JPH08185821A

JPH08185821A - イオンビーム発生装置のプラズマ加熱方法

Info

Publication number: JPH08185821A
Application number: JP6326060A
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: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-07-16
Anticipated expiration: 2018-10-06
Also published as: JP3454389B2

Abstract

(57)【要約】【目的】多価イオンの温度をあまり上昇させることな
く、電子温度を上昇させることができ、かつ装置全体を
小さくできて電子を高温まで加熱でき、これにより多価
イオンの割合を一層大きくできる、イオンビーム発生装
置のプラズマ加熱方法を提供する。【構成】ガスを封入した状態で真空容器２４内を真空
排気し、高電圧小電流を第１アノード２６及び第２アノ
ード２８とカソード２７間に印加して、第１アノードと
カソードの間にグロー放電３１を発生させ、次いで、高
電圧低電流を低電圧大電流に切り換えて、グロー放電を
第２アノードとカソードの間のアーク放電に転移させ、
このアーク放電により金属プラズマ３２を形成し、次い
で、パルス電源装置４８により低電圧大電流に大電流パ
ルス電流を重畳させて、金属プラズマに大電流をパルス
的に流して金属プラズマを加熱する。

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
のプラズマ加熱方法に係わり、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におけるプラズマ加熱方法に関す
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４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５
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るいわゆ
る電子サイクロトロン共鳴加熱（ＥＣＲＨ:Electron Cy
clotron Resonance Heating ）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４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】金属プラズマ中にはそ
の分子量に相当する多数の電子が存在し、その一部が電
子の運動の活発化により剥ぎとられると、１価以上の多
価電離イオン（以下、多価イオン）となる。このように
金属プラズマ中の多価イオンの割合を高めることは、以
下の２つの点で重要である。

【０００７】まず、表面改質、金属膜形成、基板内部
への異種金属の打ち込み、等のために、同じ電源容量で
より高エネルギーのイオンビームを発生でき、金属イオ
ンをより深くまで打ち込むことができる。例えば、金属
イオンを１００ＫｅＶまで加速（高エネルギー化）する
場合に、５価の金属イオンでは２０ＫＶの電源容量が必
要となるのに対して１０価の金属イオンでは１０ＫＶで
足りることになる。更に１０００ＫｅＶまで加速する場
合には、５価で２００ＫＶ必要であるのに対して１０価
では１００ＫＶで足りる。すなわち、金属イオンを多価
化するほどそれに反比例して電源容量を小さくすること
ができる。

【０００８】また、金属プラズマより発光する光の波
長が１／Ｚ^1/2（Ｚは原子番号）に比例するため、特に
原子番号（Ｚ）の大きい金属分子（例えばＵ₂₃₈）を高
多価化できると、極超短波光（例えばＸ線）の発生源と
なり、極めて発生が困難と考えられているＸ線レーザー
装置として用いることができる。

【０００９】しかし、図４に示した従来のイオンビーム
発生装置では、前述したように、イオンビーム中の多価
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にイオン抽出系の電源容
量を非常に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かった。

【００１０】また、図５に示したイオンビーム装置で
も、マイクロ波によって、金属プラズマを加熱して多価
イオンの割合を高めるため、電子の温度上昇と共に多
価イオンの温度も上昇してしまい、プラズマより発光す
る光のスペクトル幅が広くなり、レーザー光源として用
いることができなくなる、マイクロ波を発振するため
の電源とその発振管、及びマイクロ波を装置まで運ぶた
めの導波管の配管、導波管の電気絶縁等装置が複雑にな
る、等の問題点があった。

【００１１】本発明は、かかる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
価イオンの温度をあまり上昇させることなく、電子温度
を上昇させることができ、かつ装置全体を小さくできて
電子を高温まで加熱でき、これにより多価イオンの割合
を一層大きくできる、イオンビーム発生装置のプラズマ
加熱方法を提供することにある。

【００１２】

【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、第１チャンバー内に配置され負に印加されるカ
ソードと、該カソードに対向する位置の前記仕切り板に
設けられ第１貫通孔を有する第１アノードと、カソード
と第１貫通孔を結ぶ軸線上の第２チャンバー壁に設けら
れ第２貫通孔を有する第２アノードと、該第２アノード
に隣接してカソードと反対側に設けられ金属プラズマか
らイオンビームを発生させるイオンビーム抽出電極と、
を備えたイオンビーム発生装置のプラズマ加熱方法にお
いて、ガスを封入した状態で真空容器内を真空排気し、
次いで、高電圧小電流を第１アノード及び第２アノード
とカソード間に印加して、第１アノードとカソードの間
にグロー放電を発生させ、次いで、前記高電圧低電流を
低電圧大電流に切り換えて、前記グロー放電を第２アノ
ードとカソードの間のアーク放電に転移させ、このアー
ク放電により金属プラズマを形成し、次いで、前記低電
圧大電流に大電流パルス電流を重畳させて、前記金属プ
ラズマに大電流をパルス的に流して金属プラズマを加熱
する、ことを特徴とするイオンビーム発生装置のプラズ
マ加熱方法が提供される。

【００１３】本発明の好ましい実施例によれば、前記ア
ーク放電時の低電圧大電流は約２００Ｖ／２５０Ａから
約６０Ｖ／５０Ａであり、前記パルス電流は約５００Ａ
から１０００Ａであり、パルス幅が約２５０μｓｅｃで
ある。

【００１４】

【作用】上記本発明の方法によれば、第１アノードとカ
ソードの間にグロー放電を発生させ、これを第２アノー
ドとカソードの間のアーク放電に転移させるので、安定
してアーク放電を発生させることができ、このアーク放
電により金属プラズマを形成することができる。次い
で、アーク放電中の低電圧大電流に大電流パルス電流を
重畳させて、金属プラズマに大電流をパルス的に流して
金属プラズマを加熱するので、金属プラズマを安定に保
持したままで、パルス電流の制御により自由に金属プラ
ズマを加熱することができる。

【００１５】この加熱方法は、大電流を用いた一種のジ
ュール加熱であるので、金属プラズマ中の電子の運動を
直接活発にして電子を剥ぎとり多価イオン化することが
できる。また、直接電子の運動を活発にするので、イオ
ンの温度自体は上がりにくい。更に、イオン温度があま
り上がらないため、発光光源として好適であり、かつパ
ルス電流による加熱であるので、パルス間隔によりその
加熱を容易に制御でき、多価化をパルスの頻度により自
由に増大させることができる。

【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、本発明によるプラズマ加熱方法
を適用す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、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２４と、第１チャンバー２２内に配置
され負に印加されるカソード２７と、カソード２７に対
向する位置の仕切り板２１に設けられ第１貫通孔２５を
有する第１アノード２６と、カソード２７と第１貫通孔
２５を結ぶ軸線Ｚ上の第２チャンバー壁に設けられ第２
貫通孔２４ａを有する第２アノード２８と、第２アノー
ド２８に隣接してカソードと反対側に設けられ金属プラ
ズマからイオンビーム３８を発生させるイオンビーム抽
出電極３７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、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、これにより、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２
２よりも第２チャンバー２３の圧力が低くなるように差
動排気するようになっている。

【００１８】また、図１に示すように、このイオンビー
ム発生装置２０は、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を更に備え
ている。磁場発生装置３０は、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、３
０ｃ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及び第２チャンバー２３内にプラズマ閉じ込
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。

【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３
２を一時的に封じ込め、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３２からイオンビーム３８を
発生させる。

【００２０】イオンビーム発生装置２０は更に、カソー
ド２７と第１アノード２６及び第２アノード２８の間に
放電を起こさせるための直流電源装置４０と、発生した
金属プラズマ３２を加熱するためのパルス電源装置４８
と、イオンビーム抽出電極３７に電圧を印加するための
イオンビーム抽出電源３９ａ、３９ｂと、を備えてい
る。

【００２１】図２（Ａ）は、直流電源装置４０及びパル
ス電源装置４８の模式的構成図である。この図に示すよ
うに、電源装置４０は、低電圧大電流電源４２、高電圧
小電流電源４４、遅延接続回路４６、コイルＬ₁、
Ｌ₂、抵抗Ｒ、等からなる。かかる構成により、遅延接
続回路４６がＯＮの状態で低電圧電源４２により接点Ａ
／Ｃ間に低電圧大電流を印加することができ、遅延接続
回路４６がＯＦＦの状態で高電圧電源４４の高電圧（或
いはこれと低電圧電源４２の電圧を加算した高電圧）を
接点Ａ／Ｃ間に印加することができるようになってい
る。

【００２２】低電圧大電流は、約２００Ｖ／２５０Ａか
ら約６０Ｖ／５０Ａ程度に設定するのがよく、高電圧小
電流は、約１．２ＫＶ／２０ｍＡ程度であるのがよい。

【００２３】パルス電源装置４８は、直流電源装置４０
と並列に設置されており、低電圧電源４２による低電圧
大電流に大電流パルス電流を重畳させて、金属プラズマ
３２に大電流をパルス的に流せるようになっている。か
かるパルス電源装置４８による電流は、約５００Ａから
１０００Ａであり、パルス幅が約２５０μｓｅｃ、繰り
返し数が約１ｐｐｓ程度であるのがよい。

【００２４】上述した回路構成により、金属プラズマ３
２が発生した後の接点Ａ／Ｃ間の電流は図２（Ｂ）に模
式的に示すようになる。すなわち、金属プラズマ３２が
一旦形成されると、金属プラズマ３２には低電圧電源４
２による大電流（例えば２５０Ａ）が定常的に流れてい
る。更に、パルス電源装置４８による大電流パルス電流
（例えば１０００Ａ）を重畳させて流すと、金属プラズ
マ３２には両方の電流が加算された非常に大きな電流
（例えば１２５０Ａ）がパルス的に流れ、これにより、
金属プラズマ３２が加熱され、金属プラズマ３２中の多
価イオンの割合を高めることができる。

【００２５】この加熱方法は、大電流を用いた一種のジ
ュール加熱であるので、金属プラズマ中の電子の運動を
直接活発にして電子を剥ぎとり多価イオン化することが
できる。また、直接電子の運動を活発にするので、イオ
ンの温度自体は上がりにくい。更に、パルス電流による
加熱であるので、パルス間隔によりその加熱を容易に制
御でき、多価化をパルスの頻度により自由に増大させる
ことができる。

【００２６】またこの金属プラズマ３２から抽出された
イオンビーム３８は、真空容器に設けられた別の装置に
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。

【００２７】すなわち、本発明の方法によれば、ガスを
封入した状態で真空容器２４内を真空排気し、次いで、
高電圧電源４４により高電圧小電流を第１アノード２６
及び第２アノード２８とカソード２７間に印加して、第
１アノード２６とカソード２７の間にグロー放電３１を
発生させ、次いで、遅延接続回路４６により高電圧低電
流を低電圧大電流に切り換えて、グロー放電３１を第２
アノード２８とカソード２７の間のアーク放電に転移さ
せ、このアーク放電により金属プラズマ３２を形成し、
次いで、低電圧大電流にパルス電源装置４８により大電
流パルス電流を重畳させて、金属プラズマ３２に大電流
をパルス的に流して金属プラズマ３２を加熱することが
できる。ガスには、ヘリウム（Ｈｅ）又はアルゴン（Ａ
ｒ）を用いるのがよい。

【００２８】図３は、本発明による方法の試験結果を示
す図である。この図において、横軸は、金属プラズマを
流れる電流（プラズマ電流）であり、縦軸は銅イオンの
スペクトル強度である。この試験ではプラズマ電流は、
上述した低電圧電源４２により電流を変化させた。ま
た、スペクトル強度は、各多価イオンの増大と共に強く
なることが知られている。

【００２９】この図から明らかなように、プラズマ電流
の増加に伴って、スペクトル強度が増大しており、各多
価イオンがプラズマ電流の増加により多くなることがわ
かる。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方法によれば、
安定してアーク放電を発生させることができ、このアー
ク放電により金属プラズマを形成することができる。次
いで、アーク放電中の低電圧大電流に大電流パルス電流
を重畳させて、金属プラズマに大電流をパルス的に流し
て金属プラズマを加熱するので、金属プラズマを安定に
保持したままで、大電流パルス電流の制御により自由に
金属プラズマを加熱することができる。

【００３１】またこの加熱方法は、一種のジュール加熱
であるので、金属プラズマ中の電子の運動を直接活発に
して電子を剥ぎとり多価イオン化することができる。ま
た、直接電子の運動を活発にするので、イオンの温度自
体は上がりにくい。更に、パルス電流による加熱である
ので、パルス間隔によりその加熱を容易に制御でき、多
価化をパルスの頻度により自由に増大させることができ
る。

【００３２】従って、本発明のイオンビーム発生装置の
プラズマ加熱方法は、多価イオンの温度をあまり上昇さ
せることなく、電子温度を上昇させることができ、かつ
装置全体を小さくできて電子を高温まで加熱でき、これ
により多価イオンの割合を一層大きくできる、等の優れ
た効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアーク放電方法を適用するイオン
ビーム発生装置の全体構成図である。

【図２】電源装置の構成図（Ａ）とその特性図（Ｂ）で
ある。

【図３】本発明による方法の試験結果を示す図である。

【図４】従来のイオンビーム発生装置の部分構成図であ
る。

【図５】本発明者等による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真空チャンバー２カソード３アノード４アノード保持部材５トリガー電極６コイル（磁石）７イオン抽出電極８プラズマ９イオンビーム１０カソード１１真空チャンバー１２マイクロ波導入部１３アーク電源１４磁石１５イオン抽出電極１６金属プラズマ１７イオンビーム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２６第１アノード２７カソード２８第２アノード３０磁場発生装置３１グロー放電３２アークプラズマ３７イオンビーム抽出電極系３８イオンビーム３９イオンビーム抽出電源４０電源装置４２低電圧大電流電源（低電圧電源）４４高電圧小電流電源（高電圧電源）４６遅延接続回路４８パルス電源装置

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、第１チャンバー内に配置
され負に印加されるカソードと、該カソードに対向する
位置の前記仕切り板に設けられ第１貫通孔を有する第１
アノードと、カソードと第１貫通孔を結ぶ軸線上の第２
チャンバー壁に設けられ第２貫通孔を有する第２アノー
ドと、該第２アノードに隣接してカソードと反対側に設
けられ金属プラズマからイオンビームを発生させるイオ
ンビーム抽出電極と、を備えたイオンビーム発生装置の
プラズマ加熱方法において、ガスを封入した状態で真空容器内を真空排気し、次いで、高電圧小電流を第１アノード及び第２アノード
とカソード間に印加して、第１アノードとカソードの間
にグロー放電を発生させ、次いで、前記高電圧低電流を低電圧大電流に切り換え
て、前記グロー放電を第２アノードとカソードの間のア
ーク放電に転移させ、このアーク放電により金属プラズ
マを形成し、次いで、前記低電圧大電流に大電流パルス電流を重畳さ
せて、前記金属プラズマに大電流をパルス的に流して金
属プラズマを加熱する、ことを特徴とするイオンビーム
発生装置のプラズマ加熱方法。
【請求項２】前記アーク放電時の低電圧大電流は約２
００Ｖ／２５０Ａから約６０Ｖ／５０Ａであり、前記パ
ルス電流は約５００Ａから１０００Ａであり、パルス幅
が約２５０μｓｅｃ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のプラズマ加熱方法。