JPH0680249U - 負イオン生成機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来の負イオン生成装置は、アルカリ金属の
ための蒸発源を持ち、アルカリ金属蒸気をプラズマ生成
室に導きこれを中性のガスとして浮遊させタ−ゲットに
付着させ、さらにアルカリ金属を正イオンビ−ムにして
タ−ゲットをスパッタさせていた。アルカリ金属の蒸気
が中間の電極に付着しブレ−クダウンを起こし易い。ま
たアルカリ金属の蒸気発生炉、ヒ−タ、電源が必要であ
る。より簡単な構造でブレ−クダウンの起こらない装置
を提供する。 【構成】 タ−ゲット電極４の内部に空洞１２を形成し
ここにアルカリ金属固体を収容する。正イオンビ−ムを
タ−ゲット電極４に当てるとこれが加熱されて、アルカ
リ金属固体が蒸発し、導管を経てタ−ゲット電極４の開
口面に至りここに付着する。正イオンビ−ムは任意の原
料から生成することができる。これがタ−ゲット電極４
に当たって、原料をスパッタする。アルカリ金属は他の
電極に付かない。アルカリ金属のための蒸発源を不要と
する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、イオン源構造が簡略化され、運転パラメ−タが少なく、正イオン 引き出し部でブレ−クダウンの起こらないようにした負イオン生成機構に関する 。負イオン生成機構は、負イオン源ともいう。これは負イオンにしたい材料をタ −ゲットにし、加速した正イオンをタ−ゲットに当ててタ−ゲット材料をスパッ タし、これに電子を与え負イオンにして加速するものである。

【０００２】

【従来の技術】

従来の負イオン源は、アルカリ金属を用いてタ−ゲットの仕事関数を下げ、同 じアルカリ金属の正イオンビ−ムを使ってタ−ゲットをスパッタしてタ−ゲット 材料をスパッタしている。アルカリ金属でもセシウムが最も頻繁に使用される。 図２は従来例に係る負イオン生成機構の断面図を示す。

【０００３】 軸線ｍｎ上にプラズマ生成室１、プラズマ電極２、引出電極３、タ−ゲット電 極１４、接地電極５が設けられる。プラズマ生成室１は、セシウムの蒸気を導入 して外部に放出する。蒸気発生炉１６があってこの廻りにヒ−タ１７が巻いてあ る。蒸気発生炉１６は、セシウムが入っている。蒸気発生炉１６でセシウムが加 熱されて蒸気になり、プラズマ生成室１に導かれる。導管の廻りにもヒ−タがま いてあるが、これはセシウムが冷却されて管の内部に凝固するのを防ぐためであ る。

【０００４】 またガス入口１１からアシストガスが導入される。これはプラズマが安定に立 ちやすくするためのものでたとえばＡｒガスなどである。プラズマ生成室１には 、放電を起こす機構がある。これはフィラメントとチャンバの間にア−ク放電を 起こさせるものや、平行平板電極間に高周波電圧を印加して高周波放電をおこさ せるもの、あるいはマイクロ波により放電を起こさせるものがある。本考案はど の放電機構を用いるものでも適用できる。

【０００５】 プラズマ生成室１の出口には、プラズマ電極２がある。これは中央に開口を有 する電極板である。その前方には引出電極３がある。引出電極３は負の高圧が掛 かっていて、正イオンをプラズマ電極と引出電極の間で加速できるようになって いる。引出電極に続いてタ−ゲット電極１４がある。これはやはり中央に開口を 有する電極板である。ただしこれは全体またはビ−ムの当たる一部が負イオンに すべき材料でできている。ここでは開口の廻りの一部が負イオン原料６となって いる。

【０００６】 タ−ゲット電極１４も負電圧を印加するが、これは先ほどの引出電極３よりも 高い電圧になっている。これはタ−ゲット電極１４で出来た電子が、プラズマ生 成室１へ逆流するのを防ぐ。

【０００７】 さて最後に接地電極５がある。接地電極５も中央に開口を持つ電極板であるが 、これは、接地電位である。タ−ゲット電極で出来た負イオンがタ−ゲット電極 と接地電極の間で加速できるようになっている。

【０００８】 蒸気発生炉１６にはセシウムがあるのでヒ−タ１７で加熱するとセシウムが固 体から蒸気に変化する。これが導管を経てプラズマ生成室１に入る。ここでは放 電により、セシウムの一部がプラズマになる。中性のセシウム蒸気は、前方の開 口を出て、引出電極３の開口も越えて、タ−ゲット電極１４の前面に付着する。 ここで冷却されるのでセシウムの固体に戻る。セシウムがタ−ゲットに付着する というのが重要である。セシウムは金属の仕事関数を下げる作用があるからであ る。仕事関数が下がると、電子が金属から出易くなる。

【０００９】 さて、プラズマ生成室１では一部のセシウムがプラズマになるが、セシウムの 正イオンがプラズマ電極２からでると、引出電極３に引き寄せられ加速される。 この正イオンビ−ムがタ−ゲット電極１４に衝突する。正イオンビ−ムの運動エ ネルギ−が大きいのでタ−ゲットをスパッタし材料原子を叩き出す。タ−ゲット の表面にはセシウムの層ができておりこれが仕事関数を下げるので、電子が出て きて、スパッタ原子に付着する。これにより負イオンが生成する。負イオンはタ −ゲット電極１４と、接地電極５の間の電界により接地電極の方へ加速されその 開口を通って外部に取り出される。

【００１０】 このような構成では、セシウムが二つの役割を果たしている。一つは中性のセ シウム蒸気としてタ−ゲットに付着し、タ−ゲットの仕事関数を下げる作用であ る。これはセシウムが最も得意とする作用である。もう一つの役割は、正イオン ビ−ムとしてタ−ゲットを強く叩きタ−ゲットをスパッタすることである。セシ ウム以外の材料を使わず、セシウムを二様に利用している。巧みな使用法という ことができる。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】

従来の負イオン生成装置は、セシウムを二つの役割に巧みに利用している。仕 事関数を下げる働きと、タ−ゲットを叩くスパッタリングを起こさせる働きであ る。ところがこれはセシウムの蒸気発生炉やヒ−タ、電源が別途必要である。ま た蒸気発生炉の温度をモニタして、これを制御する必要がある。この温度がセシ ウム蒸気の流量を規定するからである。つまり蒸気発生炉やヒ−タ、電源、制御 装置などが必要で構造が複雑になるという欠点がある。

【００１２】 また、ヒ−タ電流が制御パラメ−タになり、蒸気発生炉の温度を測定してこれ を制御するために電流を調節しなければならない。制御パラメ−タはこの他にも 、電極の電位、放電電流などがある。制御パラメ−タが多過ぎるという難点があ る。

【００１３】 もう一つの欠点は、セシウムの蒸気をプラズマ生成室１から引出電極３を経て 、タ−ゲット電極１４にまで送るので途中のプラズマ電極２、引出電極３にも付 着するということである。これはセシウムが無駄に失われるということだけでは ない。セシウムの付着により仕事関数が低下するので、プラズマ電極２と引出電 極３の間でブレ−クダウンが起こり易いということである。

【００１４】 これらの電極間でブレ−クダウンが起きると電圧がかからないので、ビ−ムの 引き出しが停止する。ブレ−クダウンが起こると自動的に電源が切れて、電極間 の放電を停止、暫くしてから再び電圧を加えるようになっているものもある。 しかしそのようなものでも、イオンビ−ムが間欠的に発生するというのは望ま しくないことである。構造がより簡単で、制御すべきパラメ−タがより少なく、 さらに電極間でブレ−クダウンが起こり難い負イオン生成機構を提供することが 本考案の目的である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

本考案の負イオン生成機構は、アルカリ金属の固体を、タ−ゲット電極の内部 に設けた空洞の中に収容する。空洞から外側に向けて導管がある。正イオンビ− ムになる材料はアルカリ金属ではなく、任意の原料を用いることができる。正イ オンビ−ムがタ−ゲット電極に当たって、運動エネルギ−が熱エネルギ−に変わ るがこれを利用してアルカリ金属を蒸発させる。

【００１６】 アルカリ金属は空洞から導管を経てタ−ゲット電極の外側に進みここで冷却さ れて固化付着する。これによりタ−ゲット原料の仕事関数が低下するので正イオ ンビ−ムが当たると原料がスパッタされさらに電子がこれに捕獲されることにな る。これにより負イオンとなる。タ−ゲット電極は冷却される。内部に冷却水路 を設けてここに水を通すようにしてもよい。また水以外の熱容量の大きい液体を 用いて冷却しても良い。アルカリ金属の蒸発量は、冷却液の流量と、正イオンビ −ムの電流により間接的に制御できる。

【００１７】

【作用】

タ−ゲット電極の内部にアルカリ金属を収容し、正イオンビ−ムの衝突による 加熱によりこれが蒸気になるようにしている。蒸気となってアルカリ金属は導管 を経てタ−ゲット電極の表面に出る。ここで冷却されて表面に付く。これがタ− ゲット電極の材料の仕事関数を下げる。一方プラズマ生成室１ではアルカリ金属 でないガスをプラズマにしこれを正イオンビ−ムとする。これが加速されてタ− ゲットに当たるので、タ−ゲット電極の原料がスパッタされる。セシウムの付着 により仕事関数が低下しているので、中性原料が電子を捕獲し負イオンになる。 これが接地電極との間の電界で加速され外部に取り出される。

【００１８】 アルカリ金属がプラズマ生成室１から漏れ出すような構造でないから、プラズ マ電極や、引出電極にアルカリ金属が付着しない。ためにこれらの電極間で仕事 関数が低下せず、ブレ−クダウンが起こらない。安定した運転を行うことができ る。

【００１９】 蒸気発生炉やヒ−タ、そのための電源などが不要になり、構造が簡略化される 。制御変数が少なくなる。

【００２０】

【実施例】

図１は本考案の実施例を示す概略断面図である。軸線ｍｎ上にプラズマ生成室 １、プラズマ電極２、引出電極３、タ−ゲット電極４、接地電極５が並んでいる 。図２の構成と著しく異なる点は、セシウムの蒸気化のための蒸気発生炉１６や ヒ−タ１７が存在しないということである。ヒ−タ１７のための電源も存在しな い。従って、電源電流を制御するための装置も不要である。

【００２１】 プラズマ生成室１では、ガス入口１１からＡｒ等のガスが導入される。これが 放電の作用により正イオンビ−ムになる。放電の種類は既に述べたように、カソ −ドフィラメントとチャンバの間の直流ア−ク放電、平行平板電極間の高周波放 電、マイクロ波放電等が可能である。放電の種類によりプラズマ生成室１の内部 の構造も異なるが、ここでは内部構造の図示を略した。

【００２２】 プラズマ生成室１ではセシウムを正イオンビ−ムにするのではなく、Ａｒ等別 異の物質を正イオンにしている。これはプラズマ電極２から出て、さらに、引出 電極３によって加速される。これが、タ−ゲット電極４に強く当たる。タ−ゲッ ト電極４は一部のビ−ムが当たるところに負イオンにすべき原料が付けてある。 勿論タ−ゲット電極の全体を負イオン原料としても良い。接地電極５は中心に開 口を有する電極板でこれは接地電位である。

【００２３】 本考案ではタ−ゲット電極４が従来のものと異なる。これは円形の電極ではあ るが、内部に空洞１２があり、空洞１２からタ−ゲット電極４の前方にかけて導 管部１３が設けられる。この空洞１２にアルカリ金属９の固体が入っている。多 くの場合これはセシウムである。またタ−ゲット電極の内部には冷却水の通路が あり、ここに水を通す。冷却水によって電極を冷やす。冷却水の流量は制御可能 なパラメ−タである。

【００２４】 セシウムは空洞では蒸気になり、タ−ゲット原料の上には固体被膜となって存 在するので、タ−ゲット電極４の中央開口の付近が特に低温になるようにしなけ ればならない。しかしここに最も激しく正イオンビ−ムが衝突するのであるから 、これを低温にするには、この部分を集中的に冷却する必要がある。

【００２５】 冷却は水以外の熱容量の大きい液体を流すことによっても行うことができる。 水は純度の高いものでないと、タ−ゲット電極４を腐蝕する惧れがある。しかし 腐蝕性のない冷却専用の液体があるのでこれを用いることもできる。

【００２６】 以上の構成においてその作用を説明する。ガス入口１１から正イオンにすべき ガスが導入される。これは不活性ガスなどであって良い。アルカリ金属ではない 。これが、ア−ク放電、高周波放電、マイクロ波放電などでプラズマになり、さ らに、正イオンビ−ムとして引き出される。引出電極３は負の高圧であるので、 正イオンビ−ムはプラズマ電極２と引出電極３の間で強く加速され軸線ｍｎに沿 って進行する。これが、タ−ゲット電極４に衝突する。これにより負イオン原料 がスパッタされて来る。運動エネルギ−がここで熱エネルギ−に変換される。た めに、タ−ゲット電極４が強く加熱される。

【００２７】 内部にセシウム等アルカリ金属の固体が入っているが、この熱で固体から蒸気 に変化する。蒸気になったセシウムが、導管１３を通り、タ−ゲット電極４の外 側に付着する。これがタ−ゲット原料の仕事関数を下げる。このように、仕事関 数を下げる働きをするアルカリ金属を初めからタ−ゲット電極４の内部に収容し ているという点が重要である。内部の空洞１２から温度上昇とともに外部へ洩れ 出るのである。

【００２８】 アルカリ金属を加熱するためのヒ−タがなく、正イオンビ−ムのタ−ゲットへ の衝突を熱エネルギ−として利用している。この熱がアルカリ金属を蒸発させる 。またセシウムはプラズマ生成室１からくるのではなく、タ−ゲット電極４から 来るので、途中のプラズマ電極２や引出電極３に付かない。ためにこれらの電極 間でブレ−クダウンが起こらない。ために長時間安定した運転を持続することが できる。

【００２９】 またセシウムが途中の電極を通らずに直接に必要な箇所に到達しこれに付くの で、セシウムの消費量を節減することができる。 セシウムの蒸発量の調整は、イオンビ−ムの電流と冷却水の流量により行うこ とができる。イオンビ−ムはビ−ムを当てるべき対象物の性質や処理速度により 規定されるが、冷却水流量は独立性の高いパラメ−タであり自在に変化させるこ とができる。

【００３０】

【考案の効果】

アルカリ金属を収容してこれを蒸気にする蒸気発生炉やこれを加熱するヒ−タ 、及びこれに電力を与える電源などは不要になる。ために装置構造が簡略化され る。

【００３１】 アルカリ金属の蒸気がプラズマ電極、引出電極に付着しないので、これら電極 間でブレ−クダウンが起こらない。安定な運転を長時間持続することができる。 これを対象物の処理に用いる場合は、品質の一定した処理を行うことができる。 またアルカリ金属が余計な箇所に付着しないので、アルカリ金属の消費量を節減 することができる。 アルカリ金属を蒸発させるためのヒ−タがなく、この制御が不要であるため制 御変数が少なくなり、運転が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例に係る負イオン生成機構の概略
断面図。

【図２】従来例に係る負イオン生成機構の概略断面図。

【符号の説明】

１ プラズマ生成室 ２ プラズマ電極 ３ 引出電極 ４ タ−ゲット電極 ５ 接地電極 ６ 負イオン原料 ７ 正イオンビ−ム ８ 負イオンビ−ム ９ アルカリ金属（セシウム） １０ アルカリ金属（セシウム）蒸気 １１ ガス入口 １２ 空洞 １３ 導管 １４ タ−ゲット電極 １６ 蒸気発生炉 １７ ヒ−タ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルカリ金属以外の原料ガスを導入しこ
   れを放電によって励起しプラズマを生成するプラズマ生
   成室１と、プラズマ生成室１の出口の設けられ開口を有
   するプラズマ電極２と、プラズマ電極２の前方に設けら
   れ開口を有し負電圧が印加された引出電極３と、開口を
   有し負イオンにすべき原料により全体または正イオンビ
   −ムの当たる一部が形成されたタ−ゲット電極４と、タ
   −ゲット電極４の冷却機構と、タ−ゲット電極４の前方
   に設けられ開口を有する接地電極５とを含み、タ−ゲッ
   ト電極４の内部には空洞があり、空洞からタ−ゲット電
   極４のイオンビ−ムの当たる部分に通じる導管が形成さ
   れ、空洞にはタ−ゲット材料の仕事関数をさげるための
   アルカリ金属が収容され、正イオンビ−ムの衝突により
   タ−ゲット電極４が加熱されアルカリ金属が蒸発し導管
   を通じてタ−ゲット電極４の表面に出てきてここに付着
   するようにしたことを特徴とする負イオン生成機構。