JP2828247B2

JP2828247B2 - イオンビーム発生装置

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Publication number: JP2828247B2
Application number: JP63047359A
Authority: JP
Inventors: イアン・ジー・ブラウン; ロバート・エイ・マクギル
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-13
Filing date: 1988-02-29
Publication date: 1998-11-25
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: AU604856B2; AU1277988A; EP0282677A1; US4785220A; JPS63276858A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は新規なイオン発生装置に関する。

（従来の技術）従来イオンビームは種々の方法で発生されていた。気
体状のイオン種はガス源からプラズマを発生させそこか
らイオンを抽出してイオンビームを生ずることによって
形成することができる。しかしながら求められるイオン
種が金属である場合には金属プラズマを作り出すことに
は問題があった。過去において、金属源を非常に高温ま
で昇温させて高温金属蒸気を作り出していた。例えば米
国特許第2,882,409号は金属フィラメントを加熱するこ
とによってプラズマ形成を行うことを述べている。ま
た、室温乃至はその近くにおいて金属ガスが存在する場
合もあるが、そのような状態は稀である。

加速器において用いられる２つの代表的なイオン源
は、フィリップス・イオンゲージ・イオンソースおよび
デュオプラズマトロン・イオンソースである。

デュオプラズマトロン・イオンソースは、放電を抑制
しかつプラズマをアノードの抽出口付近に集中させる異
質の磁場を作り出す中間電極によって熱陰極アークを形
成する。例えば、米国特許第3,409,529号はこの型式の
イオンソースすなわちイオン源を記載している。デュオ
プラズマトロン・ソースは非常に高いイオン電流を生じ
るが、金属イオンよりも気体イオンの創生に適したもの
である。

PIGソースは中空円筒形のアノードの端部に設けられ
る２つのカソードを利用している。アノード軸線に対し
て平行に磁場が形成される。カソードはアノードに関し
て同一の負のポテンシャルにある。ガス原子のイオン化
によって作り出される電子はアノードに向けて加速され
るが磁場に従うように拘束されしたがってアノードに関
して径方向に移動することを阻止される。電子はカソー
ド間で振動してバックグラウンド・ガスをイオン化し続
け、イオン化プロセスを続行させるに十分な電子を創生
する。アノードは代表的にはスリットおよびアノードに
対して外側の抽出電極を有している。正イオン衝突はカ
ソードから物質を放出してプラズマを形成し、このプラ
ズマからアノードスリット付近でイオンが抽出される。
金属イオンの放出すなわちスパッタリングは別のスパッ
タリング電極を付加することによって増強される。金属
イオンビームの創成のためにPIG源を用いることができ
る。しかしながら、PIG源を用いて達成されるイオンビ
ームの流れは比較的小さい。米国特許第3,560,185号は
このタイプのイオン源を記載している。

米国特許第3,389,289号は粉末のチタン水素化物を用
いこれを電極の間において火花ギャップを形成する銃を
記載している。電極を励起するとプラズマ・バーストが
生じた。

米国特許第4,320,351号はシリコン体あるいはシリコ
ンウエーハ上に散布されるアークプラズマの発生を記載
している。プラズマは、粉を溶融すなわち流動化しかつ
これを散布されるべき物に推進させるアークガス流に粉
体を注入することによって生ずる。

I.E.E.Eの1972年♯8,Vol.60に発表された「脈動金属
プラズマ発生器」と題するギルモアおよびロックウッド
の論文は真空アークによるプラズマの発生を述べてい
る。この方法は真空における２つの電極の設置およびこ
れら電極間の電気的放出（放電）の達成を述べている。
負電極から物質がアークにより気化かつイオン化されて
金属プラズマを発生するのである。

米国特許題4,407,712号は中空の電極をめっきするた
めに用いられるスパッタリング技術を開示している。

（発明が解決しようとする課題）上述の従来技術はそのいずれもが高電流ビームの金属
イオンの効率的な発生のためのイオンビーム発生装置を
開示していない。そのような装置はイオンビームの発生
の分野における大きな前進に貢献するであろう。

（課題を解決するための手段）本発明によれば新規かつ有用なイオンビーム発生装置
が提供される。

本発明の装置は真空室を用いている。イオン源として
作業材料で形成されたカソードが真空室に設けられかつ
アノードから隔置される。アノードは円錐状の部材によ
って適所に保持される。円錐状の部材は熱伝導性の物質
である。アノードは開口を有しこの開口は装置によって
発生されるプラズマジェットを通過させる。電源がアノ
ードおよびカソードに付与されてこれらの間に電位を生
じさせる。アノードホルダのフランジ端に冷却を施す。

カソードおよびアノードの間に電気アークを生じさせ
るための装置が設けられる。アークはカソードの一部を
気化させかつプラズマを形成するのに十分な強度であ
り、プラズマはアノードに向って移動しついでアノード
の開口を通過する。このようなアークの創生はカソード
と同心状に形成されたトリガ−電極により惹起される。
電気回路によりトリガー電極とカソードとの間にパルス
スパークが発生する。トリガー電極は高電圧を必要とす
るのでトリガー電極およびカソードの間に絶縁体を設け
る。カソードに対して冷却を行うこともできる。カソー
ドからアノードに向いかつアノードの開口を通るプラズ
マジェットを制御しかつ案内するために磁場を形成す
る。このような磁場はアノードの開口を包囲するコイル
によって発生される。このような磁場を付与するための
装置は冷却系統を含むことができる。

アノードを通過するプラズマプルームからイオンを抽
出するための装置も設けられる。このような抽出手段は
真空室中においてアノードを超えて所定距離の位置に設
けられる一式のグリッドあるいは電極によって具体化さ
れる。プラズマジェットから抽出されたイオンはイオン
ビームの中に加速される。

カソードの互換性が必要な場合には多カソード支持体
を真空室の中に延在せしめることができる。支持体は多
数のカソードの中のどの１つであってもアノードに対し
て適所に移動させ気化電気アークを形成することができ
る。支持体は回転部材の形態をとることができ、この回
転部材は手動あるいは自動回転のための真空室の外側に
伸びる回転可能な軸を有している。回転軸には係止把持
部材を設けることもできる。また、トリガ−電極とカソ
ードとの間の始動スパークはカソードの周囲の電極カラ
ーとカソードとの間の表面路に従う。

新規かつ有用なイオン発生装置を記載したことが判る
であろう。

従って本発明の目的はプラズマ源として金属蒸気アー
クを用いたイオン発生装置を提供することである。

本発明の他の目的は固体金属あるいは金属化合物から
発生しかつイオンビームに変換されるまで高度プラズマ
を用いたイオン発生装置を提供することである。

本発明の別の目的は低摩耗カソードを用いたイオン発
生装置を提供することである。

本発明の更に別の目的はプラズマを発生するためのス
パッタリング過程を省きかつプラズマからアノード上へ
の金属の生成を排除するイオン発生装置を提供すること
である。

本発明のまた更に別の目的は金属イオンが真空室中で
ガスと結合してこれを移送することの可能なイオン発生
装置を提供することである。

本発明の他の目的は高い安定性を有するプラズマを用
いたイオン発生装置を提供することである。

本発明の他の目的は繰り返し性のあるイオンに対する
電荷状態分布を有するイオン発生装置を提供することで
ある。

本発明の他の目的は低ビームエミッタンスを有するイ
オンビームをもたらすイオン発生装置を提供することで
ある。

本発明の他の目的は非常に高いビーム電流を有するイ
オンビームを生ずるイオン発生装置を提供することであ
る。

本発明の更に別の目的は高電荷状態イオン種の有用な
流れを生ずるイオンビーム発生装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的はアノードに対していずれのカソー
ドをもプラズマ発生位置に置くことのできる多カソード
支持体を有するイオン発生装置を提供することである。

本発明の他の目的はカソードの摩耗により生ずる非差
動時間の短いイオン発生装置を提供することである。

本発明の他の目的は異なった材料製の相互に交換可能
な多数のカソードを含み各々のカソードが単一のアノー
ドと共に連続的にプラズマを発生することのできるイオ
ン発生装置を提供することである。

本発明の他の目的はカソードおよび包囲電極間の表面
経路に従う始動スパークを用いたプラズマ発生装置を提
供することである。

本発明の他の目的は真空室の真空シールを破らずに交
換することのできる多カソードを有するイオン発生装置
を提供することである。

（実施例）第11図以降に示す本発明を理解する上で参考となる型
式のイオン発生装置を先に説明する。

装置全体を符号10により図面に示しており、この装置
は要素の１つとして真空室12を含んでいる。真空室12は
円筒状部材14、第１の端部16および第２の端部18の間に
形成されている。円筒状部材14は石英又は他の適宜な材
料で形成することができる。絶縁材20はＯリング24によ
ってシールされた真空空間22を提供している。金属部材
26は真空室12の真空空間22および30の間の通路28を含ん
でいる。絶縁剤20はねじ37によって金属部材に固定され
ている。真空室の抜気は真空空間32の装置10の第２の端
部で行われる。金属部材34は第1,2図に示すように複数
のねじ36によって絶縁剤20に固定されている。制御電極
38が止めねじ40によって金属部材の中に保持されてい
る。金属部材26および34は銅で形成することができ、一
方トリガ電極38は高温下で耐劣化性を有するタンタルで
形成することができる。アルミナ等で形成された絶縁材
42が金属部材34から伸びるその長手方向に沿って制御電
極38を包囲している。チューブ44および46は絶縁材42に
関して同心円状に配置されており、これらチューブは銅
等の熱伝導性材料から形成することができる。ベース片
48がチューブ46に当接してカソード50に対する座の役割
を果している。アノード52はアルミニウム、ステンレス
スチールあるいはこれらと同等の導電性の材料で形成さ
れており、貫通する開口56を有するアノード板54で終端
している。アノード52は第1,2図に示すようにフランジ
又はプレート58で終端する円錐状のホルダ53を有してい
る。フランジ58は、フレオン等の冷却剤のための入口64
および出口66を分離するためのプラグ62を有する、環状
の開口60を有している。環状の溝60はフィルタ68によっ
て閉じられている。絶縁材70がフランジ58およびアノー
ドホルダ53に当接している。金属リング72が金属部材26
および絶縁材70の間にある。複数のＯリング75が金属部
材26および絶縁材70をシールしている。複数のＯリング
75が金属部材26、リング72、絶縁材70およびアノードフ
ランジ58をシールして周囲の空気が真空室12に漏洩する
のを防止している。部材26はねじ27によって絶縁材70に
固定されている。

アノードフランジ58は固定手段76によって絶縁材74に
固定されている。金属リング78がアノード52のフランジ
58および絶縁材74の間に延びている。

グリッドホルダ80がアノードホルダ53を包囲してお
り、このグリッドホルダはフランジ82を有している。フ
ランジ82はアノード52のフランジ58との間に絶縁材74を
サンドイッチ状にして挟んでいる。複数のＯリング84が
上述したＯリングと同様な状態で漏洩を防止している。
フランジ82は環状の室86を含んでおり、この室はその中
を冷却流体が循環することを許容する。プラグ88が第２
図に示すように入口90から出口92を分離しており、この
状態はアノードフランジ58に関連して環状の室について
説明した上記構造と同様である。フィルタ94が環状の室
86に対するシールを提供する。

第６図を参照すると、金属チューブ96が絶縁材カバー
42をその長手方向において包囲しているのが示されてい
る。冷却剤はチューブ44と入口98からのチューブ46との
間の空間に入れられている。冷却剤は第１図に示すベー
ス片48の端部に衝突してチューブ44,46の間の冷却およ
び出口100を経て戻ってくる。

グリッドホルダ80は電気グリッド104を保持する段付
きの部材で終端している。開口56、アノード52、カソー
ド50およびグリッド104は軸方向に整合されている。マ
グネットコイル106（概略的に示す）がアノード板54の
領域を包囲している。フレーム部材108がマグネットコ
イルを適所に保持しており、このフレーム部材はマグネ
ットコイル106の両側に設けられた一対の中空のプレー
ト110および112から構成されている。第１図および第５
図を参照すると、冷却はまた中空のプレート101,112に
対して、入口114,116および出口118,120をそれぞれ介し
て行われている。複数の円筒状の空間122がプレート110
および112を一緒に保持している。同様にして、円筒状
の棒124,126,128および130が端部プレート132に対して
フランジ82を保持している。電気端子134および136が電
源をマグネットコイル106に接続している。端子138は第
９図の温度過負荷スイッチ228に対するコネクタの役割
を果たす。これらの電気端子は、第５図のブロック140,
142上に取り付けられている。更にスペーサとしての円
筒状の棒124,126,128および130が複数の固定具144（第
２図）および146（第３図）によってフランジ82および
プレート132に対して保持されている。

第７図はプレート82およびフランジ58（第２図）の間
に設けられた火花ギャップ機構220を示している。機構2
20は電気的な調整あるいは操作の間の装置10の種々の要
素間の電気的な分解を防止し、また火花ギャップ220に
対するいかなる疑似的な放出も抑制する。

次に第８図を参照すると、カソード50が固定ねじ152
によってベース片48の中の適所に保持されているのが分
かる。他の固定ねじ154が絶縁材42およびトリガ電極38
をベース片48の中で固定している。Ｏリング156が石英
シリンダ158をカソード50の周囲に保持している。

第８図はまた電気グリッド104と側面を合わせた状態
にして取り付けられている電気グリッド160および162を
示している。第３図および第８図を参照すると、プレー
ト164と絶縁材170がプレート166をサンドイッチ状態に
して挟んでいるのがわかる。ハブ172が複数の貫通開口1
76を有するフランジ174に当接している。真空空間168が
グリッド160をグリッド162から電気的に絶縁している。
プレート132の内側の部分であるフランジ174が複数の固
定具178によりハブ172に対して保持されている。ポスト
180,182,184および186がプレート132を磁気フレーム部
材108のプレート112に対して保持している。複数の固定
具189（第３図に破線で示す）がプレート132の磁気フレ
ーム108に対する保持を助けている。プレート132の突出
部188は円筒状の部材14の周囲に係合している。Ｏリン
グ190および192がこの点における真空室12の真空を維持
している。構造体194は装置10から発生するイオンビー
ムに対する最適の使用を示している。真空空間32は構造
体194の一部を含むことができる。固定具193及び195
（第１図および第３図）がプレート132を構造体194に保
持しかつそのような複数の固定具を表現している。

電気的な接続具196が上述のグリッド構造に接続して
いる。同様にして、電気的な接続グリッド197（第２
図）がグリッドプレート82を介してグリッドホルダ80お
よびグリッド104に接続している。

次に第９図を参照すると、カソード50およびトリガ電
極38がパルス変換器198に接続されている。10ないし20
キロボルトの間のパルスがトリガ電極38およびカソード
50の間に生じそれらの間にスパークを発生させる。この
スパークは真空室12の中のカソード50およびアノードプ
レート54の間にアーク（放電）を生じせしめ、イオン化
された金属蒸気をカソード50から解放させる。例えば、
カソード材料はタンタル、金、炭素、アルミニウム、シ
リコン、チタニウム、鉄、ニオブ、ラサナムヘキサボラ
イド（lathanum hexaboride）、ウラニウム等を用いる
ことができる。強度に電流が集中する狭い領域であるい
わゆる“カソードスポット”がカソード50から濃密な金
属蒸気プラズマの生成に寄与していることが判明した。
パルス変換器198に対する入力202は第９図に示す回路を
形態をとることができ、これは抵抗器230、電源232、電
子管234およびキャパシタ236を用いている。

また、金属蒸気真空放電は他の手段、例えばカソード
50上に高パワー、短パルスレーザビームを当てる方法、
によってもほぼ同様の効果をもって得ることができる。
また、カソード50の表面に紫外線光線あるいはトリガス
パーク周辺から発生する軟らかいＸ線を照射することに
よって光電子を分離することができる。例えば、第10図
絶縁材242の中の保持された電極240を示している。絶縁
材242の回りの金属カラー224が溶接あるいは他の方法に
よりアノードプレート54に固定される。パルス変換器19
8および入力回路202は以下に第９図を参照して説明する
ように使用される。カソード50Aは、カソード50とは異
なり、トリガ電極38および絶縁材42を含まない。

カソード50およびアノードプレート54の間の空間は放
電領域204として後照される。カソード50から発生した
プラズマはそこからアノードプレート54に向かって流れ
る。カソードおよびアノードの間のプラズマを電流が通
過して第９図の電気回路を達成する。コイル106によっ
て磁場が起こりプラズマジェットをカソード50からアノ
ードプレート54に向けてかつ開口56を介して案内する。
環状のアノード52が磁場コイル106の平面内の円筒状軸
に直交して設けられている。アノード領域の磁場は１キ
ロガウスあるいはそれ以下にすることができる。フレオ
ンあるいは水等の冷却剤が入口98、チューブ44および4
6、および出口100を流過してアーク源から熱を除去す
る。

強いプラズマプルームがアノード52の開口56を通過し
てドリフト領域206と定義される領域に入る。プラズマ
が開口56を通過するのを制限する何等の障害も観察され
なかった。

石英シリンダ158はこの点においてプラズマプルーム
が開口56を通過するのを助ける。マグネットコイル106
は電源212を利用してプラズマが開口56を通るのを更に
助ける。ドリフト領域206に入ったプラズマは濃密でか
つ電気的にほぼ安定である。

ドリフト領域206を横切るプラズマは抽出領域208に入
る、領域208ではプラズマからイオンを抽出するための
手段210が用いられている。手段210は第９図に示されて
おり、３つのグリッド104,160および162を含んでいる。
ソースグリッドあるいはソース電極であるグリッド104
は抵抗216を介してアノードプレート54および抽出電源2
14に接続している。グリッド160はエクストラクタある
いは抑制電源218として参照される。グリッド104および
160の間に形成される電場がドリフト領域206におけるプ
ラズマからイオンを抽出しかつ加速する。

装置10から出るイオンビームはsuper HILACおよびBev
alac等の加速器あるいは半導体処理および冶金分野にお
けるイオン移植（イオンインプランテーション）におい
て用いられる。装置10により生ずるビームの強度は１ア
ンペア以上でありこの値は現存の金属イオンビーム電流
よりも非常に大きい。ビーム電流の強度はファラデーカ
ップおよびカロリ測定法により確認された。装置10は１
秒当り10パルスまでの繰返し速度で30マイクロ秒および
３ミリ秒の間のパルス長において運転されたが、高い能
力を有する冷却システムを用いてより長い時間が可能で
あり、更に高いイオンビーム強度を得ることができる。
従って、連続的（d.c.）作動を行うことができる。装置
10により生じたイオンの電荷状態分布が測定され装置の
連続運転中にこれを行った。イオンビームのエミッタン
スは0.05piセンチメータ・ミリラジアン（標準化された
もの）で測定された。

第11乃至第15図には本発明の一実施例が示されてお
り、ここにおいてはトリガ電極252に関して多数のカソ
ード250が用いられている。金属ベース254がトリガ電極
252を部分的に包囲しかつトリガ・フィールドスルー256
に固定されている。トリガフィールドスルーは導電性材
料で形成されておりかつメス型電気接続部258を有して
いる。プラズマ放電を生起させるために第11乃至第15図
に示した実施例で用いられる回路はトリガ電極38および
カソード50に関して第９図および第10図に示した回路と
同一のものとすることができる。トリガ・フィールドス
ルー絶縁材がトリガ・フィールドスルー256を包囲しか
つ固定具262によりこれに固定されている。Ｏリング264
が真空室226の中のトリガ電極252をシールしている。こ
の点に関し、室268はアノードプレート272から容易に取
外すことのできるカウリング270の中において大気圧に
維持されることに注意されたい。カソード・ポーティン
グ・ブロック274が固定具276によりトリガ電極252を保
持している絶縁材260を支持している。また、カソード
・ポーティング・ブロック274は固定具280によりカソー
ドプレート278に固定されている。カソードプレートは
また固定具284を用いてカソード−アノード絶縁材282に
ボルト止めされている。カソード−アノード絶縁材282
は固定具286（第11図）を用いてアノードプレート272に
連結されている。固定具262,276,280,284は通常の形態
の止めねじとすることができる。

カソードノブ286が複数の止めねじ290を用いてカソー
ド・ポーティング・シャフト288に固定されている。電
気ソケット292がシャフト288の端部に設けられておりこ
れは複数のカソード256に電位を供給するためのもので
ある。カソード・ポーティング・シャフト288はカソー
ド・ポーティング・ブロック274を通って伸びフランジ
部分294に拡がっている。ポーティング・キャップ296が
プラグ又はキー298を用いてシャフト288のフランジ部分
294に固定されている。ポーティング・キャップ296は複
数のカソード250のための支持体として作用する。アノ
ード・マスク・プレート300が複数のねじ302によってポ
ーティング・キャップ296に固定されている。アノード
・マスク・プレートは第11図乃至第15図に示す実施例に
おいて単に選択的な要素である。第12図に示すように、
アノード・マスキンゲ・プレート300は石英から形成さ
れかつ第11,12,15図に示すように点火位置にあるカソー
ド306の反対側の開口304を含んでいる。

アノード・シールド308はプレート部310およびリング
部312を含んでいる。アノード・シールド308はアノード
プレート272に固定されたシールド保持体314に固定され
ている。アノード・シールドのプレート部分310は図示
のように石英材料から形成されている。アノード・シー
ルドのリング部分312はパイレックス材料から形成され
ている。第14図に示すようにアノード・シールド保持体
314は止めねじ317によりアノード・プレート272に固定
されている。カソード−アノード・シールド308は点火
されている単一のカソード例えばカソード306を除いて
全てのカソード250からアノード316の電位を防いでい
る。この点について、マスク308は開口315を有し、この
開口はカソード306からアノード316へのプラズマ放電の
通過を許容する。

第12図は参照すると、カソード306がこのカソードの
先端320まで伸び絶縁スリーブを有しているのがわか
る。ステンレス・スチール製のリング322が絶縁体318の
周囲に係合している。トリガ電極252がリング322に摺動
可能に係合しており、このリング322は電極252からの電
位を絶縁体318の終端部付近のリングの終端部に導いて
いる。プラズマ形成を生起するスパークはリング322の
終端部から絶縁体の終端部を通りカソード306に達す
る。この点に関しては、カソード306は他の複数のカソ
ードと同様均一に摩耗する。これはカソードはその最長
点すなわちアノード316に最も近い点で気化するからで
ある。

トリガ保持体324のポーティング・キャップ296に入る
複数のねじ326によって適所に保持されている。

第13図を参照すると、冷却剤継手328,330の使用によ
り第11乃至第13図に示す装置の中を冷却剤が循環してい
るのがわかる。冷却剤は継手328を通して移送され通路3
32を介してカソード・ポーティング・ブロック274にま
たシャフト288を介して中空の通路334に入る。この点に
おいて、冷却剤はポーティング・インサート336および
アノード溝338へ入る。冷却剤は次にポーティング・チ
ューブ342の外側の空間340へ戻る。この点において、冷
却剤は通路344に入り継手330を出る。また冷却剤は導管
348を介して第14図の通路346を通って移送される。次に
冷却剤はアノードプレート272を通り環状の空間350に入
って電極マグネット352を冷却する。冷却剤はついで導
管354を介して戻り継手330を出る。

電極マグネット352および抽出手段356は、第１図乃至
第８図に示した実施例において抽出手段として働く電磁
コイル106およびグリッド104,160,162が必然的に類似し
ている。

包囲体358が第11図乃至第15図に示す実施例において
真空を維持している。この点に関し、真空は端部ピース
360を介して吸引される。Ｏリング362,364,366,264は、
冷却剤のドレーン372の両側に設けられるテフロン・ベ
アリング370を包囲する複数のＯリング368と同様に、室
266に大気圧が侵入するのを防止する。通路332を包囲す
る複数のＯリング373は通路332から冷却剤が漏洩しない
ようにシールする役目を果たす。

第13図を参照すると、ターミナル・ブロック374がカ
ソードプレート278の外側表面に取り付けられているの
が分かる。導体376および378が電気源をマグネット352
に供給する。導体380はアノード316に対して適性な電位
を提供する。

カソード・ノブ286（第13図、第14図）は扇形の外周
部382を有しており、その凹所は円筒形の係止部材384の
中に嵌合している。円筒形状の部材384に連結されたウ
イング386は使用者のための把持部材の役割を果たす。
円筒形状部材384は平坦部388を有しており、この平坦部
はカソード・ノブ286の外周部382上の平坦部に接触して
いない。したがって、円筒形状のノブの平坦部388がカ
ソード・ノブ286の外周部382の平坦部に対して必然的に
平行であるときには、円筒形状の係止部材384を回すと
カソード・ノブ286が回る。第13図および第14図に示す
ように、カソード・ノブ286は、カソード306がアノード
316と適性に整合するのを許容する位置に、係止されて
いる。

室266の中では多数のカソード250が回転可能である
が、このような多数のカソードは直線的あるいは他の態
様で動き、アノード316と共にプラズマ形成を行う。

操作において、第１図乃至第10図に示す装置において
は、電気ターミナル222および245がパルス変換器198に
接続されている。ターミナル224はカソード50に接続
し、ターミナル222はトリガ電極38に接続している。タ
ーミナル226はアークの正側の導線、抽出電源200,214、
およびアノードプレート54及びグリッド104の間の抵抗
器216に接続している。継手196及び197はグリッド160及
び104にそれぞれ接続されている。グリッド162はプレー
ト132を介して接地されている。この点において、冷却
剤は、アノードホルダ53のフランジ58、グリッドホルダ
80のフランジ82、および銅製の管44及び46通って循環し
ている。冷却剤はまたマグネット・フレーム108および
継手114,116,118,120を通って循環している。マグネッ
ト・コイル106は端子134及び136を介して励起される。
温度遮断スイッチ228がコイル106の温度を監視してい
る。電源200,212,214および218が“ON"にされる。パル
ス回路202が毎秒当たり数回の割合でトリガ電極の点火
を開始する。電極38およびカソード50の間のスパークが
カソード50およびアノードプレート54の間の放電を開始
させる。この時点においてカソード50の少ない部分がイ
オン化される。カソード50およびアノードプレート54の
間のアークすなわち放電がこのスパークにより発生す
る。電源200がパルス化された電源をもたらし、これが
カソード50およびアノードプレート54の間の放電の間隔
を決定する。電源200はある場合において、カソード50
に対して電気的エネルギの安定した供給源を提供する
が、前述した冷却機構が本実施例から高い能力を持たな
ければならない。アークすなわち放電はアノード開口56
を通過して抽出手段210へ移動する。グリッド104におい
て、プラズマと非プラズマの境界が生ずる。グリッド10
4の開口にメニスカスが形成され、それはドリフト領域2
06に向かって凸状になっている。そのようなメニスカス
は、グリッド104及び160の間の電場の結果として形状が
定まる。ドリフト領域におけるプラズマプルームの中の
電子はそこに止どまっている。グリッド160および162の
間の電場は構造体あるいはターゲット194において発生
した電子をはねとばす。これは逆流電子による抽出電源
214の過負荷、グリッド104および160の間のギャップの
損傷、あるいは装置10の全体的な低下を防止するために
必要なことである。装置10から発生したイオンビームは
前述のように用いられる。

第９図に示す回路に用いられる代表的な要素を下表に
示す。

第11図乃至第15図に示す実施例は、円筒状の部材384
のロックを解除した後にカソード・ノブ286の外周部382
を回すことによって作動することができる。カソード30
6は次にトリガ電極252と整合され従って電極252は導電
リングすなわちカラー322に接触する。次にカソード306
およびアノード316の付近の領域まで延在する室266の中
の真空を生ぜしめる。第１図乃至第10図に示した本願発
明の実施例において説明したように、冷却剤は継ぎ手32
8および330を通って移送されまた電位は電極252、カソ
ード306、アノード316、電極磁気手段352および抽出手
段356にもたらされる。次いで、導体カラー即ちリング3
32とカソード306の端部との間のスパークによりトリガ
されたカソード306およびアノード316の間に電気アーク
が生ずる。カソード306の一部を気化することによって
生ずるプラズマは開口390を通ってアークに向けて案内
される。磁気手段352はプラズマを閉じ込めてこれが抽
出手段356に移動することを許容する。ついで、従来技
術のように、イオンビームがエンド・ピース360から出
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン発生装置の参考図。第２図は第１図の線２−２に沿う断面図。第３図は第１図の線３−３に沿う断面図。第４図は第１図の線４−４に沿う断面図。第５図は第１図の線５−５に沿う断面図。第６図は第１図の線６−６に沿う断面図。第７図は第２図の線７−７に沿う断面図。第８図は第１図の１部を拡大して示す軸方向断面図。第９図は同装置の作動を示す模式図。第10図は装置の部分断面図。第11図は本発明の一実施例の多交換カソードを破断して
示す断面図。第12図は第11図の一部を強調して示す部分断面図。第13図は第11図の線13−13に沿う断面図。第14図は第13図の線14−14に沿う断面図。第15図は第11図の線15−15に沿う断面図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロバート・エイ・マクギルアメリカ合衆国カリフォルニア州94805, リッチモンド，カーン・ストリート 645 (56)参考文献特開昭59−101749（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−190335（ＪＰ，Ｕ) ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＳＯＦＴＨＥＩＥＥＥ，1972年，第60巻，第８号, ｐ．977−992 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】イオンビーム発生装置であって、（ａ）真空包囲体と（ｂ）前記真空包囲体の中に設けられる少くとも１つの
可動部を有する支持部材と、（ｃ）前記支持部材の可動部に設けられると共に該可動
部上に離間配置された複数のカソードと、（ｄ）前記真空包囲体の一領域に設けられるアノード
と、（ｅ）前記支持部材の前記可動部を回転させて前記複数
のカソードの何れか１つを前記アノードから所定距離に
ある位置まで移動させる移送手段と、（ｆ）前記カソードの１つおよび前記アノードの間に電
位を形成する電気源と、（ｇ）前記カソードの一部を気化かつイオン化してプラ
ズマを形成するに十分なだけの電気アークを前記カソー
ドの１つおよび前記アノードの間に生ずるアーク発生手
段と、（ｈ）前記プラズマを、前記真空包囲体の前記一領域に
ある前記カソードの１つ及びアノードから所定の方向に
離間した前記真空包囲体の他の領域まで案内するための
案内手段と、（ｉ）前記真空包囲体の前記他の領域で前記プラズマか
らイオンを抽出するための抽出手段と、を具備すること
を特徴とするイオンビーム発生装置。
【請求項２】前記アーク発生手段が電圧源に接続された
トリガ電極を有しており、このトリガ電極が前記真空包
囲体の１つの領域において前記アノードから所定距離離
れた位置まで移送された前記カソードの１つに隣接して
設けられることを特徴とする請求項１記載のイオンビー
ム発生装置。
【請求項３】前記支持部材の前記可動部は回転可能なデ
イスクであり、前記移送手段は該デイスクに連結された
軸と、該軸を回す手段とを含んで成り、前記複数のカソ
ードの各々は前記デイスクに設けられたことを特徴とす
る請求項１に記載のイオンビーム発生装置。
【請求項４】前記軸を回す手段が、該軸に連結されると
ともに前記真空包囲体の外側に延在するカソードノブで
ある把持部材を有することを特徴とする請求項３記載の
イオンビーム発生装置。
【請求項５】前記把持部材がこの把持部材を所定位置に
固定する係止手段を有していることを特徴とする請求項
４記載のイオンビーム発生装置。
【請求項６】前記支持部材を冷却するための冷却手段を
有することを特徴とする請求項１記載のイオンビーム発
生装置。
【請求項７】前記イオン抽出手段が前記カソードおよび
アノードから所定距離はなれて前記真空包囲体の中に設
けられることを特徴とする請求項１記載のイオンビーム
発生装置。
【請求項８】前記アーク発生手段がトリガ導体と、前記
カソードを少くとも部分的に包囲する導電性のトリガ・
カラーとを有し、前記トリガ導体は、前記カソードの１
つが前記アノードから前記所定距離にあるときに、前記
トリガ・カラーに接触することを特徴とする請求項１記
載のイオンビーム発生装置。
【請求項９】前記トリガ・カラーおよび前記カソード間
に間挿される絶縁部材を含むことを特徴とする請求項８
記載のイオンビーム発生装置。
【請求項１０】前記複数のカソードと前記アノード間に
介設された電気シールドを有し、該電気シールドは開口
を有し、該開口は、前記複数のカソードの１つが前記ア
ノードから前記所定距離にある時に、前記アノード及び
前記カソードの前記１つと夫々対向する位置にあること
を特徴とする請求項１記載のイオンビーム発生装置。