イオン源
【課題】 小型化が可能であり、かつイオンビーム生成効率の高いイオン源を提供する。
【解決手段】 このイオン源２は、プラズマ生成室２２と、その内部に配置された熱陰極１０と、その内部導体１４に原料ガス８を供給するガス供給パイプ２８と、プラズマ電極３８を有していてプラズマ２０からイオンビーム５０を引き出す引出し電極系３６とを備えている。熱陰極１０は、中空の外部導体１２と、その内側に同軸状に配置された中空の内部導体１４と、両導体１２、１４の先端部を電気的に接続する接続導体とを有しており、原料ガス８は内部導体１４の先端からプラズマ生成室２２内へ放出される。プラズマ電極３８は、陽極を兼ねていて、プラズマ生成室２２の一端部に、熱陰極１０の先端部に対向するように配置されており、かつ熱陰極１０の内部導体１４の先端の正面にイオン引出し孔を有している。
【解決手段】 このイオン源２は、プラズマ生成室２２と、その内部に配置された熱陰極１０と、その内部導体１４に原料ガス８を供給するガス供給パイプ２８と、プラズマ電極３８を有していてプラズマ２０からイオンビーム５０を引き出す引出し電極系３６とを備えている。熱陰極１０は、中空の外部導体１２と、その内側に同軸状に配置された中空の内部導体１４と、両導体１２、１４の先端部を電気的に接続する接続導体とを有しており、原料ガス８は内部導体１４の先端からプラズマ生成室２２内へ放出される。プラズマ電極３８は、陽極を兼ねていて、プラズマ生成室２２の一端部に、熱陰極１０の先端部に対向するように配置されており、かつ熱陰極１０の内部導体１４の先端の正面にイオン引出し孔を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒状（中空）の外部導体内に内部導体を配置した同軸構造の熱陰極を備えているイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ生成室の一方側内に、熱電子を放出する熱陰極（具体的にはフィラメント）を設け、他方側内に、電子を反射させる反射電極を熱陰極に相対向させて設け、かつ熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向に外部から磁界を印加する構造をしている、いわゆるバーナス型イオン源が従来から種々提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
上記プラズマ生成室の一つの壁面には、熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向に伸びている細長いイオン引出し孔が設けられており、このイオン引出し孔に対向する壁面または当該壁面に直交する壁面には、プラズマ生成室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給口が設けられている。
【０００４】
上記バーナス型イオン源においては、プラズマ生成室の壁面が陽極を兼ねていて、それと熱陰極との間のアーク放電によって原料ガスが電離されて、熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向を長軸（密度の高い部分を長手方向に結ぶ軸）とするプラズマが生成され、このプラズマから、その長軸とほぼ直交する方向に上記イオン引出し孔を通してイオンビームが引き出される。
【０００５】
また、特許文献２には、筒状の外部導体と、その内側に同軸状に配置されている中実（中が詰まっていて中空でないこと）構造の内部導体と、両導体の先端部間を埋めて当該先端部間を電気的に接続する接続導体とを有している同軸構造の熱陰極、およびそれを備えているイオン源が記載されている。この熱陰極に対する加熱電流は、接続導体を通して折り返されて、外部導体と内部導体とで互いに逆向きに流される。
【０００６】
この特許文献２に記載の熱陰極によれば、（ａ）外部導体と内部導体とが同軸状であり、かつ両導体で加熱電流が互いに逆向きに流されるので、両導体に流れる加熱電流が発生させる磁界が相殺し合い、当該熱陰極全体として見れば、加熱電流を流すことによって発生する磁界を小さく抑えることができるので、熱電子を放出しやすくなる、（ｂ）熱陰極の先端部等の体積を、線材（棒材とも言える）によって形成されている公知のフィラメントに比べて大きくすることができるので、陰極寿命を長くすることができる、等の効果を奏するとされている。
【０００７】
特許文献２には、バーナス型イオン源については言及されていないけれども、それに記載の熱陰極を、フィラメントに代わるものとして、バーナス型イオン源にも適用することができることは当業者にとって明らかであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記バーナス型イオン源においては、熱陰極としてフィラメントまたは上記同軸構造の熱陰極のいずれを用いるにせよ、熱陰極から放出された電子は、プラズマ生成室壁面との電位差によって加速されつつ飛行するが、このとき、外部の磁石から印加される磁界中で螺旋運動を行う。それによって、プラズマ生成室内において電子と原料ガス分子との衝突回数を増加させて、プラズマ生成効率を高めている。このような機能を実現するために、プラズマ生成室は、電子がガス分子と衝突するのに十分な大きさを持つ必要がある。
【０００９】
また、プラズマ生成室の壁面に設けた原料ガス供給口から原料ガスを供給するために、プラズマの長軸とガス放出方向とは互いにほぼ直交した方向となる。その結果、プラズマの長軸に沿う方向におけるガス圧分布が不均一になり、ひいては、プラズマ密度分布が不均一になるので、この不均一を緩和するために、プラズマ生成室の体積を大きくする必要がある。
【００１０】
更に、プラズマ生成室の壁面はプラズマにとっては損失面となるために、熱陰極の反対側に電子反射用の反射電極を設ける必要があり、そのための空間がプラズマ生成室内に必要である。
【００１１】
以上のように、バーナス型イオン源においては、ある程度以上のプラズマ生成室の体積を確保する必要があるので、これが制約となって、当該イオン源を小型化するのが難しいという課題がある。
【００１２】
また、プラズマ生成室の体積が大きいと、プラズマ生成のために投入する放電電力の利用効率が低下するので、そのぶんイオンビーム生成効率が低下するという課題もある。
【００１３】
そこでこの発明は、小型化が可能であり、かつイオンビーム生成効率の高いイオン源を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係るイオン源は、（ａ）プラズマを生成するためのプラズマ生成室と、（ｂ）前記プラズマ生成室内に配置されていて、加熱電流が流されて前記プラズマ生成室内に熱電子を放出する熱陰極であって、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されている熱陰極と、（ｃ）前記プラズマ生成室外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成室内へ放出させるガス供給手段と、（ｄ）前記熱陰極との間で放電を生じさせる陽極を兼ねる電極であって、前記プラズマ生成室の一端部に、前記熱陰極の先端部に間隔をあけて対向するように配置されており、かつ前記熱陰極の内部導体の先端の正面にイオン引出し孔を有しているプラズマ電極を有していて、前記プラズマ生成室内のプラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
このイオン源においては、熱陰極（より具体的にはその内部導体）の先端が原料ガス供給口を兼ねており、原料ガスは熱陰極の先端からプラズマ電極のイオン引出し孔に向けて放出される。従って、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に、プラズマ生成室内で最もガス圧の高い領域が形成され、しかもその領域に、当該領域に近接している熱陰極から熱電子が放出されるので、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に柱状で高密度のプラズマが生成される。この高密度のプラズマから、当該プラズマに近接しているプラズマ電極のイオン引出し孔を通して、当該プラズマの軸に沿う方向にイオンビームを引き出すことができる。
【００１６】
その結果、大きな体積のプラズマ生成室を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室の体積を小さくすることができるので、当該イオン源を小型化することができる。しかも、プラズマ電極のイオン引出し孔の近傍に生成された高密度のプラズマからその軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。
【００１７】
前記熱陰極は、前記接続導体を有する代わりに、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続していて、その接続部で前記加熱電流が折り返されるよう構成されていても良い。
【００１８】
前記熱陰極の内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されていても良い。
【００１９】
前記プラズマ生成室内に前記熱陰極の内部導体の先端部の中心と前記プラズマ電極のイオン引出し孔の中心とを結ぶ線に沿う方向に磁界を発生させる磁気コイルを備えていても良い。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、熱陰極の先端が原料ガス供給口を兼ねていて、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に柱状で高密度のプラズマが生成され、このプラズマからプラズマ電極のイオン引出し孔を通して当該プラズマの軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、大きな体積のプラズマ生成室を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室の体積を小さくすることができる。従って当該イオン源を小型化することができる。しかも、プラズマ電極のイオン引出し孔の近傍に生成された高密度のプラズマからその軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。
【００２１】
また、熱陰極の先端付近で生成される熱電子は、プラズマ生成室内で最もガス圧の高い領域に放出されることになるので、熱陰極から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、放電電圧を低くすることや、熱陰極の加熱温度を低くすることが可能になり、それによって熱陰極の消耗量を小さく抑えて熱陰極の寿命を長くすること等が可能になる。
【００２２】
更に、熱陰極の内部導体が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体の太さを大きくすることができる。その結果、内部導体の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命を長くすることができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の外部導体の先端部と内部導体の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体を用いる場合に比べて、熱陰極の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の内部導体は外部導体よりも温度が高くなるけれども、内部導体は外部導体よりも融点の高い材料で形成されているので、内部導体の耐熱性が高く、従って内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極の運転範囲をより広くすることもできる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のような磁気コイルを備えていると、当該磁気コイルが発生する磁界の強度を制御することによって、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に生成される柱状のプラズマの直径方向の大きさを変化させることができる。それによって、当該プラズマ内での電子とガス分子、電子とイオン、イオンとイオン等の衝突の平均回数を変化させてプラズマ中のイオン種の比率を変化させ、イオンビーム中に含まれるイオン種の比率を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１中の熱陰極周りの拡大断面図である。
【図３】図１に示すイオン源の放電電流−引出し電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。
【図４】図１に示すイオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。
【図５】従来のバーナス型イオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。
【図６】この発明に係るイオン源を構成する熱陰極の他の例を部分的に示す断面図である。
【図７】この発明に係るイオン源を構成する熱陰極の更に他の例を部分的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。図２は、図１中の熱陰極周りの拡大断面図である。
【００２８】
このイオン源２は、プラズマ２０を生成するためのプラズマ生成室２２を備えている。プラズマ生成室２２は、この実施形態では、真空容器２４、プラズマ電極３８、両者２４、３８間を絶縁する筒状の絶縁物３１および真空容器２４内に設けられた陰極ホルダ２６によって区画されている。プラズマ生成室２２内は、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して真空排気される。これはイオン源の一般的な方法である。
【００２９】
プラズマ生成室２２内に、陰極ホルダ２６によって保持されて、熱陰極１０が配置されている。熱陰極１０は、中空の外部導体１２と、この外部導体１２の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体１４と、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体１６とを有している。従ってこの熱陰極１０は、特許文献２に記載の熱陰極と違って、その内部（より具体的には内部導体１４の内部）に後述するように原料ガス８を通すことができる。外部導体１２および内部導体１４は、共に筒状（但し以下に述べるように、横断面が円形に限られるものではない）をしていると言うこともできる。
【００３０】
内部導体１４のプラズマ生成室２２外の端部に、ガス供給パイプ２８が接続されている。このガス供給パイプ２８は、プラズマ生成室２２外の部分から熱陰極１０の内部導体１４内に原料ガス（蒸気の場合を含む）８を供給して、当該原料ガス８を、内部導体１４内を通して当該内部導体１４の先端からプラズマ生成室２２内へ放出させるガス供給手段と、内部導体１４に加熱電源５２からの加熱電流ＩH を流す電流導入端子とを兼ねている。
【００３１】
加熱電源５２からの加熱電流ＩH は、真空容器２４、陰極ホルダ２６、熱陰極１０の外部導体１２、接続導体１６、内部導体１４およびガス供給パイプ２８の経路で流される。３２は筒状の絶縁物である。
【００３２】
即ち、この熱陰極１０においては、加熱電源５２から供給される加熱電流ＩH は、先端部の接続導体１６を通して折り返されて、外部導体１２と内部導体１４とで互いに逆向きに流される。この加熱電流ＩH によって、熱陰極１０は、より具体的にはそれを構成する外部導体１２、内部導体１４および接続導体１６は発熱してプラズマ生成室２２内に熱電子を放出する。
【００３３】
加熱電源５２は、この実施形態では直流電源の場合の例を示しているが、それに限られるものではなく、交流電源でも良い。
【００３４】
熱陰極１０の外部導体１２および内部導体１４は、この実施形態では、横断面が共に円形をしているが、それに限られるものではなく、横断面が共に楕円形や多角形等をしていても良い。
【００３５】
接続導体１６は、この実施形態では円環状をしているが、それに限られるものではなく、要は外部導体１２および内部導体１４の横断面形状に合わせれば良い。
【００３６】
接続導体１６は、この実施形態では、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部との間に嵌合して結合している。この接続導体１６と外部導体１２および内部導体１４との結合は、例えば、嵌合による結合のみでも良いし、嵌合と溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、結合の信頼性が向上する。
【００３７】
外部導体１２、内部導体１４および接続導体１６は、それぞれ、例えば、モリブデン（融点２８９６Ｋ）、タンタル（融点３２９０Ｋ）、タングステン（融点３６９５Ｋ）、レニウム（融点３４５９Ｋ）、イリジウム（融点２７３９Ｋ）のような高融点金属またはこれらの金属の内の二つ以上を含む合金等の高融点材料で形成するのが好ましい。
【００３８】
プラズマ生成室２２の一端側には、プラズマ生成室２２内で生成されたプラズマ２０から電界の作用でイオンビーム５０を引き出す引出し電極系３６が配置されている。引出し電極系３６は、この実施形態では、上記プラズマ電極３８と、その下流側に設けられた接地電極４２とを有している。両電極３８、４２間には、前者３８を正極側にして、直流の引出し電源５６から引出し電圧ＶE が印加される。３０は筒状の絶縁物である。
【００３９】
プラズマ電極３８は、プラズマ生成室２２の一端部を区画しているので、プラズマ生成室２２の一端部に配置されていると言うことができる。このプラズマ電極３８は、熱陰極１０との間で放電（具体的にはアーク放電。以下同様）を生じさせる陽極を兼ねており、熱陰極１０の先端に所定の（例えば数ｍｍ〜数ｃｍ程度の）間隔をあけて対向するように配置されている。
【００４０】
プラズマ電極３８は、熱陰極１０の内部導体１４の先端の正面にイオン引出し孔４０を有している。より具体的には、内部導体１４の先端部の穴の中心とイオン引出し孔４０の中心は、実質的に同じ軸４６上に、即ち実質的に同軸上に位置している。接地電極４２のイオン引出し孔４４も同様である。イオン引出し孔４０および４４は、例えば円形の孔であるが、それに限られるものではない。
【００４１】
引出し電極系３６の、プラズマ電極３８よりも下流側の電極構成は、この実施形態以外の構成でも良い。即ち引出し電極系３６は、この実施形態では２枚の電極で構成されているが、それに限られるものではなく、目的等に応じて、３枚や４枚等の電極で構成されていても良い。
【００４２】
プラズマ電極３８と熱陰極１０（より具体的にはこの実施形態ではその内部導体１４）との間には、前者３８を正極側にして、直流のアーク電源５４から放電電圧ＶD が印加される。
【００４３】
この実施形態のように、熱陰極１０の周囲に熱シールド３４を設けておいても良い。それによって、熱陰極１０の温度上昇の効率を高めると共に、周囲の真空容器２４、絶縁物３１等への輻射熱の伝播抑制を図ることができる。熱シールド３４は、この実施形態では２重の筒状をしているが、１重でも良い。
【００４４】
必要に応じて、プラズマ生成室２２の周りの構造物を冷却する冷却機構を設けておいても良い。例えば、真空容器２４、プラズマ電極３８、接地電極４２、ガス供給パイプ２８等を、冷却水等の冷媒によって冷却する冷却機構（例えば冷却パイプ）を設けておいても良い。
【００４５】
このイオン源２を相手機器に取り付けるための取付けフランジ４８を必要に応じて設けておいても良い。
【００４６】
また、図１に示すイオン源２は、仮想線（二点鎖線）で示すように磁気コイル５８を有していない場合の例であるが、それを有していても良い。これについては後述する。後述する図３、図４は、磁気コイル５８を有していないイオン源２についてのものである。
【００４７】
このイオン源２においては、熱陰極１０（より具体的にはその内部導体１４）の先端が原料ガス供給口を兼ねており、ガス供給パイプ２８から供給された原料ガス８は、熱陰極１０の先端からプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０に向けて放出され、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０から排気される。従って、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に、即ち上記軸４６付近に、プラズマ生成室２２内で最もガス圧の高い領域が形成される。
【００４８】
しかもそのガス圧の高い領域に、当該領域に近接している熱陰極１０から熱電子が放出され、この熱電子が上記放電電圧ＶD によって加速されて原料ガス分子と衝突してそれを電離させるので、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間にアーク放電が発生する。それによって、原料ガス分子が更に電離されて、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に柱状で高密度のプラズマ２０が生成される。このプラズマ２０の軸２１は、上記軸４６とほぼ一致している。
【００４９】
そして上記高密度のプラズマ２０から、当該プラズマ２０に近接しているプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して、引出し電極系３６によって、当該プラズマ２０の軸２１に沿う方向にイオンビーム５０が引き出される。従ってイオンビーム５０は、上記軸４６、２１とほぼ同軸上に軸５１を持つことになる。
【００５０】
以上のようにこのイオン源２によれば、熱陰極１０の先端が原料ガス供給口を兼ねていて、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に柱状で高密度のプラズマ２０が生成され、このプラズマ２０からプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して当該プラズマ２０の軸２１に沿う方向にイオンビーム５０を引き出すことができるので、大きな体積のプラズマ生成室２２を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室２２の体積を小さくすることができる。従って当該イオン源２を小型化することができる。
【００５１】
熱陰極１０の先端が原料ガス供給口を兼ねているので、プラズマ生成室２２の壁面に原料ガス供給口を設ける必要がないことも、プラズマ生成室２２の体積を小さくすることに寄与している。また、この実施形態では、真空容器２４の一部分が加熱電流ＩH の経路を兼ねており、これもプラズマ生成室２２の体積を小さくすることに寄与している。
【００５２】
この実施形態では、プラズマ生成室２２の寸法を、直径が約２ｃｍ、長さが約３ｃｍと、非常に小さくすることができた。それに伴ってイオン源２全体も非常に小型化することができた。
【００５３】
しかもこのイオン源２は、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の近傍に生成された高密度のプラズマ２０からその軸２１に沿う方向にイオンビーム５０を引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。これを補足説明すると、このイオン源２では、イオン引出し孔４０付近のプラズマ２０中のイオン電流密度は、アーク放電電流密度と大して変らず、このような高密度のプラズマ２０からその軸２１方向にイオンビーム５０を引き出すことができる。その結果、従来のバーナス型イオン源に比べてイオンビーム生成効率はかなり高くなる。
【００５４】
この実施形態のイオン源２において、イオンビーム生成効率が高くなる効果を確かめた結果を、図３に示す放電電流−引出し電流特性を参照して説明する。放電電流ＩD はアーク電源５４の出力電流である。引出し電流ＩE は、引出し電源５６の出力電流であるが、これはイオンビーム５０のビーム電流にほぼ等しいと言うことができる。この図３の測定では、原料ガス８をアルゴンガスとし、ガス圧は、イオン源２を取り付けている真空容器内の圧力をイオン源２の近傍において電離真空計で測定したものである（これは図４、図５においても同様）。アーク電源５４の出力電圧である放電電圧ＶD は６０Ｖ、引出し電源５６の出力電圧である引出し電圧ＶE は１ｋＶにした。
【００５５】
この図３の例では、引出し電圧ＶE は１ｋＶという低いものであったが、例えばガス圧が０．２Ｐａ、放電電流ＩD が５００ｍＡで、約１ｍＡの引出し電流ＩE が得られている。このイオン源２のプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の直径は４ｍｍであるので、引出し電流密度は約８ｍＡ／ｃｍ2 であり、イオンビーム生成効率を表す一つの指標である放電電流効率（＝引出し電流密度÷放電電流ＩD ）は、約０．０１６ｃｍ-2である。これは一般的なバーナス型イオン源の約２．５倍という高い効率である。
【００５６】
また、このイオン源２においては、熱陰極１０の先端付近で生成される熱電子は、上述したように、プラズマ生成室２２内で最もガス圧の高い領域に放出されることになるので、熱陰極１０から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、放電電圧ＶD を低くすることや、熱陰極１０の加熱温度を低くすることが可能になる。
【００５７】
放電電圧ＶD を低くすることによって、プラズマ２０から受ける熱陰極１０のスパッタリングを低減することができるので、熱陰極１０の消耗量が減り、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。また、低い放電電圧ＶD で運転を行うことによって、電離電圧や解離電圧の低い分子イオンやクラスターイオンの生成効率を向上させることもできる。即ち、イオンビーム５０中に含まれる分子イオンやクラスターイオンの割合増加を図ることもできる。
【００５８】
熱陰極１０の加熱温度を低くすることによって、熱陰極１０の消耗量が減るので、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。
【００５９】
この実施形態のイオン源２において、放電電圧ＶD を低くすることができることを確かめた結果を、図４に示す放電電圧−放電電流特性を参照して説明する。この図４の測定では、原料ガス８（即ちアルゴンガス）の圧力は０．０１Ｐａとした。この図４から分かるように、上記ガス圧では、熱陰極１０に流す加熱電流ＩH が５０Ａで放電が可能となっている。また、加熱電流ＩH が５０Ａ〜５５Ａの範囲で、アルゴンガスの第１電離電圧に近い約１８Ｖという低い放電電圧ＶD で放電が可能になっている。
【００６０】
比較のために、従来のバーナス型イオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を図５に示す。この測定に用いたバーナス型イオン源は、熱陰極としてフィラメントを有している。この図５の測定では、原料ガスをアルゴンガスとし、そのガス圧を６．３×１０-3Ｐａとした。この図５から分かるように、バーナス型イオン源では約３０Ｖ以上の放電電圧からでしか放電が可能にならない。
【００６１】
また、この実施形態のイオン源２においては、熱陰極１０の内部導体１４が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体１４の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体１４の太さ（例えば外径）を大きくすることができる。その結果、内部導体１４の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体１４の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体１４の寿命ひいては熱陰極１０の寿命を長くすることができる。
【００６２】
より具体的には、内部導体１４の外径が外部導体１２の内径よりも小さいと内部導体１４の温度は外部導体１２の温度よりも必ず高くなるけれども、内部導体１４の外径を大きくすることによって、例えば外部導体１２の内径に近づけることによって、内部導体１４の温度を外部導体１２の温度に近づけることができる。
【００６３】
熱陰極１０は、例えば図６、図７に示す例のように、前記接続導体１６を有する代わりに、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部とを電気的に直接接続して、その接続部１８で前記加熱電流ＩH が折り返されるよう構成しても良い。
【００６４】
より具体的には、図６に示す熱陰極１０では、外部導体１２の先端部を内側に絞っておくことによって、内部導体１４の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部１８を形成している。
【００６５】
図７に示す熱陰極１０では、内部導体１４の先端部を外側に広げておくことによって、外部導体１２の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部１８を形成している。
【００６６】
上記接続部１８における両導体１２、１４の先端部の接続は、嵌め合いによる接続だけでも良いし、それと溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、接続の信頼性が向上する。
【００６７】
熱陰極１０の温度制御の応答性の観点から、図２、図６、図７に示した各熱陰極１０を比べると、図６、図７に示した熱陰極１０では、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体１６を用いた図２の熱陰極１０に比べて、熱陰極１０の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極１０の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。
【００６８】
上記いずれの例の熱陰極１０においても、内部導体１４を、外部導体１２よりも融点の高い材料で形成しておいても良い。その一例を挙げると、外部導体１２をタンタルで形成し、内部導体１４をタングステンで形成しておいても良い。前述したように、内部導体１４は必ず外部導体１２よりも温度が高くなるので、内部導体１４を外部導体１２よりも融点の高い材料で形成しておくことによって、内部導体１４の耐熱性を高くして、内部導体１４の寿命ひいては熱陰極１０の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極１０の運転範囲をより広くすることもできる。
【００６９】
再び図１、図２を参照して、イオン源２は、プラズマ生成室２２内に、熱陰極１０の内部導体１４の先端部の中心とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の中心とを結ぶ線に沿う方向に、換言すれば前記軸４６に沿う方向に磁界６０を発生させる磁気コイル５８を備えていても良い。この磁気コイル５８は、直流の励磁電源６２によって励磁されて磁界６０を発生させる。磁界６０の向きは図示とは逆でも良い。
【００７０】
上記のような磁気コイル５８を備えていると、当該磁気コイル５８が発生する磁界６０の強度を制御することによって、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に生成される柱状のプラズマ２０の直径方向の大きさを変化させることができる。それによって、当該プラズマ２０内での電子とガス分子、電子とイオン、イオンとイオン等の衝突の平均回数を変化させてプラズマ２０中のイオン種の比率を変化させ、イオンビーム５０中に含まれるイオン種の比率を制御することができる。
【符号の説明】
【００７１】
２ イオン源
８ 原料ガス
１０ 熱陰極
１２ 外部導体
１４ 内部導体
１６ 接続導体
１８ 接続部
２０ プラズマ
２２ プラズマ生成室
２８ ガス供給パイプ
３６ 引出し電極系
３８ プラズマ電極
４０ イオン引出し孔
５０ イオンビーム
５８ 磁気コイル
ＩH 加熱電流
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７２】
【特許文献１】特開２００１−２３６８９７号公報（段落０００１−０００８、図３）
【特許文献２】特開２００６−５４１０８号公報（段落００２０−００２３、図１、図２）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒状（中空）の外部導体内に内部導体を配置した同軸構造の熱陰極を備えているイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ生成室の一方側内に、熱電子を放出する熱陰極（具体的にはフィラメント）を設け、他方側内に、電子を反射させる反射電極を熱陰極に相対向させて設け、かつ熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向に外部から磁界を印加する構造をしている、いわゆるバーナス型イオン源が従来から種々提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
上記プラズマ生成室の一つの壁面には、熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向に伸びている細長いイオン引出し孔が設けられており、このイオン引出し孔に対向する壁面または当該壁面に直交する壁面には、プラズマ生成室内へ原料ガスを供給する原料ガス供給口が設けられている。
【０００４】
上記バーナス型イオン源においては、プラズマ生成室の壁面が陽極を兼ねていて、それと熱陰極との間のアーク放電によって原料ガスが電離されて、熱陰極と反射電極とを結ぶ線に沿う方向を長軸（密度の高い部分を長手方向に結ぶ軸）とするプラズマが生成され、このプラズマから、その長軸とほぼ直交する方向に上記イオン引出し孔を通してイオンビームが引き出される。
【０００５】
また、特許文献２には、筒状の外部導体と、その内側に同軸状に配置されている中実（中が詰まっていて中空でないこと）構造の内部導体と、両導体の先端部間を埋めて当該先端部間を電気的に接続する接続導体とを有している同軸構造の熱陰極、およびそれを備えているイオン源が記載されている。この熱陰極に対する加熱電流は、接続導体を通して折り返されて、外部導体と内部導体とで互いに逆向きに流される。
【０００６】
この特許文献２に記載の熱陰極によれば、（ａ）外部導体と内部導体とが同軸状であり、かつ両導体で加熱電流が互いに逆向きに流されるので、両導体に流れる加熱電流が発生させる磁界が相殺し合い、当該熱陰極全体として見れば、加熱電流を流すことによって発生する磁界を小さく抑えることができるので、熱電子を放出しやすくなる、（ｂ）熱陰極の先端部等の体積を、線材（棒材とも言える）によって形成されている公知のフィラメントに比べて大きくすることができるので、陰極寿命を長くすることができる、等の効果を奏するとされている。
【０００７】
特許文献２には、バーナス型イオン源については言及されていないけれども、それに記載の熱陰極を、フィラメントに代わるものとして、バーナス型イオン源にも適用することができることは当業者にとって明らかであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記バーナス型イオン源においては、熱陰極としてフィラメントまたは上記同軸構造の熱陰極のいずれを用いるにせよ、熱陰極から放出された電子は、プラズマ生成室壁面との電位差によって加速されつつ飛行するが、このとき、外部の磁石から印加される磁界中で螺旋運動を行う。それによって、プラズマ生成室内において電子と原料ガス分子との衝突回数を増加させて、プラズマ生成効率を高めている。このような機能を実現するために、プラズマ生成室は、電子がガス分子と衝突するのに十分な大きさを持つ必要がある。
【０００９】
また、プラズマ生成室の壁面に設けた原料ガス供給口から原料ガスを供給するために、プラズマの長軸とガス放出方向とは互いにほぼ直交した方向となる。その結果、プラズマの長軸に沿う方向におけるガス圧分布が不均一になり、ひいては、プラズマ密度分布が不均一になるので、この不均一を緩和するために、プラズマ生成室の体積を大きくする必要がある。
【００１０】
更に、プラズマ生成室の壁面はプラズマにとっては損失面となるために、熱陰極の反対側に電子反射用の反射電極を設ける必要があり、そのための空間がプラズマ生成室内に必要である。
【００１１】
以上のように、バーナス型イオン源においては、ある程度以上のプラズマ生成室の体積を確保する必要があるので、これが制約となって、当該イオン源を小型化するのが難しいという課題がある。
【００１２】
また、プラズマ生成室の体積が大きいと、プラズマ生成のために投入する放電電力の利用効率が低下するので、そのぶんイオンビーム生成効率が低下するという課題もある。
【００１３】
そこでこの発明は、小型化が可能であり、かつイオンビーム生成効率の高いイオン源を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明に係るイオン源は、（ａ）プラズマを生成するためのプラズマ生成室と、（ｂ）前記プラズマ生成室内に配置されていて、加熱電流が流されて前記プラズマ生成室内に熱電子を放出する熱陰極であって、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されている熱陰極と、（ｃ）前記プラズマ生成室外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成室内へ放出させるガス供給手段と、（ｄ）前記熱陰極との間で放電を生じさせる陽極を兼ねる電極であって、前記プラズマ生成室の一端部に、前記熱陰極の先端部に間隔をあけて対向するように配置されており、かつ前記熱陰極の内部導体の先端の正面にイオン引出し孔を有しているプラズマ電極を有していて、前記プラズマ生成室内のプラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
このイオン源においては、熱陰極（より具体的にはその内部導体）の先端が原料ガス供給口を兼ねており、原料ガスは熱陰極の先端からプラズマ電極のイオン引出し孔に向けて放出される。従って、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に、プラズマ生成室内で最もガス圧の高い領域が形成され、しかもその領域に、当該領域に近接している熱陰極から熱電子が放出されるので、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に柱状で高密度のプラズマが生成される。この高密度のプラズマから、当該プラズマに近接しているプラズマ電極のイオン引出し孔を通して、当該プラズマの軸に沿う方向にイオンビームを引き出すことができる。
【００１６】
その結果、大きな体積のプラズマ生成室を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室の体積を小さくすることができるので、当該イオン源を小型化することができる。しかも、プラズマ電極のイオン引出し孔の近傍に生成された高密度のプラズマからその軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。
【００１７】
前記熱陰極は、前記接続導体を有する代わりに、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続していて、その接続部で前記加熱電流が折り返されるよう構成されていても良い。
【００１８】
前記熱陰極の内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されていても良い。
【００１９】
前記プラズマ生成室内に前記熱陰極の内部導体の先端部の中心と前記プラズマ電極のイオン引出し孔の中心とを結ぶ線に沿う方向に磁界を発生させる磁気コイルを備えていても良い。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、熱陰極の先端が原料ガス供給口を兼ねていて、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に柱状で高密度のプラズマが生成され、このプラズマからプラズマ電極のイオン引出し孔を通して当該プラズマの軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、大きな体積のプラズマ生成室を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室の体積を小さくすることができる。従って当該イオン源を小型化することができる。しかも、プラズマ電極のイオン引出し孔の近傍に生成された高密度のプラズマからその軸方向にイオンビームを引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。
【００２１】
また、熱陰極の先端付近で生成される熱電子は、プラズマ生成室内で最もガス圧の高い領域に放出されることになるので、熱陰極から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、放電電圧を低くすることや、熱陰極の加熱温度を低くすることが可能になり、それによって熱陰極の消耗量を小さく抑えて熱陰極の寿命を長くすること等が可能になる。
【００２２】
更に、熱陰極の内部導体が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体の太さを大きくすることができる。その結果、内部導体の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命を長くすることができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の外部導体の先端部と内部導体の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体を用いる場合に比べて、熱陰極の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の内部導体は外部導体よりも温度が高くなるけれども、内部導体は外部導体よりも融点の高い材料で形成されているので、内部導体の耐熱性が高く、従って内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極の運転範囲をより広くすることもできる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のような磁気コイルを備えていると、当該磁気コイルが発生する磁界の強度を制御することによって、熱陰極の先端付近とプラズマ電極のイオン引出し孔付近との間に生成される柱状のプラズマの直径方向の大きさを変化させることができる。それによって、当該プラズマ内での電子とガス分子、電子とイオン、イオンとイオン等の衝突の平均回数を変化させてプラズマ中のイオン種の比率を変化させ、イオンビーム中に含まれるイオン種の比率を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１中の熱陰極周りの拡大断面図である。
【図３】図１に示すイオン源の放電電流−引出し電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。
【図４】図１に示すイオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。
【図５】従来のバーナス型イオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を示すグラフである。
【図６】この発明に係るイオン源を構成する熱陰極の他の例を部分的に示す断面図である。
【図７】この発明に係るイオン源を構成する熱陰極の更に他の例を部分的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。図２は、図１中の熱陰極周りの拡大断面図である。
【００２８】
このイオン源２は、プラズマ２０を生成するためのプラズマ生成室２２を備えている。プラズマ生成室２２は、この実施形態では、真空容器２４、プラズマ電極３８、両者２４、３８間を絶縁する筒状の絶縁物３１および真空容器２４内に設けられた陰極ホルダ２６によって区画されている。プラズマ生成室２２内は、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して真空排気される。これはイオン源の一般的な方法である。
【００２９】
プラズマ生成室２２内に、陰極ホルダ２６によって保持されて、熱陰極１０が配置されている。熱陰極１０は、中空の外部導体１２と、この外部導体１２の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体１４と、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体１６とを有している。従ってこの熱陰極１０は、特許文献２に記載の熱陰極と違って、その内部（より具体的には内部導体１４の内部）に後述するように原料ガス８を通すことができる。外部導体１２および内部導体１４は、共に筒状（但し以下に述べるように、横断面が円形に限られるものではない）をしていると言うこともできる。
【００３０】
内部導体１４のプラズマ生成室２２外の端部に、ガス供給パイプ２８が接続されている。このガス供給パイプ２８は、プラズマ生成室２２外の部分から熱陰極１０の内部導体１４内に原料ガス（蒸気の場合を含む）８を供給して、当該原料ガス８を、内部導体１４内を通して当該内部導体１４の先端からプラズマ生成室２２内へ放出させるガス供給手段と、内部導体１４に加熱電源５２からの加熱電流ＩH を流す電流導入端子とを兼ねている。
【００３１】
加熱電源５２からの加熱電流ＩH は、真空容器２４、陰極ホルダ２６、熱陰極１０の外部導体１２、接続導体１６、内部導体１４およびガス供給パイプ２８の経路で流される。３２は筒状の絶縁物である。
【００３２】
即ち、この熱陰極１０においては、加熱電源５２から供給される加熱電流ＩH は、先端部の接続導体１６を通して折り返されて、外部導体１２と内部導体１４とで互いに逆向きに流される。この加熱電流ＩH によって、熱陰極１０は、より具体的にはそれを構成する外部導体１２、内部導体１４および接続導体１６は発熱してプラズマ生成室２２内に熱電子を放出する。
【００３３】
加熱電源５２は、この実施形態では直流電源の場合の例を示しているが、それに限られるものではなく、交流電源でも良い。
【００３４】
熱陰極１０の外部導体１２および内部導体１４は、この実施形態では、横断面が共に円形をしているが、それに限られるものではなく、横断面が共に楕円形や多角形等をしていても良い。
【００３５】
接続導体１６は、この実施形態では円環状をしているが、それに限られるものではなく、要は外部導体１２および内部導体１４の横断面形状に合わせれば良い。
【００３６】
接続導体１６は、この実施形態では、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部との間に嵌合して結合している。この接続導体１６と外部導体１２および内部導体１４との結合は、例えば、嵌合による結合のみでも良いし、嵌合と溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、結合の信頼性が向上する。
【００３７】
外部導体１２、内部導体１４および接続導体１６は、それぞれ、例えば、モリブデン（融点２８９６Ｋ）、タンタル（融点３２９０Ｋ）、タングステン（融点３６９５Ｋ）、レニウム（融点３４５９Ｋ）、イリジウム（融点２７３９Ｋ）のような高融点金属またはこれらの金属の内の二つ以上を含む合金等の高融点材料で形成するのが好ましい。
【００３８】
プラズマ生成室２２の一端側には、プラズマ生成室２２内で生成されたプラズマ２０から電界の作用でイオンビーム５０を引き出す引出し電極系３６が配置されている。引出し電極系３６は、この実施形態では、上記プラズマ電極３８と、その下流側に設けられた接地電極４２とを有している。両電極３８、４２間には、前者３８を正極側にして、直流の引出し電源５６から引出し電圧ＶE が印加される。３０は筒状の絶縁物である。
【００３９】
プラズマ電極３８は、プラズマ生成室２２の一端部を区画しているので、プラズマ生成室２２の一端部に配置されていると言うことができる。このプラズマ電極３８は、熱陰極１０との間で放電（具体的にはアーク放電。以下同様）を生じさせる陽極を兼ねており、熱陰極１０の先端に所定の（例えば数ｍｍ〜数ｃｍ程度の）間隔をあけて対向するように配置されている。
【００４０】
プラズマ電極３８は、熱陰極１０の内部導体１４の先端の正面にイオン引出し孔４０を有している。より具体的には、内部導体１４の先端部の穴の中心とイオン引出し孔４０の中心は、実質的に同じ軸４６上に、即ち実質的に同軸上に位置している。接地電極４２のイオン引出し孔４４も同様である。イオン引出し孔４０および４４は、例えば円形の孔であるが、それに限られるものではない。
【００４１】
引出し電極系３６の、プラズマ電極３８よりも下流側の電極構成は、この実施形態以外の構成でも良い。即ち引出し電極系３６は、この実施形態では２枚の電極で構成されているが、それに限られるものではなく、目的等に応じて、３枚や４枚等の電極で構成されていても良い。
【００４２】
プラズマ電極３８と熱陰極１０（より具体的にはこの実施形態ではその内部導体１４）との間には、前者３８を正極側にして、直流のアーク電源５４から放電電圧ＶD が印加される。
【００４３】
この実施形態のように、熱陰極１０の周囲に熱シールド３４を設けておいても良い。それによって、熱陰極１０の温度上昇の効率を高めると共に、周囲の真空容器２４、絶縁物３１等への輻射熱の伝播抑制を図ることができる。熱シールド３４は、この実施形態では２重の筒状をしているが、１重でも良い。
【００４４】
必要に応じて、プラズマ生成室２２の周りの構造物を冷却する冷却機構を設けておいても良い。例えば、真空容器２４、プラズマ電極３８、接地電極４２、ガス供給パイプ２８等を、冷却水等の冷媒によって冷却する冷却機構（例えば冷却パイプ）を設けておいても良い。
【００４５】
このイオン源２を相手機器に取り付けるための取付けフランジ４８を必要に応じて設けておいても良い。
【００４６】
また、図１に示すイオン源２は、仮想線（二点鎖線）で示すように磁気コイル５８を有していない場合の例であるが、それを有していても良い。これについては後述する。後述する図３、図４は、磁気コイル５８を有していないイオン源２についてのものである。
【００４７】
このイオン源２においては、熱陰極１０（より具体的にはその内部導体１４）の先端が原料ガス供給口を兼ねており、ガス供給パイプ２８から供給された原料ガス８は、熱陰極１０の先端からプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０に向けて放出され、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０から排気される。従って、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に、即ち上記軸４６付近に、プラズマ生成室２２内で最もガス圧の高い領域が形成される。
【００４８】
しかもそのガス圧の高い領域に、当該領域に近接している熱陰極１０から熱電子が放出され、この熱電子が上記放電電圧ＶD によって加速されて原料ガス分子と衝突してそれを電離させるので、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間にアーク放電が発生する。それによって、原料ガス分子が更に電離されて、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に柱状で高密度のプラズマ２０が生成される。このプラズマ２０の軸２１は、上記軸４６とほぼ一致している。
【００４９】
そして上記高密度のプラズマ２０から、当該プラズマ２０に近接しているプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して、引出し電極系３６によって、当該プラズマ２０の軸２１に沿う方向にイオンビーム５０が引き出される。従ってイオンビーム５０は、上記軸４６、２１とほぼ同軸上に軸５１を持つことになる。
【００５０】
以上のようにこのイオン源２によれば、熱陰極１０の先端が原料ガス供給口を兼ねていて、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に柱状で高密度のプラズマ２０が生成され、このプラズマ２０からプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０を通して当該プラズマ２０の軸２１に沿う方向にイオンビーム５０を引き出すことができるので、大きな体積のプラズマ生成室２２を設ける必要がなくなり、プラズマ生成室２２の体積を小さくすることができる。従って当該イオン源２を小型化することができる。
【００５１】
熱陰極１０の先端が原料ガス供給口を兼ねているので、プラズマ生成室２２の壁面に原料ガス供給口を設ける必要がないことも、プラズマ生成室２２の体積を小さくすることに寄与している。また、この実施形態では、真空容器２４の一部分が加熱電流ＩH の経路を兼ねており、これもプラズマ生成室２２の体積を小さくすることに寄与している。
【００５２】
この実施形態では、プラズマ生成室２２の寸法を、直径が約２ｃｍ、長さが約３ｃｍと、非常に小さくすることができた。それに伴ってイオン源２全体も非常に小型化することができた。
【００５３】
しかもこのイオン源２は、プラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の近傍に生成された高密度のプラズマ２０からその軸２１に沿う方向にイオンビーム５０を引き出すことができるので、高いイオンビーム生成効率を実現することができる。これを補足説明すると、このイオン源２では、イオン引出し孔４０付近のプラズマ２０中のイオン電流密度は、アーク放電電流密度と大して変らず、このような高密度のプラズマ２０からその軸２１方向にイオンビーム５０を引き出すことができる。その結果、従来のバーナス型イオン源に比べてイオンビーム生成効率はかなり高くなる。
【００５４】
この実施形態のイオン源２において、イオンビーム生成効率が高くなる効果を確かめた結果を、図３に示す放電電流−引出し電流特性を参照して説明する。放電電流ＩD はアーク電源５４の出力電流である。引出し電流ＩE は、引出し電源５６の出力電流であるが、これはイオンビーム５０のビーム電流にほぼ等しいと言うことができる。この図３の測定では、原料ガス８をアルゴンガスとし、ガス圧は、イオン源２を取り付けている真空容器内の圧力をイオン源２の近傍において電離真空計で測定したものである（これは図４、図５においても同様）。アーク電源５４の出力電圧である放電電圧ＶD は６０Ｖ、引出し電源５６の出力電圧である引出し電圧ＶE は１ｋＶにした。
【００５５】
この図３の例では、引出し電圧ＶE は１ｋＶという低いものであったが、例えばガス圧が０．２Ｐａ、放電電流ＩD が５００ｍＡで、約１ｍＡの引出し電流ＩE が得られている。このイオン源２のプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の直径は４ｍｍであるので、引出し電流密度は約８ｍＡ／ｃｍ2 であり、イオンビーム生成効率を表す一つの指標である放電電流効率（＝引出し電流密度÷放電電流ＩD ）は、約０．０１６ｃｍ-2である。これは一般的なバーナス型イオン源の約２．５倍という高い効率である。
【００５６】
また、このイオン源２においては、熱陰極１０の先端付近で生成される熱電子は、上述したように、プラズマ生成室２２内で最もガス圧の高い領域に放出されることになるので、熱陰極１０から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、放電電圧ＶD を低くすることや、熱陰極１０の加熱温度を低くすることが可能になる。
【００５７】
放電電圧ＶD を低くすることによって、プラズマ２０から受ける熱陰極１０のスパッタリングを低減することができるので、熱陰極１０の消耗量が減り、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。また、低い放電電圧ＶD で運転を行うことによって、電離電圧や解離電圧の低い分子イオンやクラスターイオンの生成効率を向上させることもできる。即ち、イオンビーム５０中に含まれる分子イオンやクラスターイオンの割合増加を図ることもできる。
【００５８】
熱陰極１０の加熱温度を低くすることによって、熱陰極１０の消耗量が減るので、熱陰極１０の寿命を長くすることができる。
【００５９】
この実施形態のイオン源２において、放電電圧ＶD を低くすることができることを確かめた結果を、図４に示す放電電圧−放電電流特性を参照して説明する。この図４の測定では、原料ガス８（即ちアルゴンガス）の圧力は０．０１Ｐａとした。この図４から分かるように、上記ガス圧では、熱陰極１０に流す加熱電流ＩH が５０Ａで放電が可能となっている。また、加熱電流ＩH が５０Ａ〜５５Ａの範囲で、アルゴンガスの第１電離電圧に近い約１８Ｖという低い放電電圧ＶD で放電が可能になっている。
【００６０】
比較のために、従来のバーナス型イオン源の放電電圧−放電電流特性の測定結果の一例を図５に示す。この測定に用いたバーナス型イオン源は、熱陰極としてフィラメントを有している。この図５の測定では、原料ガスをアルゴンガスとし、そのガス圧を６．３×１０-3Ｐａとした。この図５から分かるように、バーナス型イオン源では約３０Ｖ以上の放電電圧からでしか放電が可能にならない。
【００６１】
また、この実施形態のイオン源２においては、熱陰極１０の内部導体１４が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体１４の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体１４の太さ（例えば外径）を大きくすることができる。その結果、内部導体１４の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体１４の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体１４の寿命ひいては熱陰極１０の寿命を長くすることができる。
【００６２】
より具体的には、内部導体１４の外径が外部導体１２の内径よりも小さいと内部導体１４の温度は外部導体１２の温度よりも必ず高くなるけれども、内部導体１４の外径を大きくすることによって、例えば外部導体１２の内径に近づけることによって、内部導体１４の温度を外部導体１２の温度に近づけることができる。
【００６３】
熱陰極１０は、例えば図６、図７に示す例のように、前記接続導体１６を有する代わりに、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部とを電気的に直接接続して、その接続部１８で前記加熱電流ＩH が折り返されるよう構成しても良い。
【００６４】
より具体的には、図６に示す熱陰極１０では、外部導体１２の先端部を内側に絞っておくことによって、内部導体１４の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部１８を形成している。
【００６５】
図７に示す熱陰極１０では、内部導体１４の先端部を外側に広げておくことによって、外部導体１２の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部１８を形成している。
【００６６】
上記接続部１８における両導体１２、１４の先端部の接続は、嵌め合いによる接続だけでも良いし、それと溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、接続の信頼性が向上する。
【００６７】
熱陰極１０の温度制御の応答性の観点から、図２、図６、図７に示した各熱陰極１０を比べると、図６、図７に示した熱陰極１０では、外部導体１２の先端部と内部導体１４の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体１６を用いた図２の熱陰極１０に比べて、熱陰極１０の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極１０の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。
【００６８】
上記いずれの例の熱陰極１０においても、内部導体１４を、外部導体１２よりも融点の高い材料で形成しておいても良い。その一例を挙げると、外部導体１２をタンタルで形成し、内部導体１４をタングステンで形成しておいても良い。前述したように、内部導体１４は必ず外部導体１２よりも温度が高くなるので、内部導体１４を外部導体１２よりも融点の高い材料で形成しておくことによって、内部導体１４の耐熱性を高くして、内部導体１４の寿命ひいては熱陰極１０の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極１０の運転範囲をより広くすることもできる。
【００６９】
再び図１、図２を参照して、イオン源２は、プラズマ生成室２２内に、熱陰極１０の内部導体１４の先端部の中心とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０の中心とを結ぶ線に沿う方向に、換言すれば前記軸４６に沿う方向に磁界６０を発生させる磁気コイル５８を備えていても良い。この磁気コイル５８は、直流の励磁電源６２によって励磁されて磁界６０を発生させる。磁界６０の向きは図示とは逆でも良い。
【００７０】
上記のような磁気コイル５８を備えていると、当該磁気コイル５８が発生する磁界６０の強度を制御することによって、熱陰極１０の先端付近とプラズマ電極３８のイオン引出し孔４０付近との間に生成される柱状のプラズマ２０の直径方向の大きさを変化させることができる。それによって、当該プラズマ２０内での電子とガス分子、電子とイオン、イオンとイオン等の衝突の平均回数を変化させてプラズマ２０中のイオン種の比率を変化させ、イオンビーム５０中に含まれるイオン種の比率を制御することができる。
【符号の説明】
【００７１】
２ イオン源
８ 原料ガス
１０ 熱陰極
１２ 外部導体
１４ 内部導体
１６ 接続導体
１８ 接続部
２０ プラズマ
２２ プラズマ生成室
２８ ガス供給パイプ
３６ 引出し電極系
３８ プラズマ電極
４０ イオン引出し孔
５０ イオンビーム
５８ 磁気コイル
ＩH 加熱電流
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７２】
【特許文献１】特開２００１−２３６８９７号公報（段落０００１−０００８、図３）
【特許文献２】特開２００６−５４１０８号公報（段落００２０−００２３、図１、図２）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）プラズマを生成するためのプラズマ生成室と、
（ｂ）前記プラズマ生成室内に配置されていて、加熱電流が流されて前記プラズマ生成室内に熱電子を放出する熱陰極であって、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されている熱陰極と、
（ｃ）前記プラズマ生成室外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成室内へ放出させるガス供給手段と、
（ｄ）前記熱陰極との間で放電を生じさせる陽極を兼ねる電極であって、前記プラズマ生成室の一端部に、前記熱陰極の先端部に間隔をあけて対向するように配置されており、かつ前記熱陰極の内部導体の先端の正面にイオン引出し孔を有しているプラズマ電極を有していて、前記プラズマ生成室内のプラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系とを備えていることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記熱陰極は、前記接続導体を有する代わりに、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続していて、その接続部で前記加熱電流が折り返されるよう構成されている請求項１記載のイオン源。
【請求項３】
前記熱陰極の内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されている請求項１または２記載のイオン源。
【請求項４】
前記プラズマ生成室内に前記熱陰極の内部導体の先端部の中心と前記プラズマ電極のイオン引出し孔の中心とを結ぶ線に沿う方向に磁界を発生させる磁気コイルを備えている請求項１、２または３記載のイオン源。
【請求項１】
（ａ）プラズマを生成するためのプラズマ生成室と、
（ｂ）前記プラズマ生成室内に配置されていて、加熱電流が流されて前記プラズマ生成室内に熱電子を放出する熱陰極であって、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されている熱陰極と、
（ｃ）前記プラズマ生成室外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成室内へ放出させるガス供給手段と、
（ｄ）前記熱陰極との間で放電を生じさせる陽極を兼ねる電極であって、前記プラズマ生成室の一端部に、前記熱陰極の先端部に間隔をあけて対向するように配置されており、かつ前記熱陰極の内部導体の先端の正面にイオン引出し孔を有しているプラズマ電極を有していて、前記プラズマ生成室内のプラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系とを備えていることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記熱陰極は、前記接続導体を有する代わりに、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続していて、その接続部で前記加熱電流が折り返されるよう構成されている請求項１記載のイオン源。
【請求項３】
前記熱陰極の内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されている請求項１または２記載のイオン源。
【請求項４】
前記プラズマ生成室内に前記熱陰極の内部導体の先端部の中心と前記プラズマ電極のイオン引出し孔の中心とを結ぶ線に沿う方向に磁界を発生させる磁気コイルを備えている請求項１、２または３記載のイオン源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２６７５０４（Ｐ２０１０−２６７５０４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１８２６４（Ｐ２００９−１１８２６４）
【出願日】平成２１年５月１５日（２００９．５．１５）
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月２５日（２０１０．１１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１５日（２００９．５．１５）
【出願人】（３０２０５４８６６）日新イオン機器株式会社 (161)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]