JP2006513537A - イオン加速装置 - Google Patents

Abstract

磁界の主として長手方向の磁力線経過特性と主として横方向の磁力線経過特性とを交互に有する特別な磁界構造を備えたイオン加速装置のために、室壁の、磁界の磁力線経過特性に適合された非円筒状の形状を備えたイオン化室のジオメトリが提案される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式のイオン加速装置に関する。

イオン加速装置は、たとえば特に半導体テクノロジにおける表面処理のために使用されるか、または宇宙飛行体のための推進装置として使用される。イオンは典型的には推進目的のための中性の作業ガス、特に希ガスから発生させられて加速される。イオンを発生させかつ加速するためには、特に２つの構造原理が普及している。

格子加速器の場合には、プラズマから正に帯電されたイオンが格子装置によって加速される。この格子装置では、プラズマ室に隣接した第１の格子体がアノード電位にあり、ビーム出射方向にずらされた第２の格子体は、より負のカソード電位にある。このような格子装置は、たとえば米国特許第３６１３３７０号明細書に基づき公知である。空間電荷効果に基づき、このような加速装置のイオン電流密度は低い値に制限されている。

第２の構造の場合には、第１には正に帯電されたイオンをビーム出射開口の方向に加速するための電界により浸透され、第２には中性の作業ガスをイオン化するために働く電子を案内するための磁界により浸透されているプラズマ室が設けられている。久しく以前より、特に環状のプラズマ室を備えた加速装置が使用されている。この環状のプラズマ室内では、磁界が主として半径方向に延びていて、電子は電界および磁界の影響を受けて、閉じたドリフト軌道に沿って運動する。このような加速装置は、たとえば米国特許第５８４７４９３号明細書に基づき公知である。

プラズマ室内に電界および磁界を有するイオン加速装置の新しいタイプでは、磁界が、第２の種類の長手方向区分における主として装置長手方向に対して平行な磁力線経過特性と、第１の種類の長手方向区分における主として装置長手方向に対して直角な、特に半径方向の磁力線経過特性とを有する特別な構造を示す。これらの磁力線経過特性は特に「カスプ」とも呼ばれる磁界の磁力線経過特性を示す。このようなイオン加速装置は有利には、複数の第１の種類の長手方向区分と第２の種類の長手方向区分とを交互に連続させて多段式に形成されている。このようなイオン加速装置は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１４０３３号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２８７０４号明細書に基づき公知である。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３０４６４号明細書に基づき公知のプラズマ加速装置では、内壁に半径方向内側に向かって突出した電極が設けられている。

特開昭６１−０６６８６８号公報には、プラズマ室の側壁に配置された励磁コイルを備えたＲＦイオン発生器が開示されている。永久磁石装置により、コイル巻線を巡るように曲げられた磁力線を備えた磁界が形成され、これによりプラズマはコイル巻線から遠ざけられている。米国特許第６０６０８３６号明細書には、プラズマ室内に軸方向で突入した導波管を備えたプラズマ発生器が記載されている。この導波管には、マグネトロンのＨＦ出力が供給されており、そして導波管の内部導体は室内に突入した方の端部に永久磁石装置を有している。

本発明の根底を成す課題は、イオン加速装置の効率をさらに改善することである。

この課題は本発明によれば請求項１に記載の特徴により解決される。請求項２以下には、本発明の有利な構成および改良形が記載されている。

本発明は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１４０３３号明細書に基づき自体公知の磁界構造、つまりイオン化室（またはプラズマ室）内で当該装置の長手方向において第２の種類の区分に主として長手方向に対して平行な磁界方向を有し、かつ第１の種類の区分に、第２の種類の区分に比べてより強力な、特に圧倒的な、長手方向に対して直角な磁界成分を有する磁界構造から出発する。磁界は連続的にかつ単調に第１の種類の長手方向区分から、この第１の種類の長手方向区分に隣接した第２の種類の長手方向区分へ移行し、かつ第２の種類の長手方向区分から第１の種類の長手方向区分へ移行し、この場合、互いに隣接し合った第１の種類の長手方向区分および第２の種類の長手方向区分は長手方向で間隔を置いて配置されているか、または直接に互いに続いていてよい。イオン加速装置の長手方向は、加速されたイオンの平均運動方向もしくはイオン化室の対称軸線とほぼ合致する。

第２の種類の長手方向区分における、イオン化室を仕切る壁の、長手方向に対して直角な方向で互いに向かい合って位置する壁面の間の間隔が減じられていることに基づき、この第２の種類の長手方向区分において作業ガスに提供されている容積は、不変の一定の壁間隔を有する構成に比べて減じられ、かつそれと同時に互いに向かい合って位置する壁面の間の中央部で作業ガスが濃縮される。

意想外にも、これによって特にイオン化効率と電気的な効率とから成り立つ当該装置の全体効率が著しく向上することが判った。

有利には、第２の種類の長手方向区分における互いに向かい合って位置する壁面の相互間隔だけではなく、特に長手方向に対して平行な中心線または中心面に関する間隔も、隣接した第１の種類の長手方向区分における壁間隔に比べて減じられている。

第２の種類の長手方向区分における最小の壁間隔は、隣接した第１の種類の長手方向区分における最大の壁間隔よりも少なくとも１５％だけ、好ましくは少なくとも２０％だけ、特に少なくとも２５％だけ小さく形成されていると有利である。第２の種類の長手方向区分における互いに向かい合って位置する壁面の少なくとも一方の壁面、有利には両方の壁面が、イオン化室に向かってずらされていて、特に長手方向で連続的に延びる、有利には単調に曲げられた壁面を有する湾曲部の形でずらされていると有利である。

互いに向かい合って位置する壁面は、絶縁性を発揮するように誘電体材料から成っているか、または金属製または部分的に金属製に形成されていてよく、特に第２の種類の長手方向区分において金属製の壁面が提供されるようになっている。この金属製の壁面は固定の電位またはスライドする電位にある中間電極を形成し、かつ長手方向で絶縁性の壁区分により仕切られており、第１の種類の長手方向区分における壁面は電気的に絶縁性である。

イオン加速装置がプラズマ室の長手方向延在長さで多段式に形成されていると有利である。この場合、第１の種類の複数の長手方向区分が第２の種類の複数の長手方向区分と交互に連続している。この場合、有利には、１つの第１の種類の長手方向区分により分離された第２の種類の長手方向区分における長手方向成分は交互に互いに逆方向に向けられており、したがって磁界の長手方向成分は第１の種類の長手方向区分を通過する際に方向転換される。このような多段式の磁界構造は公知先行技術に基づき自体公知である。その場合、本発明にとって重要となる壁間隔の低減は、第２の種類の１つの長手方向区分にのみ、あるいは第２の種類の複数の長手方向区分または第２の種類の全ての長手方向区分に与えられていてよい。隣接した第１の種類の長手方向区分に比べて第２の種類の長手方向区分の幾つかまたは全てにおける壁間隔の減少が存在していると、長手方向区分毎に相対的な減少の量的な程度も変化することができる。有利には、壁間隔の減少は少なくとも長手方向でアノードに最も近い第２の種類の長手方向区分に存在しており、かつ／または複数の長手方向区分にわたる量的な変化が存在する場合に、この長手方向区分における壁間隔減少が最も大きくなる。

アノードは有利にはイオン化室の、長手方向で見てイオン出射開口とは反対の側の端部に配置されている。カソードは有利には一次電子源として形成されており、この一次電子源からは一次電子がイオン出射開口を通じてプラズマ室内へ導入され、かつ／または前記電子がイオン化室から出射したイオンビームまたはプラズマビームの中和のために働き、有利にはイオン化室の外部でかつイオン出射開口に対して側方にずらされて配置されている。

本発明によるイオン加速装置は、正に帯電されたイオンビームの送出のためにも、特に宇宙船の推進装置における有利な使用において中性のプラズマビームの送出のためにも働くことができる。別の用途としては、加速されたイオンが、特に固体表面および表面近傍の層の処理のために使用されていてよい。

以下に、本発明の有利な実施例を図面につき詳しく説明する。

図１は、イオン化室における磁界の磁力線経過特性を示しており、
図２は、多段式の装置を示している。

図１に示した装置には、イオン化室ＩＫ内の本発明のために必要とされる磁界の磁力線経過特性が概略的に示されている。イオン化室ＩＫは、当該装置の装置長手方向ＬＲに位置する中心長手方向軸線ＳＡを中心にして環状で回転対称的であるものと仮定する。イオン化室ＩＫに関して半径方向内側に位置する磁石装置ＭＧｉと、半径方向外側に位置する磁石装置ＭＧｅとは、イオン化室ＩＫ内に、少なくとも１つの第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎと、この第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎに隣接した少なくとも１つの第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎとを有する磁界を発生させる。有利には、イオン化室内のこの磁界は、図２に示した実施例の場合のようにかつ図１に別の長手方向区分ＭＡ２_Ｎ＋１により示されているように、長手方向で複数の第１の種類の長手方向区分と複数の第２の種類の長手方向区分とを交互に連続して有している。

第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎでは、磁界が、主として中心長手方向軸線ＳＡに対して平行な磁界方向を示しており、それに対して第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎでは、磁界が、第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎに比べて大きな半径方向の、つまり中心長手方向軸線ＳＡに対して直角に向けられた成分を有している。第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎはこの例では、半径方向の磁界成分が著しく優勢となるように選択されている。第１の種類の長手方向区分と第２の種類の長手方向区分とは直接に互いに続くように規定されていてよいが、しかし図示の例では第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎにおける優先的な長手方向成分と、第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎにおける優先的な半径方向成分とを用いた明確な区画のために、移行区分（詳しくは図示しない）によって間隔を置いて配置されている。第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎでは、磁束の量が側方の室壁から中央部へ向かって減少しており、そして第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎにおいても、磁束は室壁において、互いに向かい合って位置する壁面の間の中央部におけるよりも大きく形成されている。上で説明した磁界構造自体ならびにこのような磁界構造を発生させるための磁石装置は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１４０３３号明細書に基づき公知である。図１に示した磁界の磁界分布は概略的なものであるに過ぎず、定量的に理解されるべきものではない。

ところで、本発明にとって重要となるのは、第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎの範囲において、中心長手方向軸線ＳＡに対して直角に互いに向かい合って位置する壁面ＷＦ２ｉ_Ｎ，ＷＦ２ｅ_Ｎの半径方向間隔が、第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎにおける両壁面ＷＦ１ｉ_Ｎ，ＷＦ１ｅ_Ｎの半径方向間隔よりも小さく形成されていることである。これによって、イオン化室の半径方向の内法幅は、第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎにおいて、第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎに比べて減じられている。有利には、第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎでは、互いに向かい合って位置する両壁面ＷＦ２ｉ_Ｎ，ＷＦ２ｅ_Ｎが、長手方向で隣接している第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎにおける壁面ＷＦ１ｉ_Ｎ，ＷＦ１ｅ_Ｎに比べて半径方向でイオン化室の中央部に向かってずらされている。これにより、第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎと第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎとにおいて等しい半径方向壁間隔を有する室ジオメトリに比べて、第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎにおいて作業ガスの濃縮、特に半径方向内側の範囲におけるイオン化されていない原子の濃縮も強制的に達成され、この場所では、より小さな磁束に基づき、より高い電子密度、ひいてはより高いイオン化確率が存在する。

長手方向に延びる壁面の形状は両長手方向区分においてそれぞれ中心長手方向軸線ＳＡに対して平行であってよく、この場合、移行部として段部または斜面が形成される。しかし、少なくとも第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎにおいては、中心長手方向軸線ＳＡに対して平行な壁形状よりも良好に第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎにおける磁界の磁力線経過特性に近づけられている、中心長手方向軸線ＳＡに対して平行ではない形状が有利である。特に、壁面ＷＦ２ｉ_Ｎおよび／またはＷＦ２ｅ_Ｎはイオン化室の半径方向の中央部に向かって湾曲させられていてよく、この場合、これらの壁面は最小壁間隔Ｄ２Ｌを有しており、この最小壁間隔Ｄ２Ｌは長手方向で、隣接した第１の種類の長手方向区分ＭＡ_１Ｎに向かって増大する。壁面ＷＦ２ｉ_Ｎおよび／またはＷＦ２ｅ_Ｎの形状は、特に連続手に単調に湾曲させられているか、またはたとえば複数の真っ直ぐに延在する部分形状を有するような形状に近づけられていてよい。

相応して、第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎにおける壁面ＷＦ１ｉ_Ｎおよび／またはＷＦ１ｅ_Ｎも、長手方向で真っ直ぐに延びる形状または長手方向で湾曲させられて延びる形状を有していてよい。この場合、これらの壁面の場合には、単純化された製造を得るために、典型的には中心長手方向軸線ＳＡに対して平行な真っ直ぐな形状がたいていの場合、好都合になる。

第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎにおける半径方向の壁間隔もしくは中心長手方向軸線ＳＡに対して平行でない壁形状の場合には第２の種類の長手方向区分ＭＡ２_Ｎにおける半径方向の最小壁間隔Ｄ２Ｌは、隣接した第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎにおける壁間隔もしくは中心長手方向軸線ＳＡに対して平行でない壁形状の場合には第１の種類の長手方向区分ＭＡ１_Ｎにおける壁間隔Ｄ１Ｍよりも少なくとも１５％だけ、有利には少なくとも２０％だけ、特に少なくとも２５％だけ小さく形成されていると有利である。すなわち、Ｄ２Ｌ≦０．８５Ｄ１Ｍもしくは０．８０Ｄ１Ｍもしくは０．７５Ｄ１Ｍである。

室壁の壁面は、電気的に絶縁性の材料または導電性の材料から成っているか、あるいはまた部分的に導電性の材料、特に磁化不可な金属から成っていてよい。有利な実施例では、壁面ＷＦ２ｉ_Ｎ，ＷＦ２ｅ_Ｎが金属製であり、壁面ＷＦ１ｉ_Ｎ，／ＷＦ１ｅ_Ｎが絶縁性に形成されている。金属製の壁面はその場合、電極装置の一部として、アノードの電位とカソードの電位との間の電気的な中間電位にある中間電極を形成することができ、この場合、中間電位は規定可能であってよいか、または絶縁された、コンタクトされていない中間電極の場合には運転時にスライド式に生じ得る。金属製の壁面ＷＦ２ｉ_Ｎ，ＷＦ２ｅ_Ｎの場合には、特に金属製の電極がほぼ円筒状の絶縁性の室外套に装着されるか、または挿入され、かつ位置固定されていて、この室外套とは反対の側の、イオン室と、対向して位置する壁面とに面した側の面によって前記壁面ＷＦ２ｉ_Ｎ，ＷＦ２ｅ_Ｎを形成しているような構成も考えられる。

図２には、長手方向で多段式の配置形式が示されている。この配置形式では、それ自体たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１４０３３号明細書に基づき公知の形式で、長手方向で複数の第１の種類および第２の種類の長手方向区分が交互に連続している。この場合、介在している第１の種類の長手方向区分（図１におけるＭＡ１_Ｎ）に対して隣接した２つの第２の種類の区分（図１におけるＭＡ２_Ｎ，ＭＡ２_Ｎ＋１）が、磁界の互いに逆向きの長手方向成分を示す。図１に示した構成では、中央の中心長手方向軸線ＳＡを中心とした環状の室ジオメトリと、内側の磁石装置ＭＧｉおよび外側の磁石装置ＭＧｅとが設けられているのに対して、図２に示した構成では、特に長手方向に対して平行な中心長手方向軸線ＳＡＺを中心にしてほぼ回転対称的であってよい、中心長手方向軸線ＳＡＺを含むイオン化室ＩＫＺの単純につながり合った横断面を有する有利な室ジオメトリが基礎を成している。磁石装置はこの場合にはやはり自体公知の形式で、室外套を取り囲む外側の磁石装置ＭＧからしか成っていない。その場合、互いに向かい合って位置する両壁面は、中心長手方向軸線ＳＡＺを中心にして閉じられた、イオン化室を側方で取り囲む同一の室壁に所属している。イオン化室はビーム出射開口を示しており、このビーム出射開口からは平均イオン運動を有する、一般に軽度に発散したイオンビームまたはプラズマビームＰＢが、長手方向ＬＲで出射する。イオン化室外部のビーム出射開口ＡＵの近傍でかつビーム出射開口ＡＵに対して側方にずらされた状態で、電極装置の一部として陰極もしくはカソードＫＡが配置されている。このカソードＫＡはカソード電位にあって、電子を放出する。この電子の一部ＩＥは電極装置の電界によってイオン化室内へ導入され、そしてイオン化室内で公知の形式で、作業ガスのイオン化および特に二次電子の発生のために働く。カソードにより放出された電子の別の部分ＮＥは正に帯電された粒子流もしくはプラズマビームＰＢを中和するために働くことができる。

有利な別の構成では、ガスイオン化および／または過剰の正電荷を有するプラズマビームの中和のための一次電子を発生させるための外部の電子源が設けられていない。その場合、カソードは特に、イオン化室のビーム出射開口を取り囲む、カソード電位にあるハウジング部分によって与えられていてよい。

電極装置の一部である陽極もしくはアノードＡＯはイオン化室の、長手方向ＬＲでビーム出射開口ＡＵとは反対の側の端部に配置されていて、アノード電位に接続されている。中性の作業ガス、推進目的のためには有利にはキセノン（Ｘｅ）のような重い希ガスがイオン化室内に導入可能であり、このためには図面にアノード側の中央の供給管路が書き込まれている。電子と正のガスイオンとから成るプラズマの典型的な分布は、イオン化室内に交差した斜線で書き込まれている。

磁石装置はイオン化室ＩＫＺ内で、長手方向で交互に連続する第１の種類の長手方向区分ＭＡ１１，ＭＡ１２および第２の種類の長手方向区分ＭＡ２１，ＭＡ２２，ＭＡ２３を有している。図示されているように、第１の種類の全ての長手方向区分ならびに場合によっては存在する移行区分における互いに向かい合って位置する壁面の、この場合にはイオン化室の直径に等しく形成された間隔は一定でＤＺに等しいものであると仮定する。

図面を見易くするために第２の種類の長手方向区分ＭＡ２１，ＭＡ２２，ＭＡ２３のための複数の変化実施例をまとめて示している図示の例では、イオン化室が長手方向区分ＭＡ２１において、壁面ＷＦ２１を有する、中央の中心長手方向軸線を環状に取り囲む湾曲した膨入部によって最小の直径Ｄ２１Ｌにまで狭められている。壁面ＷＦ２１は電気的に絶縁性であるものと仮定する。長手方向区分ＭＡ２２では、イオン化室の直径が値Ｄ２２Ｌにまで減じられており、この場合、この直径Ｄ２２Ｌを長手方向区分ＭＡ２１における最小直径Ｄ２１Ｌに比べて大きく設定することにより、第１の段に対する第２の段におけるプラズマの、場合によっては生じる拡開を考慮することができ、かつ電気的な効率を損なう壁損失を小さく保持することができる。壁面ＷＦ２２またはこの間隔内の直径減径部全体は金属製であって、かつ固定の中間電位にある第１の中間電極Ａ１を形成するものとする。長手方向区分ＭＡ２３では、小さな半径方向厚さの電極Ａ２が設けられている。この電極Ａ２はこの長手方向区分における直径Ｄ２３Ｌを間隔ＤＺに対して減少させていないか、またはそれほど減少させていない。この電極Ａ２はコンタクトされていない状態で運転中にスライド式に中間電位をとる。電極装置は長手方向における分割において、第１の種類の長手方向区分おおび第２の種類の長手方向区分における磁界の分割とは異なっていてもよい。

前で述べた、かつ特許請求の範囲に記載された特徴ならびに図面から見て取れる特徴は、個々の形でも種々の組合せの形でも有利に実現可能である。本発明は前記実施例に限定されるものではなく、当業者の能力の枠内で種々様々に変更可能である。特に第２の種類の長手方向区分の壁面は種々の異なる形式で成形され、かつ絶縁性、導電性またはそれ自体部分面毎にのみ導電性に形成されていてよい。個々の長手方向区分および／または中間電極の寸法は段毎に変化することができる。公知のイオン加速装置の特徴を、本発明の重要な特徴と組み合わせることができる。イオン化室の横断面は回転対称的な形状とは異なっていてもよく、細長い形状をとることもできる。

イオン化室内の磁界の磁力線経過特性を示す図である。

多段式の装置を示す概略図である。

Claims (9)

1. イオン化室と電極装置と磁石装置とを備えたイオン加速装置であって、
   −イオン化室が長手方向にイオンの出射開口を有していて、長手方向に対して直交する横方向で少なくとも１つの側壁により仕切られており、出射開口から間隔を置いて配置された供給開口を介してイオン化室内に作業ガスが導入可能であり、
   −電極装置が少なくとも１つのカソードとアノードとを有していて、イオン化室内で、正に帯電された作業ガスイオンを出射開口の方向に加速させるための電界を発生させるようになっており、
   −磁石装置がイオン化室内に、長手方向で、該長手方向に対してほぼ平行な磁界方向を有する少なくとも１つの第２の種類の長手方向区分と、該第２の種類の長手方向区分に隣接し、しかも長手方向に対して直角な磁界成分の、第２の種類の長手方向区分に比べて高い含量を有する第１の種類の長手方向区分とを有する磁界を発生させるようになっており、
   −互いに向かい合って位置する壁面の間の壁間隔が、第２の種類の長手方向区分において、第１の種類の長手方向区分におけるよりも小さく形成されている
   形式のものにおいて、
   第２の種類の長手方向区分において、長手方向に延びる壁形状が、イオン化室に向かって単調に曲げられた湾曲を有している
   ことを特徴とするイオン加速装置。
2. 第２の種類の長手方向区分における最小の壁間隔が、第１の種類の長手方向区分における最大の壁間隔よりも少なくとも１５％だけ、特に少なくとも２５％だけ小さく形成されている、請求項１記載のイオン加速装置。
3. 第１の種類の長手方向区分と第２の種類の長手方向区分とが複数個設けられていて、それぞれ交互に連続している、請求項１または２記載のイオン加速装置。
4. 第１の種類の長手方向区分において、磁界の長手方向成分の方向転換が生じる、請求項１から３までのいずれか１項記載のイオン加速装置。
5. 第２の種類の長手方向区分における室壁が、少なくとも部分的に中間電極により形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のイオン加速装置。
6. イオン化室の、長手方向で見て出射開口とは反対の側の端部にアノードが配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のイオン加速装置。
7. カソードが一次電子源として形成されていて、イオン化室の外部で出射開口に対して側方にずらされて配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のイオン加速装置。
8. カソードが一次電子源として形成されていて、イオン化室の外部で出射開口に対して側方にずらされて配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のイオン加速装置。
9. 中和器または一次電子源として働く外部の電子源が設けられていない、請求項１から７までのいずれか１項記載のイオン加速装置。

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