JPH0689796A - Ｐｉｇ型イオン源 - Google Patents
Ｐｉｇ型イオン源Info
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- JPH0689796A JPH0689796A JP4240751A JP24075192A JPH0689796A JP H0689796 A JPH0689796 A JP H0689796A JP 4240751 A JP4240751 A JP 4240751A JP 24075192 A JP24075192 A JP 24075192A JP H0689796 A JPH0689796 A JP H0689796A
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- Japan
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- vacuum container
- anode
- ions
- gas
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
(57)【要約】
比較的多くの多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰ
ＩＧ型イオン源。 【構成】 このＰＩＧ型イオン源Ａ´は，原料ガスを導
入するイオン生成室１と，イオン生成室１廻りに配設さ
れてその中心軸に平行な磁場を発生する永久磁石２と，
イオン生成室１の両端部に配設されて永久磁石２により
発生する磁場に沿って電子を放出する磁極３，４と，磁
極３，４の中間部に配設されて磁極３，４から放出され
る電子により原料ガスをその内部にてプラズマ化するア
ノード電極５と，プラズマ化された原料ガスのイオンを
取り出す引き出し孔６とを備え，アノード電極をイオン
生成室１の中心軸廻りに配設されヘリカルトロイダル型
コイルとすると共に原料ガスがアノード電極を通るよう
なガス流通経路を形成するように構成されている。上記
構成により比較的多くの多価イオンを取り出し得るコン
パクトなＰＩＧ型イオン源を得ることができる。
ＩＧ型イオン源。 【構成】 このＰＩＧ型イオン源Ａ´は，原料ガスを導
入するイオン生成室１と，イオン生成室１廻りに配設さ
れてその中心軸に平行な磁場を発生する永久磁石２と，
イオン生成室１の両端部に配設されて永久磁石２により
発生する磁場に沿って電子を放出する磁極３，４と，磁
極３，４の中間部に配設されて磁極３，４から放出され
る電子により原料ガスをその内部にてプラズマ化するア
ノード電極５と，プラズマ化された原料ガスのイオンを
取り出す引き出し孔６とを備え，アノード電極をイオン
生成室１の中心軸廻りに配設されヘリカルトロイダル型
コイルとすると共に原料ガスがアノード電極を通るよう
なガス流通経路を形成するように構成されている。上記
構成により比較的多くの多価イオンを取り出し得るコン
パクトなＰＩＧ型イオン源を得ることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＰＩＧ型イオン源に係
り，例えば半導体製造などに用いるＰＩＧ型イオン源に
関するものである。
り，例えば半導体製造などに用いるＰＩＧ型イオン源に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年ますます社会の情報化が進み，膨大
な量の情報をコンピュータで処理することが要求され，
メモリーＩＣの記憶容量増大やプロセッサＩＣの処理速
度の高速化が迫られている。これらのＩＣ製造において
は，ＭｅＶ領域の高エネルギイオン注入を用いて半導体
基板のかなり深い位置に直接，不純物をドーピングする
技術が不可欠である。高エネルギイオン注入は，従来の
イオン注入で得られなかった注入分布や熱処理サイクル
の低減をもたらし，工程時間の短縮，集積度の向上，信
頼性の確保等を可能とすることが知られている。しか
し，現在実用レベルにあるのは軽イオンやガスを対象と
したものに限られ，もっと広い分野への適応が期待され
る重イオンについては未だ実用化の目処が立っていな
い。それは，一般にイオンの質量数Ｍが大きくなると装
置の加速部や分析部の設計が困難となるためである。電
磁石を用いた質量分離器を例にとれば，分離に必要な磁
界の強さは（Ｍ／ｑ）1/2 に比例し，Ｍ／ｑが小さいほ
ど加速，分離が容易となる。集束などビーム光学系につ
いても同様のことが言える（ｑ：イオン価数）。そこ
で，重元素でも電離度をあげた多価イオンを利用するこ
とによりＭ／ｑを小さくする方法が考えられる。又，多
価イオンを用いると加速電圧以上の高エネルギのビーム
が得られるので，装置の小型化にもつながる（即ち実用
イオン電流がとれる）ため，多価の重イオン源の開発が
望まれている。ところで，通常イオン源は，真空放電で
生じせしめた静止状態のプラズマから，そのプラズマ室
側壁にあけた引き出し孔を通して，その外側に配置した
引き出し電極に正極電圧をかけた電界により，イオンを
引き出す方法をとる。引き出される電流値Ｉsi［Ａ］
は，イオン自らがもつ正の空間電荷により電界が制限さ
れ，次式で与えられる。 Ｉsi〜４．３×１０-8・（２ａ／ｄ）2 ・（ｑ／Ｍ）1/2 ・Ｖ2/3 ・・・（１） ただし，ａ：引き出し孔の半径［ｃｍ］ ｄ：引き出し孔−電極間距離［ｃｍ］ Ｍ：イオンの質量数 Ｖ：引き出し電圧［Ｖ］ これは，イオン同志が前後の追越しができず渋滞しなが
ら引き出されるため，イオン速度以上のイオン電流を流
すことができないことを示している。さらに，イオン流
を供給するプラズマ生成室の制限があり，その最大値で
あるイオン飽和電流Ｉpi［Ａ］は次式のように与えられ
る。 Ｉpi〜３．０×１０-13 ・ａ2 ・（ｑ／Ｍ）1/2 ・Ｔe 1/2 ・ｎi ・・・（２） ただし，Ｔe ：プラズマの電子温度［ｅＶ］ ｎi ：プラズマ密度［ｃｍ-3］ 当然のことながらプラズマ密度が多いほど，引き出しう
るイオンは多い。プラズマ密度ｎi は，さらに次式に展
開される。 ｎi 〜τci・ｎb ・σ（Ｅｂ）・ｖb ・ｎo ・・・（３） ここで，τci：イオン閉じ込め時間 ｎb ：電離にあずかる電子密度 σ（Ｅｂ）：衝突断面積 ｖb ：電子の速度 ｎo ：中性粒子の密度 上記３式をガイドとしながら，イオン源のパラメータの
最適化をはかる。幾何学的パラメータを別にすると，プ
ラズマ密度がイオン源の性能を決定する重要なパラメー
タである。即ち，各種のイオン源では，電界や磁界を利
用して電子を往復／ら旋運動させて有効飛行距離をのば
し，電離にあずかる電子密度ｎb を実効的に大きくして
いる。そのようなイオン源の１つにＰＩＧ（Philips Io
nizationGage）型イオン源がある。図５は従来のＰＩＧ
型イオン源Ａの一例における概略構造を示す断面図，図
６はイオン源Ａのアノード電極の形状例を示す外観斜視
図（ａ）（ｂ），図７はイオン源Ａのアノード電極近傍
のプラズマ発生状況を示す説明図である。図５に示す如
く，従来のＰＩＧ型イオン源Ａは，円筒型のアノード電
極５を磁極３，４で軸方向に狭んだ構造をとり，磁極
３，４に外部でつながる永久磁石２によってアノード電
極５内に軸方向の磁場を発生させる。アノード電極５は
電流導入端子１０を通してアノード電源１４につなが
り，プラズマ生成室１に対して正極電位が印加される。
アノード電極５内に発生させたプラズマからイオンを，
引き出し電極７にかけた負極電位によって引き出し孔６
を通し，ビームとして取りだす。従来のアノード電極５
は，図６（ａ）に示されるような円筒型の他，製作しや
すいソレノイドコイル型（ｂ）などもある。以下，アノ
ード電極５近傍のプラズマ発生過程を図７を参照して説
明する。磁極３とアノード電極５間にかけられた電圧で
電子はアノード電極５中央にむけて加速される。高々ｋ
Ｖ程度のエネルギの電子は，アノード電極５近傍の磁場
（数百〜数千ガウス）によって磁束線にらせん状に絡み
ついた軌道（≦１ｍｍφ）を描く。この電子は中性粒子
との散乱によってわずかにエネルギを失うと対抗磁極４
にたどりつけずにアノード電極５中央で往復／振動運動
をおこなう。そして，往復する間に中性ガスを電離し，
イオンを生成する。生成したイオンは負電位となった磁
極３，４にむかって加速され，磁極表面に衝突し，衝突
によって２次電子が生成される。２次電子は再びアノー
ド電極５にむかって加速をうけ，電離にあずかる電子を
増殖していく。このようにＰＩＧ型イオン源Ａは，プラ
ズマ中に電子を捕獲してそのエネルギが電離エネルギに
減少するまで利用するという極めて電子の利用効率の良
い機構をもつ。このため，アノード電流の百倍以上の電
子電流密度（〜ｋＡ／ｃｍ2 ）をプラズマ内に実現す
る。従って，イオン生成時間の短い１価イオンに対して
はかなりの生成量が期待できる。加えて「調整の容易
さ」と「低コスト」という利点もあり，イオン源として
広く利用されてきた。
な量の情報をコンピュータで処理することが要求され，
メモリーＩＣの記憶容量増大やプロセッサＩＣの処理速
度の高速化が迫られている。これらのＩＣ製造において
は，ＭｅＶ領域の高エネルギイオン注入を用いて半導体
基板のかなり深い位置に直接，不純物をドーピングする
技術が不可欠である。高エネルギイオン注入は，従来の
イオン注入で得られなかった注入分布や熱処理サイクル
の低減をもたらし，工程時間の短縮，集積度の向上，信
頼性の確保等を可能とすることが知られている。しか
し，現在実用レベルにあるのは軽イオンやガスを対象と
したものに限られ，もっと広い分野への適応が期待され
る重イオンについては未だ実用化の目処が立っていな
い。それは，一般にイオンの質量数Ｍが大きくなると装
置の加速部や分析部の設計が困難となるためである。電
磁石を用いた質量分離器を例にとれば，分離に必要な磁
界の強さは（Ｍ／ｑ）1/2 に比例し，Ｍ／ｑが小さいほ
ど加速，分離が容易となる。集束などビーム光学系につ
いても同様のことが言える（ｑ：イオン価数）。そこ
で，重元素でも電離度をあげた多価イオンを利用するこ
とによりＭ／ｑを小さくする方法が考えられる。又，多
価イオンを用いると加速電圧以上の高エネルギのビーム
が得られるので，装置の小型化にもつながる（即ち実用
イオン電流がとれる）ため，多価の重イオン源の開発が
望まれている。ところで，通常イオン源は，真空放電で
生じせしめた静止状態のプラズマから，そのプラズマ室
側壁にあけた引き出し孔を通して，その外側に配置した
引き出し電極に正極電圧をかけた電界により，イオンを
引き出す方法をとる。引き出される電流値Ｉsi［Ａ］
は，イオン自らがもつ正の空間電荷により電界が制限さ
れ，次式で与えられる。 Ｉsi〜４．３×１０-8・（２ａ／ｄ）2 ・（ｑ／Ｍ）1/2 ・Ｖ2/3 ・・・（１） ただし，ａ：引き出し孔の半径［ｃｍ］ ｄ：引き出し孔−電極間距離［ｃｍ］ Ｍ：イオンの質量数 Ｖ：引き出し電圧［Ｖ］ これは，イオン同志が前後の追越しができず渋滞しなが
ら引き出されるため，イオン速度以上のイオン電流を流
すことができないことを示している。さらに，イオン流
を供給するプラズマ生成室の制限があり，その最大値で
あるイオン飽和電流Ｉpi［Ａ］は次式のように与えられ
る。 Ｉpi〜３．０×１０-13 ・ａ2 ・（ｑ／Ｍ）1/2 ・Ｔe 1/2 ・ｎi ・・・（２） ただし，Ｔe ：プラズマの電子温度［ｅＶ］ ｎi ：プラズマ密度［ｃｍ-3］ 当然のことながらプラズマ密度が多いほど，引き出しう
るイオンは多い。プラズマ密度ｎi は，さらに次式に展
開される。 ｎi 〜τci・ｎb ・σ（Ｅｂ）・ｖb ・ｎo ・・・（３） ここで，τci：イオン閉じ込め時間 ｎb ：電離にあずかる電子密度 σ（Ｅｂ）：衝突断面積 ｖb ：電子の速度 ｎo ：中性粒子の密度 上記３式をガイドとしながら，イオン源のパラメータの
最適化をはかる。幾何学的パラメータを別にすると，プ
ラズマ密度がイオン源の性能を決定する重要なパラメー
タである。即ち，各種のイオン源では，電界や磁界を利
用して電子を往復／ら旋運動させて有効飛行距離をのば
し，電離にあずかる電子密度ｎb を実効的に大きくして
いる。そのようなイオン源の１つにＰＩＧ（Philips Io
nizationGage）型イオン源がある。図５は従来のＰＩＧ
型イオン源Ａの一例における概略構造を示す断面図，図
６はイオン源Ａのアノード電極の形状例を示す外観斜視
図（ａ）（ｂ），図７はイオン源Ａのアノード電極近傍
のプラズマ発生状況を示す説明図である。図５に示す如
く，従来のＰＩＧ型イオン源Ａは，円筒型のアノード電
極５を磁極３，４で軸方向に狭んだ構造をとり，磁極
３，４に外部でつながる永久磁石２によってアノード電
極５内に軸方向の磁場を発生させる。アノード電極５は
電流導入端子１０を通してアノード電源１４につなが
り，プラズマ生成室１に対して正極電位が印加される。
アノード電極５内に発生させたプラズマからイオンを，
引き出し電極７にかけた負極電位によって引き出し孔６
を通し，ビームとして取りだす。従来のアノード電極５
は，図６（ａ）に示されるような円筒型の他，製作しや
すいソレノイドコイル型（ｂ）などもある。以下，アノ
ード電極５近傍のプラズマ発生過程を図７を参照して説
明する。磁極３とアノード電極５間にかけられた電圧で
電子はアノード電極５中央にむけて加速される。高々ｋ
Ｖ程度のエネルギの電子は，アノード電極５近傍の磁場
（数百〜数千ガウス）によって磁束線にらせん状に絡み
ついた軌道（≦１ｍｍφ）を描く。この電子は中性粒子
との散乱によってわずかにエネルギを失うと対抗磁極４
にたどりつけずにアノード電極５中央で往復／振動運動
をおこなう。そして，往復する間に中性ガスを電離し，
イオンを生成する。生成したイオンは負電位となった磁
極３，４にむかって加速され，磁極表面に衝突し，衝突
によって２次電子が生成される。２次電子は再びアノー
ド電極５にむかって加速をうけ，電離にあずかる電子を
増殖していく。このようにＰＩＧ型イオン源Ａは，プラ
ズマ中に電子を捕獲してそのエネルギが電離エネルギに
減少するまで利用するという極めて電子の利用効率の良
い機構をもつ。このため，アノード電流の百倍以上の電
子電流密度（〜ｋＡ／ｃｍ2 ）をプラズマ内に実現す
る。従って，イオン生成時間の短い１価イオンに対して
はかなりの生成量が期待できる。加えて「調整の容易
さ」と「低コスト」という利点もあり，イオン源として
広く利用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
ＰＩＧ型イオン源Ａではイオン生成効率の大きい１価イ
オンに対しては，かなりの生成量が期待できた。ところ
が，多価イオンに対しては，プラズマ生成室１内におけ
るイオンの閉じ込め時間が短いために１価のイオンが電
子衝突電離で多価イオンになる前に自分のもつ熱運動ド
リフトにより壁面等で消滅してしまう。又，電離にあず
かる電子エネルギが低い（〜数百ｅＶ）。これら２つの
欠点により，多価イオンの生成率は低く，多価イオン源
としては殆ど利用されていなかった。即ち，従来のＰＩ
Ｇ型イオン源Ａを多価イオン源とするには多価イオンの
生成促進と，電離室内での生成イオンの長寿命化が肝要
である。多価イオンの生成過程においては，多価になる
ほど前述の電離断面積σ（Ｅｂ）のピークが高い側に移
動することから，電子温度（エネルギ）を高くする必要
がある。生成イオンの長寿命化には，生成イオンの平均
自由行程をのばすために電離室内のガス圧を低く抑える
必要があるが，平均自由行程が容器寸法以上に伸びると
容器壁に衝突しイオンが消滅してしまう。電子では弱い
磁界でも容易に軌道を磁束線に絡みつけて実効的に平均
自由行程を延ばすことができたが，イオンの場合には質
量が重いために強磁場が必要となり装置が巨大化してし
まう。加えて，多価イオンは中性粒子との散乱で容易に
電荷交換して１価に戻ってしまう。従って，閉じ込め時
間τciを長くするにはガス圧を下げて衝突しないように
する必要があるが，ガス圧を下げると原料となる１価の
イオンの生成も減少するうえに放電が不安定になってし
まう。この問題を共鳴現象を利用することによって克服
したものが電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源
であり，低ガス圧でも安定に放電動作し，プラズマ中の
電子を効率良く加熱できる。また，プラズマ放電に頼ら
ず，電子ビームで中性ガスを直接電離しようとするもの
が電子ビーム入射型イオン源である。しかし，これらの
イオン源は，強磁場，マイクロ波，電子銃が必要となり
装置が巨大化するため，いずれもシングルエンドの静電
加速器などには搭載が不可能なものであった。本発明は
このような従来の技術における課題を解決するために，
ＰＩＧ型イオン源を改良し，比較的多くの多価イオンを
取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオン源の提供を目
的とするものである。
ＰＩＧ型イオン源Ａではイオン生成効率の大きい１価イ
オンに対しては，かなりの生成量が期待できた。ところ
が，多価イオンに対しては，プラズマ生成室１内におけ
るイオンの閉じ込め時間が短いために１価のイオンが電
子衝突電離で多価イオンになる前に自分のもつ熱運動ド
リフトにより壁面等で消滅してしまう。又，電離にあず
かる電子エネルギが低い（〜数百ｅＶ）。これら２つの
欠点により，多価イオンの生成率は低く，多価イオン源
としては殆ど利用されていなかった。即ち，従来のＰＩ
Ｇ型イオン源Ａを多価イオン源とするには多価イオンの
生成促進と，電離室内での生成イオンの長寿命化が肝要
である。多価イオンの生成過程においては，多価になる
ほど前述の電離断面積σ（Ｅｂ）のピークが高い側に移
動することから，電子温度（エネルギ）を高くする必要
がある。生成イオンの長寿命化には，生成イオンの平均
自由行程をのばすために電離室内のガス圧を低く抑える
必要があるが，平均自由行程が容器寸法以上に伸びると
容器壁に衝突しイオンが消滅してしまう。電子では弱い
磁界でも容易に軌道を磁束線に絡みつけて実効的に平均
自由行程を延ばすことができたが，イオンの場合には質
量が重いために強磁場が必要となり装置が巨大化してし
まう。加えて，多価イオンは中性粒子との散乱で容易に
電荷交換して１価に戻ってしまう。従って，閉じ込め時
間τciを長くするにはガス圧を下げて衝突しないように
する必要があるが，ガス圧を下げると原料となる１価の
イオンの生成も減少するうえに放電が不安定になってし
まう。この問題を共鳴現象を利用することによって克服
したものが電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源
であり，低ガス圧でも安定に放電動作し，プラズマ中の
電子を効率良く加熱できる。また，プラズマ放電に頼ら
ず，電子ビームで中性ガスを直接電離しようとするもの
が電子ビーム入射型イオン源である。しかし，これらの
イオン源は，強磁場，マイクロ波，電子銃が必要となり
装置が巨大化するため，いずれもシングルエンドの静電
加速器などには搭載が不可能なものであった。本発明は
このような従来の技術における課題を解決するために，
ＰＩＧ型イオン源を改良し，比較的多くの多価イオンを
取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオン源の提供を目
的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は，中性ガスを導入する真空容器と，上記真空
容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁場
を発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設されて
上記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出するカ
ソード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該カ
ソード対から放出される電子により上記真空容器に導入
される中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノード
と，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガスの
イオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型イ
オン源において，上記アノードを上記真空容器の中心軸
廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルとしてな
ることを特徴とするＰＩＧ型イオン源として構成されて
いる。また中性ガスを導入する真空容器と，上記真空容
器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁場を
発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設されて上
記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出するカソ
ード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該カソ
ード対から放出される電子により上記真空容器に導入さ
れる中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノード
と，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガスの
イオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型イ
オン源において，上記アノードを上記真空容器の中心軸
廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルとすると
共に，上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノ
ード中心を通るようなガス流通経路を形成するガス流通
手段を設けてなることを特徴とするＰＩＧ型イオン源で
ある。
に本発明は，中性ガスを導入する真空容器と，上記真空
容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁場
を発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設されて
上記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出するカ
ソード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該カ
ソード対から放出される電子により上記真空容器に導入
される中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノード
と，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガスの
イオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型イ
オン源において，上記アノードを上記真空容器の中心軸
廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルとしてな
ることを特徴とするＰＩＧ型イオン源として構成されて
いる。また中性ガスを導入する真空容器と，上記真空容
器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁場を
発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設されて上
記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出するカソ
ード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該カソ
ード対から放出される電子により上記真空容器に導入さ
れる中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノード
と，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガスの
イオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型イ
オン源において，上記アノードを上記真空容器の中心軸
廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルとすると
共に，上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノ
ード中心を通るようなガス流通経路を形成するガス流通
手段を設けてなることを特徴とするＰＩＧ型イオン源で
ある。
【０００５】
【作用】本発明によれば，中性ガスを導入する真空容器
と，上記真空容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸
に平行な磁場を発生する磁石と，上記真空容器の両端部
に配設されて上記磁石により発生する磁場に沿って電子
を放出するカソード対と，上記カソード対の中間部に配
設されて該カソード対から放出される電子により上記真
空容器に導入される中性ガスをその内部にてプラズマ化
するアノードと，上記アノード内部にてプラズマ化され
た中性ガスのイオンを取り出すイオン取出し部とを備え
たＰＩＧ型イオン源の上記アノードが上記真空容器の中
心軸廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルにて
形成される。上記アノードは中央に低ポテンシャル部を
もつためここにイオン捕獲効果を生じ，イオンの閉じ込
め時間を延ばすことができる。更に，ガス流通手段によ
り上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノード
中心を通るようなガス流通経路が形成される。上記ガス
流通経路内は局所的にガス圧が高くなり，その外側では
ガス圧が低くなるため全体としては低ガス圧でも安定し
た放電が得られ，さらにはベース真空を上げて多価イオ
ンの寿命を延ばすこともできる。その結果，比較的多く
の多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオ
ン源を得ることができる。
と，上記真空容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸
に平行な磁場を発生する磁石と，上記真空容器の両端部
に配設されて上記磁石により発生する磁場に沿って電子
を放出するカソード対と，上記カソード対の中間部に配
設されて該カソード対から放出される電子により上記真
空容器に導入される中性ガスをその内部にてプラズマ化
するアノードと，上記アノード内部にてプラズマ化され
た中性ガスのイオンを取り出すイオン取出し部とを備え
たＰＩＧ型イオン源の上記アノードが上記真空容器の中
心軸廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルにて
形成される。上記アノードは中央に低ポテンシャル部を
もつためここにイオン捕獲効果を生じ，イオンの閉じ込
め時間を延ばすことができる。更に，ガス流通手段によ
り上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノード
中心を通るようなガス流通経路が形成される。上記ガス
流通経路内は局所的にガス圧が高くなり，その外側では
ガス圧が低くなるため全体としては低ガス圧でも安定し
た放電が得られ，さらにはベース真空を上げて多価イオ
ンの寿命を延ばすこともできる。その結果，比較的多く
の多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオ
ン源を得ることができる。
【０００６】
【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ
´の概略構造を示す断面図，図２はイオン源Ａ´のアノ
ード電極の形状を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ），図
３はイオン源Ａ´のアノード電極近傍のプラズマ発生状
況を示す説明図，図４はイオン電流とガス圧力との関係
を示すグラフである。又，前記図５に示した従来のＰＩ
Ｇ型イオン源Ａの一例における概略構造を示す断面図と
共通する要素には同一符号を使用する。図１に示す如
く，本実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ´は，主として
プラズマ生成室１（真空容器に相当）と，永久磁石２
（磁石に相当）と，磁極３，４（カソード対に相当）
と，アノード電極５（アノードに相当）と，引き出し孔
６（イオン取出部に相当）等から構成されている点で従
来例と同様である。しかし，本実施例ではアノード電極
５として図２（ａ）（ｂ）に示すようなヘリカルトロイ
ダル型コイルを使用する点，ガス導入孔８を磁極３の中
央に配置して，１ｍｍφ以下の開口９からプラズマに直
に原料ガス（中性ガスに相当）を注入し，部分的にガス
圧を高くする点，引き出し孔６以外のガス排気孔１１を
磁極４に平面上アノード電極５を取り巻くように形成し
てまた引き出し電極７側壁にも真空排気孔１２を設ける
ことによって，プラズマ生成室１の排気コンダクタンス
を大きくし，低ガス圧動作を容易にする点で従来例と異
なる。（ガス導入孔８，開口９，ガス排気孔１１及び真
空排気孔１２がガス流通手段に相当する。） 以下，本実施例では主として上記従来例と異なる部分に
ついて説明し，従来例と同様の部分については既述の通
りであるので，その説明は省略する。このイオン源Ａ´
の動作原理について図２（ａ）（ｂ）及び図３を参照し
て説明する。ヘリカルトロイダル型コイルにて形成され
たアノード電極５は図２（ｂ）のように側面からみると
円環であり，従来の円筒形状のものと同様の機能が期待
されるが，ポテンシャル分布は従来例の円筒形状等と異
なり図３に示すように中央に低ポテンシャル部をもつ。
低ポテンシャル部では一般的にイオンの捕獲効果が生じ
るため，イオンの閉じ込め時間が延びる。ところで，Ｐ
ＩＧ型イオン源における多価イオンは，電子ビームによ
り原子を取り巻く電子が一個ずつ（電子エネルギが低い
ために一度に二個以上の確率は小さい）剥ぎ取られて生
成されていくと考えられている。つまり，ある荷電状態
のイオン生成率は，一つ荷電状態の少いイオンからの生
成率と一つ荷電状態の多いイオンへ移る率と壁面で損失
する率の平衡で与えられる。尚，再結合による損失はＰ
ＩＧ型イオン源で問題とする荷電数では比較的少ないと
考えられている。従って，イオンの閉じ込め時間を延ば
すことにより多価イオンの生成量を増大させることがで
きる。
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ
´の概略構造を示す断面図，図２はイオン源Ａ´のアノ
ード電極の形状を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ），図
３はイオン源Ａ´のアノード電極近傍のプラズマ発生状
況を示す説明図，図４はイオン電流とガス圧力との関係
を示すグラフである。又，前記図５に示した従来のＰＩ
Ｇ型イオン源Ａの一例における概略構造を示す断面図と
共通する要素には同一符号を使用する。図１に示す如
く，本実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ´は，主として
プラズマ生成室１（真空容器に相当）と，永久磁石２
（磁石に相当）と，磁極３，４（カソード対に相当）
と，アノード電極５（アノードに相当）と，引き出し孔
６（イオン取出部に相当）等から構成されている点で従
来例と同様である。しかし，本実施例ではアノード電極
５として図２（ａ）（ｂ）に示すようなヘリカルトロイ
ダル型コイルを使用する点，ガス導入孔８を磁極３の中
央に配置して，１ｍｍφ以下の開口９からプラズマに直
に原料ガス（中性ガスに相当）を注入し，部分的にガス
圧を高くする点，引き出し孔６以外のガス排気孔１１を
磁極４に平面上アノード電極５を取り巻くように形成し
てまた引き出し電極７側壁にも真空排気孔１２を設ける
ことによって，プラズマ生成室１の排気コンダクタンス
を大きくし，低ガス圧動作を容易にする点で従来例と異
なる。（ガス導入孔８，開口９，ガス排気孔１１及び真
空排気孔１２がガス流通手段に相当する。） 以下，本実施例では主として上記従来例と異なる部分に
ついて説明し，従来例と同様の部分については既述の通
りであるので，その説明は省略する。このイオン源Ａ´
の動作原理について図２（ａ）（ｂ）及び図３を参照し
て説明する。ヘリカルトロイダル型コイルにて形成され
たアノード電極５は図２（ｂ）のように側面からみると
円環であり，従来の円筒形状のものと同様の機能が期待
されるが，ポテンシャル分布は従来例の円筒形状等と異
なり図３に示すように中央に低ポテンシャル部をもつ。
低ポテンシャル部では一般的にイオンの捕獲効果が生じ
るため，イオンの閉じ込め時間が延びる。ところで，Ｐ
ＩＧ型イオン源における多価イオンは，電子ビームによ
り原子を取り巻く電子が一個ずつ（電子エネルギが低い
ために一度に二個以上の確率は小さい）剥ぎ取られて生
成されていくと考えられている。つまり，ある荷電状態
のイオン生成率は，一つ荷電状態の少いイオンからの生
成率と一つ荷電状態の多いイオンへ移る率と壁面で損失
する率の平衡で与えられる。尚，再結合による損失はＰ
ＩＧ型イオン源で問題とする荷電数では比較的少ないと
考えられている。従って，イオンの閉じ込め時間を延ば
すことにより多価イオンの生成量を増大させることがで
きる。
【０００７】又，アノード電極５の形状は側面からは円
環状だが完全に閉鎖されているわけではなく，図２
（ａ）のように上面からみると透過空間が多い。従っ
て，コイル空間までプラズマが広がることができ，多価
イオンの生成にあずかる体積を大きくしているため，多
価イオンの生成量を更に増大させることができる。さら
に，ガス導入孔８及びガス排気孔１１の配置によりガス
流通経路内のプラズマ生成部１では局所的にガス圧を高
く，その外側ではガス圧を低くする。このことにより，
低ガス圧でも安定な放電が得られる。そして，アノード
電圧を高く動作させることによって電離にあずかる電子
エネルギを高くし，多価イオンの生成率をあげることが
できる。生成された多価イオンは原料ガス以外のプラズ
マ生成室１側壁などから放出される重元素ガスとの電荷
交換により失われ易い。従って，引き出し孔６以外にガ
ス排気孔１１及び真空排気孔１２を設けることによりベ
ース真空を上げて多価イオンの平均自由行程をのばし，
その寿命をのばすことができる。円筒，ループ，ヘリカ
ルトロイダル型アノード電極に対するヘリウム２価／１
価イオンの割合をガス圧力をパラメータにして得られた
実験データを図４に示す。図中，明らかに本発明の効果
が認められ，ヘリカルトロイダル型アノード電極ではガ
ス圧が１０-5Torr付近で２価／１価比で１０％という実
用的な値を得ることができた。以上のように本実施例に
よれば，多価イオンの生成を促進し，かつ生成された多
価イオンの寿命を延ばすことができる。しかも，既述し
たＥＣＲイオン源，電子ビーム入射型イオン源のような
強磁場，マイクロ波，電子銃が一切不要であるため，装
置が巨大化するおそれがなくシングルエンドの静電加速
器などへの搭載も可能であると共に，従来例のＰＩＧ型
イオン源の利点である「調整の容易さ」及び「低コス
ト」をも維持する。その結果，従来例に比べて比較的多
くの多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イ
オン源を得ることができる。尚，上記実施例ではガス流
通経路を磁極３の中央からアノード電極５を通って，磁
極４の周辺へ向かうように形成したが，実使用に際して
はガス流路を逆に磁極３の周辺からアノード電極５を通
って磁極４の中央へ向かうように形成しても何ら支障は
ない。尚，上記実施例ではガス導入孔８の開口９を１ｍ
ｍφ以下としたが，実使用に際しては開口９をアノード
電極５中心のガス圧を局部的に高めるだけの流速が得ら
れる程度の大きさに設定すれば良い。又，開口数につい
ても上記流速を満足する限り，複数個設けても何ら支障
はない。
環状だが完全に閉鎖されているわけではなく，図２
（ａ）のように上面からみると透過空間が多い。従っ
て，コイル空間までプラズマが広がることができ，多価
イオンの生成にあずかる体積を大きくしているため，多
価イオンの生成量を更に増大させることができる。さら
に，ガス導入孔８及びガス排気孔１１の配置によりガス
流通経路内のプラズマ生成部１では局所的にガス圧を高
く，その外側ではガス圧を低くする。このことにより，
低ガス圧でも安定な放電が得られる。そして，アノード
電圧を高く動作させることによって電離にあずかる電子
エネルギを高くし，多価イオンの生成率をあげることが
できる。生成された多価イオンは原料ガス以外のプラズ
マ生成室１側壁などから放出される重元素ガスとの電荷
交換により失われ易い。従って，引き出し孔６以外にガ
ス排気孔１１及び真空排気孔１２を設けることによりベ
ース真空を上げて多価イオンの平均自由行程をのばし，
その寿命をのばすことができる。円筒，ループ，ヘリカ
ルトロイダル型アノード電極に対するヘリウム２価／１
価イオンの割合をガス圧力をパラメータにして得られた
実験データを図４に示す。図中，明らかに本発明の効果
が認められ，ヘリカルトロイダル型アノード電極ではガ
ス圧が１０-5Torr付近で２価／１価比で１０％という実
用的な値を得ることができた。以上のように本実施例に
よれば，多価イオンの生成を促進し，かつ生成された多
価イオンの寿命を延ばすことができる。しかも，既述し
たＥＣＲイオン源，電子ビーム入射型イオン源のような
強磁場，マイクロ波，電子銃が一切不要であるため，装
置が巨大化するおそれがなくシングルエンドの静電加速
器などへの搭載も可能であると共に，従来例のＰＩＧ型
イオン源の利点である「調整の容易さ」及び「低コス
ト」をも維持する。その結果，従来例に比べて比較的多
くの多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イ
オン源を得ることができる。尚，上記実施例ではガス流
通経路を磁極３の中央からアノード電極５を通って，磁
極４の周辺へ向かうように形成したが，実使用に際して
はガス流路を逆に磁極３の周辺からアノード電極５を通
って磁極４の中央へ向かうように形成しても何ら支障は
ない。尚，上記実施例ではガス導入孔８の開口９を１ｍ
ｍφ以下としたが，実使用に際しては開口９をアノード
電極５中心のガス圧を局部的に高めるだけの流速が得ら
れる程度の大きさに設定すれば良い。又，開口数につい
ても上記流速を満足する限り，複数個設けても何ら支障
はない。
【０００８】
【発明の効果】本発明に係るＰＩＧ型イオン源は，上記
したように構成されているため，ヘリカルトロイダル型
アノード電極によるイオンの捕獲効果によりプラズマ生
成室内におけるイオンの閉じ込め時間を長くして多価イ
オンの生成を促進できる。又，原料ガスがアノード電極
中心を通るようにガス流通経路を形成して局所的にガス
圧を高めることにより，放電の安定性を確保した上でア
ノード電圧を高く動作させることによって多価イオンの
生成率を上げることができる。さらに，ベース真空を上
げて多価イオンの寿命をのばすことができる。しかも，
ＥＣＲイオン源，電子ビーム入射型イオン源のような強
磁場，マイクロ波，電子銃が一切不要であるため，装置
が巨大化するおそれがなくシングルエンドの静電加速器
などへの搭載も可能であると共に，従来例のＰＩＧ型イ
オン源の利点である「調整の容易さ」及び「低コスト」
をも維持する。その結果，従来例に比べて比較的多くの
多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオン
源を得ることができる。
したように構成されているため，ヘリカルトロイダル型
アノード電極によるイオンの捕獲効果によりプラズマ生
成室内におけるイオンの閉じ込め時間を長くして多価イ
オンの生成を促進できる。又，原料ガスがアノード電極
中心を通るようにガス流通経路を形成して局所的にガス
圧を高めることにより，放電の安定性を確保した上でア
ノード電圧を高く動作させることによって多価イオンの
生成率を上げることができる。さらに，ベース真空を上
げて多価イオンの寿命をのばすことができる。しかも，
ＥＣＲイオン源，電子ビーム入射型イオン源のような強
磁場，マイクロ波，電子銃が一切不要であるため，装置
が巨大化するおそれがなくシングルエンドの静電加速器
などへの搭載も可能であると共に，従来例のＰＩＧ型イ
オン源の利点である「調整の容易さ」及び「低コスト」
をも維持する。その結果，従来例に比べて比較的多くの
多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオン
源を得ることができる。
【図１】 本発明の一実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ
´の概略構造を示す断面図。
´の概略構造を示す断面図。
【図２】 イオン源Ａ´のアノード電極の形状を示す平
面図（ａ）と側面図（ｂ）。
面図（ａ）と側面図（ｂ）。
【図３】 イオン源Ａ´のアノード電極近傍のプラズマ
発生状況を示す説明図。
発生状況を示す説明図。
【図４】 イオン電流とガス圧力との関係を示すグラ
フ。
フ。
【図５】 従来のＰＩＧ型イオン源Ａの一例における概
略構造を示す構造図。
略構造を示す構造図。
【図６】 イオン源Ａのアノード電極の形状例を示す外
観斜視図。
観斜視図。
【図７】 イオン源Ａのアノード電極近傍のプラズマ発
生状況を示す説明図。
生状況を示す説明図。
Ａ´…ＰＩＧ型イオン源 １…プラズマ生成室（真空容器に相当） ２…永久磁石（磁石に相当） ３，４…磁極（カソード対に相当） ５…アノード電極（アノードに相当） ６…引き出し孔（イオン取出部に相当）
【手続補正書】
【提出日】平成５年４月６日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＰＩＧ型イオン源に係
り，例えば半導体製造などに用いるＰＩＧ型イオン源に
関するものである。
り，例えば半導体製造などに用いるＰＩＧ型イオン源に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年ますます社会の情報化が進み，膨大
な量の情報をコンピュータで処理することが要求され，
メモリーＩＣの記憶容量増大やプロセッサＩＣの処理速
度の高速化が迫られている。これらのＩＣ製造において
は，ＭｅＶ領域の高エネルギイオン注入を用いて半導体
基板のかなり深い位置に直接，不純物をドーピングする
技術が不可欠である。高エネルギイオン注入は，従来の
イオン注入で得られなかった注入分布や熱処理サイクル
の低減をもたらし，工程時間の短縮，集積度の向上，信
頼性の確保等を可能とすることが知られている。しか
し，現在実用レベルにあるのは軽イオンやガスを対象と
したものに限られ，もっと広い分野への適応が期待され
る重イオンについては未だ実用化の目処が立っていな
い。それは，一般にイオンの質量数Ｍが大きくなると装
置の加速部や分析部の設計が困難となるためである。電
磁石を用いた質量分離器を例にとれば，分離に必要な磁
界の強さは（Ｍ／ｑ）1/2 に比例し，Ｍ／ｑが小さいほ
ど加速，分離が容易となる。集束などビーム光学系につ
いても同様のことが言える（ｑ：イオン価数）。そこ
で，重元素でも電離度をあげた多価イオンを利用するこ
とによりＭ／ｑを小さくする方法が考えられる。又，多
価イオンを用いると加速電圧以上の高エネルギのビーム
が得られるので，装置の小型化にもつながる（即ち実用
イオン電流がとれる）ため，多価の重イオン源の開発が
望まれている。ところで，通常イオン源は，真空放電で
生じせしめた静止状態のプラズマから，そのプラズマ室
側壁にあけた引き出し孔を通して，その外側に配置した
引き出し電極に正極電圧をかけた電界により，イオンを
引き出す方法をとる。引き出される電流値Ｉsi［Ａ］
は，イオン自らがもつ正の空間電荷により電界が制限さ
れ，次式で与えられる。 Ｉsi〜４．３×１０-8・（２ａ／ｄ）2 ・（ｑ／Ｍ）1/2 ・Ｖ2/3 ・・・（１） ただし，ａ：引き出し孔の半径［ｃｍ］ ｄ：引き出し孔−電極間距離［ｃｍ］ Ｍ：イオンの質量数 Ｖ：引き出し電圧［Ｖ］ これは，イオン同志が前後の追越しができず渋滞しなが
ら引き出されるため，イオン速度以上のイオン電流を流
すことができないことを示している。さらに，イオン流
を供給するプラズマ生成室の制限があり，その最大値で
あるイオン飽和電流Ｉpi［Ａ］は次式のように与えられ
る。 Ｉpi〜３．０×１０-13 ・ａ2 ・（ｑ／Ｍ）1/2 ・Ｔe 1/2 ・ｎi ・・・（２） ただし，Ｔe ：プラズマの電子温度［ｅＶ］ ｎi ：プラズマ密度［ｃｍ-3］ 当然のことながらプラズマ密度が多いほど，引き出しう
るイオンは多い。プラズマ密度ｎi は，さらに次式に展
開される。 ｎi 〜τci・ｎb ・σ（Ｅｂ）・ｖb ・ｎo ・・・（３） ここで，τci：イオン閉じ込め時間 ｎb ：電離にあずかる電子密度 σ（Ｅｂ）：衝突断面積 ｖb ：電子の速度 ｎo ：中性粒子の密度 上記３式をガイドとしながら，イオン源のパラメータの
最適化をはかる。幾何学的パラメータを別にすると，プ
ラズマ密度がイオン源の性能を決定する重要なパラメー
タである。即ち，各種のイオン源では，電界や磁界を利
用して電子を往復／ら旋運動させて有効飛行距離をのば
し，電離にあずかる電子密度ｎb を実効的に大きくして
いる。そのようなイオン源の１つにＰＩＧ（Philips Io
nizationGage）型イオン源がある。図５は従来のＰＩＧ
型イオン源Ａの一例における概略構造を示す断面図，図
６はイオン源Ａのアノード電極の形状例を示す外観斜視
図（ａ）（ｂ），図７はイオン源Ａのアノード電極近傍
のプラズマ発生状況を示す説明図である。図５に示す如
く，従来のＰＩＧ型イオン源Ａは，円筒型のアノード電
極５を磁極３，４で軸方向に狭んだ構造をとり，磁極
３，４に外部でつながる永久磁石２によってアノード電
極５内に軸方向の磁場を発生させる。アノード電極５は
電流導入端子１０を通してアノード電源１４につなが
り，プラズマ生成室１に対して正極電位が印加される。
アノード電極５内に発生させたプラズマからイオンを，
引き出し電極７にかけた負極電位によって引き出し孔６
を通し，ビームとして取りだす。従来のアノード電極５
は，図６（ａ）に示されるような円筒型の他，製作しや
すいソレノイドコイル型（ｂ）などもある。以下，アノ
ード電極５近傍のプラズマ発生過程を図７を参照して説
明する。磁極３とアノード電極５間にかけられた電圧で
電子はアノード電極５中央にむけて加速される。高々ｋ
Ｖ程度のエネルギの電子は，アノード電極５近傍の磁場
（数百〜数千ガウス）によって磁束線にらせん状に絡み
ついた軌道（≦１ｍｍφ）を描く。この電子は中性粒子
との散乱によってわずかにエネルギを失うと対抗磁極４
にたどりつけずにアノード電極５中央で往復／振動運動
をおこなう。そして，往復する間に中性ガスを電離し，
イオンを生成する。生成したイオンは負電位となった磁
極３，４にむかって加速され，磁極表面に衝突し，衝突
によって２次電子が生成される。２次電子は再びアノー
ド電極５にむかって加速をうけ，電離にあずかる電子を
増殖していく。このようにＰＩＧ型イオン源Ａは，プラ
ズマ中に電子を捕獲してそのエネルギが電離エネルギに
減少するまで利用するという極めて電子の利用効率の良
い機構をもつ。このため，アノード電流の百倍以上の電
子電流密度（〜ｋＡ／ｃｍ2 ）をプラズマ内に実現す
る。従って，イオン生成時間の短い１価イオンに対して
はかなりの生成量が期待できる。加えて「調整の容易
さ」と「低コスト」という利点もあり，イオン源として
広く利用されてきた。
な量の情報をコンピュータで処理することが要求され，
メモリーＩＣの記憶容量増大やプロセッサＩＣの処理速
度の高速化が迫られている。これらのＩＣ製造において
は，ＭｅＶ領域の高エネルギイオン注入を用いて半導体
基板のかなり深い位置に直接，不純物をドーピングする
技術が不可欠である。高エネルギイオン注入は，従来の
イオン注入で得られなかった注入分布や熱処理サイクル
の低減をもたらし，工程時間の短縮，集積度の向上，信
頼性の確保等を可能とすることが知られている。しか
し，現在実用レベルにあるのは軽イオンやガスを対象と
したものに限られ，もっと広い分野への適応が期待され
る重イオンについては未だ実用化の目処が立っていな
い。それは，一般にイオンの質量数Ｍが大きくなると装
置の加速部や分析部の設計が困難となるためである。電
磁石を用いた質量分離器を例にとれば，分離に必要な磁
界の強さは（Ｍ／ｑ）1/2 に比例し，Ｍ／ｑが小さいほ
ど加速，分離が容易となる。集束などビーム光学系につ
いても同様のことが言える（ｑ：イオン価数）。そこ
で，重元素でも電離度をあげた多価イオンを利用するこ
とによりＭ／ｑを小さくする方法が考えられる。又，多
価イオンを用いると加速電圧以上の高エネルギのビーム
が得られるので，装置の小型化にもつながる（即ち実用
イオン電流がとれる）ため，多価の重イオン源の開発が
望まれている。ところで，通常イオン源は，真空放電で
生じせしめた静止状態のプラズマから，そのプラズマ室
側壁にあけた引き出し孔を通して，その外側に配置した
引き出し電極に正極電圧をかけた電界により，イオンを
引き出す方法をとる。引き出される電流値Ｉsi［Ａ］
は，イオン自らがもつ正の空間電荷により電界が制限さ
れ，次式で与えられる。 Ｉsi〜４．３×１０-8・（２ａ／ｄ）2 ・（ｑ／Ｍ）1/2 ・Ｖ2/3 ・・・（１） ただし，ａ：引き出し孔の半径［ｃｍ］ ｄ：引き出し孔−電極間距離［ｃｍ］ Ｍ：イオンの質量数 Ｖ：引き出し電圧［Ｖ］ これは，イオン同志が前後の追越しができず渋滞しなが
ら引き出されるため，イオン速度以上のイオン電流を流
すことができないことを示している。さらに，イオン流
を供給するプラズマ生成室の制限があり，その最大値で
あるイオン飽和電流Ｉpi［Ａ］は次式のように与えられ
る。 Ｉpi〜３．０×１０-13 ・ａ2 ・（ｑ／Ｍ）1/2 ・Ｔe 1/2 ・ｎi ・・・（２） ただし，Ｔe ：プラズマの電子温度［ｅＶ］ ｎi ：プラズマ密度［ｃｍ-3］ 当然のことながらプラズマ密度が多いほど，引き出しう
るイオンは多い。プラズマ密度ｎi は，さらに次式に展
開される。 ｎi 〜τci・ｎb ・σ（Ｅｂ）・ｖb ・ｎo ・・・（３） ここで，τci：イオン閉じ込め時間 ｎb ：電離にあずかる電子密度 σ（Ｅｂ）：衝突断面積 ｖb ：電子の速度 ｎo ：中性粒子の密度 上記３式をガイドとしながら，イオン源のパラメータの
最適化をはかる。幾何学的パラメータを別にすると，プ
ラズマ密度がイオン源の性能を決定する重要なパラメー
タである。即ち，各種のイオン源では，電界や磁界を利
用して電子を往復／ら旋運動させて有効飛行距離をのば
し，電離にあずかる電子密度ｎb を実効的に大きくして
いる。そのようなイオン源の１つにＰＩＧ（Philips Io
nizationGage）型イオン源がある。図５は従来のＰＩＧ
型イオン源Ａの一例における概略構造を示す断面図，図
６はイオン源Ａのアノード電極の形状例を示す外観斜視
図（ａ）（ｂ），図７はイオン源Ａのアノード電極近傍
のプラズマ発生状況を示す説明図である。図５に示す如
く，従来のＰＩＧ型イオン源Ａは，円筒型のアノード電
極５を磁極３，４で軸方向に狭んだ構造をとり，磁極
３，４に外部でつながる永久磁石２によってアノード電
極５内に軸方向の磁場を発生させる。アノード電極５は
電流導入端子１０を通してアノード電源１４につなが
り，プラズマ生成室１に対して正極電位が印加される。
アノード電極５内に発生させたプラズマからイオンを，
引き出し電極７にかけた負極電位によって引き出し孔６
を通し，ビームとして取りだす。従来のアノード電極５
は，図６（ａ）に示されるような円筒型の他，製作しや
すいソレノイドコイル型（ｂ）などもある。以下，アノ
ード電極５近傍のプラズマ発生過程を図７を参照して説
明する。磁極３とアノード電極５間にかけられた電圧で
電子はアノード電極５中央にむけて加速される。高々ｋ
Ｖ程度のエネルギの電子は，アノード電極５近傍の磁場
（数百〜数千ガウス）によって磁束線にらせん状に絡み
ついた軌道（≦１ｍｍφ）を描く。この電子は中性粒子
との散乱によってわずかにエネルギを失うと対抗磁極４
にたどりつけずにアノード電極５中央で往復／振動運動
をおこなう。そして，往復する間に中性ガスを電離し，
イオンを生成する。生成したイオンは負電位となった磁
極３，４にむかって加速され，磁極表面に衝突し，衝突
によって２次電子が生成される。２次電子は再びアノー
ド電極５にむかって加速をうけ，電離にあずかる電子を
増殖していく。このようにＰＩＧ型イオン源Ａは，プラ
ズマ中に電子を捕獲してそのエネルギが電離エネルギに
減少するまで利用するという極めて電子の利用効率の良
い機構をもつ。このため，アノード電流の百倍以上の電
子電流密度（〜ｋＡ／ｃｍ2 ）をプラズマ内に実現す
る。従って，イオン生成時間の短い１価イオンに対して
はかなりの生成量が期待できる。加えて「調整の容易
さ」と「低コスト」という利点もあり，イオン源として
広く利用されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
ＰＩＧ型イオン源Ａではイオン生成効率の大きい１価イ
オンに対しては，かなりの生成量が期待できた。ところ
が，多価イオンに対しては，プラズマ生成室１内におけ
るイオンの閉じ込め時間が短いために１価のイオンが電
子衝突電離で多価イオンになる前に自分のもつ熱運動ド
リフトにより壁面等で消滅してしまう。又，電離にあず
かる電子エネルギが低い（〜数百ｅＶ）。これら２つの
欠点により，多価イオンの生成率は低く，多価イオン源
としては殆ど利用されていなかった。即ち，従来のＰＩ
Ｇ型イオン源Ａを多価イオン源とするには多価イオンの
生成促進と，電離室内での生成イオンの長寿命化が肝要
である。多価イオンの生成過程においては，多価になる
ほど前述の電離断面積σ（Ｅｂ）のピークが高い側に移
動することから，電子温度（エネルギ）を高くする必要
がある。生成イオンの長寿命化には，生成イオンの平均
自由行程をのばすために電離室内のガス圧を低く抑える
必要があるが，平均自由行程が容器寸法以上に伸びると
容器壁に衝突しイオンが消滅してしまう。電子では弱い
磁界でも容易に軌道を磁束線に絡みつけて実効的に平均
自由行程を延ばすことができたが，イオンの場合には質
量が重いために強磁場が必要となり装置が巨大化してし
まう。加えて，多価イオンは中性粒子との散乱で容易に
電荷交換して１価に戻ってしまう。従って，閉じ込め時
間τciを長くするにはガス圧を下げて衝突しないように
する必要があるが，ガス圧を下げると原料となる１価の
イオンの生成も減少するうえに放電が不安定になってし
まう。この問題を共鳴現象を利用することによって克服
したものが電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源
であり，低ガス圧でも安定に放電動作し，プラズマ中の
電子を効率良く加熱できる。また，プラズマ放電に頼ら
ず，電子ビームで中性ガスを直接電離しようとするもの
が電子ビーム入射型イオン源である。しかし，これらの
イオン源は，強磁場，マイクロ波，電子銃が必要となり
装置が巨大化するため，いずれもシングルエンドの静電
加速器などには搭載が不可能なものであった。本発明は
このような従来の技術における課題を解決するために，
ＰＩＧ型イオン源を改良し，比較的多くの多価イオンを
取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオン源の提供を目
的とするものである。
ＰＩＧ型イオン源Ａではイオン生成効率の大きい１価イ
オンに対しては，かなりの生成量が期待できた。ところ
が，多価イオンに対しては，プラズマ生成室１内におけ
るイオンの閉じ込め時間が短いために１価のイオンが電
子衝突電離で多価イオンになる前に自分のもつ熱運動ド
リフトにより壁面等で消滅してしまう。又，電離にあず
かる電子エネルギが低い（〜数百ｅＶ）。これら２つの
欠点により，多価イオンの生成率は低く，多価イオン源
としては殆ど利用されていなかった。即ち，従来のＰＩ
Ｇ型イオン源Ａを多価イオン源とするには多価イオンの
生成促進と，電離室内での生成イオンの長寿命化が肝要
である。多価イオンの生成過程においては，多価になる
ほど前述の電離断面積σ（Ｅｂ）のピークが高い側に移
動することから，電子温度（エネルギ）を高くする必要
がある。生成イオンの長寿命化には，生成イオンの平均
自由行程をのばすために電離室内のガス圧を低く抑える
必要があるが，平均自由行程が容器寸法以上に伸びると
容器壁に衝突しイオンが消滅してしまう。電子では弱い
磁界でも容易に軌道を磁束線に絡みつけて実効的に平均
自由行程を延ばすことができたが，イオンの場合には質
量が重いために強磁場が必要となり装置が巨大化してし
まう。加えて，多価イオンは中性粒子との散乱で容易に
電荷交換して１価に戻ってしまう。従って，閉じ込め時
間τciを長くするにはガス圧を下げて衝突しないように
する必要があるが，ガス圧を下げると原料となる１価の
イオンの生成も減少するうえに放電が不安定になってし
まう。この問題を共鳴現象を利用することによって克服
したものが電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源
であり，低ガス圧でも安定に放電動作し，プラズマ中の
電子を効率良く加熱できる。また，プラズマ放電に頼ら
ず，電子ビームで中性ガスを直接電離しようとするもの
が電子ビーム入射型イオン源である。しかし，これらの
イオン源は，強磁場，マイクロ波，電子銃が必要となり
装置が巨大化するため，いずれもシングルエンドの静電
加速器などには搭載が不可能なものであった。本発明は
このような従来の技術における課題を解決するために，
ＰＩＧ型イオン源を改良し，比較的多くの多価イオンを
取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオン源の提供を目
的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は，中性ガスを導入する真空容器と，上記真空
容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁場
を発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設されて
上記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出するカ
ソード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該カ
ソード対から放出される電子により上記真空容器に導入
される中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノード
と，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガスの
イオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型イ
オン源において，上記アノードを上記真空容器の中心軸
廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルとしてな
ることを特徴とするＰＩＧ型イオン源として構成されて
いる。また中性ガスを導入する真空容器と，上記真空容
器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁場を
発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設されて上
記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出するカソ
ード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該カソ
ード対から放出される電子により上記真空容器に導入さ
れる中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノード
と，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガスの
イオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型イ
オン源において，上記アノードを上記真空容器の中心軸
廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルとすると
共に，上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノ
ード中心を通るようなガス流通経路を形成するガス流通
手段を設けてなることを特徴とするＰＩＧ型イオン源で
ある。
に本発明は，中性ガスを導入する真空容器と，上記真空
容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁場
を発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設されて
上記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出するカ
ソード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該カ
ソード対から放出される電子により上記真空容器に導入
される中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノード
と，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガスの
イオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型イ
オン源において，上記アノードを上記真空容器の中心軸
廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルとしてな
ることを特徴とするＰＩＧ型イオン源として構成されて
いる。また中性ガスを導入する真空容器と，上記真空容
器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁場を
発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設されて上
記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出するカソ
ード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該カソ
ード対から放出される電子により上記真空容器に導入さ
れる中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノード
と，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガスの
イオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型イ
オン源において，上記アノードを上記真空容器の中心軸
廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルとすると
共に，上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノ
ード中心を通るようなガス流通経路を形成するガス流通
手段を設けてなることを特徴とするＰＩＧ型イオン源で
ある。
【０００５】
【作用】本発明によれば，中性ガスを導入する真空容器
と，上記真空容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸
に平行な磁場を発生する磁石と，上記真空容器の両端部
に配設されて上記磁石により発生する磁場に沿って電子
を放出するカソード対と，上記カソード対の中間部に配
設されて該カソード対から放出される電子により上記真
空容器に導入される中性ガスをその内部にてプラズマ化
するアノードと，上記アノード内部にてプラズマ化され
た中性ガスのイオンを取り出すイオン取出し部とを備え
たＰＩＧ型イオン源の上記アノードが上記真空容器の中
心軸廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルにて
形成される。上記アノードは中央に低ポテンシャル部を
もつためここにイオン捕獲効果を生じ，イオンの閉じ込
め時間を延ばすことができる。更に，ガス流通手段によ
り上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノード
中心を通るようなガス流通経路が形成される。上記ガス
流通経路内は局所的にガス圧が高くなり，その外側では
ガス圧が低くなるため全体としては低ガス圧でも安定し
た放電が得られ，さらにはベース真空を上げて多価イオ
ンの寿命を延ばすこともできる。その結果，比較的多く
の多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオ
ン源を得ることができる。
と，上記真空容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸
に平行な磁場を発生する磁石と，上記真空容器の両端部
に配設されて上記磁石により発生する磁場に沿って電子
を放出するカソード対と，上記カソード対の中間部に配
設されて該カソード対から放出される電子により上記真
空容器に導入される中性ガスをその内部にてプラズマ化
するアノードと，上記アノード内部にてプラズマ化され
た中性ガスのイオンを取り出すイオン取出し部とを備え
たＰＩＧ型イオン源の上記アノードが上記真空容器の中
心軸廻りに配設されたヘリカルトロイダル型コイルにて
形成される。上記アノードは中央に低ポテンシャル部を
もつためここにイオン捕獲効果を生じ，イオンの閉じ込
め時間を延ばすことができる。更に，ガス流通手段によ
り上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノード
中心を通るようなガス流通経路が形成される。上記ガス
流通経路内は局所的にガス圧が高くなり，その外側では
ガス圧が低くなるため全体としては低ガス圧でも安定し
た放電が得られ，さらにはベース真空を上げて多価イオ
ンの寿命を延ばすこともできる。その結果，比較的多く
の多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオ
ン源を得ることができる。
【０００６】
【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ
´の概略構造を示す断面図，図２はイオン源Ａ´のアノ
ード電極の形状を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ），図
３はイオン源Ａ´のアノード電極近傍のプラズマ発生状
況を示す説明図，図４はイオン電流とガス圧力との関係
を示すグラフである。又，前記図５に示した従来のＰＩ
Ｇ型イオン源Ａの一例における概略構造を示す断面図と
共通する要素には同一符号を使用する。図１に示す如
く，本実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ´は，主として
プラズマ生成室１（真空容器に相当）と，永久磁石２
（磁石に相当）と，磁極３，４（カソード対に相当）
と，アノード電極５（アノードに相当）と，引き出し孔
６（イオン取出部に相当）等から構成されている点で従
来例と同様である。しかし，本実施例ではアノード電極
５として図２（ａ）（ｂ）に示すようなヘリカルトロイ
ダル型コイルを使用する点，ガス導入孔８を磁極３の中
央に配置して，１ｍｍφ以下の開口９からプラズマに直
に原料ガス（中性ガスに相当）を注入し，部分的にガス
圧を高くする点，引き出し孔６以外のガス排気孔１１を
磁極４に平面上アノード電極５を取り巻くように形成し
てまた引き出し電極７側壁にも真空排気孔１２を設ける
ことによって，プラズマ生成室１の排気コンダクタンス
を大きくし，低ガス圧動作を容易にする点で従来例と異
なる。（ガス導入孔８，開口９，ガス排気孔１１及び真
空排気孔１２がガス流通手段に相当する。） 以下，本実施例では主として上記従来例と異なる部分に
ついて説明し，従来例と同様の部分については既述の通
りであるので，その説明は省略する。このイオン源Ａ´
の動作原理について図２（ａ）（ｂ）及び図３を参照し
て説明する。ヘリカルトロイダル型コイルにて形成され
たアノード電極５は図２（ｂ）のように側面からみると
円環であり，従来の円筒形状のものと同様の機能が期待
されるが，ポテンシャル分布は従来例の円筒形状等と異
なり図３に示すように中央に低ポテンシャル部をもつ。
低ポテンシャル部では一般的にイオンの捕獲効果が生じ
るため，イオンの閉じ込め時間が延びる。ところで，Ｐ
ＩＧ型イオン源における多価イオンは，電子ビームによ
り原子を取り巻く電子が一個ずつ（電子エネルギが低い
ために一度に二個以上の確率は小さい）剥ぎ取られて生
成されていくと考えられている。つまり，ある荷電状態
のイオン生成率は，一つ荷電状態の少いイオンからの生
成率と一つ荷電状態の多いイオンへ移る率と壁面で損失
する率の平衡で与えられる。尚，再結合による損失はＰ
ＩＧ型イオン源で問題とする荷電数では比較的少ないと
考えられている。従って，イオンの閉じ込め時間を延ば
すことにより多価イオンの生成量を増大させることがで
きる。
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は本発明の一実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ
´の概略構造を示す断面図，図２はイオン源Ａ´のアノ
ード電極の形状を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ），図
３はイオン源Ａ´のアノード電極近傍のプラズマ発生状
況を示す説明図，図４はイオン電流とガス圧力との関係
を示すグラフである。又，前記図５に示した従来のＰＩ
Ｇ型イオン源Ａの一例における概略構造を示す断面図と
共通する要素には同一符号を使用する。図１に示す如
く，本実施例に係るＰＩＧ型イオン源Ａ´は，主として
プラズマ生成室１（真空容器に相当）と，永久磁石２
（磁石に相当）と，磁極３，４（カソード対に相当）
と，アノード電極５（アノードに相当）と，引き出し孔
６（イオン取出部に相当）等から構成されている点で従
来例と同様である。しかし，本実施例ではアノード電極
５として図２（ａ）（ｂ）に示すようなヘリカルトロイ
ダル型コイルを使用する点，ガス導入孔８を磁極３の中
央に配置して，１ｍｍφ以下の開口９からプラズマに直
に原料ガス（中性ガスに相当）を注入し，部分的にガス
圧を高くする点，引き出し孔６以外のガス排気孔１１を
磁極４に平面上アノード電極５を取り巻くように形成し
てまた引き出し電極７側壁にも真空排気孔１２を設ける
ことによって，プラズマ生成室１の排気コンダクタンス
を大きくし，低ガス圧動作を容易にする点で従来例と異
なる。（ガス導入孔８，開口９，ガス排気孔１１及び真
空排気孔１２がガス流通手段に相当する。） 以下，本実施例では主として上記従来例と異なる部分に
ついて説明し，従来例と同様の部分については既述の通
りであるので，その説明は省略する。このイオン源Ａ´
の動作原理について図２（ａ）（ｂ）及び図３を参照し
て説明する。ヘリカルトロイダル型コイルにて形成され
たアノード電極５は図２（ｂ）のように側面からみると
円環であり，従来の円筒形状のものと同様の機能が期待
されるが，ポテンシャル分布は従来例の円筒形状等と異
なり図３に示すように中央に低ポテンシャル部をもつ。
低ポテンシャル部では一般的にイオンの捕獲効果が生じ
るため，イオンの閉じ込め時間が延びる。ところで，Ｐ
ＩＧ型イオン源における多価イオンは，電子ビームによ
り原子を取り巻く電子が一個ずつ（電子エネルギが低い
ために一度に二個以上の確率は小さい）剥ぎ取られて生
成されていくと考えられている。つまり，ある荷電状態
のイオン生成率は，一つ荷電状態の少いイオンからの生
成率と一つ荷電状態の多いイオンへ移る率と壁面で損失
する率の平衡で与えられる。尚，再結合による損失はＰ
ＩＧ型イオン源で問題とする荷電数では比較的少ないと
考えられている。従って，イオンの閉じ込め時間を延ば
すことにより多価イオンの生成量を増大させることがで
きる。
【０００７】又，アノード電極５の形状は側面からは円
環状だが完全に閉鎖されているわけではなく，図２
（ａ）のように上面からみると透過空間が多い。従っ
て，コイル空間までプラズマが広がることができ，多価
イオンの生成にあずかる体積を大きくしているため，多
価イオンの生成量を更に増大させることができる。さら
に，ガス導入孔８及びガス排気孔１１の配置によりガス
流通経路内のプラズマ生成部１では局所的にガス圧を高
く，その外側ではガス圧を低くする。このことにより，
低ガス圧でも安定な放電が得られる。そして，アノード
電圧を高く動作させることによって電離にあずかる電子
エネルギを高くし，多価イオンの生成率をあげることが
できる。生成された多価イオンは原料ガス以外のプラズ
マ生成室１側壁などから放出される重元素ガスとの電荷
交換により失われ易い。従って，引き出し孔６以外にガ
ス排気孔１１及び真空排気孔１２を設けることによりベ
ース真空を上げて多価イオンの平均自由行程をのばし，
その寿命をのばすことができる。円筒，ループ，ヘリカ
ルトロイダル型アノード電極に対するヘリウム２価／１
価イオンの割合をガス圧力をパラメータにして得られた
実験データを図４に示す。図中，明らかに本発明の効果
が認められ，ヘリカルトロイダル型アノード電極ではガ
ス圧が１０-5Torr付近で２価／１価比で１０％という実
用的な値を得ることができた。以上のように本実施例に
よれば，多価イオンの生成を促進し，かつ生成された多
価イオンの寿命を延ばすことができる。しかも，既述し
たＥＣＲイオン源，電子ビーム入射型イオン源のような
強磁場，マイクロ波，電子銃が一切不要であるため，装
置が巨大化するおそれがなくシングルエンドの静電加速
器などへの搭載も可能であると共に，従来例のＰＩＧ型
イオン源の利点である「調整の容易さ」及び「低コス
ト」をも維持する。その結果，従来例に比べて比較的多
くの多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イ
オン源を得ることができる。尚，上記実施例ではガス流
通経路を磁極３の中央からアノード電極５を通って，磁
極４の周辺へ向かうように形成したが，実使用に際して
はガス流路を逆に磁極３の周辺からアノード電極５を通
って磁極４の中央へ向かうように形成しても何ら支障は
ない。尚，上記実施例ではガス導入孔８の開口９を１ｍ
ｍφ以下としたが，実使用に際しては開口９をアノード
電極５中心のガス圧を局部的に高めるだけの流速が得ら
れる程度の大きさに設定すれば良い。又，開口数につい
ても上記流速を満足する限り，複数個設けても何ら支障
はない。
環状だが完全に閉鎖されているわけではなく，図２
（ａ）のように上面からみると透過空間が多い。従っ
て，コイル空間までプラズマが広がることができ，多価
イオンの生成にあずかる体積を大きくしているため，多
価イオンの生成量を更に増大させることができる。さら
に，ガス導入孔８及びガス排気孔１１の配置によりガス
流通経路内のプラズマ生成部１では局所的にガス圧を高
く，その外側ではガス圧を低くする。このことにより，
低ガス圧でも安定な放電が得られる。そして，アノード
電圧を高く動作させることによって電離にあずかる電子
エネルギを高くし，多価イオンの生成率をあげることが
できる。生成された多価イオンは原料ガス以外のプラズ
マ生成室１側壁などから放出される重元素ガスとの電荷
交換により失われ易い。従って，引き出し孔６以外にガ
ス排気孔１１及び真空排気孔１２を設けることによりベ
ース真空を上げて多価イオンの平均自由行程をのばし，
その寿命をのばすことができる。円筒，ループ，ヘリカ
ルトロイダル型アノード電極に対するヘリウム２価／１
価イオンの割合をガス圧力をパラメータにして得られた
実験データを図４に示す。図中，明らかに本発明の効果
が認められ，ヘリカルトロイダル型アノード電極ではガ
ス圧が１０-5Torr付近で２価／１価比で１０％という実
用的な値を得ることができた。以上のように本実施例に
よれば，多価イオンの生成を促進し，かつ生成された多
価イオンの寿命を延ばすことができる。しかも，既述し
たＥＣＲイオン源，電子ビーム入射型イオン源のような
強磁場，マイクロ波，電子銃が一切不要であるため，装
置が巨大化するおそれがなくシングルエンドの静電加速
器などへの搭載も可能であると共に，従来例のＰＩＧ型
イオン源の利点である「調整の容易さ」及び「低コス
ト」をも維持する。その結果，従来例に比べて比較的多
くの多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イ
オン源を得ることができる。尚，上記実施例ではガス流
通経路を磁極３の中央からアノード電極５を通って，磁
極４の周辺へ向かうように形成したが，実使用に際して
はガス流路を逆に磁極３の周辺からアノード電極５を通
って磁極４の中央へ向かうように形成しても何ら支障は
ない。尚，上記実施例ではガス導入孔８の開口９を１ｍ
ｍφ以下としたが，実使用に際しては開口９をアノード
電極５中心のガス圧を局部的に高めるだけの流速が得ら
れる程度の大きさに設定すれば良い。又，開口数につい
ても上記流速を満足する限り，複数個設けても何ら支障
はない。
【０００８】
【発明の効果】本発明に係るＰＩＧ型イオン源は，上記
したように構成されているため，ヘリカルトロイダル型
アノード電極によるイオンの捕獲効果によりプラズマ生
成室内におけるイオンの閉じ込め時間を長くして多価イ
オンの生成を促進できる。又，原料ガスがアノード電極
中心を通るようにガス流通経路を形成して局所的にガス
圧を高めることにより，放電の安定性を確保した上でア
ノード電圧を高く動作させることによって多価イオンの
生成率を上げることができる。さらに，ベース真空を上
げて多価イオンの寿命をのばすことができる。しかも，
ＥＣＲイオン源，電子ビーム入射型イオン源のような強
磁場，マイクロ波，電子銃が一切不要であるため，装置
が巨大化するおそれがなくシングルエンドの静電加速器
などへの搭載も可能であると共に，従来例のＰＩＧ型イ
オン源の利点である「調整の容易さ」及び「低コスト」
をも維持する。その結果，従来例に比べて比較的多くの
多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオン
源を得ることができる。
したように構成されているため，ヘリカルトロイダル型
アノード電極によるイオンの捕獲効果によりプラズマ生
成室内におけるイオンの閉じ込め時間を長くして多価イ
オンの生成を促進できる。又，原料ガスがアノード電極
中心を通るようにガス流通経路を形成して局所的にガス
圧を高めることにより，放電の安定性を確保した上でア
ノード電圧を高く動作させることによって多価イオンの
生成率を上げることができる。さらに，ベース真空を上
げて多価イオンの寿命をのばすことができる。しかも，
ＥＣＲイオン源，電子ビーム入射型イオン源のような強
磁場，マイクロ波，電子銃が一切不要であるため，装置
が巨大化するおそれがなくシングルエンドの静電加速器
などへの搭載も可能であると共に，従来例のＰＩＧ型イ
オン源の利点である「調整の容易さ」及び「低コスト」
をも維持する。その結果，従来例に比べて比較的多くの
多価イオンを取り出し得るコンパクトなＰＩＧ型イオン
源を得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 徳村 哲夫 神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 株式 会社神戸製鋼所神戸本社内 (72)発明者 稲葉 高男 蕨市南町２−19−３ (72)発明者 三宅 善信 下関市幡生町２丁目３−７
Claims (2)
- 【請求項１】 中性ガスを導入する真空容器と，上記真
空容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁
場を発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設され
て上記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出する
カソード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該
カソード対から放出される電子により上記真空容器に導
入される中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノー
ドと，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガス
のイオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型
イオン源において， 上記アノードを上記真空容器の中心軸廻りに配設された
ヘリカルトロイダル型コイルとしてなることを特徴とす
るＰＩＧ型イオン源。 - 【請求項２】 中性ガスを導入する真空容器と，上記真
空容器廻りに配設されて該真空容器の中心軸に平行な磁
場を発生する磁石と，上記真空容器の両端部に配設され
て上記磁石により発生する磁場に沿って電子を放出する
カソード対と，上記カソード対の中間部に配設されて該
カソード対から放出される電子により上記真空容器に導
入される中性ガスをその内部にてプラズマ化するアノー
ドと，上記アノード内部にてプラズマ化された中性ガス
のイオンを取り出すイオン取出し部とを備えたＰＩＧ型
イオン源において， 上記アノードを上記真空容器の中心軸廻りに配設された
ヘリカルトロイダル型コイルとすると共に， 上記真空容器内に導入される中性ガスが上記アノード中
心を通るようなガス流通経路を形成するガス流通手段を
設けてなることを特徴とするＰＩＧ型イオン源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4240751A JPH0689796A (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | Ｐｉｇ型イオン源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4240751A JPH0689796A (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | Ｐｉｇ型イオン源 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0689796A true JPH0689796A (ja) | 1994-03-29 |
Family
ID=17064170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4240751A Pending JPH0689796A (ja) | 1992-09-09 | 1992-09-09 | Ｐｉｇ型イオン源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0689796A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003510780A (ja) * | 1999-09-29 | 2003-03-18 | ユーロピアン コミュニティ（イーシー） | 大きい領域を有するプラズマ源における均一ガス分布 |
-
1992
- 1992-09-09 JP JP4240751A patent/JPH0689796A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003510780A (ja) * | 1999-09-29 | 2003-03-18 | ユーロピアン コミュニティ（イーシー） | 大きい領域を有するプラズマ源における均一ガス分布 |
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