JPH0554812A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン源はカソ−ドフィラメントを用いて熱
電子を発生させてガスをプラズマにするようになってい
る。しかし高融点の材料の場合はカソ−ドフィラメント
の温度が高くなりすぎてフィラメントの消耗が激しく頻
繁に交換しなければならない。カソ−ドフィラメントを
不要とし保守容易な高融点材料用のイオン源を提供する
こと。 【構成】 イオン源の放電室の中にカソ−ドフィラメン
トの代わりに面積の広い電極を設けこれと放電室の間に
高周波電力を印加する。この電極と放電室または放電室
内部の輻射シ−ルドとの間に高周波放電が起こり高融点
材料の蒸気が励起されてプラズマとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は融点の高い物質のイオ
ンビ−ムを作るのに適した高温で機能することのできる
イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン源は従来放電室に導入された原料
ガスを放電によってプラズマとしこれを引出電極によっ
てイオンビ−ムとして引き出すものであった。放電室の
何れかにガス導入口がある。放電室の内部は真空に引く
ことができる。内部にはカソ−ドフィラメントがありこ
れはフィラメント電源で加熱される。これはまた陰極と
なり放電室が陽極となって直流のア−ク放電がその間に
引き起こされる。フィラメントから熱電子が放出され加
速されガス分子と衝突するのでこれをイオン化しプラズ
マを形成する。放電室の外周には永久磁石が設けられプ
ラズマを放電室の中央部に閉じ込めるようになってい
る。放電室の出口には多孔金属板である引出電極があり
内部のプラズマをイオンビ−ムとして引き出すことがで
きる。従来は原料ガスの状態のものを扱っていたのでそ
のようなイオン源でよかった。しかしイオン源の用途が
拡がると伴に融点の高い金属等のイオンビ−ムに対する
要求が出てきた。例えばＳｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐ等であ
る。

【０００３】もちろんこれらの物質を化合物として含む
ガス物質を原料として熱分解してこれらのイオンを作る
ということが可能である。その場合は様々のイオンが発
生するから所望のイオンだけを取り出すための質量分析
が必要になる。大口径イオンビ−ムを欲しいという場合
質量分析器自体が大きくなる。質量分析をしないで所望
のイオンを得たいという要求もある。この場合は単体金
属固体を原料として出発しなければならない。固体原料
の場合は、別に設けられたオ−ブンのなかで加熱蒸発さ
せたものを放電室内に導く形態のものがある。そうでな
くて原料固体を入れたるつぼを放電室に内蔵するという
こともありうる。いずれにしても放電室の内部は従来に
ない高温になる。高温を保持するために放電室の内壁に
沿ってＴａ、Ｗ等の輻射シ−ルドを設ける必要がある。
さらに固体原料を高熱に加熱するためにアノ−ド電位の
フィラメントを設けて抵抗加熱することもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図３に従来例にかかる
イオン源の例を示す。これは Ｙ．Ｉｎｏｕｃｈｉ，Ｈ．Ｔａｎａｋａ，Ｈ．Ｉｎａｍ
ｉ，Ｆ．Ｆｕｋｕｍａｒｕ，ａｎｄ Ｋ．Ｍａｔｓｕｎ
ａｇａ：”Ｈｉｇｈ−ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔａｌｉｏ
ｎ ｂｅａｍ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ａ
ｍｕｌｔｉｃｕｓｐ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ”Ｒｅｖ．
Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６１（１），Ｊａｎ．１９９
０，ｐ５３８ に所載のものである。固体原料を気化するために別に蒸
発源を持つ。アノ−ドフィラメントＡＦがあってこれに
通電して加熱する。この熱で輻射シ−ルドＲＳを金属蒸
気の保持に必要な温度に加熱する。カソ−ドフィラメン
トＣＦがありこれは陰極となって放電室との間にア−ク
放電を発生させる。カソ−ドフィラメントは従来よりも
高温になり熱電子の発生量も多いのでスパッタが増え
る。金属蒸気との反応による消耗もある。またもともと
カソ−ドフィラメントは細長い線である。こういうわけ
で従来よりカソ−ドフィラメントの消耗が激しい。カソ
−ドフィラメントの寿命が短く従ってカソ−ドフィラメ
ントを頻繁に交換しなければならず保守点検が煩労であ
る。本発明はカソ−ドフィラメント交換を不要とするこ
とによってこのような難点を克服し保守点検の労を軽減
した高融点物質用のイオン源を提供する事を目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン源は、真
空に引くことができ内部に放電を起こさせることにより
ガス物質をプラズマに励起する放電室と、放電室内壁に
沿って設けられる輻射シ−ルドと、放電室の外周に設け
られプラズマを閉じ込めるための磁石と、放電室の出口
に設けられ多孔金属板よりなる引出電極系と、放電室の
内部に設けられ放電室と絶縁されたプラズマ発生電極
と、放電室とプラズマ発生電極の間に高周波電力を供給
する高周波電源とを含み、放電室とプラズマ発生電極の
間で高周波放電を起こさせこれによって中性粒子蒸気を
励起してプラズマとし引き出し電極からイオンビ−ムと
して引き出すようにしたことを特徴とする。つまりカソ
−ドフィラメントがなく、これとは別に 新しくプラズ
マ発生電極を放電室の内部に設ける。そしてプラズマ発
生電極と放電室の間で高周波放電を起こさせる。又プラ
ズマ発生電極を設ける代わりに一つの輻射シ−ルドを電
極としてこれと放電室の間に高周波放電を起こさせるよ
うにしても良い。さらに金属蒸気を生成するためにイオ
ン源とは別に蒸発源を設けても良いし、或はイオン源の
中に固体原料をいれたるつぼを置いても良い。

【０００６】

【作用】従来のイオン源は、カソ−ドフィラメントに通
電し熱電子を発生させ、カソ−ドフィラメントと放電室
壁の間に直流を流して直流ア−ク放電を形成する。高融
点材料を対象とする場合、カソ−ドフィラメントの温度
は２８００℃〜３０００℃という高温になる。ところが
本発明の場合はカソ−ドフィラメントが存在しない。代
わりに高周波放電のためのプラズマ発生電極がある。こ
れはフィラメントではなく自ら発熱しない。それゆえ周
囲の輻射シ−ルドとほぼ同程度の温度にしか上がらな
い。つまり１８００℃程度である。しかもプラズマ発生
電極はフィラメントのように抵抗値を上げるため線状に
する必要がなく面積の大きい板状のものとすることがで
きる。より低温で体積も大きいので従来のカソ−ドフィ
ラメントに比べて消耗が殆ど起こらず長寿命である。

【０００７】

【実施例】図１によって本発明の実施例を説明する。放
電室１は真空に引くことのできる容器であり、円筒状の
側板２と側板の一方を閉塞する蓋板３とで形成される。
蓋板３の中央を貫いてプラズマ発生電極４が放電室１の
ほぼ真中に設けられる。側板２の内周にはＴａまたはＷ
よりなる薄板の円筒状輻射シ−ルド５が設けられる。さ
らに放電室の中央より少し蓋板３によった所に軸方向に
直角な円板状の輻射シ−ルド６が設けられる。蓋板３か
ら直角にアノ−ドフィラメント７がいくつか突出してい
る。これはアノ−ド電位であって放電室内部を加熱する
ためのヒ−タになっている。タングステン等の細線より
なるヒ−タであるが陽極電位であるからプラズマ中のイ
オンによるスパッタリングを受けないので消耗が少な
い。蓋板に平行な輻射シ−ルド６をこれらのプラズマ発
生電極４、アノ−ドフィラメント７が貫いている。放電
室１の蓋板３と反対側には多孔電極板であるプラズマ電
極８、引出電極９、接地電極１０よりなる引出電極系１
１が設けられる。これらはイオン源のなかからプラズマ
をイオンビ−ムとして引き出すためのものである。放電
室１の外周には磁石１２が幾つか設けられる。これはカ
スプ磁場を形成することにより放電室１の壁面にプラズ
マが接触しないようにする。磁化方向は半径方向で隣接
磁石間で磁化方向が反転するよう配置される。プラズマ
電極４と放電室１の間に高周波電源１３が接続される。
これはプラズマ発生電極４と放電室１の間に高周波電界
を印加し高周波放電を起こさせるためのものである。

【０００８】この例では放電室１の外部に蒸発源１４が
あり、高融点の固体を加熱して蒸気にしている。蒸発源
１４は原料の固体を収容するべきるつぼ１５と、ヒ−タ
１６、オ−ブン１７とを有する。これらが外套管１８で
囲まれている。ヒ−タ１６によって原料を加熱して蒸気
とする。外部との熱交換を遮断するために輻射シ−ルド
がいくつか設けられる。蒸発源１４と放電室１とは連絡
管１９によって連結される。蒸気が通る経路は輻射シ−
ルドで囲まれたフィ−ドパイプ２０となっている。イオ
ン源の先には絶縁物２１で囲まれた領域がありその先は
多様な処理装置につながっている。

【０００９】引出電極系１１のプラズマ電極８の直前に
も輻射シ−ルド２２があり、放電室１内周の輻射シ−ル
ド５と、中間の輻射シ−ルド６とによって円柱状の空間
が仕切られる。この内部でプラズマが発生する。前記の
アノ−ドフィラメント７とプラズマ発生電極４はこのプ
ラズマ空間の内部にある。カソ−ドフィラメントは輻射
熱を発生しプラズマ空間を加熱する。側面の輻射シ−ル
ド５と中間の輻射シ−ルド６は放電室１と同じアノ−ド
電位である。放電室１とプラズマ発生電極４の間に高周
波電力が供給されるからプラズマ発生電極４と輻射シ−
ルド６、５との間に高周波放電が発生しこれが蒸気を励
起してプラズマとする。高周波電源はイオン源の寸法や
材料によって適当に周波数、パワ−が選ばれるべきであ
る。例えば１３ＭＨｚ、１ｋＷのものを使うことができ
る。プラズマが引出電極系１１によってイオンビ−ムに
なって引き出される。

【００１０】プラズマ発生電極は陰極でなく熱電子を発
生しないから比較的低温である。先述のようにこれは１
８００℃程度である。厚い面積の大きい電極板にできる
からスパッタによる損傷が少ない。逆にプラズマ発生電
極は輻射シ−ルドで囲まれた高温のプラズマ空間にある
からこれに金属蒸気等が堆積するということがない。た
とえ一時的に付着しても高温であるので再び蒸発する。
従ってプラズマ発生電極は常に正常でしかも消耗もしな
いから交換の必要性が殆どない。

【００１１】図２に本発明の他の実施例を示す。これは
独立のプラズマ発生電極４を設ける代わりにもともと存
在する中間部の輻射シ−ルド６の一つをプラズマ発生電
極２４に転用するものである。この場合、この輻射シ−
ルドと他の輻射シ−ルド６、５とは絶縁しなければなら
ない。このようにすると部材を一つ節減でき構造を単純
化できる。さらに放電の起こる範囲が広くなるのでプラ
ズマ発生がより盛んになるという長所もある。さらにこ
の例では蒸発源を別に設けず放電室１の内部に固体原料
２５を入れたるつぼ２６を置いてある。カソ−ドフィラ
メント７の熱によって固体原料が蒸気になる。これは蒸
発源を不要とするので装置が簡略化されるという利点が
ある。

【００１２】

【発明の効果】本発明で用いるプラズマ発生電極はカソ
−ドフィラメントより温度が低いし抵抗値を上げる必要
がないので幾何学的にも熱に強い構造にできる。高融点
の材料をプラズマにするイオン源は一層高温にせざるを
えないが、本発明は寿命の短いカソ−ドフィラメントを
用いないので保守点検の労が軽減されメンテナンスが容
易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるイオン源の概略断面
図。

【図２】本発明の他の実施例に係るイオン源の概略断面
図。

【図３】従来例に係るイオン源の概略断面図。

【符号の説明】

１ 放電室 ２ 側板 ３ 蓋板 ４ プラズマ発生電極 ５ 輻射シ−ルド ６ 輻射シ−ルド ７ アノ−ドフィラメント ８ プラズマ電極 ９ 引出電極 １０ 接地電極 １１ 引出電極系 １２ 磁石 １３ 高周波電源 １４ 蒸発源 １５ るつぼ １６ ヒ−タ １７ オ−ブン １８ 外套部 １９ 連絡管 ２０ フィ−ドパイプ ２１ 絶縁物 ２２ 輻射シ−ルド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 恭博 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株 式会社内 (72)発明者 松永 幸二 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株 式会社内 (72)発明者 井内 裕 京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株 式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空に引くことができ内部に放電を起こさ
   せることによりガス物質をプラズマに励起する放電室
   と、放電室内壁に沿って設けられる輻射シ−ルドと、放
   電室の外周に設けられプラズマを閉じ込めるための磁石
   と、放電室の内部に設けられ放電室と同一またはほぼ同
   電位のヒ−タであるアノ−ドフィラメントと、放電室の
   出口に設けられ多孔金属板よりなる引出電極系と、放電
   室の内部に設けられ放電室と絶縁されたプラズマ発生電
   極と、放電室とプラズマ発生電極の間に高周波電力を供
   給する高周波電源とを含み、放電室とプラズマ発生電極
   の間で高周波放電を起こさせこれによってガスを励起し
   てプラズマとし引き出し電極からイオンビ−ムとして引
   き出すようにしたことを特徴とするイオン源。
2. 【請求項２】真空に引くことができ内部に放電を起こさ
   せることによりガス物質をプラズマに励起する放電室
   と、放電室内壁に沿って設けられる輻射シ−ルドと、放
   電室の外周に設けられプラズマを閉じ込めるための磁石
   と、放電室の内部に設けられ放電室と同一またはほぼ同
   電位のヒ−タであるアノ−ドフィラメントと、放電室の
   出口に設けられ多孔金属板よりなる引出電極系と、放電
   室の内部に設けられ放電室及び他の輻射シ−ルドと絶縁
   された面積の広い電極用輻射シ−ルドと、放電室と電極
   用輻射シ−ルドの間に高周波電力を供給する高周波電源
   とを含み、放電室と電極用輻射シ−ルドの間で高周波放
   電を起こさせこれによってガスを励起してプラズマとし
   引き出し電極からイオンビ−ムとして引き出すようにし
   たことを特徴とするイオン源。