JPH06310065A

JPH06310065A - イオン源装置

Info

Publication number: JPH06310065A
Application number: JP5123572A
Authority: JP
Inventors: Takashi Mikami; 隆司三上; Koji Miyake; 浩二三宅; Hideaki Tawara; 英明田原; Katsuo Matsubara; 克夫松原
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】特性劣化のない安定したイオンビームを長時
間にわたって引き出す。【構成】マイクロ波放電のプラズマ生成により電子を
発生する電子放出源としてのマイクロ波プラズマカソー
ド２０と、カソード２０の蓋板１３に形成された電子放
出孔１４から電子が供給され直流放電により生成した主
プラズマ２２を閉じ込める主プラズマ室２と、主プラズ
マ室２のカソード２０に対向する位置に設けられ主プラ
ズマ２２からイオンビームを引き出す引出電極４とを備
えたイオン源装置において、蓋板１３の主プラズマ室２
側の面がグラファイト，炭化珪素，窒化チタニウム，炭
化チタニウム，窒化クロム，酸化アルミニウム，窒化珪
素，窒化ホウ素のうちの少なくとも１つから形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子放出源にマイクロ
波プラズマカソード（以下ＭＰカソードという）を用い
たイオン源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のイオン源装置は図６に示す構成に
なっている。同図において、１はステンレス等の非磁性
体の金属製の主筐体、２は主筐体１により形成された主
プラズマ室、３は主筐体１の両側に形成された開口部、
４は一方の開口部３に取り付けられたイオンビーム引出
電極であり、電位の異なる第１電極５，第２電極６，第
３電極７から構成されている。８は主筐体１のフランジ
及び各電極５，６，７間に介在された絶縁体、９は主筐
体１の外側に設けられた円筒状の磁場、即ちカスプ磁場
発生用の永久磁石又は電磁石である。

【０００３】１０は非磁性金属材料からなる副筐体、１
１は副筐体１０により形成された副プラズマ室、１２，
１３は副筐体１０の両側の非磁性金属材料の蓋板，非磁
性金属材料或いは強磁性金属材料からなる蓋板、１４は
蓋板１３の中央の電子放出孔、１５は副筐体１０と主筐
体１間の絶縁体、１６は副プラズマ室１１へのガスの導
入口である。

【０００４】１７はマイクロ波導入用の同軸ケーブル、
１８は同軸ケーブル１７の先端のアンテナ、１９は副筐
体１０の外側に設けられた環状の永久磁石又は電磁石で
あり、副プラズマ室１１に電子サイクロトロン共鳴（Ｅ
ＣＲ）条件以上の磁場を発生する。２０は副筐体１０，
副プラズマ室１１，蓋板１２，１３，電子放出孔１４，
導入口１６，同軸ケーブル１７，アンテナ１８，磁石１
９からなるＭＰカソードである。なお、主プラズマ室２
に電子を導入して直流放電を発生させるため、主筐体
１，副筐体１０間に、副筐体１０をカソード電位，主筐
体１をアノード電位とする直流電圧が印加される。

【０００５】そして、副筐体１０はカソード電位に保持
され、アンテナ１８の先端部がマイクロ波放電を引き起
し易いように副プラズマ室１１の壁面に近接して設けら
れている。つぎに、導入口１６からガスを供給し、副プ
ラズマ室１１に同軸ケーブル１７，アンテナ１８を介し
てマイクロ波が導入されると、副プラズマ室１１がマイ
クロ波空洞共振器条件で形成されていない場合でも、ア
ンテナ１８の先端部と副プラズマ室１１の壁面との間の
高電界によりマイクロ波放電が容易に発生し、導入口１
６からのガスが電離されて副プラズマ２１が生成され
る。

【０００６】そして、主プラズマ室２が副プラズマ室１
１より高い電位にバイアスされているため、副プラズマ
２１の生成で電離された電子が電子放出孔１４を通って
主プラズマ室２に放出され、主プラズマ室２では、供給
された電子により直流放電が持続し、主プラズマ室２内
の希ガス等のイオン化ガスが電離されて主プラズマ２２
が生成される。つぎに、引出電極３のビーム引出し作用
により、生成された主プラズマ２２からイオンがイオン
ビームとなってスパッタ室等に導出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の前記装置におい
て、イオン源を動作させた場合、主プラズマ２２とＭＰ
カソード２０との電位差によりイオンが加速される。

【０００８】従って、蓋板１３の主プラズマ室２側がイ
オンによりスパッタリングが起こって損耗したり、スパ
ッタリングにより生じた粒子が主筐体１の内面及び第１
電極５に付着したりする。この現象は、アルゴン等のス
パッタリング効率の高いプラズマを用いた場合に顕著で
ある。特に第１電極５に付着した粒子が薄膜状に堆積し
た場合、イオン源運転の時間と共に第１電極５から剥離
が生じる。これはイオンビームを引き出す際に、主プラ
ズマ２２と第１電極５でのシース面が変化することを意
味し、特性劣化が生じ、安定したイオンビームを長時間
にわたって引き出すことができないという問題点があ
る。請求項１の本発明は前記の点に留意し、蓋板からの
スパッタリング粒子を減少させ、スパッタリング粒子の
蓋板，引出電極，副筐体への付着を減少させ、特性劣化
のない安定したイオンビームを長時間にわたって引き出
せるようにしたイオン源装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】また、電子放出孔１４を通過したイオンや
副プラズマ２１により副プラズマ室１１の内面がスパッ
タリングされ、副プラズマ室１１の損耗を引き起こし、
さらにスパッタリング粒子は蓋板１３の副プラズマ室１
１側に付着する。この現象は、前記と同様、スパッタリ
ング効率の高いプラズマを用いた場合に顕著である。そ
して付着した膜は時間と共に剥離し、剥離した膜がアン
テナ１８と接触して短絡し、特性劣化が生じるという問
題点がある。請求項２の本発明は前記の点に留意し、副
プラズマ室の損耗を減少させ、アンテナの短絡を防止し
たイオン源装置を提供することを目的とする。

【００１０】また、電子放出孔１４からの電子の向きと
は反対側、即ちＭＰカソード２０側に向かって主プラズ
マ２２中のイオンが加速され、この加速されたイオンに
より電子放出孔１４の近傍がスパッタリングされて損耗
し、孔径が大きくなり、また、高密度の副プラズマ２１
により電子放出孔１４の副プラズマ２１に対向する部分
がスパッタリングされて損耗し、孔径が大きくなる。こ
の現象は、前記と同様、スパッタリング効率の高いプラ
ズマを用いた場合に顕著である。その結果として特性劣
化が生じるという問題点がある。請求項３の本発明は前
記の点に留意し、電子放出孔の損耗を減少させたイオン
源装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、マイクロ波放電のプラズマ生成により電子を発生す
る電子放出源としてのマイクロ波プラズマカソードと、
カソードの蓋板に形成された電子放出孔から電子が供給
され直流放電により生成した主プラズマを閉じ込める主
プラズマ室と、主プラズマ室のカソードに対向する位置
に設けられ前記主プラズマからイオンビームを引き出す
引出電極とを備えたイオン源装置において、

【００１２】請求項１の本発明は、蓋板の主プラズマ室
側の面が、グラファイト，炭化珪素，窒化チタニウム，
炭化チタニウム，窒化クロム，酸化アルミニウム，窒化
珪素，窒化ホウ素のうちの少なくとも１つから形成され
たものである。請求項２の本発明は、副プラズマ室の内
面が、グラファイト，炭化珪素，窒化チタニウム，炭化
チタニウム，窒化クロムのうちの少なくとも１つから形
成されたものである。請求項３の本発明は、電子放出孔
部の内面又は主プラズマ室側或いは副プラズマ室側の少
なくとも１箇所の面がグラファイト，炭化珪素，窒化チ
タニウム，炭化チタニウム，窒化クロムのうちの少なく
とも１つから形成されたものである。

【００１３】

【作用】前記のように構成された本発明の請求項１のイ
オン源装置は、マイクロ波プラズマカソードの蓋板の主
プラズマ室側の面を、グラファイト，炭化珪素，窒化チ
タニウム，炭化チタニウム，窒化クロム，酸化アルミニ
ウム，窒化珪素，窒化ホウ素のうちの少なくとも１つか
ら形成したため、蓋板からのスパッタリング粒子が減少
し、蓋板，引出電極，副筐体への膜の付着が減少し、特
性劣化の少ない安定したイオンビームが長時間にわたっ
て引き出せる。

【００１４】また、本発明の請求項２のイオン源装置
は、マイクロ波プラズマカソードの副プラズマ室の内面
を、グラファイト，炭化珪素，窒化チタニウム，炭化チ
タニウム，窒化クロムのうちの少なくとも１つから形成
したため、マイクロ波プラズマカソードの副プラズマ室
の内面の損耗が減少し、スパッタリング粒子の付着によ
るアンテナの短絡が防止される。

【００１５】さらに本発明の請求項３のイオン源装置
は、電子放出孔部の内面又は主プラズマ室側或いは副プ
ラズマ室側の少なくとも１箇所を、グラファイト，炭化
珪素，窒化チタニウム，炭化チタニウム，窒化クロムの
うちの少なくとも１つから形成したため、電子放出孔の
損耗が減少する。

【００１６】

【実施例】実施例について図１ないし図５を参照して説
明する。それらの図において、図６と同一符号は同一も
しくは相当するものを示す。

【００１７】（実施例１）まず、実施例１を示した図１
において、図６と異なる点は、蓋板１３の主プラズマ室
２側にスパッタリング率の低いパイロカーボンから形成
した板状のカバー板２３を配設した点である。

【００１８】つぎに実験結果について説明する。カバー
板２３の厚みが３ｍｍで、ＭＰカソード２０にイオン化
用ガスとしてアルゴンを導入し、主プラズマ２２の直流
の放電電流が２アンペアになるように副プラズマ２１よ
り電子放出孔１４を通して電子を主プラズマ２２に供給
し、アノード，カソード間に１６０ボルトの放電電圧を
印加し、この条件でイオンビームの引き出しを１００時
間行った。一方、カバー板２３の材質のみをステンレス
鋼とし、装置の構成及び運転条件を前記と同様にして実
験を行った。

【００１９】その結果、前者の場合は、第１電極５に付
着した膜は膜厚測定が困難な程度の薄膜であり、イオン
ビームの電流量は運転時間内において変化は認められな
かった。しかし、後者の場合は、第１電極５に付着した
膜は剥離を生じ、その結果、イオンビームの電流量は時
間と共に減少し、１００時間後、初期電流の７割程度と
なった。

【００２０】このように、蓋板１３の主プラズマ室２側
にスパッタリング率の低いカバー板２３を配設したこと
により、スパッタリング粒子の第１電極５の付着防止及
び安定した長時間のイオンビームの引き出しが可能にな
る。

【００２１】（実施例２）つぎに実施例２を示した図２
において、図１と異なる点は、パイロカーボンから形成
した円筒状のカバー板２４を副プラズマ室１１の内面に
配設した点である。そして、前記カバー板２４とステン
レス鋼から形成したカバー板とを、前記実施例の実験例
と同様の条件で比較実験した結果、カバー板２４が２ｍ
ｍの前者の場合では、前記実施例１と同様の効果が得ら
れたが、後者の場合では、アンテナ１８の短絡により４
０時間で連続運転が不能となった。

【００２２】このように、副プラズマ室１１の内面にス
パッタリング率の低いカバー板２４を配設したことによ
り、副プラズマ室１１の内面の損耗及びアンテナ１８の
短絡防止及び安定した長時間のイオンビームの引き出し
が可能になる。

【００２３】（実施例３）つぎに実施例３を示した図３
において、図１と異なる点は、電子放出孔部の内面にパ
イロカーボンから形成した環状体２５を配設し、電子放
出孔１４を形成した点である。そして、前記環状体２５
とタンタルから形成した環状体とを、前記実施例１の実
験例と同様の条件で比較実験した結果、電子放出孔１４
の孔径がφ３ｍｍにおいて、前者の場合、電子放出孔１
４の孔径は、ほとんど変化を認められず、イオンビーム
引き出し特性に変化はなかった。しかし、後者の場合、
電子放出孔１４の孔径の変化により、イオンビーム引き
出し特性は初期状態の８割程度となった。

【００２４】このように電子放出孔部の内面にスパッタ
リング率の低い環状体２５を配設したことにより、電子
放出孔１４の損耗を減少させることが可能になる。な
お、前記実施例３では、環状体２５を電子放出孔部の内
面に配設しているが、これに限らず、電子放出孔部の内
面，主プラズマ室２側，副プラズマ室１１側の少なくと
も１箇所に配設するようにしてもよい。

【００２５】また、前記実施例１では、カバー板２３の
材料としてスパッタリング率の低いパイロカーボンを用
いたが、これに限らず、炭化珪素，窒化チタニウム，炭
化チタニウム，窒化クロム，酸化アルミニウム，窒化珪
素，窒化ホウ素のうちの少なくとも１つを用いても前記
と同様の効果が得られ、実施例２及び実施例３では、グ
ラファイト，炭化珪素，窒化チタニウム，炭化チタニウ
ム，窒化クロムのうちの少なくとも１つを用いても前記
と同様の効果が得られる。

【００２６】さらに前記各実施例では、カバー板２３，
２４，環状体２５を配設したが、これに限らず、蓋板１
３，副プラズマ室１１の内面，電子放出孔部の内面又は
主プラズマ室２側或いは副プラズマ室１１側の少なくと
も１箇所の面の材質を前記材料のうちの少なくとも１つ
から形成してもよい。また前記箇所の面に前記材料のう
ち少なくとも１つからなる皮膜を形成するようにしても
よい。

【００２７】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、つぎに記載する効果を奏する。本発明の請
求項１のイオン源装置は、マイクロ波プラズマカソード
２０の蓋板１３の主プラズマ室２側の面を、グラファイ
ト，炭化珪素，窒化チタニウム，炭化チタニウム，窒化
クロム，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化ホウ素のう
ちの少なくとも１つから形成したため、蓋板１３からの
スパッタリング粒子を減少させ、蓋板１３，引出電極
４，副筐体１９への膜の付着を減少させ、特性劣化の少
ない安定したイオンビームを長時間にわたって引き出す
ことができる。

【００２８】また、本発明の請求項２のイオン源装置
は、マイクロ波プラズマカソード２０の副プラズマ室１
１の内面を、グラファイト，炭化珪素，窒化チタニウ
ム，炭化チタニウム，窒化クロムのうちの少なくとも１
つから形成したため、マイクロ波プラズマカソード２０
の副プラズマ室１１の内面の損耗を減少させ、スパッタ
リング粒子の付着によるアンテナ１８の短絡を防止する
ことができる。

【００２９】さらに本発明の請求項３のイオン源装置
は、電子放出孔部の内面又は主プラズマ室２側或いは副
プラズマ室１１側の少なくとも１箇所をグラファイト，
炭化珪素，窒化チタニウム，炭化チタニウム，窒化クロ
ムのうちの少なくとも１つから形成したため、電子放出
孔１４の損耗を減少することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の切断正面図である。

【図２】本発明の実施例２の切断正面図である。

【図３】本発明の実施例３の切断正面図である。

【図４】従来例の切断正面図である。

【符号の説明】

２主プラズマ室４引出電極１３蓋板１４電子放出孔２０マイクロ波プラズマカソード２２主プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松原克夫京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波放電のプラズマ生成により電
子を発生する電子放出源としてのマイクロ波プラズマカ
ソードと、該カソードの蓋板に形成された電子放出孔か
ら前記電子が供給され直流放電により生成した主プラズ
マを閉じ込める主プラズマ室と、該主プラズマ室の前記
カソードに対向する位置に設けられ前記主プラズマから
イオンビームを引き出す引出電極とを備えたイオン源装
置において、前記蓋板の前記主プラズマ室側の面が、グラファイト，
炭化珪素，窒化チタニウム，炭化チタニウム，窒化クロ
ム，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化ホウ素のうちの
少なくとも１つから形成されたイオン源装置。
【請求項２】内部に副プラズマ室を形成し，マイクロ
波放電のプラズマ生成により電子を発生する電子放出源
としてのマイクロ波プラズマカソードと、該カソードの
蓋板に形成された電子放出孔から前記電子が供給され直
流放電により生成した主プラズマを閉じ込める主プラズ
マ室と、該主プラズマ室の前記カソードに対向する位置
に設けられ前記主プラズマからイオンビームを引き出す
引出電極とを備えたイオン源装置において、前記副プラズマ室の内面が、グラファイト，炭化珪素，
窒化チタニウム，炭化チタニウム，窒化クロムのうちの
少なくとも１つから形成されたイオン源装置。
【請求項３】内部に副プラズマ室を形成し，マイクロ
波放電のプラズマ生成により電子を発生する電子放出源
としてのマイクロ波プラズマカソードと、該カソードの
蓋板に形成された電子放出孔から前記電子が供給され直
流放電により生成した主プラズマを閉じ込める主プラズ
マ室と、該主プラズマ室の前記カソードに対向する位置
に設けられ前記主プラズマからイオンビームを引き出す
引出電極とを備えたイオン源装置において、前記電子放出孔部の内面又は前記主プラズマ室側或いは
前記副プラズマ室側の少なくとも１箇所の面が、グラフ
ァイト，炭化珪素，窒化チタニウム，炭化チタニウム，
窒化クロムのうちの少なくとも１つから形成されたイオ
ン源装置。