JPH0662448U - 負イオンビ−ム発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セシウム蒸気をプラズマにして正イオンビ−
ムとしタ−ゲット電極に当てるようにした従来の負イオ
ンビ−ム発生装置はセシウムが他の電極に付着して材料
の無駄が多くまた電極間のブレ−クダウンを誘発するこ
ともあった。セシウムの損失を防ぎ、ブレ−クダウンの
可能性の少ない負イオンビ−ム発生装置を提供する。 【構成】 タ−ゲット電極の近くにセシウムの蒸発源を
設ける。正イオンビ−ムは常温で気体であるガスをプラ
ズマにすることによって生成する。セシウムの材料的な
無駄を回避しブレ−クダウンの可能性も減少する。正イ
オンビ−ムの制御性も良くなる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は負イオンビ−ム発生装置に関する。特に電極間のブレ−クダウンの 発生を防ぎ、セシウムの損失を少なくする改良に関する。 負イオンというのは、中性原子分子に電子が余分に付着することにより負電荷 を帯びたものである。ここでは溶液中のイオンではなく真空中に存在するイオン をいう。

【０００２】 負イオンが空間的に集中し一方向に飛行している状態が負イオンビ−ムである 。負イオンビ−ムを作るには次のようにする。真空中で、負イオンとしたい材料 で作ったタ−ゲットと、セシウムの蒸発源と、イオン源とを設ける。イオン源に セシウムの蒸気を導きこれをプラズマとする。イオン源から中性のセシウムが少 しずつしみだして、タ−ゲットに付く。この中性セシウムがタ−ゲットの仕事関 数を下げる。電子はタ−ゲットの中の原子が作るフェルミ準位まで多数存在する が、フェルミ準位が上がり仕事関数が下がるのである。

【０００３】 セシウムの正イオンビ−ムがタ−ゲットに衝突しこれの表面をスパッタする。 タ−ゲットの原子分子が表面から叩きだされる。これをスパッタ粒子と呼ぶ。ス パッタ粒子がタ−ゲットの表面に存在する。スパッタ粒子は電子に対して深いポ テンシャルを持っている。これはスパッタ粒子の電子親和力に由来するものであ る。スパッタ粒子とタ−ゲット原子の距離が小さい時、仕事関数の低下したタ− ゲットからトンネル効果により電子がスパッタ粒子に移動する。スパッタ粒子が 電子を受容するので負イオンとなる。タ−ゲットとこれより後方の電極の間には 電圧が印加されているので、負イオンが加速されて外部にビ−ムとして取り出さ れる。

【０００４】 つまりセシウムは中性の状態と、正イオンとしての状態の２状態でタ−ゲット に接触する。中性のセシウムと、正イオンのセシウムは機能が異なる。つまりセ シウムを二様に利用している。

【０００５】

【従来の技術】

図２は従来例に係る負イオンビ−ム発生装置の概略構成図である。全体が真空 容器の内部にあり、これらの部材は真空中にある。真空容器は簡単のため図示を 略す。プラズマ電極１、引出し電極２、タ−ゲット電極３、接地電極４が一直線 上に並んで設けられる。これらの電極は中心にイオンビ−ムを通すための開口を 持っている。プラズマ電極１はプラズマ生成室５の出口に設けられる。

【０００６】 正イオンを造りこれをタ−ゲット電極３にあてて負イオンを作るので、電圧は 初めのプラズマ生成室５、プラズマ電極１ではほぼ接地電位、最後の接地電極４ も接地電位である。しかし中間の引出し電極２とタ−ゲット電極３は負電圧にな っている。つまり電圧はビ−ムの進路に沿って、０→負→０というふうに変化す る。

【０００７】 セシウムの蒸気を生成するために、オ−ブン６があり、これがプラズマ生成室 ５に接続されている。オ−ブン６はヒ−タを有し、内部に収納されているセシウ ムを加熱しこれを蒸気とする。ここでできたセシウムの蒸気は、プラズマ生成室 ５に入り、ここでア−ク放電などによりプラズマとなる。プラズマ生成室５には セシウム以外のガスを導入しない。セシウムの一部が正イオンと電子に分離する が、大部分はセシウムの中性蒸気のままである。

【０００８】 蒸気圧が高いので、中性蒸気がプラズマ電極１の開口から漏れ出す。これがタ −ゲット電極３に至りこれの表面に付着する。セシウムが付くとタ−ゲット物質 の仕事関数が下がる。仕事関数というのは、電子が外部の真空中へ飛び出すのに 必要なエネルギ−である。金属の場合はフェルミ準位と真空準位の差である。

【０００９】 仕事関数は材料の表面の状態によって左右される。セシウムは原子半径の大き いアルカリ金属であるから他の材料に付着すると仕事関数を下げる作用がある。 タ−ゲット表面の仕事関数が下がるのでフェルミ準位が上がり、スパッタ粒子の 電子親和力の準位よりフェルミ準位が高くなる。ためにトンネル効果によりタ− ゲット原子から電子が移動し、スパッタ粒子に引き付けられる。スパッタ粒子が 負イオンになる。以上が中性セシウムの作用である。

【００１０】 一方プラズマになっているセシウムの正イオンは、プラズマ電極１と引出し電 極２の間の電界によって加速され、引出し電極２の開口を通過し、タ−ゲット電 極３に衝突する。これは実線で示す正イオンビ−ム７である。タ−ゲットは負イ オンにしたい材料を内向きの円錐状に加工したものである。セシウムイオンは高 速でタ−ゲットを叩くので、内部から材料がスパッタされる。これは単に力学的 な作用である。

【００１１】 中性材料がスパッタされて表面に出るが、先述のようにこれが電子親和力によ り、フェルミ準位の上がったタ−ゲット原子から電子を引き付け負イオンになる 。負イオンはタ−ゲット電極３と接地電極４の電位差により接地電極４の方へ引 き寄せられる。これは破線で示す負イオンビ−ム８となり、接地電極４の開口を 通過して外部に引き出される。

【００１２】

【考案が解決しようとする課題】

従来の方法はセシウムの２つの態様、目的で使用する。ひとつは中性のセシウ ムとしてタ−ゲットの仕事関数を下げる。もうひとつは正イオンビ−ムとして運 動エネルギ−をタ−ゲットに与えこれをスパッタする。巧みな方法である。

【００１３】 しかしこの方法にも難点がある。中性のセシウムは蒸気圧の差によりプラズマ 生成室５から、タ−ゲット電極３に至る。途中にプラズマ電極１や引出し電極２ があるので、中性セシウム蒸気はプラズマ電極１や引出し電極２にも当然付着す る。セシウムは高価な材料である。プラズマ電極１や引出し電極２やさらに真空 容器の壁面に付着したセシウムは全く無駄になる。高価な材料を無駄にするのは 好ましくない。セシウムを有効利用すべきである。

【００１４】 引出し電極２やプラズマ電極１に付着したセシウムは単に材料的な損失という のに留まらない。それだけでなく負イオンビ−ム発生装置の運転に悪影響を及ぼ す。波線で示すように中性のセシウムはプラズマ電極１や引出し電極２に付着す る。これはこれらの電極の仕事関数をも下げる。引出し電極２は特に負の高圧が 掛かっている。プラズマ電極１は接地電圧であるかこれに僅かなバイアスがのっ ている。

【００１５】 つまりプラズマ電極１と引出し電極２の間には高い電圧が掛かっているのであ る。両電極では仕事関数が下がっているので電子が出易くなっている。イオンが 衝突すると多くの二次電子が出る。これが電界により加速されて二つの電極の間 での放電を誘発する。放電が発生すると電圧が掛からなくなり、イオンビ−ムの 引き出しができない。

【００１６】 これをブレ−クダウンという。電極間の短絡である。セシウムのプラズマ電極 １と引出し電極２への付着がブレ−クダウンを引き起こす。ブレ−クダウンが起 こるとイオンビ−ムが出ないのでイオン源の運転が中断される。このあとどうな るかということは電源の能力や性能による。自動的に電圧が下がり、放電を消滅 させ、電極間が電気的に切り放されたあと自動的に電圧を立ち挙げるようにして いる。これにより運転が自動的に再開される。

【００１７】 しかしたとえ一時的にしてもイオンビ−ムの引き出しが中断されることは望ま しくない。負イオンビ−ム発生装置というのは安定して何時間も一定の電流量の ビ−ムを引き出すことができなければならない。さらに電源の能力によっては自 動的に電圧を立ち挙げることができないということもある。

【００１８】 セシウムの損失を防ぎ有効にセシウムを利用できる負イオンビ−ム発生装置を 与えることが本考案の第１の目的である。セシウムの付着による電極間のブレ− クダウンを回避し安定した運転のできる高性能の負イオンビ−ム発生装置を与え ることが本考案の第２の目的である。

【００１９】

【課題を解決するための手段】

本考案の負イオンビ−ム発生装置は、セシウムの蒸気を用いてプラズマを生成 するのではなく、プラズマは不活性ガスなどの別のガスを用いて発生させる。 つまり正イオンは不活性ガスなどを用いて作る。セシウムの蒸発源（オ−ブン ）はタ−ゲットの近傍に置き、セシウム蒸気はタ−ゲットにのみ与える。 セシウムは中性のセシウムとしてタ−ゲットの仕事関数を下げるためにのみ用 いる。つまりセシウムは、正イオンビ−ムとしてタ−ゲットを叩きタ−ゲットか ら物質を叩き出す役割を放棄する。これはイオンビ−ムになり易く制御がし易い 常温で気体である不活性ガス（例えばアルゴン、キセノン）ガスによって置き換 える。 セシウムの２機能の内、ひとつをガスによって置き換えるのである。

【００２０】

【作用】

セシウムの蒸発源をタ−ゲット電極の近傍に置き、セシウムの蒸気がタ−ゲッ ト電極にのみ付着するようにする。このセシウムはタ−ゲットの仕事関数を下げ るように働く。しかしセシウムはその他の電極に殆ど付かない。タ−ゲット電極 が最も近いのでこれに最も大量に付着する。これは有効に働くのであるからセシ ウムの無駄が回避されることになる。

【００２１】 セシウムがプラズマ電極や引出し電極に付着するとこれが無駄になるばかりで なく、電極間のブレ−クダウンを招く可能性があったが本発明ではこのような可 能性もなくなる。

【００２２】 セシウムの正イオンビ−ムを使わず、他のガスを用いて正イオンビ−ムを作る 。常温でガスであるものを用いてプラズマにしビ−ムとすることができるので、 流量圧力制御によりビ−ムの量を簡単正確に制御できるという長所がある。特に アルゴンやキセノンなどの重い不活性ガスを用いるとタ−ゲットを叩いた時の衝 撃力が大きくタ−ゲットと化学反応をしないのでとりわけ優れている。

【００２３】 本発明の負イオンビ−ム発生装置は従来セシウムを２様の目的に使用していた のを、正イオンビ−ムを形成するという機能を他のガスに譲り渡したものである 。セシウムは中性状態のみでタ−ゲットの仕事関数を下げるためにのみ利用する 。このためセシウムは中性でタ−ゲット電極へ直接に供給する。

【００２４】 つまりプラズマ生成室でガスをプラズマにしこれを正イオンビ−ムとしてプラ ズマ電極から外部に取り出し、引出し電極により加速してタ−ゲット電極にあて る。これの表面には中性のセシウムが付着して仕事関数を下げている。つまりフ ェルミ準位を上げている。ここへ高速のイオンビ−ムが衝突しタ−ゲット原子ま たは分子を叩き出す。この原子や分子の電子親和力準位がタ−ゲットのフェルミ 準位より低いので、トンネル効果により電子を捕獲し負イオンビ−ムとなる。こ れが接地電極により加速されて外部に取り出される。

【００２５】

【実施例】

図１により本考案の実施例に係る負イオンビ−ム発生装置を説明する。 これは装置の概略を上に電圧の分布を下に対応させて書いている。電極の並び 方は従来のものと同様で、プラズマ電極１、引出し電極２、タ−ゲット電極３、 接地電極４がこの順で並んでいる。プラズマ生成室５がありこれの出口に前記の プラズマ電極１が取り付けられている。各電極１、２、３、４の中央にはイオン ビ−ムを通すための開口１１、１２、１３、１４がある。

【００２６】 プラズマ生成室５には適当なガス９が導入される。セシウムの蒸気を入れるの ではなく、常温でガスである物質を入れる。イオン源に悪影響を及ぼさないとい う点で不活性ガスが適当である。衝撃力が大きいものが良いので、不活性ガスな らアルゴンやキセノンが良い。

【００２７】 セシウムのオ−ブン６は、タ−ゲット電極３の近傍に設けられて、タ−ゲット 電極３へセシウムの蒸気を供給する。セシウムの蒸気はオ−ブン６を加熱するこ とにより簡単に得られる。例えば１４０℃〜１５０℃に加熱する。これが最も近 いタ−ゲット電極３に付着する。これによりタ−ゲット電極３の仕事関数を下げ る。

【００２８】 電圧の分布は、下のグラフに示すように、中間で負の高圧になり、両端でほぼ 接地電位になっている。つまり、プラズマ電極１では０Ｖからこれより少し正電 位＋Ｖか少し負電位−Ｖになっている。引出し電極２では最も大きい負電圧−Ｖ ｅになっている。タ−ゲット電極３ではそれよりやや小さい負電圧−Ｖｔとなっ ている。接地電極４はもちろん接地電位である。プラズマ電極１と引出し電極２ の間の電位の下がり勾配は正イオンを加速するためのものである。タ−ゲット電 極３と接地電極４の間の電位の上がり勾配は負イオンを加速するものである。タ −ゲット電極３が引出し電極２よりも高電位になっているのは、タ−ゲットでで きた電子がプラズマ生成室の方へ行かないようにしているのである。

【００２９】 プラズマ生成室５ではア−ク放電やマイクロ波放電によってガスが励起されプ ラズマになっている。ガスの正イオンがプラズマ電極１の開口１１から出ると、 引出し電極２との間に存在する高い電界によって加速される。加速されて正イオ ンビ−ム７となり、収束しながら引出し電極２の開口１２を通過する。

【００３０】 正イオンビ−ム７は開口を通過した後さらに進行して、タ−ゲット電極３に衝 突する。強い運動エネルギ−を持つので、タ−ゲット物質から構成原子または分 子をスパッタする。スパッタ粒子は先述のように電子親和力により電子をタ−ゲ ットから奪い負イオンとなる。これは初め運動エネルギ−を殆ど持たないが、開 口１３を越えると、タ−ゲット電極３と接地電極４の間の強い正電界の作用を受 けて強く加速される。加速されて接地電極４に向かう負イオンビ−ム８となる。 これが接地電極４の開口１４を通過して外部に取り出される。負イオンビ−ムは 所望の対象物に照射される。

【００３１】

【発明の効果】

セシウム蒸発源をタ−ゲット電極の近傍に設けるので、セシウムの蒸気がタ− ゲット電極３にのみ付着する。セシウムが他の電極や壁面に付かず、高価なセシ ウムを有効に利用することができる。 タ−ゲット電極以外の電極つまりプラズマ電極や引出し電極には殆ど付かない ので、これらの高圧の電圧が印加されている電極間でブレ−クダウンが発生しな い。より安定した定常的な運転ができる。負イオンビ−ム発生装置において定常 的に安定したビ−ムが出るというのは重要なことである。

【００３２】 常温でガスである物質を用いて正イオンビ−ムを作るのでビ−ムの状態の制御 が簡単で安定した定常ビ−ムを得易いという長所がある。常温で固体であるセシ ウムを加熱蒸発させて蒸気とする従来法では制御変数が温度だけである。流量や 温度を自由に制御できない。ために正イオンビ−ムの量を制御するのが難しい。 しかし本発明の場合は、常温でガスであるものを正イオンビ−ムとするのでボン ベからの流量や圧力の制御によって自在にビ−ムの生成の度合いを調整すること ができる。イオン源の運転の自由度が高まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る負イオンビ−ム発生装置
の概略構成と電圧分布図。

【図２】従来例に係る負イオンビ−ム発生装置の概略構
成図。

【符号の説明】

１ プラズマ電極 ２ 引出し電極 ３ タ−ゲット電極 ４ 接地電極 ５ プラズマ生成室 ６ オ−ブン ７ 正イオンビ−ム ８ 負イオンビ−ム ９ ガス １１ プラズマ電極の開口 １２ 引出し電極の開口 １３ タ−ゲット電極の開口 １４ 接地電極の開口

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空中にあってガスを導入しこれを放電
   によってプラズマにするプラズマ生成室５と、プラズマ
   生成室５の出口に設けられ正イオンを通す開口１１を有
   するプラズマ電極１と、正イオンを引き出すためプラズ
   マ電極１の前方の真空中に設けられ負の高圧にバイアス
   され開口を持つ引出し電極２と、負イオンにしたい物資
   を少なくとも前面に有し負イオンを通す開口を持ち負電
   圧にバイアスされ引出し電極２の前方の真空中に設けら
   れるタ−ゲット電極３と、タ−ゲット電極３の近傍に設
   けられセシウムを収容しこれを加熱して蒸気としタ−ゲ
   ット電極３にセシウム蒸気を与えるオ−ブン６と、タ−
   ゲット電極３の前方に設けられ負イオンビ−ムを通す開
   口を持ち接地電位にバイアスされ負イオンを加速する接
   地電極４とを含む負イオンビ−ム発生装置。
2. 【請求項２】 真空中にあってアルゴンまたはキセノン
   ガスを導入しこれを放電によってプラズマにするプラズ
   マ生成室５と、プラズマ生成室５の出口に設けられアル
   ゴンまたはキセノンの正イオンを通す開口１１を有する
   プラズマ電極１と、正イオンを引き出すためプラズマ電
   極１の前方の真空中に設けられ負の高圧にバイアスされ
   開口を持つ引出し電極２と、負イオンにしたい物資を少
   なくとも前面に有し負イオンを通す開口を持ち負電圧に
   バイアスされ引出し電極２の前方の真空中に設けられる
   タ−ゲット電極３と、タ−ゲット電極３の近傍に設けら
   れセシウムを収容しこれを加熱して蒸気としタ−ゲット
   電極３にセシウム蒸気を与えるオ−ブン６と、タ−ゲッ
   ト電極３の前方に設けられ負イオンビ−ムを通す開口を
   持ち接地電位にバイアスされ負イオンを加速する接地電
   極４とを含む負イオンビ−ム発生装置。