JP2593292Y2 - 金属イオン源輻射リフレクタ構造 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は、常温で固体または液
体である物質をイオン化するイオン源において、蒸気圧
を一定に保ち熱を保持するための輻射リフレクタの構造
に関する。イオン源は通常常温で気体であるものをチャ
ンバ内に導き放電によって励起しこれをプラズマにし
て、電極間に電圧を印加することによりイオンビ−ムと
して引き出すものである。特に不活性ガスなどのイオン
ビ−ムは作り易い。

【０００２】金属のように常温で固体であるものもイオ
ンビ−ムとして半導体や誘電体、プラスチック等に照射
してこれら物質の電気的性質を変更したり、物理的化学
的性質の改良などに用いられるようになってきた。常温
で固体または液体であるものはまず蒸発させて気体にし
てからイオン源に導く。イオン源では気体になった材料
を放電によってプラズマとする。

【０００３】このように金属等をイオンビ−ムにするに
は特別の装置を必要とする。まず前段に蒸発源を必要と
する。チャンバ内には加熱のため、強力なヒ−タを使
う。大きいパワ−を投入し、より高温にする必要がある
からである。また熱閉じ込めのためチャンバの内壁にそ
って、輻射リフレクタというものを設ける。これはＴａ
やＷなど耐熱金属の薄い板である。何枚も重ねて輻射熱
を反射する。これは円筒上のイオン源チャンバの側壁
と、これらに直交する面にそって設けられる。輻射リフ
レクタで囲まれる円筒状の空間にプラズマと輻射熱が閉
じ込められる。

【０００４】

【従来の技術】図１によって従来例に係る金属イオン源
を説明する。イオン源チャンバはア−クチャンバ１とそ
の後部に固着された上蓋９よりなる。前面は開口になっ
ている。開口部には、多孔電極板であるプラズマ電極２
が設けられる。この前方にさらに負電極、接地電極があ
るがここでは図示しない。

【０００５】チャンバ内には閉空間を形成するように、
幾つかの輻射リフレクタが設けられる。前方にはプラズ
マ電極２の直ぐ後ろに、これと平行に輻射リフレクタが
ある。円筒形チャンバの場合は円形の板である。他と区
別するためここでは電極リフレクタ４と呼ぶ。ア−クチ
ャンバ１の内周に沿って側面リフレクタ３が設けられ
る。これは複数枚の円筒状の薄い金属板である。また上
蓋９の側にはこれと平行に輻射リフレクタがある。これ
もチャンバが円筒形の場合は円形の板である。これは他
と区別するために上蓋リフレクタ５と呼ぶ。

【０００６】輻射リフレクタは薄い金属板を複数枚重ね
たものである。これらの役割はふたつある。ひとつは輻
射熱を内部空間に閉じ込め高温状態を保持することであ
る。もう一つは金属の蒸気が内部空間から外部へ漏れな
いようにすることである。内部空間に高密度の蒸気が保
持されて初めて高密度のプラズマが生成できる。

【０００７】絶縁支持棒６が上蓋リフレクタ５を上蓋９
に対して保持している。カソ−ドフィラメント７が上蓋
９から内部空間に向けて設けられる。これはア−クチャ
ンバ１に対して負電位にあり、ア−クチャンバ１との間
でア−ク放電を起こす。カソ−ドフィラメント７から熱
電子が放出される。電子が加速されて蒸気の分子に衝突
しこれを電離するのでプラズマが生成する。

【０００８】その他にヒ−タフィラメント８がやはり上
蓋９から設けられる。これはアノ−ド電位にあり熱電子
を発生しないが内部空間を加熱するために用いられる。
カソ−ドフィラメントということもある。ヒ−タフィラ
メント８もカソ−ドフィラメント７も上蓋９から絶縁さ
れている。また上蓋リフレクタ５の穴部を通っており、
上蓋リフレクタ５とも絶縁されている。イオン源の外部
には蒸発源１１があり、金属を加熱し蒸気としてア−ク
チャンバ１内へ導くようになっている。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】３種類の輻射リフレク
タがチャンバ内に存在する。これらにより閉じられた空
間が形成される。しかし完全に閉じられているのではな
い。側面リフレクタ３はア−クチャンバ１の内壁に接触
しているので当然に電位である。電極リフレクタ４はプ
ラズマ電極に近傍でありプラズマ電極はカソ−ド電位で
あるから、電極リフレクタ４はカソ−ド電位であるかま
たはフロ−テイング電位である。上蓋リフレクタ５はや
はりカソ−ド電位かフロ−テイング電位であることが多
い。あるいはカソ−ド電位以下にバイアスする。上蓋９
自体はアノ−ド電位であるから、支持棒６が絶縁体を含
む絶縁棒となって、上蓋９と絶縁されている。

【００１０】従って側面リフレクタ３と電極リフレクタ
４との間、側面リフレクタ３と上蓋リフレクタ５の間に
は隙間を取って絶縁しなければならない。このような理
由で３種類の輻射リフレクタが互いに離隔している。熱
膨張や組み立て誤差を考えるとかなり離さなくてはなら
ない。先程の理由で輻射リフレクタは出来るだけ閉じた
空間を形成しなければならないにも拘らず相互に離れて
しまう。

【００１１】金属イオン源において重要な問題は、金属
の付着である。常温で固体であるような材料を蒸気にし
ているからである。輻射リフレクタで囲まれる内部空間
は高温である。輻射リフレクタ自体も高温であるから輻
射リフレクタの表面には金属が付かない。ところが輻射
リフレクタは隙間があるので蒸気が漏れて出てゆく。こ
れがより低温の部材に触れると固体に戻り部材表面に付
着する。主に、上蓋９と上蓋リフレクタ５の間の空間が
問題になる。

【００１２】上蓋９の裏面に付着した金属は温度が低い
ために安定である。再び蒸発することはない。これは上
蓋９を外して清掃することによって除くことができる
し、敢えて除去する必要性も少ない。しかし温度変化す
る部分に付着した金属は問題である。上蓋リフレクタ５
を支持する絶縁支持棒６にも金属蒸気が凝縮し固体にな
って付着する。支持棒は上蓋９と輻射リフレクタの中間
の温度を取るために、次のような変化を引き起こす。低
温である時に金属蒸気が凝縮し付着する。これが再び高
温になる場合がある。すると固体である付着物が再蒸発
する。

【００１３】付着金属の再蒸は次のような問題を惹起す
る。輻射リフレクタ、チャンバの高温化に伴い、中温
部（支持棒など）に付着した金属がゆっくりと蒸発して
ゆき輻射リフレクタの内部空間に侵入する。これがプラ
ズマパラメ−タの経時変化を引き起こす。同じイオン
源でも時により様々な金属を扱うことがある。以前に用
いた金属が支持棒に付着しているとこれが次回の操作中
に蒸気となってプラズマとなりイオンビ−ムとなること
がある。すると不純物イオンがイオンビ−ムに含まれる
ようになる。不純物ビ−ムも対象物に照射されるから、
対象物を汚染する原因にもなる。

【００１４】本考案はこのように、金属をイオン化する
イオン源において、中温部である支持棒に金属蒸気が付
着し再蒸発するのを防ぐようにすることが目的である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本考案の輻射リフレクタ
構造は、上蓋リフレクタ５を支持する支持棒に電流を流
しこれを加熱し、金属蒸気が支持棒に付着するのを防止
する。たとえば支持棒をフィラメントと直列に接続しフ
ィラメント電流を支持棒にも流し支持棒を加熱する。高
温であるから支持棒に蒸気が付かないようになる。

【００１６】

【作用】上蓋リフレクタの支持棒は中温であるので金属
蒸気が凝縮しあるいは再蒸発するのであるが、本考案で
は支持棒自体にも電流を流しこれを加熱し高温に保持し
ている。ために、金属蒸気が輻射リフレクタの隙間から
漏れ出てきて、支持棒に接触しても冷却されないのでこ
こには付かない。

【００１７】支持棒に付かないから再蒸発ということも
ない。再蒸発に伴うプラズマパラメ−タの変動という問
題も起こらない。また同じイオン源を異なる金属のイオ
ンビ−ムの生成に使っても前回に使用した金属が不純物
としてビ−ムに混入する惧れもない。

【００１８】また余分に電流を流して支持棒を加熱する
がこれは無駄なエネルギ−となるのではない。この熱は
輻射リフレクタをより高温に加熱するのに使われる。つ
まりプラズマ空間の高温化に寄与するのである。高温で
あるのでより高密度プラズマを生成できる。

【００１９】

【実施例】図２は本考案の実施例に係る輻射リフレクタ
構造を示す。上蓋９にカソ−ドフィラメント７とヒ−タ
フィラメント８が取り付けられる。上蓋リフレクタ５が
上蓋９に対して支持棒１２によって固定される。これら
のフィラメントは上蓋９と絶縁する必要がある。このた
めにカソ−ドフィラメント７は、絶縁物１３、１４を介
して上蓋９に支持される。ヒ−タフィラメント８は絶縁
物１５、１６を介して上蓋９に固定される。上蓋リフレ
クタ５を支持する支持棒１２はカソ−ドフィラメント７
の一部をなしている。電流は支持棒１２からカソ−ドフ
ィラメント７を通る。支持棒は絶縁物を中間に含まな
い。支持棒１２は上蓋リフレクタ５に固着される。上蓋
リフレクタ５は従ってカソ−ド電位である。絶縁物１４
により上蓋リフレクタ５と上蓋９とが絶縁される。絶縁
物１４は従って電気的絶縁と、支持棒１２の機械的支持
との二つの役割を担う。

【００２０】支持棒１２とカソ−ドフィラメント７とが
直列に繋がれている。つまり同一の電流が流れる。しか
し単位長さあたりの抵抗が異なるので発熱量が異なる。
支持棒１２の方が単位長さ当たりの抵抗が低いので、フ
ィラメントよりも単位長さあたりの発熱量が小さい。し
かしそれでも支持棒はかなりの高温になる。

【００２１】輻射リフレクタは金属を蒸気の状態に保つ
位の高温である。これは金属の種類に依存するが、１０
００Ｋ〜２０００Ｋの高温である。このような高温を得
るためには、カソ−ドフィラメント７の輻射だけでは不
十分である。そこでヒ−タフィラメント８が設けられ
る。これにも電流を流して発熱させる。これはアノ−ド
電位である。

【００２２】その他の構造は図２の従来例と同じであ
る。蒸発源１１がチャンバの外にあり、この中で金属固
体が加熱され蒸気になる。これが側方からア−クチャン
バ１の内部へ導かれる。ア−クチャンバ１の外壁に沿っ
て、永久磁石１０が設置される。これは隣接する永久磁
石間で磁極の方向が交替するように並べられる。カスプ
磁場をア−クチャンバ１内に形成し、プラズマをチャン
バの中央部に閉じ込める作用がある。

【００２３】上蓋リフレクタ５を支持するための支持棒
１２はこの例ではカソ−ドフィラメント７の根元に設け
られるが、そうではなくて、ヒ−タフィラメント８の根
元に設けても良い。この場合は、支持棒１２と上蓋リフ
レクタ５とを電気的に絶縁する必要がある。

【００２４】支持棒に電流が流れ加熱されるので支持棒
の温度が上昇する。ために金属の蒸気が輻射リフレクタ
の隙間から漏れて支持棒に接触しても支持棒に付着しな
い。図３は支持棒の長手方向の温度分布の変化を示す。
破線は従来例に係る温度分布である。上蓋側で低温、上
蓋リフレクタ側で高温であり、この間でほぼ直線的に温
度が上昇している。実線が本考案の温度分布である。支
持棒の温度が全体的に高くなっている。ために金属蒸気
が固化しないのである。もうひとつの効果は上蓋リフレ
クタ５での温度も上昇するということである。これは支
持棒の発熱により、輻射リフレクタを加熱したというこ
とである。ために高密度プラズマを生成するのにより好
適な条件を作り出すことができる。

【００２５】

【考案の効果】上蓋リフレクタを支持する棒に通電し加
熱するから、支持棒に金属蒸気は付着しない。すると支
持棒表面からの金属の再蒸発の問題がなくなる。再蒸発
に起因するプラズマパラメ−タの変動の問題が克服され
る。また異なる金属材料を用いてイオンビ−ム生成を行
うときに前回に支持棒に付着した金属が再蒸発するとい
うこともない。したがって金属材料を取り替えて使用し
ても不純物の混入のない純度の高いビ−ムを得ることが
できる。さらに支持棒の熱により輻射リフレクタがより
高温に加熱される。これは金属の気体状態を維持する上
で有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例に係る金属イオン源の断面図。

【図２】本考案の実施例に係るリフレクタ支持構造を示
す断面図。

【図３】従来例と本考案の構造における支持棒の長手方
向の温度分布を示すグラフ。

【符号の説明】

１ ア−クチャンバ ２ プラズマ電極 ３ 側面リフレクタ ４ 電極リフレクタ ５ 上蓋リフレクタ ６ 絶縁支持棒 ７ カソ−ドフィラメント ８ ヒ−タフィラメント ９ 上蓋 １０ 永久磁石 １１ 蒸発源 １２ 支持棒

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 筒形のア−クチャンバ１と、ア−クチャ
   ンバ１の後端を閉じる上蓋９と、ア−クチャンバ１の前
   方に設けられるプラズマ電極２と、熱電子を放出しア−
   クチャンバ１との間で放電を起こすために上蓋９を挿通
   してア−クチャンバ１内に設けられるカソ−ドフィラメ
   ント７と、ア−クチャンバ１を加熱するために上蓋９を
   挿通してア−クチャンバ１内に設けられるヒ−タフィラ
   メント８と、金属を蒸気としてア−クチャンバ１内へ導
   くための蒸発源と、ア−クチャンバ１の内壁に沿って設
   けられ輻射熱を反射するための側面リフレクタ３と、プ
   ラズマ電極２の近傍に設けられ輻射熱を反射するための
   電極リフレクタ４と、上蓋９の近傍に設けられ輻射熱を
   反射するための上蓋リフレクタ５と、上蓋リフレクタ５
   を上蓋９に対して支持するための支持棒１２とを含み、
   支持棒１２はカソ−ドフィラメント７の根元側の一部を
   構成し上蓋９と絶縁されておりカソ−ドフィラメント電
   流が支持棒１２に流れて発熱し、支持棒１２が高温にな
   り金属蒸気が支持棒１２に付着しないようにしたことを
   特徴とする金属イオン源輻射リフレクタ構造。
2. 【請求項２】 筒形のア−クチャンバ１と、ア−クチャ
   ンバ１の後端を閉じる上蓋９と、ア−クチャンバ１の前
   方に設けられるプラズマ電極２と、熱電子を放出しア−
   クチャンバ１との間で放電を起こすために上蓋９を挿通
   してア−クチャンバ１内に設けられるカソ−ドフィラメ
   ント７と、ア−クチャンバ１を加熱するために上蓋９を
   挿通してア−クチャンバ１内に設けられるヒ−タフィラ
   メント８と、金属を蒸気としてア−クチャンバ１内へ導
   くための蒸発源と、ア−クチャンバ１の内壁に沿って設
   けられ輻射熱を反射するための側面リフレクタ３と、プ
   ラズマ電極２の近傍に設けられ輻射熱を反射するための
   電極リフレクタ４と、上蓋９の近傍に設けられ輻射熱を
   反射するための上蓋リフレクタ５と、上蓋リフレクタ５
   を上蓋９に対して支持するための支持棒１２とを含み、
   支持棒１２はヒ−タフィラメント８の根元側の一部を構
   成し上蓋９、上蓋リフレクタ５と絶縁されておりヒ−タ
   フィラメント電流が支持棒１２に流れて発熱し、支持棒
   １２が高温になり金属蒸気が支持棒１２に付着しないよ
   うにしたことを特徴とする金属イオン源輻射リフレクタ
   構造。