JPH0750636B2

JPH0750636B2 - 粒子線源

Info

Publication number: JPH0750636B2
Application number: JP60023513A
Authority: JP
Inventors: 房男下川; 博喜桑野; 一敏長井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1985-02-12
Filing date: 1985-02-12
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPS61183899A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は中性化率が高く大量の高速原子線を発生するこ
とのできる粒子線源に関するものである。

〈従来の技術〉従来では、第３図に示す線源を用いて高速原子線を形成
している。同図に示すようにこの線源はAl製円筒の両端
面（直径30mm）を冷陰極3,4とすると共にこの円筒内に
同心状に環状の陽極２を配置する一方、一方の冷陰極３
にガス導入孔１を設けると共に冷陰極3,4を接地し、更
に他方の冷陰極４の中央部に直径1mmのビーム引き出し
孔を穿設してなるものである。このような構成の線源よ
り取り出されるビーム５はイオン、原子とから成る混合
ビームである。この場合のイオン線と原子線の割合は、
実験の結果50％,50％であることが判明している。即
ち、このビームの中性化率は50％である。

従来、このビームの中性化率を増加あるいは制御するた
めに第４図又は第５図に示す方法が採用されている。第
４図に示されるものは、線源６から取り出されたイオン
・原子の混合ビーム７に対して、電子源８から電子線９
を照射することにより、混合ビーム７中のイオン線を一
部中和して原子線とするものである。この方法では、イ
オンの全てを原子に変換することは困難であり、イオン
が原子に変わる割合は数％にすぎない。従つて、混合ビ
ームは約51〜52％の原子と、48〜49％のイオンとからな
るビームにしか中性率を増加することができず、この方
法では大量の高速原子線が得られなかつた。第５図に示
されるものは線源６から引き出された混合ビーム７をNe
utralizer11に斜入射させて、混合ビーム７中のイオン
の電荷を変換し、原子線を形成する方法である。この方
法では、混合ビーム７がNeutralizer11に衝突する際
に、多くは吸収、消失してしまい、大量の原子線を作る
ことができない。更に、混合ビームがNeutralizer11に
衝突することによつてNeutralizer自身をスパツタする
ため、電荷交換により得られるビーム中にNeutralizer1
1の原子が混入しビームの純度を低下させるおそれもあ
る。

〈発明が解決しようとする問題点〉このように、従来技術では、中性化率が約50％程度であ
り、大量の高速原子線が得られず、また純度の高い高速
の原子線が得られないという欠点があつた。本発明は、
熱電子源及び磁石を付加することによりこのような従来
技術の問題点を解消した粒子線源を提供することを目的
とする。

〈問題点を解決するための手段〉斯かる目的を達成する本発明の粒子線源に係る構成は環
状の陽極の両側に冷陰極を各々配置すると共にこれらの
電極間にガスを介在させて低圧ガス放電を発生させる一
方、前記冷陰極に近接して熱電子源を配置し、更にこれ
ら陽極及び冷陰極の外周に磁石を配置して前記陽極と前
記冷陰極との間に形成される電界に沿った方向に磁界を
印加し、また陽極を中心として両冷陰極間で振動する電
子とイオンが結合した高速原子線源を取り出すビーム放
出孔をいずれかの前記冷陰極の中央に設けたことを特徴
とするものである。

〈作用〉環状の陽極とこの両側の冷陰極との間にガスを介在させ
て低圧ガス放電させると、冷陰極から放出された電子は
陽極を中心として両冷陰極間で振動し、その途中で多く
の気体ガス分子原子と衝突してイオンを生ずる。振動す
る電子は折り返し点である冷陰極付近では低速となつ
て、イオンと再結合し高速原子線となり更く冷陰極中央
のビーム放出孔か取り出さる。また、ビーム放出孔から
はイオンも同様に取り出される。ここで熱電子源を点火
して熱電子を発生させると、イオンと電子とが結合して
高速原子線となる確立が高くなり、ビーム放出孔から取
り出されるビームの中性化率が向上することとなる。ま
た、振動する電子のうち電界と平行に運動しないものに
ついては、磁界によるローレンツ力が作用するため、こ
の電子は磁力線にからみつくように螺旋運動し、しかも
その半径が両側ほど小さくなるので、発散することな
く、ビーム放出孔に集中し、イオンと大量に結合して高
速原子線となるのである。

〈実施例〉以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

第１図に本発明の一一端部を示す。同図に示されるよう
に、円筒状の容器の一端面が冷陰極４となると共にその
容器の他端面として冷陰極３が装着され、更にその容器
の中央部において環状の陽極２が同心状に配置されて、
直径55mm、長さ60mmの放電用空間が容器内に形成されて
いる。冷陰極3,4はいずれもフラフアイト製であり、接
地される一方、冷陰極３にはガス導入口１が接続され、
また冷陰極４にはその中央にビーム放出孔14が設けられ
ている。更に本発明では、冷陰極３の中央から放電用空
間内に熱電子源16が差し込まれ、この熱電子源16には直
流安定化電源17が接続されている。熱電子源16として
は、例えばタングステンフイラメント、タングステン−
トリウムフイラメントなどが使用できる。更に、陽極２
及び冷陰極3,4の外周においては、これらと同心状に環
状の磁石18が配置されており、第１図に示すように陽極
２と冷陰極3,4との間に形成される電界Ｅに沿つた磁界
Ｂが発生している。磁石18としては、直流電磁石、交流
電磁石又は永久磁石等が使用でき、磁界強度を変化させ
られる電磁石が便利である。

このような構成の粒子線源は次の様に使用する。また、
ガス導入口１より、Ar等の不活性ガスを放電用空間内に
導入し、次いで、陽極２に数kV〜10kV程度の直流正電圧
をを印加する。すると、陽極２とその両側の冷陰極3,4
間でグロー放電が発生し、この時、冷陰極３又は４から
放出される電子12は陽極２に向かつて加速し、環状の陽
極２の中央を貫通して反対側の冷陰極４又は３に達し、
ここで速度を失つていつたん停止し、あらためて陽極２
に向けて加速され、以後同様に繰り返す。即ち、冷陰極
3,4より放出された電子12は陽極２を中心にバルクハウ
ゼン−クルツの振動（以下Ｂ−Ｋ振動という）と呼ばれ
る高周波運動を行い、その途中で多くの気体ガス、分
子、原子と衝突してイオン13を大量に生成する。この場
合、線源内のガス圧縮は10^-2〜10^-3Torrであり、また、
線源内では放電におけるパツシエンの法則に基づいて引
出し方向の振動が支配的となる用に設計される。ビーム
放出孔14付近は、Ｂ−Ｋ振動を行う電子12の折り返し点
であり、速度の小さい電子12が多数存在する空間でもあ
る。この電子12は低速であり衝突断面積が大きいため冷
陰極４付近に飛来するイオン13と結合して高速原子線15
となる。また、冷陰極４に飛来したイオン13は数kVの運
動エネルギーを有しており、一部は冷陰極４に衝突して
二次電子を放出する。放出された二次電子は初速度が数
十eVと低いため、大きな衝突断面積を有しており、これ
も後続のイオン13と結合して高速原子線15となる。この
ため、陽極２、冷陰極3,4としては二次電子放出比が0.1
程度の材料であり、しかも耐熱性に優れたグラフアイト
が好ましい。しかしながら、この程度では高速電子線15
のビーム全体に対する中性化率は70％程度にしか改善さ
れるにすぎない。即ち冷陰極3,4に入射するイオン13の
数をN₊（個／cm²sec）、冷陰極3,4の付近のＢ−Ｋ振動
電子、二次電子の数をｎ（個／cm²sec）、発生する原子
15の数をN_O（個／cm²sec）、冷陰極４のイオン衝撃によ
る二次電子放射比をγ、ビーム放出孔の開口率をＫ、Ar
原子に対するＢ−Ｋ振動電子の衝突断面積をQ_B（c
m²）、同じく二次電子の衝断断面積をQ_Sとすれば、ビー
ム中性化率N_O／（N_O＋N₊）＝δは近似的に次の様に表わ
せる。

具体的な値としてQ_B≒10^-16cm²，Q_S≒10^-17cm²が文献値
として与えられる。また、本線源の様に冷陰極材料とし
てグラフアイトを用いれば、γ≒0.1またはＫ＝0.3とな
る様に放出孔を作りｎ＝３×10¹⁶（個／cm²sec）（これ
は、放電電流にしてほぼ2mA/cm²に相当する）の放電が
生じているとすれば、 δ＝0.7 …（２）となる。つまり、30％程度のイオンの混入したビームが
放出口15から放射してしる事になる。（１）式からわる
通り、ｎを増加すれば中性化率は改善される事になる。

そこで本発明では線源内に熱電子源16を付加したのであ
る。熱電子源16に直流安定化電源17により最大10A程度
の電流を流すと、熱電子源16の表面温度が高くなり、大
量の電子が放出される。従つて、この電子源16の点火に
よつて線源内に生成されるイオン13の数を増すことがで
きると共に冷陰極４付近の低速の電子の数を増すことが
できるため、イオン13と電子12とが結合して高速原子線
15なる確率が高くなる。例えば電子の数ｎが10倍になれ
ばδ１となりほぼすべてのイオンが原子となつて放出
する事になる。また、熱電子源16に流す電流の大きさを
変更することによつて、熱電子源16から放出される電子
12の数を制御し、イオン13と電子12とが再結合する確率
を任意に選択することが可能となる。尚、上記実施例に
おいては、ガス導入口１の設けられた冷陰極３に熱電子
源16を装着したが、これに限るものではなく、ビーム放
出孔14のある冷陰極４に熱電子源16を装着しても良く、
また、冷陰極3,4の両方に熱電子源16を装着しても良
い。いずれにしても同様の効果を奏する。

更に、本発明では電界Ｅに沿つて磁界Ｂを加えているた
め、電子12は発散せずに放出孔14に集中するように振る
舞う。即ち、Ｂ−Ｋ振動する電子12は電界Ｅに沿つた加
速度を受けるが、他の原子、分子又は壁面に衝突するた
め、その運動方向は必ずしも電界と平行ではない。電子
12の運動方向と電界とのなす角をθとすると、電子12が
磁界Ｂから受けるローレンツ力Ｆは下式で示される。

Ｆ＝ｖ・sinθ・eB …（３）但し、ｖは電子の速度、ｅは電子の電荷である。

このローレンツ力Ｆは電子12の運動方向及び磁界Ｂの方
向とに垂直方向に作用し、遠心力とつり合うので下式が
成り立つ。

但し、ｍは電子の質量、ｒは電子が円運動を行う半径で
ある。

また、電子の運動エネルギーは次のように表現できる。

但し、Ｖは陽極に印加した電圧である。

従つてこれら３式より、電子が円運動を行う半径ｒは次
式で表される。

（６）式は、電子が磁力線のまわりにからみつう様に螺
旋運動する際、その半径が中央ほど大きく、両側に近づ
くにしたがつて小さくなることを示している。例えば、
陽極冷陰極3,4の寸法を長径3cm、陽極２の内径を2cmと
すれば、この螺旋運動により、電子は電極系の内部で発
散せずに、ビーム放出孔14に集中することとなり、ビー
ム放出孔14付近でイオンと電子とが結合して大量の高速
原子線が発生されることとなる。

次に本発明の粒子線源を用いた実験結果について説明す
る。第２図は、本発明の粒子線源の高速原子線放射特性
である。高速原子線は、放出孔から約15°の開き角で放
射しており、放出孔出口における電流密度が図２の縦軸
に示してある。熱電子源16に一定の電流（6A）を流し磁
石18の磁束密度を変化させてその時引き出されたビーム
電流を測定した。ビーム電流は、高速原子線の個数をイ
オン電流に換算してある本発明の粒子線源を用いた場合
のビーム電流を（熱電子源＋磁石）で示した。また、比
較のために熱電子源16のみを用いた場合のビーム電流
（磁束密度０の点でのビーム電流密度）、磁石18のみを
用いた場合のビーム電流を併記した。第２図から明らか
なように本発明の粒子線源を用いたビーム電流には、熱
電子源16、磁石18をそれぞれ単独で用いた場合の相乗効
果がみられる。即ち、熱電子源16と磁石18を併用した場
合には、熱電子源16のみを用いた場合の３〜５倍電磁石
18のみを付加した場合の1.5倍のビーム電流が得られ
る。

〈発明の効果〉以上、実施例に基づいて詳細に説明したように、本発明
の粒子線源は、熱原子源から電子を発生させることによ
り、イオンと電子とが結合する確立を高めて中性化率を
高めることができると共に自由に制御することができ
る。しかも、磁石を付加して電子を発散させずに集束す
ることができるので大量の高速原子線を発生できる。

また、本発明の粒子線源をスパツタリングに応用すれ
ば、絶縁体表面がチヤージアツプすることに影響されず
に材料の加工を能率的に進めることができ、特に、薄膜
形成時に好都合である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図，第２図は
ビーム電流密度と磁束密度との相関を示すグラフ、第３
図（ａ）（ｂ）は各々従来の線源を示す概略構成図、正
面図、第４図は混合ビームに電子線を照射する様子を示
す説明図、第５図は混合ビームをNeutralizerに斜入射
する様子を示す説明図である。図面中、１はガス導入口、２は陽極、3,4は冷陰極、５はビー
ム、６は線源、７は混合ビーム、８は電子源、９は電子
線、10はイオンが残存した原子線、11はNeutralizer、1
2は電子、13はイオン、14はビーム放出孔、15は高速原
子線、16は熱電子源、17は直流安定化電源、18は磁石で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】環状の陽極の両側に冷陰極を各々配置する
と共にこれらの電極間にガスを介在させて低圧ガス放電
を発生させる一方、前記冷陰極に近接して熱電子源を配
置し、更にこれら陽極及び冷陰極の外周に磁石を配置し
て前記陽極と前記冷陰極との間に形成される電界に沿っ
た方向に磁界を印加し、また陽極を中心として両冷陰極
間で振動する電子とイオンが結合した高速原子線源を取
り出すビーム放出孔をいずれかの前記冷陰極の中央に設
けたことを特徴とする粒子線源。