JPH03295199A - 高速原子線源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、成膜、エツチング等の材料加工に用いる高速
原子線源装置に関するものである。

（従来の技術） 第３図は、従来例の高速原子線源装置の一部切欠斜視図
である。従来例に用いられていた気体原子の高速原子線
を発生する高速原子線源装置のうち、運動エネルギーが
０．５〜ｌ０ＫＶのアルゴン原子を放射する高速原子線
源装置の一例を示すものである。

図中、符号１はそれぞれ陰極を形成する端面１ａ、ｌｂ
　（以下、単に端面１ａ、ｌｂという）を有し中央に放
電室Ｃを具えた中空円筒形カソード、２は前記カソード
１の放電室Ｃのほぼ中心部に設けたリング状アノードで
あり、これらはグラファイト等の導電性、耐熱性にすぐ
れた材料で作製されている。３は前記カソード１とアノ
ード２との間に高電圧例えば０．５〜ｌ０ＫＶの直流高
圧を印加する高圧電源、４は円筒形カソード１の一端面
１ｂのほぼ中心に穿設したガス導入孔、５は導入孔４よ
り放電室Ｃ内に供給した不活性のアルゴンガス、６は後
述するグロー放電により放電室内に形成したプラズマ、
７は円筒形カソード１の他端面１ａのほぼ中心に穿設し
た高速原子線放出孔、８は前記放出孔７より外部へ放出
した高速原子線、９は高速原子線源装置外部から不活性
アルゴンガス５をカソード１の端面１ｂに設けたガス導
入孔４に導くための導入管でステンレス等よりなる。

さらにカソード１とアノード２と高速原子線放出孔７と
は、それぞれの中心軸が同一直線上にあるように配設さ
れている。

以上の構成部材のうち、直流高圧電源３以外の部材を真
空容器（図示せず）に収納し、高真空状態に保持する。

このような高速原子線源装置にガス導入管９からアルゴ
ンガス５を供給して、ガス導入孔４を経て円筒形カソー
ド１の放電室Ｃの内部へ供給する。

次にカソード１とアノード２との間に直流高圧電源３に
より高電圧を印加すると、カソード１の放電室Ｃ内でグ
ロー放電が発生し、プラズマが形成され、ガス導入孔４
から導入されたガス例えばアルゴンガス５はイオン化さ
れて、カソード１及びアノード２間に印加された静電界
によりカソード１の端面１ａ、ｌｂに向けて加速され、
そのうち前記端面１ａ側に向けて加速された放電プラズ
マ６のイオンはカソード１の端面１ａに設けた高速原子
線放出孔７付近で電荷交換により高速中性原子となり前
記放出孔７から放出されて、高速原子線８が得られる。

以上は高速電子線発生の原理であるが、以下更にその詳
細に渡って説明する。

円筒形カソード１の放電室Ｃ内でのアルゴンガス５の流
れは、円筒形カソード１と真空容器との圧力差による差
動排気をうけ、高速原子線放出孔７から外部方向へ向か
う。真空容器内の圧力が例えば１０−’−１０−１（Ｔ
　ｏ　ｒ　ｒ、）である場合のアルゴンガス５の流量に
おいて、アルゴンガス５は、前記放電室Ｃに平行に移動
する層流に近い挙動を示す。

この状態において、リング状アノード２が正電位となる
ように、直流高圧電源３から直流高電圧を印加すると、
円筒形カソード１の放電室Ｃとリング状アノード２との
間でグロー放電が生じ、はぼっづみ状のプラズマ６が形
成されて、アルゴンイオンと電子が生成される。

前記グロー放電において、円筒形カソード１の放電室Ｃ
内で生成された電子は、リング状アノード２の中央孔を
通過する際に、減速されながら円筒形カソード１の端面
１ａまたは端面１ｂに向かい、この端面の近傍に達した
とき速度を失い、速度の方向を変えてあらためてリング
状アノード２に向かって加速される。

以上のような電子の挙動によって、発生するプラズマ６
は、リング状アノード２の中央孔と円筒形カソード１の
両端面１ａ、ｌｂとの中央部付近で形成される。

また、プラズマ６中で生成されたアルゴンイオンは円筒
形カソード１の放電室Ｃの壁面に向かって加速され、円
筒形カソード１の一端面１ａに穿設した高速原子線放出
孔７付近に達したアルゴンイオンは電荷交換によって高
速のアルゴン中性原子となり、アルゴン高速原子線８と
して高速原子線放出孔７から放出される。

（発明が解決しようとする課題） 本発明が解決しようとする課題を第３図に基づいて説明
する。

前記従来の高速原子線源装置では、グロー放電により円
筒形カソード１の放電室Ｃ内で形成されるプラズマ６は
円筒形カソード１の両端面１ａ。

１ｂの中央部付近に達する。そのため、円筒形カソード
１の一端面１ｂの中央部に設けられたガス導入孔４にプ
ラズマが到達して、ガス導入孔４からプラズマ６が漏洩
することがある。

しかるに、プラズマ６の中心部には高エネルギーイオン
の分布が最も高いので、プラズマ６に直接接触するガス
導入孔４やこれに連結するガス導入管９は高温となり、
その結果前記ガス導入孔４、ガス導入管９に熱変形をも
たらしたり、ステンレス製ガス導入管９が高エネルギー
イオンにより熱損傷やスパッタリングによる損傷を受け
るといった問題点があった。

また、プラズマ６中の高エネルギーイオンはプラズマ６
のシース面内に形成された電界により加速され、カソー
ド１の全内壁面に衝突する。プラズマ６中の高エネルギ
ーイオンはプラズマ６の中心付近、つまりカソード１の
中心軸上に多く分布しており、この付近の高エネルギー
イオンは、はぼカソード１の中心軸に平行にカソード１
の端面１ｂに向かう。そのため、カソード１の一端面１
ｂの中心部に設けられたガス導入孔４に多くの高エネル
ギーイオンが入り込み、導入ガス５と多重衝突を繰り返
し、カソード１内に導入されるガス５の量が減少するた
め、グロー放電状態が変化するとともに、高速原子線放
出孔７より引出される原子線のエネルギー量、ビーム量
にも変化をもたらすという問題点があった。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、
実施例に対応する第１図、第２図で説明すると、本発明
による高速原子線源装置は、両端面１ａ、ｌｂを有する
導電性の中空円筒形カソード１と、前記カソード１の一
端面１ａに穿設したビーム取り出し用高速原子線放出孔
７と、カソード１の他端面１ｂに穿設したガス導入孔４
と、このガス導入孔４に外部よりガスを供給するガス導
入管９と、カソード１の中心部に配設された導電性のリ
ング状アノード２と、カソード１とアノード２とに直流
高電圧を印加する直流高電圧電源３とを具備し、カソー
ド１とアノード２と高速原子線放出孔７とをそれぞれの
中心軸が同一直線上に位置するように配設した構成の高
速原子線源装置において、カソード１の一端面１ｂに近
接してアノード２側に凸となるように球面状にした端面
ＩＣを設け、この端面ＩＣと端面１ｂとの間でガス室１
０を形成すると共に、端面ＩＣの円周上に等間隔にガス
室１０に導通する複数個のガス導入孔４ａ、４ｂ、４ｃ
、４ｄを配設したものである。

（作用） 本発明によれば、カソード１の端面１ｃをアノード側に
凸となる球面状にして、更に端面１ｃの外周上にガス導
入孔４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが設けられているので、プ
ラズマ中の高エネルギーイオンの大部分は球面状のカソ
ード１の端面ＩＣの中心付近に収束する。

また、ガス導入孔４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを球面状の端
面１ｃの外周上に等間隔に複数個設けることにより、ガ
ス導入孔４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄより供給されたガス５
はカソード１の放電室Ｃ内で均一に分布される。

更に、カソード１の端面１ｂと端面１ｃとの間にガス室
１０を設けることにより、ガス導入管９より導入される
ガス５は、ガス室１０内で減圧され、ガス粒子の平均速
度は減少する。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明を説明する。

第１図は、本発明に係る高速原子線源装置の一実施例の
一部切欠斜視図、第２図は本実施例の断面図で、第３図
で説明した従来例との同一部分には同一符号を付して詳
細な説明は省略する。

本発明による高速原子線源装置は、カソード１の一端面
１ｂに近接してアノード２側に凸となるように球面状に
した端面１ｃを設け、この端面１ｃと端面１ｂとの間で
ガス室１０を形成すると共に、端面１ｃの円周上に等間
隔にガス室１０に導通する複数個のガス導入孔４ａ、４
ｂ、４ｃ。

４ｄを配設したことを除いては、第３図で説明した従来
例の高速原子線源装置と同様の構成を有する。　このよ
うに構成された高速原子線源装置の動作について説明す
る。

リング状アノード２には、直流高電圧電源３から高電圧
例えば０．５〜ｌ０ＫＶ程度の高圧の直流正電圧が印加
されるようになっており、又、カソード１は電気的に接
地されている。

前記の構成部材のうち、直流高電圧電源３とガス導入管
９以外のものを真空容器内に収納して高真空状態に保持
した後、外部よりガス導入管９からガスを供給する。導
入するガス流量が真空容器内で圧力１０−’　〜１０″
″１（Ｔｏｒｒ）となる状態では、ガスの流れは一般的
に粘性流となる。

前記複数のガス導入孔４ａ〜４ｄを経て供給されたガス
は放電室Ｃ内で不規則に混合しながら移動する乱流状態
となる。

前記の状態において、直流高電圧電源３からリング状ア
ノード２に直流正電圧を印加すると、円筒形カソード１
の放電室Ｃ内に存在するわずかな電子が円筒形カソード
１内に形成された静電場により加速され、リング状アノ
ード２の中央孔を中心にカソード１の両端面１ａ、１ｃ
の間を高周波振動を行なう。

電子はこのような挙動を行なう間に、円筒形カソード１
の放電室Ｃ内に導入されたガス５と衝突を繰り返し、ガ
ス５を電離させてイオンと電子を生成し、グロー放電を
起こす。

この過程によって生成された電子は再び前述のようにガ
ス５の電離に作用し、この過程を繰り返すことによって
グロー放電は安定に維持される。

前記グロー放電により円筒形カソード１の放電室Ｃ内に
プラズマ６が形成されるが、このプラズマ６はリング状
アノード２の中央孔と円筒形カソード１の一端面１ａと
他端面１ｂとの間で形成されているが、前記円筒形カソ
ード１の一端面１ｂ側では、プラズマ６はカソード端面
１ｂに沿うように凹形になる。

前記プラズマ６中で生成されたイオンは、円筒形カソー
ド１の放電室Ｃ内に形成された静電場により加速されて
カソード１の壁面に向けて加速され、そのうち高速原子
線放出孔７付近に達したイオンは、電荷交換を行なって
高速の原子となって、高速原子線放出孔７から放出され
て、高速原子線８となる。

（発明の効果） 本発明においては、円筒形カソードの一端面をアノード
側に凸となるような球面状であり、該カソードの一端面
（上）の外周上にガス導入孔を配設することにより、前
記球面状のカソード端面側のプラズマ中のイオンは、カ
ソード端面の中心付近に収束するように加速されること
により、前記球面状カソード端面の外周上に設けられた
ガス導入孔に高速のイオンが侵入することがなくなり、
その結果、カソード内に導入されるガス流量変化がなく
なる。更に、ガス導入孔が直接プラズマに接触すること
がないので、ガス導入管の熱による損°傷がない、従っ
て、原子線のエネルギー量等に変化をもたらさないので
、放電開始当初に設定した条件を長時間に渡って維持す
る効果を有する。

更に、ガス導入孔を前記球面状カソード端面の外周上に
等間隔に複数配設することにより、放電室内でのガス分
布を均一にすることができ、ガスのイオン化率を向上す
る効果を有する。また、ガス導入孔とガス導入管との間
にガス室を設けることにより、ガス導入管より導入した
ガスの圧力を一旦減じた上で放電室にガスを供給するの
で、ガス粒子の平均速度が小さくなり、放電室内で高周
波振動している電子との衝突確率が上がり、ガスのイオ
ン化率を向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る高速原子線源装置の一実施例の一
部切欠斜視図。第２図は本発明に係る高速原子線源装置
の一実施例の断面図、第３図は従来例の高速原子線源装
置の一部切欠斜視図である。 １・・・中空円筒形カソード １　ａ　、　１　ｂ　、　１　ｃ　一端面２・・・リン
グ状アノード　３・・・直流高電圧電源４．４ａ〜４ｄ
・・・ガス導入孔 ５・・・導入ガス　　　　　６・・・プラズマ７・・・
高速原子線放出孔　８・・・高速原子線９・・・ガス導
入管　　　１０・・・ガス室Ｃ・・・放電室 ０・・・円筒形カソード一端面の中心

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 両端面（１ａ）、（１ｂ）を有する導電性の中空円筒形
   カソード（１）と、前記カソード（１）の一端面（１ａ
   ）に穿設したビーム取り出し用高速原子線放出孔（７）
   と、前記カソード（１）の他端面（１ｂ）に穿設したガ
   ス導入孔（４）と、このガス導入孔（４）に外部よりガ
   ス（５）を供給するガス導入管（９）と、前記カソード
   （１）の中心部に配設された導電性のリング状アノード
   （２）と、前記カソード（１）とアノード（２）とに直
   流高電圧を印加する直流高電圧電源（３）とを具備し、
   前記カソード（１）、アノード（２）及び高速原子線放
   出孔（７）とをそれぞれの中心軸が同一直線上に位置す
   るように配設した構成の高速原子線源装置において、 前記カソード（１）の一端面（１ｂ）に近接してアノー
   ド（２）側に凸となるように球面状にした端面（１ｃ）
   を設け、この端面（１ｃ）と端面（１ｂ）との間でガス
   室（１０）を形成すると共に、端面（１ｃ）の円周上に
   等間隔にガス室（１０）に導通する複数個のガス導入孔
   （４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）、（４ｄ）を配設したこ
   とを特徴とする高速原子線源装置。