JP3454384B2 - Ion beam generator and method - Google Patents
Ion beam generator and methodInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、イオンビーム発生装置
及び方法に係わり、更に詳しくは、多価電離イオンの割
合が高いイオンビームを連続して発生するイオンビーム
発生装置とその方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ion beam generator and method, and more particularly to an ion beam generator and method for continuously generating an ion beam having a high proportion of multiply-charged ions.
【０００２】[0002]
【従来の技術】真空アーク放電によりカソードを構成す
る物質を気化し、かつイオン化して金属プラズマを形成
し、この金属プラズマからイオンビームを抽出する装置
が既に開示されている（例えば特開昭６３−２７６８５
８号公報）。このイオンビーム発生装置は、図５に例示
するように、真空室１、カソード２、アノード３、アノ
ード保持部材４、トリガー電極５、コイル６、イオン抽
出電極７、等から構成され、カソード２と同心状に配置
したトリガー電極５の間に微小放電を起こさせ、これに
よってカソード２とアノード３の間にアーク放電を発生
させ、このアーク放電によりカソード２の一部を気化さ
せてプラズマ８を形成し、コイル６により形成された磁
場によりプラズマ８をアノード３の開口部を通過させ、
更にイオン抽出電極７によりアノード３を通過したプラ
ズマ８からイオンビーム９を抽出するようになってい
た。2. Description of the Related Art An apparatus for vaporizing and ionizing a substance forming a cathode by vacuum arc discharge to form a metal plasma and extracting an ion beam from the metal plasma has been disclosed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 63-63). -27685
No. 8). As shown in FIG. 5, this ion beam generator is composed of a vacuum chamber 1, a cathode 2, an anode 3, an anode holding member 4, a trigger electrode 5, a coil 6, an ion extraction electrode 7, etc. A minute discharge is generated between the trigger electrodes 5 arranged concentrically, whereby an arc discharge is generated between the cathode 2 and the anode 3, and a part of the cathode 2 is vaporized by this arc discharge to form a plasma 8. Then, the magnetic field formed by the coil 6 causes the plasma 8 to pass through the opening of the anode 3,
Furthermore, the ion extraction electrode 7 is adapted to extract the ion beam 9 from the plasma 8 that has passed through the anode 3.
【０００３】しかし、かかるイオンビーム発生装置で
は、真空アーク放電によって形成した金属プラズマ８か
らイオンビーム９を直接引き出しているため、イオンビ
ーム中の多価電離イオンの割合が非常に低く、このため
イオンビームに所定のエネルギーを付与するためのイオ
ン抽出系の電源容量を大きくしなければならないという
問題点があった。また、この装置は、数ミリ秒の短時間
のパルス波でしかイオンビームを発生できない問題点が
あった。更に、この装置は、構造が複雑である問題点が
あった。However, in such an ion beam generator, since the ion beam 9 is directly extracted from the metal plasma 8 formed by the vacuum arc discharge, the proportion of multiply charged ionized ions in the ion beam is very low. There is a problem that the power supply capacity of the ion extraction system for applying a predetermined energy to the beam must be increased. Further, this device has a problem that an ion beam can be generated only by a pulse wave of a short time of several milliseconds. Further, this device has a problem that the structure is complicated.
【０００４】かかる問題点を解決するために、本願発明
の発明者等は、マイクロ波を真空チャンバー内に導入す
ることにより、多価電離イオンの割合を高めることがで
きるイオンビーム装置を創案し、出願した（特開平５−
１０１７９９号公報）。このイオンビーム装置は、図６
に例示するように、カソード１０、真空チャンバー１
１、マイクロ波導入部１２、アーク電源１３、マルチカ
スプ磁場を形成する磁石１４、イオン抽出電極１５等を
備えており、真空チャンバー１１内を真空にし、マイク
ロ波導入部１２よりマイクロ波を導入してマイクロ波プ
ラズマを発生させ、アーク電源１３を作動させてマイク
ロ波プラズマをトリガーとしてカソード１０とマイクロ
波プラズマ間に真空アーク放電を発生させて、カソード
物質の金属プラズマ１６を真空チャンバー１１内に形成
し、磁石１４により金属プラズマ１６を一時的に封じ込
めて、マイクロ波により多価電離イオンの割合を増加さ
せ、イオン抽出電極１５によってイオンのみを抽出し、
多価電離イオンの割合の高いイオンビーム１７を形成す
るようになっていた。In order to solve such a problem, the inventors of the present invention have devised an ion beam device capable of increasing the proportion of multiply charged ionized ions by introducing a microwave into a vacuum chamber, Filed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-
No. 101799). This ion beam device is shown in FIG.
As illustrated in, a cathode 10 and a vacuum chamber 1
1, a microwave introduction unit 12, an arc power supply 13, a magnet 14 for forming a multicusp magnetic field, an ion extraction electrode 15 and the like are provided, and the inside of the vacuum chamber 11 is evacuated to introduce microwaves from the microwave introduction unit 12. A microwave plasma is generated, and the arc power supply 13 is activated to generate a vacuum arc discharge between the cathode 10 and the microwave plasma by using the microwave plasma as a trigger to form a metal plasma 16 of a cathode material in the vacuum chamber 11. , The metal plasma 16 is temporarily enclosed by the magnet 14, the proportion of multiply charged ionized ions is increased by the microwave, and only the ions are extracted by the ion extraction electrode 15.
The ion beam 17 having a high proportion of multiply charged ionized ions is formed.
【０００５】すなわち、マイクロ波の印加によって、プ
ラズマ中の電子のエネルギーを増幅し、これにより、電
子とイオン、又は電子と中性粒子との衝突による多価電
離イオンの形成を促進し、金属プラズマ中の多価電離イ
オンの割合を高める装置であり、図５の装置に比較し
て、多価電離イオンの割合を高め、かつ長時間連続して
イオンビームを発生させることができる。That is, the application of microwaves amplifies the energy of the electrons in the plasma, thereby promoting the formation of multiply-charged ions due to collisions between electrons and ions or electrons and neutral particles, and metal plasma This is an apparatus for increasing the ratio of multiply charged ionized ions in the inside, and can increase the ratio of multiply charged ionized ions and generate an ion beam continuously for a long time as compared with the apparatus of FIG.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかし、かかるイオン
ビーム発生装置によっても、ガスの導入を停止或いは減
少させて真空度を下げて、アーク放電を持続させようと
すると、アークがカソードの先端部に集中しないでカソ
ードの根元部分や中程部分に発生してこの部分に深い窪
みが短時間ででき、カソードの局部損傷やこれによる破
断が生じやすく、長時間の使用に耐えられない問題点が
あった。ここで、多価電離イオンの発生には、ガスの導
入を停止させて真空度を下げることは不可欠のことであ
る。また、プラズマを一方の電極とするため、プラズマ
が変動すると、電極間の距離が変動し、制御が困難にな
り、再現性が悪い問題点があった。However, even with such an ion beam generator, when an attempt is made to maintain the arc discharge by stopping or reducing the introduction of gas to lower the degree of vacuum, the arc is directed to the tip of the cathode. There is a problem that it occurs in the root part or middle part of the cathode without concentrating and a deep dent is formed in this part in a short time, local damage of the cathode and breakage due to this easily occur, and it cannot withstand long-term use. It was Here, in order to generate multiply charged ionized ions, it is indispensable to stop the introduction of gas to lower the degree of vacuum. In addition, since the plasma is used as one of the electrodes, when the plasma fluctuates, the distance between the electrodes fluctuates, which makes control difficult, resulting in poor reproducibility.
【０００７】本発明は、かかる種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、多価電離イオンの割合が高いイオンビームを連続し
て発生することができ、電極の寿命が長く、安定して作
動でき、かつ小型で構造がシンプルであるイオンビーム
発生装置及び方法を提供することにある。The present invention was devised to solve these various problems. That is, it is an object of the present invention to continuously generate an ion beam having a high proportion of multiply-charged ions, to have a long electrode life, to operate stably, and to have a small and simple structure. A generator and method are provided.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、仕切り
板で第１チャンバーと第２チャンバーに区分された真空
容器と、前記仕切り板を貫通する開口孔を有し正に印加
されるアノードと、第１チャンバー内の前記開口孔の軸
線上にアノードと対向して配置され負に印加されるカソ
ードと、前記カソードを間隔を隔てて囲み、該間隔がア
ノード側に漸増するように成形され、かつアノード及び
カソードから電気的に浮いた導電性フードと、真空容器
内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、第１
チャンバー及び第２チャンバー内に発生するプラズマを
少なくとも一時的に封じ込める磁場を発生させる磁場発
生装置と、を備えたことを特徴とするイオンビーム発生
装置が提供される。According to the present invention, a vacuum container divided into a first chamber and a second chamber by a partition plate, an anode having an opening hole penetrating the partition plate and being positively applied And a negatively applied cathode which is arranged on the axis of the opening in the first chamber so as to face the anode, and surrounds the cathode with a gap, and the gap is gradually increased toward the anode side. A conductive hood electrically floating from the anode and the cathode, and a microwave introducing device for introducing microwave into the vacuum container;
An ion beam generator comprising: a magnetic field generator for generating a magnetic field for at least temporarily confining the plasma generated in the chamber and the second chamber.
【０００９】本発明の好ましい実施例によれば、前記カ
ソードは、アノードに対向する平面をもった軸線と同心
の切頭円錐形部分を有し、前記フードは、前記軸線と同
心の中空円筒形である。また、別の実施例によれば、前
記カソードは、アノードに対向する端面を有し前記軸線
と同心の円筒形であり、前記フードは、カソードを囲む
部分がアノード側に漸増する前記軸線と同心のロート形
状である。According to a preferred embodiment of the invention, the cathode has a frusto-conical portion concentric with the axis having a plane facing the anode and the hood has a hollow cylindrical shape concentric with the axis. Is. According to another embodiment, the cathode has a cylindrical shape having an end face facing the anode and is concentric with the axis, and the hood has a portion surrounding the cathode concentric with the axis gradually increasing to the anode side. It is a funnel shape.
【００１０】また、前記カソードを内側に支持する中空
円筒形の絶縁性支持部材と、該支持部材に一端部が連結
され、他端部が軸線に沿ってアノードと反対側に延びる
中空円筒形の絶縁管と、を更に備え、前記導電性フード
は前記絶縁管の外側に間隔を隔てて取り付けられる。前
記支持部材はボロンナイトライドからなり、前記絶縁管
は石英ガラスからなる、ことが好ましい。また、前記ア
ノードは、中空円筒形でありかつ結晶成長カーボンから
なる。A hollow cylindrical insulating support member for supporting the cathode inside, and a hollow cylindrical insulating member having one end connected to the support member and the other end extending along the axis toward the side opposite to the anode. An insulating tube is further provided, and the conductive hood is attached to the outside of the insulating tube with a space. It is preferable that the support member is made of boron nitride and the insulating tube is made of quartz glass. The anode has a hollow cylindrical shape and is made of crystal-grown carbon.
【００１１】更に、前記第１チャンバーと第２チャンバ
ーは、アノードの開口孔で連通し、かつ、それぞれ独立
に真空排気され、第２チャンバーの真空度が第１チャン
バーより高くなるように差動排気される。また、前記カ
ソードは、半導体又は導電性物質からなることが好まし
い。Further, the first chamber and the second chamber communicate with each other through the opening hole of the anode and are evacuated independently, and the second chamber is differentially evacuated so that the degree of vacuum of the second chamber is higher than that of the first chamber. To be done. The cathode is preferably made of a semiconductor or a conductive material.
【００１２】[0012]
【００１３】また、本発明によれば、第１の真空チャン
バー内でアノードとカソード間に真空アーク放電を発生
させてカソード物質の金属プラズマを形成し、磁場によ
り金属プラズマを一時的に封じ込め、かつ第１真空チャ
ンバーと連通する第２の真空チャンバー内でマイクロ波
により金属プラズマを加熱して多価電離イオンの割合を
増加させ、電界により金属プラズマからイオンを抽出
し、これによりイオンビームを発生させるイオンビーム
発生方法において、アノードとカソードを結ぶ軸線方向
を開口させてカソードを導電性フードで間隔を隔てて囲
み、該間隔をアノード側に漸増するようにフードを成形
し、かつ該フードを電気的に浮かして浮動ポテンシャル
に保持し、これによりカソードとフード間に軸線にほぼ
直交する電気力線を形成することを特徴とするイオンビ
ーム発生方法が提供される。 Further , according to the present invention, the first vacuum chamber
Vacuum arc discharge generated between anode and cathode in bar
To form a metal plasma of the cathode material, and
Metal plasma is temporarily contained and the first vacuum chamber
Microwave in the second vacuum chamber that communicates with the chamber.
To heat the metal plasma to increase the proportion of multiply-charged ions.
Increase and extract ions from metal plasma by electric field
Ion beam that generates an ion beam
In the generating method, the axial direction connecting the anode and the cathode is opened, the cathode is surrounded with a conductive hood at intervals, the hood is formed so as to gradually increase the interval to the anode side, and the hood is electrically floated. Te held floating potential, thereby and forming lines of electric force which is substantially perpendicular to the axis between the cathode and the hood ion beam
A method for generating a boom is provided.
【００１４】[0014]
【作用】上記本発明の装置及び方法によれば、第１の真
空チャンバー内でアノードとカソード間に真空アーク放
電を発生させてカソード物質の金属プラズマを形成し、
磁場発生装置による磁場により金属プラズマを一時的に
封じ込め、かつマイクロ波により金属プラズマを加熱し
て多価電離イオンの割合を増加させ、イオン抽出電極に
よる電界により金属プラズマからイオンを抽出すること
により、多価電離イオンの割合が高いイオンビームを発
生させることができる。According to the above apparatus and method of the present invention, a vacuum arc discharge is generated between the anode and the cathode in the first vacuum chamber to form a metal plasma of the cathode material,
By temporarily confining the metal plasma by the magnetic field by the magnetic field generator, and heating the metal plasma by the microwave to increase the proportion of multiply-charged ions, by extracting the ions from the metal plasma by the electric field by the ion extraction electrode, An ion beam having a high proportion of multiply charged ionized ions can be generated.
【００１５】また、カソードを間隔を隔てて囲み、この
間隔がアノード側に漸増するように成形され、かつアノ
ード及びカソードから電気的に浮いた導電性フードを備
えることにより、フードを電気的に浮動ポテンシャルに
保持し、カソードとフード間に軸線にほぼ直交する電気
力線を形成することができ、カソードの根元部分にアー
クが飛んでこの部分を損傷することを本質的に回避する
ことができ、カソードを長時間連続して使用することが
でき、かつ真空チャンバーを小型にし、カソードとアノ
ードの間隔を短くすることができる。The hood is electrically floated by surrounding the cathode with a space, formed so that the space gradually increases toward the anode, and having a conductive hood electrically floating from the anode and the cathode. It can be held at a potential and an electric field line can be formed between the cathode and the hood, which is almost orthogonal to the axis, and it is possible to essentially avoid that an arc flies to the root part of the cathode and damages this part, The cathode can be used continuously for a long time, the vacuum chamber can be downsized, and the distance between the cathode and the anode can be shortened.
【００１６】[0016]
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明によるイオンビーム発生
装置の全体構成図である。この図において、本発明のイ
オンビーム発生装置２０は、仕切り板２１で第１チャン
バー２２と第２チャンバー２３に区分された真空容器２
４と、仕切り板２１を貫通する開口孔２５を有しかつ正
（プラス）に印加されるアノード２６と、第１チャンバ
ー２２内の前記開口孔２５の軸線Ｚ上にアノード２６と
対向して配置され、負（マイナス）に印加されるカソー
ド２７と、カソード２７を間隔を隔てて囲む導電性フー
ド２８と、真空容器２４すなわち第２チャンバー２３内
にマイクロ波を導入するマイクロ波装置（導入部２９と
図示しないマイクロ波発生装置からなる）と、第１チャ
ンバー２２及び第２チャンバー２３内に発生するプラズ
マを少なくとも一時的に封じ込める磁場を発生させる磁
場発生装置３０とを備えている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ion beam generator according to the present invention. In this figure, the ion beam generator 20 of the present invention is a vacuum container 2 which is divided into a first chamber 22 and a second chamber 23 by a partition plate 21.
4, an anode 26 having an opening hole 25 penetrating the partition plate 21 and positively applied, and arranged on the axis Z of the opening hole 25 in the first chamber 22 so as to face the anode 26. The cathode 27 that is applied with a negative voltage, the conductive hood 28 that surrounds the cathode 27 at a distance, and the microwave device that introduces microwaves into the vacuum container 24, that is, the second chamber 23 (introduction part 29). And a magnetic field generator 30 for generating a magnetic field for at least temporarily confining the plasma generated in the first chamber 22 and the second chamber 23.
【００１７】第１チャンバー２２と第２チャンバー２３
は、開口孔２５を有するアノード２６を隔壁として、図
示しない真空装置によりそれぞれ独立に真空排気され
る。この構成により、アークプラズマ３２の発生時にカ
ソードが蒸発して金属イオンが発生する第１チャンバー
２２よりも第２チャンバー２３の真空度をより高く（圧
力が低く）なるように差動排気することができる。First chamber 22 and second chamber 23
Are independently evacuated by a vacuum device (not shown) using the anode 26 having the opening 25 as a partition. With this configuration, when the arc plasma 32 is generated, differential evacuation can be performed so that the degree of vacuum in the second chamber 23 is higher (pressure is lower) than the first chamber 22 in which the cathode is evaporated and metal ions are generated. it can.
【００１８】マイクロ波導入部２９は、図示のように、
軸線Ｚに垂直に設けてもよく、或いは、図６に示したよ
うに、真空チャンバーの側面に設けてもよい。磁場発生
装置３０は、図６と同様に、マルチカスプ磁場を形成す
るための複数の永久磁石３０ａと、その両側に設けられ
たミラー磁場を形成するための空心コイル３０ｂ、３０
ｃとからなり、これらの２つの磁場により、第１チャン
バー２２にプラズマ閉じ込め空間を形成するようになっ
ている。なお、磁場発生装置３０は、かかる構成に限定
されず、例えば、特開平５−１０１７９９号に開示した
ような種々の構成のものであってもよい。マイクロ波導
入部２９から導入するマイクロ波と磁場発生装置３０に
よる磁場とは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件
を満たすように設定する。かかる構成により、マイクロ
波によるマイクロ波プラズマの発生、及び金属プラズマ
の加熱にＥＣＲを利用することができる。なお、図１に
おいて、４１は、カソード２７を負（マイナス）に印加
するアーク電源、４２ａ，４２ｂはイオンビーム抽出電
源である。The microwave introducing section 29 is, as shown in the drawing,
It may be provided perpendicular to the axis Z, or as shown in FIG. 6, it may be provided on the side surface of the vacuum chamber. Similar to FIG. 6, the magnetic field generator 30 includes a plurality of permanent magnets 30a for forming a multicusp magnetic field, and air-core coils 30b, 30 for forming mirror magnetic fields provided on both sides of the permanent magnets 30a.
c), and these two magnetic fields form a plasma confining space in the first chamber 22. The magnetic field generator 30 is not limited to such a configuration, and may have various configurations as disclosed in, for example, JP-A-5-101799. The microwave introduced from the microwave introduction unit 29 and the magnetic field generated by the magnetic field generator 30 are set so as to satisfy the electron cyclotron resonance (ECR) condition. With this configuration, the ECR can be used to generate microwave plasma by microwaves and heat the metal plasma. In FIG. 1, reference numeral 41 is an arc power supply that applies the cathode 27 negatively, and 42a and 42b are ion beam extraction power supplies.
【００１９】上述した装置は以下のように使用される。
すなわち、真空チャンバー２２、２３内を真空（例えば
１０-2〜１０-4Torr) に保持し、アノード２６とカソー
ド２７との間に真空アーク放電３１を発生させてカソー
ド物質の金属プラズマを形成し、この状態で真空チャン
バー２２、２３内の真空度を１０-5〜１０-6Torrに保
ち、磁場発生装置３０による磁場により金属プラズマを
一時的に封じ込め、かつマイクロ波により金属プラズマ
を加熱して多価電離イオンの割合を増加させ、イオンビ
ーム抽出電極３７による電界により金属プラズマからイ
オンビーム３８を発生させる。このイオンビーム３８
は、真空容器に設けられた開口２４ａを通して別の装置
に導入し、金属プラズマの分離、金属膜形成、基板内部
への異種金属の打ち込み、Ｘ線ソース、レーザ源、等の
用途に利用することができる。The device described above is used as follows.
That is, the inside of the vacuum chambers 22 and 23 is maintained in vacuum (for example, 10 -2 to 10 -4 Torr), and a vacuum arc discharge 31 is generated between the anode 26 and the cathode 27 to form a metal plasma of a cathode material. In this state, the vacuum degree in the vacuum chambers 22 and 23 is maintained at 10 −5 to 10 −6 Torr, the metal plasma is temporarily confined by the magnetic field generated by the magnetic field generator 30, and the metal plasma is heated by the microwave. The proportion of multiply-charged ions is increased, and the ion beam 38 is generated from the metal plasma by the electric field generated by the ion beam extraction electrode 37. This ion beam 38
Is introduced into another apparatus through the opening 24a provided in the vacuum container and used for the purpose of separating metal plasma, forming a metal film, implanting a dissimilar metal into the substrate, an X-ray source, a laser source, etc. You can
【００２０】図２は、図１の主要部の拡大図である。こ
の図において、アノード２６は、カソード側に内向きの
鍔面２６ａを有する中空円筒形であり、内面に雌ネジが
設けられ、水冷されている仕切り板２１に固定された中
空円筒形のステンレス管２１ａに螺合して取り付けられ
ている。このアノード２６は、耐熱性の点で結晶成長カ
ーボンからなるのがよい。かかる構成により、軸線Ｚ上
に十分な大きさの開口孔２５（例えば直径５５ミリ）を
形成し、上述した差動排気を行いながら、直径の比較的
大きいイオンビーム３２（例えば直径２０ミリ）を第２
チャンバー２３に導くことができる。FIG. 2 is an enlarged view of the main part of FIG. In the figure, the anode 26 is a hollow cylindrical stainless tube having an inward flange surface 26a on the cathode side, a female screw provided on the inner surface, and is fixed to a partition plate 21 that is water-cooled. 21a is screwed and attached. The anode 26 is preferably made of crystal-grown carbon in terms of heat resistance. With this configuration, a sufficiently large opening hole 25 (for example, diameter 55 mm) is formed on the axis Z, and an ion beam 32 (for example, diameter 20 mm) having a relatively large diameter is formed while performing the above-described differential pumping. Second
It can be introduced into the chamber 23.
【００２１】フード２８は、導電性（例えばステンレス
製）であり、アノード２６及びカソード２７から電気的
に浮かされている。すなわち、図２において、本発明の
装置は、更に、カソード２７を内側に支持する中空円筒
形の絶縁性支持部材３３と、支持部材３３に一端部が連
結され、他端部が軸線Ｚに沿ってアノードと反対側に延
びる中空円筒形の絶縁管３４とを備えている。絶縁管３
４はこの図では二重管であるが、本発明はこれに限定さ
れず、例えば図の外管がない単管であってもよい。ま
た、フード２８は絶縁管３４の外側に取付金具３５（例
えばビス）により間隔を隔てて取り付けられている。こ
の構成により、フード２８は、アノード２６及びカソー
ド２７から電気的に絶縁され、浮動ポテンシャルに保持
されている。The hood 28 is electrically conductive (for example, made of stainless steel) and is electrically floated from the anode 26 and the cathode 27. That is, referring to FIG. 2, the apparatus of the present invention further includes a hollow cylindrical insulating support member 33 for supporting the cathode 27 inside, one end of which is connected to the support member 33, and the other end of which is along the axis Z. And an insulating tube 34 having a hollow cylindrical shape extending on the opposite side of the anode. Insulation tube 3
Although 4 is a double pipe in this figure, the present invention is not limited to this and may be, for example, a single pipe without the outer pipe in the figure. Further, the hood 28 is attached to the outside of the insulating pipe 34 with a mounting member 35 (for example, a screw) at a distance. With this configuration, the hood 28 is electrically insulated from the anode 26 and the cathode 27 and is held at the floating potential.
【００２２】支持部材３３は、カソード材料と反応しな
いように、水酸基（ＯＨ）を含まない絶縁材料、例えば
ボロンナイトライド（ＢＮ）からなるのがよい。また、
絶縁管３４は、耐熱性の高い絶縁材料、例えば石英ガラ
スやセラミック等からなるのがよい。また、図に示すよ
うに、支持部材３３の外周面を絶縁管３４の外管で囲
み、蒸発又はアーク放電により発生したカソード材料の
飛沫が支持部材３３の外周面に付着しないようにするの
がよい。The supporting member 33 is preferably made of an insulating material containing no hydroxyl group (OH), for example, boron nitride (BN) so as not to react with the cathode material. Also,
The insulating tube 34 is preferably made of an insulating material having high heat resistance, such as quartz glass or ceramic. Further, as shown in the figure, the outer peripheral surface of the supporting member 33 is surrounded by the outer tube of the insulating tube 34 so that droplets of the cathode material generated by evaporation or arc discharge do not adhere to the outer peripheral surface of the supporting member 33. Good.
【００２３】更に、図２において、カソード２７は、ア
ノード２６に対向する平面２７ａをもった軸線Ｚと同心
の切頭円錐形部分２７ｂを有し、一方、フード２８は軸
線Ｚと同心の中空円筒形に成形されている。この構成に
より、カソードとフード間の間隔をアノード側に漸増す
るようにすることができる。カソード２７には、シリコ
ン等の半導体、又は銅、チタン、タンタル、鉄、等の導
電性物質、或いはこれらの粉末をある比率で混合し固化
したものを使用する。Further, in FIG. 2, the cathode 27 has a frustoconical portion 27b concentric with the axis Z having a plane 27a facing the anode 26, while the hood 28 is a hollow cylinder concentric with the axis Z. It is shaped into a shape. With this configuration, the distance between the cathode and the hood can be gradually increased toward the anode. For the cathode 27, a semiconductor such as silicon, a conductive substance such as copper, titanium, tantalum, iron, or the like, or a mixture of these powders in a certain ratio and solidified is used.
【００２４】上述した構成により、図３（Ａ）に模式的
に示すように、カソード２７とフード２８の間に軸線Ｚ
にほぼ直交する電気力線３６を形成することができ、カ
ソードの平面２７ａとアノード２６との間に、真空アー
ク放電３１を発生させることができ、電極（カソード）
の寿命を長くし、かつ安定して作動させることができ
る。また、図６に示した従来例と比較してアノード、カ
ソード間を短くすることができるので、小型で構造がシ
ンプルな装置とすることができる。With the above structure, as shown in FIG. 3 (A), the axis line Z is formed between the cathode 27 and the hood 28.
A line of electric force 36 substantially orthogonal to the electrode 26 can be formed, a vacuum arc discharge 31 can be generated between the flat surface 27a of the cathode and the anode 26, and the electrode (cathode) can be formed.
It has a long life and can be operated stably. Further, since the distance between the anode and the cathode can be shortened as compared with the conventional example shown in FIG. 6, the device can be made compact and have a simple structure.
【００２５】一方、図３（Ｂ）は、フード２８がない場
合を示しており、この場合には、カソードの根元付近で
真空アーク放電３１が発生してしまい、根元付近が短時
間に損傷して窪んだり、破断する問題が発生する。更
に、カソードの根元付近でアーク放電により高熱が発生
するため、絶縁管３４が破損しやすい問題も発生する。
従って、フード２８は、本発明の装置を小型化し、安定
作動させ、かつカソード２７の寿命を延ばすために、重
要な部品である。また、フード２８を電気的に浮かせず
に、例えばアノードと電気的に連結すると、フード、カ
ソード間にアークが飛ぶおそれがあり、逆にカソードと
連結すると、アークがフードに飛んでフードを損傷させ
るおそれがあるため、電気的に浮かせることも重要であ
る。On the other hand, FIG. 3B shows the case where the hood 28 is not provided. In this case, vacuum arc discharge 31 is generated near the base of the cathode, and the vicinity of the base is damaged in a short time. The problem of denting or breaking occurs. Furthermore, since high heat is generated near the root of the cathode due to arc discharge, there is a problem that the insulating tube 34 is easily damaged.
Therefore, the hood 28 is an important component for downsizing the device of the present invention, ensuring stable operation, and extending the life of the cathode 27. Further, if the hood 28 is electrically connected to the anode without being electrically floated, an arc may fly between the hood and the cathode. Conversely, if the hood 28 is connected to the cathode, the arc may fly to the hood and damage the hood. It is also important to float electrically because there is a risk.
【００２６】図４は、本発明の第２の実施例を示す図２
と同様の部分拡大図である。この図において、カソード
３９は、アノード２６に対向する端面３９ａを有し軸線
Ｚと同心の円柱形であり、フード４０は、カソード３９
を囲む部分がアノード側に漸増する軸線Ｚと同心のロー
ト形状である。その他の部分は、図１〜図３に示した第
１実施例と同様である。かかる構成により、図２と同様
に、カソードとフード間の間隔をアノード側に漸増する
ように成形することができ、カソード３９とフード４０
の間に軸線Ｚにほぼ直交する電気力線３６を形成して、
カソードの端面３９ａとアノード２６との間に、真空ア
ーク放電３１を発生させることができ、電極（カソー
ド）の寿命を長くし、かつ安定して作動させることがで
きる。また、この構成のカソード３９は、加工が容易で
安価に製造することができ、かつプラズマ径を一定にす
ることができ、より長時間安定したイオンビーム３２を
発生させることができる。FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
It is a partially expanded view similar to FIG. In this figure, the cathode 39 has a cylindrical shape having an end face 39 a facing the anode 26 and concentric with the axis Z, and the hood 40 is a cathode 39.
Is a funnel shape concentric with the axis Z that gradually increases toward the anode side. Other parts are the same as those in the first embodiment shown in FIGS. With such a configuration, as in FIG. 2, the gap between the cathode and the hood can be formed so as to gradually increase toward the anode side, and the cathode 39 and the hood 40 can be formed.
Forming an electric force line 36 substantially orthogonal to the axis Z between
A vacuum arc discharge 31 can be generated between the end surface 39a of the cathode and the anode 26, and the life of the electrode (cathode) can be extended and the electrode can be stably operated. Further, the cathode 39 having this configuration is easy to process and can be manufactured at a low cost, the plasma diameter can be made constant, and the stable ion beam 32 can be generated for a longer time.
【００２７】上述したように、本発明の装置及び方法に
よれば、第１の真空チャンバー２２内でアノードとカソ
ード間に真空アーク放電３１を発生させてカソード物質
の金属プラズマを形成し、磁場発生装置３０による磁場
により金属プラズマを一時的に封じ込め、かつマイクロ
波により金属プラズマを加熱して多価電離イオンの割合
を増加させ、イオン抽出電極による電界により金属プラ
ズマからイオンを抽出することにより、多価電離イオン
の割合が高いイオンビーム３７を開口孔２４ａを通して
発生させることができる。As described above, according to the apparatus and method of the present invention, the vacuum arc discharge 31 is generated between the anode and the cathode in the first vacuum chamber 22 to form the metal plasma of the cathode material, and the magnetic field is generated. By temporarily confining the metal plasma with a magnetic field generated by the device 30 and heating the metal plasma with microwaves to increase the proportion of multiply-charged ions, the ions are extracted from the metal plasma by the electric field generated by the ion extraction electrode. An ion beam 37 having a high proportion of valence ionized ions can be generated through the aperture 24a.
【００２８】また、カソード２７、３９を間隔を隔てて
囲み、この間隔がアノード側に漸増するように成形さ
れ、かつアノード及びカソードから電気的に浮いた導電
性フード２８、４０を備えることにより、フードを電気
的に浮動ポテンシャルに保持し、カソードとフード間に
軸線にほぼ直交する電気力線３６を形成することがで
き、カソードの根元部分にアークが飛んでこの部分を損
傷することを本質的に回避することができ、カソードを
長時間連続して使用することができ、かつ真空チャンバ
ーを小型にし、カソードとアノードの間隔を短くするこ
とができる。Further, by surrounding the cathodes 27, 39 with a space therebetween, and by forming the conductive hoods 28, 40 which are formed so that the space gradually increases toward the anode side and which are electrically floated from the anode and the cathode, It is possible to hold the hood electrically at a floating potential and form a line of electric force 36 between the cathode and the hood, which is substantially orthogonal to the axis line, and it is essential that an arc fly to the root part of the cathode and damage this part. The cathode can be used continuously for a long time, the vacuum chamber can be made small, and the distance between the cathode and the anode can be shortened.
【００２９】更に、本発明は、アノード２６を含む仕切
板２１を除去し、マイクロ波導入部２９からのマイクロ
波を導入し、プラズマを発生させこのプラズマと本発明
によって構成されるフード２８を含むカソード２７との
間に真空アーク放電を発生させることも可能である。な
お、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要
旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論であ
る。Further, the present invention removes the partition plate 21 including the anode 26, introduces the microwave from the microwave introduction part 29 to generate plasma, and includes the plasma and the hood 28 constructed according to the present invention. It is also possible to generate a vacuum arc discharge with the cathode 27. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
【００３０】[0030]
【発明の効果】上述したように、本発明のイオンビーム
発生装置及び方法は、多価電離イオンの割合が高いイオ
ンビームを連続して発生することができ、電極の寿命が
長く、安定して作動でき、かつ小型で構造がシンプルで
ある、等の優れた効果を有する。As described above, the ion beam generating apparatus and method of the present invention can continuously generate an ion beam having a high proportion of multiply charged ionized ions, have a long electrode life and are stable. It has excellent effects such as being operable, being small and having a simple structure.
【図１】本発明によるイオンビーム発生装置の全体構成
図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of an ion beam generator according to the present invention.
【図２】図１の主要部の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a main part of FIG.
【図３】フードの効果を模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing an effect of a hood.
【図４】本発明の第２の実施例を示す部分拡大図であ
る。FIG. 4 is a partially enlarged view showing a second embodiment of the present invention.
【図５】従来のイオンビーム発生装置の部分構成図であ
る。FIG. 5 is a partial configuration diagram of a conventional ion beam generator.
【図６】本発明者等による別のイオンビーム発生装置の
全体構成図である。FIG. 6 is an overall configuration diagram of another ion beam generator by the present inventors.
１、１１ 真空チャンバー ２、１０、２７ カソード ３、２６ アノード ４ アノード保持部材 ５ トリガー電極 ６、１４ コイル（磁石） ７、１５ イオン抽出電極 ８ プラズマ ９、１７ イオンビーム １２ マイクロ波導入部 １３ アーク電源 １６ 金属プラズマ ２０ イオンビーム発生装置 ２１ 仕切り板 ２２ 第１チャンバー ２３ 第２チャンバー ２４ 真空容器 ２５ 開口孔 ２８ フード ２９ マイクロ波導入部 ３０ 磁場発生装置 ３１ 真空アーク放電 ３２ アークプラズマ ３３ 支持部材 ３４ 絶縁管 ３５ 取付金具 ３６ 電気力線 ３７ イオンビーム抽出電極系 ３８ イオンビーム ３９ カソード ４０ フード 1, 11 Vacuum chamber 2, 10, 27 cathode 3, 26 Anode 4 Anode holding member 5 Trigger electrode 6, 14 coil (magnet) 7,15 Ion extraction electrode 8 plasma 9,17 Ion beam 12 Microwave introduction section 13 Arc power supply 16 metal plasma 20 Ion beam generator 21 Partition board 22 First chamber 23 Second chamber 24 vacuum vessels 25 open holes 28 Hood 29 Microwave introduction section 30 Magnetic field generator 31 vacuum arc discharge 32 arc plasma 33 Support member 34 Insulation pipe 35 Mounting bracket 36 lines of electric force 37 Ion beam extraction electrode system 38 ion beam 39 cathode 40 hood
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/08 H01J 27/08 H01J 27/18 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 37/08 H01J 27/08 H01J 27/18
Claims (9)
バーに区分された真空容器と、前記仕切り板を貫通する
開口孔を有し正に印加されるアノードと、第１チャンバ
ー内の前記開口孔の軸線上にアノードと対向して配置さ
れ負に印加されるカソードと、前記カソードを間隔を隔
てて囲み、該間隔がアノード側に漸増するように成形さ
れ、かつアノード及びカソードから電気的に浮いた導電
性フードと、真空容器内にマイクロ波を導入するマイク
ロ波導入装置と、第１チャンバー及び第２チャンバー内
に発生するプラズマを少なくとも一時的に封じ込める磁
場を発生させる磁場発生装置と、を備えたことを特徴と
するイオンビーム発生装置。1. A vacuum container divided into a first chamber and a second chamber by a partition plate, an anode having an opening hole penetrating the partition plate and being positively applied, and the opening hole in the first chamber. A cathode, which is arranged to face the anode on the axis of the negative electrode and is negatively applied, surrounds the cathode with a space, and the space is formed so that the space gradually increases toward the anode side and electrically floats from the anode and the cathode. A conductive hood, a microwave introduction device for introducing microwaves into the vacuum container, and a magnetic field generation device for generating a magnetic field that at least temporarily confines the plasma generated in the first chamber and the second chamber. An ion beam generator characterized in that
面をもった軸線と同心の切頭円錐形部分を有し、前記フ
ードは、前記軸線と同心の中空円筒形である、ことを特
徴とする請求項１に記載のイオンビーム発生装置。2. The cathode has a frustoconical portion concentric with an axis having a plane facing the anode, and the hood is a hollow cylindrical shape concentric with the axis. The ion beam generator according to claim 1.
面を有し前記軸線と同心の円筒形であり、前記フード
は、カソードを囲む部分がアノード側に漸増する前記軸
線と同心のロート形状である、ことを特徴とする請求項
１に記載のイオンビーム発生装置。3. The cathode has a cylindrical shape having an end face facing the anode and concentric with the axis, and the hood has a funnel shape in which a portion surrounding the cathode is concentric with the axis gradually increasing to the anode side. The ion beam generator according to claim 1, wherein.
形の絶縁性支持部材と、該支持部材に一端部が連結さ
れ、他端部が軸線に沿ってアノードと反対側に延びる中
空円筒形の絶縁管と、を更に備え、前記導電性フードは
前記絶縁管の外側に間隔を隔てて取り付けられる、こと
を特徴とする請求項１に記載のイオンビーム発生装置。4. A hollow-cylindrical insulating support member for supporting the cathode inside, and a hollow-cylindrical support member having one end connected to the support member and the other end extending axially opposite to the anode. The ion beam generator according to claim 1, further comprising: an insulating tube, wherein the conductive hood is attached to the outer side of the insulating tube with a space therebetween.
なり、前記絶縁管は石英ガラスからなる、ことを特徴と
する請求項４に記載のイオンビーム発生装置。5. The ion beam generator according to claim 4, wherein the support member is made of boron nitride, and the insulating tube is made of quartz glass.
結晶成長カーボンからなる、ことを特徴とする請求項１
に記載のイオンビーム発生装置。6. The anode has a hollow cylindrical shape and is made of crystal growth carbon.
Ion beam generator according to.
は、アノードの開口孔で連通し、かつ、それぞれ独立に
真空排気され、第２チャンバーの真空度が第１チャンバ
ーより高くなるように差動排気される、ことを特徴とす
る請求項１に記載のイオンビーム発生装置。7. The first chamber and the second chamber communicate with each other through an opening hole of an anode, and are evacuated independently of each other, and the second chamber is differentially evacuated so that the degree of vacuum of the second chamber is higher than that of the first chamber. The ion beam generator according to claim 1, wherein
からなる、ことを特徴とする請求項１に記載のイオンビ
ーム発生装置。8. The ion beam generator according to claim 1, wherein the cathode is made of a semiconductor or a conductive material.
ソード間に真空アーク放電を発生させてカソード物質の
金属プラズマを形成し、磁場により金属プラズマを一時
的に封じ込め、かつ第１真空チャンバーと連通する第２
の真空チャンバー内でマイクロ波により金属プラズマを
加熱して多価電離イオンの割合を増加させ、電界により
金属プラズマからイオンを抽出し、これによりイオンビ
ームを発生させるイオンビーム発生方法において、アノ
ードとカソードを結ぶ軸線方向を開口させてカソードを
導電性フードで間隔を隔てて囲み、該間隔をアノード側
に漸増するようにフードを成形し、かつ該フードを電気
的に浮かして浮動ポテンシャルに保持し、これによりカ
ソードとフード間に軸線にほぼ直交する電気力線を形成
する、ことを特徴とするイオンビーム発生方法。9. An anode and a cathode in the first vacuum chamber.
A vacuum arc discharge is generated between the swords to
Forming a metal plasma and temporarily activating it with a magnetic field
Second containment, which communicates with the first vacuum chamber
Metal plasma by microwave in the vacuum chamber of
Heating to increase the proportion of multiply charged ionized ions,
Ions are extracted from the metal plasma, which
In the method of generating an ion beam for generating a dome, an axial direction connecting the anode and the cathode is opened to surround the cathode with a conductive hood at intervals, and the hood is formed so that the interval gradually increases toward the anode side, and An ion beam generating method, characterized in that the hood is electrically floated and held at a floating potential, thereby forming a line of electric force between the cathode and the hood substantially orthogonal to the axis.
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