JPS593812B2 - イオン発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオン発生装置に係り、特に低圧気中放電の一
種であるクロストフィールド放電を用いたイオン発生装
置に関する。

＝般に、半導体や金属などの表面加工、植物理学、表面
科学などで必要とされるイオン源の特性としては、出力
電流が大きく、ビームノイオンノ運動エネルギーのばら
つきが少なく、操作性が良く信頼度力、槁いことが要求
される。

この様に、出力電流が大きく、エネルギー分布のばらつ
きが少ないイオン源として、熱陰極から電子を補給して
プラズマを生成し、そのイオンを取出す形式のものが実
用に供されており、代表的なものとしてはデュオプラズ
マトロンがある。

しかしながら、かかる形式のイオン源は破壊され易く、
ひんばんに取替える必要がある熱陰極を備えているので
、イオン源の操作性が悪く信頼度が低いという欠点を有
する。

これに対して、プラズマをマイクロ波で生成するものも
知られており、これは熱陰極を必要としないが、大電力
のマイクロ波を供給するだめの装置を必要とし、装置が
大規模になるという問題点がある。

これらの欠点を克服し、出力電流力法きく操作性が良く
信頼度の高いイオン源としては、現在代表的なものとし
て低圧気中放電の一種の冷陰極ＰＩＧ放電を利用しだＰ
ＩＧイオン源が知られており、実用に供されている。

第１図はかかる周知のＰＩＧイオン源の構成を示す縦断
面図であり、同図中１は円筒状中空部２を有する陽極、
３，４は２枚１組でなる陰極、５は前記陽極１及び陰極
３，４を収容する真空容器６．７は前記陽極１、陰極３
，４に対する給電経路を形成する真空容器壁貫通部、８
は磁場発生装置、９は前記陰極３に設けた開口である。

第１図からも明らかな如く、陽極１０２つの開口部のお
のおのに離間かつ近接して開口を覆う形状に２枚１組の
陰極３，４が設けられ、前記陽極１、陰極３，４は真空
容器５に収容される。

また陽極１と陰極３，４０間には、図示しない電源から
図示しない給電経路を経て、更にこの給電経路の一部を
なす気密な真空容器壁貫通部６，７を経て高電圧が印加
される。

なお、２枚の陰極３，４は真空容器５の内部で短絡され
ている。

一方、磁場発生装置８は、永久磁石でも、超電導または
常電導の電磁石でもよいが、この磁場発生装置８の作る
磁場は、陽極１の中空部２の位置で円筒状中空部２の軸
に平行である。

また、陰極３の陽極開口部の中心に対する面上の位置に
は、陽極１の中空部２０貫通の方向に貫通した開口９が
ある。

更に、真空容器５は図示しない真空装置に接続されるが
、前記真空装置はその排気装置により予め真空容器５の
内部を所要の真空度に排気し、イオン源作動時にはこの
真空容器５の内部に所要の気体等を供給する。

さて、イオン源の作動条件はミ用途によって適宜に選べ
ばよい。

例えば、真空容器５内の作動気体密度を１×１０１７ｒ
ＩＬ−３、陽極１の中空部２０半径を７．５１ＥＩｌ、
陽画極間電圧を５ｋｖ、磁場を０．１５Ｔとする。

そして、発生したイオンは開口９から取出される。

かかる構成を有する従来のＰＩＧイオン源の欠点は、イ
オンビームのエネルギ分布のばらつきが大きいことであ
った。

この欠点を解決する方法として、制御電極付きＰＩＧイ
オン源を用いるとと゛が考えられる。

このイオン源はイオンを高エネルギに加゛速している用
いる以下には、エネルギ分布の相対的なばらつきを非常
に小さくできるため、極めて有効であるが、イオンを低
エネルギに加速して用いる場合には効果が少く、しかも
高エネルギに加速して用いる場合には、エネルギ分布の
ばらつきの絶対値に下限がある。

これに対して、低エネルギにイオンを加速しても、エネ
ルギ分布のばらつきを／」・さくできる別の形式の制御
電極付きＰＩＧイオン源も考えられるが、これを高エネ
ルギ加速のイオン源として用いると、出力電流が大きい
場合に陰極開口部及びイオン取出し電極がイオン衝撃で
大きな温度上昇を起こし、破壊され易いと欠点がある。

従って、本発明の目的は取出されたビームのイオンの運
動エネルギ分布の幅を小さくでき、大出力も可能なりロ
ストフィールド放電を用いたイオン発生装置を提供する
にある。

更に詳細には、本発明は、従来のＰＩＧイオン発生装置
に第３の電極を付加し、この第３の電極の位置、寸法、
電位を制御することにより、放電で発生するイオンのう
ち低エネルギのものを広範囲に選べる所望のエネルギ幅
で取出し、陰極開口部などへの熱負荷を小さくすること
を可能とし、結果として、出力エネルギ、出力ビーム電
流共に大きくすることのできるイオン発生装置を実現す
るものである。

以下、図面に従って本発明を更に詳細に説明する。

第２図は本発明の一実施例に係るイオン発生装置の縦断
面図Ａ及び外形部分側面図Ｂを示すもので、同図中、１
０は円筒形中空部２内にその軸線方向に配される第３の
電極、１１は陰極３に固定された支持体、１２は陰極４
に固定された支持体１３は真空容器壁貫通部、１４はイ
オンビームの形状を調整する静電レンズ系それぞれ示す
ものである。

第２図に示す如く、第３の電極１０は本実施例では半径
０．２ｉｎ（Ｘ＝２Ｘ １０−’ （メートル）のタン
タル線を使っている。

なお、第３の電極１０は陽極１０円筒状中空部２を、中
空部中心軸と平行に貫通して設置されているが、この中
空部２の中心軸と第３の電極１０の中心軸の距離は２．
２ｍ（Ｒ＝２．２Ｘ１０−３ （メートル）、陰極３と
陰極４の陽極に面する面間の距離は５０Ｗｉｌ（Ｌ＝５
Ｘ１Ｏ−２（メートル）である。

そして、各値Ｘ、 Ｒ。Ｌは、４Ｘ１０−３（Ｒ／Ｌ）
＝１．７６Ｘ１０−’であるから、 の条件を満足している。

一方、第３の電極１０は、陰極３に固定された支持体１
１により陰極３と電気的に絶縁して支持され、更に陰極
４とも同様に電気的に絶縁して支持される。

そして、前記第３の電極１０は真空容器５内外の配線及
び真空容器壁貫通部１３で形成される給電経路を経て、
図示しない制御電源から給電される。

イオンビームの形状を調整する静電レンズ系１４は前記
陰極の開口９に近接して同軸に配設されている。

第３図は第２図の陰極３に固定された支持体１１、イオ
ン取出しの開口９及び静電レンズ系１４の一部の詳細を
示す第２図Ｘ−Ｙで得た断面矢視要部拡大図である。

同図中１５は第３の電極１０用の貫通開口、１７は細口
１６を有する絶縁体、１９は締付部１８を有する接続金
具、２０はばね、１４ａは静電レンズ系１４の第１の電
極をそれぞれ示すものである。

第３図に示す如く、陽極１の中空部２を貫通する第３の
電極１０は、陰極３に設けられたイオン取出し用の開口
９とは別の第３の電極１０用の貫通開口１５を陰極３と
接触せずに貫通する。

前記開口１５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よいが、過大となって放電に悪
影響を与えないことと、過小となって第３の電極１０と
陰極３の間に開口１５で電流が流れないことが重要であ
る。

なお、支持体１１は細口１６を有する絶縁体１７、締付
部１８を有する接続金具１９、及び絶縁体１７と接続金
具１９０間に挿入され、両者の間に斥力を与えるばね２
０で構成され、陰極３に図示しない方法で固定されてい
る。

一方、前記第３の電極１０は細口１６を貫通し締付部１
８により接続金具１９に接続される。

ところで、ばね２０は前記第３の電極１０に適度な張力
を与え、第３の電極の温度変化による伸縮などを吸収す
る作用をする。

また、イオン取出し用の開口９に近接して同軸′に、静
電レンズ系１４の第１の電極１４ａが配設されている。

第４図は第２図の陰極４に固定された支持体１２及び真
空容器壁貫通部１３等の詳細を示す第２図Ｃ−Ｄで得た
断面矢視要部拡大図である。

同図中２１は第３の電極１０用の貫通開口、２３は細口
２２を有する絶縁体、２５は締付部２４を有する留金具
、２６は前記留金具２５に接続された導線をそれぞれ示
すものでおる。

第４図にも示す如（、一端を支持体１１に支持され、陽
極１の中空部を貫通する第３の電極１０は、陰極４に設
けられた第３の電極貫通開口２１を陰極４と接触せずに
貫通する。

この開口２１は第３図に示した開口１５と同様の形状、
同様の大きさでよい。

一方、支持体１２は細口２２を有する絶縁体２３と、締
付部２４を有する留金具２５で構成され、前記絶縁体２
３は陰極４に図示しない方法で固定されている。

また、前記第３の電極１０は細口２２を貫通し締付部２
４により留金具２５に固定される。

図示しない制御電源の出力を印加される給電経路の気密
な真空容器壁貫通部１３には、一端を留金具２５に接続
された導線２６の他端が接続される。

第５図は第２図のイオン発生装置を作動させる回路の一
例を示す回路構成図で、同図中２７、２８２９は電源、
８ａは磁場発生装置８を駆動する直流定電流電源である
。

かう・る構成に於いて、陰極３，４は電源２７により電
位ｖｋに保たれ、陰極３，４に流入する電流は図中ＩＫ
で示される。

陽極１は電源２７及び陽陰両極間電圧を与える電源２８
により電位Ｖａに保たれる。

なお、陽極１から流出する電流はＩａで示される。

第３の電極１０は電源２７．２８及び陽極１と第３の電
極１０の間の電圧を与える電源２９により電位Ｖｇに保
たれる。

なお、第３の電極１０に流入する、あるいは流出する電
流は図中Ｉｇで示され、矢印に示す向きに電流が流れる
ときＩｇは正の値をとるものとする。

さて、イオンビームは開口９から取出され、その電流は
第５図中Ｉｉで示される。

この場合、各電流の間には、 の関係が成立する。

電位Ｖａｙ Ｖｋｙ Ｖｇの間の関係は、 Ｖｋ＜Ｖｇ＜Ｖａ−２００ｖ ・・・・・＝（３）
の範囲で適宜選べばよいが、本実施例では、Ｖｋ＋６０
０ｖ＜Ｖ ６ａ−５００Ｖ＝４５００Ｖ ・・・（４）
の範囲が好適である。

上記実施例の作用効果を、周知の装置の特性を示す第６
図の特性線図と本実施例の特性を示す第７図の特性線図
を対比させて説明する。

なお、第６図及び第７図のａ、ｂは、放電部分の空間電
位Ｖを陽極１の円筒状中空部２の対称軸に一致する軸を
もつ円筒座標ｒｅ Ｚで示したものである。

ここでは、陰極３の陽極１側の表面を２＝０とし、陰極
４の陽極１側の表面をｚ＝ｚ、で、陽極１の長手方向の
中心面をＺ＝Ｚｌ で示しである。

更に陽極１の中空部２の半径をｒａで示し、陰極電位Ｖ
ｋは零としである。

また、陽極１の電位はＶａ第３の電極１０の電位はＶｇ
である。

そして、第６図および第７図のａはｒ ＝ Ｏの線に沿
った空間電位Ｖを示し、第６図および第７図のｂは平面
Ｚ＝ｚ１上の円筒座標の軸を通る直線に沿った空間電位
Ｖを示す。

まず、第１図にその詳細に示される周知のＰＩＧイオン
源について、第６図に従って説明する。

放電していない状態で陽極１に電圧Ｖａが印加されてい
る場合、陽極中空部２の中心付近では空間電位Ｖはほぼ
Ｖａに等しくなる。

この空間電位を点線で示しである。

放電している状態では、陽極中空部２と２枚の陰極３，
４の面で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２に電場が形成され、
陽極１の中空部２の電位は放電して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Ｖの分布を第６図ａｔｂ
に実線で示す。

なお、ｖ。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に比べて非常
に小さい。

第６図Ｃは陰極３の開口部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は
な（、多価イオンも取出してよいが、ここでは説明の簡
単な一価イオンを例にとって説明する。

第６図Ｃで横軸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 ＋ ｄ ｕ未満のイオンの単位
時間に取出される数がｆｄｕである゛と定義した分布関
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が加速され
たもので、電子の電荷を−ｅとおくと、ｅＶである。

イオンはＶ。以上、Ｖａ未満の電位で生成されるので、
ｆは、 ｅＶ□≦１１＜ｅｒａ ・・・・・・・・・（５）
の範囲だけで、′０″でない値をとり得る。

ちなみに、第６図Ｃは実測した特性例である。

さて、ＰＩＧイオン源の大きな欠点であるｆの広い分布
は、ビームを形成するイオンが生成される部位の空間電
位がＶ。

からＶａの広い範囲に分布することが原因である。

ところで、先にも述べた様に、制御電極を用いてイオン
の生成される部位の空間電位の分布を狭い範囲に制御す
ることは可能である。

これは高エネルギに加速されたイオンビームを得る場合
にはエネルギの相対的ばらつきを小さくできるという効
果があり、有用である。

しかしイオンの運動エネルギのばらつきの絶対値には下
限があり、それより小さい運動エネルギのばらつきが必
要な用途には適さなかった。

こねに対して、イオンの運動エネルギのばらつきの絶対
値を非常に小さくした制御型極付ＰＩＧイオン源につい
ても先に述べたが、これは非常に細い制御電極を用い、
ＰＩＧ放電をあまり乱さない状態でエネルギのよく揃っ
たイオン源を実現したもので、特に低出力イオン源には
良好な特性を持つ。

しかし、これを大出力イオン源に用いると陰極開口部お
よびイオン取出し電極の温度上昇が著しくなり、放電が
制御でなくなり易（、陰極開口部およびイオン取出し電
極自体が破壊され易いという欠点があった。

ところが、本実施例に於いては、実用的観点から太い第
３の電極１０を用い、ＰＩＧ放電とは別種のクロストフ
ィールド放電を発生維持し、あるいは非常に乱されたＰ
ＩＧ放電を発生維持し、大出力に適しかつエネルギのよ
（揃ったイオン源を実現したものである。

以下、第７図を用いて本発明の作用、効果を説明する。

第７図ａ、ｂに示される様に、放電していない状態で第
３の電極１０が無い場合、空間電位は点線で示す様に分
布する。

第３の電極１０を設けこれを電位Ｖｇに保ち放電を行な
わせると、空間電位は実線で示す分布となる。

第７図中、ｂは第３の電極１０の中心線を通る直線上の
値を示しである。

■ｇ′は後述の分岐線電位で、第３の電極１０の電位Ｖ
ｇにほぼ等しく、Ｖｇよりやや大きい。

第３の電極１０に流入する電流Ｉｇは多くの場合第５図
に示す向きに流れる。

そして、取出されたイオンビームの電流ＩｉとＩｇの和
は、本実施例に於ける好ましい適用状態においては、陰
極に流入する電流より非常に大きく、 Ｉｋ＜＜Ｉｉ＋Ｉｇ ・・・・・・・・・（６）
であり、従って Ｉ ｋ＜＜ Ｉ ａ雲Ｉ ｉ ＋ Ｉ ｇ ・−・−
・−（７）である。

陽極１と陰極３，４に流れる電流の大きさの相異が著し
いので、第３の電極を有する放電は、ＰＩＧ放電とは別
種のクロストフィールド放電であるということができる
。

なお、本実施例に適用される放電装置が、陽極中空部の
中心軸上に陰極を有し、この中心軸陰極を陽極の２つの
開口部を覆う形状に設けられた板状陰極と同電位として
放電させる従来のマグネトロン放電装置とは構造、放電
時の電位、機能等に於いて全（異なることはいうまでも
ない。

第８図は、放電の部位の電位分布を示す陽極中空部の横
断面図であり、イオンの運動する軌道の断面への射影が
同時に示されている。

同図からも明らかな如（、横断面上の等電位線は、陽極
１の近傍ではほぼ円形であるが、第３の電極１０の近傍
では同心円状の分布が太き（乱される。

従って第３の電極１０の非常に近（では等電位線の内部
に陽極１の対称軸は含まれない。

そして、第３の電極１０からある程度以上離れると、第
３の電極１０を囲む等電位線は陽極１の対称軸を含むよ
うになる。

この２つの状態の境界にあるのが電位の分岐線３０であ
り、その電位はｖｇ／である。

そして、Ｖｇ”＞Ｖｇであるが、その差ｖｇ’−Ｖｇは
小さい。

分岐線３０の外部で生成されたイオンの運動は、はぼ陽
極１の中心軸を向いた電場と第８図の面に垂直な磁場の
力を受ける。

例えば、第８図の部位３１ａで生成されたイオンは軌道
３１上を運動す′る。

イオンは磁場方向には生成されたときの速度でゆっくり
運動するので、陽極横断面へのイオン運動の軌跡は長（
なることができ、第３の電極がある場合、大部分が陰極
３，４面に到着する前に軌道３１のイオンが部位３１ｂ
で第３の電極１０に衝突しながら消滅する。

この効果を第７図Ｃのエネルギ分布で説明すると、椴３
の電極１０がある場合の放電で生成されたイオンが第３
の電極１０に衝突しないと仮想した場合、鎖線で示すエ
ネルギ分布となるが、このなかでエネルギがｅＶｇ’を
越えるものは無くなる。

同様の高エネルギ成分を無くする作用を陰極電位に負わ
せれば、イオン１個当りｅ−ｖｇだけ多くのエネルギが
必要である。

従って、第２図に示した本実施例の構成では、少ないエ
ネルギで効果が得られるもので、電極等の冷却、電源容
量等を考えた場合の利益は大きい。

一方、分岐線内の第３の電極１０側で生成されるイオン
は少なく、これは無視できる。

次に、分岐線内の陽極中心側で生成されたイオンの運動
の例を軌道３２で示す。

部位３２ａで生成されたイオンは、軌道３２を運動する
が、電位の高い分岐線３０に到達できず、従って第３の
電極１０に衝突しない。

そして、陰極３のイオン取出し開口９に向ったイオンは
損失なく放電空間から取出される。

その結果、取出されたイオンは第７図Ｃに示す様に、ｅ
ｖｏ以上、ｅｇｇ以下の狭い範囲のエネルギだけを持つ
ものとなる。

なお、第９図は本発明の種々の変形例を示す陽極中空部
横断面図である。

ここで、第３の電極１０はわかり易くするために太（示
しである。

また、第３の電極１０の近傍には第８図に示す様な形状
の分岐線３０が存在するが、第９図では詳細については
省略し、第３の電極１０の配置のみを示すものとなる。

第９図ａは既に説明に用いた第２図の実施例と同一のも
ので、第３の電極１０は１個の要素電極だけである。

まだ、第９図すは２個の要素電極１０ａで第３の電極が
構成され、同図Ｃは２個の要素電極１０ａと４個の要素
電極１０ｂで第３の電極が構成される。

第９図ｄは同じく４個の要素電極１０ａと４個の要素電
極１０ｂで第３の電極が構成される。

なお、第９図Ｃおよびｄの例では分岐線は３０ａ、３０
ｂの２組となる。

また、第゛９図ｄの要素電極のうち１０ｂは内部を流体
が流れる気密の管で、強制冷却される。

なお、第９図ｂｙ ｃｐ ｄの各変形例の長所は、電
場の対称性が良（、取出されたイオンビームの形状（断
面での密度分布）等に良い結果を与えることである。

このように要素電極が複数極ある場合には次式の範囲に
各々の電極を構成すれば、好ましいイオン発生装置が得
られる。

ただし、（ａ） 陽極の中空部内に配置された要素電
極の全数をＮ（個） （ｂ） 陽極の中空部の中心軸からの距離が等しい距
離にある要素電極の集合体をひと組として表示する集合
体の組の番号をｎ（第０組） （ｅ） 第０組にある要素電極の全数をＮｎ（個）、
（ｄ） 第０組にある要素電極から陽極の中空部の中
心軸までの距離をＲｎ（メートル）、 （ｅ） 要素電極の中心軸からその表面までの距離を
全長にわたって平均しかつ第０組にある全要素電極に対
しても平均した値をＸｎ（メートル）（ｆ） 対向す
る陰極の内面間の距離で、陽極の中空部の中心線に沿っ
て測定した距離をＬ（メートル）、 ω 全べての要素電極Ｎｎの組数をｍ（組）、とする。

特に第９図ａに示した電極構成は、上式でＮ＝’１とし
た特異な場合であり、構造が簡単で安価に製造できる実
用的なイオン発生装置の例である。

以上述べた如く、本発明によれば、クロストフィールド
放電ないしこれに類する放電によって発生するイオンの
運動エネルギの幅を限定することが可能であり、しかも
大出力のイオンを取り出すことも出来る新規のイオン発
生装置を得ることが出来るものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は周知のＰＩＧイオン源の構成を示す縦断面図、
第２図Ａ、 Ｂは不発明の一実施例に係るイオン発生装
置の縦断面図及び外形部分側面図、第３図、第４図は第
２図の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５図は第２図のイオン発生装置を作動させる
回路の一例を示す回路構成図、第６図は周知のＰＩＧイ
オン源の特性を示す特性線図、第７図は第２図に示した
本実施例のイオン発生装置の特性を示す特性線図、第８
図は放電の部位の電位分布を示す陽極中空部の横断面図
、第９図ａ、ｂ、ｃ、ｄは本発明の詳細な説明するだめ
の陽極中空部の横断面図である。 １・・・・・・陽極、２・・・・・・円筒状中空部、３
，４・・・・・・陰極、５・・・・・・真空容器、６．
７、１３・・・・・・真空容器壁貫通部、８・・・・・
・磁場発生装置、９・・・・・・イオン取出しの中空部
、１０・・・・・・要素電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 貫通した中空部を有する陽極と、この陽極の２つの
   開口部の夫々に近接して開口を覆う如く配された１組の
   陰極と、この陰極と絶縁されて前記陽極の中空部の貫通
   の方向に延在した要素電極とからなり、前記陽極の中空
   部の貫通の方向に磁場を印加し、前記陽極の中空部内を
   実質的に真空にして前記陽極の中空部内にクロストフィ
   ールド放電を行なわせてイオンを発生させるものにおい
   て（ａ） 陽極の中空部内に配置された要素電極の全
   数をＮ（個）、 （ｂ） 陽極の中空部の中心軸からの距離が等しい距
   離にある要素電極の集合体をひと組として表示する集合
   体の組の番号をｎ（第９組）、 Ｃｃ） 第９組にある要素電極の全数をＮｎ（個）（
   ｄ） 第９組にある要素電極からの陽極の中空部の中
   心軸までの距離をＲｎ（メートル）、 （ｅ） 要素電極の中心軸からその表面までの距離を
   全長にわたって平均しかつ第９組にある全要素電極に対
   しても平均した値をＸｎ（メートル）（ｆ） 対向す
   る陰極の内面間の距離で、陽極の中空部の中心線に沿っ
   て測定した距離をＬ（メートル）、 （ｇ） 全ぺての要素電極Ｎｎの組数をｍ（組）、と
   したとき なる関係が成立するよう構成して成ることを特徴とする
   イオン発生装置。 ２ Ｎを１と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 要素電極を流体の流通する強制冷却通路術としたこ
   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 陰極の少なくとも一方に、陽極開口部の中心に対面
   する位置に貫通孔を穿設してなる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。