JPS61290629A

JPS61290629A - 電子ビ−ム励起イオン源

Info

Publication number: JPS61290629A
Application number: JP60132138A
Authority: JP
Inventors: Tamio Hara; 民夫原; Manabu Hamagaki; 浜垣　学; Katsunobu Aoyanagi; 克信青柳; Susumu Nanba; 難波　進
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1985-06-18
Filing date: 1985-06-18
Publication date: 1986-12-20
Also published as: JPH0375975B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は電子ビームによってイオンを生成し、生成され
たイオンを引き出し放射する電子ビーム励起イオン源に
関する。

（従来の技術）核融合研究においては、プラズマ加熱法として高エネル
ギー中性粒子ビーム入射法が最も有望な方法として研究
されている。このための正イオン源としては、応用物理
第５１巻第９号（１９８２）Ｐ２７〜３３に記載される
ように改良型デュオピガトロン源、磁気多極型イオン源
、Ｐｅｒ　ｉｐｌａｓｍａｔｒｏｎ型イオン源、ＬＢＮＬ
型イオソイオン源られている。

（発明が解決うようとする問題点）有効な加熱を行うためにはイオンビーム電流は１００Ａ
必要とされると考えられるが、上記した従来の装置では
、この目標値を達成するためには少なくとも１１００ｋ
の大入力電力が必要である。

本発明の目的は、入力電極力に対するイオン電流値の比
が大きくこうりくよく大電流イオンビームを発生するイ
オン源を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）　− 上記目的は、プラズマ領域、加速陰極、電子ビーム加速
領域、加速陽極、イオン生成領域およびターゲット陰極
がこの順で設けられており、前記加速陽極に対して負の
電位を前記ターゲット陰極に与える手段と、前記イオン
生成領域において生成された正イオンまたは負イオンを
吸引し、このイオンを引き出すイオン引出電極とが備え
られている電子ビーム励起イオン源によって達成される
。

本発明においては、イオン引出電極をターゲット陰極と
別体に設けられることもできるし、ターゲット陰極にそ
の機能を兼ねさせることもできる。

（作　用）プラズマ領域中の電子が加速陽極によって引き出された
イオン生成領域内に突入する。突入した電子はイオン生
成領域内の不活性ガス（又は金属蒸気）と衝突してイオ
ンを生成するが、このイオンの逆流によって、加速陰極
の出口付近に負のポテンシャルバリヤが形成されること
が防止される。

従って、プラズマ領域のプラズマ密度に比例する大電流
電子ビームがイオン生成領域に流入することができる。

イオン生成領域においては、流入した電子ビームの電流
値に比例した数のイオンが発生するが、本発明の装置に
おいては、第９図に示されるように加速陰極、加速陽極
およびターゲット陰極によって、ポテンシャルの井戸が
形成され、このポテンシャルの井戸内を電子が往復運動
して、プラズマが効率的に発生される。発生されたプラ
ズマ中のイオンはイオン引出電極によって吸引され、イ
オン生成領域外へ放射される。イオンのエネルギー（速
度）はイオン引出電極と加速陽極との腓の電圧で決定さ
れる。イオン生成領域に荷電。

粒子の横方向の拡散を防ぐマルチボール磁場、ミラー磁
場あるいは電位の井戸を設けることにより効率良くプラ
ズマの発生を行うことができる。

なお、本発明の装置はイオン注入装置のイオン源として
使用することができる。また、装置内にアルゴン等の不
活性ガス、ＣＦ、等の反応性エツチング用ガスを充填す
ることによりエツチング用イオン源として使用できる。

さらに、５ｉＦｎ　等の成膜用ガスを充填することによ
り成膜用イオン源として使用できる。

（実施例）第１図は、本発明の電子ビーム励起イオン源の一実施例
の概略図である。カソード１１アノードを兼ねる加速陰
極２、加速陽極３、ターゲット陰極４ａおよびイオン引
出電極４ｂがこの順で設けられている。カソード１と加
速陰極２との間はプラズマが充填するプラズマ領域５と
なり、加速陰極２と加速陽極３との間がプラズマ領域５
から引き出された電子を加速する電子ビーム加速領域６
となり、加速陽極３とターゲット陰極４ａとの間がイオ
ン生成領域７となる。カソード１と加速陰極２との間に
は放電用電源８によって電圧が与えられて、プラズマ領
域５内においてプラズマ生成放電が生じるようになって
いる。加速陰極２と加速陽極３との間に電位差を生じせ
しめる加速電源９は、プラズマ領域５内の電子を引き出
し、かつ１０ン生成領域７中のイオンを加速陰極２まで
引き出す。加速陰極２は直接アースされて詣り、また、
イオン引出電極４ｂは電圧可変のイオンエネルギー制御
用電源１０を介して加速陽極３に接続されている。ター
ゲット陰極４ａも電源ｌＯ′によって加速陽極３に対す
る電圧を制御しうるようにされている。通常アルゴンガ
ス等の不活性ガスが流入口１１ａ、ｌｌｂから装置内部
に流入され、排出口１２ａ、１２ｂＳ　１２ｃから排出
される。

また、本実施例において電子およびイオンの進行方向に
沿って磁場が与えられており、電子流およびイオン流の
横方向の拡がりが防止されている。

プラズマ領域５に設けられた仕切り１３ａ、１３ｂはガ
スの圧力差をつけるためのものである。

このように構成されたイオン源は以下の様に作動する。

カソード１と加速陰極２との間の放電によってプラズマ
領域５内にプラズマが発生する。

このプラズマを構成する電子は加速陽極３に引かれてイ
オン生成領域７に突入して、イオンを生成する。このイ
オンの一部は加速陽極２に引かれて加速陰極２の開口付
近に形成される負のポテンシャルバリアを引き下げる。

従って、プラズマ領域内のプラズマ密度に比例した電流
値−の電子流がイオン生成領域７に流入する。イオン生
成領域７においては、流入した電子の電流値（数）に比
例するイオンが生成される。このイオンはイオン引出電
極４ｂの電位によってそのエネルギーを制御されて引き
出し加速される。

上述した本実施例において、装置内に充填するガスがア
ルゴンガスであり、加速陰極２と加速陽極３との間の電
圧が１００Ｖ、イオン引出電極４ｂと加速陽極３との間
の電圧が一４００Ｖ、プラズマ領域５の真空度がＱ、ｇ
Ｔｏｒｒ、電子ビーム加速領域６の真空度が０．８　Ｘ
　ｌ　Ｏ−’Ｔｏｒｒ、イオン生成領域７の真空度が２
．　ＯＸ　１０−’Ｔｏｒｒ、イオン引出電極の開口径
が１ｍｍφである場合の引き出されたイオンビームの電
流密度Ｉｉと放電電流（はぼ電子ビーム電流に等しい）
との関係を第２図に示す。

曲線Ａはターゲット陰極４ａが加速陽極３と等電位の場
合、曲線Ｂはターゲット陰極４ａの電位が加速陽極３に
対して一１００Ｖの場合をそれぞれ示している。この実
験例から本発明によると大電流イオンビームを辱ること
ができることが明確である。

イオン引出電極４ｂと加速陽極３との間の電圧がそれほ
ど大きくない場合はイオン引出電極４ｂをターゲット陰
極４ａと併合することができる。

また、イオン引出電極４ｂと加速陽極３との間の電圧は
、イオンエネルギー制御用電源１０の電圧を制御するの
ではなく、加速陰極２と加速陽極３との間の加速電源９
の電圧値を制御することによ；ても変えることができる
。この場合の例を第３図および第４図に示す。第３図お
よび第４図に示され−たいずれの例においても、イオン
エネルギー制御用電源ｌＯは設けられておらず、イオン
引出電極４ｂは直接アースされておりイオンエネルギー
の制御は加速電源９の電圧を制御することにより行われ
ている。第４図に示された実施例においては、加速陰極
２ではなく、カソードがアースされてふり、放電電源の
電圧を変化してもイオン引出電極４ｂと加速陽極３との
間の電圧を変化することができる。

第１図および第４図に示された実施例のように、電子ビ
ームガイド用磁場として一様磁場を用いても直径１５＋
ｎｍ程度の均一なイオンビームの照射が行なえることが
確認されているが、第５図に示されるようにイオン生成
領域７の外周部に永久磁石２０を配してマルチポール磁
場を形成すると、イオンビームをさらに拡大することが
でき、大面積引き出しが可能となる。

本発明においては、種々の変形実施例が考えられるが、
加速陽極を２つに分け、第１イオン生成領域と第２イオ
ン生成領域に分離するようにしてもよいし、また、第６
図に示されるように、イオン引出電極４ｂの電位はター
ゲット陰極４ａに対して電源１０によって制御するよう
にしてもよい。

他の変形例としてターゲット陰極とイオン引出電極との
間に位置してさらに別の電極を設置し、この電極には大
きな引き出し電圧を印加し、イオン引出電極の電位によ
ってイオンビームのエネルギーを制御するようにすると
、低エネルギーの大電流イオンビームを引き出すことが
できる。

第７図は、本発明をスパッタ型イオン源として使用した
場合の実施例を示す。イオン生成領域７において生成さ
れたイオンは、導電性設置部１７上のターゲット２５に
衝突する。イオンの衝突によってターゲット材料はガス
状に飛敗し、さらにこの後電子ビームの照射によってイ
オン化されたターゲット原子は電極４ｂによって外方に
引出される。

第８図は負イオンを放出することのできる実施例を示す
概略図である。イオンと電子とではラーマ−半径が大き
く異なる。このため、外部磁場が印加されている場合、
プラズマから磁力線を横切る方向で電子のラーマ−半径
以上に遠く離れた空間ではイオンのみが存在することに
なる。本実施例はこのことに基いている。即ち、イオン
引出電極４ｂは、電子通路部分１８から離れて設けられ
ている。このイオン引出電極４ｂがプラズマ電位（はぼ
加速陽極３の電位と同じ）に対して負の電位のときは、
正イオンが引き出される。逆に、プラズマ電位に対して
正の電位を有するときは、負イオンが引き出される。

なお、上述した各実施例において特願昭５９−２７６７
３８号に従ってカソードと加速陰極の間にプラズマ電位
分布成形用電極を配することは極めて有効である。

（発明の効果）本発明のイオン源は入力電力に対するイオン電流値の比
が大きく、効率よく大電流イオンビームを得ることがで
きる。また、高効率であるので、フィラメントの寿命お
よび電極等への熱負荷を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の概略図であり、第２図は
、第１図の実施例におけるイオン電流密度と初期放電電
流との関係を示すグラフ、第３図および第４図は、本発
明の別の実施例の概略図、第５図は、電子ビームガイド用マルチボール磁場を表わ
す側面図、第６図は、本発明の更に別の実施例の概略図、第７図は
、本発明をスパッタ型イオン源として使用した場合の実
施例を示す概略図、第８図は、負イオンを放出することのできる実施例を示
す概略図、第９図は本発明の詳細な説明する図である。１・・・・・・カソード、２・・・・・・加速陰極、３
・・・・・・加速陽極、４ａ・・・・・・ターゲット陰
極、４ｂ・・・・・・イオン引出電極、５・・・・・・
プラズマ領域、６・・・・・・電子ビーム加速領域、７
・・・・・・イオン生成領域、８・・・・・・放電用電
源、９・・・・・・加速電源、ｌＯ・・・・・・イオン
エネルギー制御用電源。Ｉｄ　　（Ａ）第３図Ｂ第４μｍ第５ｖＡ第６図第７図第８図手続補正書（方式）１．事件の表示　　　昭和６０年特許願第１３２１３８
号２、発明の名称　　　電子ビーム励起イオン源３、補
正をする者事件との関係　　出願人名称　（６７９）理化学研究所４、代理人

Claims

【特許請求の範囲】

（１）プラズマ領域、加速陰極、電子ビーム加速領域、
加速陽極、イオン生成領域およびターゲット陰極がこの
順で設けられており、前記加速陽極に対して負の電位を
前記ターゲット陰極に与える手段と、前記イオン生成領
域において生成された正イオンまたは負イオンを吸引し
、このイオンを引き出すイオン引出電極とが備えられて
いる電子ビーム励起イオン源。
（２）前記ターゲット陰極が前記イオン引出電極を兼ね
ていることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
の電子ビーム励起イオン源。