JPH08102278A

JPH08102278A - イオンビーム発生装置及び方法

Info

Publication number: JPH08102278A
Application number: JP6236771A
Authority: JP
Inventors: Moritake Tanba; 護武丹波
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1996-04-16
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: JP3454384B2

Abstract

(57)【要約】【目的】多価電離イオンの割合が高いイオンビームを
連続して発生することができ、電極の寿命が長く、安定
して作動でき、かつ小型で構造がシンプルであるイオン
ビーム発生装置及び方法を提供する。【構成】仕切り板２１で第１チャンバー２２と第２チ
ャンバー２３に区分された真空容器２４と、仕切り板を
貫通する開口孔２５を有し正に印加されるアノード２６
と、第１チャンバー内の開口孔の軸線Ｚ上にアノードと
対向して配置され負に印加されるカソード２７と、カソ
ードを間隔を隔てて囲み、該間隔がアノード側に漸増す
るように成形され、かつアノード及びカソードから電気
的に浮いた導電性フード２８と、真空容器内にマイクロ
波を導入するマイクロ波導入部２９と、第１チャンバー
及び第２チャンバー内に発生するプラズマを少なくとも
一時的に封じ込める磁場を発生させる磁場発生装置３０
とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンビーム発生装置
及び方法に係わり、更に詳しくは、多価電離イオンの割
合が高いイオンビームを連続して発生するイオンビーム
発生装置とその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空アーク放電によりカソードを構成す
る物質を気化し、かつイオン化して金属プラズマを形成
し、この金属プラズマからイオンビームを抽出する装置
が既に開示されている（例えば特開昭６３−２７６８５
８号公報）。このイオンビーム発生装置は、図５に例示
するように、真空室１、カソード２、アノード３、アノ
ード保持部材４、トリガー電極５、コイル６、イオン抽
出電極７、等から構成され、カソード２と同心状に配置
したトリガー電極５の間に微小放電を起こさせ、これに
よってカソード２とアノード３の間にアーク放電を発生
させ、このアーク放電によりカソード２の一部を気化さ
せてプラズマ８を形成し、コイル６により形成された磁
場によりプラズマ８をアノード３の開口部を通過させ、
更にイオン抽出電極７によりアノード３を通過したプラ
ズマ８からイオンビーム９を抽出するようになってい
た。

【０００３】しかし、かかるイオンビーム発生装置で
は、真空アーク放電によって形成した金属プラズマ８か
らイオンビーム９を直接引き出しているため、イオンビ
ーム中の多価電離イオンの割合が非常に低く、このため
イオンビームに所定のエネルギーを付与するためのイオ
ン抽出系の電源容量を大きくしなければならないという
問題点があった。また、この装置は、数ミリ秒の短時間
のパルス波でしかイオンビームを発生できない問題点が
あった。更に、この装置は、構造が複雑である問題点が
あった。

【０００４】かかる問題点を解決するために、本願発明
の発明者等は、マイクロ波を真空チャンバー内に導入す
ることにより、多価電離イオンの割合を高めることがで
きるイオンビーム装置を創案し、出願した（特開平５−
１０１７９９号公報）。このイオンビーム装置は、図６
に例示するように、カソード１０、真空チャンバー１
１、マイクロ波導入部１２、アーク電源１３、マルチカ
スプ磁場を形成する磁石１４、イオン抽出電極１５等を
備えており、真空チャンバー１１内を真空にし、マイク
ロ波導入部１２よりマイクロ波を導入してマイクロ波プ
ラズマを発生させ、アーク電源１３を作動させてマイク
ロ波プラズマをトリガーとしてカソード１０とマイクロ
波プラズマ間に真空アーク放電を発生させて、カソード
物質の金属プラズマ１６を真空チャンバー１１内に形成
し、磁石１４により金属プラズマ１６を一時的に封じ込
めて、マイクロ波により多価電離イオンの割合を増加さ
せ、イオン抽出電極１５によってイオンのみを抽出し、
多価電離イオンの割合の高いイオンビーム１７を形成す
るようになっていた。

【０００５】すなわち、マイクロ波の印加によって、プ
ラズマ中の電子のエネルギーを増幅し、これにより、電
子とイオン、又は電子と中性粒子との衝突による多価電
離イオンの形成を促進し、金属プラズマ中の多価電離イ
オンの割合を高める装置であり、図５の装置に比較し
て、多価電離イオンの割合を高め、かつ長時間連続して
イオンビームを発生させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかるイオン
ビーム発生装置によっても、ガスの導入を停止或いは減
少させて真空度を下げて、アーク放電を持続させようと
すると、アークがカソードの先端部に集中しないでカソ
ードの根元部分や中程部分に発生してこの部分に深い窪
みが短時間ででき、カソードの局部損傷やこれによる破
断が生じやすく、長時間の使用に耐えられない問題点が
あった。ここで、多価電離イオンの発生には、ガスの導
入を停止させて真空度を下げることは不可欠のことであ
る。また、プラズマを一方の電極とするため、プラズマ
が変動すると、電極間の距離が変動し、制御が困難にな
り、再現性が悪い問題点があった。

【０００７】本発明は、かかる種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、多価電離イオンの割合が高いイオンビームを連続し
て発生することができ、電極の寿命が長く、安定して作
動でき、かつ小型で構造がシンプルであるイオンビーム
発生装置及び方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、仕切り
板で第１チャンバーと第２チャンバーに区分された真空
容器と、前記仕切り板を貫通する開口孔を有し正に印加
されるアノードと、第１チャンバー内の前記開口孔の軸
線上にアノードと対向して配置され負に印加されるカソ
ードと、前記カソードを間隔を隔てて囲み、該間隔がア
ノード側に漸増するように成形され、かつアノード及び
カソードから電気的に浮いた導電性フードと、真空容器
内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、第１
チャンバー及び第２チャンバー内に発生するプラズマを
少なくとも一時的に封じ込める磁場を発生させる磁場発
生装置と、を備えたことを特徴とするイオンビーム発生
装置が提供される。

【０００９】本発明の好ましい実施例によれば、前記カ
ソードは、アノードに対向する平面をもった軸線と同心
の切頭円錐形部分を有し、前記フードは、前記軸線と同
心の中空円筒形である。また、別の実施例によれば、前
記カソードは、アノードに対向する端面を有し前記軸線
と同心の円筒形であり、前記フードは、カソードを囲む
部分がアノード側に漸増する前記軸線と同心のロート形
状である。

【００１０】また、前記カソードを内側に支持する中空
円筒形の絶縁性支持部材と、該支持部材に一端部が連結
され、他端部が軸線に沿ってアノードと反対側に延びる
中空円筒形の絶縁管と、を更に備え、前記導電性フード
は前記絶縁管の外側に間隔を隔てて取り付けられる。前
記支持部材はボロンナイトライドからなり、前記絶縁管
は石英ガラスからなる、ことが好ましい。また、前記ア
ノードは、中空円筒形でありかつ結晶成長カーボンから
なる。

【００１１】更に、前記第１チャンバーと第２チャンバ
ーは、アノードの開口孔で連通し、かつ、それぞれ独立
に真空排気され、第２チャンバーの真空度が第１チャン
バーより高くなるように差動排気される。また、前記カ
ソードは、半導体又は導電性物質からなることが好まし
い。

【００１２】また、本発明によれば、第１の真空チャン
バー内でアノードとカソード間に真空アーク放電を発生
させてカソード物質の金属プラズマを形成し、磁場によ
り金属プラズマを一時的に封じ込め、かつ第１真空チャ
ンバーと連通する第２の真空チャンバー内でマイクロ波
により金属プラズマを加熱して多価電離イオンの割合を
増加させ、電界により金属プラズマからイオンを抽出
し、これによりイオンビームを発生させる、ことを特徴
とするイオンビーム発生方法が提供される。

【００１３】本発明の好ましい実施例によれば、アノー
ドとカソードを結ぶ軸線方向を開口させてカソードを導
電性フードで間隔を隔てて囲み、該間隔をアノード側に
漸増するようにフードを成形し、かつ該フードを電気的
に浮かして浮動ポテンシャルに保持し、これによりカソ
ードとフード間に軸線にほぼ直交する電気力線を形成す
ることが好ましい。

【００１４】

【作用】上記本発明の装置及び方法によれば、第１の真
空チャンバー内でアノードとカソード間に真空アーク放
電を発生させてカソード物質の金属プラズマを形成し、
磁場発生装置による磁場により金属プラズマを一時的に
封じ込め、かつマイクロ波により金属プラズマを加熱し
て多価電離イオンの割合を増加させ、イオン抽出電極に
よる電界により金属プラズマからイオンを抽出すること
により、多価電離イオンの割合が高いイオンビームを発
生させることができる。

【００１５】また、カソードを間隔を隔てて囲み、この
間隔がアノード側に漸増するように成形され、かつアノ
ード及びカソードから電気的に浮いた導電性フードを備
えることにより、フードを電気的に浮動ポテンシャルに
保持し、カソードとフード間に軸線にほぼ直交する電気
力線を形成することができ、カソードの根元部分にアー
クが飛んでこの部分を損傷することを本質的に回避する
ことができ、カソードを長時間連続して使用することが
でき、かつ真空チャンバーを小型にし、カソードとアノ
ードの間隔を短くすることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明によるイオンビーム発生
装置の全体構成図である。この図において、本発明のイ
オンビーム発生装置２０は、仕切り板２１で第１チャン
バー２２と第２チャンバー２３に区分された真空容器２
４と、仕切り板２１を貫通する開口孔２５を有しかつ正
（プラス）に印加されるアノード２６と、第１チャンバ
ー２２内の前記開口孔２５の軸線Ｚ上にアノード２６と
対向して配置され、負（マイナス）に印加されるカソー
ド２７と、カソード２７を間隔を隔てて囲む導電性フー
ド２８と、真空容器２４すなわち第２チャンバー２３内
にマイクロ波を導入するマイクロ波装置（導入部２９と
図示しないマイクロ波発生装置からなる）と、第１チャ
ンバー２２及び第２チャンバー２３内に発生するプラズ
マを少なくとも一時的に封じ込める磁場を発生させる磁
場発生装置３０とを備えている。

【００１７】第１チャンバー２２と第２チャンバー２３
は、開口孔２５を有するアノード２６を隔壁として、図
示しない真空装置によりそれぞれ独立に真空排気され
る。この構成により、アークプラズマ３２の発生時にカ
ソードが蒸発して金属イオンが発生する第１チャンバー
２２よりも第２チャンバー２３の真空度をより高く（圧
力が低く）なるように差動排気することができる。

【００１８】マイクロ波導入部２９は、図示のように、
軸線Ｚに垂直に設けてもよく、或いは、図６に示したよ
うに、真空チャンバーの側面に設けてもよい。磁場発生
装置３０は、図６と同様に、マルチカスプ磁場を形成す
るための複数の永久磁石３０ａと、その両側に設けられ
たミラー磁場を形成するための空心コイル３０ｂ、３０
ｃとからなり、これらの２つの磁場により、第１チャン
バー２２にプラズマ閉じ込め空間を形成するようになっ
ている。なお、磁場発生装置３０は、かかる構成に限定
されず、例えば、特開平５−１０１７９９号に開示した
ような種々の構成のものであってもよい。マイクロ波導
入部２９から導入するマイクロ波と磁場発生装置３０に
よる磁場とは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件
を満たすように設定する。かかる構成により、マイクロ
波によるマイクロ波プラズマの発生、及び金属プラズマ
の加熱にＥＣＲを利用することができる。なお、図１に
おいて、４１は、カソード２７を負（マイナス）に印加
するアーク電源、４２ａ，４２ｂはイオンビーム抽出電
源である。

【００１９】上述した装置は以下のように使用される。
すなわち、真空チャンバー２２、２３内を真空（例えば
１０^-2〜１０^-4Torr) に保持し、アノード２６とカソー
ド２７との間に真空アーク放電３１を発生させてカソー
ド物質の金属プラズマを形成し、この状態で真空チャン
バー２２、２３内の真空度を１０^-5〜１０^-6Torrに保
ち、磁場発生装置３０による磁場により金属プラズマを
一時的に封じ込め、かつマイクロ波により金属プラズマ
を加熱して多価電離イオンの割合を増加させ、イオンビ
ーム抽出電極３７による電界により金属プラズマからイ
オンビーム３８を発生させる。このイオンビーム３８
は、真空容器に設けられた開口２４ａを通して別の装置
に導入し、金属プラズマの分離、金属膜形成、基板内部
への異種金属の打ち込み、Ｘ線ソース、レーザ源、等の
用途に利用することができる。

【００２０】図２は、図１の主要部の拡大図である。こ
の図において、アノード２６は、カソード側に内向きの
鍔面２６ａを有する中空円筒形であり、内面に雌ネジが
設けられ、水冷されている仕切り板２１に固定された中
空円筒形のステンレス管２１ａに螺合して取り付けられ
ている。このアノード２６は、耐熱性の点で結晶成長カ
ーボンからなるのがよい。かかる構成により、軸線Ｚ上
に十分な大きさの開口孔２５（例えば直径５５ミリ）を
形成し、上述した差動排気を行いながら、直径の比較的
大きいイオンビーム３２（例えば直径２０ミリ）を第２
チャンバー２３に導くことができる。

【００２１】フード２８は、導電性（例えばステンレス
製）であり、アノード２６及びカソード２７から電気的
に浮かされている。すなわち、図２において、本発明の
装置は、更に、カソード２７を内側に支持する中空円筒
形の絶縁性支持部材３３と、支持部材３３に一端部が連
結され、他端部が軸線Ｚに沿ってアノードと反対側に延
びる中空円筒形の絶縁管３４とを備えている。絶縁管３
４はこの図では二重管であるが、本発明はこれに限定さ
れず、例えば図の外管がない単管であってもよい。ま
た、フード２８は絶縁管３４の外側に取付金具３５（例
えばビス）により間隔を隔てて取り付けられている。こ
の構成により、フード２８は、アノード２６及びカソー
ド２７から電気的に絶縁され、浮動ポテンシャルに保持
されている。

【００２２】支持部材３３は、カソード材料と反応しな
いように、水酸基（ＯＨ）を含まない絶縁材料、例えば
ボロンナイトライド（ＢＮ）からなるのがよい。また、
絶縁管３４は、耐熱性の高い絶縁材料、例えば石英ガラ
スやセラミック等からなるのがよい。また、図に示すよ
うに、支持部材３３の外周面を絶縁管３４の外管で囲
み、蒸発又はアーク放電により発生したカソード材料の
飛沫が支持部材３３の外周面に付着しないようにするの
がよい。

【００２３】更に、図２において、カソード２７は、ア
ノード２６に対向する平面２７ａをもった軸線Ｚと同心
の切頭円錐形部分２７ｂを有し、一方、フード２８は軸
線Ｚと同心の中空円筒形に成形されている。この構成に
より、カソードとフード間の間隔をアノード側に漸増す
るようにすることができる。カソード２７には、シリコ
ン等の半導体、又は銅、チタン、タンタル、鉄、等の導
電性物質、或いはこれらの粉末をある比率で混合し固化
したものを使用する。

【００２４】上述した構成により、図３（Ａ）に模式的
に示すように、カソード２７とフード２８の間に軸線Ｚ
にほぼ直交する電気力線３６を形成することができ、カ
ソードの平面２７ａとアノード２６との間に、真空アー
ク放電３１を発生させることができ、電極（カソード）
の寿命を長くし、かつ安定して作動させることができ
る。また、図６に示した従来例と比較してアノード、カ
ソード間を短くすることができるので、小型で構造がシ
ンプルな装置とすることができる。

【００２５】一方、図３（Ｂ）は、フード２８がない場
合を示しており、この場合には、カソードの根元付近で
真空アーク放電３１が発生してしまい、根元付近が短時
間に損傷して窪んだり、破断する問題が発生する。更
に、カソードの根元付近でアーク放電により高熱が発生
するため、絶縁管３４が破損しやすい問題も発生する。
従って、フード２８は、本発明の装置を小型化し、安定
作動させ、かつカソード２７の寿命を延ばすために、重
要な部品である。また、フード２８を電気的に浮かせず
に、例えばアノードと電気的に連結すると、フード、カ
ソード間にアークが飛ぶおそれがあり、逆にカソードと
連結すると、アークがフードに飛んでフードを損傷させ
るおそれがあるため、電気的に浮かせることも重要であ
る。

【００２６】図４は、本発明の第２の実施例を示す図２
と同様の部分拡大図である。この図において、カソード
３９は、アノード２６に対向する端面３９ａを有し軸線
Ｚと同心の円柱形であり、フード４０は、カソード３９
を囲む部分がアノード側に漸増する軸線Ｚと同心のロー
ト形状である。その他の部分は、図１〜図３に示した第
１実施例と同様である。かかる構成により、図２と同様
に、カソードとフード間の間隔をアノード側に漸増する
ように成形することができ、カソード３９とフード４０
の間に軸線Ｚにほぼ直交する電気力線３６を形成して、
カソードの端面３９ａとアノード２６との間に、真空ア
ーク放電３１を発生させることができ、電極（カソー
ド）の寿命を長くし、かつ安定して作動させることがで
きる。また、この構成のカソード３９は、加工が容易で
安価に製造することができ、かつプラズマ径を一定にす
ることができ、より長時間安定したイオンビーム３２を
発生させることができる。

【００２７】上述したように、本発明の装置及び方法に
よれば、第１の真空チャンバー２２内でアノードとカソ
ード間に真空アーク放電３１を発生させてカソード物質
の金属プラズマを形成し、磁場発生装置３０による磁場
により金属プラズマを一時的に封じ込め、かつマイクロ
波により金属プラズマを加熱して多価電離イオンの割合
を増加させ、イオン抽出電極による電界により金属プラ
ズマからイオンを抽出することにより、多価電離イオン
の割合が高いイオンビーム３７を開口孔２４ａを通して
発生させることができる。

【００２８】また、カソード２７、３９を間隔を隔てて
囲み、この間隔がアノード側に漸増するように成形さ
れ、かつアノード及びカソードから電気的に浮いた導電
性フード２８、４０を備えることにより、フードを電気
的に浮動ポテンシャルに保持し、カソードとフード間に
軸線にほぼ直交する電気力線３６を形成することがで
き、カソードの根元部分にアークが飛んでこの部分を損
傷することを本質的に回避することができ、カソードを
長時間連続して使用することができ、かつ真空チャンバ
ーを小型にし、カソードとアノードの間隔を短くするこ
とができる。

【００２９】更に、本発明は、アノード２６を含む仕切
板２１を除去し、マイクロ波導入部２９からのマイクロ
波を導入し、プラズマを発生させこのプラズマと本発明
によって構成されるフード２８を含むカソード２７との
間に真空アーク放電を発生させることも可能である。な
お、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要
旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論であ
る。

【００３０】

【発明の効果】上述したように、本発明のイオンビーム
発生装置及び方法は、多価電離イオンの割合が高いイオ
ンビームを連続して発生することができ、電極の寿命が
長く、安定して作動でき、かつ小型で構造がシンプルで
ある、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるイオンビーム発生装置の全体構成
図である。

【図２】図１の主要部の拡大図である。

【図３】フードの効果を模式的に示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す部分拡大図であ
る。

【図５】従来のイオンビーム発生装置の部分構成図であ
る。

【図６】本発明者等による別のイオンビーム発生装置の
全体構成図である。

【符号の説明】

１、１１真空チャンバー２、１０、２７カソード３、２６アノード４アノード保持部材５トリガー電極６、１４コイル（磁石）７、１５イオン抽出電極８プラズマ９、１７イオンビーム１２マイクロ波導入部１３アーク電源１６金属プラズマ２０イオンビーム発生装置２１仕切り板２２第１チャンバー２３第２チャンバー２４真空容器２５開口孔２８フード２９マイクロ波導入部３０磁場発生装置３１真空アーク放電３２アークプラズマ３３支持部材３４絶縁管３５取付金具３６電気力線３７イオンビーム抽出電極系３８イオンビーム３９カソード４０フード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】仕切り板で第１チャンバーと第２チャン
バーに区分された真空容器と、前記仕切り板を貫通する
開口孔を有し正に印加されるアノードと、第１チャンバ
ー内の前記開口孔の軸線上にアノードと対向して配置さ
れ負に印加されるカソードと、前記カソードを間隔を隔
てて囲み、該間隔がアノード側に漸増するように成形さ
れ、かつアノード及びカソードから電気的に浮いた導電
性フードと、真空容器内にマイクロ波を導入するマイク
ロ波導入装置と、第１チャンバー及び第２チャンバー内
に発生するプラズマを少なくとも一時的に封じ込める磁
場を発生させる磁場発生装置と、を備えたことを特徴と
するイオンビーム発生装置。
【請求項２】前記カソードは、アノードに対向する平
面をもった軸線と同心の切頭円錐形部分を有し、前記フ
ードは、前記軸線と同心の中空円筒形である、ことを特
徴とする請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項３】前記カソードは、アノードに対向する端
面を有し前記軸線と同心の円筒形であり、前記フード
は、カソードを囲む部分がアノード側に漸増する前記軸
線と同心のロート形状である、ことを特徴とする請求項
１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項４】前記カソードを内側に支持する中空円筒
形の絶縁性支持部材と、該支持部材に一端部が連結さ
れ、他端部が軸線に沿ってアノードと反対側に延びる中
空円筒形の絶縁管と、を更に備え、前記導電性フードは
前記絶縁管の外側に間隔を隔てて取り付けられる、こと
を特徴とする請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項５】前記支持部材はボロンナイトライドから
なり、前記絶縁管は石英ガラスからなる、ことを特徴と
する請求項４に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項６】前記アノードは、中空円筒形でありかつ
結晶成長カーボンからなる、ことを特徴とする請求項１
に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項７】前記第１チャンバーと第２チャンバー
は、アノードの開口孔で連通し、かつ、それぞれ独立に
真空排気され、第２チャンバーの真空度が第１チャンバ
ーより高くなるように差動排気される、ことを特徴とす
る請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項８】前記カソードは、半導体又は導電性物質
からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のイオンビ
ーム発生装置。
【請求項９】第１の真空チャンバー内でアノードとカ
ソード間に真空アーク放電を発生させてカソード物質の
金属プラズマを形成し、磁場により金属プラズマを一時
的に封じ込め、かつ第１真空チャンバーと連通する第２
の真空チャンバー内でマイクロ波により金属プラズマを
加熱して多価電離イオンの割合を増加させ、電界により
金属プラズマからイオンを抽出し、これによりイオンビ
ームを発生させる、ことを特徴とするイオンビーム発生
方法。
【請求項１０】アノードとカソードを結ぶ軸線方向を
開口させてカソードを導電性フードで間隔を隔てて囲
み、該間隔をアノード側に漸増するようにフードを成形
し、かつ該フードを電気的に浮かして浮動ポテンシャル
に保持し、これによりカソードとフード間に軸線にほぼ
直交する電気力線を形成する、ことを特徴とする請求項
９に記載のイオンビーム発生方法。