イオン源引き出し領域におけるプラズマ境界面制御方法及びそのイオン源
【課題】
従来の方法では引き出し方向から見てプラズマ境界面が凸面となり、発散イオンビームしか得られない。
【解決手段】
従来の電場のみの制御ではプラズマ境界面が凸面にしか成り得なかったプラズマ条件でも、イオン引き出し領域に任意の磁場を与えることによりプラズマ密度分布又は／及び電子温度分布が変化し、凹面に制御することができるため、従来の方法では得られなかった高輝度ビームを得る。
従来の方法では引き出し方向から見てプラズマ境界面が凸面となり、発散イオンビームしか得られない。
【解決手段】
従来の電場のみの制御ではプラズマ境界面が凸面にしか成り得なかったプラズマ条件でも、イオン引き出し領域に任意の磁場を与えることによりプラズマ密度分布又は／及び電子温度分布が変化し、凹面に制御することができるため、従来の方法では得られなかった高輝度ビームを得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明によってイオン源から高輝度（高強度かつ低ミッタンス）なイオンビームが得られれば、ビーム輸送における集束レンズ系の物点に多くのイオンを供給できるので、高強度な微小径ビーム（マイクロビームまたはナノビーム）を形成する際に有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマからのイオン引き出しにおいて、プラズマ境界面（プラズマからイオンが放出される面）から放出されるイオンが自己集束力を持てば、効率よく低エミッタンスのイオンビームを形成することができる。実際、電極間の距離よりもプラズマシース長が長い場合には、プラズマ境界面の形状が引き出し方向から見て凹面となり、自己集束力を持った良好なイオン引き出し系となる。
【０００３】
一方、プラズマからより多くのイオンを引き出すためには、プラズマ密度及び電子温度はできるだけ高い方が良い。しかし、プラズマシース長はプラズマ密度及び電子温度が高くなると短くなる。この時、プラズマ境界面の形状は引き出し方向から見て凸面となり、引き出されたイオンが発散してしまうため、イオン引き出し効率が悪くなる。つまり、プラズマ密度、電子温度が高くなりすぎると、引き出し可能なイオン電流密度は増加するが、シース長が短くなり、プラズマ境界面は凸面と変化し、そこから引き出されるイオンは発散ビームとなり、結果として引き出されるイオンの量は減少してしまう（非特許文献１及び２）。プラズマ境界面が凸面となる場合でも、引き出し電圧を上げればプラズマシースが長くなるため、再びプラズマ境界面が凹面となる。しかし、引き出し電圧は絶縁破壊電圧以上にすることはできないため、おのずと良好なイオン引き出し条件が得られるプラズマ密度および電子温度の範囲は制限され、この結果、イオン源輝度の上限が決まる。
【非特許文献１】石川順三著、「イオン源工学」、１７７ページ、アイオニクス株式会社
【非特許文献２】LAN G. BROWN、The Physics and Technology of Ion Source, p.23ページ,WILEY-INTERSCIENCE PUBLICATION
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高強度のイオンビームを得るために、プラズマからより多くのイオンを引き出すには、プラズマ密度及び電子温度はできるだけ高い方が良いのであるが、前述の理由により上限が決まる。本発明の課題は、従来の方法では引き出し方向から見てプラズマ境界面が凸面となり、発散ビームしか得られないようなプラズマ条件を維持したまま、プラズマ境界面を凹面に変化させることである。
【課題を解決しようとする手段】
【０００５】
本発明では、プラズマ境界面のプラズマ密度又は／及び電子温度の分布を変化させ、これにより境界面の形状を制御する。一例としては、今までイオン引き出し領域に積極的に用いられなかった磁場を積極的に用いることによってプラズマ境界面のプラズマ密度又は／及び温度の分布を最適化することが考えられる。特に、本発明の特徴は、プラズマ密度又は／及び電子温度を調整して最適化することによってプラズマ境界面の形状を変化させることである。
【０００６】
これに対し、従来のプラズマ型イオン源では、イオン引き出し領域の電場のみを考慮し、設計されている。これは、以下の２つの条件による。
（１）引き出し領域磁場によるプラズマ境界面への効果が正確にシミュレーションできない。
【０００７】
（２）シミュレーションによる最適化ができないため、磁場による効果でプラズマ境界面が予想せぬ形状に変化し、イオン引き出し効率が低下するのを嫌う。
[発明の効果]
【０００８】
本発明では、従来の電場のみの制御ではプラズマ境界面が凸面にしか成り得なかった
プラズマ条件でも、イオン引き出し領域に任意の磁場を与えることにより、プラズマ密度又は／及び電子温度の分布を最適化して凸面を変化させることができるため、従来の方法では得られなかった高輝度ビームを得ることが可能となる。
【０００９】
又、本発明の方式を用いれば、従来の方法と比較して、低い引き出し電圧で良好なイオン引き出しを行えるので、引き出し電圧を供給する高電圧電源を低電圧化して小型化し、省コストとすることも可能である。
（発明を実施するための一形態）
図１〜３に示されるように、１対の引き出し電極１及びアノード電極２をそれぞれ相対して配置し、これらの電極間に、発生プラズマからイオンを引き出すための電圧を印可する。この１対の電極には、その中央部に種々の形状の空穴が設けられており、印可される電圧とプラズマ密度及び電子温度の程度により、その穴を通してプラズマ境界面が突出することになる。本発明のイオン源は、このイオン源プラズマのプラズマ境界面に対し、磁場を付与してその密度又は／及び電子温度の分布を調整することで、境界面を凹面状に形成することにより、プラズマから引き出されるイオンを集束するものである。
【００１０】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）
従来型のイオン源プラズマからのイオンの引き出し領域の概要図を図１及び２に示す。プラズマ密度及び電子温度が適切な場合、シース長は電極間距離よりも長くなり、プラズマ境界面４は図１に示されるように凹面となる。イオンはプラズマ境界面の垂直方向に放出されるため、図中の矢印の方向へ飛行する。この時、イオンは集束する方向に飛行するので、引き出し効率の良い低エミッタンスビームが得られる。
【００１２】
この状態から、プラズマ密度及び電子温度を上げていくと、図２に示すようにシース長が電極距離以下となり、プラズマ境界面が凸面へと変化し、プラズマ境界面からイオンが発散するように放出される。この状態では、プラズマ３から放出されるイオンの全体量は増加するが、放出イオンが発散してしまうため低エミッタンスビームが得られなくなり、引き出し効率も悪い。そこで、図２の状態に適切な磁場を付与することで、図３に示されるように境界面の中心付近が凹面に変化し、プラズマから放出されたイオンが集束するために、良質なイオンビームが形成される。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明の微小径ビームの主な利用分野をまとめると次のとおりである。
（１）高位置分解能微量元素分析
水素イオン（陽子）ビームを用いることによって微小領域での元素分析（Particle Induced X-ray Emission:PIXE）が可能である。
【００１４】
（２）半導体デバイス等の微細加工が可能である。
（３）バイオテクノロジーにおける細胞内特定部位のイオン照射が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的なイオン源引き出し領域の概念図であり、良好な引き出し系の例を示している。
【図２】プラズマ密度や電子温度が高過ぎて良好な引き出し系が得られない例を示す図である。
【図３】本発明によってプラズマ境界面の制御がなされ、良好な引き出し系が得られた状態を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１：引き出し電極（電位 零ボルト）、２：アノード電極（電位 Ｖボルト）、３：プラズマ（電位 Ｖボルト）、４：プラズマ境界面、５：磁場
【技術分野】
【０００１】
本発明によってイオン源から高輝度（高強度かつ低ミッタンス）なイオンビームが得られれば、ビーム輸送における集束レンズ系の物点に多くのイオンを供給できるので、高強度な微小径ビーム（マイクロビームまたはナノビーム）を形成する際に有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマからのイオン引き出しにおいて、プラズマ境界面（プラズマからイオンが放出される面）から放出されるイオンが自己集束力を持てば、効率よく低エミッタンスのイオンビームを形成することができる。実際、電極間の距離よりもプラズマシース長が長い場合には、プラズマ境界面の形状が引き出し方向から見て凹面となり、自己集束力を持った良好なイオン引き出し系となる。
【０００３】
一方、プラズマからより多くのイオンを引き出すためには、プラズマ密度及び電子温度はできるだけ高い方が良い。しかし、プラズマシース長はプラズマ密度及び電子温度が高くなると短くなる。この時、プラズマ境界面の形状は引き出し方向から見て凸面となり、引き出されたイオンが発散してしまうため、イオン引き出し効率が悪くなる。つまり、プラズマ密度、電子温度が高くなりすぎると、引き出し可能なイオン電流密度は増加するが、シース長が短くなり、プラズマ境界面は凸面と変化し、そこから引き出されるイオンは発散ビームとなり、結果として引き出されるイオンの量は減少してしまう（非特許文献１及び２）。プラズマ境界面が凸面となる場合でも、引き出し電圧を上げればプラズマシースが長くなるため、再びプラズマ境界面が凹面となる。しかし、引き出し電圧は絶縁破壊電圧以上にすることはできないため、おのずと良好なイオン引き出し条件が得られるプラズマ密度および電子温度の範囲は制限され、この結果、イオン源輝度の上限が決まる。
【非特許文献１】石川順三著、「イオン源工学」、１７７ページ、アイオニクス株式会社
【非特許文献２】LAN G. BROWN、The Physics and Technology of Ion Source, p.23ページ,WILEY-INTERSCIENCE PUBLICATION
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高強度のイオンビームを得るために、プラズマからより多くのイオンを引き出すには、プラズマ密度及び電子温度はできるだけ高い方が良いのであるが、前述の理由により上限が決まる。本発明の課題は、従来の方法では引き出し方向から見てプラズマ境界面が凸面となり、発散ビームしか得られないようなプラズマ条件を維持したまま、プラズマ境界面を凹面に変化させることである。
【課題を解決しようとする手段】
【０００５】
本発明では、プラズマ境界面のプラズマ密度又は／及び電子温度の分布を変化させ、これにより境界面の形状を制御する。一例としては、今までイオン引き出し領域に積極的に用いられなかった磁場を積極的に用いることによってプラズマ境界面のプラズマ密度又は／及び温度の分布を最適化することが考えられる。特に、本発明の特徴は、プラズマ密度又は／及び電子温度を調整して最適化することによってプラズマ境界面の形状を変化させることである。
【０００６】
これに対し、従来のプラズマ型イオン源では、イオン引き出し領域の電場のみを考慮し、設計されている。これは、以下の２つの条件による。
（１）引き出し領域磁場によるプラズマ境界面への効果が正確にシミュレーションできない。
【０００７】
（２）シミュレーションによる最適化ができないため、磁場による効果でプラズマ境界面が予想せぬ形状に変化し、イオン引き出し効率が低下するのを嫌う。
[発明の効果]
【０００８】
本発明では、従来の電場のみの制御ではプラズマ境界面が凸面にしか成り得なかった
プラズマ条件でも、イオン引き出し領域に任意の磁場を与えることにより、プラズマ密度又は／及び電子温度の分布を最適化して凸面を変化させることができるため、従来の方法では得られなかった高輝度ビームを得ることが可能となる。
【０００９】
又、本発明の方式を用いれば、従来の方法と比較して、低い引き出し電圧で良好なイオン引き出しを行えるので、引き出し電圧を供給する高電圧電源を低電圧化して小型化し、省コストとすることも可能である。
（発明を実施するための一形態）
図１〜３に示されるように、１対の引き出し電極１及びアノード電極２をそれぞれ相対して配置し、これらの電極間に、発生プラズマからイオンを引き出すための電圧を印可する。この１対の電極には、その中央部に種々の形状の空穴が設けられており、印可される電圧とプラズマ密度及び電子温度の程度により、その穴を通してプラズマ境界面が突出することになる。本発明のイオン源は、このイオン源プラズマのプラズマ境界面に対し、磁場を付与してその密度又は／及び電子温度の分布を調整することで、境界面を凹面状に形成することにより、プラズマから引き出されるイオンを集束するものである。
【００１０】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）
従来型のイオン源プラズマからのイオンの引き出し領域の概要図を図１及び２に示す。プラズマ密度及び電子温度が適切な場合、シース長は電極間距離よりも長くなり、プラズマ境界面４は図１に示されるように凹面となる。イオンはプラズマ境界面の垂直方向に放出されるため、図中の矢印の方向へ飛行する。この時、イオンは集束する方向に飛行するので、引き出し効率の良い低エミッタンスビームが得られる。
【００１２】
この状態から、プラズマ密度及び電子温度を上げていくと、図２に示すようにシース長が電極距離以下となり、プラズマ境界面が凸面へと変化し、プラズマ境界面からイオンが発散するように放出される。この状態では、プラズマ３から放出されるイオンの全体量は増加するが、放出イオンが発散してしまうため低エミッタンスビームが得られなくなり、引き出し効率も悪い。そこで、図２の状態に適切な磁場を付与することで、図３に示されるように境界面の中心付近が凹面に変化し、プラズマから放出されたイオンが集束するために、良質なイオンビームが形成される。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明の微小径ビームの主な利用分野をまとめると次のとおりである。
（１）高位置分解能微量元素分析
水素イオン（陽子）ビームを用いることによって微小領域での元素分析（Particle Induced X-ray Emission:PIXE）が可能である。
【００１４】
（２）半導体デバイス等の微細加工が可能である。
（３）バイオテクノロジーにおける細胞内特定部位のイオン照射が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的なイオン源引き出し領域の概念図であり、良好な引き出し系の例を示している。
【図２】プラズマ密度や電子温度が高過ぎて良好な引き出し系が得られない例を示す図である。
【図３】本発明によってプラズマ境界面の制御がなされ、良好な引き出し系が得られた状態を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１：引き出し電極（電位 零ボルト）、２：アノード電極（電位 Ｖボルト）、３：プラズマ（電位 Ｖボルト）、４：プラズマ境界面、５：磁場
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ型イオン源において、プラズマ境界面でのプラズマ密度分布又は／及び電子温度分布を変化させることによってプラズマ境界面の形状を制御することからなる、イオン源引き出し領域におけるプラズマ境界面制御方法。
【請求項２】
１対の引き出し電極及びアノード電極を相対して配置し、これらの電極間に、プラズマからイオンを引き出すための電圧を印可することによりイオンビームを形成するイオン源において、この発生するプラズマに対して磁場を付与してプラズマ密度又は／及び電子温度を調整し、プラズマ境界面を凹面状に形成することにより、プラズマ境界面から集束ビームを取り出すことを特徴とする、前記イオン源。
【請求項１】
プラズマ型イオン源において、プラズマ境界面でのプラズマ密度分布又は／及び電子温度分布を変化させることによってプラズマ境界面の形状を制御することからなる、イオン源引き出し領域におけるプラズマ境界面制御方法。
【請求項２】
１対の引き出し電極及びアノード電極を相対して配置し、これらの電極間に、プラズマからイオンを引き出すための電圧を印可することによりイオンビームを形成するイオン源において、この発生するプラズマに対して磁場を付与してプラズマ密度又は／及び電子温度を調整し、プラズマ境界面を凹面状に形成することにより、プラズマ境界面から集束ビームを取り出すことを特徴とする、前記イオン源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−２７８００６（Ｐ２００６−２７８００６Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９１７８９（Ｐ２００５−９１７８９）
【出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（５０５３７４７８３）独立行政法人 日本原子力研究開発機構 (727)
【Ｆターム（参考）】
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