JPS586258B2 - イオン発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はイオン発生装置に関し、就中低圧気中放電の
一種のＰＩＧ放電を用いたイオン発生装置に係る。

最近、核融合の分野をはじめ、半導体や金属などの表面
加工（イオンインプランテーション、イオンプレイテイ
ング、エッチングなど）、表面分析、核物理学などでは
イオン源として多種のイオン発生装置の利用が増加して
いる。

イオン発生量の多いイオン源として、代表的なものはプ
ラズマを生成してその構成粒子のイオンを引出す形式の
もので、デュオプラズマトロン、デュオピガトロン、無
外部磁場アーク放電形などが多く使用されている。

このプラズマ生成形イオン源は共通して、ガス効率が悪
いという欠点を有する。

ガス効率が悪いこととは、イオンビームとともに大量の
中叶気体分子がイオン源から流出することで、その結果
としてイオン加速部で絶縁破壊を生起し易くなり高エネ
ルギ加速が困難になること、イオンビームがそのまわり
にプラズマを形成し、その電子がイオン加速部でイオン
と逆向きにイオン源側へ加速されて電極に衝突し、更に
イオン源に向って加速される途中の電子は、イオン源か
ら流出する気体分子を電離することにより数を増すので
，電極の昇温か急速で、長時間イオンを加速すると電極
が破壊される欠点があった。

更にプラズマ生成形イオン源は、電子供給のために熱陰
極を持ち、熱陰極の寿命が短いことが、この形のイオン
源の共通の欠点であることは周知されている。

これらの欠点を理解するものとして、冷陰極でガス効率
の良いＰＩＧ形イオン源が提案されている。

例えば第１図に示すような構成のイオン発生装置がある
。

この従来のイオン発生装置は円筒状の陽極１とこの陽極
１の形成する中空部２を覆うように陽極１の両端部に近
接して設けた一対の陰極３，４と、これらの陽極１およ
び陰極３，４を収納する容器５と、この容器５の外に絶
縁して陽極１および陰極３，４を電気的に導出する導出
部、すなわちリード端子６，７と、陽極１の筒軸方向に
磁場を印加する磁場発生装置８とで主に構成されでいる
。

陽極１の中空部２内にはガス体が侵入できるようになっ
ている。

陰極３はイオンＩｉを取り出す側に設けられ、円板状で
その中心部に陽極１の中空部２ど連通ずる如く貫通孔９
が設けられている。

陰極４は陽極１を介して陰極３と対向して設けられてい
るがこの陰極３，４は共通の電位となるように電気的に
接続されでいる。

陽極１は直流電源２７に接続され、陰極３，４は電流測
定装置２５を介しで接地されでいる。

ここに流れる電流Ｉｋは電流測定装置２５で測定される
。

磁場発生装．置８は容器５の周囲を円筒状に包囲してな
り、電源８ａの付勢により陽極の中空部２の筒軸方向に
平行した磁場を発生するように構成されている。

このように構成されたイオン発生装置は容器５の開放側
（図中左端）を、例えば図示しないイオンエツチスグ装
置に接続して、図示しない排気装置によって予め所望の
真空度に排気しでおく。

そしてこのイオン発生装置を作動する時に、イオンエッ
チング装置側から真空容器５の内部に所望の気体例えば
Ｈｅガス等を供給し、陽極１の中空部２で気中放電を行
なわせ、イオンを発生させる。

発生したイオン陰極３の貫通孔９からイオンエッチング
装置側に放出し、図示しない装置のエッチングをするの
に利用される。

イオン発生装置の作動条件は、用途によって適宜に選べ
ばよいが，一例を示すと、真空容器５内の作動気体密度
はｉｘ１０１７ｍ ｓ，陽極中空部半径は７． ５ｍｍ
、陽陰極間電圧は５ＫＶ，磁場は０．１５Ｔである。

イオンは該開口９から矢印方向に取り出される。

すなわち、このイオン発生装置はＰＩＧ形で通常高真空
領域の中姓気体分子密度を有する空間における気中放電
の一種であるＰＩＧ放電を生成し、放電空間で生成され
たイオンが陰極の陽極空間の中心的軸が陰極表面と交わ
る部位に集中的に、衝突することを利用し、陰極の該部
位に開口を設け、イオンを取り出すものであり、冷陰極
であること、ガス効率の良いものを製作できることの長
所を有する。

反面、 （１） Ｊ，０，Ｈｅｌｍｅｒ ａｎｄ Ｒ，Ｌ，Ｊｅ
ｎｓｅｎ：Ｅｌｅｃｔ−ｒｉｃａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅ
ｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ＰｅｎｎｉｎｇＤｉｓｃｈ
ａｒｇｅ；Ｐｒｏｃ， ＩＲＥ ， ４９（ ６１ ）
１９ ２０（２） Ｗ，Ｋｎａｕｅｒ：Ｍｅｃｈａ
ｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ＰｅｎｎｉｎｇＤｉｓｃｈａ
ｒｇｅａｔ Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ＪＪ ，Ａ
ｐｐｌ ，Ｐｈｙｓ，３３（６２） ， ２０９３ に示される様に、取出されたイオンビームの運動エネル
ギーの幅が広く，ビームの集束や平行度を良くするため
にはビームラインの構成が非常に困難であるという欠点
があった。

この発明の目的は、上述した従来装置の欠点を改良した
もので、ＰＩＧ形イオン発生装置に制御電極を設けるこ
とにより、冷陰極でガス効率が良い、しかも取出された
イオンビームの運動エネルギーの幅を小さくでき、さら
には、イオン加速部などを付加せずにイオン源だけを制
御することにより、出力ビームのイオン運動エネルギの
平均値を、大幅かつ簡易に制御できるという、従来のＰ
ＩＧ形及プラズマ生成形イオン源では不可能であった有
用な機能を実現するイオン発生装置を提供することにあ
る。

この発明の他の目的は、ＰＩＧ形のイオン源を複数本並
設することにより出力ビーム電流を大きくできるイオン
発生装置を提供することにある。

この発明は、筒状の陽極と、この陽極の開口両端部に近
接して設けた一対の陰極とを具備し，前記陽極と前記陰
極とを容器内に配置し、前記陽極と前記陰極との間に電
圧を印加し、かつ前記陽極の中空部の筒軸方向に磁場を
印加して前記陽極の中空部内にガス体を導入して気中放
電を発生させ、この放電により発生したイオンを前記陰
極の少なくとも一方の陰極に設けた貫通孔から取り出す
ものにおいて、前記陽極の中空部内に前記磁場方向と平
行しかつ前記中空部の筒軸中心から離間した位置に配設
した導電性の制御電極に制御電位を与えて発生するイオ
ンを制御する如く構成したイオン発生装置で、中空部を
断面円、３角、４角、６角などの筒形に形成しでも良く
、陽極、陰極および制御電極で構成されるイオン発生部
を複数個同一磁場内に設けても良く、制御電極に印加す
る電位を個別に制御しても良い。

以下、この発明の実施例について詳細に説明する。

第２図は、この発明によるイオン発生装置の一実施例を
示す回路図である。

なお第１図で示した部分と共通の部分は同一符号で示し
、その詳細を省略する。

この実施例では従来装置の共通部分を用いで適用したが
、これに限定されるものではなく、この発明の主旨を逸
脱しない範囲で自由に適用できる。

この発明によるイオン発生装置は、陽極１の中空部２を
貫通し、この中空部の筒軸の中心軸から離れた位置に磁
場発生装置８の作る磁場と平行に配置してなる制御電極
１０が従来装置に付加されている。

この制御電極１０は直流電源２６により所望の電位Ｖｇ
に保持され、電流Ｉｇが流れる。

陽極１には接地との間に設けられた直流電源２７により
電位Ｖａが与えられ、電流Ｉａが流れる。

これによって陰極３，４に流入する電流Ｉｋはその電流
を測定する電流測定装置２５を介して接地される。

この装置から発生するイオンは貫通孔９からイオンビー
ムとして取出され、その電流Ｉｉは他の回路電流との間
にＩｉ十Ｉｋ＝Ｉｇ十Ｉａの関係が成立する。

また電位Ｖｇと電位Ｖａとの関係は、一般に１ ０ ０
Ｖ＜Ｖａ ＜Ｖａ − ２ ０ ０ Ｖの範囲で適宜
選べば良いが，好ましくは６ ０ ０ Ｖ ＜Ｖ ｇ
＜Ｖａ−５００Ｖ＝４５００Ｖの関係がある。

特に電極部の構造は、第３図に示すように、磁石装置８
内に収納された容器５のステムにリード端子６，７．１
３を植設し、このリード端子６には陽極１が電気的かつ
機械的に固定され、リード端子１にはイオン取出し側の
陰極３とステム側の陰極４とが電気的かつ機械的に固定
されている。

特に電極３は、第４図に第３図中のＡ−Ａ方向矢視の断
面図で示すように、イオン取出し用の貫通孔９と制御電
極１０の挿通する挿通孔１４とが形成されでいる。

この挿通孔１４は意識的に陽極１の筒軸中心からずれた
位置に設けられている。

リード端子１３およびリード端子１３に電気的に接続さ
れでいる制御電極１０の支持構造についでは第５図で示
す。

この第５図は，陰極３，４に固定された支持体１１．１
２の詳細を示す図で、第３図中のＢ−Ｂ断面矢視要部拡
大図である。

陽極１の筒内部２を貫通する金属性の線部材からなる制
御電極１０は、陰極３に設けられたイオン取出し用の貫
通孔９とは別の挿通孔１４を陰極３と接触せずに挿通す
る。

この挿通孔１４は円筒状でよく、その半径はイオン源の
所期特性によって決めれば良いが、過大となって放電に
悪影響を与えないこと、および過小となって制御電極１
０と陰極３の間に挿通孔１４近傍で電流が流れないこと
が重要である。

支持体１１は、細口１５を有して陰極３に固定されでい
る絶縁体１６と、この絶縁体１６に固定された留金具１
７と、この留金具１７に一端を繋留され、他端に接続金
具１８を固定したバネ１９とから構成されている。

制御電極の線部材１０は細口１５を貫通し該接続金具１
８に接続される。

バネ１９は線部材１０に適度な張力を与えてたわみを抑
制し、線部材の温度変化による伸縮などを吸収する作用
をする。

支持体Ｕは一端を支持体口に支持された線部材１０を陰
極４に設けられた線部材挿通孔２０に陰極４と接触しな
いように挿通するために設けられでいる。

この挿通孔２０は上記挿通孔１４と同様の形状、同様の
大きさでよい。

支持体Ｕは、細口２１を有し陰極４に固定されている絶
縁体２２と、この絶縁体２２に固定された留金具２３と
で構成されでいる。

制両電極１０の線部材は細口２１を挿通し留金具２３に
固定されている。

制御電源２６に接続されるリード端子１３には，一端が
留金具２３に接続されている導線２４の他端が接続され
ている。

次にこの発明の作用効果を説明する。

従来の実施例の特性を示す線図第６図と、本発明の実施
例の特性を示す線図第７図を対比させながら説明する。

第６図ａ，ｂおよび第１図ａ，ｂは、放電部分の空間電
位Ｖを、陽極の円筒状中空部の対称軸に一致する軸をも
つ円筒座標（ｒ，ｚ）で示したものである。

陰極３の陽極側の表面をＺ−０、陰極４の陽極側の表面
をＺ−Ｚ４、陽極の長手方向の中心面をＺ＝２１で示し
てある。

陽極の中空部２の半径をｒａ，陽極電位を■ａ、陰極電
位０としで示しである。

第６図ａ及第１図ａはｒ ＝ ０の線に沿った空間電位
を示し、第６図ｂ及第Ｉ図ｂは平面２＝２，上の空間電
位を示す。

まず従来の装置の場合を第６図で説明する。

放電していない状態で、陽極に電圧Ｖａが印加されてい
る場合、陽極中空部の中心付近では、空間電位はほぼＶ
ａに等しくなる。

この空間電位を点線で示しである。

放電しでいる状態では、陽極中空部と２枚の陰極面に包
囲される空間に、電子が多数捕獲され、電子群による空
間電荷により陽極中空部に電場が形成され、陽極中空部
に電位は放電しでいないときの電位より大きく下降する
。

放電している状態での空間電位分布を第６図ａ，ｂに実
線で示す。

ｖｏは陰極降下でありその値は、イオン源として通常使
用されるＰＩＧ放電においてはＶａに較べて非常に小さ
い。

第６図Ｃは陰極の貫通部９より取出されたイオンビーム
の、イオンの運動エネルギの分布を示す。

なお本発明は取出すイオンの種類を制限するものでなく
、多荷イオンも取出してよいが説明の簡単な一荷イオン
を実施例として採る。

横軸Ｕは運動エネルギであり、縦軸ｆは運動エネルギが
Ｕ以上ｕ十ｄｕ未満のイオンの、単位時間に取出される
数がｆｄｕであると定義した分布函数である。

イオンは、放電部に導入された中性分子等が、電子と衝
突し電離することで生成される。

中性分子等と電子の大きな質量比のため、衝突で得るイ
オンの運動エネルギは非常に小さい。

イオンが取出された部位の電位は陰極電位と等しく，０
であるから、イオンの運動エネルギは、実際上、その発
生した部位の空間電位Ｖと陰極電位の差だけ加速された
もので、電子の電荷をーｅとおくと，ｅＶである。

イオンＶ。以上Ｖａ未満の電位で生成されるので、ｆは
ｅＶ≦ｕ＜ｅＶａの範囲だけで、０でない値をとり得る
。

第６図Ｃは実測した例である。ＰＩＧイオン源の大きな
欠点であるｆの広い分布は、空間電位がＶ。

からＶａの広い範囲に分布することが原因である。

以下第１図を用いて本発明の作用、効果を説明する。

本発明による装置は、空間電位の分布を狭い範囲に限り
、ｆの狭い分布を実現したものである。

制却電極１０の電位Ｖｇは、外部より与えられるので制
御電極のある位置での制御電極がないと仮想した場合（
第６図で示した様な場合）の空間電位ｖｇ′と実際上一
致しないと考えてよい。

まずＶｇ＞Ｖｇ’の場合を考えると、電子は自己の作る
電場Ｅと磁場Ｂとにより、ＥｘＢ／ＩＢＩ２の速度でド
リフト運動をしでいる。

Ｖｇ ’ ＜ Ｖ ｇであれば、電子はポテンシャルエ
ネルギの低い制御電極に衝突吸収される。

ドリフト速度は非常に大きいので，電子の密度は急激に
減少し、その空間電荷による電場は同じく急激に激少す
る。

陽極の電位Ｖａは外部から与えられでいるので、電場の
減少の結果空間電位は陽極電位に近かづき、Ｖｇ’＝Ｖ
ｇとなるまでこの変化は進行する。

電子はドリフト運動とドリフト中心のまわりの施回運動
とにより大きな運動エネルギを有する。

従って■ｇ＝Ｖｇとなっても引きつづき電子密度の減少
は続き、Ｖｇ’）Ｖｇとなル。

ＶｇｌとＶｇノ差ｖｇ’一Ｖｇが過大になると、制御電
極のポテンシャルエネルギが過大となるため、電子は制
御電極に到達しなくなり、制御電極との衝突による電子
密度に減少は無くなり、制御電極が無い場合の空間電位
分布に近づく様に、電子密度が増加し、その結果としで
Ｖｇ′が減少し、ｖｇ’−Ｖｇが過大でなくなるまでこ
の過程は進行する。

ｖｇ’−Ｖｇが、電子の運動エネルギ等で決まる一定値
になったときに、放電は安定し、かつ安定でない場合に
は安定状態へ移行する。

放電が安定した状態で、制御電極から流出する電流（流
入する電子による電流）Ｉｇは、陽極から流出する電流
Ｉａに較べて非常に小さく、 である。

この小電流で空間電位等を制御するという作用を、制御
電極は有する。

制御電極は細く、Ｖｇ’−Ｖｇは制御された結果上昇し
たＶ。

についてのＶａ−Ｖｏより非常に小さいのが普通である
から、制御電極は、制御された空間電位分布等を乱すこ
とが少く、空間電位分布の軸対称性はあまり乱されない
。

制御された空間電位分布は、第７図ａ，ｂに示した様に
なる。

本発明の効果は陰極の貫通孔９より取出されたイオンビ
ームの運動エネルギ分布函数ｆを示す第７図Ｃに示され
る。

ｆは、第６図Ｃに示した場合と同様に、ｅＶｏ＜ｕ＜ｅ
Ｖａだけで零でない値を持ち、第７図Ｃに示される様な
曲線となる。

制御された放電ではＵの最小値ｅＶｏは、必要に応じ技
術的に可能な範囲で、大きくできる。

エネルギの最大値と最小値の差ｅ（Ｖａ−ｖｏ）は、放
電を維持するため一定値以上必要であるが、Ｖａ及Ｖ。

を可能な限り大きくすることにより、エネルギ幅の相対
値を表わす数γ は１より非常に小さくできる。

一方従来の装置ではγ＝１である。

次にこの発明による他の実施例について詳細に説明する
。

第８図乃至第１１図は各々の実施例の陽極の中央部で切
断した場合の断面を示す。

第８図で示す実施例は磁石装置８の内側の真空容器５内
に７個の円筒状の中空部２を形成した陽極１が収納され
、各々の中空部２には夫々中空部２の筒軸中心をずらせ
た位置に制御電極１０が前述実施例同様の構造で張設さ
れている。

なお陰極は図示してないが、陽極１の外径と同じ程度の
直径を有する単一の円板で、各々制御電極１０の挿通ず
る挿通孔が設けられ、イオンの取出し側の陰極には各々
の中空部２の筒軸中心を貫通する貫通孔が設けられてい
る。

なおこれらの電極はリード線６，７で真空容器５のステ
ムに前述同様の構造で固定されている。

第９図乃至第１１図に示す実施例は陽極１の中空部２の
形状を変形したもので、第９図のものは３角柱状の中空
部２を６個組合せた形状を有し、第１０図は４角柱状、
第１１図は６角柱状としたものである。

特に６角柱状の中空部を形成することにより、陽極１の
外径を小さくでき、磁場の有効利用ができる。

このように陽極１に複数本の中空部２を有する構成とす
ることにより、取出すイオンビーム電流を大きくする効
果がある。

なお陽極の中空部を金属の九棒に穴明け加工で製造した
例を示したが、これに限らず、単一の円筒管もしくは多
角形管を複数本集合して構成しでも良い。

この多数の中空部を設けたイオン発生装置の動作は、第
１２図に示すような回路に構成しで行なわれる。

なお第１２図では陽極１の中空部２を３本設けた場合に
ついで説明する。

陽極１は直流電源２７からの電圧で同一電位に保持され
ている。

陰極３，４は各中空部２ａ，２ｂ，，２ｃの開口部を覆
うように共通に電流測定装置２５を介して接地されてい
る。

各制舞電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃには、共通の制御装
置である直流電源２・６から，各々の制御電極に対し個
別の回路要素を有する給電径路２８ａ ，２８ｂ ，２
８ｃを径て給電が行われる。

このように構成すると、磁場発生装置８の作る磁場が陽
極の各中空部２ａ ，２ｂ ，２ｃで僅かに異なり、そ
の結果出力イオンビームの平均運動エネルギ等が各貫通
孔９ａ，９ｂ，９ｃで僅かに異なるので、望ましいイオ
ンビームを得るために、各制御電極に印加する電圧を僅
かに相違させることができる。

給電径路の夫々に用いる回路要氷は、例えば夫々適切な
順方向電位降下を有するダイオードを用いでよい。

イオン源の作動条件が一定範囲に限定される場合には、
回路要素は単なる抵抗器とコンデンサの並列回路でよい
場合もある。

この発明のさちに他の実施例は、制御電極の制御装置を
直流電源２６のかわりに、制御された出力を出せる可変
電圧電源を用いることである。

これにより、少容量の電源で，イオンビームの特性を制
御できる。

制御はフィードバックでもプログラムでもよい。

この発明のさらに他の実施例は、制御装置２６の接地点
を直流電源２１の高圧出力側に接続しで、制御装置の出
力の極性を逆にすることである。

この実施例は、イオンビームの運動エネルギが大きいこ
とを要する場合に有効である。

なお実施例で示した接地点はこれに限らず別の部位を接
地したり、別の電源の出力に接続して構成しても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＰＩＧ形イオン発生装置の構成を示す図
、第２図はこの発明のイオン発生装置の一実施例を示す
図、第３図はこの発明の一実施例の要部を示す断面図、
第４図は第３図中のＡ−Ａ矢視断面図、第５図は陰極に
固定された支持体等の詳細を示す断面要部拡大図、第６
図は従来のＰＩＧイオン発生装置の特性を示す線図、第
７図はこの発明の実施例の特性を示す線図、第８図乃至
第１１図はこの発明の他の実施例を示す横断面図、第１
２図はこの発明の他の実施例を作動させるに好適な回路
の実施例を示す図である。 １・・・・・・陽極、２・・・・・・中空部、３，４・
・・・・・陰極、５・・・・・・真空容器、８・・・・
・・磁場発生装置，９・・・・・・イオン取出し貫通孔
，１０・・・・・・制御電極、２６・・・・・・制御装
置、２７・・・・・・陽、陰極間電位の電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 両端に開口部を有する筒状の陽極と、この陽極の開
   口部両端に近接して設けた一対の陰極とを具備し、前記
   陽極と前記陰極との間に電圧を印加しかつ前記陽極の筒
   軸方向に磁場を印加して前記陽極の筒内にガス体を導入
   して気中放電を発生させ、この放電により発生したイオ
   ンを前記陰極の少なくとも一方の陰極に設けた貫通孔か
   ら取り出すものにおいで、前記陽極の筒内に前記磁場方
   向と平行しかつ筒軸中心から離間した位置に配設した導
   電性の制御電極を設けてこの制御電極に制御電位を与え
   て発生するイオンを制御する如く構成したことを特徴と
   するイオン発生装置。 ２ 陽極を円筒形の筒状体で形成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のイオン発生装置。 ３ 陽極を多角形の筒状体で形成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のイオン発生装置。 ゛４ 陽極、陰極および制御電極で構成されるイオン発
   生部を複数個同一磁場内に並設したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のイオン発生装置。 ５ 制御電極に印加する電位を個別に制御してなること
   を特徴とする特許請求の範囲第４項記載のイオン発生装
   置。