JPH05299195A - 高速原子線源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導入した反応ガスの冷陰極放電を安定して発
生させ、因って、安定したイオンを生成して高信頼性を
有する高速原子線を放出する。 【構成】 所定間隔を隔てて真空容器（９）内に配置さ
れ、グロー放電を発生する管状電極（１）及び柱状陰極
（２）はその電極形状が、それぞれ尖状部を解消して面
取り加工されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速原子線を高い信頼
性で放出できる高速原子線源に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、高速原子線源は、例えば半導
体工業などで使用するイオン注入法に適用され、微量の
不純物を電気的に中性な高速原子線として放出し、かつ
ターゲット材に注入できるものとして周知である。図４
は、従来の高速原子線源の一形態を示す装置断面図であ
る。図中、１は管状陽極、２は陰極、３はガス導入口、
４は直流高圧電源、５は冷陰極放電領域、６は中性化領
域、７はディフレクタ、８はオリフィス、９は真空容器
を示している。

【０００３】上記構成要素を含んで構成されたこの高速
原子線源は、以下の通り動作する。直流高圧電源４を除
く各構成要素は、真空容器９内に配置されており、前記
真空容器９が充分に真空排気された後、反応ガスをガス
導入口３及び管状陽極１を通して容器内へ導入する。こ
の状態で接地されている陽極１に対し、陰極２が負電位
となるように該陰極２に負の高電圧を印加する。

【０００４】以上のプロセスを実施することにより、陽
極１及び陰極２間の冷陰極放電領域５で冷陰極放電が起
きてプラズマが発生し、導入した反応ガスのガスイオン
と電子とが生成される。その際、生成されたガスイオン
は陰極２に向けて加速され、十分な運動エネルギーを得
たところで陰極２に形成した孔２ｂの中性化領域６の空
間で、電子或いは残留ガスと接触し、中性化されて再び
原子に戻る。このガスイオンと電子との接触において、
電子の質量がガスイオンに比べて無視できる程に小さい
ため、ガスイオンは運動エネルギーを殆ど損失すること
なくそのまま原子に受け継いで高速原子となる。この高
速原子はオリフィス８を通って外部に高速原子線となっ
て放出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来形高速原子線源では、真空容器内部で起きる冷陰極
放電に安定性がなく、そのため反応ガスによる安定した
ガスイオンの生成が困難であった。従って、従来装置
は、信頼性の高い高速原子線を放出することが出来なか
った。

【０００６】このような理由は、両電極間の電界強度に
均一性がないことによるものと理解でき、本発明者らが
詳細に検討を重ねた処、電極形状が電位勾配に対して大
きく作用することが判った。すなわち、電極形状に尖状
部分があった場合、陽極から陰極に向かって下がる電位
勾配は、放電領域において不均一であり、特に尖状部分
で歪められ急勾配になる。一方、安定したプラズマを起
こすためには、プラズマ領域全体が均一な電位勾配中に
存在する必要がある。しかし、尖状部分が存在する電極
構造は、既述したように電位勾配が不均一であるためプ
ラズマを安定に起こすことが困難になるためと推察され
た。

【０００７】本発明は、敍上の不都合を解消せんとする
もので、導入した反応ガスに対し冷陰極放電を安定して
発生させ、因って、一定した量の原子線を生成すること
のできる、信頼性の高い高速原子線源を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の上記
目的は、方向性を有する原子流を発生する高速原子線源
において、真空容器に透設されたガス導入口と連通し該
容器内に配置される管状陽極と、該管状陽極の軸方向に
対し垂直に形成されかつ該管状陽極の自由端から離間配
置された平面部を備え、更に前記管状陽極と中心軸が一
致する貫通孔を形成した陰極とを有し、両電極間に放電
を起こして前記ガス導入口及び前記管状陽極を通過して
容器内に導入される反応ガスをイオン化しかつ加速して
高速原子線を生成する高速原子線源であって、前記管状
陽極の自由端が滑らかに面取り加工されると共に、前記
陰極は前記管状陽極と対面する前記平面部において前記
貫通孔の周縁が滑らかに面取りされていることを特徴と
する高速原子線源により達成される。

【０００９】

【作用】両電極間に形成される放電領域において、電極
は電位勾配に影響を及ぼす電極形状が面取り加工されて
尖状部分を解消しているので、電界強度を均一にし安定
した放電を行うことができる。

【００１０】

【実施例】以下、添付した図面に基づいて本発明の実施
例を詳説する。図１は、本発明の一実施例を示す高速原
子線源の縦断面図である。なお、本実施例では、先の図
４によって述べた従来例と同一機能・動作を有する構成
要素については同一符号を用いている。

【００１１】図において、この高速原子線源は、管状陽
極１及び柱状に設けられて前記陽極１の軸方向に所定厚
を有する柱状陰極２が、所定間隔を隔てて真空容器９内
に配置され、かつ真空容器外部に配置した直流高圧電源
４を有して構成されている。前記真空容器９には、反応
ガスを容器内部に導入するガス導入口３が設けられてお
り、前記管状陽極１は一端１ａが前記ガス導入口３に連
通され、その自由端１ｂを前記柱状陰極２に対向させて
いる。前記柱状陰極２は、前記管状陽極１の軸方向に対
し垂直に形成されかつ該管状陽極１の自由端１ｂから離
間配置された平面部２ａを備えると共に、前記管状陽極
１と中心軸が一致し中性化領域６として作用する貫通孔
２ｂを設けて構成されている。前記管状陽極１と前記柱
状陰極２との間には、冷陰極放電領域５が形成される。

【００１２】本実施例の特長的な構成要件として、前記
管状陽極１は前記自由端１ｂの肉厚断面形状が半球状に
面取り加工されており、一方、前記柱状陰極２は前記冷
陰極放電領域５に面した前記平面部２ａにおいて前記貫
通孔２ｂの周縁が滑らかに面取りされている。前記管状
陽極１はアース接地されて接地電位に設けられており、
他方、前記柱状陰極２は前記直流高圧電源４と接続して
負の高電圧が印加されている。前記柱状陰極２の反陽極
面２ｃに当接してディフレクタ７が設けられている。前
記真空容器９は前記ガス導入口３と対向する壁面に、高
速原子線を出射するオリフィス８を穿孔している。

【００１３】次に、上記の如く構成した高速原子線源の
動作について説明する。真空容器９内を充分に真空排気
した後、反応ガス２０を前記ガス導入口３及び前記管状
陽極１を通過させて該容器内へ導入する。この反応ガス
２０の導入と同時に、前記柱状陰極２に負の高電圧を印
加して両電極間に冷陰極放電（グロー放電）を起こす。
その際、両電極間の電位勾配は、冷陰極放電領域５周辺
に位置する両電極１，２の尖状部が解消されているた
め、図２に示すように、等電位線間隔が何処でも比較的
均一に設けられて電位勾配を一定にしている。なお、対
比のために示す従来例と比較すると、図３に示す如く、
従来例は例えば陽極１が尖状部を形成しているので、こ
の尖状部で電界が乱れて等電位線間隔が場所により異な
り、等電位線間隔の狭い電極尖状部での電位勾配を急峻
にしていることが分かる。

【００１４】上記プロセスにより、プラズマが冷陰極放
電領域５で発生し、導入した反応ガス２０のガスイオン
と電子とが生成される。生成されたガスイオンは柱状陰
極２に向けて加速され、十分な運動エネルギーを得たと
ころで、前記陰極２の貫通孔２ｂ内に形成される中性化
領域６に到達する。前記中性化領域６に到達したイオン
は該領域の空間で、残留しているガス分子と衝突して電
荷を消失するか、或いは電子との再結合によって電荷を
失い、中性化して再び原子に戻る。ガスイオンが原子に
戻る際、ガスイオンの運動エネルギーはほとんど消失す
ることなく原子に受け継がれる。このとき得られる運動
エネルギーは、直流高圧電源４による放電維持電圧が、
例えば１kVのときは１keV 程度の値となる。このように
して大きな運動エネルギーを有する高速原子が誕生す
る。そして、この高速原子は、オリフィス８から高速原
子線２１として外部に放射される。なお、前記陰極２の
背後に置かれたディフレクタ７は中性化し損なったガス
イオン（残留イオン）を除去するために作用する。

【００１５】

【発明の効果】以上記載したとおり、本発明の高速原子
線源によれば、プラズマを発生する放電領域において電
界を乱す要因が取り除かれているので、安定した冷陰極
放電を実現して導入ガスのイオンを安定して生成でき
る。又、ガスイオンの安定生成により出力が一定した高
速原子線を放出できる。しかも、比較的簡単な改良によ
り信頼性の高い高速原子線源が製作できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による高速原子線源の縦断面
図である。

【図２】図１の高速原子線源における電界の様子を説明
する図である。

【図３】従来の高速原子線源における電界の様子を説明
する図である。

【図４】従来の高速原子線源の縦断面図である。

【符号の説明】

１ 管状陽極 ２ 柱状陰極 ３ ガス導入口 ４ 直流高圧電源 ５ 冷陰極放電領域 ６ 中性化領域 ７ ディフレクタ ８ オリフィス ２０ 反応ガス ２１ 高速原子線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 方向性を有する原子流を発生する高速原
   子線源において、真空容器に透設されたガス導入口と連
   通し該容器内に配置される管状陽極と、該管状陽極の軸
   方向に対し垂直に形成されかつ該管状陽極の自由端から
   離間配置された平面部を備え、更に前記管状陽極と中心
   軸が一致する貫通孔を形成した陰極とを有し、両電極間
   に放電を起こして前記ガス導入口及び前記管状陽極を通
   過して容器内に導入される反応ガスをイオン化しかつ加
   速して高速原子線を生成する高速原子線源であって、前
   記管状陽極の自由端が滑らかに面取り加工されると共
   に、前記陰極は前記管状陽極と対面する前記平面部にお
   いて前記貫通孔の周縁が滑らかに面取りされていること
   を特徴とする高速原子線源。