JP6733284B2 - イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、ホローカソードを用いたイオン源に関するものである。

この種のイオン源としては、特許文献１に示すように、内部でプラズマを生成するためのプラズマ生成容器と、プラズマ生成容器の内部に電子を放出するホローカソードとを備えたものがある。そして、ホローカソードに対してプラズマ生成容器をアノード電位に保つとともに、ホローカソードを通してキセノンガスをプラズマ生成容器内に導入することで、ホローカソードとプラズマ生成容器との間に放電が起こり、ホローカソードから放出された電子が加速され、キセノンガスに衝突してプラズマが発生する。

さらにこのイオン源は、プラズマ生成容器の内部にカスプ磁場を発生させる複数の永久磁石を備えており、生成されたプラズマをカスプ磁場によりプラズマ生成容器の内壁から離れた領域に閉じ込めることで、プラズマの損失を抑制するようにしている。

このようにカスプ磁場を発生させてプラズマの損失を低減させるという技術的思想が知られている中で、本願発明者は、従来の技術的思想とは異なり、カスプ磁場を利用してプラズマの生成効率を向上させるための構成について鋭意検討した。

特開平５−２４８３４６号公報

本発明は、上述した本願発明者の鋭意検討によりなされたものであり、カスプ磁場を利用してプラズマの生成効率を向上させることのできるイオン源を提供することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るイオン源は、プラズマ生成容器内に電子を放出する電子通過孔を有したホローカソードと、前記プラズマ生成容器の内部にカスプ磁場を形成する複数の磁石とを備え、プラズマ生成用ガスが前記電子通過孔を通って前記プラズマ生成容器内に導入されるイオン源において、前記プラズマ生成容器内に生じる電場及び前記カスプ磁場が前記電子通過孔を通過する電子に作用して、当該電子が前記電子通過孔から前記プラズマ生成容器内に放出される電子放出方向に沿ってＥｘＢ（イー・クロス・ビー）ドリフトするように、前記ホローカソードが配置されていることを特徴とする。
なお、ここでいう「電子放出方向に沿って」とは、電子放出方向と一致している状態には限られず、電子放出方向から僅かに逸れた状態も含まれる。

このように構成されたイオン源であれば、電子がカスプ磁場内に放出されるので、カスプ磁場外に電子が放出される場合に比べて、電子の容器壁面での損失を減らすことが出来る。加えて、電子が電子放出方向に沿ってＥｘＢドリフトするので、電子がプラズマ生成容器内に拡散され、プラズマ生成容器内のガスの電離が促進される。
その結果、プラズマ生成効率が向上し、小流量のプラズマ生成用ガスや少ないアーク電流で高密度のプラズマを生成することができるようになる。

前記プラズマ生成容器の引出し口が長尺状をなし、前記電子放出方向と前記ＥｘＢドリフト方向とが同じ方向であり、これらの方向が前記引出し口の長手方向と平行であることが好ましい。
このような構成であれば、ホローカソードから放出された電子をより長い時間飛行させることができ、より高密度のプラズマを生成することができる。

プラズマ生成容器内において、場所ごとにプラズマ分布を制御できるようにするためには、前記プラズマ生成容器に複数の前記ホローカソードが設けられていることが好ましい。

このように構成された本発明によれば、カスプ磁場を利用してプラズマの生成効率を向上させることができる。

本実施形態のイオン源の構成を模式的に示す断面図。 本実施形態のイオン源のＡ−Ａ線断面図。 本実施形態のホローカソードの構成を模式的に示す断面図。 その他の実施形態のイオン源の構成を模式的に示す断面図。

以下に、本発明に係るイオン源の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態のイオン源１００は、例えばイオンビーム照射装置に用いられるものであり、具体的には図１及び図２に示すように、内部でプラズマＰが生成されるプラズマ生成容器２と、プラズマ生成容器２内からイオンビームを引き出すための加速電極３と、プラズマ生成容器２の内部にカスプ磁場Ｂを形成するための複数の磁石４と、プラズマ生成容器２内に電子を放出するホローカソード５とを具備している。

プラズマ生成容器２は、内部が図示しない真空ポンプにより所定の真空度に保たれるものであり、ここでは概略直方体形状の容器であるが、円柱形状等の別形状の容器であっても良い。このプラズマ生成容器２には、１つの側壁２１に例えば長方形などの長尺状の引出し口２２が形成されるとともに、前記引出し口２２が形成された側壁２１とは別の側壁２１に内部に原料ガスであるイオン化ガスを導入するためのガス導入口２３が形成されている。

加速電極３は、多数の穴もしくはスリットを有した概略平板状の金属板である。この加速電極３は、プラズマ生成容器２に形成された引出し口２２を塞ぐようにその引出し口２２の外側近傍に設けられており、加速電極３と同じ構造の図示されない他の電極と協働して、プラズマ生成容器２からイオンビームを引き出すためのものである。

複数の磁石４は、プラズマ生成容器２内で生成されたプラズマＰをプラズマ生成容器２の内側の所定領域内に閉じ込めるカスプ磁場Ｂを形成する永久磁石であり、プラズマ生成容器２の側壁２１のうち引出し口２２が形成された側壁２１とは別の側壁２１に設けられている。ここでは、各磁石４を側壁２１の外側に設けているが、各磁石４を側壁２１の内側に設けても良い。ただし、メンテナンス性や磁石４の冷却効率の観点からは、側壁２１の外側に設ける方が好ましい。
なお、各磁石４はプラズマ生成容器２の側壁２１に直接取り付けられるようにしてもいいが、磁石４を収納するホルダーを設けておき、このホルダーをプラズマ生成容器２の側壁２１にボルト等を介して取り付けるようにしても良い。

これらの磁石４は、側壁２１に対向する側の磁極が少なくとも同一の側壁２１において互い違いになるように、各側壁２１に沿って並べられている。この配置により、各磁石４によるカスプ磁場Ｂは、図１及び図２に示すように、互いに隣り合う磁石４においてＮ極からＳ極に向かって生じるとともに、プラズマ生成容器２の側壁２１の内面を覆うように形成される。本実施形態では、磁石４として例えばネオジウム磁石等の強力な磁石を用いている。これにより、プラズマ生成容器２内の磁場分布は、例えば側壁２１の近傍では１０００ガウスを越える磁場が生じ、側壁２１からプラズマ生成容器２の中心部に向かうに従って磁場が急減して、プラズマ生成容器２の中心部ではゼロガウスになるような分布になる。

ホローカソード５は、プラズマ生成容器２の側壁２１のうち上述した引出し口２２が形成された側壁２１以外の他の側壁２１からプラズマ生成容器２の内部に挿入されている。ここでは、図１に示すように、引出し口２２の長尺方向に沿って互いに対向する側壁２１の一方から挿入されるとともに他方に対向して設けられている。

具体的にホローカソード５は、図３に示すように、加熱されて電子を放出する筒状のカソード５１と、カソード５１の上端開口を塞ぐオリフィス板５２と、オリフィス板５２を支持するとともにカソード５１を内部に収容する支持筒５３と、カソード５１を加熱する加熱機構５４とを備えている。そして、加熱機構５４によってカソード５１を加熱するとともに、カソード５１の内側にアルゴンなどのプラズマ生成用ガス（点灯用ガス）を導入することで、前記カソード５１内にプラズマを生成し、そのプラズマ中の電子をオリフィス板５２に形成されたオリフィス５２１から放出するように構成されている。

本実施形態のホローカソード５は、カソード５１に対してアノードとして機能するキーパ電極５５をさらに備えており、カソード５１とキーパ電極５５との間に所定電圧が印加されることで、カソード５１からキーパ電極５５に向かって電子が引き出されるように構成されている。

このキーパ電極５５は、第２支持筒５６に支持されてオリフィス板５２と対向するように設けられており、オリフィス５２１に臨むように形成された電子通過孔５５１を有している。

上述した構成により、前記電子通過孔５５１を通ってプラズマ生成用ガスがプラズマ生成容器２内に導入されるとともに、この電子通過孔５５１を通過した電子がプラズマ生成容器２内に放出される。すなわち、このホローカソード５からプラズマ生成容器２内に放出される電子の放出方向Ｌ（以下、電子放出方向Ｌともいう）は、オリフィス５２１の中心及び電子通過孔５５１の中心を通り、ホローカソード５の中心軸Ｃと平行に下方から上方に向かう方向となる。

本実施形態では、上述したホローカソード５に対してプラズマ生成容器２をアノード電位に保つことで、カソード５１内で生じたプラズマ中の電子がホローカソード５からプラズマ生成容器２に放出され、プラズマ生成容器２内でイオン化ガスを電離してプラズマＰを発生させるようにしている。

このようにプラズマ生成容器２内にプラズマＰが発生すると、プラズマ電位がプラズマ生成容器２の電位よりも高いことから、図２に示すように、プラズマ生成容器２内にはプラズマＰからプラズマ生成容器２の側壁２１に向かう電場が生じることになる。

そして本実施形態では、図２に示すように、プラズマ生成容器２内に生じる電場Ｅ及びカスプ磁場Ｂが電子通過孔５１１を通過する電子に作用して、電子が電子放出方向Ｌと同じ方向にＥｘＢドリフトするように、ホローカソード５を配置してある。

上述した配置により、電子通過孔５１１を通過する電子は、カスプ磁場内に放出されることになる。
ここで、プラズマ生成容器２内に生じる上述の磁場分布において、ゼロガウス付近の領域に存在する電子には磁場の影響が少なく、電子は電極面などとの衝突で失われてしまい、イオン化ガスの電離に寄与する割合は少ない。
一方、例えば数１０ガウス以上の領域に放出された電子は、放出された領域に生じている磁場の等高線に沿った領域に閉じ込められるため、電極面などと衝突する可能性が低くなり、イオン化ガスの電離に寄与する割合が高い。ここでは、このような領域を上述した「カスプ磁場内」という。

本実施形態のホローカソード５は、図２に示すように、軸方向から視て、プラズマ生成容器２の中心よりも何れか１つの側壁２１に寄せて設けられており、カスプ磁場Ｂが電子通過孔５５１を通過するように配置されている。言い換えれば、このホローカソード５は、軸方向から視て、その中心軸Ｃがプラズマ生成容器２の中心から偏心しており、前記中心軸Ｃとプラズマ生成容器２における１つの側壁２１との離間距離が、前記中心軸Ｃとその他の側壁２１との離間距離よりも短くなるように設けられている。

このようにホローカソード５を配置することで、電子通過孔５５１を通過する電子には、図２に示すように、ホローカソード５の中心軸Ｃから、この中心軸Ｃとの離間距離が最も短い側壁２１に向かう方向の電場Ｅが作用する。つまり、電子通過孔５５１を通過する電子に作用する電場Ｅの方向は、ホローカソード５の中心軸Ｃから最も近い側壁２１の法線方向となる。

上述した構成により、電子通過孔５５１を通過する電子は、当該電子に作用するカスプ磁場Ｂの方向と電場Ｅの方向とに直交する方向であって、ホローカソード５から離れる方向Ｘ（以下、ＥｘＢドリフト方向Ｘという）にＥｘＢドリフトすることになる。

本実施形態では、ＥｘＢドリフト方向Ｘとホローカソード５の軸方向とが平行になるようにしており、これらの方向を引出し口２２の長手方向と平行にしてある。これにより、図１に示すように、電子放出方向Ｌは、ＥｘＢドリフト方向Ｘと一致する。

このように構成された本実施形態に係るイオン源１００によれば、ホローカソード５を、電子通過孔５５１を通過する電子にカスプ磁場Ｂが作用するように配置しているので、ホローカソード５から放出される電子は、ホローカソード５に近接する一対の磁石４によって形成されるカスプ磁場Ｂに捕捉され、これら一対の磁石４の間を往復運動しながらＥｘＢドリフト方向Ｘに進む。

そして、電子放出方向ＬとＥｘＢドリフト方向Ｘとを一致させているので、電子がプラズマ生成容器２内に拡散され、電子がプラズマ生成容器２内のイオン化ガスと衝突する頻度が増え、イオン化ガスを効率的にイオン化させることができる。これにより、プラズマＰの生成効率の向上を図ることができ、小流量のプラズマ生成用ガスや少ないアーク電流によって高密度のプラズマＰを生成することが可能となる。

さらに、電子放出方向ＬとＥｘＢドリフト方向Ｘとを、引出し口２２の長手方向と平行にしてあるので、ホローカソード５から放出された電子をより長い時間飛行させることができ、より高密度のプラズマＰを生成することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、電子放出方向をＥｘＢドリフト方向に一致させていたが、電子放出方向は、ＥｘＢドリフト方向の成分を有していれば良い。
このような構成であれば、ホローカソード５から放出された電子を長い時間飛行させることができるので、従来に比べてプラズマの生成効率を向上させることができる。

また、前記実施形態では、ホローカソードをプラズマ生成容器の側壁のうち引出し口の長尺方向に対向する側壁の一方に設けていたが、図４に示すように、ホローカソード５は、引出し口２２に対向するように設けられていても良い。

さらに、プラズマ生成容器に複数のホローカソードが設けられていても良い。
各ホローカソードから放出される電子は、各ホローカソードに近接する一対の磁石によって形成されるカスプ磁場に捕捉され、これら一対の磁石の間を往復運動する。このことから、プラズマは各ホローカソードに近接する磁石の近傍で高密度になる。したがって、上述したように複数のホローカソードを用いれば、各ホローカソードの放電電流を制御することにより、プラズマ生成容器内におけるプラズマの分布を場所ごとに制御することができる。

加えて、ホローカソードは、前記実施形態ではキーパ電極を備えるものであったが、必ずしもキーパ電極を備えている必要はない。キーパ電極を備えていない場合、オリフィス板に形成されたオリフィスが、プラズマ生成容器内に電子を放出する電子通過孔である。

そのうえ、前記実施形態では、永久磁石を用いてカスプ磁場を形成していたが、電磁石を用いてカスプ磁場を形成しても良い。

また、プラズマ生成容器にはイオン化ガスを導入する為のガス導入口は必ずしも形成されている必要はない。ホローカソード内に供給されるプラズマ生成用ガスをプラズマ化し、このプラズマから加速電極を通してイオンビームを引き出す構成のイオン源であれば、プラズマ生成容器の側壁にガス導入口を形成する必要はない。
このイオン源の場合、前記実施形態で述べたホローカソード配置を採用するとともに、プラズマ生成用ガスの電離効率の考慮すれば、ホローカソードからプラズマ生成容器へ導入されるプラズマ生成用ガスの導入方向と電子放出方向とを揃えておくことが望まれる。
一方、前記実施形態で述べたイオン源では、プラズマ生成用ガスの導入方向と、ホローカソードから放出される電子の放出方向とは必ずしも一致させておく必要はない。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・イオン源
２ ・・・プラズマ生成容器
３ ・・・加速電極
４ ・・・磁石
５ ・・・ホローカソード
５５１・・・電子通過孔
Ｂ ・・・カスプ磁場
Ｅ ・・・電場
Ｘ ・・・ＥｘＢドリフト方向
Ｌ ・・・導入方向

Claims (3)

1. プラズマ生成容器内に電子を放出する電子通過孔を有したホローカソードと、前記プラズマ生成容器の内部にカスプ磁場を形成する複数の磁石とを備え、プラズマ生成用ガスが前記電子通過孔を通って前記プラズマ生成容器内に導入されるイオン源において、
   前記プラズマ生成容器内に生じる電場及び前記カスプ磁場が前記電子通過孔を通過する電子に作用して、当該電子が前記電子通過孔から前記プラズマ生成容器内に放出される電子放出方向に沿ってＥｘＢドリフトするように、前記ホローカソードが配置されており、
   前記プラズマ生成容器において前記電子通過孔に対向する前記電子放出方向側の側壁に前記磁石が設けられているイオン源。
2. プラズマ生成容器内に電子を放出する電子通過孔を有したホローカソードと、前記プラズマ生成容器の内部にカスプ磁場を形成する複数の磁石とを備え、プラズマ生成用ガスが前記電子通過孔を通って前記プラズマ生成容器内に導入されるイオン源において、
   前記プラズマ生成容器内に生じる電場及び前記カスプ磁場が前記電子通過孔を通過する電子に作用して、当該電子が前記電子通過孔から前記プラズマ生成容器内に放出される電子放出方向に沿ってＥｘＢドリフトするように、前記ホローカソードが配置されており、
   前記プラズマ生成容器の引出し口の、当該引出し口から引き出されるイオンビームの引き出し方向と直交する断面が長尺状をなし、
   前記電子放出方向と前記ＥｘＢドリフトの方向とが一致しており、これらの方向が前記断面の長手方向と平行であるイオン源。
3. 前記プラズマ生成容器に複数の前記ホローカソードが設けられている請求項１又は２記載のイオン源。