JPH06508887A - 連続真空アーク幅広ビームイオン源 - 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】 本発明は、連続方式、高電流イオンの生成装置及び方法に関する。この発明を用 いることにより、連続方式により、高エネルギーにイオン化された金属又は導電 性固体の幅広ビームを、初めて生成することができる。本発明を用いると、前述 のパルス方式のイオン源に比べて２〜３桁大きい、直流金属イオンビームを生成 することができる。この進歩は、基礎的イオン源開発の将来性から見ても重要で あると共に、イオン注入技術の産業的利用の面からも重要である。

本発明の目的は、連続方式で高エネルギーの幅広ビームを生成する導電性固体材 料のイオン源を供給することである。

更に、本発明の目的は、８時間以上連続運転できる高エネルギーの幅広ビームを 生成するイオン源装置を提供することである。

本発明の他の目的は、大面積に迅速にイオン注入が可能な、高エネルギーイオン 源を供給することである。

更に、本発明の他の目的は、単一工程の操業中にイオンビームエネルギーが可変 である、高エネルギーイオン源を供給することである。

また、本発明の他の目的は、デユーティ−サイクルを１００％まで上げられる、 連続方式で高エネルギーなイオンビームを供給することである。

図面の説明 図１は、真空チャンバー断面における装置各部の側面図である。

図２は、プラズマ放電発生部及び本発明の機構の断面図である。

図３は、図２における線分３−３に沿った断面図である。

図４は、図２における線分４−４に沿った断面図である。

図５は、図２における線分５−５から見た図である。

図６は、図１を拡大した冷却剤及び電気の導管の真空チャンバーへの配管のため のハウジングを示した上面図である。

図７は、図６における線分７−７に沿った断面図である。

図８は、図７における線分８−８に沿ったハウジングの左側面図である。

図９は、図６における線分９−９に沿った断面図である。

図１Ｏは、フレア型の陽極部分で使用される、本発明を実施する際に使用される 電気部品の電気図式図である。

図１１は、本発明を実施する際に使用されるソレノイド電源図である。

図１２は、本発明で使用される、典型的な引き出し電極の部分的な正面図である 。

発明の詳細な説明 本発明は、前述のパルス方式イオン注入技術からの劇的な出発を意味する。本発 明において、直流方式による運転を提供するために、操作電力容量範囲、ビーム サイズ、デユーティ−サイクル及び他のパラメータは、前述の方法と本質的に異 なる。本発明における、これらのパラメータは、前述の方法と比べて、事実上、 大雑把に１００倍以上の範囲である。本発明における慎重な設計、構成要素の選 択、及び装置構成をこのような過酷な操業条件に合わせるために、最初は努力を 要した。

以下、本発明の説明を続けて、本発明の装置及びそのプロセスと、本発明におけ る特有の機能との深い関係を説明する。

装置構成要素 薩厘　本発明における陰極は、消耗品である。導電材料がらなり、イオンビーム 生成源となる。陰極は、実際に、電気的に導電性の固体材料で構成される。

例えば、Ｌｉ、　Ｃ，Ｍｇ、　Ａ１．　Ｓｉ、Ｃａ、Ｓｃ、　Ｔｉ、　Ｖ、Ｃｕ 、　Ｍｎ。

Ｆｅ、Ｃｏ、　Ｎｉ、Ｚｎ、　Ｇｅ、Ｓｒ、　Ｙ、Ｚｒ、　Ｎｂ、　Ｍｏ、Ｐｄ 、　Ａｇ。

Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、　Ｂａ、　Ｌａ、Ｐｒ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｇｄ、　Ｄｙ、 　Ｈｏ、　Ｂｒ。

Ｔｍ、　Ｙｂ、　Ｈｆ、　Ｔａ、　Ｗ、Ｉｒ、　Ｐｔ、　Ａｕ、　Ｐｂ、　Ｂｉ 、　Ｔｈ、及びＵのような、非常に広範囲な金属元素が使用される。合金や他の 化合物もまた、陰極材料として使用されつる。典型的な陰極材料は、チタン、コ バルト、イットリュウム、タングステン、モリブデン、シリコン、ステンレスス チール、真鍮、カドミウム、ＦｅＳ、ＰｂＳ、ＴｉＮ、ＳｉＣ，ＷＣ，ＵＣ，Ｃ ，Ｐｔ、そしテｐｂなでである。

本発明において、使用される適当な陰極は、陰極の周囲を取り囲む陽極と相伴っ て動作する。そして、陰極及び陽極のデザインは、相互関係を有する。陰極は、 最初、完全に陽極の穴の中に位置するように設定しなければならない。陰極は、 イオンビーム生成の間、消耗する。陰極は、その質量を失うにつれて、陽極の奥 の方に後退する。典型的には、陽極の取り付は部の方向に後退する。

陰極交換の容易さは、本発明の有用な特徴の一つである。金属丸棒などを陰極に すれば、陰極が消耗する間、ゆっくりと陰極材料を前進させることにより、連続 的な陰極交換が可能である。必要な長さを穴を通して供給することにより、陰極 交換までの寿命を無限に延ばすことができる。

本発明に使用される陰極は、そのサイズ及び形状において、一般的でないが、類 似の陰極が他の異なる技術で使用されている。実際、本発明の陰極形状は、前述 の従来のイオン源の陰極形状と逆比例している。前述のイオン源に用いられる、 長く、薄い陰極に比べ、本発明で使用するものは、短く、厚いものである。

本発明の陰極形状は、長方形、正方形、卵形、円柱形、又はこの類似な形状でも よい。陰極形状の選択は、その材質での運転性能やその形状に仕上げるための費 用に依存する。陰極の最小２等分線長さは、決まって陰極高さよりも大きい。

例えば、円柱形状の場合、陰極直径と高さの関係は、約１・ｌから１００：１で ある。より一般的には、約１０＋１〜３：２である。推奨する比率は、約２：１ である。

陰極のサイズも、また、特にその配置又はその使用条件に依存する。本発明にお ける陰極断面積は、１ｍ２〜１ｃｍ”の範囲で可変である。典型的な範囲（平面 長さくｆｌａｔ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）Ｘ高さ）は、ｌｍＸ２０ｃｍ〜５ｃｍＸ ２　ｃｍである。

本発明における推奨値は、約１０ｃｍｘ５ｃｍである。

許容最大熱負荷を越えないことを保証するために、特別の陰極冷却装置が供給さ れる。前述の装置のイオンガンでは、消耗する陰極の冷却は、決まって熱伝導を 利用したものであった。本発明では、冷却液が陰極に直接接触する。本発明の実 施例の一つにおいては、この冷却液は、単なる水であるが、実際には、どんな冷 却液でもよい。また、この冷却面が、陰極体積に比べて大きいため、冷却効率は 、非常に高められる。

擾壜　本発明における陽極は、陰極を取り囲むように配置され、陰極と共にプラ ズマガンを構成する。本発明の典型的な陽極形状は、円筒形である。本発明の実 施例における円筒形陽極は、陰極と同軸になる。陽極と陰極は、陽極−陰極間に 隙間ができるように設計されている。この隙間は、１〜５ｃｍの範囲であり、本 発明の装置の具体的な実施方法のニーズに依存する。隙間は、概して２〜４ｃｍ であり、推奨値は、約３ｃｍ程度である。発生したプラズマが、この装置のプラ ズマ雲の領域に適切に流れるように、その隙間が選択される。

陽極の直径は、陽極の高さ、陽極材料の密度、及び適切な冷却を保証するために 予想される使用条件の観点から選択される。陰極を取り囲む、陽極材の直径は、 約１〜５０ｃｍの範囲である。典型的な陽極直径は、約１〜２０ｃｍである。推 奨値は、約１０ｃｍである。

事実上、あらゆる典型的な陽極材料を用いることができ、望まれる本発明の装置 の具体的な実施条件、温度、予測されるデユーティ−サイクルの観点から選択さ れる。陽極サイズの比率及び絶対値は、選択された陽極材料の製作限界の観点か ら選択される。

許容最大熱負荷を越えないことを保証するために、特別の陽極冷却装置がオプシ ョンとして供給される。この冷却装置は、過酷なデユーティ−サイクルを考えて いる場合に、特に有用である。また、特に高いイオンビームエネルギーでの運転 を予定している場合にも重要である。

本発明において、オプションとして使用される陽極冷却装置は、数ある標準的な 構成の内の１つでよい。特に推奨するデザインは、コイルの中を水が連続的に循 環するタイプのものである。このコイルは、構成上、陽極と同軸でかつ陽極を取 り囲む、大円筒形である。

トリが一手段　本発明の装置では、再使用できるトリが一手段が用いられている 。そのトリガー手段としては、レーザー、ガス発火、高電圧火花等を含む。本発 明の実施例では、トリガー手段として、火花が用いられる。プラズマ点火の間、 陰極は陽極に溶着するのを避けるために、火花発生チップの末端には、耐溶着性 の材料が用いられる。本発明では、複数回数使用のトリが一手段が用いられるた め、アーク放電が消失に近い状態のときも、再トリガーとして使用され、運転プ ロセスを事実上中断させることはない。

本発明の火花トリが−においては、発生したプラズマ流の障害になるのを避ける ために、かつ、トリガー機構を保護するために、スナップバック方式（パチンと はじき戻る）を用いる。陽極壁面に開けた小穴に火花チップが入る構造であり、 付帯の火花電源を陽極−陰極間の隙間の外側に配置させることができる。この配 置により、トリガー機能の信頼性をより高めることができる。

磁場によるプラズマ誘導法　陽極−陰極の隙間からプラズマ雲を誘導するための 、磁場印加手段が、本発明のオプション的特徴である。この磁場による特徴は、 ドリフト長さが約０、ｌ　ｍ−１ｍの領域で用いられる。そして、生成磁場は、 約０〜１ｏＯＧａｕｓｓの範囲で可変であり、典型的には、１００Ｇａｕｓｓで あるが、θ〜５，０ＯＯＧａｕｓｓの範囲内で可変である。推奨値は、２０〜２ ００Ｇａｕｓｓである。本発明のいくつかの観点において、このプラズマ誘導は 、本発明の装置を最適効率にする。更に、プラズマ流やプラズマ雲を、イオン引 き出し機構に流すことができれば、コンポーネントの配置に多様性を出せる。

磁場を電磁石により形成するときには、イオン引き出し電極に到達する、プラズ マの割合を制御することが可能になる。即ち、磁場の強度が可変のため、それに より、引き出し電極に誘導されるプラズマ雲の割合を変えることができる。この ようにして、イオンビーム強度を制御することができる。また、装置が連続運転 中でも、強度を調整することができる。これにより、微細な調整が可能になると 共に、単一アークでの運転中に複数のプロセス条件で運転できることになる。

化を避けるため、イオン引き出し手段は、頑丈でなければならない。しかし、い くら頑丈な構造でも、一般的に、およそ数時間の連続イオンビーム生成で性能劣 化する。それゆえ、この発明の一面においては、消耗したイオン引き出し手段の 、容易な交換が提供される。

本発明におけるイオン引き出し手段は、幾つかのよく知られたタイプで成しつる 。この発明の一面として、グリッドが用いられる。このグリッドの直径は、陽極 直径の約１−１００倍である。典型的なグリッドサイズは、陽極直径の約２〜１ ０倍であり、推奨値は、約５倍である。

複数のグリッドは、しばしば平行に配置される。そして、本発明においても、平 行に配置された複数のグリッドが使用される。プラズマからイオンビームを形成 するために、複数のグリッドの内、２枚のグリッド間に高電圧が印加される。

最も外側のグリッドは、一般に、接地されている。最も内側のグリッドは、一般 に、“引き出し電位″（イオンビームが形成されるエネルギー状態）で使用され る。真ん中のグリッドは、通常引き出し電位値の約５〜１０％の負電位であり、 電子の流れを妨げる役目をする。

陰極から輸送される多量の陰極材料のために、プラズマ輸送領域は、装置におけ る一種の灰収集領域になると考えられる。このため、本発明における引き出しグ リッドは、かなり頻繁に交換する必要がある。このような場合、これらのグリッ ドは、安価でかつ簡単に交換できるように設計される。

本発明の一面として、非常に大面積の引き出しグリッドが提供される。これらの グリッドは、複数であり（例えば、３枚）、複数の穴を有する円板状で、直径は 、約５０ｃｍである。これらは、アルミニウムのような強（て丈夫な材料で作ら れる。その厚みは、２〜１０ｍｍであり、推奨値は、４．７ｍｍである。ビーム 透過穴の直径は、約１ｃｍである。グリッドサイズや本発明の実施の具体的条件 に依存するビーム透過穴の数は、■００〜１０．０００であり、推奨穴数は、約 １．０００である。引き出し電極間距離は、１ｃｍの範囲内で、光学上の透過率 は、３０〜８０％の範囲であり、推奨値は、５０％である。

構成と運転パラメータ アーク電流　本発明では、連続的なイオンビーム生成において、従来の方法より かなり高いアーク電流レベルを供給する。本発明の一実施例で、アーク電力は、 ２ｋＷ程度で消失し、ビーム電力は、５０ｋＷ程度で消失する。一方、本発明の 装置では、アーク電流の調整が可能である。しかし、アーク電流値を任意に下げ ることができない。例えば、アーク電流値がＩＡでは、この値に至るまでにアー クが消失してしまい、運転することができない。

真空アーク技術については、次の特性がよく研究されている。即ち、アークが消 失しないための最小電流値が存在し、その値以下では陰極表面のアークスポット が消失する。（参照：　Ｖａｃｕｕｍ　Ａｒｃｓ−Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ａｐ ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、　Ｊ、Ｉｔ　Ｉ、ａｆｆｅｒｙ、@ｅｄ、。

Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　ａｎｄ　５ｏｎｓ、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｔ　１９８０．　 ｒｎｃｏｒｐａｒａｒｅｄ　ｈｅｒｅｉｎ　ｂｙ　ｒｅｆｅ窒■獅モ■j。

このようなアーク生成の絶対的な制限があるので、本発明におけるイオンビーム 電力の調整には限度がある。

この最小アーク電流値は、約１０ＯＡとらなければならない。また、幾つかの陰 極材料については、より高いアーク電流値が要求されるであろうし、幾つかにつ いては、より低いアーク電流値でもよいかもしれない。これらは、熟練した装置 運転者により、識別されりいくであろう。このように、電力消失及び冷却は、陰 極構成や引き出しグリッドサイズのようなパラメータの選択を変えさせる一番の 関心事である。

の装置機能部に特別の冷却装置が供給される。高エネルギー下での長時間連続運 転において、その機能を果たすには、これらの冷却機構のいくつかが必要になる 。

本発明の装置においては、高電力下での連続運転の間に、陰極の表面（前面）か ら大量の熱を発生する。発明者らは、陰極の設計において、陰極背面を効率よ（ 水冷するために、陰極形状を平らな円柱形にした。従来、熱伝導法にほり、うま く冷却しようとした試みと違い、本発明では、冷却水を直接陰極に接触させる。

この冷却方法により、過熱されるのを最適に防止することができる。

本発明において、陽極は、もう一つの熱発生源である。しかし、陰極の場合と違 い、ある一定の実施方法により、陽極の冷却なしで、陽極は、容認できるレベル の機能を果たすことができる。陽極加熱のいくらかは、陽極自体の機能から直接 受けることになる。さらなる陽極加熱の源は、陽極が取り囲んでいる陰極からの 熱である。前述のように、本発明の一つの面として、陽極は、同軸の水冷コイル で冷却される。

もし、イオンビーム強度がプロセス操業中に変化すれば、陰極質量の百分率とし ての注入率は、決まって低下する。引き出し電極に誘導されるプラズマ雲領域に おける、プラズマ量を低減するために磁場を用いることにより、ビーム電力が減 少するときに、この注入効率が低下する効果が顕著になる。このように、陰極材 料の節約が必要であるとき、ビームアークと引き出し電極との間の距離を調整す ることにより、ビーム強度を制御することが選択の方法である。

アーク放電による陰極材料の蒸発で、陰極質量が減少する速度については、多く の研究者により研究されている。（参考：　Ｃ，Ｗ、Ｋｉｍｂｌｉｎ、　Ｊｏｕ ｒｎａｌ　ｏｆ　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ、　Ｖｏｌｕｍｅ　４４．　ｐ ａｇｅ　３０７４．１９７３．及び１．Ｇ、Ｂｒｏｗｎ、　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎ ｓ、　Ｐｌａ唐高■ Ｓｃｉｅｎｃｅ、　ＰＳ−１８，ｐａｇｅ　１７９．１９９０．１ｎｃｏｒｐｏ ｒａｔｅｄ　ｈｅｒｅｉｎ　ｂｙ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）　A殆ど の金属のアーク放電による蒸発速度は、アーク電流の１クーロンあたり２０〜６ ０μｇである。このような場合に、必要あん陰極質量は、安定した運転の下で、 −日あたり１ｋｇのオーダーである。

ビーム電力の制御　アーク電流値は、任意に減少させることができない。それで もなお、本発明の手法において、使用者は、ビーム電流値を広範囲に変えること ができる。そして、ＩＡのかなり低いレベルまで変えることもできる。これは、 ２つの別々な制御手段をそれぞれ単独に又は−緒に用いることにより成し遂げる ことができ、前例のない、ビーム電流値の制御を供給する。２つの別々な制御手 段をそれぞれ単独に或いは一緒に用いることにより、引き出し電極に輸送される プラズマ量を直接制御する。それゆえ、低いビーム電流値でも生成できる。

ビーム電流調整の最初の手段において、直流プラズマガンが引き出し電極からあ る距離（１０ｃｍ〜最大１ｍまで可変）の位置に設置されている。従来、これは 、アークの点火に用いられる。今回の発明の具体的実施例の１つにおいて、アー ク点火は、装置の陽極、陰極部に取り付けられた丸棒により機械的に成しえる。

本発明における他の具現化として、モーター化或いはロボット化による自動制御 により、正確なスペーシングを可能とし、その結果、ビーム電流を制御できる。

これは、運転者が運転状態を監視する必要性を避けるための、自動化に基づき構 成しうる。その結果、正確な運転制御を可能とする。大量生産時における処理品 の自動設定と同様、運転中の周期的な自動調整も可能である。

アークビーム電流値制御方法の２番目において、プラズマ輸送領域は、０〜１０ ０Ｇまで連続的に可変である、ソレノイド磁場に浸されている。この磁場は、引 き出し電極に到達するプラズマ雲の割合を制限することにより、イオンビーム強 度を制御する。このイオンビーム強度は、ビーム引き出しプレートのノくイアス ミ圧を変えることによっても制御できる。

を提供する。本発明以前は、固体材料のイオン注入を大面積に行うことはできな かった。それゆえ、本発明の装置及び方法により、大型タービンブレード、種々 のエンジン部品、及び大型工業部品等の広範囲な分野にイオン注入を適用できる 。

新しい合金表面も生成しうる。

本発明のもう一つの革新は、製造上のニーズや要求に応じて、注意深くイオンビ ーム電力を調整できる機能である。これゆえに、材料表面へのイオンの浸透は、 注意深く制御される。更に、イオン衝撃エネルギーによる、注入処理された表面 の温度上昇は、正確に制御でき、理想的な温度状態が維持される。この機能は、 特に超伝導や半導体分野に応用できる。例えば、本発明により大面積の超伝導膜 を形成することができ、注入処理後、ある目的のために膜を細長く切断すればよ い。

熱に弱い材料を処理する機能は、本発明におけるイオンビーム強度が可変である 特徴により、また、大面積にかなり低エネルギーのイオン注入を提供することに より達成される。この能力は、ガラス、プラスチックス、及び高温に敏感な他の 材料においては、特に適用性が高い。色付きガラス及び金属被覆ガラスは、自動 的な色調変化に適用できる。

ビームサイズ　本発明の装置における、固体材料源からの大面積カリ連続イオン ビーム生成機能は、本発明がどいかに優れているかの証明である。ビームサイズ は、ビームの最大断面で測定される。本発明において、装置の構成部品を変える ことにより、また、パラメータの設定値を変えることにより、広範囲なイオンビ ームサイズを得ることができる。ビームは、約１０ｍ−１０ｃｍの範囲内で効率 よく生成できる。より典型的なビームサイズは、約５ｍ〜５０ｃｍであり、推奨 値は、約１ｍである。

最適ビーム電力の提供　本発明において、直流ビーム電力は、従来の装置に比較 して高い。本発明は、大面積ビームを生成するために設計されており、これは、 注入基板の溶融の可能性を軽減する。さもなくば、信用できない注入ターゲット になってしまう。この設計は、またビーム生成電極自体にて、適当なビーム電力 密度の消失を可能にする。

発明者らは、大面積ビームを用いることにより、ビームの大断面積を得ることが できた。但し、これについては、引き出し電極より前で、金属プラズマを幾分床 げる操作をしている。前例のない、大ビーム面積を達成したもう一つの要因は、 非常に大面積のビーム形成電極、即ち、引き出しグリッドを利用したことによる 。

実施例 本発明の連続方式高電流金属イオン源ｌＯは、その構成要素の１つとして、終端 部１４．１６、円筒側面部１８を有する真空チャンバー１２を含む。終端部１６ は、その内表面２４の上にターゲット２２を有する凹部２０を含み、イオン源ｌ Ｏで生成したイオンビームを矢印２６の方向に受ける。

真空容器１２は、ルーサイト、ガラス等のような絶縁性材料で製作される。真空 容器１２を分解した形状は、円筒形であり、その中の真空チャンバー２８を規定 している。図２を参照すると、プラズマ発生領域３０は、断面で描かれ、チャン バー２８の中に位置する。プラズマ発生領域３０は、陰極３２とそれを囲む陽極 ３４を含む。陰極３２は、従来のパルス方式の真空アークイオン源のそれと比べ ると、比較的大きい。図２に示されているように、陰極３２は、約直径３インチ ー厚み１インチである。陽極は、約直径３インチである。

図示された手段３６は、陰極３２を冷却するためのものである。手段３６は、軸 要素４２を通る配管３８．４０からなる。配管３８及び４０は、銅で作られ、一 方、外管４４を含む軸要素４２は、ステンレススチールで作られる。図示された 手段４８は、陽極３４を冷却するためのものである。手段４８は、陽極３４の外 面４６に溶接された螺旋要素５４に導通する配管５０及び５２よりなる。配管５ ０及び５２は、配管３８及び４０と電気的接触はないが、陰極３２及び陽極３４ の冷却に使用される液体が繋がっている。図４を参照すると、配管５６及び５８ が、締め付は具６４により金属ディスク６２に固定されたブロック６０を通り、 配管５０及び５２に液体を供給することが観察できる。開口部６６及び６８は、 配管５６及び５８における迂回口を表わす。軸要素４２は、外管４４の端７２を 保持する金属プレート７０を含む。絶縁スペーサ７４は、金属プレート７０と金 属ディスク６２を分離する。複数のＯ（オー）リングシール７８は、液体が漏れ て、通路８０の外へ漏れるのを防ぐ。プレート７０及びディスク６２は、真鍮又 はそれと類似の材料で作られる。スペーサ７４は、デルリンのような、耐熱性プ ラスチックス材料で作られる。絶縁カップ８２は、金属ディスク６２と陰極３２ の背面８６を押す金属要素８４を分離する。金属リング８８は、陽極３４を金属 ディスク６２に繋げる。金属配管３８及び４０は、また、陰極３２及び陽極３４ に電流を運ぶ。例えば、配管３８は、電流を金属要素８４を通して、電流を陽極 ３４に運ぶ。注意として、配管３８及び４０は、配管５０及び５２との電気的接 触を避けるために、配管５０及び５２と離れた端部９０及び９２を含む。

通路９４及び９６は、配管３８及び４０、配管５０及び５２からの液体の流入を 電気的接触なしで可能にする。

手段９８は、図２における陰極３２からの連続プラズマ放電のトリガー機構に含 まれる。手段９８は、連続的なプラズマ放電の生成を開始するためのある一定時 間内、アーク電流を陰極３２に運ぶための手段１００を含む。このような運搬手 段においては、丸棒１０２は、タンタルのような耐溶融性の材料でつくられる。

図２及び図５に示すように、丸棒１０２は、少し曲がっており、スリーブ１０６ を含むホルダー１０４に固定される。スリーブ１０６は、割れ目の入った電極箱 （ｓｐｌｉｔ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｂｌｏｃｋ）　１０８とＬ形アーム１１０を 結合する。導線１１２は、電極１０８にピン１１４て電気的に結合されており、 この導線１１２を通して、電気コネクター１１６からイオン源に電流を流す。そ して、後述するように、イオン源に電流を発生させる。陽極３４の開口部１１８ を通る棒１０２は、陰極３２の前表面１２０に接触することができる。Ｌ形アー ム１１０は、旋回軸要素１２２（具体的には、図２及び図３における旋回軸ピン １２４）を中心に回転する。図１０における電気的スイッチング機構１３０によ り、ソレノイド１２６及び１２８が作動し、このソレノイド１２６及び１２８に より、旋回軸ピン１２４が作動する。電極１３４の導線１３２は、旋回軸要素１ ２２における導電体１３６に、スイッチング機構からスイッチング電流を供給す る。電流は、通路８０又はチャンバー２８への他の適当な入口を通して、電気コ ネクター１１６に達し、そこから、導線１１２を通して電極１０Ｂに供給される 。図３において、クランプ１３８と締め付は手段１４０が旋回軸要素１２２を配 管４４に固定する。

再び図１を参照して、陰極３２とイオン引き出し手段１４４との間の距離を調整 するための手段１４２を観ることができるが、これについては、後述する。配管 ４４は、真空容器１２の端面１４に、ブッンユ１４６及びボルト締め付はフラン ジ１４８により支持される。配管４４回りのシール１５０は、チャンバー２８内 の真空を破ることなしに、配管４４を方向矢印１５２に従って動かすことができ るようにするためのものである。

図６〜図９に話を進める。図６及び図７において、金属配管３８及び４０は、ス テンレススチール製配管４４の中を通り、金属クランプ１５６及び複数の締め付 は具１５８を用いることにより、支持体１５４に固定されている。図９において 、冷却液人口１６０及び１６８は、支持体要素１６４にて配管３８及び４０に繋 がっている。更に、電気コネクター１６６及び１６８は、絶縁ブロック１７０に ボルトにて固定されており、絶縁スペーサ１７６及び１７８内にある電気クラン プピン１７２及び１７４に繋がっている。電気クランプ１８０及び１８２は、ピ ン１７２及び１７４を配管３８及び４０に固定する。このようにして、電気コネ クター１６６及び１６Ｂは、陰極３２及び陽極３４に電流を流す。チャンバー内 において、プラズマ生成ユニット１８２の機械的片持ち梁を提供するステンレス チューブ４４の端部にて、ブロック１７０、スペーサ１７６、及び支持体１５４ は、冷却剤及び電気の供給筺体（ｓｕｐｐｌｙ　ｈｏｕｓｉｎｇ）を形成する。

図１に戻って、選択的なソレノイド１８４は、磁場の生成により、プラズマ生成 ユニット１３２で生成したプラズマを制限する。プラズマブルームにより加熱さ れるソレノイド１８４を複数の冷却管が取り囲む。電気コネクタ１８８及び導線 （図示省略）が、ソレノイド１８４に電流を供給する。更に、旋回軸要素１２２ における、配管３８及び４０から流入する冷却剤を配管１９０及び１９２が、ソ レノイドを通して循環させる。円錐状の要素１９４　（図１に部分的に図示）は 、陰極３２にて発生したプラズマの拡散のために用いられるソレノイドの代替に なりつる。この場合、円錐状の要素１９４を収容するために、真空容器１２の形 状は、より大きくなる。後述するように、円錐状の要素１９４は、陽極３４と電 気的に繋がっており、陽極の一部である。

図１にて、グリッド対１９６及び１９Ｂとして描かれた、イオン引き出し手段１ ４４には、組合せ自由度がある。グリッド１９６は、高電圧グリッドであるが、 一方、グリッド１９８は、接地グリッドである。引き出し手段１４４においては 、様々なグリッド組合せが可能であることを言っておきたい。いかなる場合でも 、真空チャンバー内の絶縁リング２００に設置されるグリッド１９６が高電圧グ リッドである。図１２に描かれているように、グリッド１９６及び１９８は、複 数の穴２０２を有する金属プレート２０１のように、かなり単純な構造である。

グリッド１９６及び１９８は、使用されるいかなるグリッドと同様に、金属の表 面被覆が発生したならば、使い捨てができかつイオン源１０内で容易に取替えが できるものであることを予想している。

図１Ｏについては、これまで各要素について説明されたことが、図１０の図式的 な内部配線図に示されていることが明らかであろう。電気式スイッチング機構１ ３０は、作動接点２０６及び２０８をもつ２方向３ポジション切替え方式２０６ の電源２０４を含む。接点２０８は、ソレノイド１２６に、一方、接点２１０は 、ソレノイド１２８に繋がっている。ソレノイド１２６は、棒１０２を陰極３２ に接触させる役目を、一方、ソレノイド１２８は、棒１０２を陰極３２から離す 役目をする。この手段により、棒１０２の陰極３２への瞬間的な接触がなされる 。レーザービームのような他のトリガリング手段９８は、棒１０２の代わりに用 いられうる。陰極３２は、Ｍｉｌｌｅｒ　ＷＣＰ−２６０ＴＳ電源（５０Ｖｏ　 ｌ　ｔ、　２５０ａｍｐ、のＤＣ出力）等のようなアーク電源２１２から電力を 供給される。絶縁トランスＴＩは、ＡＣ電源２１４からのいかなる障害をも遮る 。アーク電源２１２は、また、陽極３４、及び円錐状の要素１９４にも接続され る。このように、円錐状の要素１９４は、陽極３４と同電位になる。イオン引き 出し手段１４４は、電源２１８から電力を受け、かつ抵抗Ｒ２の抵抗値を１０に Ωに制限するプラズマグリッド２１６を含む。スイッチ手段２２０は、プラズマ グリッド電源２１３とキャパシタＣ１（０，１ＭＦａｒａｄ）との間のスイッチ ングを行うものである。キャパシタＣＩは、サプレッサグリッド２２６と接地グ リッド２２８の調整手段２２４の一部として使用される。火花ギャップ２３０は 、グリッドがスパークオーバーはブレークダウンするのを許す。それゆえ、高電 圧操作に適する。キャパシタＣ２（０゜５ＭＦａｒａｄ）は、この火花ギャップ 機能を援助する。サプレッサグリッド電源２３２及びサプレッサグリッド２２６ は、プラズマグリッド２１６と共に、陰極３２でのプラズマ放電で発生するイオ ンを引き出す。勿論、イオンビームは、接地グリッド２２８を通った後、ターゲ ット２２に誘導される。本発明の具現化においては、図１に示されたソレノイド １８４を用いるが、図１１に示された可変ソレノイド電源２３４と共に用いても よい。

次に、本発明における連続方式高電流金属イオン源１０の使用例を説明するが、 これは、本発明の範囲を限定するものではない。

例１： 図１に示された装置は、チタン陰極を用いて安定に運転された。３０分投了−ク 電源２１２のスイッチを切ることにより運転を終了した。アーク電流値が約１５ ＯＡの一定条件のもとに、幾つかのテストが実施された。プラズマイオン電流は 、下流のターゲッート２２にて、６Ａと測定された。幾つかの運転の間、引き出 されたビームサイズ測定のために、一連のビーム形成用電極が設置された。ビー ムサイズは、直径２０ｃｍと決められた。このようなビーム引き出しに使用する 電源は、約１０ｋＶ−ビーム電流２００ｍＡであった。

次の表は、種々の金属構造をもつ陰極からの、連続プラズマ放電を維持するため に必要最小電流値を表したものである；Ｍｏ（モリブデン）３００−４００Ａ Ｔｉ（チタン）　約２００Ａ Ｃｕ（銅）　約１００Ａ Ｃｄ（カドミウム）’　５０Ａ（推定）運転において、使用者は、ターゲット２ ２を真空容器２８内に設定する。陰極３２及び陽極３４は、配管３２及び３４を 通る液体で冷却される。トリガー手段は、ソレノイド１２６とスイッチング回路 １３０を用いることにより、棒１０２を陰極３２に接触させるように回転すれば 作動する。棒１０２から陰極３２へのアーク電流印加において、ソレノイド１２ ８を用いた旋回軸要素１２２を用いることにより、棒１０２は、すぐに引っ込め られる。これにより、陰極３２と陽極３４は、連続方式にて多量のプラズマブル ームを生成させるために相互作用する。

プラズマブルームは、プラズマ発生領域３０にて始まり、ドリフト領域２３６を 通り抜ける。ソレノイド１８４のようなソレノイドを使用した場合には、プラズ マ放電又はプラズマブルームは、ドリフト領域２３６の範囲内に制限される。一 方、円錐状の要素１９４は、プラズマ膨張に用いられ、ある意味では、イオン引 き出し手段１４４に入る前における、プラズマブルーム強度の希薄化になる。更 に、手段１４２は、陰極３２と引き出し手段１４４との距離を調整するために用 いられる。軸部品４２は、シール１５０を通して方向矢印１５２に沿ってスライ ドする。手段１４４と円錐状の要素１９４は、アーク電源２１２からの電流をあ る一定値に維持している間、プラズマ放電強度を特定の陰極材料に釣り合うよう に制御するための手段２３８であると考えられる。図１Ｏにおいて、グリッド２ １６．２２６及び２２８を通った後、高強度のイオンビームが、注入を目的にタ ーゲットに到達する。陰極３２は、最小電流を維持てきなくなるくらい消耗する まで、連続的に運転できることが判明した。図１２において、その構造を説明し た、グリッド２１６，２２６及び２２８は、容易に交換可能でカリ消耗部品と考 えるべきである。

フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、　ＳＥ）、　ＣＡ、 ＪＰ、　ＫＲ （７２）発明者　マツクギル　ロバート　エイアメリカ合衆国　カリフォルニア 州 ９５８０５　リッチモンド　カーノ　ストリート　６４５ （７２）発明者　ガルヴイン　ジェームズ　イーアメリカ合衆国　カリフォルニ ア州 ９４６０８　エメリーヴイル　２７６　コモドアドライブ　２ （７２）発明者　ディッキンソン　マイケル　アールアメリカ合衆国　カリフォ ルニア州

Claims (57)

【特許請求の範囲】
1. １．連続真空アーク幅広ビームイオン源装置であって、ａ）直接接触する冷却手 段を有し、導電性固体材料の消耗的な陰極、ｂ）冷却手段を任意に含み、プラズ マ源を形成すべく前記陰極を取り囲む環状陽極、 ｃ）前記陰極と前記陽極の間にプラズマアークを起こすための多重使用トリガー 手段、 ｄ）任意の、磁場プラズマ誘導手段、 ｅ）イオン引き出し手段、 ｆ）任意の、前記プラズマ源−前記イオン引き出し手段間の間隔調整手段、ｇ） 前記装置の構成要素を包囲する真空チャンバーを備えることを特徴とする連続真 空アーク幅広ビームイオン源装置。
2. ２．前記陰極の最小２等分線長さに対する該陰極の高さの割合は、約１：１〜１ ００：１であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ３．前記陰極の最小２等分線長さに対する該陰極の高さの割合は、約１０：１〜 ３：２であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. ４．前記陰極の最小２等分線長さに対する該陰極の高さの割合は、約２：１であ ることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. ５．前記陰極の最小２等分線長さに対する該陰極の高さの割合は、約１ｍ×１ｍ 〜１ｃｍ×１ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. ６．前記陰極の最小２等分線長さに対する該陰極の高さの割合は、約１ｍ×２０ ｃｍ〜５ｃｍ×２ｃｍであることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. ７．前記陰極の最小２等分線長さに対する該陰極の高さの割合は、約１０ｃｍか ら５ｃｍであることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. ８．前記陰極は、長方形、正方形、卵形、または円柱形のいずれかであることを 特徴とする請求項１に記載の装置。
9. ９．前記陰極は、金属からなることを特徴とする請求項１に記載のイオン源装置 。
10. １０．前記陰極は、Ｌｉ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ 、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、 Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｃ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、 Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂ ｉ、Ｔｈ、及びＵからなることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. １１．前記陰極は、化合物又は金属合金からなることを特徴とする請求項１に記 載の装置。
12. １２．前記陰極は、チタニウム、コバルト、イットリウム、タングステン、モリ ブデン、シリコン、ステンレススチール、真鍮、カドミウム、ＦｃＳ、ＰｂＳ、 ＴｉＮ、ＳｉＣ、ＷＣ、ＵＣ、Ｃ、Ｐｔ及びＰｄ等からなることを特徴とする請 求項１１に記載の装置。
13. １３．前記陰極は、冷却手段を有し、当該冷却手段の冷却剤は、該陰極表面に直 接接触することを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. １４．前記陽極の最小２等分線長さは、約１〜５０ｃｍであることを特徴とする 請求項１に記載の装置。
15. １５．前記陽極の最小２等分線長さは、約１〜２０ｃｍであることを特徴とする 請求項１４に記載の装置。
16. １６．前記陽極の最小２等分線長さは、約１０ｃｍであることを特徴とする請求 項１５に記載の装置。
17. １７．前記陽極は、冷却手段を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
18. １８．前記冷却手段は、同軸冷却コイルであることを特徴とする請求項１７に記 載の装置。
19. １９．前記陽極と前記陰極の隙間は、約１〜５ｃｍであることを特徴とする請求 項１に記載の装置。
20. ２０．前記陽極と前記陰極の隙間は、約２〜４ｃｍであることを特徴とする請求 項１９に記載の装置。
21. ２１．前記陽極と前記陰極の隙間は、約３ｃｍであることを特徴とする請求項２ ０に記載の装置。
22. ２２．前記トリガー手段は、レーザー、ガス発火器、又は火花発生器であること を特徴とする請求項１に記載の装置。
23. ２３．前記トリガー手段は、当該トリガー手段のチップが耐溶融性材料で構成さ れた火花発生器であることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. ２４．前記トリガー手段は、機械的なスナップバック手段を備えていることを特 徴とする請求項２２に記載の装置。
25. ２５．前記磁場プラズマ誘導手段は、電磁場発生器であることを特徴とする請求 項１に記載の装置。
26. ２６．前記電磁場発生器は、磁場を約０〜５０００ガウスの間で可変できること を特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. ２７．前記電磁場発生器は、磁場を約２０〜２００ガウスの間で可変できること を特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. ２８．前記電磁場発生器は、磁場を約１００ガウスの範囲で可変できることを特 徴とする請求項２６に記載の装置。
29. ２９．前記イオン引き出し手段は、前記陽極の直径の約１〜１００倍であること を特徴とする請求項１に記載の装置。
30. ３０．前記イオン引き出し手段は、前記陽極の直径の約２〜１０倍であることを 特徴とする請求項２９に記載の装置。
31. ３１．前記イオン引き出し手段は、前記陽極の直径の約５倍であることを特徴と する請求項３０に記載の装置。
32. ３２．前記イオン引き出し手段は、多重グリッドの形式であることを特徴とする 請求項１に記載の装置。
33. ３３．前記イオン引き出し手段は、マルチアパーチャでありかつ直径が約５０ｃ ｍであることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
34. ３４．前記グリッドは、厚みが約２〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項３ ３に記載の装置。
35. ３５．前記グリッドは、厚みが約４．７ｍｍであることを特徴とする請求項３４ に記載の装置。
36. ３６．前記アパーチャは、直径が約１ｃｍであることを特徴とする請求項３３に 記載の装置。
37. ３７．前記マルチアパーチャは、約１００〜１０，０００個のアパーチャで構成 されていることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
38. ３８．前記マルチアパーチャは、約１，０００個のアパーチャで構成されている ことを特徴とする請求項３７に記載の装置。
39. ３９．前記プラズマ源一イオン引き出し手段間の間隔調整手段は、該イオン引き 出し手段に対するプラズマ源の位置を約１０ｃｍ〜１ｍの範囲内で調整できるこ とを特徴とする請求項１に記載の装置。
40. ４０．真空アークイオン源であって、固体導電性材料の消耗的な陰極から、連続 的な高エネルギーの幅広のイオンビームを生成する装置を備えることを特徴とす る真空アークイオン源。
41. ４１．ビーム電力は、約１ｗ〜１０Ｍｗの範囲であることを特徴とする請求項４ ０に記載の真空アークイオン源。
42. ４２．ビーム電力は、約１Ｋｗ〜１Ｍｗの範囲であることを特徴とする請求項４ １に記載の真空アークイオン源。
43. ４３．ビーム電力は、約５０Ｋｗであることを特徴とする請求項４２に記載の真 空アークイオン源。
44. ４４．ビーム電流は、約０．００１〜１，０００Ａの範囲であることを特徴とす る請求項４０に記載の真空アークイオン源。
45. ４５．ビーム電流は、約０．０１〜１００Ａの範囲であることを特徴とする請求 項４４に記載の真空アークイオン源。
46. ４６．ビーム電流は、約１Ａであることを特徴とする請求項４５に記載の真空ア ークイオン源。
47. ４７．ビーム横断長さは、約１０ｍ〜１０ｃｍであることを特徴とする請求項４ ０に記載の真空アークイオン源。
48. ４８．ビーム横断長さは、約２５ｃｍ〜２ｍであることを特徴とする請求項４７ に記載の真空アークイオン源。
49. ４９．ビームサイズは、約１ｍであることを特徴とする請求項４８に記載の真空 アークイオン源。
50. ５０．イオン注入の方法であって、幅広のビームで導電性固体材料の高エネルギ ーイオンビームを材料の表面に注入することを特徴とするイオン注入の方法。
51. ５１．前記処理される表面は、熱に敏感な材料よりなることを特徴とする請求項 ５０に記載のイオン注入の方法。
52. ５２．前記熱に敏感な材料は、ガラス、プラスチックス、高Ｔｃ超伝導体、又は 半導体であることを特徴とする請求項５１に記載のイオン注入の方法。
53. ５３．前記処理される表面は、大型タービンブレード、エンジン部品、又は大型 工業部品上であることを特徴とする請求項５０に記載のイオン注入の方法。
54. ５４．運転時間は、約１０分〜５０時間であることを特徴とする請求項５０に記 載のイオン注入の方法。
55. ５５．運転時間は、約３０分〜２５時間であることを特徴とする請求項５４に記 載のイオン注入の方法。
56. ５６．運転時間は、約８時間であることを特徴とする請求項５５に記載のイオン 注入の方法。
57. ５７．請求項５０〜５６のいずれかに記載の方法によって製造された製品。