WO2023058291A1

WO2023058291A1 - イオン生成装置およびイオン注入装置

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Publication number: WO2023058291A1
Application number: PCT/JP2022/027548
Authority: WO
Inventors: 翔河津; 正輝佐藤
Original assignee: 住友重機械イオンテクノロジー株式会社
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2022-07-13
Publication date: 2023-04-13
Also published as: JPWO2023058291A1; CN118056259A; KR20240072155A; TW202316477A; US20240266140A1

Abstract

イオン生成装置１０は、アークチャンバ５０と、アークチャンバ５０の内部空間Ｓにおいて軸方向に印加される磁場Ｂを生成する磁場生成器５２と、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に突出し、内部空間Ｓに向けて熱電子を放出する第１カソードキャップ７２と、第１カソードキャップ７２の径方向外側において軸方向に筒状に延在し、第１カソードキャップ７２と軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第１延在部と、アークチャンバの内部に向けて突出する第１先端部と、第１先端部において軸方向に開口する第１先端開口とを含む第１サーマルシールド７６と、を備える。第１先端開口における径方向の第１開口幅は、第１カソードキャップ７２の径方向の最大幅よりも小さい。

Description

イオン生成装置およびイオン注入装置

　本開示は、イオン生成装置およびイオン注入装置に関する。

　半導体製造工程では、半導体の導電性を変化させる目的、半導体の結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウェハにイオンを注入する工程が標準的に実施されている。この工程で使用される装置は、一般にイオン注入装置と呼ばれる。このようなイオン注入装置では、間接加熱型のカソード（ＩＨＣ；Indirectly Heated Cathode）と、アークチャンバとを備えたイオン生成装置によってイオンが生成される。生成されたイオンは、引出電極を通じてアークチャンバの外部に引き出される。

特開２０１６－２２５１３９号公報

　近年、ウェハ表面のより深い領域にイオンを注入するために、高エネルギーイオンビームの生成を求められることが増加している。高エネルギーイオンビームを生成するには、イオン生成装置にて多価イオンを生成し、生成された多価イオンを直流加速機構や高周波加速機構（例えば線形加速機構）を利用して加速することが有効である。イオン生成装置にて十分な量の多価イオンを生成する場合には、アーク電圧やアーク電流をより大きくした高アーク条件とする必要があり、アークチャンバの損耗がより顕著となりうる。このような高アーク条件下では、イオン生成装置の寿命が短くなり、イオン注入装置の生産性の低下につながる。

　本開示は、低アーク条件において、より多くの多価イオンを生成可能なイオン生成装置を提供することにある。

　本開示のある態様のイオン生成装置は、内部空間を有し、内部空間にて生成されるプラズマからイオンビームを引き出すためのフロントスリットを有するアークチャンバと、内部空間において軸方向に印加される磁場を生成する磁場生成器と、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出し、内部空間に向けて熱電子を放出する第１カソードキャップと、第１カソードキャップを加熱する第１加熱源と、第１カソードキャップの径方向外側において軸方向に筒状に延在し、第１カソードキャップと軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第１延在部と、アークチャンバの内部に向けて突出する第１先端部と、第１先端部において軸方向に開口する第１先端開口とを含む第１サーマルシールドと、を備える。第１先端開口における径方向の第１開口幅は、第１カソードキャップの径方向の最大幅よりも小さい。

　本開示の別の態様は、イオン注入装置である。イオン注入装置は、ある態様のイオン生成装置と、イオン生成装置から引き出されるイオンビームを加速させるビーム加速装置と、ビーム加速装置から出力されるイオンビームがウェハに照射される注入処理室と、を備える。

　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本開示の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本開示の態様として有効である。

　本開示の限定的ではない例示的な実施の形態によれば、より低いアーク条件において、より多くの多価イオンを生成可能なイオン生成装置を提供できる。

実施の形態に係るイオン注入装置の概略構成を示す上面図である。第１の実施の形態に係るイオン生成装置の概略構成を示す断面図である。第１の実施の形態に係る第１カソードの構成を詳細に示す断面図である。図３の第１カソードを軸方向に見たときの構成を示す平面図である。図５（ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図６（ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図７（ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図８（ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図９（ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図１０（ａ），（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図１１（ａ）～（ｏ）は、第１の実施の形態の変形例に係る第１カソードキャップの形状を模式的に示す断面図である。第２の実施の形態に係る第１カソードの構成を詳細に示す断面図である。図１３（ａ）～（ｃ）は、第２の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図１４（ａ）～（ｃ）は、第２の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図１５（ａ），（ｂ）は、第２の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。図１６（ａ），（ｂ）は、第２の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。第３の実施の形態に係る第１カソードの構成を詳細に示す断面図である。図１８（ａ），（ｂ）は、第３の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を模式的に示す断面図である。第４の実施の形態に係る第１カソードの構成を詳細に示す断面図である。第４の実施の形態の変形例に係る第１カソードの構成を詳細に示す断面図である。第５の実施の形態に係るイオン生成装置の概略構成を示す断面図である。第５の実施の形態に係るリペラーの構成を詳細に示す断面図である。第５の実施の形態の変形例に係るリペラーの構成を詳細に示す断面図である。第６の実施の形態に係るリペラーの構成を詳細に示す断面図である。第６の実施の形態の変形例に係るリペラーの構成を詳細に示す断面図である。第７の実施の形態に係るリペラーの構成を詳細に示す断面図である。第８の実施の形態に係るリペラーの構成を詳細に示す断面図である。第９の実施の形態に係るイオン生成装置の概略構成を示す断面図である。第１０の実施の形態に係るイオン生成装置の概略構成を示す断面図である。

　以下、図面を参照しながら、実施の形態に係るイオン生成装置およびイオン注入装置を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本開示の範囲を何ら限定するものではない。

　図１は、実施の形態に係るイオン注入装置１００の概略構成を示す上面図である。イオン注入装置１００は、いわゆる高エネルギーイオン注入装置である。イオン注入装置１００は、イオン生成装置１０で発生させたイオンを引き出して加速することでイオンビームＩＢを生成し、イオンビームＩＢをビームラインに沿って被処理物（例えば基板またはウェハＷ）まで輸送し、被処理物にイオンを注入する。

　イオン注入装置１００は、イオンを生成して質量分離するビーム生成ユニット１２と、イオンビームＩＢをさらに加速して高エネルギーイオンビームにするビーム加速ユニット１４と、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、エネルギー分散の制御および軌道補正を行うビーム偏向ユニット１６と、高エネルギーイオンビームをウェハＷまで輸送するビーム輸送ユニット１８と、高エネルギーイオンビームをウェハＷに注入する基板搬送処理ユニット２０とを備える。

　ビーム生成ユニット１２は、イオン生成装置１０と、引出電極１１と、質量分析装置２２と、を有する。ビーム生成ユニット１２では、イオン生成装置１０から引出電極１１を通してイオンが引き出されると同時に加速され、引出加速されたイオンビームは質量分析装置２２により質量分析される。質量分析装置２２は、質量分析磁石２２ａ、質量分析スリット２２ｂを有する。質量分析装置２２による質量分析の結果、注入に必要なイオン種が選別され、選別されたイオン種のイオンビームは、次のビーム加速ユニット１４に導かれる。

　ビーム加速ユニット１４は、イオンビームの加速を行う複数の線形加速装置、すなわち、一つ以上の高周波共振器を備えている。ビーム加速ユニット１４は、高周波（ＲＦ）電場の作用によりイオンを加速する高周波加速機構である。ビーム加速ユニット１４は、基本的な複数段の高周波共振器を備える第１線形加速器１５ａと、超高エネルギーイオン注入用の追加の複数段の高周波共振器を備える第２線形加速器１５ｂとを備える。ビーム加速ユニット１４により加速されたイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６により方向が変化させられる。

　ビーム加速ユニット１４から出射される高エネルギーイオンビームは、ある範囲のエネルギー分布を持っている。このため、ビーム加速ユニット１４の下流で高エネルギーのイオンビームを往復走査および平行化させてウェハに照射するためには、事前に高い精度のエネルギー分析、エネルギー分散の制御、軌道補正およびビームの収束／発散の調整を実施しておくことが必要となる。

　ビーム偏向ユニット１６は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析、エネルギー分散の制御、軌道補正を行う。ビーム偏向ユニット１６は、少なくとも二つの高精度偏向電磁石と、少なくとも一つのエネルギー幅制限スリットと、少なくとも一つのエネルギー分析スリットと、少なくとも一つの横収束機器とを備える。複数の偏向電磁石は、高エネルギーイオンビームのエネルギー分析と、ウェハＷへのイオン注入角度の精密な補正とを行うよう構成されている。

　ビーム偏向ユニット１６は、エネルギー分析電磁石２４と、エネルギー分散を抑制する横収束四重極レンズ２６と、エネルギー分析スリット２８と、ステアリング（イオンビームの軌道補正）を提供する偏向電磁石３０とを有する。なお、エネルギー分析電磁石２４は、エネルギーフィルタ電磁石（ＥＦＭ）と呼ばれることもある。高エネルギーイオンビームは、ビーム偏向ユニット１６によって方向転換され、ウェハＷの位置する方向へ向かう。

　ビーム輸送ユニット１８は、ビーム偏向ユニット１６から出たイオンビームＩＢを輸送するビームライン装置であり、収束／発散レンズ群から構成されるビーム整形器３２と、ビーム走査器３４と、ビーム平行化器３６と、最終エネルギーフィルタ３８（最終エネルギー分離スリットを含む）とを有する。ビーム輸送ユニット１８の長さは、ビーム生成ユニット１２とビーム加速ユニット１４とを合計した長さに合わせて設計されている。ビーム加速ユニット１４およびビーム輸送ユニット１８は、ビーム偏向ユニット１６によって連結されることにより、全体でＵ字状のレイアウトを形成する。

　ビーム輸送ユニット１８の下流側の終端には、基板搬送処理ユニット２０が設けられる。基板搬送処理ユニット２０は、注入処理室４２と、基板搬送部４４とを含む。注入処理室４２には、イオン注入中のウェハＷを保持し、ウェハＷをビーム走査方向と直交する方向に動かすプラテン駆動装置４０が設けられる。基板搬送部４４には、イオン注入前のウェハＷを注入処理室４２に搬入し、イオン注入済のウェハＷを注入処理室４２から搬出するための搬送ロボットなどのウェハ搬送機構が設けられる。

　イオン生成装置１０は、例えば、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）等のドーパントの多価イオンを生成するよう構成される。ビーム加速ユニット１４は、イオン生成装置１０から引き出される多価イオンを加速させ、１ＭｅＶ以上、４ＭｅＶ以上または１２ＭｅＶ以上の高エネルギーイオンビームを生成する。多価イオン（例えば２価、３価、４価以上）を加速させることで、１価のイオンを加速させる場合に比べてより高エネルギーのイオンビームを生成できる。

　ビーム加速ユニット１４は、図示するような二段式の線形加速装置ではなく、全体が一つの線形加速装置として構成されてもよいし、三段以上の線形加速装置に分かれて実装されてもよい。また、ビーム加速ユニット１４が他の任意の形式の加速装置で構成されてもよく、例えば直流加速機構を備えてもよい。本実施の形態は、特定のイオン加速方式には限定されず、１ＭｅＶ以上、４ＭｅＶ以上または１２ＭｅＶ以上の高エネルギーイオンビームを生成可能であれば任意のビーム加速装置を採用することができる。

　高エネルギーのイオン注入によれば、１ＭｅＶ未満のエネルギーのイオン注入に比べてより高エネルギーで所望のドーパントイオンがウェハ表面に打ち込まれるので、ウェハ表面のより深い領域（例えば深さ５μｍ以上）に所望のドーパントを注入することができる。高エネルギーイオン注入の用途は、例えば、最新のイメージセンサ等の半導体デバイス製造におけるＰ型領域および／またはＮ型領域の形成である。

　なお、本開示のイオン注入装置１００の各部の構成については、種々の態様が考え得る。本開示のイオン注入装置は、後述するイオン生成装置を適用できるものであれば、イオン生成装置以外の他の各部の構成の態様によって限定されるものではない。また、本開示のイオン生成装置およびイオン注入装置は、多価イオンで構成されるイオンビームの生成に好適であるが、１価イオンで構成されるイオンビームの生成にも適用可能であることに留意されたい。

　本実施の形態に係るイオン生成装置１０は、アークチャンバの内部空間にてアーク放電を発生させ、多価イオンを含むプラズマを生成する。イオン生成装置１０は、いわゆる間接加熱型カソードを用いる形式であり、カソードキャップから放出される熱電子をソースガスに衝突させてプラズマを生成する。一般的に、ソースガスに含まれる原子からより多くの電子を剥ぎ取って多価イオンを生成するためには、アーク電圧やアーク電流をより大きくした高アーク条件とする必要がある。このような高アーク条件では、アークチャンバの損耗が激しくなり、イオン生成装置の寿命が短くなるため、頻繁に装置をメンテナンスする必要が生じる。そうすると、イオン注入装置１００の稼働率が低下し、半導体デバイスの生産効率が低下してしまう。

　そこで、本実施の形態では、より多くの多価イオンを低アーク条件にて生成可能であるイオン生成装置を提供する。ここで表現される「低アーク条件」とは、従来のイオン生成装置において多価イオンを生成するために必要な「高アーク条件」よりもアーク電圧やアーク電流が相対的に低いアーク条件のことをいう。本実施の形態では、以下の特徴（１）～（７）の少なくとも一つを採用することで、低アーク条件であっても高密度のプラズマが効率的に生成されるようにし、高密度のプラズマからより多くの多価イオンが引き出されることが可能となるようにする。
（１）カソードキャップの周囲に設けられるサーマルシールドを利用して、カソードキャップからアークチャンバの内部空間に向けて熱電子が放出される範囲を狭くする。
（２）カソードキャップの周囲に複数のサーマルシールドを設け、カソードキャップの温度上昇を促進する。
（３）カソードキャップの周囲に設けられるサーマルシールドに熱電子を引き出すための電圧を印加する。
（４）リペラーヘッドの周囲に一つのサーマルシールドを設け、リペラーヘッドの温度上昇を促進する。
（５）リペラーヘッドの周囲に設けられるサーマルシールドを利用して、リペラーヘッドからアークチャンバの内部空間に向けて熱電子が放出される範囲を狭くする。
（６）リペラーヘッドの周囲に複数のサーマルシールドを設け、リペラーヘッドの温度上昇をさらに促進する。
（７）リペラーヘッドの周囲に設けられるサーマルシールドに熱電子を引き出すための電圧を印加する。

（第１の実施の形態）
　図２は、第１の実施の形態に係るイオン生成装置１０の概略構成を示す図である。イオン生成装置１０は、アークチャンバ５０と、磁場生成器５２と、第１カソード５４と、リペラー５６と、第１フィラメント電源５８ａと、第１カソード電源５８ｂと、第１アーク電源５８ｃと、引出電源５８ｄと、リペラー電源５８ｅとを備える。

　イオン生成装置１０の近傍には、アークチャンバ５０のフロントスリット６０を通じてイオンビームＩＢを引き出すための引出電極１１が配置される。引出電極１１は、第１引出電極１１ａと、第２引出電極１１ｂとを備える。第１引出電極１１ａは、サプレッション電源１１ｃに接続され、負のサプレッション電圧が印加される。第２引出電極１１ｂには、グランド電圧が印加される。アークチャンバ５０には、引出電源５８ｄが接続され、正の引出電圧が印加される。

　アークチャンバ５０は、プラズマが生成される内部空間Ｓを有する。アークチャンバ５０は、内部空間Ｓを区画する略直方体の箱形状を有する。アークチャンバ５０は、内部空間Ｓにて生成されるプラズマからイオンビームＩＢを引き出すためのフロントスリット６０を有する。フロントスリット６０は、第１カソード５４からリペラー５６に向かう方向（軸方向ともいう）に延びる細長い形状を有している。図面において、高密度のプラズマが生成されるプラズマ生成領域Ｐを破線で模式的に示している。

　アークチャンバ５０は、前面壁５０ａおよび背面壁５０ｂを含む四つの側壁と、第１端壁５０ｃおよび第２端壁５０ｄとを有する。前面壁５０ａは、フロントスリット６０を有する。前面壁５０ａの中央部には、アークチャンバ５０の内部に向けて突出する突出部５０ｅが設けられ、突出部５０ｅにフロントスリット６０が形成される。突出部５０ｅにフロントスリット６０を形成することで、より高密度のプラズマからイオンビームＩＢを引き出すことができる。背面壁５０ｂは、内部空間Ｓを挟んで前面壁５０ａと対向する。背面壁５０ｂには、ソースガスを導入するためのガス導入口６２が設けられる。第１端壁５０ｃおよび第２端壁５０ｄは、内部空間Ｓを挟んで軸方向に対向するように配置される。第１端壁５０ｃは、軸方向に延在する第１カソード挿通孔５０ｆを有する。第２端壁５０ｄは、軸方向に延在するリペラー挿通孔５０ｇを有する。

　アークチャンバ５０は、高融点材料で構成され、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属またはそれらの合金が用いられる。アークチャンバ５０の一部または全体は、グラファイト（Ｃ）で構成されてもよい。例えば、前面壁５０ａまたは突出部５０ｅがグラファイトで構成され、前面壁５０ａまたは突出部５０ｅ以外の側壁（例えば、背面壁５０ｂ）、第１端壁５０ｃおよび第２端壁５０ｄがタングステンなどの高融点金属で構成されてもよい。

　磁場生成器５２は、アークチャンバ５０の外部に設けられ、アークチャンバ５０の内部空間Ｓにおいて軸方向に印加される磁場Ｂを生成する。磁場生成器５２は、第１磁極５２ａおよび第２磁極５２ｂを有し、例えば、第１磁極５２ａから第２磁極５２ｂに向かう軸方向の磁場Ｂを生成する。磁場Ｂの方向は、逆方向であってもよく、第２磁極５２ｂから第１磁極５２ａに向かう方向であってもよい。アークチャンバ５０は、第１磁極５２ａと第２磁極５２ｂの間に配置される。

　第１カソード５４は、アークチャンバ５０の内部空間Ｓに熱電子を供給する。第１カソード５４は、第１カソード挿通孔５０ｆに挿通され、アークチャンバ５０と電気的に絶縁された状態で第１カソード支持部材６４に固定される。第１カソード支持部材６４は、アークチャンバ５０の外部に設けられる。第１カソード５４は、第１加熱源７０と、第１カソードキャップ７２と、第１サーマルブレイク７４と、第１サーマルシールド７６とを含む。

　第１加熱源７０は、第１カソードキャップ７２を加熱するための熱源である。第１加熱源７０は、例えば、第１フィラメント電源５８ａに接続されるフィラメントである。第１加熱源７０は、第１サーマルブレイク７４の内部において第１カソードキャップ７２と対向するように配置される。第１加熱源７０と第１カソードキャップ７２の間には、第１カソード電源５８ｂが接続され、カソード電圧が印加される。

　第１カソードキャップ７２は、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に突出する中実部材である。第１カソードキャップ７２は、軸方向に延びる中心軸Ｃに対して回転対称な形状を有し、例えば、円錐台形状を有する。第１カソードキャップ７２は、第１加熱源７０によって加熱されることにより、内部空間Ｓに向けて熱電子を放出する。第１カソードキャップ７２とアークチャンバ５０の間には、第１アーク電源５８ｃが接続され、アーク電圧が印加される。

　第１サーマルブレイク７４は、第１カソードキャップ７２を支持する円筒状部材であり、第１カソード支持部材６４から第１カソードキャップ７２に向けて軸方向に延在する。第１サーマルシールド７６は、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４の径方向外側において軸方向に筒状に延在する。第１サーマルシールド７６は、高温状態となる第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４からの熱輻射を反射し、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４からの熱逃げを抑制することにより、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４の温度上昇を促進する。

　第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド７６は、高融点材料で構成され、例えば、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属、それらの合金、またはグラファイトが用いられる。一例として、第１カソードキャップ７２および第１サーマルシールド７６はタングステンで構成され、第１サーマルブレイク７４はタンタルで構成される。

　リペラー５６は、内部空間Ｓを挟んで、第１カソード５４とは軸方向の反対側に設けられる。リペラー５６は、リペラー５６の近傍にある電子を跳ね返し、プラズマ生成領域Ｐに電子を滞留させてプラズマ生成効率を高める。リペラー５６は、リペラー挿通孔５０ｇに挿通され、アークチャンバ５０と電気的に絶縁された状態でリペラー支持部材６６に固定される。リペラー支持部材６６は、アークチャンバ５０の外部に設けられる。リペラー５６とアークチャンバ５０との間には、リペラー電源５８ｅが接続され、リペラー電圧が印加される。なお、リペラー電源５８ｅが設けられなくてもよく、リペラー５６が浮遊電位となるように構成されてもよい。また、リペラー電源５８ｅが設けられない構成において、リペラー５６にアーク電源５８ｃを接続することにより、リペラー５６にアーク電圧を印加してもよい。

　リペラー５６は、リペラーヘッド８０と、リペラー軸８２とを含む。リペラーヘッド８０は、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に突出する中実部材であり、内部空間Ｓに露出するように配置される。リペラーヘッド８０は、第１カソードキャップ７２と軸方向に対向する位置に設けられる。リペラー軸８２は、リペラーヘッド８０を支持する柱状部材であり、リペラー支持部材６６からリペラーヘッド８０に向けて軸方向に延在する。

　リペラーヘッド８０およびリペラー軸８２は、高融点材料で構成され、例えば、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属、それらの合金、またはグラファイトが用いられる。リペラー５６の一部または全体がグラファイトで構成されてもよい。例えば、リペラー軸８２がグラファイトで構成され、リペラーヘッド８０がタングステンなどの高融点金属で構成されてもよい。

　つづいて、イオン生成装置１０の動作について説明する。第１加熱源７０を構成するフィラメントは、第１フィラメント電源５８ａによって加熱され、１次熱電子を放出する。第１加熱源７０が放出する１次熱電子は、第１カソード電源５８ｂによるカソード電圧（例えば２００Ｖ～６００Ｖ）によって加速され、第１カソードキャップ７２に衝突し、その衝突により発生する熱で第１カソードキャップ７２を加熱する。第１加熱源７０によって加熱された第１カソードキャップ７２は、２次熱電子を内部空間Ｓに放出する。第１カソードキャップ７２が放出する２次熱電子は、第１アーク電源５８ｃによるアーク電圧（例えば５０Ｖ～１５０Ｖ）によって加速される。加速された２次熱電子は、多価イオンを含むプラズマを生成するために十分なエネルギーを持った電子としてプラズマ生成領域Ｐに供給される。プラズマ生成領域Ｐに供給される電子は、内部空間Ｓにおいて軸方向に印加される磁場Ｂに束縛され、磁場Ｂに沿って螺旋状に運動する。リペラー５６は、リペラー電源５８ｅによるリペラー電圧（例えば１２０Ｖ～２００Ｖ）によって、電子をプラズマ生成領域Ｐに跳ね返す。その結果、電子の運動をプラズマ生成領域Ｐに制限してプラズマ生成効率を高めることができる。プラズマ生成領域Ｐにて螺旋状に運動する電子は、ガス導入口６２から導入されるソースガスを電離させ、内部空間Ｓにおいて多価イオンを含むプラズマを生成する。

　第１の実施の形態では、上述の特徴（１）を採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンが生成されるようにする。具体的には、第１カソードキャップ７２の周囲に設けられる第１サーマルシールド７６を利用して、第１カソードキャップ７２からアークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けて熱電子が放出される範囲を狭くする。熱電子が放出される範囲を狭くすることで、プラズマ生成領域Ｐの範囲（軸方向と直交する径方向の幅ｗ）を狭くし、より狭い範囲により高密度のプラズマが生成されるようにする。このような第１カソード５４の構成について、図３を参照しながら詳述する。

　図３は、第１の実施の形態に係る第１カソード５４の構成を詳細に示す断面図であり、図２に示される第１カソード５４の拡大図である。図３において、第１端壁５０ｃを基準として、アークチャンバ５０の外部から内部に向けて軸方向に延びる方向を矢印Ａ１で示している。矢印Ａ１は、軸方向に沿ってアークチャンバ５０の内部側に向かう方向である。矢印Ａ２は、矢印Ａ１とは反対の方向であり、軸方向に沿ってアークチャンバ５０の外部側に向かう方向である。第１の実施の形態において、第１サーマルシールド７６の電位は、第１カソードキャップ７２の電位と同じである。

　第１カソードキャップ７２は、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に突出する。第１カソードキャップ７２は、アークチャンバ５０の内部に向かうにつれて径方向の幅が小さくなるテーパー形状を有し、例えば、図３の断面において左右対称な台形状を有する。第１カソードキャップ７２は、熱電子放出面７２ａと、熱流入面７２ｂと、フランジ７２ｃとを有する。

　熱電子放出面７２ａは、アークチャンバ５０の内部に向けて突出する面であり、内部空間Ｓに供給される熱電子を放出する面である。熱電子放出面７２ａは、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面７２ｄと、軸方向に対して斜めとなる方向に露出する曲面（例えば、円錐台面）で構成される側面７２ｅとを有する。先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂは、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａ（側面７２ｅの外径）よりも小さく、例えば、最大幅ｗａの１０％以上９５％以下であり、好ましくは、最大幅ｗａの５０％以上８０％以下である。

　熱流入面７２ｂは、第１加熱源７０と対向する平面であり、アークチャンバ５０の外部に向けて軸方向に露出する。第１カソードキャップ７２は、主に、第１加熱源７０から熱流入面７２ｂに向かう１次熱電子によって加熱される。フランジ７２ｃは、熱流入面７２ｂの位置またはその近傍において径方向外側（例えば、中心軸Ｃから径方向に離れる方向）に突出するように設けられる。フランジ７２ｃは、第１サーマルブレイク７４の係止端部７４ａと係合する。

　第１サーマルブレイク７４は、アークチャンバ５０の内部に向けて矢印Ａ１の方向に突出する係止端部７４ａと、アークチャンバ５０の外部に向けて矢印Ａ２の方向に突出する取付端部７４ｂとを有する。第１サーマルブレイク７４は、取付端部７４ｂから係止端部７４ａに向けて軸方向に円筒状に延びる。係止端部７４ａは、第１カソードキャップ７２のフランジ７２ｃと係合して第１カソードキャップ７２を固定する。取付端部７４ｂは、第１カソード支持部材６４に取り付けられる。

　第１サーマルシールド７６は、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４の径方向外側に設けられる。第１サーマルシールド７６は、アークチャンバ５０の内部に向けて矢印Ａ１の方向に突出する第１先端部７６ａと、アークチャンバ５０の外部に向けて矢印Ａ２の方向に突出する第１末端部７６ｂとを有する。第１先端部７６ａは、第１カソードキャップ７２よりもアークチャンバ５０の内部に向けて突出している。つまり、第１先端部７６ａの軸方向の位置は、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）の軸方向の位置よりもアークチャンバ５０の内部側にある。第１末端部７６ｂは、第１カソード支持部材６４に取り付けられる。なお、変形例において、第１末端部７６ｂは、第１サーマルブレイク７４に取り付けられてもよい。

　第１サーマルシールド７６は、第１先端部７６ａにおいて軸方向に開口する第１先端開口７６ｃを有する。第１先端開口７６ｃは、第１カソードキャップ７２から内部空間Ｓに向けて供給される熱電子を通過させる。第１先端開口７６ｃは、熱電子放出面７２ａから放出される熱電子の通過範囲を狭めるように構成される。第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、第１カソードキャップ７２の径方向の最大幅（フランジ７２ｃの位置での径方向の幅）よりも小さく、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａよりも小さい。第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの最大幅ｗａの５％以上９５％以下であり、例えば、５０％以上９０％以下である。熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）は、第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１よりも小さい。先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂは、例えば、第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１の５％以上９５％以下であり、例えば、１０％以上９０％以下である。

　第１サーマルシールド７６は、第１末端部７６ｂから第１先端部７６ａに向けて軸方向に筒状に延在する第１延在部７６ｄを有する。第１延在部７６ｄは、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４と径方向に間隙をおいて隣り合う。第１延在部７６ｄは、第１円筒部７６ｆと、第１テーパー部７６ｇとを有する。

　第１円筒部７６ｆは、第１延在部７６ｄの内面７６ｅの径方向の幅が一定となる部分であり、第１サーマルブレイク７４と径方向に間隙をおいて隣り合うように配置される。第１円筒部７６ｆは、少なくとも内面７６ｅが円筒形状となるよう構成される。第１円筒部７６ｆは、例えば、第１延在部７６ｄの内面７６ｅから第１サーマルブレイク７４までの間隔ｄ１が一定となるように構成される。図３に示される第１円筒部７６ｆは、第１カソードキャップ７２と径方向に間隙をおいて隣り合わないが、変形例においては、第１円筒部７６ｆは、第１カソードキャップ７２と径方向に間隙をおいて隣り合うよう構成されてもよい。

　第１テーパー部７６ｇは、第１延在部７６ｄの内面７６ｅの径方向の幅が軸方向に変化する部分であり、第１延在部７６ｄの内面７６ｅの径方向の幅がアークチャンバ５０の内部に向かうにつれて小さくなる部分である。第１テーパー部７６ｇは、第１カソードキャップ７２と径方向に間隙をおいて隣り合うように配置され、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａ（側面７２ｅ）に沿って配置される。第１テーパー部７６ｇは、少なくとも内面７６ｅが円錐台形状となるよう構成される。第１テーパー部７６ｇは、例えば、第１延在部７６ｄの内面７６ｅから第１カソードキャップ７２までの間隔ｄ２が一定となるように構成される。例えば、第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅの径方向に対する傾斜角θ２は、第１カソードキャップ７２の側面７２ｅの径方向に対する傾斜角θ１と同じである。第１テーパー部７６ｇは、第１延在部７６ｄの外面７６ｈが円錐台形状となるよう構成されてもよい。図３に示される第１テーパー部７６ｇは、第１サーマルブレイク７４（係止端部７４ａ）と径方向に間隙をおいて隣り合っているが、第１テーパー部７６ｇは、第１サーマルブレイク７４と径方向に間隙をおいて隣り合わないように構成されてもよい。

　図４は、図３の第１カソード５４を軸方向に見たときの構成を示す平面図であり、第１カソード５４をアークチャンバ５０の内部から外部に向かう方向に見ている。図４において、分かりやすさのため、第１サーマルシールド７６を網掛けで示している。図４に示されるように、第１カソードキャップ７２および第１サーマルシールド７６は、軸方向に延びる中心軸Ｃに対して回転対称な形状を有し、互いに同軸となるように配置されている。図４において、第１サーマルブレイク７４が見えていないが、第１サーマルブレイク７４も中心軸Ｃに対して回転対称な形状を有し、第１カソードキャップ７２および第１サーマルシールド７６と互いに同軸となるように配置されている。

　上述のとおり、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａよりも小さく、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きい。したがって、第１サーマルシールド７６の少なくとも一部は、第１カソードキャップ７２と軸方向に重なるように配置される。より具体的には、第１サーマルシールド７６の第１先端開口７６ｃの縁の少なくとも一部は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａ（具体的には、側面７２ｅ）と軸方向に重なる。

　第１の実施の形態によれば、第１サーマルシールド７６の第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１を第１カソードキャップ７２の径方向の最大幅よりも小さくすることで、第１カソードキャップ７２からアークチャンバ５０の内部に向けて熱電子が放出される径方向の範囲を狭くできる。その結果、径方向に限定された範囲に熱電子を集中的に供給することができ、低アーク条件であってもプラズマ生成領域Ｐにおいて高密度のプラズマを生成できる。

　第１の実施の形態によれば、第１カソードキャップ７２がテーパー形状を有するため、第１カソードキャップ７２の側面７２ｅから放出される熱電子をアークチャンバ５０の内部に向けて供給できる。また、第１サーマルシールド７６が第１テーパー部７６ｇを有するため、第１延在部７６ｄの内面７６ｅを第１カソードキャップ７２の側面７２ｅのより近くに配置し、第１カソードキャップ７２からの熱逃げを抑制することにより、第１カソードキャップ７２の温度上昇を促進できる。その結果、低アーク条件であっても第１カソードキャップ７２を高温に維持しやすくなり、プラズマ生成領域Ｐにより多くの熱電子を供給できる。

（第１の実施の形態に係る変形例）
　以下、図５（ａ）～図１０（ｂ）を参照して、第１の実施の形態に係る第１カソード５４の変形例を示す。以下では、第１カソードキャップ７２および第１サーマルシールド７６の構造を示しながら、上述した第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　図５（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード５４Ａ、５４Ｂの構成を模式的に示す断面図である。図５（ａ）に示す第１カソード５４Ａでは、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）が第１サーマルシールド７６の第１先端部７６ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出している。つまり、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）の軸方向の位置は、第１先端部７６ａの軸方向の位置よりもアークチャンバの内部側にある。図５（ａ）では、図３に比べて第１カソードキャップ７２の軸方向の長さが大きい。さらなる変形例では、図３に比べて第１延在部７６ｄ（例えば、第１テーパー部７６ｇ）の軸方向の長さを小さくしてもよい。図５（ｂ）に示す第１カソード５４Ｂにおいて、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）の軸方向の位置は、第１サーマルシールド７６の第１先端部７６ａの軸方向の位置と同じである。

　図６（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード５４Ｃ、５４Ｄの構成を模式的に示す断面図である。図６（ａ）に示す第１カソード５４Ｃでは、第１延在部７６ｄの内面７６ｅから第１カソードキャップ７２までの間隔ｄ２が軸方向の位置に応じて変化しており、アークチャンバの内部に向かうにつれて間隔ｄ２が小さくなるように構成される。図６（ａ）において、第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅの径方向に対する傾斜角θ２は、第１カソードキャップ７２の側面７２ｅの径方向に対する傾斜角θ１よりも小さい。

　図６（ｂ）に示す第１カソード５４Ｄでは、図６（ａ）とは逆に、第１延在部７６ｄの内面７６ｅから第１カソードキャップ７２までの間隔ｄ２がアークチャンバの内部に向かうにつれて大きくなるように構成される。図６（ｂ）において、第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅの径方向に対する傾斜角θ２は、第１カソードキャップ７２の側面７２ｅの径方向に対する傾斜角θ１よりも大きい。

　図７（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード５４Ｅ，５４Ｆの構成を模式的に示す断面図である。図７（ａ）に示す第１カソード５４Ｅにおいて、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａよりも小さく、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じである。図７（ｂ）に示す第１カソード５４Ｆにおいて、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも小さい。

　図８（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード５４Ｇ、５４Ｈの構成を模式的に示す断面図である。図８（ａ）に示す第１カソード５４Ｇでは、第１サーマルシールド７６の第１先端部７６ａが径方向内側に延在する。第１先端部７６ａは、第１延在部７６ｄの先端から径方向内側に延在する。図８（ａ）の第１先端開口７６ｃは、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有する。さらなる変形例において、図８（ａ）の第１先端開口７６ｃは、径方向の幅が一定となるよう構成されてもよいし、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が小さくなる逆テーパー形状を有してもよい。図８（ａ）において、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも小さい。さらなる変形例において、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じであってもよいし、それより大きくてもよい。

　図８（ｂ）に示す第１カソード５４Ｈでは、図８（ａ）と同様、第１サーマルシールド７６の第１先端部７６ａが径方向内側に延在する。図８（ｂ）では、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）が第１先端部７６ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出しており、第１先端部７６ａは、第１カソードキャップ７２に向かって径方向内側に延在している。図８（ｂ）の第１先端開口７６ｃは、径方向の幅がアークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるテーパー形状を有する。さらなる変形例において、図８（ｂ）の第１先端開口７６ｃは、径方向の幅が一定となるよう構成されてもよいし、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有してもよい。図８（ｂ）において、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きい。

　図９（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード５４Ｉ，５４Ｊの構成を模式的に示す断面図である。図９（ａ）に示す第１カソード５４Ｉでは、第１サーマルシールド７６の第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅのみがテーパー形状となっており、外面７６ｈはテーパー形状となっていない。図９（ａ）では、第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅは円錐台面であり、第１テーパー部７６ｇの外面７６ｈは円筒面である。図９（ａ）において、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きい。さらなる変形例では、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じであってもよいし、それより小さくてもよい。

　図９（ｂ）に示す第１カソード５４Ｊにおいて、第１サーマルシールド７６の第１延在部７６ｄは、第１円筒部７６ｆを有するが、第１テーパー部７６ｇを有しない。図９（ｂ）では、第１円筒部７６ｆが第１カソード５４と径方向に間隙をおいて隣り合っており、第１円筒部７６ｆの先端に第１先端部７６ａが設けられる。第１先端部７６ａは、第１円筒部７６ｆから径方向内側に延在している。図９（ｂ）の第１先端開口７６ｃは、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有する。さらなる変形例において、図９（ｂ）の第１先端開口７６ｃは、径方向の幅が一定となるよう構成されてもよいし、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が小さくなる逆テーパー形状を有してもよい。図９（ｂ）において、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも小さい。さらなる変形例では、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じであってもよいし、それより大きくてもよい。

　図９（ａ），（ｂ）において、第１先端部７６ａは、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）よりもアークチャンバの内部に向けて突出している。さらなる変形例において、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）は、第１先端部７６ａと軸方向の位置が同じであってもよいし、第１先端部７６ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出してもよい。

　図１０（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード５４Ｋ，５４Ｌの構成を模式的に示す断面図である。図１０（ａ），（ｂ）に示す第１カソード５４Ｋ，５４Ｌでは、第１テーパー部７６ｇがドーム状に構成されている。具体的には、第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅおよび外面７６ｈがアークチャンバの内部側に向けて凸となる曲面で構成される。第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅおよび外面７６ｈは、例えば、球面、楕円球面または回転放物面の一部となるように構成される。

　図１０（ａ）に示す第１カソード５４Ｋでは、第１先端部７６ａは、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）よりもアークチャンバの内部に向けて突出している。図１０（ａ）において、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じである。さらなる変形例として、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）より大きくてもよいし、小さくてもよい。

　図１０（ｂ）に示す第１カソード５４Ｌにおいて、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）は、第１先端部７６ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出している。第１先端部７６ａは、第１カソードキャップ７２に向かって軸方向に対して斜めに延在している。図１０（ｂ）において、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きい。

　なお、図３～図１０（ｂ）に示される第１カソードキャップ７２と第１サーマルシールド７６の配置に関する特徴、および、図３～図１０（ｂ）に示される第１サーマルシールド７６の形状に関する特徴は、適宜組み合わせて用いることができる。また、図３～図１０（ｂ）に示される第１カソードキャップ７２は、円錐台形状ではなく、多角錐台形状であってもよい。図３～図１０（ｂ）に示される第１カソードキャップ７２は、図３の中心軸Ｃに対して非回転対称となる形状を有してもよい。図３、図５（ａ）～図９（ａ）に示される第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅで構成される空間の形状は、角錐台形状であってもよい。図９（ｂ）に示される第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅで構成される空間の形状は、多角柱形状であってもよい。図３～図１０（ｂ）示される第１テーパー部７６ｇの内面７６ｅで構成される空間の形状は、図３の中心軸Ｃに対して非回転対称となる形状を有してもよい。

　図１１（ａ）～（ｏ）は、変形例に係る第１カソードキャップ７２の形状を模式的に示す断面図である。図１１（ａ）～（ｏ）は、図３～図１０に示した円錐台形状とは異なる形状の第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ａ）～（ｏ）に示される第１カソードキャップ７２は、図３～図１０に示される円錐台形状の第１カソードキャップ７２と置き換えて用いることができる。つまり、図１１（ａ）～（ｏ）に示される第１カソードキャップ７２は、図３～図１０に示される第１サーマルシールド７６と組み合わせて用いることができる。

　図１１（ａ）は、円柱形状（または多角柱形状）の第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ａ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面７２ｄと、径方向に露出する円筒面（または多角筒面）で構成される側面７２ｅとを有する。図１１（ａ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の幅が一定であり、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａおよび先端幅ｗｂはともに、先端面７２ｄの径方向の幅（側面７２ｅの直径）に対応する。

　図１１（ｂ）は、円錐形状（または多角錐形状）の第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｂ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出する円錐面（または多角錐面）によって構成される。したがって、図１１（ｂ）の第１カソードキャップ７２は、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面を有しない。図１１（ｂ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは円錐形状（または多角錐形状）の底面の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

　図１１（ｃ）は、ドーム形状の第１カソードキャップ７２を示す。第１カソードキャップ７２は、例えば、球体または楕円球体を半分に切断した形状を有する。図１１（ｃ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出する曲面（例えば、球面、楕円球面または回転放物面の一部）によって構成され、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面を有しない。図１１（ｃ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａはドーム形状の径方向の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

　図１１（ｄ）は、円柱と円錐台（または多角柱と多角錐台）を同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｄ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面７２ｄと、円錐台面（または多角錐台面）で構成される第１側面７２ｅ１と、円筒面（または多角筒面）で構成される第２側面７２ｅ２とを有する。図１１（ｄ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは円柱（または多角柱）の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂは先端面７２ｄの径方向の幅に対応する。

　図１１（ｅ）は、円柱と円錐（または多角柱と多角錐）を同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｅ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出する円錐面（または多角錐面）で構成される先端面７２ｄと、円筒面（または多角筒面）で構成される側面７２ｅとを有する。図１１（ｅ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは円柱（または多角柱）の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

　図１１（ｆ）は、円柱とドーム形状を同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｆ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出する曲面（例えば、球面、楕円球面または回転放物面の一部）で構成される先端面７２ｄと、円筒面で構成される側面７２ｅとを有する。図１１（ｆ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは円柱の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

　図１１（ｇ）は、直径の異なる二つの円柱（または多角柱）を同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｇ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面７２ｄと、直径の小さな円筒面（または多角筒面）で構成される第１側面７２ｅ１と、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出するリング状の平面で構成される中間端面７２ｆと、直径の大きな円筒面（または多角筒面）で構成される第２側面７２ｅ２とを有する。図１１（ｇ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは第２側面７２ｅ２の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂは先端面７２ｄの径方向の幅（第１側面７２ｅ１の直径）に対応する。

　図１１（ｈ）は、円柱（または多角柱）と、円柱よりも小さな直径の円錐（または多角柱よりも小さな直径の多角錐）を同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｈ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する円錐面（または多角錐面）で構成される先端面７２ｄと、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出するリング状の平面で構成される中間端面７２ｆと、円筒面（または多角筒面）で構成される側面７２ｅとを有する。図１１（ｈ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは側面７２ｅの直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

　図１１（ｉ）は、円柱（または多角柱）と、円柱（または多角柱）よりも小さな直径のドーム形状とを同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｉ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出する曲面（例えば、球面、楕円球面または回転放物面の一部）で構成される先端面７２ｄと、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出するリング状の平面で構成される中間端面７２ｆと、円筒面（または多角筒面）で構成される側面７２ｅとを有する。図１１（ｉ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは側面７２ｅの直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

　図１１（ｊ）は、直径の異なる二つの円柱（または二つの多角柱）と、一つの円錐台（または一つの多角錐台）とを同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示し、一つの円錐台（または一つの多角錐台）が二つの円柱（または二つの多角柱）の間を接続している。図１１（ｊ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面７２ｄと、直径の小さな円筒面（または多角筒面）で構成される第１側面７２ｅ１と、円錐台面（または多角錐台面）で構成される第２側面７２ｅ２と、直径の大きな円筒面（または多角筒面）で構成される第３側面７２ｅ３とを有する。図１１（ｊ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは第３側面７２ｅ３の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂは先端面７２ｄの径方向の幅（第１側面７２ｅ１の直径）に対応する。

　図１１（ｋ）は、円柱（または多角柱）と、円錐台（または多角錐台）と、円錐（または多角錐）とを同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示し、円錐台（または多角錐台）が円柱（または多角柱）と円錐（または多角錐）の間を接続している。図１１（ｋ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出する円錐面（または多角錐面）で構成される先端面７２ｄと、先端面７２ｄとは異なる傾斜角を有する円錐台面（または多角錐台面）で構成される第１側面７２ｅ１と、円筒面（または多角筒面）で構成される第２側面７２ｅ２とを有する。図１１（ｋ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは第２側面７２ｅ２の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

　図１１（ｌ）は、円柱と、円錐台と、ドーム形状とを同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示し、円錐台が円柱とドーム形状の間を接続している。図１１（ｌ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出する曲面（例えば、球面、楕円球面または回転放物面の一部）で構成される先端面７２ｄと、円錐台面で構成される第１側面７２ｅ１と、円筒面で構成される第２側面７２ｅ２とを有する。図１１（ｌ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは第２側面７２ｅ２の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

　図１１（ｍ）は、円柱の先端の縁が面取りされた形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｍ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面７２ｄと、軸方向に対して斜めに突出する曲面で構成される第１側面７２ｅ１と、円筒面で構成される第２側面７２ｅ２とを有する。図１１（ｌ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは第２側面７２ｅ２の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂは先端面７２ｄの径方向の幅に対応する。

　図１１（ｎ）は、ドーム形状の先端を切断した形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｎ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面７２ｄと、径方向外側およびアークチャンバの内部側に向けて凸となる曲面で構成される側面７２ｅとを有する。図１１（ｎ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａはドーム形状の径方向の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂは先端面７２ｄの径方向の幅に対応する。

　図１１（ｏ）は、円錐台とドーム形状を同軸上に重ねた形状を有する第１カソードキャップ７２を示す。図１１（ｏ）に示す第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出する曲面（例えば、球面、楕円球面または回転放物面の一部）で構成される先端面７２ｄと、円錐台面で構成される側面７２ｅとを有する。図１１（ｏ）において、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａは円錐台（側面７２ｅ）の直径に対応し、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅は０である。

（第２の実施の形態）
　図１２は、第２の実施の形態に係る第１カソード１５４の構成を詳細に示す断面図である。第２の実施の形態に係る第１カソード１５４は、第２サーマルシールド７８をさらに含む点で、第１の実施の形態と相違する。以下、第２の実施の形態について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　第１カソード１５４は、第１加熱源７０と、第１カソードキャップ７２と、第１サーマルブレイク７４と、第１サーマルシールド７６と、第２サーマルシールド７８とを含む。第１加熱源７０、第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド７６は、第１の実施の形態と同様に構成される。

　第２サーマルシールド７８は、第１サーマルシールド７６の径方向外側において軸方向に筒状に延在する。第２サーマルシールド７８は、高温状態となる第１サーマルシールド７６からの熱輻射を反射し、第１サーマルシールド７６からの熱逃げを抑制することにより、第１サーマルシールド７６の温度上昇を促進する。第２サーマルシールド７８は、第１サーマルシールド７６の温度上昇を促進することにより、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４の温度上昇を促進する。第２の実施の形態において、第２サーマルシールド７８の電位は、第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド７６の電位と同じである。

　第２サーマルシールド７８は、軸方向に対して回転対称な形状を有し、例えば、中心軸Ｃと同軸となるように配置される。第２サーマルシールド７８は、アークチャンバ５０の内部に向けて矢印Ａ１の方向に突出する第２先端部７８ａと、アークチャンバ５０の外部に向けて矢印Ａ２の方向に突出する第２末端部７８ｂとを有する。

　図１２に示される第２先端部７８ａは、第１サーマルシールド７６の第１先端部７６ａよりもアークチャンバ５０の内部に向けて突出している。つまり、第２先端部７８ａの軸方向の位置は、第１先端部７６ａの軸方向の位置よりもアークチャンバ５０の内部側にある。第２末端部７８ｂは、第１カソード支持部材６４に取り付けられる。変形例において、第２末端部７８ｂは、第１サーマルシールド７６または第１サーマルブレイク７４に取り付けられてもよい。

　第２サーマルシールド７８は、第２先端部７８ａにおいて軸方向に開口する第２先端開口７８ｃを有する。第２先端開口７８ｃは、第１カソードキャップ７２から内部空間Ｓに向けて供給される熱電子を通過させる。第２先端開口７８ｃにおける径方向の第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１よりも大きい。図１２に示される第２先端開口７８ｃの第２開口幅ｗ２は、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａより大きい。第２先端開口７８ｃにおける径方向の第２開口幅ｗ２は、第１サーマルシールド７６の第１延在部７６ｄの外面７６ｈの径方向の最大幅ｗ１ａよりも小さい。

　第２サーマルシールド７８は、第２末端部７８ｂから第２先端部７８ａに向けて軸方向に筒状に延在する第２延在部７８ｄを有する。第２延在部７８ｄは、第１サーマルシールド７６の第１延在部７６ｄと径方向に間隙をおいて隣り合う。第２延在部７８ｄは、第２円筒部７８ｆと、第２テーパー部７８ｇとを有する。

　第２円筒部７８ｆは、第２延在部７８ｄの内面７８ｅの径方向の幅が一定となる部分であり、第１サーマルシールド７６の第１円筒部７６ｆと径方向に間隙をおいて隣り合うように配置される。第２円筒部７８ｆは、少なくとも内面７８ｅが円筒形状となるよう構成される。第２円筒部７８ｆは、例えば、第２延在部７８ｄの内面７８ｅから第１延在部７６ｄの外面７６ｈまでの間隔ｄ３が一定となるように構成される。図１２に示される第２円筒部７８ｆの軸方向の長さは、第１円筒部７６ｆの軸方向の長さと同じである。変形例において、第２円筒部７８ｆの軸方向の長さは、第１円筒部７６ｆの軸方向の長さより大きくてもよいし、小さくてもよい。

　第２テーパー部７８ｇは、第２延在部７８ｄの内面７８ｅの径方向の幅が軸方向に変化する部分であり、第２延在部７８ｄの内面７８ｅの径方向の幅がアークチャンバ５０の内部に向かうにつれて小さくなる部分である。第２テーパー部７８ｇは、第１サーマルシールド７６の第１テーパー部７６ｇと径方向に間隙をおいて隣り合うように配置され、第１テーパー部７６ｇに沿って配置される。第２テーパー部７８ｇは、少なくとも内面７８ｅが円錐形状となるよう構成される。図１２に示される第２テーパー部７８ｇは、第２延在部７８ｄの内面７８ｅから第１延在部７６ｄの外面７６ｈまでの間隔ｄ４が一定となるように構成される。なお、変形例において、間隔ｄ４が軸方向の位置に応じて変化してもよく、アークチャンバ５０の内部に向かうにつれて間隔ｄ４が小さくなるように構成されてもよいし、アークチャンバ５０の内部に向かうにつれて間隔ｄ４が大きくなるように構成されてもよい。図１２に示される第２テーパー部７８ｇの軸方向の長さは、第１テーパー部７６ｇの軸方向の長さよりも大きい。変形例において、第２テーパー部７８ｇの軸方向の長さは、第１テーパー部７６ｇの軸方向の長さと同じでもよいし、それよりも小さくてもよい。

　第２の実施の形態では、上述の特徴（１）および（２）を組み合わせて採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンが生成されるようにする。具体的には、複数のサーマルシールド７６，７８を組み合わせて用いることで、一つのサーマルシールド７６を用いる場合に比べて第１カソードキャップ７２の温度上昇を促進できる。さらに、第１サーマルシールド７６を利用して、第１カソードキャップ７２からアークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けて熱電子が放出される範囲を狭くすることにより、より狭い範囲により高密度のプラズマを生成できる。

（第２の実施の形態に係る変形例）
　以下、図１３（ａ）～図１６（ｂ）を参照して、第２の実施の形態に係る第１カソード１５４の変形例を示す。以下では、第１カソードキャップ７２、第１サーマルシールド７６および第２サーマルシールド７８の構造を示しながら、上述の実施の形態にて説明した内容との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　図１３（ａ）～（ｃ）は、変形例に係る第１カソード１５４Ａ，１５４Ｂ，１５４Ｃの構成を模式的に示す断面図である。図１３（ａ）に示す第１カソード１５４Ａでは、第１先端部７６ａおよび第２先端部７８ａの軸方向の位置が同じであり、第１先端部７６ａおよび第２先端部７８ａは、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）よりもアークチャンバの内部に向けて突出している。図１３（ｂ）に示す第１カソード１５４Ｂでは、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）、第１先端部７６ａおよび第２先端部７８ａの軸方向の位置が同じである。図１３（ｃ）に示す第１カソード１５４Ｃでは、第１先端部７６ａおよび第２先端部７８ａの軸方向の位置が同じであり、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）が第１先端部７６ａおよび第２先端部７８ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出している。

　図１４（ａ）～（ｃ）は、変形例に係る第１カソード１５４Ｄ，１５４Ｅ，１５４Ｆの構成を模式的に示す断面図である。図１４（ａ）に示す第１カソード１５４Ｄでは、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）と第１先端部７６ａの軸方向の位置が同じであり、第２先端部７８ａは、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）および第１先端部７６ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出している。図１４（ｂ）に示す第１カソード１５４Ｅでは、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）および第２先端部７８ａの軸方向の位置が同じであり、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）および第２先端部７８ａは、第１先端部７６ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出している。図１４（ｃ）に示す第１カソード１５４Ｆでは、第１先端部７６ａよりも第２先端部７８ａがアークチャンバの内部に向けて突出しており、第２先端部７８ａよりも第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）がアークチャンバの内部に向けて突出している。

　図１５（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード１５４Ｇ，１５４Ｈの構成を模式的に示す断面図である。図１５（ａ），（ｂ）に示す第１カソード１５４Ｇ，１５４Ｈでは、第２サーマルシールド７８の第２先端部７８ａが径方向内側に延在するよう構成される。また、第２先端開口７８ｃは、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有する。

　図１５（ａ）において、第２先端開口７８ｃにおける径方向の第２開口幅ｗ２は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの最大幅ｗａよりも小さく、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１および第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きくなるよう構成される。なお、さらなる変形例において、第２先端開口７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１と同じであってもよい。つまり、第２先端開口７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１以上であってもよい。

　図１５（ｂ）では、第２先端開口７８ｃにおける径方向の第２開口幅ｗ２は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの最大幅ｗａおよび第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１よりも小さく、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きくなるよう構成される。この場合、第２先端開口７８ｃも第１先端開口７６ｃと同様に、熱電子放出面７２ａから放出される熱電子の通過範囲を狭めるように構成される。さらなる変形例において、第２先端開口７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じであってもよく、それより小さくてもよい。

　図１５（ａ），（ｂ）では、径方向内側に延在する第２先端部７８ａによって第２先端開口７８ｃの第２開口幅ｗ２を調整している。さらなる変形例では、第２先端部７８ａが径方向内側に延在しない構成、つまり、図１２～図１４（ｃ）に示されるような構成において、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの最大幅ｗａ、先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）、第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１のいずれかと同じ、または、いずれかよりも小さな第２開口幅ｗ２が設定されてもよい。

　図１６（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード１５４Ｉ，１５４Ｊの構成を模式的に示す断面図である。図１６（ａ），（ｂ）に示す第１カソード１５４Ｉ，１５４Ｊにおいて、第２サーマルシールド７８の第２延在部７８ｄは、第２円筒部７８ｆを有するが、第２テーパー部７８ｇを有しない。図１６（ａ），（ｂ）では、第２円筒部７８ｆが第１テーパー部７６ｇと径方向に間隙をおいて隣り合っており、第２円筒部７８ｆの先端に第２先端部７８ａが設けられる。

　図１６（ａ）において、第２先端部７８ａは、第２円筒部７８ｆから径方向内側に延在している。また、第２先端開口７８ｃは、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有する。図１６（ａ）において、第２先端開口７８ｃにおける径方向の第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１よりも小さく、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きい。この場合、第２先端開口７８ｃも第１先端開口７６ｃと同様に、熱電子放出面７２ａから放出される熱電子の通過範囲を狭めるように構成される。さらなる変形例において、第２先端開口７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じであってもよく、それより小さくてもよい。なお、第２先端開口７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１と同じであってもよいし、それより大きくてもよい。この場合、第２先端開口７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１サーマルシールド７６の第１延在部７６ｄの径方向の最大幅ｗ１ａより小さくてもよいし、それと同じであってもよいし、それよりも大きくてもよい。

　図１６（ｂ）において、第２先端部７８ａは、第２円筒部７８ｆから径方向内側に延在していない。したがって、図１６（ｂ）では、第２先端開口７８ｃにおける径方向の第２開口幅ｗ２は、第２延在部７８ｄの内面７８ｅの径方向の幅に対応し、第１延在部７６ｄの径方向の最大幅ｗ１ａよりも大きい。

　第２の実施の形態のさらなる変形例では、第２サーマルシールド７８の形状として、図９（ａ），図１０（ａ），（ｂ）に示される第１サーマルシールド７６と同様の形状を採用してもよい。また、第１カソードキャップ７２の形状として、図１１（ａ）～（ｏ）に示される第１カソードキャップ７２を採用してもよい。さらに、第２の実施の形態においても、図３～図１０（ｂ）に示される第１カソードキャップ７２と第１サーマルシールド７６の配置に関する特徴、および、図３～図１０（ｂ）に示される第１サーマルシールド７６の形状に関する特徴は、適宜組み合わせて用いることができる。

（第３の実施の形態）
　図１７は、第３の実施の形態に係る第１カソード２５４の構成を詳細に示す断面図である。第３の実施の形態に係る第１カソード２５４は、第１サーマルシールド２７６がアークチャンバ５０に取り付けられている点で、第１の実施の形態と相違する。以下、第３の実施の形態について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　第１カソード２５４は、第１加熱源７０と、第１カソードキャップ７２と、第１サーマルブレイク７４と、第１サーマルシールド２７６とを含む。第１加熱源７０、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４は、第１の実施の形態と同様に構成される。

　第１サーマルシールド２７６は、第１カソードキャップ７２の径方向外側に設けられる。第１サーマルシールド２７６は、アークチャンバ５０の内部に向けて矢印Ａ１の方向に突出する第１先端部２７６ａと、アークチャンバ５０の外部に向けて矢印Ａ２の方向に突出する第１末端部２７６ｂとを有する。第１先端部２７６ａは、第１カソードキャップ７２よりもアークチャンバ５０の内部に向けて突出している。つまり、第１先端部２７６ａの軸方向の位置は、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）の軸方向の位置よりもアークチャンバ５０の内部側にある。第１末端部２７６ｂは、アークチャンバ５０に取り付けられ、例えば、アークチャンバ５０の第１端壁５０ｃに取り付けられる。第１サーマルシールド２７６は、第１端壁５０ｃと一体となるように構成されてもよく、第１端壁５０ｃからアークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に延在するよう構成されてもよい。

　第１サーマルシールド２７６は、第１先端部２７６ａにおいて軸方向に開口する第１先端開口２７６ｃを有する。第１先端開口２７６ｃは、第１カソードキャップ７２から内部空間Ｓに向けて供給される熱電子を通過させる。第１先端開口２７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、第１カソードキャップ７２の径方向の最大幅（フランジ７２ｃの位置での径方向の幅）よりも小さく、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａよりも小さい。第１先端開口２７６ｃの第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きい。

　第１サーマルシールド２７６は、第１末端部２７６ｂから第１先端部２７６ａに向けて軸方向に筒状に延在する第１延在部２７６ｄを有する。第１延在部２７６ｄは、第１カソードキャップ７２と径方向に間隙をおいて隣り合う。第１延在部２７６ｄは、第１延在部２７６ｄの内面２７６ｅの径方向の幅がアークチャンバ５０の内部に向かうにつれて小さくなる第１テーパー部２７６ｇを有する。第１延在部２７６ｄは、その全体が第１テーパー部２７６ｇとなるように構成される。第１テーパー部２７６ｇは、第１カソードキャップ７２と径方向に間隙をおいて隣り合うように配置され、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａ（側面７２ｅ）に沿って配置される。第１テーパー部２７６ｇは、少なくとも内面２７６ｅが円錐台形状となるよう構成される。第１テーパー部２７６ｇは、例えば、第１延在部２７６ｄの内面２７６ｅから第１カソードキャップ７２までの間隔ｄ２が一定となるように構成される。例えば、第１テーパー部２７６ｇの内面２７６ｅの径方向に対する傾斜角θ２は、第１カソードキャップ７２の側面７２ｅの径方向に対する傾斜角θ１と同じである。第１テーパー部２７６ｇは、外面２７６ｈが円錐台形状となるよう構成されてもよい。

　第３の実施の形態において、第１サーマルシールド２７６の電位は、アークチャンバ５０の電位と同じである。アークチャンバ５０と第１カソードキャップ７２の間には第１アーク電源５８ｃによるアーク電圧が印加されている。そのため、第１サーマルシールド２７６の電位は、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４の電位とは異なり、第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４よりもアーク電圧の分だけ高い。第１カソードキャップ７２および第１サーマルブレイク７４に対する第１サーマルシールド２７６の電位（つまり、アーク電圧）は、例えば、＋３０Ｖ～＋１５０Ｖである。

　第３の実施の形態では、上述の特徴（３）を採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンが生成されるようにする。具体的には、第１サーマルシールド２７６に熱電子を引き出すための電圧（ここでは、アーク電圧に等しい）を印加することにより、第１カソードキャップ７２からアークチャンバ５０の内部に向けて熱電子をより効率的に引き出すことができる。その結果、第１サーマルシールド２７６および第１カソードキャップ７２の電位が同じとなる場合に比べて、アークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けてより多くの熱電子を供給することができ、低アーク条件であっても、より高密度のプラズマを生成できる。

　第３の実施の形態によれば、第１サーマルシールド２７６の第１先端部２７６ａを第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）よりもアークチャンバ５０の内部に向けて突出させることにより、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）から放出される熱電子をより効率的に引き出すことができる。これにより、第１先端部２７６ａよりも第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）がアークチャンバ５０の内部に向けて突出する構成に比べて、アークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けてより多くの熱電子を供給できる。

　第３の実施の形態において、上述の特徴（１）をさらに組み合わせて採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンを生成することができる。具体的には、第１サーマルシールド２７６の第１先端部２７６ａにおける径方向の第１開口幅ｗ１を熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａよりも小さくすることで、アークチャンバ５０の内部空間Ｓのより狭い範囲により多くの熱電子を供給し、より高密度のプラズマを生成できる。

（第３の実施の形態に係る変形例）
　第３の実施の形態においても、第１の実施の形態に係る変形例における第１サーマルシールド７６と同様の構造を採用できる。第１サーマルシールド２７６は、第１サーマルシールド２７６の内面２７６ｅから第１カソードキャップ７２までの間隔ｄ２が軸方向の位置に応じて変化してもよい。第１サーマルシールド２７６の内面２７６ｅから第１カソードキャップ７２までの間隔ｄ２は、図６（ａ）のようにアークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるように構成されてもよい。第１サーマルシールド２７６の内面２７６ｅから第１カソードキャップ７２までの間隔ｄ２は、図６（ｂ）のようにアークチャンバの内部に向かうにつれて大きくなるよう構成されてもよい。

　第１サーマルシールド２７６は、図７（ａ）と同様、第１先端部２７６ａにおける径方向の第１開口幅ｗ１が熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じとなるように構成されてもよい。第１サーマルシールド２７６は、図７（ｂ）と同様、第１先端部２７６ａにおける径方向の第１開口幅ｗ１が熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）より小さくなるよう構成されてもよい。

　第１サーマルシールド２７６は、図８（ａ）と同様、第１先端部２７６ａが径方向内側に延在するように構成されてもよい。この場合、第１先端開口２７６ｃは、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有してもよい。第１先端開口２７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）より小さくてもよいし、それと同じであってもよいし、それより大きくてもよい。

　第１サーマルシールド２７６は、図９（ａ）と同様、第１テーパー部２７６ｇの内面２７６ｅのみがテーパー形状となり、第１テーパー部２７６ｇの外面がテーパー形状とならないように構成されてもよい。第１サーマルシールド２７６は、図９（ｂ）と同様、第１延在部２７６ｄが第１円筒部のみを含み、第１テーパー部２７６ｇを含まないように構成されてもよい。この場合、第１先端部２７６ａは、径方向内側に延在するように構成されてもよい。第１先端開口２７６ｃは、アークチャンバの内部に向かうにつれて径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有してもよい。

　第１サーマルシールド２７６は、図１０（ａ）と同様、第１テーパー部２７６ｇがドーム状に構成されてもよい。つまり、第１テーパー部２７６ｇの内面２７６ｅおよび外面２７６ｈは、径方向外側およびアークチャンバの内部側に向けて凸となる曲面で構成されてもよい。第１テーパー部２７６ｇの内面２７６ｅおよび外面２７６ｈは、球面、楕円球面または回転放物面の一部となるように構成されてもよい。

　図１８（ａ），（ｂ）は、変形例に係る第１カソード２５４Ａ，２５４Ｂの構成を模式的に示す断面図である。図１８（ａ）に示す第１カソード２５４Ａにおいて、第１サーマルシールド２７６の第１延在部２７６ｄは、第１円筒部２７６ｆおよび第１テーパー部２７６ｇを有する。第１円筒部２７６ｆは、第１延在部２７６ｄの内面２７６ｅの径方向の幅が一定となる部分である。第１円筒部２７６ｆは、第１テーパー部２７６ｇよりもアークチャンバの外部側に設けられる。第１末端部２７６ｂは、第１円筒部２７６ｆの末端に設けられる。第１テーパー部２７６ｇは、第１円筒部２７６ｆよりもアークチャンバの内部側に設けられる。第１先端部２７６ａは、第１テーパー部２７６ｇの先端に設けられる。

　図１８（ａ）において、第１先端開口２７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａよりも小さく、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）よりも大きい。なお、第１先端開口２７６ｃの第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａと同じであってもよいし、それより大きくてもよい。第１先端開口２７６ｃの第１開口幅ｗ１は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）と同じであってもよいし、それより小さくてもよい。

　図１８（ｂ）に示す第１カソード２５４Ｂにおいて、第１サーマルシールド２７６の第１延在部２７６ｄは、第１円筒部２７６ｆを有するが、第１テーパー部（例えば、図１８（ａ）の２７６ｇ）を有しない。第１延在部２７６ｄは、第１延在部２７６ｄの内面２７６ｅの径方向の幅が一定となるように構成される。第１先端部２７６ａは、第１円筒部２７６ｆの先端に設けられる。第１末端部２７６ｂは、第１円筒部２７６ｆの末端に設けられる。図１８（ｂ）において、第１先端開口２７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１は、第１カソードキャップ７２の熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａよりも大きい。

　第３の実施の形態のさらなる変形例では、第１カソードキャップ７２の形状として、図１１（ａ）～（ｏ）に示される第１カソードキャップ７２の形状を採用してもよい。

　第３の実施の形態のさらなる変形例では、第１サーマルシールド２７６の電位は、アークチャンバ５０の電位と異なってもよい。この場合、第１サーマルシールド２７６とアークチャンバ５０の間に設けられる電気絶縁部材を介して、第１サーマルシールド２７６が第１端壁５０ｃに取り付けられてもよい。第１サーマルシールド２７６の電位は、アークチャンバ５０の電位よりも低くてもよい。例えば、第１カソードキャップ７２に対するアークチャンバ５０の電位が＋３０Ｖ～＋１５０Ｖである一方、第１カソードキャップ７２に対する第１サーマルシールド２７６の電位が＋５Ｖ～＋１００Ｖであってもよい。

（第４の実施の形態）
　図１９は、第４の実施の形態に係る第１カソード３５４の構成を詳細に示す断面図である。第４の実施の形態に係る第１カソード３５４は、アークチャンバ５０に取り付けられる第２サーマルシールド３７８を含む点で、第１の実施の形態および第２の実施の形態と相違する。以下、第４の実施の形態について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　第１カソード３５４は、第１加熱源７０と、第１カソードキャップ７２と、第１サーマルブレイク７４と、第１サーマルシールド７６と、第２サーマルシールド３７８とを含む。第１加熱源７０、第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド７６は、第１の実施の形態と同様に構成される。

　第２サーマルシールド３７８は、第１サーマルシールド７６の径方向外側において軸方向に筒状に延在する。第２サーマルシールド３７８は、軸方向に対して回転対称な形状を有し、例えば、図４に示す中心軸Ｃと同軸となるように配置される。第２サーマルシールド３７８は、高温状態となる第１サーマルシールド７６からの熱輻射を反射し、第１サーマルシールド７６からの熱逃げを抑制することにより、第１サーマルシールド７６の温度上昇を促進する。第２サーマルシールド３７８は、第１サーマルシールド７６の温度上昇を促進することにより、第１サーマルブレイク７４および第１カソードキャップ７２の温度上昇を促進する。

　第４の実施の形態において、第２サーマルシールド３７８の電位は、アークチャンバ５０の電位と同じであり、第１サーマルシールド７６の電位は、第１カソードキャップ７２の電位と同じである。アークチャンバ５０と第１カソードキャップ７２の間には第１アーク電源５８ｃによるアーク電圧が印加されている。そのため、第２サーマルシールド３７８の電位は、第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド７６の電位とは異なり、第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド７６よりもアーク電圧の分だけ高い。第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド７６に対する第２サーマルシールド３７８の電位（つまり、アーク電圧）は、例えば、＋３０Ｖ～＋１５０Ｖである。

　第２サーマルシールド３７８は、アークチャンバ５０の内部に向けて矢印Ａ１の方向に突出する第２先端部３７８ａと、アークチャンバ５０の外部に向けて矢印Ａ２の方向に突出する第２末端部３７８ｂとを有する。第２先端部３７８ａは、第１カソードキャップ７２および第１サーマルシールド７６よりもアークチャンバ５０の内部に向けて突出している。つまり、第２先端部３７８ａの軸方向の位置は、第１カソードキャップ７２の先端（先端面７２ｄ）の軸方向の位置よりもアークチャンバ５０の内部側にあり、第１サーマルシールド７６の第１先端部７６ａの軸方向の位置よりもアークチャンバ５０の内部側にある。第２末端部３７８ｂは、アークチャンバ５０に取り付けられ、例えば、アークチャンバ５０の第１端壁５０ｃに取り付けられる。

　第２サーマルシールド３７８は、第２先端部３７８ａにおいて軸方向に開口する第２先端開口３７８ｃを有する。第２先端開口３７８ｃは、第１カソードキャップ７２から内部空間Ｓに向けて供給される熱電子を通過させる。第２先端開口３７８ｃにおける径方向の第２開口幅ｗ２は、第１サーマルシールド７６の外面７６ｈの径方向の最大幅ｗ１ａよりも小さい。図１９に示される第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１よりも大きく、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａより大きい。なお、第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１と同じであってもよい。つまり、第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１以上であってもよい。

　第２サーマルシールド３７８は、第２末端部３７８ｂから第２先端部３７８ａに向けて軸方向に筒状に延在する第２延在部３７８ｄを有する。第２延在部３７８ｄは、第１サーマルシールド７６の第１延在部７６ｄと径方向に間隙をおいて隣り合う。第２延在部３７８ｄは、第２延在部３７８ｄの内面３７８ｅの径方向の幅がアークチャンバ５０の内部に向かうにつれて小さくなる第２テーパー部３７８ｇを有する。第２延在部３７８ｄは、その全体が第２テーパー部３７８ｇとなるように構成される。第２テーパー部３７８ｇは、第１テーパー部７６ｇと径方向に間隙をおいて隣り合うように配置され、第１テーパー部７６ｇの外面７６ｈに沿って配置される。第２テーパー部３７８ｇは、少なくとも内面３７８ｅが円錐台形状となるよう構成される。第２テーパー部３７８ｇは、外面３７８ｈが円錐台形状となるよう構成されてもよい。第２テーパー部３７８ｇは、例えば、第２延在部３７８ｄの内面３７８ｅから第１延在部７６ｄの外面７６ｈまでの間隔ｄ４が一定となるように構成される。

　第４の実施の形態では、上述の特徴（１）～（３）を組み合わせて採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンが生成されるようにする。具体的には、第１サーマルシールド７６を利用して、第１カソードキャップ７２からアークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けて熱電子が放出される範囲を狭くすることにより、より狭い範囲により高密度のプラズマを生成できる。また、複数のサーマルシールド７６，３７８を用いることで、一つのサーマルシールド７６を用いる場合に比べて第１カソードキャップ７２の温度上昇を促進できる。さらに、第２サーマルシールド３７８に熱電子を引き出すための電圧（ここでは、アーク電圧に等しい）を印加することにより、第１カソードキャップ７２からアークチャンバ５０の内部に向けて熱電子をより効率的に引き出すことができる。

　第４の実施の形態によれば、第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２が第１先端開口７６ｃにおける径方向の第１開口幅ｗ１以上となるため、第１カソードキャップ７２からアークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けて熱電子が放出される範囲は、第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１によって制限される。その結果、第１サーマルシールド７６によって上述の特徴（１）を実現し、第２サーマルシールド３７８によって特徴（３）を実現することができる。二つの特徴（１），（３）のそれぞれを個別のサーマルシールド７６，３７８によって実現することで、それぞれの特徴（１），（３）に最適となるようにサーマルシールド７６，３７８の形状を決定できる。

（第４の実施の形態に係る変形例）
　図２０は、変形例に係る第１カソード３５４Ａの構成を詳細に示す断面図である。図２０に示す第１カソード３５４Ａにおいて、第２サーマルシールド３７８は、アークチャンバ５０の第１端壁５０ｃと一体となるように構成される。つまり、アークチャンバ５０の第１端壁５０ｃは、アークチャンバ５０の内部に軸方向に延在するよう構成される第２サーマルシールド３７８を有する。

　第２サーマルシールド３７８は、第１端壁５０ｃに接合される第２末端部３７８ｂを有する。第２サーマルシールド３７８は、第２末端部３７８ｂから第２先端部３７８ａに向けて軸方向に延在する第２延在部３７８ｄを有する。第２延在部３７８ｄは、第２延在部３７８ｄの内面３７８ｅおよび外面３７８ｈの径方向の幅が一定となるよう構成される第２円筒部３７８ｆを有する。第２延在部３７８ｄは、第２円筒部３７８ｆのみで構成され、第２テーパー部（例えば図１９の３７８ｇ）を有しない。第２先端部３７８ａは、第２延在部３７８ｄの先端から径方向内側に延在するよう構成される。第２先端開口３７８ｃは、アークチャンバ５０の内部に向かうにつれて径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有する。

　なお、図２０に示す第２延在部３７８ｄは、図１９に示すように第２テーパー部３７８ｇのみを有してもよい。図２０に示す第２延在部３７８ｄは、図１８（ａ）に示される第１サーマルシールド２７６と同様に、第２円筒部３７８ｆおよび第２テーパー部３７８ｇの双方を有してもよい。第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１サーマルシールド７６の外面７６ｈの径方向の最大幅ｗ１ａより大きくてもよいし、それと同じであってもよいし、それより小さくてもよい。第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１カソードキャップ７２の径方向の最大幅より大きくてもよいし、それと同じであってもよいし、それより小さくてもよい。第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２は、熱電子放出面７２ａの径方向の最大幅ｗａより大きくてもよいし、それと同じであってもよいし、それより小さくてもよい。第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２は、第１先端開口７６ｃの第１開口幅ｗ１より大きくてもよいし、それと同じであってもよいし、それより小さくてもよい。第２先端開口３７８ｃの第２開口幅ｗ２は、熱電子放出面７２ａの径方向の先端幅ｗｂ（先端面７２ｄの径方向の幅ｗｂ）より大きくてもよいし、それと同じであってもよいし、それより小さくてもよい。

　第４の実施の形態においても、上述の第１実施の形態に係る変形例を適用することができる。第４の実施の形態に係る第１カソードキャップ７２および第１サーマルシールド７６として、図３～図１０（ｂ）に示される構造を用いることができる。また、第４の実施の形態に係る第１カソードキャップ７２の形状として、図１１（ａ）～（ｏ）に示される形状を用いることができる。また、第４の実施の形態に係る第２サーマルシールド３７８として、図１２～図１６（ｂ）に示される第２サーマルシールド７８と同様の構造を用いてもよい。

（第５の実施の形態）
　図２１は、第５の実施の形態に係るイオン生成装置４１０の概略構成を示す断面図である。第５の実施の形態では、リペラー４５６がサーマルシールド８６（以下、第３サーマルシールド８６ともいう）を含む点で、上述の第１の実施の形態と相違する。以下、第５の実施の形態について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　イオン生成装置４１０は、アークチャンバ５０と、磁場生成器５２と、第１カソード５４と、リペラー４５６と、第１フィラメント電源５８ａと、第１カソード電源５８ｂと、第１アーク電源５８ｃと、引出電源５８ｄと、リペラー電源５８ｅとを備える。アークチャンバ５０、磁場生成器５２、第１カソード５４および各種電源５８ａ～５８ｅは、第１の実施の形態と同様に構成される。なお、リペラー電源５８ｅが設けられなくてもよく、リペラー４５６が浮遊電位となるように構成されてもよい。また、リペラー電源５８ｅが設けられない構成において、リペラー４５６にアーク電源５８ｃを接続することにより、リペラー４５６にアーク電圧を印加してもよい。

　リペラー４５６は、リペラーヘッド８０と、リペラー軸８２と、リペラー接続部８４と、第３サーマルシールド８６を含む。リペラーヘッド８０およびリペラー軸８２は、上述の第１の実施の形態と同様に構成される。

　リペラー接続部８４は、リペラーヘッド８０とリペラー軸８２の間に設けられ、径方向に延在する円板形状を有する。第３サーマルシールド８６は、リペラーヘッド８０の径方向外側に設けられ、リペラー接続部８４の外周からアークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に筒状に延在する。第３サーマルシールド８６は、高温状態となるリペラーヘッド８０からの熱輻射を反射し、リペラーヘッド８０からの熱逃げを抑制することにより、リペラーヘッド８０の温度上昇を促進する。リペラー接続部８４および第３サーマルシールド８６は、高融点材料で構成され、例えば、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属、それらの合金、またはグラファイトが用いられる。

　図２２は、第５の実施の形態に係るリペラー４５６の構成を詳細に示す断面図であり、図２１に示されるリペラー４５６の拡大図である。図２２において、第２端壁５０ｄを基準として、アークチャンバ５０の外部から内部に向けて軸方向に延びる方向を矢印Ａ３で示している。矢印Ａ３は、軸方向に沿ってアークチャンバ５０の内部側に向かう方向である。矢印Ａ４は、矢印Ａ３とは反対の方向であり、軸方向に沿ってアークチャンバ５０の外部側に向かう方向である。

　リペラーヘッド８０は、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に突出する中実部材であり、内部空間Ｓに露出するように配置される。リペラーヘッド８０は、軸方向に延びる中心軸Ｃに対して回転対称な形状を有し、例えば、円柱の上面および下面の縁が面取りされた形状を有する。リペラーヘッド８０は、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面８０ａと、アークチャンバ５０の外部に向けられる平面で構成される末端面８０ｂと、径方向外側に向けられる円筒面で構成される側面８０ｃとを有する。リペラー接続部８４は、軸方向に延びる中心軸Ｃに対して回転対称な形状を有し、リペラーヘッド８０およびリペラー軸８２と同軸となるように配置される。

　第３サーマルシールド８６は、アークチャンバ５０の内部に向けて矢印Ａ３の方向に突出する第３先端部８６ａを有する。第３サーマルシールド８６は、第３先端部８６ａにおいて軸方向に開口する第３先端開口８６ｃを有する。第３サーマルシールド８６は、リペラー接続部８４から第３先端部８６ａに向けて軸方向に筒状に延在する第３延在部８６ｄを有する。第３延在部８６ｄは、リペラーヘッド８０と径方向に間隙をおいて隣り合う。第３サーマルシールド８６は、軸方向に延びる中心軸Ｃに対して回転対称な形状を有する。第３サーマルシールド８６は、例えば、リペラーヘッド８０、リペラー軸８２およびリペラー接続部８４と同軸となるように配置されている。

　第３サーマルシールド８６の第３先端部８６ａの軸方向の位置は、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）の軸方向の位置と同じである。変形例において、第３サーマルシールド８６の第３先端部８６ａは、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）よりもアークチャンバの内部に向けて突出してもよい。別の変形例において、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）は、第３サーマルシールド８６の第３先端部８６ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出してもよい。

　第３延在部８６ｄは、第３円筒部８６ｆを有する。第３円筒部８６ｆは、第３延在部８６ｄの内面８６ｅの径方向の幅が一定となる部分である。第３円筒部８６ｆは、少なくとも内面８６ｅが円筒形状となるよう構成される。第３円筒部８６ｆは、例えば、第３延在部８６ｄの内面８６ｅからリペラーヘッド８０の側面８０ｃまでの間隔ｄ５が一定となるように構成される。図２２に示される第３延在部８６ｄは、第３円筒部８６ｆのみで構成され、テーパー部を有しないように構成される。なお、変形例において、第３サーマルシールド８６の第３延在部８６ｄは、第３テーパー部を有してもよい。第３テーパー部は、第３延在部８６ｄの内面８６ｅの径方向の幅が軸方向の位置に応じて変化するよう構成される。例えば、第３延在部８６ｄの内面８６ｅの径方向の幅は、アークチャンバの内部に向かうにつれて大きくなるように構成されてもよいし、逆に、アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるように構成されてもよい。つまり、第３延在部８６ｄの内面８６ｅからリペラーヘッド８０の側面８０ｃまでの間隔ｄ５は、アークチャンバの内部に向かうにつれて大きくなるように構成されてもよいし、逆に、アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるように構成されてもよい。

　第５の実施の形態では、上述の特徴（４）を採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンが生成されるようにする。リペラーヘッド８０は、プラズマ生成領域Ｐにて生成されるプラズマとの相互作用によって加熱され、高温状態となる。第３サーマルシールド８６は、高温状態となるリペラーヘッド８０からの熱輻射を反射し、リペラーヘッド８０からの熱逃げを抑制することにより、リペラーヘッド８０の温度上昇を促進する。高温状態に維持されるリペラーヘッド８０からは熱電子が放出されるため、この様な温度上昇の促進により、リペラーヘッド８０からアークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けてより多くの熱電子を供給できる。したがって、本実施の形態によれば、リペラーヘッド８０の周囲に第３サーマルシールド８６を設けることにより、プラズマ生成領域Ｐにおけるプラズマ生成効率を高めることができる。

　第５の実施の形態に係るリペラー４５６は、第１の実施の形態の変型例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよく、第２の実施の形態、第３の実施の形態もしくは第４の実施の形態、または、これらの変形例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

（第５の実施の形態に係る変形例）
　図２３は、変形例に係るリペラー４５６Ａの構成を詳細に示す断面図である。リペラー４５６Ａは、リペラーヘッド４８０と、リペラー軸８２と、リペラー接続部８４と、第３サーマルシールド８６を含む。本変形例では、上述の特徴（５）を採用し、リペラーヘッド４８０の周囲に設けられる第３サーマルシールド８６を利用して、リペラーヘッド４８０からアークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けて熱電子が放出される範囲を狭くする。本変形例について、上述した第５の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　リペラーヘッド４８０は、アークチャンバ５０の内部に向かうにつれて径方向の幅が小さくなるテーパー形状を有し、例えば、図２３の断面において左右対称な台形状を有する。リペラーヘッド４８０は、軸方向に延びる中心軸Ｃに対して回転対称な形状を有し、例えば、円錐台形状を有する。リペラーヘッド４８０は、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に露出する平面で構成される先端面４８０ａと、軸方向に対して斜めとなる方向に露出する側面４８０ｃとを有する。リペラーヘッド４８０の先端面４８０ａおよび側面４８０ｃは、アークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けて熱電子を放出する熱電子放出面である。リペラーヘッド４８０の先端面４８０ａの径方向の幅ｗｄは、リペラーヘッド４８０の径方向の最大幅ｗｃよりも小さい。

　第３サーマルシールド８６の第３延在部８６ｄは、内面８６ｅの径方向の幅がアークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるよう構成される第３テーパー部８６ｇを有する。第３テーパー部８６ｇは、リペラーヘッド４８０と径方向に間隙をおいて隣り合うように配置され、リペラーヘッド４８０の側面４８０ｃに沿って配置される。第３テーパー部８６ｇは、少なくとも内面８６ｅで構成される空間が円錐台形状となるよう構成される。第３テーパー部８６ｇは、例えば、内面８６ｅからリペラーヘッド４８０の側面４８０ｃまでの間隔ｄ５が一定となるように構成される。

　第３サーマルシールド８６の第３先端開口８６ｃにおける径方向の第３開口幅ｗ３は、リペラーヘッド４８０の径方向の最大幅ｗｃよりも小さく、リペラーヘッド４８０の径方向の先端幅ｗｄ（先端面４８０ａの径方向の幅ｗｄ）よりも大きい。したがって、第３サーマルシールド８６の少なくとも一部は、リペラーヘッド４８０と軸方向に重なるように配置される。より具体的には、第３サーマルシールド８６の第３先端開口８６ｃの縁の少なくとも一部は、リペラーヘッド４８０の熱電子放出面である側面４８０ｃと軸方向に重なる。

　なお、リペラーヘッド４８０および第３サーマルシールド８６の構造として、図３～図１０（ｂ）に示される第１カソードキャップ７２および第１サーマルシールド７６と同様の構造を用いることができる。より具体的には、第３サーマルシールド８６の第３延在部８６ｄの構造として、図３～図１０（ｂ）に示される第１延在部７６ｄ（または第１テーパー部７６ｇ）の構造を用いることができる。また、リペラーヘッド４８０の形状として、図１１（ａ）～（ｏ）に示される第１カソードキャップ７２の形状を用いることができる。

（第６の実施の形態）
　図２４は、第６の実施の形態に係るリペラー５５６の構成を詳細に示す断面図である。リペラー５５６は、追加のサーマルシールド８８（第４サーマルシールド８８ともいう）をさらに含む点で、図２２に示す第５の実施の形態と相違する。第６の実施の形態では、上述の特徴（６）を採用し、リペラーヘッド８０の周囲に複数のサーマルシールド８６，８８を設け、リペラーヘッド８０の温度上昇をさらに促進する。第６の実施の形態について、上述の第５の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　リペラー５５６は、リペラーヘッド８０と、リペラー軸８２と、リペラー接続部８４と、第３サーマルシールド８６と、第４サーマルシールド８８とを含む。リペラーヘッド８０、リペラー軸８２、リペラー接続部８４および第３サーマルシールド８６は、第５の実施の形態と同様に構成されるが、リペラー接続部８４の直径は、図２２に比べて大きい。

　第４サーマルシールド８８は、第３サーマルシールド８６の径方向外側に設けられ、リペラー接続部８４の外周から軸方向に筒状に延在する。第４サーマルシールド８８は、アークチャンバ５０の内部に向けて矢印Ａ３の方向に突出する第４先端部８８ａを有する。第４サーマルシールド８８は、第４先端部８８ａにおいて軸方向に開口する第４先端開口８８ｃを有する。第４サーマルシールド８８は、リペラー接続部８４から第４先端部８８ａに向けて軸方向に筒状に延在する第４延在部８８ｄを有する。第４延在部８８ｄは、第３延在部８６ｄと径方向に間隙をおいて隣り合う。第４サーマルシールド８８は、軸方向に延びる中心軸Ｃに対して回転対称な形状を有する。第４サーマルシールド８８は、例えば、リペラーヘッド８０、リペラー軸８２、リペラー接続部８４および第３サーマルシールド８６と同軸となるように配置されている。

　第４サーマルシールド８８の第４先端部８８ａは、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）および第３サーマルシールド８６の第３先端部８６ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出している。変形例において、第４サーマルシールド８８の第４先端部８８ａの軸方向の位置は、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）の軸方向の位置と同じであってもよいし、第３サーマルシールド８６の第３先端部８６ａの軸方向の位置と同じであってもよい。別の変形例において、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）および第３サーマルシールド８６の第３先端部８６ａの少なくとも一方は、第４サーマルシールド８８の第４先端部８８ａよりもアークチャンバの内部に向けて突出してもよい。

　第４延在部８８ｄは、第４円筒部８８ｆを有する。第４円筒部８８ｆは、第４延在部８８ｄの内面８８ｅの径方向の幅が一定となる部分である。第４円筒部８８ｆは、少なくとも内面８８ｅが円筒形状となるよう構成される。第４円筒部８８ｆは、例えば、第４延在部８８ｄの内面８８ｅから第３延在部８６ｄの外面８６ｈまでの間隔ｄ６が一定となるように構成される。図２４に示す第４延在部８８ｄは、第４円筒部８８ｆのみで構成され、テーパー部を有しないように構成される。なお、変形例において、第４サーマルシールド８８の第４延在部８８ｄは、第４テーパー部を有してもよい。第４テーパー部は、第４延在部８８ｄの内面８８ｅの径方向の幅が軸方向の位置に応じて変化するよう構成される。例えば、第４延在部８８ｄの内面４８８ｅの径方向の幅は、アークチャンバの内部に向かうにつれて大きくなるように構成されてもよいし、逆に、アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるように構成されてもよい。つまり、第４延在部８８ｄの内面８８ｅから第３延在部８６ｄの外面８６ｈまでの間隔ｄ６は、アークチャンバの内部に向かうにつれて大きくなるように構成されてもよいし、逆に、アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるように構成されてもよい。

　第４サーマルシールド８８は、高温状態となる第３サーマルシールド８６からの熱輻射を反射し、第３サーマルシールド８６からの熱逃げを抑制することにより、第３サーマルシールド８６の温度上昇を促進する。第４サーマルシールド８８は、第３サーマルシールド８６の温度上昇を促進することにより、結果として、リペラーヘッド８０の温度上昇を促進する。

　第６の実施の形態に係るリペラー５５６は、第１の実施の形態の変型例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよく、第２の実施の形態、第３の実施の形態もしくは第４の実施の形態、または、これらの変形例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

（第６の実施の形態に係る変形例）
　図２５は、変形例に係るリペラー５５６Ａの構成を詳細に示す断面図である。リペラー５５６Ａは、リペラーヘッド４８０と、リペラー軸８２と、リペラー接続部８４と、第３サーマルシールド８６と、第４サーマルシールド８８とを含む。本変形例では、図２３の変形例と同様に、リペラーヘッド４８０が円錐台形状を有し、第３サーマルシールド８６の第３延在部８６ｄが第３テーパー部８６ｇを有する。また、第４サーマルシールド８８の第４延在部８８ｄが第４テーパー部８８ｇを有する。

　本変形例では、上述の特徴（５）および（６）を組み合わせて採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンが生成されるようにする。具体的には、第３サーマルシールド８６および第４サーマルシールド８８を組み合わせることにより、リペラーヘッド４８０の温度上昇をさらに促進できる。さらに、第３サーマルシールド８６を利用して、リペラーヘッド４８０からアークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けて熱電子が放出される範囲を狭くすることにより、より狭い範囲により高密度のプラズマを生成できる。

　リペラー５５６Ａは、図１２に示される第１カソード１５４と同様の構造を備えてもよい。第３延在部８６ｄ（または第３テーパー部８６ｇ）は、図３～図１６（ｂ）に示される第１延在部７６ｄ（または第１テーパー部７６ｇ）と同様に構成されてもよい。第４延在部８８ｄ（第４テーパー部８８ｇ）は、図１２～図１６（ｂ）に示される第２延在部７８ｄ（または第２テーパー部７８ｇ）と同様に構成されてもよい。リペラーヘッド４８０は、図１１（ａ）～（ｏ）に示される第１カソードキャップ７２と同様の形状を有してもよい。

　図２５において、第４先端開口８８ｃにおける径方向の第４開口幅ｗ４は、第３先端開口８６ｃの第３開口幅ｗ３、リペラーヘッド４８０の最大幅ｗｃおよびリペラーヘッド４８０の先端幅ｗｄよりも大きい。さらなる変形例では、第４先端開口８８ｃにおける径方向の第４開口幅ｗ４は、第３先端開口８６ｃの第３開口幅ｗ３、リペラーヘッド４８０の最大幅ｗｃおよびリペラーヘッド４８０の先端幅ｗｄのいずれかと同じであってもよいし、これらのいずれかより小さくてもよい。

（第７の実施の形態）
　図２６は、第７の実施の形態に係るリペラー６５６の構成を詳細に示す断面図である。第７の実施の形態に係るリペラー６５６は、リペラーヘッド８０と、リペラー軸８２と、第３サーマルシールド２８６とを含む。第７の実施の形態では、第３サーマルシールド２８６がアークチャンバ５０に取り付けられている点で、第５の実施の形態と相違する。以下、第７の実施の形態について、第５の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　第３サーマルシールド２８６は、アークチャンバの内部に向けて矢印Ａ３の方向に突出する第３先端部２８６ａと、アークチャンバの外部に向けて矢印Ａ４の方向に突出する第３末端部２８６ｂとを有する。第３先端部２８６ａは、リペラーヘッド８０よりもアークチャンバ５０の内部に向けて突出している。つまり、第３先端部２８６ａの軸方向の位置は、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）の軸方向の位置よりもアークチャンバ５０の内部側にある。第３サーマルシールド２８６は、第３先端部２８６ａにおいて軸方向に開口する第３先端開口２８６ｃを有する。第３末端部２８６ｂは、アークチャンバ５０に取り付けられ、例えば、アークチャンバ５０の第２端壁５０ｄに取り付けられる。第３サーマルシールド２８６は、第２端壁５０ｄと一体となるように構成されてもよく、第２端壁５０ｄからアークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に延在するよう構成されてもよい。

　第３サーマルシールド２８６は、第３末端部２８６ｂから第３先端部２８６ａに向けて軸方向に筒状に延在する第３延在部２８６ｄを有する。第３延在部２８６ｄは、リペラーヘッド８０と径方向に間隙をおいて隣り合う。第３延在部２８６ｄは、第３延在部２８６ｄの内面２８６ｅの径方向の幅が一定となるように構成される第３円筒部２８６ｆを有する。図２６に示す第３延在部２８６ｄは、第３円筒部２８６ｆのみで構成され、テーパー部を有しないように構成される。なお、変形例において、第３サーマルシールド２８６の第３延在部２８６ｄは、第３テーパー部を有してもよい。

　第７の実施の形態では、上述の特徴（７）を採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンが生成されるようにする。具体的には、第３サーマルシールド２８６に熱電子を引き出すための電圧（ここでは、リペラー電圧に等しい）を印加することにより、リペラーヘッド８０からアークチャンバ５０の内部に向けて熱電子をより効率的に引き出すことができる。その結果、リペラーヘッド８０およびサーマルシールド２８６の電位が同じとなる場合に比べて、アークチャンバ５０の内部空間Ｓに向けてより多くの熱電子を供給することができ、低アーク条件であっても、より高密度のプラズマを生成できる。

　第７の実施の形態に係る第３サーマルシールド２８６は、図１８（ｂ）に示す第１サーマルシールド２７６と同様に構成される。変形例において、第３サーマルシールド２８６は、図１７または図１８（ａ）に示す第１サーマルシールド２７６と同様に構成されてもよい。より具体的には、第３サーマルシールド２８６の第３延在部２８６ｄの構造として、図１７～図１８（ｂ）に示される第１延在部２７６ｄの構造を用いることができる。第７の実施の形態に係る第３サーマルシールド２８６は、図３～図１０（ｂ）に示される第１サーマルシールド７６と同様の構造を有してもよい。また、リペラーヘッド８０の形状として、図１７～図１８（ｂ）に示される第１カソードキャップ７２と同様の円錐台形状を用いてもよいし、図１１（ａ）～（ｏ）に示される第１カソードキャップ７２の形状を用いてもよい。

　第７の実施の形態に係るリペラー６５６は、第１の実施の形態の変型例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよく、第２の実施の形態、第３の実施の形態もしくは第４の実施の形態、または、これらの変形例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

（第８の実施の形態）
　図２７は、第８の実施の形態に係るリペラー７５６の構成を詳細に示す断面図である。第８の実施の形態に係るリペラー７５６は、リペラーヘッド８０と、リペラー軸８２と、リペラー接続部８４と、第３サーマルシールド８６と、第４サーマルシールド３８８を含む。第８の実施の形態では、第４サーマルシールド３８８がアークチャンバ５０に取り付けられている点で、第６の実施の形態と相違する。以下、第８の実施の形態について、第６の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　第４サーマルシールド３８８は、アークチャンバの内部に向けて矢印Ａ３の方向に突出する第４先端部３８８ａと、アークチャンバの外部に向けて矢印Ａ４の方向に突出する第４末端部３８８ｂとを有する。第４先端部３８８ａは、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）および第３サーマルシールド８６の第３先端部８６ａよりもアークチャンバ５０の内部に向けて突出している。つまり、第４先端部３８８ａの軸方向の位置は、リペラーヘッド８０の先端（先端面８０ａ）および第３サーマルシールド８６の第３先端部８６ａの軸方向の位置よりもアークチャンバ５０の内部側にある。第４サーマルシールド３８８は、第４先端部３８８ａにおいて軸方向に開口する第４先端開口３８８ｃを有する。第４末端部３８８ｂは、アークチャンバ５０に取り付けられ、例えば、アークチャンバ５０の第２端壁５０ｄに取り付けられる。第４サーマルシールド３８８は、第２端壁５０ｄと一体となるように構成されてもよく、第２端壁５０ｄからアークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に延在するよう構成されてもよい。

　第４サーマルシールド３８８は、第４末端部３８８ｂから第４先端部３８８ａに向けて軸方向に筒状に延在する第４延在部３８８ｄを有する。第４延在部３８８ｄは、第３延在部８６ｄと径方向に間隙をおいて隣り合う。第４延在部３８８ｄは、第４延在部３８８ｄの内面３８８ｅの径方向の幅が一定となるように構成される第４円筒部３８８ｆを有する。図２７に示す第４延在部３８８ｄは、第４円筒部３８８ｆのみで構成され、テーパー部を有しないように構成される。なお、変形例において、第４サーマルシールド３８８の第４延在部３８８ｄは、第４テーパー部を有してもよい。

　第８の実施の形態では、上述の特徴（６），（７）を採用することにより、低アーク条件においてより多くの多価イオンが生成されるようにする。具体的には、リペラーヘッド８０の周囲に複数のサーマルシールド８６，３８８を設けることにより、リペラーヘッド８０の温度上昇を促進できる。さらに、第４サーマルシールド３８８に熱電子を引き出すための電圧（ここでは、リペラー電圧に等しい）を印加することにより、リペラーヘッド８０からアークチャンバ５０の内部に向けて熱電子をより効率的に引き出すことができる。

　第８の実施の形態に係るリペラー７５６は、図１９～図２０に示される第１カソード３５４、３５４Ａと同様に構成されてもよい。第３サーマルシールド８６の第３延在部８６ｄの構造として、図１９～図２０に示される第１延在部７６ｄ（または第１テーパー部７６ｇ）の構造を用いることができる。また、第４サーマルシールド３８８の第４延在部３８８ｄの構造として、図１９～図２０に示される第２延在部３７８ｄ（または第２テーパー部３７８ｇ）の構造を用いることができる。なお、第３サーマルシールド８６として、図３～図１０（ｂ）に示される第１サーマルシールド７６と同様の構造を用いてもよく、第４サーマルシールド３８８として、図１２～図１６（ｂ）に示される第２サーマルシールド７８と同様の構造を用いてもよい。リペラーヘッド８０の形状として、図１９～図２０に示される第１カソードキャップ７２と同様の円錐台形状を用いてもよいし、図１１（ａ）～（ｏ）に示される第１カソードキャップ７２の形状を用いてもよい。

　第８の実施の形態に係るリペラー７５６は、第１の実施の形態の変型例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよく、第２の実施の形態、第３の実施の形態もしくは第４の実施の形態、または、これらの変形例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

（第９の実施の形態）
　図２８は、第９の実施の形態に係るイオン生成装置８１０の概略構成を示す断面図である。第９の実施の形態では、リペラー５６の代わりに第２カソード５５が設けられる点で、上述の第１の実施の形態と相違する。第９の実施の形態は、第１カソード５４および第２カソード５５の二つのカソードが設けられるデュアルカソード型のイオン生成装置である。以下、第９の実施の形態について、第１の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　イオン生成装置８１０は、アークチャンバ５０と、磁場生成器５２と、第１カソード５４と、第２カソード５５と、第１フィラメント電源５８ａと、第１カソード電源５８ｂと、第１アーク電源５８ｃと、引出電源５８ｄと、第２フィラメント電源５８ｆと、第２カソード電源５８ｇと、第２アーク電源５８ｈとを備える。アークチャンバ５０、磁場生成器５２、第１カソード５４、第１フィラメント電源５８ａ、第１カソード電源５８ｂ、第１アーク電源５８ｃおよび引出電源５８ｄは、第１の実施の形態と同様に構成される。

　第２カソード５５は、アークチャンバ５０の内部空間Ｓに熱電子を供給する。第２カソード５５は、内部空間Ｓを挟んで、第１カソード５４とは軸方向の反対側に設けられる。第２カソード５５は、第２端壁５０ｄに設けられる第２カソード挿通孔５０ｈに挿通され、アークチャンバ５０と電気的に絶縁された状態で第２カソード支持部材６５に固定される。第２カソード支持部材６５は、アークチャンバ５０の外部に設けられる。第２カソード５５は、第２加熱源９０と、第２カソードキャップ９２と、第２サーマルブレイク９４と、第２サーマルシールド９６とを含む。

　第２加熱源９０は、第２カソードキャップ９２を加熱するための熱源である。第２加熱源９０は、例えば、第２フィラメント電源５８ｆに接続されるフィラメントである。第２加熱源９０は、第２サーマルブレイク９４の内部において第２カソードキャップ９２と対向するように配置される。第２加熱源９０と第２カソードキャップ９２の間には、第２カソード電源５８ｇが接続され、カソード電圧が印加される。

　第２カソードキャップ９２は、アークチャンバ５０の内部に向けて軸方向に突出する中実部材である。第２カソードキャップ９２は、例えば、円錐台形状を有する。第２カソードキャップ９２は、第２加熱源９０によって加熱されることにより、内部空間Ｓに向けて熱電子を放出する。第２カソードキャップ９２とアークチャンバ５０の間には、第２アーク電源５８ｈが接続され、アーク電圧が印加される。なお、第１アーク電源５８ｃと第２アーク電源５８ｈを共通化してもよい。例えば、第２アーク電源５８ｈを設けない構成とし、第２カソードキャップ９２に第１アーク電源５８ｃを接続することにより、第２カソードキャップ９２にアーク電圧を印加してもよい。

　第２サーマルブレイク９４は、第２カソードキャップ９２を支持する円筒状部材であり、第２カソード支持部材６５から第２カソードキャップ９２に向けて軸方向に延在する。第２サーマルシールド９６は、第２カソードキャップ９２および第２サーマルブレイク９４の径方向外側において軸方向に筒状に延在する。第２サーマルシールド９６は、高温状態となる第２カソードキャップ９２および第２サーマルブレイク９４からの熱輻射を反射し、第２カソードキャップ９２および第２サーマルブレイク９４からの熱逃げを抑制することにより、第２カソードキャップ９２および第２サーマルブレイク９４の温度上昇を促進する。

　第２カソードキャップ９２、第２サーマルブレイク９４および第２サーマルシールド９６は、高融点材料で構成され、例えば、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属、それらの合金、またはグラファイトが用いられる。一例として、第２カソードキャップ９２および第２サーマルシールド９６はタングステンで構成され、第２サーマルブレイク９４はタンタルで構成される。

　第２カソード５５は、図３に示される第１の実施の形態に係る第１カソード５４と同様に構成される。第２カソード５５は、第１カソード５４の構成要素の「第１」を「第２」に置き換えたものと同様の構成を含む。例えば、第２サーマルシールド９６は、第２カソードキャップ９２の径方向外側において軸方向に筒状に延在し、第２カソードキャップ９２と径方向に間隙をおいて隣り合う第２延在部と、アークチャンバの内部に向けて突出する第２先端部と、第２先端部において軸方向に開口する第２先端開口とを有する。第２先端開口における径方向の第２開口幅は、第２カソードキャップ９２の熱電子放出面の径方向の最大幅よりも小さい。

　第９の実施の形態によれば、第１カソード５４と第２カソード５５を併用することにより、アークチャンバ５０の内部空間Ｓにより多くの熱電子を供給することができる。また、第２カソード５５においても、第２先端開口における径方向の第２開口幅は、第２カソードキャップの熱電子放出面の径方向の最大幅よりも小さいため、第２カソードキャップ９２からアークチャンバ５０の内部に向けて熱電子が放出される径方向の範囲を狭くできる。その結果、径方向に限定された範囲に熱電子を集中的に供給することができ、低アーク条件であってもプラズマ生成領域Ｐにおいて高密度のプラズマを生成できる。

　第９の実施の形態に係る第２カソード５５は、第１の実施の形態の変型例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよく、第２の実施の形態、第３の実施の形態もしくは第４の実施の形態、または、これらの変形例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

（第９の実施の形態に係る変形例）
　第２カソード５５は、図５（ａ）～図１０（ｂ）に示される変形例に係る第１カソード５４Ａ～５４Ｌと同様に構成されてもよい。第２カソード５５の第２カソードキャップ９２は、図１１（ａ）～（ｏ）に示される変形例に係る第１カソードキャップ７２と同様の形状を有してもよい。

　第２カソード５５は、第２の実施の形態に係る第１カソード１５４と同様に構成されてもよい。この場合、第２カソード５５は、第１カソード１５４の「第１加熱源７０、第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４、第１サーマルシールド７６および第２サーマルシールド７８」のそれぞれを「第２加熱源、第２カソードキャップ、第２サーマルブレイク、第３サーマルシールドおよび第４サーマルシールド」に置き換えたものと同様の構成を含む。つまり、第２カソード５５は、第２加熱源と、第２カソードキャップと、第２サーマルブレイクと、第３サーマルシールドと、第４サーマルシールドとを含む。第３サーマルシールドは、第２カソードキャップおよび第２サーマルブレイクの径方向外側において軸方向に筒状に延在し、第２カソードキャップおよび第２サーマルブレイクと径方向に間隙をおいて隣り合う第３延在部と、アークチャンバの内部に向けて突出する第３先端部と、第３先端部において軸方向に開口する第３先端開口とを有する。第４サーマルシールドは、第３サーマルシールドの径方向外側において軸方向に筒状に延在し、第３延在部と径方向に間隙をおいて隣り合う第４延在部と、アークチャンバの内部に向けて突出する第４先端部と、第４先端部において軸方向に開口する第４先端開口とを有する。第３先端開口における径方向の第３開口幅は、第２カソードキャップの熱電子放出面の径方向の最大幅よりも大きい。第２カソード５５は、第２の実施の形態の変形例に係る第１カソード１５４Ａ～１５４Ｊと同様に構成されてもよい。

　第２の実施の形態または第２の実施の形態の変形例に係る第１カソード１５４～１５４Ｊと同様に構成される第２カソード５５は、第１の実施の形態の変型例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよく、第２の実施の形態、第３の実施の形態もしくは第４の実施の形態、または、これらの変形例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

　第２カソード５５は、第３の実施の形態に係る第１カソード２５４と同様に構成されてもよい。この場合、第２カソード５５は、第１カソード２５４の「第１加熱源７０、第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド２７６」のそれぞれを「第２加熱源、第２カソードキャップ、第２サーマルブレイクおよび第２サーマルシールド」に置き換えたものと同様の構成を含む。つまり、第２カソード５５は、第２加熱源と、第２カソードキャップと、第２サーマルブレイクと、第２サーマルシールドとを含む。第２サーマルシールドは、第２カソードキャップおよび第２サーマルブレイクの径方向外側において軸方向に筒状に延在し、第２カソードキャップおよび第２サーマルブレイクと径方向に間隙をおいて隣り合う第２延在部と、アークチャンバの内部に向けて突出する第２先端部と、第２先端部において軸方向に開口する第２先端開口とを有する。第２サーマルシールドの電位は、第２カソードキャップの電位よりも高く、第２先端部は、第２カソードキャップよりもアークチャンバの内部に向けて軸方向に突出している。第２カソード５５は、第３の実施の形態の変形例に係る第１カソード２５４Ａ，２５４Ｂと同様に構成されてもよい。

　第３の実施の形態または第３の実施の形態の変形例に係る第１カソード２５４～２５４Ｂと同様に構成される第２カソード５５は、第１の実施の形態の変型例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよく、第２の実施の形態、第３の実施の形態もしくは第４の実施の形態、または、これらの変形例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

　第２カソード５５は、第４の実施の形態に係る第１カソード３５４と同様に構成されてもよい。この場合、第２カソード５５は、第１カソード３５４の「第１加熱源７０、第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４、第１サーマルシールド７６および第２サーマルシールド３７８」のそれぞれを「第２加熱源、第２カソードキャップ、第２サーマルブレイク、第３サーマルシールドおよび第４サーマルシールド」に置き換えたものと同様の構成を含む。つまり、第２カソード５５は、第２加熱源と、第２カソードキャップと、第２サーマルブレイクと、第３サーマルシールドと、第４サーマルシールドとを含む。第３サーマルシールドは、第２カソードキャップおよび第２サーマルブレイクの径方向外側において軸方向に筒状に延在し、第２カソードキャップおよび第２サーマルブレイクと径方向に間隙をおいて隣り合う第３延在部と、アークチャンバの内部に向けて突出する第３先端部と、第３先端部において軸方向に開口する第３先端開口とを有する。第４サーマルシールドは、第３サーマルシールドの径方向外側において軸方向に筒状に延在し、第３延在部と径方向に間隙をおいて隣り合う第４延在部と、アークチャンバの内部に向けて突出する第４先端部と、第４先端部において軸方向に開口する第４先端開口とを有する。第４先端開口における径方向の第４開口幅は、第３先端開口における径方向の第３開口幅以上である。第２カソード５５は、第４の実施の形態の変形例に係る第１カソード３５４Ａと同様に構成されてもよい。

　第４の実施の形態または第４の実施の形態の変形例に係る第１カソード３５４～３５４Ａと同様に構成される第２カソード５５は、第１の実施の形態の変型例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよく、第２の実施の形態、第３の実施の形態もしくは第４の実施の形態、または、これらの変形例に係る第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

（第１０の実施の形態）
　図２９は、第１０の実施の形態に係るイオン生成装置９１０の概略構成を示す断面図である。第１０の実施の形態では、リペラー９５６が第２カソード５５と同様の構造を有する点で、上述の実施の形態と相違する。以下、第１０の実施の形態について、上述の実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点については説明を適宜省略する。

　イオン生成装置９１０は、アークチャンバ５０と、磁場生成器５２と、第１カソード５４と、リペラー９５６と、第１フィラメント電源５８ａと、第１カソード電源５８ｂと、第１アーク電源５８ｃと、引出電源５８ｄと、リペラー電源５８ｅとを備える。アークチャンバ５０、磁場生成器５２、第１カソード５４、第１フィラメント電源５８ａ、第１カソード電源５８ｂ、第１アーク電源５８ｃ、引出電源５８ｄおよびリペラー電源５８ｅは、第１の実施の形態と同様に構成される。

　リペラー９５６は、リペラーヘッド９９２と、第２サーマルブレイク９９４と、第２サーマルシールド９９６とを含む。リペラー９５６は、図２８の第２カソード５５から第２加熱源９０を除外したものと同様に構成される。リペラー９５６は、第２カソード５５の「第２カソードキャップ９２、第２サーマルブレイク９４および第２サーマルシールド９６」のそれぞれを「リペラーヘッド９９２、第２サーマルブレイク９９４および第２サーマルシールド９９６」に置き換えたものと同様の構成を含む。リペラー９５６は、第２加熱源９０を含まない点で、第２カソード５５と相違する。リペラーヘッド９９２は、プラズマ生成領域Ｐにて生成されるプラズマとの相互作用によって加熱される。

（第１０の実施の形態に係る変形例）
　リペラー９５６は、図５（ａ）～図１０（ｂ）に示される変形例に係る第１カソード５４Ａ～５４Ｌから第１加熱源を除外したものと同様に構成されてもよい。リペラー９５６のリペラーヘッド９９２は、図１１（ａ）～（ｏ）に示される変形例に係る第１カソードキャップ７２と同様の形状を有してもよい。

　リペラー９５６は、第２の実施の形態に係る第１カソード１５４から第１加熱源を除外したものと同様に構成されてもよい。この場合、リペラー９５６は、第１カソード１５４の「第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４、第１サーマルシールド７６および第２サーマルシールド７８」のそれぞれを「リペラーヘッド、第２サーマルブレイク、第３サーマルシールドおよび第４サーマルシールド」に置き換えたものと同様の構成を含む。つまり、リペラー９５６は、リペラーヘッドと、第２サーマルブレイクと、第３サーマルシールドと、第４サーマルシールドとを含む。リペラー９５６は、第２の実施の形態の変形例に係る第１カソード１５４Ａ～１５４Ｊから第１加熱源を除外したものと同様に構成されてもよい。

　リペラー９５６は、第３の実施の形態に係る第１カソード２５４から第１加熱源を除外したものと同様に構成されてもよい。この場合、リペラー９５６は、第１カソード２５４の「第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４および第１サーマルシールド２７６」のそれぞれを「リペラーヘッド、第２サーマルブレイクおよび第２サーマルシールド」に置き換えたものと同様の構成を含む。つまり、リペラー９５６は、リペラーヘッドと、第２サーマルブレイクと、第２サーマルシールドとを含む。リペラー９５６は、第３の実施の形態の変形例に係る第１カソード２５４Ａ，２５４Ｂから第１加熱源を除外したものと同様に構成されてもよい。

　リペラー９５６は、第４の実施の形態に係る第１カソード３５４から第１加熱源を除外したものと同様に構成されてもよい。この場合、リペラー９５６は、第１カソード３５４の「第１カソードキャップ７２、第１サーマルブレイク７４、第１サーマルシールド７６および第２サーマルシールド３７８」のそれぞれを「リペラーヘッド、第２サーマルブレイク、第３サーマルシールドおよび第４サーマルシールド」に置き換えたものと同様の構成を含む。つまり、リペラー９５６は、リペラーヘッドと、第２サーマルブレイクと、第３サーマルシールドと、第４サーマルシールドとを含む。リペラー９５６は、第４の実施の形態の変形例に係る第１カソード３５４Ａと同様に構成されてもよい。

　以上、本開示を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本開示は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせてもよいし、置換してもよい。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組み合わせや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような組み替えや変形が加えられた実施の形態も本開示に係るイオン生成装置およびイオン注入装置の範囲に含まれ得る。

　上述の実施の形態および変形例では、カソードキャップの加熱源をフィラメントとする場合について示した。さらなる変形例では、加熱源としてフィラメント以外を使用してもよい。例えば、レーザを加熱源とし、カソードキャップの熱流入面にレーザ光を照射することにより、カソードキャップを加熱してもよい。

　上述の実施の形態および変形例では、カソードキャップまたはリペラーヘッドの径方向外側に一つまたは二つのサーマルシールドを設ける場合について示した。さらなる変形例では、カソードキャップまたはリペラーヘッドの径方向外側に三以上のサーマルシールドを設けてもよい。例えば、第１カソードが含む第２サーマルシールドの径方向外側に追加のサーマルシールドをさらに設けてもよいし、リペラーまたは第２カソードが含む第４サーマルシールドの径方向外側に追加のサーマルシールドをさらに設けてもよい。

　上述の実施の形態および変形例では、本開示に係る第１カソードと組み合わせて用いられるリペラーについて説明した。本開示に係るリペラーは、リペラーを備える任意の態様のイオン生成装置およびイオン注入装置に適用可能であり、本開示に係るテーパー形状の第１カソードキャップおよびテーパー形状の第１サーマルシールドを含む第１カソードとの組み合わせに限定されるものではない。本開示に係るリペラーは、第１カソードキャップおよび第１サーマルシールドの少なくとも一方がテーパー形状を有しない第１カソードと組み合わせて用いられてもよいし、第１サーマルシールドを有しない第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。本開示に係るリペラーは、任意の態様の間接加熱型である第１カソードと組み合わせて用いられてもよい。

　以下、本開示のいくつかの態様について説明する。

［態様１］
　内部空間を有し、前記内部空間にて生成されるプラズマからイオンビームを引き出すためのフロントスリットを有するアークチャンバと、
　前記内部空間において軸方向に印加される磁場を生成する磁場生成器と、
　前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第１カソードと、を備え、
　前記第１カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第１カソードキャップと、
　前記第１カソードキャップを加熱する第１加熱源と、
　前記第１カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第１カソードキャップと前記軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第１延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第１先端部と、前記第１先端部において前記軸方向に開口する第１先端開口とを有する第１サーマルシールドと、を含み、
　前記第１先端開口における前記径方向の第１開口幅は、前記第１カソードキャップの前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とするイオン生成装置。
［態様２］
　前記第１先端開口の縁の少なくとも一部は、前記第１カソードキャップと前記軸方向に重なる位置に設けられることを特徴とする態様１に記載のイオン生成装置。
［態様３］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が小さくなるテーパー形状を有することを特徴する態様１または２に記載のイオン生成装置。
［態様４］
　前記第１延在部は、前記第１延在部の内面の前記径方向の幅が前記アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるよう構成される第１テーパー部を有することを特徴する態様１から３のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５］
　前記第１延在部と前記第１カソードキャップの間隔が一定となるように構成されることを特徴とする態様１から４のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様６］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に露出する先端面を含み、
　前記第１開口幅は、前記先端面の前記径方向の幅よりも大きいことを特徴とする態様１から５のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様７］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に露出する先端面を含み、
　前記第１開口幅は、前記先端面の前記径方向の幅以下であることを特徴とする態様１から５のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様８］
　前記第１先端部は、前記第１カソードキャップの前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出する先端よりも前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出していることを特徴とする態様１から７のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様９］
　前記第１カソードキャップの前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出する先端は、前記第１先端部と前記軸方向の位置が同じであるか、または、前記第１先端部よりも前記アークチャンバの内部に向けて突出していることを特徴とする態様１から６のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様１０］
　前記第１サーマルシールドの電位は、前記第１カソードキャップの電位と同じであることを特徴とする態様１から９のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様１１］
　前記第１先端部は、前記第１延在部から前記径方向の内側に延在することを特徴とする態様１から１０のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様１２］
　前記第１先端開口は、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする態様１から１１のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様１３］
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられ、前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第２カソードをさらに備え、
　前記第２カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第２カソードキャップと、
　前記第２カソードキャップを加熱する第２加熱源と、
　前記第２カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第２カソードキャップと前記径方向に間隙をおいて隣り合う第２延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第２先端部と、前記第２先端部において前記軸方向に開口する第２先端開口とを有する第２サーマルシールドと、を含み、
　前記第２先端開口における前記径方向の第２開口幅は、前記第２カソードキャップの前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする態様１から１２のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様１４］
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられるリペラーをさらに備え、
　前記リペラーは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出するリペラーヘッドと、
　前記リペラーヘッドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在するサーマルシールドと、を含むことを特徴とする態様１から１２のいずれか一つに記載のイオン生成装置。

［態様１５］
　前記第１カソードは、前記第１サーマルシールドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第１延在部と前記径方向に間隙をおいて隣り合う第２延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第２先端部と、前記第２先端部において前記軸方向に開口する第２先端開口とを有する第２サーマルシールドをさらに含むことを特徴とする態様１から１２のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様１６］
　前記第２先端部は、前記第１先端部と前記軸方向の位置が同じであるか、または、前記第１先端部よりも前記アークチャンバの内部に向けて突出していることを特徴とする態様１５に記載のイオン生成装置。
［態様１７］
　前記軸方向に沿った断面において、前記第２先端開口における前記径方向の第２開口幅は、前記第１延在部の外面の前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする態様１５または１６に記載のイオン生成装置。
［態様１８］
　前記第２開口幅は、前記第１開口幅以上であることを特徴とする態様１７に記載のイオン生成装置。
［態様１９］
　前記第２開口幅は、前記第１開口幅より小さいことを特徴とする態様１７に記載のイオン生成装置。
［態様２０］
　前記第２延在部は、前記第２延在部の内面の前記径方向の幅が前記アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるよう構成される第２テーパー部を有することを特徴とする態様１５から１９のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様２１］
　前記第２サーマルシールドの電位は、前記第１サーマルシールドの電位と同じであることを特徴とする態様１５から２０のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様２２］
　前記第２先端部は、前記第２延在部から前記径方向の内側に延在することを特徴とする態様１５から２１のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様２３］
　前記第２先端開口は、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする態様１５から２２のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様２４］
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられ、前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第２カソードをさらに備え、
　前記第２カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第２カソードキャップと、
　前記第２カソードキャップを加熱する第２加熱源と、
　前記第２カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第２カソードキャップと前記軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第３延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第３先端部と、前記第３先端部において前記軸方向に開口する第３先端開口とを有する第３サーマルシールドと、
　前記第３サーマルシールドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第３延在部と前記径方向に間隙をおいて隣り合う第４延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第４先端部と、前記第４先端部において前記軸方向に開口する第４先端開口とを有する第４サーマルシールドと、を含み、
　前記第３先端開口における前記径方向の第３開口幅は、前記第２カソードキャップの前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする態様１５から２３のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様２５］
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられるリペラーをさらに備え、
　前記リペラーは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出するリペラーヘッドと、
　前記リペラーヘッドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在するサーマルシールドと、を含むことを特徴とする態様１５から２３のいずれか一つに記載のイオン生成装置。

［態様２６］
　内部空間を有し、前記内部空間にて生成されるプラズマからイオンビームを引き出すためのフロントスリットを有するアークチャンバと、
　前記内部空間において軸方向に印加される磁場を生成する磁場生成器と、
　前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第１カソードと、を備え、
　前記第１カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第１カソードキャップと、
　前記第１カソードキャップを加熱する第１加熱源と、
　前記第１カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第１カソードキャップと前記軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第１延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第１先端部と、前記第１先端部において前記軸方向に開口する第１先端開口とを有する第１サーマルシールドと、を含み、
　前記第１サーマルシールドの電位は、前記第１カソードキャップの電位よりも高く、
　前記第１先端部は、前記第１カソードキャップよりも前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出していることを特徴とするイオン生成装置。
［態様２７］
　前記第１先端開口における前記径方向の第１開口幅は、前記第１カソードキャップの前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする態様２６に記載のイオン生成装置。
［態様２８］
　前記第１先端開口の縁の少なくとも一部は、前記第１カソードキャップと前記軸方向に重なる位置に設けられることを特徴とする態様２６または２７に記載のイオン生成装置。
［態様２９］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が小さくなるテーパー形状を有することを特徴する態様２６から２８のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様３０］
　前記第１延在部は、前記第１延在部の内面の前記径方向の幅が前記アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるよう構成される第１テーパー部を有することを特徴する態様２６から２９のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様３１］
　前記第１延在部と前記第１カソードキャップの間隔が一定となるように構成されることを特徴とする態様２６から３０のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様３２］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に露出する先端面を含み、
　前記第１先端開口における前記径方向の第１開口幅は、前記先端面の前記径方向の幅よりも大きいことを特徴とする態様２６から３１のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様３３］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に露出する先端面を含み、
　前記第１先端開口における前記径方向の第１開口幅は、前記先端面の前記径方向の幅以下であることを特徴とする態様２６から３１のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様３４］
　前記第１先端部は、前記第１延在部から前記径方向の内側に延在することを特徴とする態様２６から３３のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様３５］
　前記第１先端開口は、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする態様２６から３４のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様３６］
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられ、前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第２カソードをさらに備え、
　前記第２カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第２カソードキャップと、
　前記第２カソードキャップを加熱する第２加熱源と、
　前記第２カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第２カソードキャップと前記径方向に間隙をおいて隣り合う第２延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第２先端部と、前記第２先端部において前記軸方向に開口する第２先端開口とを有する第２サーマルシールドと、を含み、
　前記第２サーマルシールドの電位は、前記第２カソードキャップの電位よりも高く、
　前記第２先端部は、前記第２カソードキャップよりも前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出していることを特徴とする態様２６から３５のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様３７］
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられるリペラーをさらに備え、
　前記リペラーは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出するリペラーヘッドと、
　前記リペラーヘッドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在するサーマルシールドと、を含むことを特徴とする態様２６から３５のいずれか一つに記載のイオン生成装置。

［態様３８］
　内部空間を有し、前記内部空間にて生成されるプラズマからイオンビームを引き出すためのフロントスリットを有するアークチャンバと、
　前記内部空間において軸方向に印加される磁場を生成する磁場生成器と、
　前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第１カソードと、を備え、
　前記第１カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第１カソードキャップと、
　前記第１カソードキャップを加熱する第１加熱源と、
　前記第１カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第１カソードキャップと前記軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第１延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第１先端部と、前記第１先端部において前記軸方向に開口する第１先端開口とを有する第１サーマルシールドと、
　前記第１サーマルシールドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第１延在部と前記径方向に間隙をおいて隣り合う第２延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第２先端部と、前記第２先端部において前記軸方向に開口する第２先端開口とを有する第２サーマルシールドと、を含み、
　前記第２先端開口における前記径方向の第２開口幅は、前記第１先端開口における前記径方向の第１開口幅以上であることを特徴とするイオン生成装置。
［態様３９］
　前記第２先端部は、前記第１カソードキャップおよび前記第１先端部よりも前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出していることを特徴とする態様３８に記載のイオン生成装置。
［態様４０］
　前記第２サーマルシールドの電位は、前記第１カソードキャップまたは前記第１サーマルシールドの電位よりも高いことを特徴とする態様３８または３９に記載のイオン生成装置。
［態様４１］
　前記第２サーマルシールドの電位は、前記第１カソードキャップおよび前記第１サーマルシールドの電位よりも高いことを特徴とする態様３８または３９に記載のイオン生成装置。
［態様４２］
　前記第１開口幅は、前記第１カソードキャップの前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする態様４０または４１に記載のイオン生成装置。
［態様４３］
　前記第１先端開口の縁の少なくとも一部は、前記第１カソードキャップと前記軸方向に重なる位置に設けられることを特徴とする態様４０から４２のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様４４］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が小さくなるテーパー形状を有することを特徴する態様４０から４３のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様４５］
　前記第１延在部は、前記第１延在部の内面の前記径方向の幅が前記アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるよう構成される第１テーパー部を有することを特徴する態様４０から４４のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様４６］
　前記第１延在部と前記カソードキャップの間隔が一定となるように構成されることを特徴とする態様４０から４５のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様４７］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に露出する先端面を含み、
　前記第１開口幅は、前記先端面の前記径方向の幅よりも大きいことを特徴とする態様４０から４６のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様４８］
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に露出する先端面を含み、
　前記第１開口幅は、前記先端面の前記径方向の幅以下であることを特徴とする態様４０から４６のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様４９］
　前記第１先端部は、前記第１カソードキャップよりも前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出していることを特徴とする態様４０から４８のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５０］
　前記第１カソードキャップの前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出する先端は、前記第１先端部と前記軸方向の位置が同じであるか、または、前記第１先端部よりも前記アークチャンバの内部に向けて突出していることを特徴とする態様４０から４７のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５１］
　前記第１サーマルシールドの電位は、前記第１カソードキャップの電位と同じであることを特徴とする態様４０から５０のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５２］
　前記第１先端部は、前記第１延在部から前記径方向の内側に延在することを特徴とする態様４０から５１のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５３］
　前記第１先端開口は、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする態様４０から５２のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５４］
　前記軸方向に沿った断面において、前記第２先端開口における前記径方向の第２開口幅は、前記第１延在部の外面の前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする態様４０または５３のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５５］
　前記第２延在部は、前記第２延在部の内面の前記径方向の幅が前記アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるよう構成される第２テーパー部を有することを特徴とする態様４０から５４のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５６］
　前記第２先端部は、前記第２延在部から前記径方向の内側に延在することを特徴とする態様４０から５５のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５７］
　前記第２先端開口は、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする態様４０から５６のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５８］
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられ、前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第２カソードをさらに備え、
　前記第２カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第２カソードキャップと、
　前記第２カソードキャップを加熱する第２加熱源と、
　前記第２カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第２カソードキャップと前記軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第３延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第３先端部と、前記第３先端部において前記軸方向に開口する第３先端開口とを有する第３サーマルシールドと、
　前記第３サーマルシールドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第３延在部と前記径方向に間隙をおいて隣り合う第４延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第４先端部と、前記第４先端部において前記軸方向に開口する第４先端開口とを有する第４サーマルシールドと、を含み、
　前記第４先端開口における前記径方向の第４開口幅は、前記第３先端開口における前記径方向の第３開口幅以上であることを特徴とする態様３８から５７のいずれか一つに記載のイオン生成装置。
［態様５９］
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられるリペラーをさらに備え、
　前記リペラーは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出するリペラーヘッドと、
　前記リペラーヘッドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在するサーマルシールドと、を含むことを特徴とする態様３８から５７のいずれか一つに記載のイオン生成装置。

［態様６０］
　態様１から５９のいずれか一つに記載のイオン生成装置と、
　前記イオン生成装置から引き出されるイオンビームを加速させるビーム加速装置と、
　前記ビーム加速装置から出力されるイオンビームがウェハに照射される注入処理室と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。

　１０…イオン生成装置、１２…ビーム生成ユニット、１４…ビーム加速ユニット、１６…ビーム偏向ユニット、１８…ビーム輸送ユニット、２０…基板搬送処理ユニット、４２…注入処理室、５０…アークチャンバ、５２…磁場生成器、５４…第１カソード、５６…リペラー、６０…フロントスリット、７０…第１加熱源、７２…第１カソードキャップ、７６…第１サーマルシールド、７６ａ…第１先端部、７６ｃ…第１先端開口、７６ｄ…第１延在部、７６ｅ…内面、７６ｇ…第１テーパー部、７６ｈ…外面、７８…第２サーマルシールド、７８ａ…第２先端部、７８ｃ…第２先端開口、７８ｄ…第２延在部、７８ｅ…内面、７８ｇ…第２テーパー部、７８ｈ…外面、１００…イオン注入装置、Ｂ…磁場、Ｐ…プラズマ生成領域、Ｓ…内部空間、Ｗ…ウェハ。

Claims

　内部空間を有し、前記内部空間にて生成されるプラズマからイオンビームを引き出すためのフロントスリットを有するアークチャンバと、
　前記内部空間において軸方向に印加される磁場を生成する磁場生成器と、
　前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第１カソードと、を備え、
　前記第１カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第１カソードキャップと、
　前記第１カソードキャップを加熱する第１加熱源と、
　前記第１カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第１カソードキャップと前記軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第１延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第１先端部と、前記第１先端部において前記軸方向に開口する第１先端開口とを有する第１サーマルシールドと、を含み、
　前記第１先端開口における前記径方向の第１開口幅は、前記第１カソードキャップの前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とするイオン生成装置。
　前記第１先端開口の縁の少なくとも一部は、前記第１カソードキャップと前記軸方向に重なる位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載のイオン生成装置。
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が小さくなるテーパー形状を有することを特徴する請求項１または２に記載のイオン生成装置。
　前記第１延在部は、前記第１延在部の内面の前記径方向の幅が前記アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるよう構成される第１テーパー部を有することを特徴する請求項１から３のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１延在部と前記第１カソードキャップの間隔が一定となるように構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に露出する先端面を含み、
　前記第１開口幅は、前記先端面の前記径方向の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に露出する先端面を含み、
　前記第１開口幅は、前記先端面の前記径方向の幅以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１先端部は、前記第１カソードキャップの前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出する先端よりも前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１カソードキャップの前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出する先端は、前記第１先端部と前記軸方向の位置が同じであるか、または、前記第１先端部よりも前記アークチャンバの内部に向けて突出していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１サーマルシールドの電位は、前記第１カソードキャップの電位と同じであることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１先端部は、前記第１延在部から前記径方向の内側に延在することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１先端開口は、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられ、前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第２カソードをさらに備え、
　前記第２カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第２カソードキャップと、
　前記第２カソードキャップを加熱する第２加熱源と、
　前記第２カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第２カソードキャップと前記径方向に間隙をおいて隣り合う第２延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第２先端部と、前記第２先端部において前記軸方向に開口する第２先端開口とを有する第２サーマルシールドと、を含み、
　前記第２先端開口における前記径方向の第２開口幅は、前記第２カソードキャップの前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられるリペラーをさらに備え、
　前記リペラーは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出するリペラーヘッドと、
　前記リペラーヘッドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在するサーマルシールドと、を含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第１カソードは、前記第１サーマルシールドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第１延在部と前記径方向に間隙をおいて隣り合う第２延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第２先端部と、前記第２先端部において前記軸方向に開口する第２先端開口とを有する第２サーマルシールドをさらに含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第２先端部は、前記第１先端部と前記軸方向の位置が同じであるか、または、前記第１先端部よりも前記アークチャンバの内部に向けて突出していることを特徴とする請求項１５に記載のイオン生成装置。
　前記軸方向に沿った断面において、前記第２先端開口における前記径方向の第２開口幅は、前記第１延在部の外面の前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする請求項１５または１６に記載のイオン生成装置。
　前記第２開口幅は、前記第１開口幅以上であることを特徴とする請求項１７に記載のイオン生成装置。
　前記第２開口幅は、前記第１開口幅より小さいことを特徴とする請求項１７に記載のイオン生成装置。
　前記第２延在部は、前記第２延在部の内面の前記径方向の幅が前記アークチャンバの内部に向かうにつれて小さくなるよう構成される第２テーパー部を有することを特徴とする請求項１５から１９のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第２サーマルシールドの電位は、前記第１サーマルシールドの電位と同じであることを特徴とする請求項１５から２０のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第２先端部は、前記第２延在部から前記径方向の内側に延在することを特徴とする請求項１５から２１のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記第２先端開口は、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記径方向の幅が大きくなるテーパー形状を有することを特徴とする請求項１５から２２のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられ、前記内部空間に熱電子を供給するよう構成される第２カソードをさらに備え、
　前記第２カソードは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記内部空間に供給される熱電子を放出する第２カソードキャップと、
　前記第２カソードキャップを加熱する第２加熱源と、
　前記第２カソードキャップの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第２カソードキャップと前記軸方向と直交する径方向に間隙をおいて隣り合う第３延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第３先端部と、前記第３先端部において前記軸方向に開口する第３先端開口とを有する第３サーマルシールドと、
　前記第３サーマルシールドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在し、前記第３延在部と前記径方向に間隙をおいて隣り合う第４延在部と、前記アークチャンバの内部に向けて突出する第４先端部と、前記第４先端部において前記軸方向に開口する第４先端開口とを有する第４サーマルシールドと、を含み、
　前記第３先端開口における前記径方向の第３開口幅は、前記第２カソードキャップの前記径方向の最大幅よりも小さいことを特徴とする請求項１５から２３のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　前記内部空間を挟んで、前記第１カソードとは前記軸方向の反対側に設けられるリペラーをさらに備え、
　前記リペラーは、
　前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出するリペラーヘッドと、
　前記リペラーヘッドの径方向外側において前記軸方向に筒状に延在するサーマルシールドと、を含むことを特徴とする請求項１５から２３のいずれか一項に記載のイオン生成装置。
　請求項１から２５のいずれか一項に記載のイオン生成装置と、
　前記イオン生成装置から引き出されるイオンビームを加速させるビーム加速装置と、
　前記ビーム加速装置から出力されるイオンビームがウェハに照射される注入処理室と、を備えることを特徴とするイオン注入装置。