JPH06289196A - 高速原子線源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低エネルギーの、粒子線束の高い高速原子線
を効率よく放出できる高速原子線源を提供する。 【構成】 高速原子放出孔を有する陰極２１と、該陰極
２１と所定間隔を有して配置された陽極２２と、両電極
を内蔵する外筒容器２３と、前記陽極２２の上流部に配
置された外筒容器２３内に反応ガスを導入するガスノズ
ル４と、前記外筒容器２３内のガスノズル４から前記陽
極２２間の陽極上流部にマイクロ波２５を導入する手段
２４と、前記陰極２１および前記陽極２２間に接続され
て両電極間の放電部に放電を起こす直流高圧電源３とか
らなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速原子線源に係り、
特に、低い放電電圧で低エネルギーの原子線を効率よく
放出することのできる高速原子線源に関する。

【０００２】

【従来の技術】常温の大気中で熱運動している原子・分
子は、概ね０．０５eV前後の運動エネルギーを有してい
る。これに比べてはるかに大きな運動エネルギーで飛翔
する原子・分子を「高速原子」と呼び、それが一方向に
ビーム状に流れる場合に「高速原子線」と呼ばれてい
る。係る高速原子線は、固体表面を削り、あるいは変性
させる等の加工等に用いることができ、特に電気的に中
性であるため、金属、半導体分野への適用に限られず、
従来イオンビーム法が不得意としていたプラスチック、
セラミック等の絶縁物を対象とした加工にも威力を発揮
できる。

【０００３】図２は、従来発表されている、気体原子の
高速原子線を発生する高速原子線源のうち、運動エネル
ギーが０．５〜１０keV のアルゴン原子のビームを放射
する高速原子線源の一例を示している。図中、１は外囲
器を兼ねた円筒形の陰極、２はドーナツ状の陽極、３は
０．５から１kVの直流高圧電源、４はガスノズル、５は
アルゴンガス、６はプラズマ、７は高速原子線の放出
孔、８は高速原子線を示している。

【０００４】この高速原子線源は、以下のとおり動作す
る。即ち、直流高圧電源３を除く各構成要素は、真空容
器に内蔵されており、前記真空容器が充分に排気された
のち、アルゴンガス５がガスノズル４から円筒形陰極１
の内部に注入される。そして、直流高電圧が直流高圧電
源３により、陽極２が正電位、陰極１が負電位となるよ
うに両電極間に印加される。

【０００５】このことにより、陰極１および陽極２間に
放電が起きてアルゴンガスのプラズマ６が発生し、アル
ゴンイオンと電子とが生成される。その際、円筒形陰極
１の一端側底面から放出された電子は陽極２に向かって
加速され、陽極２の中央の孔を通過して前記円筒形陰極
１の他端側底面に到達する。他端側底面に達した電子
は、ここで速度を失って反転し、あらためて陽極２に向
かって加速され、再び陽極２の孔を通過して陰極１の一
端側底面に到達する。このような電子の繰り返し運動
が、陽極２を介した円筒形陰極１両端面間における高周
波振動となり、その運動の間にアルゴンガスと衝突して
多数のアルゴンイオンを生成する。

【０００６】こうして発生したプラズマ６中のアルゴン
イオンは、円筒形陰極１の端面に向かって加速され、充
分な運動エネルギーを得るに至る。また、円筒形陰極１
の両端面近傍の空間は高周波振動する電子の折り返し点
であって、低エネルギーの電子が多数存在する領域であ
る。この領域に入射したアルゴンイオンは、電子と衝
突、再結合してアルゴン原子に戻る。イオンと電子の衝
突において、電子の質量がアルゴンイオンに比べて無視
できる程に小さいため、アルゴンイオンの運動エネルギ
ーは殆ど損失せずにそのまま原子に受け継がれて高速原
子なる。従って、この場合の高速原子の運動エネルギー
は、直流高圧電源３による放電維持電圧が、例えば１kV
のときは、１keV 程度の値となる。この高速原子は円筒
形陰極１の端面に穿設された放出孔７を通って外部に高
速原子線８となって放出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の高速原子線源において、高速原子線の放出量の増加
を図るためには、上記の構造から考えられるように、放
電電圧を上げる、磁石を併用する、反応ガスの圧力を増
す等の方法しかなかった。その結果、高速原子線のエネ
ルギーの増加を招く、装置が大型化する、高速原子線の
エネルギー幅が広がってしまう等の使用上の問題点が多
く使いにくさを伴った。

【０００８】係る問題点を解決するため、本出願人によ
り表面に多数の高速原子放出孔を有する板状陰極と、そ
の板状陰極に対向配置された板状陽極と該板状陰極と板
状陽極間にフィラメントを内蔵する構造の高速原子線源
が開示される（特願平３−３８６０７号特許出願）。

【０００９】係る構造の高速原子線源によれば、対向し
た板状電極により、粒子線束の高い高速原子線が効率よ
く放射される。又、フィラメントを内蔵することから、
反応ガスの電離が促進され、放電電圧を下げて被加工物
にダメージを与えない微細加工に好適な低エネルギーの
高速原子線源を得ることができる。

【００１０】しかしながら、フィラメントを内蔵するこ
とから放電部における反応ガスの流れに外乱が生じ、
又、反応ガス中に不純物が生じる等の問題点がある。

【００１１】本発明は、係る従来技術の問題点に鑑み、
低い放電電圧で低エネルギーの、粒子線束の高い高速原
子線を効率よく放出できる高速原子線源を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、高速原子放出
孔を有する陰極と、該陰極と所定間隔を有して配置され
た陽極と、両電極を内蔵する外筒容器と、前記陽極の上
流部に配置された外筒容器内に反応ガスを導入するガス
ノズルと、前記外筒容器内のガスノズルから陽極間の陽
極上流部にマイクロ波を導入する手段と、前記陰極およ
び前記陽極間に接続されて両電極間の放電部に放電を起
こす直流高圧電源とからなることを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明は、ガスノズルと陽極間の陽極上流部に
マイクロ波を導入し、ガスノズルより導入される反応ガ
スが陽極より下流の放電部に達する前にガスを電離させ
ることによって、多量の電子を放電部に供給するもので
ある。従って、両電極間の放電部では低電圧で放電維持
を行い、低エネルギーの高速原子線を放出することがで
きる。

【００１４】

【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を
説明する。図１は、本発明の一実施例を示す高速原子線
源の概略の構成を説明するものである。なお、本実施例
では、先の図２によって述べた従来例と同一機能、動作
を有する構成要素については同一符号を用いている。

【００１５】図１に示されるように、所定間隔を有して
対向した板状陰極２１および板状陽極２２が絶縁物（セ
ラミック）外筒２３内に配置され、図示しない真空容器
に収めて十分に排気される。両電極２１，２２は真空容
器の外部に配置された直流高圧電源３、放電安定抵抗９
と接続され両電極間に直流高圧電圧が印加され両電極間
には放電部が構成される。又、板状陰極２１は表面に多
数の高速原子線放出孔７が穿設され、高速原子線８を出
射可能に構成されている。ガスノズル４は、真空容器の
外部より外筒２３内に反応ガス２４を導入するためのも
のであり、外筒２３内のガスの流れの板状陽極２２の上
流部に配置されており、外筒２３内のガスノズル４の入
口から板状陽極２２に至る空間が陽極上流部を構成す
る。

【００１６】板状陽極２２には、反応ガス５を流通する
孔が穿設されており、反応ガス５は、ガスノズル４から
陽極上流部を通って両電極２１，２２間の放電部に流入
する。外筒２３内のガスノズル４と板状陽極２２間の陽
極上流部にはマイクロ波を導入するマイクロ波導波路２
４が設けられている。真空容器外に配置されたマイクロ
波の発振器より、マイクロ波が導波路２４を経て外筒２
３内の陽極上流部に導入されて、陽極上流部を流れる反
応ガスを励起する。

【００１７】次に、上述のごとく構成した高速原子線源
の動作について説明する。まず、高速原子線源及び被加
工対象物が収納された真空容器内を充分に排気したの
ち、反応ガス５を外筒２３内にガスノズル４より導入す
る。そして、板状陽極２２と板状陰極２１の間に直流高
圧電源３より直流高圧を印加し、マイクロ波２５を導入
する導波路２４よりマイクロ波を陽極上流部の反応ガス
５に照射する。

【００１８】反応ガス５は、マイクロ波の照射によって
気体原子が励起され、陽イオンと電子が発生する。陽極
上流部において、マイクロ波により生成された多数の電
子が反応ガス５の流れとともに、陽極２２の孔より陽極
２２と陰極２１間の放電部に入る。アルゴンガス等の反
応ガス５は、陽極２２と陰極２１間の放電部に導入さ
れ、直流高圧によって放電が発生し、プラズマ６が生成
する。放電部では、あらかじめ反応ガス５は陽極上流部
で電離された多量の電子を含んでいるため、低い放電電
圧で放電の維持が可能となり、放電安定抵抗９は放電電
流を制限する。

【００１９】放電部のプラズマ６中では、反応ガス５の
陽イオンと電子が生成されているが、陽イオンは陰極２
１に向かって加速されて大きなエネルギーを得る。加速
された陽イオンは板状陰極２１の近傍で残留している反
応ガス５の原子と接触して陽電荷を失い中性の高速原子
となり、あるいは電子との再結合によって陽電荷を失っ
て中性の高速原子となり、高速原子放出孔７から高速原
子線８として放出される。

【００２０】外筒２３内のガスノズル４の入口と板状陽
極２２間の陽極上流部で、反応ガスにマイクロ波を照射
し電離を生じさせる部分には磁場を形成する手段を更に
備えることが好ましい。即ち、例えば外筒２３を囲むよ
うに円筒状の電磁石又は永久磁石を設けることにより、
外筒２３の陽極上流部に軸方向の磁場が形成される。こ
のような磁場が形成されると、電子サイクロトロン共鳴
効果の利用ができ、より効果的に電離により生じた電子
を陽極２２の孔を介して、両電極２１，２２間の放電部
に供給することが可能となる。従って、陽極上流部に磁
場を設けることにより、より低い放電電圧、即ち低エネ
ルギーの高速原子線を得ることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の高速原
子線源は、陽極上流部のマイクロ波が導入された部分
で、マイクロ波によって気体原子が励起され電離して多
量の電子を発生し、生成された多量の電子は、板状陽極
と板状陰極の間の放電部に供給される。従って、放電部
における反応ガスのプラズマを発生させるのに、直流高
圧電源の電圧を低く維持することが可能となり、低エネ
ルギーの高速原子線８を得ることが可能となる。この効
果は、陽極上流部に磁場を設けることにより、一層促進
される。

【００２２】更に、本発明では電離を促進するためのフ
ィラメントを放電部において用いないので、放電部にお
いて反応ガスの流れを乱すこともなく、又、不純物が発
生するという問題も解決される。そして、マイクロ波の
印加により、外部から放電状態の制御が可能となり、
又、放電部に磁場を必要としないので、イオンの加速方
向に影響を及ぼすことなく、粒子線束の高い、高速原子
線を効率的に発生できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の高速原子線源の概略の構成
を示す説明図。

【図２】従来の高速原子線源の説明図。

【符号の説明】

１ 円筒形陰極 ２ ドーナツ状の陽極 ３ 直流高圧電源 ４ ガスノズル ５ アルゴンガス ６ プラズマ ７ 原子放出孔 ８ 高速原子線 ９ 放電安定抵抗 ２１ 板状陰極 ２２ 板状陽極 ２３ 絶縁物（セラミック）外筒 ２４ マイクロ波導波路 ２５ マイクロ波

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速原子放出孔を有する陰極と、該陰極
   と所定間隔を有して配置された陽極と、両電極を内蔵す
   る外筒容器と、前記陽極の上流部に配置された外筒容器
   内に反応ガスを導入するガスノズルと、前記外筒容器内
   のガスノズルから前記陽極間の陽極上流部にマイクロ波
   を導入する手段と、前記陰極および前記陽極間に接続さ
   れて両電極間の放電部に放電を起こす直流高圧電源とか
   らなることを特徴とする高速原子線源。
2. 【請求項２】 前記外筒容器内に反応ガスを導入するガ
   スノズルと陽極間の前記陽極上流部に、磁場を形成する
   手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の高速
   原子線源。
3. 【請求項３】 前記陰極及び陽極が板状で、各々所定間
   隔を有して対向配置されていることを特徴とする請求項
   １又は２記載の高速原子線源。