JPH10255675A

JPH10255675A - 負イオン源

Info

Publication number: JPH10255675A
Application number: JP6054697A
Authority: JP
Inventors: Hirochika Yamamoto; 博規山本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 1998-09-25
Anticipated expiration: 2017-03-14
Also published as: JP3156627B2

Abstract

(57)【要約】【課題】負イオン源においてセシウム等のアルカリ金属
を用いず高強度負イオンビームを得る。【解決手段】プラズマ生成用ガス導入パイプ３から負活
性ガスを導入しフィラメント５から放出される熱電子に
よるプラズマを発生させる。スパッタターゲット７の電
子放出部１に負電位にバイアスされているので、プラズ
マ中の正イオンにより、スパッタターゲット７はスパッ
タリングされる。電子放出部材には電子親和力の低いあ
るいは負の電子親和力を持つダイヤモンドを使う為負バ
イアス印加時には電子を放出しやすい。その結果、スパ
ッタターゲット７からスッタリングにより放出される粒
子が電子放出部１より電子を受け取り負イオンとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン加速装置あ
るいはイオン注入装置などに用いられる負イオン源に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の負イオン源は、例えば、
イオンビームを絶縁物へ注入を行う際のチャージアップ
防止や、高いエネルギー得るためのタンデム加速器への
入射ビーム用に用いられている。また、この種の負イオ
ン源には、プラズマスパッタ型と磁場制御型がある。

【０００３】プラズマスパッタ型負イオン源として、例
えば、特開平８−７８１７号公報に開示されている。こ
のプラズマスパッタ型負イオン源は、図６に示すよう
に、イオン源チャンバ２の前方にはイオンビームを引き
出すイオンビーム引き出し口３が形成され、イオン源チ
ャンバ２の内表面にはイオン源チャンバ２を保護するラ
イナー１０が設置されている。イオン源チャンバ２には
外部ボンベからキセノン（或いはアルゴン）ガスをイオ
ン源チャンバ２内に供給するプラズマ生成用ガスの導入
パイプ４が取り付けられている。イオン源チャンバ２内
には熱電子を放出するフィラメント５が導入端子６を介
して配置されており、キセノンガスはフィラメント５か
らの放出熱電子と衝突しプラズマとなる。イオン源チャ
ンバ２には発生させたい目的の元素を含む固体で形成さ
れているスパッタターゲット７が、スパッタターゲット
７の冷却を行う冷却軸体８に取り付けられており、この
冷却軸体８は絶縁フランジ９に支持されている。セシウ
ムリザーバ１４はスパッタターゲット７の仕事関数を低
下させるセシウム蒸気を発生させる場所であり、セシウ
ムガスはガスの導入パイプ１５を経てイオン源チャンバ
２内に導入される。この負イオン源の動作は、まず、ス
パッタターゲット７をイオン源チャンバ２に対し負電位
にバイアスし、キセノンプラズマ中の正イオンでスパッ
タターゲット７をスパッタリングする。また、イオン源
チャンバ２から引き出す負イオンの生成効率を向上させ
るために、セシウムリザーバ１４からセシウムガスをガ
ス導入パイプ１５を経てイオン源チャンバ２内に供給す
る。そして、フィラメント５から放出される熱電子と衝
突させてセシウムガスをプラズマ化し、正のキセノンイ
オンと共に正のセシウムイオンでスパッタターゲット７
をスパッタリングする。スパッタターゲット７から飛び
出した目的元素を含む粒子は正のセシウムイオンの中を
通るときに電子を受け取り負イオンが生成され、イオン
ビーム引き出し口３から引き出される。

【０００４】また、このプラズマスパッタ型負イオン源
は、プラズマ生成用ガス導入パイプ４が、セシウムの付
着により目詰りを起さないように、導入パイプ４の開口
を覆うライナー１０で被せ、セシウムが導入パイプ４の
開口に付着しないようにしている。

【０００５】上述したプラズマスパッタ型負イオン源の
他の例として、特開平７−１４５３６号公報に開示され
ている。このスパッタ型負イオン源は、図７に示すよう
に、イオン源チャンバ２にはプラズマとなるガスを導入
するプラズマ生成用ガスの導入パイプ４からキセノンガ
スが供給される。熱電子を放出するフィラメント５は導
入端子６を介してイオン源チャンバ２に配置され、放出
された熱電子は導入されたガスと衝突しプラズマを生成
する。イオン源チャンバ２の周囲にはプラズマを閉じ込
める永久磁石１１が取り付けられている。

【０００６】スパッタターゲット７は熱伝導性の良いＭ
ｏ、Ｗで形成され、ターゲット７を冷却する冷却軸体８
と絶縁フランジ９でイオン源チャンバ２で支持されてい
る。負イオンとなるガスを生成するガス供給部１２がイ
オン源チャンバ２の外部に設置されており、この二つは
ガス導入管１３でつながれ、ガス導入管１３はスパッタ
ターゲット７の方に向いて形成されている。セシウムリ
ザーバ１４からは、スパッタターゲット７の仕事関数を
低下させるセシウムガスが導入される。

【０００７】この装置の動作は、まず、ガス供給部１２
からガスをガス導入管１３を介してイオン源チャンバ２
内に導入し、スパッタターゲット７の表面に付着させ
る。この状態でさらにスパッタターゲット７にセシウム
を付着させ、プラズマ中の正イオンでスパッタリングす
る。スパッタターゲット７の表面にセシウムが付着する
ことにより、スパッタターゲット７の仕事関数が低下し
負イオンが発生しやすくなる。発生した負イオンは引き
出し電極１６によって負イオンビームが引き出される。

【０００８】この負イオン源の特徴は、ＧａＰあるいは
ＩｎＰで製作されたスパッタターゲット７の割れを防止
するために、ガス供給部１２で固形のリンを加熱しリン
をスパッタターゲット７に供給している。

【０００９】一方、磁場制御型負イオン源として、特開
平６−１１９８９５号公報に開示される。この負イオン
源は、図８に示すように、中間電極３１ではアーク放電
によってプラズマが発生する。その前面部にはイオンビ
ームを通す開口部４１を備えている。中間電極３１の内
部には電子を放出するカソード３２が配置され、また中
間電極３１の外側には磁場を発生するソレノイドコイル
３９が設けられている。中間電極３１の周囲には冷却媒
体を流す冷却管４０が配設されている。中間電極３１の
前方には、プラズマ４２を引き出すアノード３３があ
り、その中央にはイオン引き出し口３４を備えている。
中間電極３１のアノード３３の間には電気的な絶縁を行
うため、絶縁スペーサ３８が設けられている。

【００１０】また、中間電極３１と対向した側において
アノード３３のイオン引き出し口３４に隣接した位置に
はアノード３３の形状を非軸対称性にする半円状または
円盤の一部を切り抜いた形を持つ鉄片３６が取り付けら
れている。アノード３５の前方にはビームを引きだす引
出し電極３５が設置され、その間には絶縁スペーサ３７
が設置されている。

【００１１】この磁場制御型負イオン源の動作は、ま
ず、カソード３２とアノード３３との間にアーク放電に
よってプラズマ４２が生成され、このプラズマ４２は、
中間電極３１とアノード３３との間に形成される磁場に
よって放電路の中心軸付近に強く閉じ込められる。プラ
ズマ４２の周囲には負イオンが多く存在する。このとき
ソレノイドコイル３９に流す電流を増加させるとプラズ
マ４２の中心が放電路の中心軸から鉄片３６側にずれて
いき負イオンの最も多く存在するプラズマ周辺領域をイ
オン引き出し口３４のところに導くことが出来る。これ
により負イオンの生成を高めている。

【００１２】この負イオン源では、イオン引き出し口３
４の付近に負イオンの多く存在する領域を形成するため
に、アノード３３と中間電極３１の中心軸をずらしてい
るが、最適な位置に決めるには何度も位置を変えて実験
しなければならなかった。そこで、これを解消するの
に、アノード３３のイオン引き出し口３４に隣接した位
置に半円状あるいは円盤の一部を切欠いた鉄片３６を設
け、ソレノイドコイル３９の電流を調節するだけで行な
えることを特徴としている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したガス導入パイ
プの詰りを解消した負イオン源やスパッタターゲット割
れを解消した負イオン源あるいはビームアライメントを
改良した負イオン源にしても、プラズマ中で生成される
負イオンの量は正イオンと比較して極端に少なく、ま
た、セシウム等を用いて負イオン生成部（スパッタター
ゲット等）の仕事関数を下げてもそこから発生する負イ
オンは十分に多くないため、生成される負イオンビーム
電流量が少ないという問題がある。このため高ドーズ量
を必要とする半導体基板へのイオン注入や高電流を必要
とする加速器に適用することが出来ない。

【００１４】また、プラズマスパッタ型負イオン源の場
合、負イオン生成時にセシウム等のアルカリ金属やアル
カリ土類金属を用いるため、それを供給するリザーバタ
ンクやヒータを取り付けなくてはならないため装置の構
成を複雑にし、それによるトラブルが発生し易いという
問題もある。

【００１５】さらに、負イオン生成時にセシウム等のア
ルカリ金属やアルカリ土類金属を用いるため、イオン源
チャンバ内部はこれら金属によって汚染され、たとえ、
内部にライナーを設けても、このライナーを定期的に清
掃しなければならない。いずれにしても、装置のメンテ
ナンス回数が多く稼働率を低下させるという欠点があ
る。

【００１６】従って、本発明の目的は、イオン源チャン
バ内を汚染する要因となるアルカリ金属またはアルカリ
土類金属やこれら金属を気化するリザーバやヒータを使
わなくても大電流の負イオンビームが得られる負イオン
源を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の特徴は、
不活性ガス導入口とイオン引き出し口とを有するイオン
源チャンバと、このイオン源チャンバ内部に配置される
スパッタターゲットと、プラズマを発生させるために熱
電子を放出するフィラメントと、前記スパッタターゲッ
ト上に点在する電子放出部を備え、この電子放出部がア
ルカリ金属またはアルカリ土類金属以外でかつ低い電子
親和力を持つプラズマスパッタ型の負イオン源である。
また、前記電子放出部材は、単結晶ダイヤモンドまたは
多結晶ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素である
ことが望ましい。

【００１８】本発明の第２の特徴は、不活性ガス導入口
とイオン引き出し電極を有するイオン源チャンバと、こ
のイオン源チャンバ内部に配置されるスパッタターゲッ
トと、プラズマを発生させるために熱電子を放出するフ
ィラメントと、イオン種となるガスを供給する第一のガ
ス供給部と、前記スパッタターゲット上に電子放出部を
備え、この電子放出部がアルカリ金属またはアルカリ土
類金属以外でかつ低い電子親和力を持つプラズマスパッ
タ型の負イオン源である。また、前記第１の膜状の電子
放出部材は、単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモ
ンドあるいはダイヤモンド状炭素であることが望まし
い。

【００１９】本発明の第３の特徴は、負イオンを引き出
す引き出し電極を有するイオン源チャンバと、イオン種
となるガスを供給する第２のガス供給部と、前記イオン
源チャンバ内に配置されるスパッタターゲットと、プラ
ズマを発生させるために熱電子を放出するフィラメント
と、前記スパッタターゲット上に電子放出部を備え、こ
の電子放出部がアルカリ金属またはアルカリ土類金属以
外でかつ低い電子親和力を持つプラズマスパッタ型の負
イオン源である。また、前記第２の膜状の電子放出部材
は、単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドある
いはダイヤモンド状炭素であることが望ましい。

【００２０】本発明の第４の特徴は、熱電子を放出する
カソードと、このカソードに対向し中間電極を介して配
置されるアノードと、このアノードと前記カソードとの
間に形成され磁場により閉じ込まれるプラズマの周囲部
分に配置されるとともに前記プラズマ中の正イオンに電
子を与え負イオンに変換する電子放出部材と、前記負イ
オンを引き出す引き出し電極とを備える磁場制御型の負
イオン源である。また、前記電子放出部材は、単結晶ダ
イヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドあるいはダイヤモ
ンド状炭素であることが望ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照
して説明する。

【００２２】この発明は、ダイヤモンドが負の電子親和
力を持つことに着目しなされたものである。すなわち、
イオン源内の負イオンの発生させる部分に電子を供給す
る単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドあるいはダ
イヤモンド状炭素などの膜を形成し負イオンの発生を増
加させる手段を設けたことである。これらダイヤモンド
部材は低いあるいは負の電子親和力を持つため、その部
材から電子放出現象が容易に起こる。そのためダイヤモ
ンド表面に近づいてきた原子・分子・イオンに電子を渡
しやすく、その結果イオン源内部に存在する正イオン・
原子・分子は容易に負イオンに変換され、イオン源から
多量の負イオンが引き出される。

【００２３】図１（ａ）および（ｂ）は本発明の第１の
実施の形態におけるプラズマスパッタ型の負イオン源を
説明するための断面図である。図１（ａ）に示すよう
に、イオン源チャンバ２の前方にイオンビームを引き出
すイオンビーム引き出し口３が形成され、かつ外部ボン
ベから不活性ガスをイオン源チャンバ２内に供給するプ
ラズマ生成用ガスの導入パイプ４が取り付けられてい
る。不活性ガスにはたとえばキセノンガスやアルゴンガ
スを用いる。イオン源チャンバ２内には熱電子を放出す
るフィラメント５が導入端子６を介して配置されてお
り、キセノンガスはフィラメント５からの放出熱電子と
衝突しプラズマが生成される。

【００２４】スパッタターゲット７は発生させたい負イ
オンの元素を含む固体で出来ており、スパッタターゲッ
ト７の冷却を行なう冷却軸体８と絶縁フランジ９を介し
てイオン源チャンバ２に固定されている。このスパッタ
ターゲット７の上部には電子放出部１を設けている。こ
の電子放出部１は、例えば、単結晶ダイヤモンド、多結
晶ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素で形成され
ている。電子放出部１はスパッタターゲット７上に点在
するものであり、全面を覆っているわけではない。

【００２５】次に、この負イオン源の動作を図１（ａ）
および（ｂ）を参照して説明する。まず、スパッタター
ゲット７と電子放出部１をイオン源チャンバ２に対し負
電位にバイアスし、キセノンガスの導入により発生する
キセノンプラズマ中の正イオンでスパッタターゲット７
をスパッタリングする。スパッタターゲット７からスパ
ッタリングによりスパッタターゲット７を構成する元素
が飛び出す際、負電位にバイアスされた電子放出部１か
らは電子が放出される。電子放出部１は電子親和力の低
い、あるいは負の電子親和力を持つ単結晶ダイヤモン
ド、多結晶ダイモンドあるいはダイヤモンド状炭素で形
成されているので、電子を放出しやすくスパッタターゲ
ット７からスパッタリングにより放出される物質に電子
を与えやすい。

【００２６】なお、この現象を理解し易いように、スパ
ッタターゲット７の材質に銅を、不活性ガスにキセノン
ガスを、電子放出部材に単結晶ダイヤモンドを用いた場
合の例に説明する。まず、図１（ｂ）に示すように、キ
セノンプラズマ中の正キセノンイオン１７は負バイアス
が印加されたスパッタターゲット７に向かい加速され、
スパッタターゲット７をスパッタリングする。このスパ
ッタリングによりスパッタターゲット７から材質である
銅原子１８が放出される。この際負バイアスに印加され
た電子放出部１からは電子１９を放出し、銅原子１８は
この電子１９と結合し負銅イオン２０となる。スパッタ
ターゲット７には負バイアスが印加されているので負銅
イオン２０はイオンビーム引き出し口３に向かい加速さ
れる。

【００２７】このようにスパッタターゲット７に電子親
和力の低いあるいは負の電子親和力を持つ電子放出部１
を設けたので、汚染をもたらすセシウム等のアルカリ金
属やアルカリ土類金属を用いなくても大電流の負イオン
ビームを引き出すことが出来る。その結果、セシウム等
のアルカリ金属を蒸発させるリザーバやヒータが不要に
なるばかりかイオン源チャンバ２の内壁を保護するライ
ナーも不要となる。

【００２８】図２は本発明の第１の実施の形態における
負イオン源の場合と従来のセシウムを用いた負イオン源
の場合における発生する負イオンビーム電流量とメンテ
ナンス間隔を示した比較表である。この比較表に示す発
生させた負イオンは銅、ボロン、砒素である。この結
果、本発明を適用することにより従来の方法よりビーム
電流強度で約２倍増加すること認められた。またメンテ
ナンス回数も従来の１／８に減らすことができた。

【００２９】図３（ａ）および（ｂ）は本発明の第２の
実施の形態におけるプラズマスパッタ型負イオン源を説
明するための断面図である。図３（ａ）に示すように、
イオン源チャンバ２にはプラズマとなるアルゴンやキセ
ノンなどの不活性ガスを導入する導入パイプ４と負イオ
ンを引き出す引き出し電極１６とを具備する。また、イ
オン源チャンバ２には熱電子を放出し、導入したガスを
プラズマ化するフィラメント５と、スパッタターゲット
７と、負のイオン種となるガスを供給するガス供給部１
２と、ガス供給部１２とイオン源チャンバ２を繋ぐガス
導入管１３を具備する。さらに、スパッタターゲット７
の表面上は電子を放出する電子放出部材１ａにて被覆さ
れている。

【００３０】また、スパッタターゲット７は、熱伝導性
の良い物質、たとえばＭｏ、Ｗで形成され、絶縁フラン
ジ９と冷却を行う冷却軸体８でイオン源チャンバ２に支
持されている。電子放出部材１は、例えば、単結晶ダイ
ヤモンド、多結晶ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状
炭素で形成される。ガス供給部１２にはたとえば固体リ
ンをいれオーブンにてガス化する。フィラメント５は導
入端子６を介してイオン源チャンバ２内に挿入されてい
る。ガス導入管１３の出口はスパッタターゲット７の方
に向いて形成されている。さらに、イオン源チャンバ２
の周囲には、プラズマを閉じ込める永久磁石１１が取り
付けられている。

【００３１】次に、この負イオン源の動作を説明する。
まず、ガス供給部１２からガス化したリンをイオン源チ
ャンバ２内に導入し、スパッタターゲット７上にある電
子放出部材１ａの表面に付着させる。導入パイプ４から
供給されたアルゴン、またはキセノンガスはフィラメン
ト５から放出された熱電子によりプラズマ化する。この
とき、スパッタターゲット７と電子放出部材１ａはイオ
ン源チャンバ２に対し負電位にバイアスされるため、こ
れら表面は正アルゴンイオンあるいは正キセノンイオン
および正リンイオンによりスパッタリングされる。そし
て、電子放出部材１ａの表面に付着したリンはスパッタ
リングにより、電子放出部材１ａ表面から離れ、負電位
にバイアスされた電子放出部材１ａから電子を受け取り
負リンイオンとなる。

【００３２】この現象は、ガス導入管１３の出口がスパ
ッタターゲット７や電子放出部材１ａの方向を向いてい
るため、ガス供給部１２から供給されるガス状のリン原
子２１は、図３（ｂ）に示すように、電子放出部材１ａ
上に付着する。一方、アルゴンプラズマ中の正アルゴン
イオン２３は負バイアスが印加されたスパッタターゲッ
ト７や電子放出部材１ａに向かい加速され、電子放出部
材１ａ上に付着したリン原子２１をスパッタリングす
る。電子放出部材１ａからは電子１９を放出し、スパッ
タリングされたリン原子２１はこの電子１９と結合し負
リンイオン２２となる。スパッタターゲット７には負バ
イアスが印加されているので、負リンイオン２２は引き
出し電極１６に向かい加速される。

【００３３】このように負イオン源として、スパッタタ
ーゲット７に電子親和力の低いあるいは負の電子親和力
を持つ電子放出部材１ａを設けたので、セシウム等のア
ルカリ金属を用いなくても大電流の負イオンビームを引
き出すことが出来る。ちなみに、従来のセシウムを用い
た負イオン源と比較するために、イオン種にリンを使用
して評価を行なったところ、従来の方法よるビーム電流
強度が０．８７ｍＡに対し、約２倍の２ｍＡに増加する
結果が認められた。また、メンテナンス回数も従来が４
回／３０日に対し、本発明では、１回／３０日というよ
うに１／４に減らすことが可能なことが判明した。

【００３４】図４（ａ）および（ｂ）は本発明の第３の
実施の形態におけるプラズマスパッタ型負イオン源を説
明するための断面図である。この負イオン源は、図４に
示すように、フィラメント５からの熱電子と衝突しプラ
ズマを発生する不活性ガスの代りにイオン種となるガス
を供給するガス供給部１２ａを設けたことである。この
ガスには例えば水素ガスを用いている。それ以外は前述
の実施の形態の負イオン源と同じである。

【００３５】また、ガス供給部１２ａと接続するガス導
入管１３の出口は、スパッタターゲット７の方に向いて
形成されている。スパッタターゲット７は熱伝導性の良
い物質、たとえばＭｏ、Ｗで形成され、絶縁フランジ９
と冷却を行う冷却軸体８でイオン源チャンバ２で支持さ
れている。さらに、スパッタターゲット７上には膜状の
電子放出部材１ａが取り付けられている。この電子放出
部材１ａは、例えば、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイ
ヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素で形成される。

【００３６】次にこの負イオン源の動作を説明する。ま
ず、ガス供給部１２ａから水素ガスをイオン源チャンバ
２内に導入し、フィラメント５から発生する熱電子との
衝突によって水素プラズマを発生させる。そして、スパ
ッタターゲット７と電子放出部材１ａはイオン源チャン
バ２に対し負電位にバイアスされるため、これら表面は
正水素イオンが衝突する。この時電子放出部材１ａから
は負電位にバイアスされているため電子が放出される。
すると、スパッタターゲット７や電子放出部材１ａに衝
突した正水素イオンは電子を受け取り負イオンとなる。
電子放出部材１ａは、電子親和力の低いあるいは負の電
子親和力を持つ単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモン
ドあるいはダイヤモンド状炭素を用いているので電子の
放出が容易である。その結果、負水素イオンの発生量が
多くなり、高強度負イオンビームを生成することが出来
る。

【００３７】この現象は、図４（ｂ）に示している。す
なわち、ガス供給部１２ａからは水素ガスを導入し、こ
の水素ガスを用いてプラズマを発生させている。そし
て、水素プラズマ中の正水素イオン２４は負バイアスが
印加されたスパッタターゲット７や電子放出部材１ａに
向かい加速される。負バイアスに印加されたダイヤモン
ド状炭素の電子放出部材１ａからは電子１９を放出し、
電子放出部材１ａに近づいた正水素イオン２４はこの電
子１９と結合し負水素イオン２５となる。スパッタター
ゲット７には負バイアスが印加されているので、負水素
イオン２５はイオンビーム引き出し口に向かい加速され
る。

【００３８】このようにスパッタターゲット７に電子親
和力の低いあるいは負の電子親和力を持つ電子放出部材
１ａを設けたので、セシウム等のアルカリ金属を用いな
くても大電流の負イオンビームを引き出すことが出来
る。ちなみに、従来の負イオン源と比較する意味で実験
したところ、従来の方法よりビーム電流強度が１００ｍ
Ａに対し、約２．５倍の２５０ｍＡが得られた。一方、
従来の負イオン源ではメンテナンス回数が８回／６０日
に対し、１／８以下の１回／６０日に減らすことが可能
なことが判明した。

【００３９】図５は本発明の第４の実施の形態における
磁場制御型デュオプラズマトロン負イオン源を説明する
ための断面図である。この磁場制御型負イオン源は、図
５に示すように、熱電子を放出するカソード３２と、こ
のカソード３２を内部に配置し前方に開口部４１を有す
る中間電極３１を備えている。また、プラズマ４２中の
正イオンに電子を与え負イオン変換する電子放出部材１
ｂは、アノード３３とカソードとの間に発生するプラズ
マ４２の空間部を包むようにイオン源内に配置される。
さらに、このイオン源にはアノード３３と絶縁スペーサ
３８を介して負イオンビームを引き出すイオン引き出し
口３４を有する引き出し電極３５と、プラズマ４２を閉
じ込めるソレノイドコイル３９を備えている。

【００４０】また、中間電極３１の周囲には冷却媒体を
流す冷却管４０が配設されている。中間電極３１とアノ
ード３３の間には電気的な絶縁を行うため絶縁スペーサ
３８が設けられている。中間電極３１とアノード３３の
対向した空間部分に設けられる電子放出部材１ｂは、単
結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドあるいはダイヤ
モンド状炭素で形成される。

【００４１】次に、この磁場制御型負イオン源の動作を
説明する。カソード３２とアノード３３との間にはアー
ク放電によってプラズマ４２が生成されると、このプラ
ズマ４２は、中間電極３０とアノード３５との間に形成
される磁場によって放電路の中心軸付近に強く閉じ込め
られる。プラズマ４２の周囲には電子放出部材１ｂが存
在する。通常のプラズマにはその周囲に負イオンが存在
するがその量はわずかである。

【００４２】電子放出部材１ｂの材質には電子親和力の
低いあるいは負の電子親和力を持つ単結晶ダイヤモン
ド、多結晶ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭素を
用いているので、電子放出部材１ｂは電子を放出しやす
く、他のものに電子を与えやすい。このためプラズマ４
２の周囲に生成される負イオンは多くなる。その結果イ
オン源から引き出される負イオンは多くなり大電流負イ
オンビームを引き出すことが出来る。電子放出部材１ｂ
は中間電極３１とアノード３３の一部につけても負イオ
ンの生成を増加させることが出来るが、なるべく多くの
部分を電子放出部材１ｂで覆った方が負イオン生成には
好ましい。

【００４３】ちなみに、従来の磁場制御型デュオプラズ
マトロン負イオン源と比較するために、本負イオン源で
実験してみた。なお、このとき発生させた負イオンは水
素、酸素である。この結果、従来の方法では、ビーム電
流強度が１００μＡに対し、２６５μＡが得られ約２．
５倍増加すること認められた。また、酸素の場合も、２
００μＡに対し４８０μＡが得られた。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、プラズマ
中の正イオンに電子を与え負イオンに変換させる電子親
和力の低いあるいは負の電子親和力を持つ単結晶ダイヤ
モンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素を用
いた電子放出部材を設けることによって、高強度負イオ
ンビームが得られ、高ドーズ注入や高電流を必要とする
加速器に適用することが出来るという効果がある。

【００４５】また、イオン源チャンバ内を汚染するガス
のセシウム等のアルカリ金属を用いることがないので、
イオン源チャンバの清掃の頻度が少なくなり、装置の稼
働率が向上するという効果がある。さらに、それに伴な
いアルカリ金属用のリザーバタンクやアルカリ金属をガ
ス化するヒータを必要とせず、これにより装置のコスト
を下げることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるプラズマス
パッタ型の負イオン源を説明するための断面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態における負イオン源
の場合と従来のセシウムを用いた負イオン源の場合にお
ける発生する負イオンビーム電流量とメンテナンス間隔
を示した比較表である。

【図３】本発明の第２の実施の形態におけるプラズマス
パッタ型負イオン源を説明するための断面図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態におけるプラズマス
パッタ型負イオン源を説明するための断面図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態における磁場制御型
デュオプラズマトロン負イオン源を説明するための断面
図である。

【図６】従来の一例におけるプラズマスパッタ型負イオ
ン源を示す断面図である。

【図７】従来の他の例におけるプラズマスパッタ型負イ
オン源を示す断面図である。

【図８】従来の磁場制御型デュオプラズマトロ負イオン
源の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１電子放出部１ａ，１ｂ電子放出部材２イオン源チャンバ３，３４イオン引き出し口４，１５導入パイプ５フィラメント６導入端子７スパッタターゲット８冷却軸体９絶縁フランジ１０ライナー１１永久磁石１２，１２ａガス供給部１３ガス導入管１４セシウムリザーバ１６，３５引き出し電極１７正キセノンイオン１８銅原子１９電子２０負銅イオン２１リン原子２２負リンイオン２３正アルゴンイオン２４正水素イオン２５負水素イオン３１中間電極３２カソード３３アノード３６鉄片３７，３８絶縁スペーサ３９ソレノイドコイル４０冷却管４１開口部４２プラズマ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不活性ガス導入口とイオン引き出し口と
を有するイオン源チャンバと、このイオン源チャンバ内
部に配置されるスパッタターゲットと、プラズマを発生
させるために熱電子を放出するフィラメントと、前記ス
パッタターゲット上に点在する電子放出部を備え、この
電子放出部がアルカリ金属またはアルカリ土類金属以外
でかつ低い電子親和力を持つことを特徴とするプラズマ
スパッタ型の負イオン源。
【請求項２】前記電子放出部材は、単結晶ダイヤモン
ドまたは多結晶ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭
素であることを特徴とする請求項１記載のプラズマスパ
ッタ型の負イオン源。
【請求項３】不活性ガス導入口とイオン引き出し電極
を有するイオン源チャンバと、このイオン源チャンバ内
部に配置されるスパッタターゲットと、プラズマを発生
させるために熱電子を放出するフィラメントと、イオン
種となるガスを供給する第一のガス供給部と、前記スパ
ッタターゲット上に電子放出部を備え、この電子放出部
がアルカリ金属またはアルカリ土類金属以外でかつ低い
電子親和力を持つことを特徴とするプラズマスパッタ型
の負イオン源。
【請求項４】前記第１の膜状の電子放出部材は、単結
晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドあるいはダイ
ヤモンド状炭素であることを特徴とする請求項３記載の
プラズマスパッタ型の負イオン源。
【請求項５】負イオンを引き出す引き出し電極を有す
るイオン源チャンバと、イオン種となるガスを供給する
第２のガス供給部と、前記イオン源チャンバ内に配置さ
れるスパッタターゲットと、プラズマを発生させるため
に熱電子を放出するフィラメントと、前記スパッタター
ゲット上に電子放出部を備え、この電子放出部がアルカ
リ金属またはアルカリ土類金属以外でかつ低い電子親和
力を持つことを特徴とするプラズマスパッタ型の負イオ
ン源。
【請求項６】前記第２の膜状の電子放出部材は、単結
晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドあるいはダイ
ヤモンド状炭素であることを特徴とする請求項５記載の
プラズマスパッタ型の負イオン源。
【請求項７】熱電子を放出するカソードと、このカソ
ードに対向し中間電極を介して配置されるアノードと、
このアノードと前記カソードとの間に形成され磁場によ
り閉じ込まれるプラズマの周囲部分に配置されるととも
に前記プラズマ中の正イオンに電子を与え負イオンに変
換する電子放出部材と、前記負イオンを引き出す引き出
し電極とを備えることを特徴とする磁場制御型の負イオ
ン源。
【請求項８】前記電子放出部材は、単結晶ダイヤモン
ドまたは多結晶ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状炭
素であることを特徴とする請求項７記載の磁場制御型の
負イオン源。