イオンガン

【課題】複数のフィラメントを有するイオンガンにおいて、イオンビームの電流密度を均一にする。
【解決手段】カソードが長手方向に延在する複数のフィラメントからなり、グリッドが長手方向に延在するイオンビーム引出し孔を有するイオンガンにおいて、イオンビーム引出し孔の周辺に配置された複数の主磁石であって、各々がＳ極をイオンビーム出射方向に、Ｎ極をその逆方向に向けて配置された主磁石、複数の主磁石の端部に長手方向及び幅方向に関して対称配置された少なくとも４個の第１の補助磁石であって、各々がＳ極を長手方向内向きに、Ｎ極をその逆方向に向けて配置された第１の補助磁石、及び複数のフィラメント間の離隔部分に対応する位置に幅方向に対称配置された第２の補助磁石であって、各々がＮ極をイオンビーム出射方向に、Ｓ極をその逆方向に向けて配置された第２の補助磁石を備える構成とした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオンガンに関し、特に、イオンガンにおけるイオンビームの引出し構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンガンは一般に圧電素子の周波数調整装置等に使用され、その原理として、イオンガン内部にプラズマを生成し、そのプラズマにビーム出射方向の磁場を与えつつプラズマからイオンを引き出して加速し、それによってイオンビームが形成される。
【０００３】
図１Ａに一般的なイオンガンを示す（例えば、特許文献１）。イオンガンは一対のフィラメント１１及び１２からなるカソード１０、カソード１０に平行な長手方向を有する環状のアノード２０、イオンビーム引出し孔３１を有するグリッド３０、並びにカソード１０及びアノード２０を内部に密閉するとともに複数のイオンビーム引出し孔３１を露出させる本体４０からなる。カソード１０とアノード２０がプラズマ生成手段を構成し、それぞれの電源（不図示）に接続されている。また、本体４０は放電ガスを導入するためのガス導入口４１及び冷却機構４２を備える。
【０００４】
図７Ａ及び７Ｂは従来技術におけるアノード２０周辺のそれぞれ側面図及び上面図である。図７Ｂに示すように、グリッド３０は、アノード２０の周縁で画定される領域に長手方向（ｘ軸方向）に配列されるイオンビーム引出し孔３１を有する。イオンビーム引出し孔３１は複数の孔からなる。
【０００５】
イオンガンの動作について、まず、ガス導入口４１からアルゴン等の放電ガスが本体４０の内部に導入される。フィラメント１１及び１２に負電圧、アノード２０に正電圧がそれぞれ印加され、その電位差によって放電が行なわれてプラズマが生成される。グリッド３０に電源から電圧が印加されると、イオンビーム引出し孔３１によってプラズマからイオンが引き出されて加速され、イオンビームが形成される。
【０００６】
図７Ａ及び７Ｂに示すように、イオンビーム引出し孔３１の周囲には、Ｓ極をイオンビーム出射方向（ｚ軸正方向）に、Ｎ極をその逆に向けた複数の磁石５５が配置されている。この磁石５５によって、イオンビーム引出し孔３１におけるｚ軸正方向の磁場を形成し、プラズマ密度を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３１１１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図８はこの構成における、グリッド面から２５ｍｍの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図８の横軸は図７Ａ及び７Ｂのｘ軸方向に対応する位置を表し、位置０ｍｍの点は図７Ａ及び７Ｂにおけるｘ＝０の位置に対応する。ここで、図８に示すように、イオン電流密度は一対のフィラメント１１及び１２に対応して高くなるとともにフィラメント間の離隔部分では低くなり、その分布が均一にならないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、複数のフィラメントを有するイオンガンにおいて、イオンビームの電流密度を均一にする構成を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題を解決するためのイオンガンは、カソード及びアノードからなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッドを備え、長手方向及び幅方向を有し、カソードが長手方向に延在する複数のフィラメントからなり、グリッドが長手方向に延在するイオンビーム引出し孔を有する。イオンガンはさらに、イオンビーム引出し孔の周辺に配置された複数の主磁石であって、各々がＳ極をイオンビーム出射方向に、Ｎ極をその逆方向に向けて配置された主磁石（５０）、複数の主磁石の端部に長手方向及び幅方向に関して対称配置された少なくとも４個の第１の補助磁石であって、各々がＳ極を長手方向内向きに、Ｎ極をその逆方向に向けて配置された第１の補助磁石（６０）、及び複数のフィラメント間の離隔部分に対応する位置に幅方向に対称配置された第２の補助磁石であって、各々がＮ極をイオンビーム出射方向に、Ｓ極をその逆方向に向けて配置された第２の補助磁石（６５）を備える。
【００１１】
本発明の一実施例では、上記イオンガンにおいて、複数のフィラメントが一対のフィラメントからなる。
ここで、複数のフィラメントに通電する電流を個別に制御する電源をさらに備える構成としてもよい。
また、第１の補助磁石及び第２の補助磁石が複数の主磁石の外側に配置される構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】イオンガンの基本構成を示す図である。
【図１Ｂ】アノードの例を示す図である。
【図１Ｃ】イオン引出し孔の例を示す図である。
【図２Ａ】本発明の実施例によるイオンガンのアノード付近の側面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施例によるイオンガンのアノード付近の上面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施例によるイオンガンの断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施例によるイオンガンの磁石付近の側面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施例によるイオンガンの磁石付近の上面図である。
【図４】本発明の実施例によるイオンビーム電流密度を示す図である。
【図５Ａ】参照例のイオンガンのイオンビーム電流密度を示す図である。
【図５Ｂ】参照例のイオンガンのイオンビーム電流密度を示す図である。
【図５Ｃ】参照例のイオンガンのイオンビーム電流密度を示す図である。
【図６Ａ】参照例の磁石配置を示す図である。
【図６Ｂ】参照例の磁石配置を示す図である。
【図６Ｃ】参照例の磁石配置を示す図である。
【図７Ａ】従来のイオンガンのアノード付近の側面図である。
【図７Ｂ】従来のイオンガンのアノード付近の上面図である。
【図８】従来例のイオンガンのイオンビーム電流密度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、複数のフィラメントがカソードとして設けられているイオンガンにおいて、そのイオンビーム電流密度の不均一性をアノード周辺の磁石配置を調整することにより改善するものである。
本発明の実施例によるイオンガンの基本構成は、上述した図１Ａの構成と同様である。即ち、イオンガンはカソード１０及びアノード２０からなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッド３０を備える。カソード１０は長手方向に延在する一対のフィラメント１１及び１２からなり、グリッド３０は長手方向に延在するイオンビーム引出し孔３１を有する。グリッド３０は２枚重ねの構造であり、遮蔽グリッドと加速グリッドにより構成される。遮蔽グリッドはイオンガン本体と同電位であり、イオンガン本体のイオン引出し面に配置される。加速グリッドは遮蔽グリッドから所定距離離間してほぼ平行に配置され、加速電位が印加される。これにより電圧勾配を形成し、プラズマ中のイオンを引出す。加速グリッドの外側に接地電位の減速グリッドを配置して３枚重ねのグリッド構造としてもよい。減速グリッドは加速グリッドから所定距離離間してほぼ平行に配置すればよい。
【００１４】
アノード２０は、図１Ｂに示すように、上面図において（ａ）枠状、（ｂ）中央が分離した枠状、（ｃ）一端が開放された枠状、（ｄ）２枚の板状等の形態をとり得る。
イオンビーム引出し孔３１は、図１Ｃに示すように、上面図において（ａ）複数の複眼孔が分離して配列されたもの、（ｂ）複数の複眼孔が連接配列されつつも個々の複眼孔の形が認識できるもの、（ｃ）複数の複眼孔が連接配列されて個々の複眼孔の形が認識できないもの、（ｄ）複数の単眼孔が分離して配列されたもの、（ｅ）長手方向に延在する単一の孔等の形態をとり得る。
なお、アノード及びイオンビーム引出し孔の形態には種々のバリエーションがあり、本発明のアノード２０及びイオンビーム引出し孔３１は図１Ｂ及び１Ｃに示すものに限定されない。
【００１５】
本発明は、アノード２０周辺の磁石配置の構成が従来例と異なる。図２Ａ乃至２Ｃは本発明におけるアノード２０周辺のそれぞれ側面図、上面図及び断面図である。説明の便宜上、イオンビーム引出し孔３１の中心部を原点として、上記長手方向をｘ軸方向、幅方向をｙ軸方向、イオンビーム出射方向をｚ軸正方向とする。
【００１６】
図２Ａ乃至２Ｃに示すように、複数の主磁石５０がイオンビーム引出し孔３１の周辺に配置され、主磁石５０の各々は、Ｓ極をｚ軸正方向に、Ｎ極をその逆方向に向けて配置される。複数の主磁石５０によってイオンビーム引出し孔３１にｚ軸正方向の磁場が与えられる。この主磁石５０の構成は従来例（図７Ａ及び７Ｂ）の磁石５５と同様であってもよい。
本発明の実施例では、上記の主磁石５０に加えて、第１の補助磁石６０及び第２の補助磁石６５を備える。
【００１７】
補助磁石６０は複数の主磁石５０の端部にｘ軸及びｙ軸に関して対称配置される。補助磁石６０は複数の主磁石５０の外側に配置することが望ましいが、主磁石５０と同一直線上若しくは主磁石５０の内側に配置してもよい。補助磁石６０の各々は、Ｓ極をｘ軸原点方向に、Ｎ極をその逆方向に向けて配置される。この４個の補助磁石６０によってイオンビーム引出し孔３１の端部に、ｘ軸原点方向の磁場が与えられる。なお、本実施例では４個の補助磁石６０を用いているが、補助磁石６０のサイズや磁力の強さに応じて、その数は変更できる。例えば、図２Ａにおいて、各位置の補助磁石６０をｚ軸方向に複数段設ける等してもよい。
【００１８】
補助磁石６５は、一対のフィラメント１１とフィラメント１２の間の離隔部分に対応する位置にｘ軸対称配置される。補助磁石６５は複数の主磁石５０の外側に配置することが望ましいが、主磁石５０と同一直線上上若しくは主磁石５０の内側に配置してもよい。補助磁石６５の各々は、Ｎ極をｚ軸正方向に、Ｓ極をその逆方向に向けて配置される。この２個の補助磁石６５によって、イオンビーム引出し孔３１の中央（フィラメント１１とフィラメント１２の離隔部分に対応する位置）にｚ軸負方向の磁場が与えられる。
【００１９】
図３Ａ及び３Ｂに主磁石５０、補助磁石６０及び補助磁石６５の詳細説明図を示す。主磁石５０のＳ極面及びＮ極面にはそれぞれ平板状磁性体７０が取り付けられる。磁性体７０はｘ−ｙ平面に平行に配置される。実施例では、一対の磁性体板とその間に配列される複数の主磁石を１ユニットとして、２ユニットが準備され、アノード２０外周のＸ軸に沿ってユニット夫々がイオンガン本体に固定される。補助磁石６０にはＳ極面にのみ磁性体７１が取り付けられる。磁性体７１はＬ字状に形成され、一端は補助磁石に他端は取付け台７３に固定される。取付け台７３は非磁性材料により構成され、イオンガン本体に固定される。補助磁石６５には両側面にＬ字状磁性体７２の一端が取り付けられ、磁性体７２の他端は取付け台７３に固定される。Ｌ字状磁性体７１及び７２の磁石取付け面はｙ−ｚ平面に平行に配置され、取り付け台への固定面はｘ−ｙ平面に平行に配置される。主磁石５０、補助磁石６０、補助磁石６５、磁性体７０、磁性体７１及び磁性体７２により磁場が最適化され、所望のイオン電流密度分布が得られる。磁性体７０乃至７２は、鉄等の磁性材料から構成される。
【００２０】
図４に本実施例におけるイオンビーム電流密度（グリッド面から２５ｍｍの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度）の分布を示す。図４においても、横軸は図２Ａ及び２Ｂのｘ軸方向に対応する位置を表し、位置０ｍｍの点は図２Ａ及び２Ｂにおけるｘ＝０の位置に対応する。
【００２１】
また、参照として、図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃに、それぞれ、補助磁石６０のみが設けられた場合（図６Ａ）、補助磁石６０及び補助磁石６５が設けられるが補助磁石６５の極性が図２Ａ乃至２Ｃに示すものと逆である場合（図６Ｂ）、及び補助磁石６５を長手方向に平行に配置した場合（図６Ｃ）のイオンビーム電流密度を示す。測定条件は、ビーム電圧：６００Ｖ、放電電流：８００ｍＡ、アルゴンガス流量（５．０ｓｃｃｍ）、放電圧力：２．８×１０^−２Ｐａである。
【００２２】
図４に示すように、実施例の構成によってほぼ均一なイオン電流密度が得られた。イオン引出し孔３１の中心から±５０ｍｍの範囲（即ち、ｙ＝０、ｘ＝±５０）で、イオン電流密度の平均値を基準として各位置における平均値からの差分をパーセンテージで表すと、従来例（図８）においては±６．９％であったものが、本実施例（図４）においては±２．４％となり、本実施例によって均一性が大幅に改善されたことが分かる。また、参照例の図５Ａ、５Ｂ、５Ｃにおいては、それぞれ、±７．１％、±６．９％、±７．７％であった。
【００２３】
このように、図２Ａ乃至２Ｃに示す実施例の構成によると、一対のフィラメント１１及び１２を有するイオンガンにおいて、主磁石５０並びに補助磁石６０及び６５の相互作用によって均一なイオンビーム電流密度を得ることができる。
【００２４】
また、イオンガンには、一対のフィラメント１１及び１２に通電する電流を制御する電源（不図示）が設けられる。ここで、電源は各フィラメントに対して個別に電流制御可能なものとしてもよい。各フィラメントを個別に電流制御することにより、フィラメント間の出力ばらつきや磁石間の磁力のばらつきを補償して、より均一なイオンビーム電流密度を得ることができる。
【００２５】
なお、上記実施例では、長手方向に延在して配置された一対のフィラメント１１及び１２を有するイオンガンについて説明したが、当業者であれば、本発明の原理は、長手方向に延在して配置された３本以上のフィラメントを有するイオンガンにも適用できることが分かるはずである。例えば、ｎ本のフィラメントがそれぞれ離隔部分をもって延在配置される場合、少なくとも合計４個の補助磁石６０が上記実施例と同様にイオン引出し孔３１の四隅に配置されるとともに、Ｎ極をｚ軸正方向に向けた合計（ｎ−１）×２個の補助磁石６５が、フィラメント間の離隔部分に対応する位置にｘ軸対称配置されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１０．カソード
１１、１２．フィラメント
２０．アノード
３０．グリッド
３１．イオンビーム引出し孔
４０．本体
４１．ガス導入口
５０．主磁石
６０、６５．補助磁石

【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード及びアノードからなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッドを備えた、長手方向及び幅方向を有するイオンガンであって、
前記カソードが前記長手方向に延在する複数のフィラメントからなり、
前記グリッドが前記長手方向に延在するイオンビーム引出し孔を有し、
さらに、
前記イオンビーム引出し孔の周辺に配置された複数の主磁石であって、各々がＳ極をイオンビーム出射方向に、Ｎ極をその逆方向に向けて配置された主磁石、
前記複数の主磁石の端部に前記長手方向及び前記幅方向に関して対称配置された少なくとも４個の第１の補助磁石であって、各々がＳ極を前記長手方向内向きに、Ｎ極をその逆方向に向けて配置された第１の補助磁石、及び
前記複数のフィラメント間の離隔部分に対応する位置に前記幅方向に対称配置された第２の補助磁石であって、各々がＮ極をイオンビーム出射方向に、Ｓ極をその逆方向に向けて配置された第２の補助磁石
を備えたイオンガン。
【請求項２】
請求項１のイオンガンにおいて、前記複数のフィラメントが一対のフィラメントからなるイオンガン。
【請求項３】
請求項１のイオンガンにおいて、前記第１の補助磁石及び前記第２の補助磁石が前記複数の主磁石の外側に配置されたイオンガン。
【請求項４】
請求項１乃至３のイオンガンであって、前記複数のフィラメントに通電する電流を個別に制御する電源をさらに備えたイオンガン。

【図１Ａ】