム源の略図、第２
図は第１図による無線周波数イオンビーム源におけるこ
れらの半径方向過程に関しての放電とプラズマデータの
典型的数値の線図、第３図は三つの格子電極システムを
用いて第１図による無線周波数イオンビーム源のプラズ
マからのイオンビームの一部の抽出による形成方法を説
明する略図、第４図は第３図の抽出システムの合計抽出
自在イオン電流の線図、第５図は本発明による無線周波
数イオンビーム源の一実施例の断面図、第６図は第５図
によるイオンビーム源での使用のための二次的な磁気焦
点集中装置の部分断面図、第７図は第５図によるイオン
ビーム源の典型的放電特性線図、及び第８図は電流密度
と抽出されたイオン電流の関数としてのアルゴンに対す
る第５図によるイオンビーム源の格子システムの必要な
抽出電圧の線図である。 トイオン化容器、２・ガス入り口、３・無線周波数コイ
ル、４・無線周波数発生器、５・永久磁石、６・第一の
格子電極（抽出陽１ｉｔ）、７・第二の格子電極（抽出
陰極）、８・第三の格子電極（制動格子）、９・第一の
リング電極（イオンレンズ）、１０・第二のリング電極
（イオンレンズ）１１・高電圧発生器、１２・イオンビ
ーム、】３・プラズマ、１４・プラズマ境界、１５・抽
出面、１６・イオン化装置フランジ、１７・中心ホルダ
、１８・絶縁体要素、１９・支持リング、２０・締め付
け要素、２１・取り付けフランジ、２２・セラミック絶
縁体、２３・ガス分配入り口、２４・イオン化装置カバ
ー、２５・コイル通過部材、２６・シャドウスクリーン
、２７・磁気コイル、２８・軟鉄材、２９・ボルト、３
０・ハウジング、３１−鋼線網。 図面の浄書 ＦＩＧ　、　４ ｍＡ／ＣＩＴ１２ 手続補正書 （方式） ％式％ 発明の名称 無線周波数のイオンビーム源 補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　　　　ハウザー　ホールディ ベー、ファウ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオン化されるべき個々の作業ガス、とくに凝縮自
   在のガス状金属蒸気及び金属化合物が供給されるイオン
   化容器（１）、誘導的に発生させられる放電によって作
   られるプラズマと共に、イオン化容器（１）内にプラズ
   マを発生させるための無線周波数源（４）に連結される
   コイル（３）、及び数個の抽出格子（６、７、８）を有
   するビーム形成システムを含んでいる無線周波数イオン
   ビーム源において、自動的環状放電を生じさせ、かつイ
   オン、電子及び中性ガス微粒子の非等温性プラズマを発
   生させるために機能する無線周波数コイル（３）がイオ
   ン化容器（１）の内部に同軸的に配置されること、イオ
   ン化容器（１）が金属の伝導性容器として形成されるこ
   と、かつビーム形成システムが多孔性抽出格子（６、７
   、８）及びこれらに直接従い、また特に選択的にスイッ
   チオンされ得るイオン焦点集中ユニット（８、９、１０
   ）の組み合わせを含むことを特徴とするイオンビーム源
   。 ２、化学抵抗性のステンレスと非磁性金属を含むイオン
   化容器（１）が正のビーム電位にあり、この電位は特に
   約＋１０Ｖから＋３０００Ｖまでの範囲内で可変であり
   、かつ冷却液と共に備えられることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のイオンビーム源。 ３、イオン化容器（１）の内部に配置され、特に、それ
   を通って冷却媒体が流れる鋼管から成る無線周波数コイ
   ル（３）が絶縁保護層によって被覆され、この保護層は
   好ましくは石英繊維の織物カバー、ガラス被覆等から成
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオン
   ビーム源。 ４、イオン化容器（１）が一部品で形成されたカバー（
   ２４）付きの金属シリンダ及びカバー（２４）から遠い
   末端に備えられる連結フランジ（１６）を含むこと、カ
   バー（２４）を通るコイル連結部の供給のための絶縁体
   が、互いに、及び容器軸に対して相対的に好ましくは一
   様に置換されている絶縁体と共に、カバー（２４）上ま
   たはその内部に備えられ、その際その上への金属の付着
   に対して絶縁体を保護すべくスクリーン（２６）が内方
   へ突出していること、ガスの入り口（２）がカバー（２
   ４）内に備えられ、かつイオン容器（１）の内側で分配
   器の入り口（２３）と共に備えられること、及びイオン
   源が外側から真空室上にフランジ結合されることを可能
   にする抽出システム（６、７、８、９、１０）及び取り
   付けフランジ（２１）が共に、上記の取り付けフランジ
   （２１）と上記の連結フランジ（１６）の間に備えられ
   る絶縁中間構造部分と共に、上記の連結フランジ（１６
   ）に固定されることを特徴とする前述の特許請求の範囲
   の一つに記載のイオンビーム源。５、特に中央で、イオ
   ン化容器（１）及び無線周波数コイル（３）に対して相
   対的に配置される交番極性の永久磁石（５）のリングが
   、プラズマの集中とイオン容器（１）の壁上での放電損
   失の減少のため、イオン化容器（１）の金属外側ジャケ
   ットに取り付けられることを特徴とする前述の特許請求
   の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 ６、抽出格子（６、７、８）が多孔性の三つの格子抽出
   システムを形成し、このシステムの第一の格子電極（６
   ）は金属のイオン化容器（１）と連結されること、相互
   に絶縁される個々の格子電極（６、７、８）の厚さ寸法
   とこれらの相互間隔は１ｍｍ以下であること、かつ中心
   ホルダ（１７）が格子電極（６、７、８）の間隔を固定
   するために備えられることを特徴とする前述の特許請求
   の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 ７、二つの第一の格子電極（６、７）が約０．５ｍｍま
   たはそれ以下の厚さと、抽出断面（１５）にわたって対
   応的に小さな相互間隔を有すること、かつ第三の格子電
   極（８）がそれの全断面にわたって第一のそれよりもや
   や大きい厚さを有し、それによって第三の格子電極（８
   ）は中心ホルダ（１７）用のホルダとして機能すること
   を特徴とする特許請求の範囲第６項記載のイオンビーム
   源。 ８、格子電極（６、７、８）は熱的な形状安定性と温度
   抵抗性を有し、かつ例えばモリブデン、ステンレス鋼等
   から成ること、かつ特に円すい的にテーパにされる連続
   的な格子電極（６、７、８）内の抽出孔の直径は異なっ
   ているように、特にビーム方向で見るとき、約３ｍｍ、
   ２ｍｍ及び３．２ｍｍになるように選択されることを特
   徴とする特許請求の範囲第７項記載のイオンビーム源。 ９、無線周波数コイル（３）の直径は少なくとも実質的
   に三つの格子抽出システム（６、７、８）の抽出域（１
   ５）の直径と同じであることを特徴とする前述の特許請
   求の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 １０、イオン焦点集中ユニットが、第三の格子電極（８
   ）と二つのリング電極（９、１０）によって形成される
   光学的なイオン焦点集中レンズを、想像的円すい面、特
   に上記のイオン化容器上にあるリング電極の半径、方向
   内側周縁と共に含むことを特徴とする前述の特許請求の
   範囲の一つに記載のイオンビーム源。 １１、格子及びリング電極（９、１０）は熱的な形状安
   定性と温度抵抗性を有してステンレス鋼やモリブデン等
   を含み、かつ少なくとも実質的に、第三の格子電極（８
   ）が隣のリング電極（９）から有するのと同じお互いか
   らの距離を有することを特徴とする特許請求の範囲１０
   項記載のイオンビーム源。 １２、イオンエネルギに合った磁界強さを持つ磁気レン
   ズ（２７）が、ビームの集束を支援すべく、イオンビー
   ム源の出口の領域内に配置されることを特徴とする前述
   の特許請求の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 １３、少なくとも一つの白熱フィラメントから作られる
   ビーム中和装置が好ましくは接地されたイオンビーム源
   出力の区域内に、またはイオンレンズの範囲内に、イオ
   ンビーム（１２）内部への電子の射出のために備えられ
   ることを特徴とする前述の特許請求の範囲の一つに記載
   のイオンビーム源。 １４、イオン化容器（１）及び／または格子電極及びリ
   ング電極が、さらに磁気レンズ（２７）も、関係する金
   属の熱伝導率を利用する間に、冷却媒体によって直接ま
   たは間接的に冷却されることを特徴とする前述の特許請
   求の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 １５、無線周波数出力及び／または抽出速度に依存する
   電流密度とイオンエネルギがお互いから独立して可変で
   あることを特徴とする前述の特許請求の範囲の一つ以上
   に記載のイオンビーム源を作動させる方法。 １６、イオンの焦点集中が、イオンエネルギが約１００
   ０ｅＶの値以下に、特に約３００ｅＶの値以下に落下す
   る時、スイッチオンされることを特徴とする特許請求の
   範囲第１５項記載の方法。 １７、すでに記述されたイオン光学系と基礎の間に配置
   される一つまたはいくつかの磁気コイルの手段を構成し
   ている後段焦点集中装置が、イオンエネルギが約５００
   ｅＶ以下に落下する場合に、スイッチオンされることを
   特徴とする特許請求の範囲第１５及び１６項記載の方法
   。 １８、少なくとも一つの絶縁面を持つ基礎と共に作動す
   る時、ビーム中和装置の手段によってつねに空間充電が
   補償されることを特徴とする特許請求の範囲第１５また
   は１６項記載の方法。 １９、５００ｅＶ以下のイオンエネルギを用いて、ビー
   ム中和装置の手段によって空間充電が補償されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１５ないし１７項の一つに
   記載の方法。 ２０、約３００ｅＶ以上で、二次的な後段加速システム
   が、あらかじめ決定可能な間隔にある抽出システムに続
   いて配置されることを特徴とする前述の特許請求の範囲
   の一つに記載のイオンビーム源。 ２１、基礎の表面処理と基礎に対して良好な付着性を持
   つ特殊層の調製のため、それによって表面処理と調製が
   、一つのものから他のそれへの個々の段階の連続的推移
   において行なわれ、かつそれによって各段階の最良のイ
   オンエネルギと最良のイオン電流密度が使用されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１ないし２０項の一つに
   記載の無線周波数イオンビーム源の使用方法。 ２２、工程段階の手順が、以下の工程段階の少なくとも
   いくつかのものの、まだここでは述べられていないその
   他の段階との任意な組み合わせであることを特徴とする
   特許請求の範囲第２１項記載の使用方法。 ａ）適当に選択されたイオンエネルギとイオン電流密度
   によるイオンビーム腐蝕によって清浄化され、部分的に
   腐蝕される基礎面。 ｂ）基礎面は、低いイオンエネルギと高い電流密度（１
   ｍＡ／ｃｍ＾２以上）のイオンビームの手段によって加
   熱され、かつガスを除去される。 ｃ）基礎面は、凹凸孔と溝の手段によつて、希望される
   層の良好な機械的アンカー作用を目標に粗面化される。 ｄ）高エネルギ（５０ｋｅＶ以上）のイオン（ビームの
   電流密度は低い）が基礎に射出される結果、イオンは若
   干の原子平面を、結晶質（結晶粒）内部に、特に結晶原
   子の間の空間内部に、かつ結晶質（内部粒）の内部空間
   の内部にさえ、深く侵入して原子の内部拡散を開始し、
   それによってイオンの注入が侵入イオン、混合された結
   晶体及び、例えば、基礎の物質との内部金属的化合物の
   固溶体を作り出す。 ｅ）金属、合金または化合物の層が基礎の表面上に、各
   結晶物の組織と形状に対して必要な最良のイオンエネル
   ギと最良のイオン電流密度によって生成される。 ｆ）金属、合金または化合物の層が各結晶組織と結晶方
   向に対して必要な、最良のイオンエネルギと最良のイオ
   ン電流密度によって生成される。 ２３、合成物の性質の合金及び化合物が、適当なイオン
   ビーム密度とイオンエネルギを持ついくつかのイオン源
   手段によって作り出されることを特徴とする特許請求の
   範囲第２１及び２２項記載の使用方法。 ２４、合金と化合物、例えば合成物の性質の合金と化合
   物が、適当なイオンエネルギとイオン電流密度を持つい
   くつかのイオン源を使用して製造されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２１ないし２３項の一つに記載の使
   用方法。