JPS598959B2 - 多重同軸型マイクロ波イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マイクロ波イオン源の改良に関し、とくにイ
オン源室内に均一なプラズマを発生させ、もってそこか
ら均一なイオンビームを引き出すことを可能にするだめ
のイオン源室の改良構造に関する。

マイクロ波イオン源は、マイクロ波発振器からのマイク
ロ波を各種の立体回路を通してイオン源室内に供給する
ことによって、該イオン源室内でマイクロ波放電プラズ
マを発生させ、このプラズマ中から引出し電極系によっ
てイオンを線束として取り出すものである。

第７図に従来技術によるマイクロ波イオン源の概略構成
を示す。

第７図において、マイクロ波発振器１で発生したマイク
ロ波は立体回路２を通）、１０−２〜１０−５Ｔｏｒｒ
の圧力の試料ガスで満たされたイオン源室５内に置かれ
たマイクロ波一プラズマ結合素子３に伝送される。

イオン源室５内には磁場コイル４による軸方向直流磁場
が印加されてお択マイクロ波−プラズマ結合素子３に伝
送されたマイクロ波によって電子サイクロトロン共鳴が
起こり、イオン源室５内には試料ガスのプラズマが発生
する。

イオン源室５内で生成されたプラズマのうちイオンは引
出し電極系６によってイオンビーム８として取シ出され
る。

マイクロ波−プラズマ結合素子３としては、円柱棒、ら
せん棒、または円筒に溝を切り込んだ形状の導体などが
使用される。

なお、第７図中、Ｔは真空排気系を示し、１８は同軸導
波管を示す。

また、１７はイオン源室５０マイクロ波導入部分に設け
られた真空封止用の誘電体物質からなるマイクロ波導入
７２ンジである。

次に従来技術による引出し電極系６の構造およびその特
性を説明する。

第８図は、従来技術による引出し電極の構造を示す斜視
図であり、第９図はこの引出し電極系によるイオン引出
し特性を説明するための縦断面図である。

第８図で、引出し電極系６は通常、加速電極９、減速電
極１０、アース電極１１の３枚の電極から構成されてお
虱各電極には多数のビーム引出し用小孔があげられてお
択それらの小孔は各電極間で対応する小孔同志が同一軸
上にくるように整列させて設けられ、かつ組立てられて
いる。

第９図で、加速電極９とプラズマ１２の間にはいわゆる
イオンシースが形成され、イオンシースの端面１２′は
プラズマ境界といわれる。

イオンピーム８はこのプラズマ境界１２′に流れ込むプ
ラズマ中のイオンから引き出されることになる。

プラズマ境界１２′に流れ込むプラズマ中のイオン電流
は飽和イオン電流といわれ、次式で与えられる。

ここで Ｊｔ：飽和イオン電流密度 ｅ：電子電荷 ｎｅ：プラズマ中の電子密度 Ｍ：イオンの質量 ｋ：ボルツマン定数 Ｔｅ：電子温度 である。

さてプラズマ境界１２′の形はプラズマのＴｅ，ｎｅで
決まる飽和イオン電流密度Ｊｔおよび引出し電圧によっ
て変わシ、またイオンビーム８の軌道はプラズマ境界１
２′の形に大きく依存する。

しだがって、このような多孔型の引出し電極系６を用い
てイオンを得る場合、各小孔に対するプラズマ境界形状
が全て同一であることが必要となり、これが実現できな
い場合は減速電極１０やアース電極１１に大量のイオン
が衝突し、この結果、電極の加熱による破壊および変形
が起き、長時間動作が困難となる。

各小孔について同一なプラズマ境界を得るためには、ｎ
ｅ，Ｔｅの半径方向の変化がなく一定であるととすなわ
ちＪｓが一様であることが必要であ択このことはとくに
マイクロ波イオン源のような大電流用イオン源における
プラズマについては必須の条件である。

第７図において、マイクロ波−プラズマ結合素子として
円柱棒を用いた実験例によれば、飽和イオン電流は中心
部分および外壁近傍において減少し、全半径にわたって
２〜３倍程度もその値が変化していることが観測され
た。

このため、第８図に示した引出し電極系を用いると、減
速電極１０、アース電極１１には全イオン電流の約めが
衝突し、その結果引き出し効率が減少し、引き出された
イオンビームも一様でなく、かつ、その発散も大きいも
のであった。

これは例えば、電極小孔のうち電極中心からの半径ｒ＝
ａ（ａ：一定）付近にある小孔についてはビームが電極
に衝突せずに通過できても、これ以外のところではプラ
ズマ境界形状が異なるため、プラズマ境界を出た直後で
ビームが発散軌道をとるためである。

しかるに、この様な飽和イオン電流密度分布の不均一性
が発生する理由は次のごとくである。

すなわち、マイクロ波−プラズマ結合素子に１本の円柱
棒を使い、円筒状イオン源室外壁との間で単一の同軸形
状のプラズマ室を形成した場合、発生するプラズマには
′半径方向にｎ６ ｔ Ｔ６値の分布が発生する。

ｎ６値分布の発生は、外壁表面や中心導体（結合素子）
の表面にプラズマ粒子が衝突して電子が失なわれるため
で、これによシ外壁表面近傍および中心導体（結合素子
）表面近傍での電子密度が低下するのである。

また、同軸形状のプラズマ室の場合、マイクロ波が作る
電界強度は中心導体表面で最大となシ、それ以外の所で
は半径が増すに伴って弱くなる。

このため、マイクロ波電界からエネルギーを受けと択
プラズマ発生に寄与する電子の温度Ｔｅも当然半径方向
に変化している。

そして、このような不均一性は、円筒状外壁の内径と中
心導体の外径との比が大きくなるほど著るしくなる。

したがって、本発明の目的は、飽和イオン電流密度分布
が一様なプラズマを発生でき、もって引出し電極系の各
イオンビーム引出用小孔を通して最適の効率でかつ一様
なイオンビームを引出すことを可能にする改良されたイ
オン源構造を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、イオン
源室の構造を多重同軸状に区画された複数の小室を有す
る構造とし、各小室毎にそれぞれ独立にマイクロ波電力
を供給、制御するように構成したことを特徴としている
。

かかる構成とすることにより、同軸形状の各小室につい
てみると、半径方向外側の導体径と内側の導体径との比
が小さくなる（１に近くなる）ため、各小室内でのｎＢ
ｊ Ｔ ｅ値の分布は殆ど均一となる。

また、各小室内に投入されるマイクロ波電力の大きさを
調整することによシ、各小室毎のｎ６ ｐ Ｔ ｅ値を
変え、ひいては飽和イオン電流密度Ｊｔの平均値を変え
ることができるから、すべての小室についてのＪｔ値を
揃えてやることが可能となり、全体として均一なイオン
ビームの引出しが可能となる。

本発明の原理を第１図により説明する。

すなわち、本発明においてはイオン源室５を多重同軸構
造に形成してある。

従来は、マイクロ波一プラズマ結合素子として中心棒１
３のみを用い、この中心棒１３とイオン源室５の円筒状
外壁とを同軸状配置として該イオン源室５内にプラズマ
を発生させていたのに対し、本発明ではこの間にさらに
金属製の円筒１４．１５を設けてある。

そして、中心棒１３と第１の円筒１４、第１の円筒１４
と第２の円筒１５、および第２の円筒１５とイオン源室
の円筒状外壁との間にそれぞれ区画形成される環状小室
毎に、各小室の内、外両円筒壁間を同軸ケーブル（導波
管路）として、それぞれ独立にマイクロ波を供給、制御
するものである。

なお、一般にはイオン源の円筒外壁の付近や中心棒に近
い部分ではプラズマの電子密度ｎｅおよび電子温度Ｔｅ
が減少するので、これに対応する同軸状小室には、よシ
大きいマイクロ波電力を供給することにより、イオン源
室５内全域にわたってのｎｅ ，Ｔｅの分布が一様とな
虱飽和イオン電流密度が均一になる。

また多重同軸構造をとらない従来技術によるイオン源に
比べ、本発明のイオン源ではイオン源室内の単位体積に
供給し得るマイクロ波電力を著しく増大させ得る。

すなわち、従来技術では中心導体１個と円筒状外壁１個
とで構成した単一の同軸状プラズマ室を用いていたため
、投入マイクロ波電力を増大させてプラズマのｎｅ，Ｔ
ｅ値を増大させようとしても、これに第８図示のような
引出し電極系を用いた場合、減速電極１０にあたるイオ
ンビーム電流も増大し、したがってこの減速電極１０の
熱的破壊が生じるおそれがある。

一方、本発明による多重同軸型構造とした場合には、外
出し電極系の各引出し小孔のプラズマ境界がどこまでも
最適かつ一様なものとな択電極にあたるビーム電流量が
激減する。

一方、各小室へ投入するマイクロ波電力のバランスを保
ったまま、各投入電力を増大させれば最適なプラズマ境
界形状を維持しつつ、全体のｎ ｅ ｔ Ｔ ｅ値を高
くすることができる。

したがって、単一の同軸形状プラズマ室構成とするよシ
も、複数の小室に分けることによ択全体としての投入マ
イクロ波電力を増大させることができ、ｎｅ，Ｔｅ値を
高め、ひいてはＪｔ値を増大させてやることができるの
である。

したがって、本発明の他の目的は、この後者の特長を生
かして、Ｈｅ，Ｔｅを従来に比べ高くとることによ択飽
和イオレ電流密度の増加を可能にし、もって大電流イオ
ンビームを引き出し得るように改良されたイオン源を提
供することにある。

次に本発明による、多重同軸構造のイオン源の各同軸状
小室にそれぞれ独立にマイクロ波を供給する手段を備え
たイオン源装置の実施例について説明する。

第２図は二重同軸型構造のイオン源室に２台のマイクロ
波発振器を用いてマイクロ波供給を行なうようにしたイ
オン源の一実施例である。

第１のマイクロ波発振器１からマイクロ波電力は、イオ
ン源室５の円筒外壁と中間円筒１４とからなる同軸部分
に供給され、また中心導体１３と中間円筒１４の間には
、第２のマイクロ波発振器１′からのマイクロ波電力が
供給される。

１ ６．１６’は金属製の短絡板であ）、各々対応する
中心導体の直交分岐点から使用マイクロ波々長の１／４
の奇数倍の長さの所におかれておシ、マイクロ波の伝達
には何ら支障が生じないようにされている。

第２図の実施例の特徴は、二系統のマイクロ波伝送用立
体回路間の干渉が全くない状態で、互いに他から独立に
マイクロ波電力を供給できることにある。

さらにイオン源室５が３重以上の多重同軸型構造の場合
のマイクロ波供給方法としては、第２図中のマイクロ波
発振器１′からのマイクロ波電力伝送用の同軸部分に対
し、第２図で説明したのと同じ方法を順次繰返して適用
していけば良い。

第３図は上記の観点にたって４重同軸型構造の場合の一
実施例を示したものである。

第３図では、イオン源室５の中心から外側の同軸状小室
に向うに従って、それぞれ１″′，１〃，１，１のマロ
クロ波発振器からのマイクロ波が供給される。

各金属製短絡板１６は、それぞれ対応する導波路の直交
分岐点から使用マイクロ波々長の１／４の奇数倍の長さ
のところに置かれていることはいうまでもない。

次に第４図は本発明によシ多重同軸型イオン源の各同軸
状小室にそれぞれ独立にマイクロ波電力を供給するだめ
のさらに別の一実施例を示すものである。

ここでは、第２図の真空シール板（マイクロ波導入フラ
ンジ）１７とマイクロ波発振器１との間に、それぞれ独
立のマイクロ波発振器１′，１〃等に接続された直交同
軸ケーブルを２ヶ以上（図は２ヶの場合を示している）
設けたものである。

以上は複数のマイクロ波発振器と多重同軸型イオン源室
間を継なぐ立体回路として多重同軸ケーブルを用いて、
両者間を直結したものを例にとって説明しだが、立体回
路としては第７図に示したような在来の矩形導波管と同
軸ケーブルとの縦列接続のものであっても良い。

次に矩形導波管および同軸ケーブルを通って多重同軸型
イオン源室にマイクロ波を供給する方法として、各同軸
状小室の円筒状中心導体を矩形導波管の終端面に接続し
、さらにこの円筒状中心導体を矩形導波管の外に導出し
、この円筒状中心導体中にさらに新たな中心導体を設け
るように構成しても良い。

第５図はこの様な原理に基づく本発明のさらに他の一実
施例を示したものである。

図中、金属製短絡板１６とマイクロ波発振器１′との間
の同軸導波路部分に対し、第２〜第４図に説明した手法
を適用すれば、さらに多重化された同軸型イオン源室に
も各小室毎に独立してマイクロ波電力を供給してやるこ
とができる。

以上は多重同軸型イオン源の各同軸状小室に対し、それ
ぞれ別々のマイクロ波発振器からのマイクロ波電力を独
立に供給するイオン源装置について詳述したが、一つの
マイクロ波発振器からのマイクロ波電力を分割して、そ
れぞれのイオン源小室に供給することも可能である。

第６図は、この方式に基づく本発明のさらに別の一実施
例を説明する図である。

ここでは、１台のマイクロ波発振器１から外側の同軸導
波路を通って伝送されるマイクロ波電力の一部は、円筒
壁２０の途中にあけられた結合孔１９によって、内側の
同軸ケーブル中に伝送される。

結合孔１９の開口形状としては円形、楕円形およびスリ
ット形等のいずれの形状でもよく、また結合孔１９を通
って内側同軸ケーブル中に伝達されるマイクロ波の割合
は、結合孔の寸法により変化させ得る。

この場合、発生するフラスマのＴｅ，ｎｅ等は、従来技
術によるプラズマの場合と同程度であるが、飽和イオン
電流密度の分布を一様にすることが可能である。

以上詳記した様に、本発明によるマイクロ波イオン源は
、多重同軸型イオン源室構造の採用とそれに供給するマ
イクロ波電力の各小室毎の独立した制御によ択発生する
プラズマ中の飽和イオン電流密度分布を全体にわたって
一様にでき、またＴｅｔｎｅを上昇させることができる
ことから、電流値の高いイオンビームが最適の引出し条
件および最適のイオンビーム形状で得られるという卓越
した長所を有し、したがって実用に供してその効果は著
しく犬である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するだめの縦断面略図、第
２図は本発明の一実施例を説明するだめの縦断面略図、
第３図は本発明の他の一実施例を説明するための縦断面
略図、第４図は本発明に基づくさらに別の一実施例を説
明するだめの縦断面略図、第５図は本発明に基づく他の
一実施例を説明するだめの縦断面略図、第６図は本発明
に基づくさらに他の一実施例を説明するための縦断面略
図、第７図は従来装置の一構成例を示す縦断面略図、第
８図はそれにおけるイオン引出電極系の構成を示す斜視
略図、第９図は同じくイオン引出電極系の動作を説明す
るだめの縦断面略図、である。 図中、ｌ ， ．１ ／ ， ｌ ｌｌ， ｌ Ｉｔ／
：マイクロ波発振器、２：マイクロ波伝送用立体回路
、３：マイクロ波一プラズマ結合素子、４：磁場コイル
、５：イオン源室、７：真空排気系、８：イオン引出電
極系、１２：プラズマ、１３：中心導体、１４，１５：
金属製円筒、１６．１６’：金属製短絡板、１７：マイ
クロ波導入フランジ、１８：同軸ケーブル、１９：マイ
クロ波結合用開子Ｌ ２０：金属円筒壁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ イオン源室と、マイクロ波発振器と、該マイクロ波
   発振器で発生したマイクロ波電力を上記イオン源室内に
   導入するだめのマイクロ波立体回路とを有し、上記イオ
   ン源室内にマイクロ波放電プラズマを発生させ、該プラ
   ズマ中からイオンを引き出すようにしたマイクロ波イオ
   ン源において、上記イオン源室を多重同軸状に区画され
   た複数の小室を有する構造とし、各室内にそれぞれ独立
   にマイクロ波電力を供給する手段を付加してなることを
   特徴とする多重同軸型マイクロ波イオン源。