(57)【要約】      （修正有）【課題】正イオンによる熱陰極の電子放出部の損耗を抑制すること。【解決手段】プラズマ生成容器２０と、プラズマ生成容器２０の外側に配置されてプラズマ生成容器２０内に向かって電子ｅを放出する熱陰極３０と、熱陰極３０にプラズマ生成容器２０に対して正の直流電圧を印加するエミッタ電源Ｅｅとを備えるイオン源１０において、電子ｅが熱陰極３０の電子放出部３０aからプラズマ生成容器２０内に至る領域の少なくとも一部の領域Ｒ１において、電子放出部３０aからプラズマ生成容器２０内に向かう方向との交差方向Ｄに交差する交差電界Ｅ１を形成する交差電界形成要素４０を備える構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器の外側に配置されてプラズマ生成容器内に向かって電子を放出する熱陰極と、前記熱陰極に前記プラズマ生成容器に対して正の直流電圧を印加するエミッタ電源とを備えるイオン源において、
前記電子が前記熱陰極の電子放出部から前記プラズマ生成容器内に至る領域の少なくとも一部の領域において、前記電子放出部から前記プラズマ生成容器内に向かう方向との交差方向に電界を形成する交差電界形成要素を備えることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記交差電界形成要素は、電位差を有する少なくとも一対の交差電界形成電極により構成とされていることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記一対の交差電界形成電極は、相対的に高電位の正側電極と相対的に低電位の負側電極により構成されていることを特徴とする請求項２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記正側電極と前記プラズマ生成容器との間には、前記正側電極に前記プラズマ生成容器に対して正の直流電圧を印加する正側電極電源が接続されていることを特徴とする請求項３に記載のイオン源。
【請求項５】
前記負側電極と前記プラズマ生成容器との間には、前記負側電極に前記プラズマ生成容器に対して負の直流電圧を印加する負側電極電源がさらに接続されていることを特徴とする請求項３または４に記載のイオン源。
【請求項６】
前記負側電極には、前記交差方向に貫通する貫通部が形成されていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載のイオン源。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源に関し、特にイオンビームを発生させるイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入装置等においてイオンビームを発生させるイオン源として、例えば、特許文献１に開示されたイオン源が知られている。
【０００３】
図１０に示すように、特許文献１に開示されたイオン源１００は、フィラメント３１１と、フィラメント３１１によって加熱されて熱電子を放出する陰極３０２と、内部にガス状の原料が導入されるイオン化室１０２を備えており、イオン化室１０２と陰極３０２の間には、陰極３０２が負側となるエミッター電圧Ｖｅを印加するエミッター電源４３０が接続されている。
【０００４】
陰極３０２から放出された熱電子は、エミッター電圧Ｖｅにより加速され、イオン化室１０２の開口３１２を通じてイオン化室１０２内に導かれ、イオン化室１０２内において原料のガス分子と衝突することによりプラズマが生成される。このとき生成した正イオンは電子とともにイオンビームとしてイオン化室１０２の外部に引き出されるが、一部の正イオンは開口３１２から陰極３０２側に流入し、エミッター電圧Ｖｅにより陰極３０２側に加速されて陰極３０２に衝突することになる。
【０００５】
また、イオン源１００は、陰極３０２と開口３１２の間に配置された陽極３０４を備えており、陽極３０４に正電圧Ｖａを印加することによって陽極３０４付近でプラズマ３１０を発生させるイオンポンピングモードと呼ばれる動作モードも適用可能な構成とされている。このイオンポンピングモードにおいても、プラズマ３１０の生成時に、一部の正イオンは電圧Ｖａ（およびエミッター電圧Ｖｅ）によって陰極３０２側に加速され、陰極３０２に衝突する。
【０００６】
したがって、いずれの場合においても、イオン源１００の使用に伴い陰極３０２は正イオンの衝突によりスパッタされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１８３０４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、従来のイオン源１００においては、陰極３０２は正イオンにスパッタされて損耗するため、イオン源１００を長期間にわたって使用するために陰極３０２の損耗を抑制する必要がある。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、正イオンによる熱陰極の電子放出部の損耗を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、請求項１に係るイオン源は、プラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器の外側に配置されてプラズマ生成容器内に向かって電子を放出する熱陰極と、前記熱陰極に前記プラズマ生成容器に対して正の直流電圧を印加するエミッタ電源とを備えるイオン源において、前記電子が前記熱陰極の電子放出部から前記プラズマ生成容器内に至る領域の少なくとも一部の領域において、前記電子放出部から前記プラズマ生成容器内に向かう方向との交差方向に電界を形成する交差電界形成要素を備えることを特徴としている。
【００１１】
上記構成においては、本発明に係るイオン源は、電子が熱陰極の電子放出部からプラズマ生成容器内に至る領域の少なくとも一部の領域において、電子放出部からプラズマ生成容器内に向かう方向との交差方向に電界を形成する交差電界形成要素を備えることから、電子放出部からプラズマ生成容器に至る領域内に到達した正イオンには、少なくとも一部の領域において交差電界形成要素により形成された電界から静電気力が作用する。
すなわち、正イオンには熱陰極の電子放出部からプラズマ生成容器内に向かう方向との交差方向に静電気力が作用することから、熱陰極の電子放出部に向かう正イオンの進行方向は交差方向に偏向される。
したがって、正イオンが熱陰極の電子放出部側に向かう軌道を、電子放出部を避ける方向に偏向させて、正イオンの熱陰極の電子放出部への衝突を避けることができるため、熱陰極の電子放出部のスパッタを抑制することができる。
【００１２】
また、前記交差電界形成要素は、電位差を有する少なくとも一対の交差電界形成電極により構成とされてもよい。
【００１３】
また、前記一対の交差電界形成電極は、相対的に高電位の正側電極と相対的に低電位の負側電極により構成されていてもよい。
【００１４】
また、前記正側電極と前記プラズマ生成容器との間には、前記正側電極に前記プラズマ生成容器に対して正の直流電圧を印加する正側電極電源が接続されていてもよい。
【００１５】
上記構成においては、正側電極にプラズマ生成容器に対して正の直流電圧を印加できることから、正側電極付近でプラズマを生成する、いわゆるイオンポンピングモードでも動作させることができる。
【００１６】
また、前記負側電極と前記プラズマ生成容器との間には、前記負側電極に前記プラズマ生成容器に対して負の直流電圧を印加する負側電極電源がさらに接続されていてもよい。
【００１７】
上記構成においては、負側電極に負側電極電源がさらに接続されることにより、正側電極と負側電極の電位差が拡大される。したがって、正イオンが交差方向の電界から受ける静電気力が増大し、正イオンの軌道をより大きく偏向することができる。
【００１８】
また、前記負側電極には、前記交差方向に貫通する貫通部が形成されていてもよい。
【００１９】
上記構成においては、軌道が偏向された正イオンが貫通部を通過することができるため、負側電極の正イオンによる損耗が抑制される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のイオン源によれば、正イオンによる熱陰極の電子放出部の損耗を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るイオン源の第一実施形態を示す模式的断面図。
【図２】第一実施形態における交差電界形成電極、熱陰極、およびホルダを示す分解斜視図。
【図３】第一実施形態における負側電極電源の一配置例を示す模式的断面図。
【図４】第一実施形態における負側電極電源の他の配置例を示す模式的断面図。
【図５】第一実施形態における負側電極の変形例を示す斜視図。
【図６】第一実施形態における交差電界形成電極の配置例を示す模式的上面図。
【図７】本発明に係るイオン源の第二実施形態を示す模式的断面図。
【図８】第二実施形態における交差電界形成要素の変形例を示す模式的断面図。
【図９】本発明に係るイオン源の第三実施形態を示す模式的断面図。
【図１０】従来のイオン源を示す断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係るイオン源は、例えば、イオン注入装置においてイオンビームを引き出すために使用されるものである。まず、本発明における第一実施形態に係るイオン源１０について説明する。
【００２３】
図１に示すように、イオン源１０は、内部でプラズマが生成されるプラズマ生成容器２０と、プラズマ生成容器２０の外側に配置され、タンタルやタングステン等により形成された円板状の熱陰極３０を備える。また、プラズマ生成容器２０の側壁部には、三フッ化リン（ＰＦ３）や三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等の原料ガスｇが導入されるガス導入口２１、および外部に配置された引出電極（不図示）によってイオンビームＩＢが引き出されるイオンビーム引出口２２が形成されている。
【００２４】
プラズマ生成容器２０の上部には、開口部２３が形成されており、熱陰極３０は熱陰極３０の一面側が開口部２３から覗くように配置されている。また、プラズマ生成容器２０の底部２６には反射電極２４が熱陰極３０と対向するように配置されており、プラズマ生成容器２０内には、プラズマ生成容器２０外部に配置された一対の磁石２５によって、熱陰極３０から反射電極２４に向かう方向に磁界Ｂが形成されている。
【００２５】
図１に示すように、熱陰極３０は一面側がプラズマ生成容器２０側に露出するよう、カーボン材から成る円筒状のホルダ３１に保持されており、ホルダ３１の内部には、フィラメント３２が熱陰極３０の他面側に近接するように配置されている。つまり、熱陰極３０の電子放出部３０ａがプラズマ生成容器２０内に向かって露出するように配置されることになり、後述するように、プラズマ生成容器２０内に向かって電子eを放出できるようになる。
尚、熱陰極３０の電子放出部３０ａとは、熱陰極３０における、フィラメント３２により加熱されて、電子ｅを放出し得る領域または構成要素を指すものである。
【００２６】
イオン源１０においては、フィラメント３２により熱陰極３０の全体が加熱される構成とされている。したがって、本第一実施形態における熱陰極３０においては、熱陰極３０の電子放出部３０ａとは、熱陰極３０全体を指すものと捉えてよい。
【００２７】
図１に示すように、フィラメント３２には、フィラメント３２に直流電圧Ｖｆを印加し、フィラメント３２を加熱するためのフィラメント電源Ｅｆが電気的に接続されている。また、フィラメント３２と熱陰極３０との間には、直流電圧Ｖｃを印加するカソード電源Ｅｃが熱陰極３０側が正となるよう電気的に接続されている。
【００２８】
また、イオン源１０は、熱陰極３０とプラズマ生成容器２０の間に電気的に接続され、プラズマ生成容器２０に対して負の直流電圧Ｖｅを熱陰極３０に印加するエミッタ電源Ｅｅをさらに備えている。
【００２９】
イオン源１０は、いわゆる傍熱型イオン源と称されるものであり、フィラメント電源Ｅｆから直流電流を流してフィラメント３２を加熱することによって、熱陰極３０を加熱するものである。より詳細には、加熱されたフィラメント３２から放出された熱電子（不図示）をカソード電源Ｅｃによって与えられる電位差Ｖｃによって熱陰極３０に向かって加速させ、熱陰極３０に衝突させることで熱陰極３０を加熱するものである。
【００３０】
図１に示すように、加熱された熱陰極３０の電子放出部３０ａからは電子ｅが放出され、電子ｅは、熱陰極３０とプラズマ生成容器２０間にエミッタ電源Ｅｅによって形成された電位差Ｖｅによって電子放出部３０ａからプラズマ生成容器２０内に向かう方向に加速されるため、プラズマ生成容器２０内に導かれる。プラズマ生成容器２０内に導かれた電子ｅは、プラズマ生成容器２０内において、磁界Ｂの方向を軸として旋回しながら磁界Ｂの方向に沿った往復運動を行い、電子ｅが原料ガスｇの分子と衝突することによりプラズマが生成される。
【００３１】
図１に示すように、イオン源１０は、さらに、熱陰極３０の電子放出部３０ａから放出された電子ｅが電子放出部３０ａからプラズマ生成容器２０内に至る領域の少なくとも一部の領域Ｒ１において、電子放出部３０ａからプラズマ生成容器２０内に向かう方向との交差方向Ｄに形成された電界である交差電界Ｅ１を形成する交差電界形成要素４０を備える。
【００３２】
熱陰極３０からプラズマ生成容器２０内に向かう方向は、図１に示す磁界Ｂの方向と言えるため、交差方向Ｄは磁界Ｂと交差する方向と言い換えてもよい。
尚、図１に示すように、本実施の形態においては、交差方向Ｄは磁界Ｂと直交する方向を表しているが、交差方向Ｄは磁界Ｂとは必ずしも直交するものに限らない。
【００３３】
図１に示すように、プラズマ生成時に発生した正イオンｐは電子ｅとともにイオンビームＩＢとして外部に引き出されるが、一部の正イオンｐは、例えば、プラズマ生成容器２０内の開口部２３付近において、エミッタ電源Ｅｅの電圧Ｖｅにより形成された電界から力を受けるなどして、プラズマ生成容器２０の開口部２３から領域Ｒ１に到達する。このとき、正イオンｐは、プラズマ生成容器２０と熱陰極３０の間の電位差Ｖｅによって、熱陰極３０の電子放出部３０ａに向かって加速されるが、同時に、交差電界形成要素４０により形成された交差電界Ｅ１から交差方向Ｄ向きの静電気力ｆ１を受ける。
【００３４】
したがって、正イオンｐが熱陰極３０の電子放出部３０ａ側に向かう軌道は、図１に破線で示すように、交差方向Ｄ側に偏向されるため、正イオンｐの熱陰極３０の電子放出部３０ａへの衝突が回避される。
【００３５】
このように、本実施の形態に係るイオン源１０においては、正イオンｐが熱陰極３０側に向かう軌道を熱陰極３０の電子放出部３０ａを避ける方向に偏向させて、正イオンｐの熱陰極３０の電子放出部３０ａへの衝突を避けることができるため、熱陰極３０の電子放出部３０ａのスパッタを抑制できる。すなわち、正イオンｐによる熱陰極３０の電子放出部３０ａの損耗を抑制することができる。
【００３６】
本実施の形態においては、図１および図２に示すように、交差電界形成要素４０は、熱陰極３０とプラズマ生成容器２０の間に配置され、電位差を有する一対の交差電界形成電極４１により構成されている。
【００３７】
図１および図２に示すように、一対の交差電界形成電極４１は、互いに熱陰極３０を挟んで対向するように配置された、相対的に高電位の正側電極４２と相対的に低電位の負側電極４３により構成されている。
【００３８】
正側電極４２と負側電極４３は、ともにカーボン等により形成された横断面が略半円弧状の導電性の板材からなり、図２に示すように、正側電極４２と負側電極４３は、互いの端面同士をわずかに離間させた状態で対向するように配置されており、全体が長さ方向の途中に段差を有する略円筒形状をなすな形状で配置されている。
【００３９】
また、図１および図２に示すように、正側電極４２と負側電極４３は、熱陰極３０を、熱陰極３０の外周面３３から所定間隔離間した状態で取り囲むようにイオン源１０に組付けられている。すなわち、正側電極４２と負側電極４３は、熱陰極３０の外周のほぼ全域を取り囲みつつ、イオン生成容器２０側を窄ませた形状とされて、先端が開口部２３内に配置される構成とされている。
【００４０】
尚、正側電極４２と負側電極４３とは、電位差を有し、正側電極４２から負側電極４３へ向かう方向へ交差電界Ｅ１が形成されるものであればよく、正側電極４２は必ずしも正電圧が印加されるとは限らず、また、負側電極４３も必ずしも負電圧が印加されるとは限らない。
【００４１】
図１に示すように、正側電極４２とプラズマ生成容器２０との間には、プラズマ生成容器２０に対して正の直流電圧Ｖｐを正側電極４２に印加する正側電極電源Ｅｐが電気的に接続されている。また、負側電極４３は、熱陰極３０と同電位となるように熱陰極３０とプラズマ生成容器２０との間に電気的に接続されている。
【００４２】
したがって、イオン源１０は、プラズマ生成容器２０に対して正側電極４２と負側電極４３とが電位差Ｖｐ＋Ｖｅを有することによって、正側電極４２と負側電極４３との間に交差電界Ｅ１が形成されるものである。
【００４３】
また、本実施の形態のイオン源１０においては、熱陰極３０の電子放出部３０ａから放出された電子ｅが熱陰極３０の電子放出部３０ａからプラズマ生成容器２０内に至る領域の少なくとも一部の領域Ｒ１とは、熱陰極３０の電子放出部３０ａ、正側電極４２、および負側電極４３により画成される領域と言ってもよい。
【００４４】
本実施の形態に係るイオン源１０においては、正側電極４２に正の直流電圧Ｖｐが印加されているため、正側電極４２付近でプラズマを生じさせることができ、いわゆるイオンポンピングモードを動作させることができる。
【００４５】
この場合においても、正側電極４２付近でプラズマが発生する際に生じた正イオンのうちの一部の正イオンｐは、熱陰極３０とプラズマ生成容器２０間の電位Ｖｅによって熱陰極３０側に加速されるが、正側電極４２と負側電極４３との間に形成された交差電界Ｅ１から受ける静電気力ｆ１によって軌道が偏向され、熱陰極３０の電子放出部３０ａへの衝突が抑制される。
【００４６】
すなわち、イオン源１０は、イオンポンピングモードを適用させることができるとともに、熱陰極３０の正イオンｐによるスパッタが抑制され、熱陰極３０の電子放出部３０ａの損耗を抑制することができる
【００４７】
また、負側電極４３とプラズマ生成容器２０との間に、負側電極４３にプラズマ生成容器２０に対して負の直流電圧である負側電極電源電圧Ｖｎを印加する負側電極電源Ｅｎをさらに電気的に接続してもよい。
【００４８】
負側電極電源Ｅｎの接続例としては、例えば、図３に示すように、負側電極４３と熱陰極３０との間に、負側電極電源Ｅｎを接続してもよい。
【００４９】
この場合、負側電極電源Ｅｎは、負側電極４３側が負となるように接続された電圧Ｖｎを印加する直流電源であるから、負側電極電源Ｅｎを設けない場合と比較して、プラズマ生成容器２０に対する熱陰極３０の電圧を所定の電圧Ｖｅに保ったまま、正側電極４２と負側電極４３の間の電位差を拡大させることができる。
【００５０】
仮に、正側電極４２と負側電極４３の間の電位差を拡大させるためだけであれば、電圧Ｖｅを大きくすればよいが、そうすると熱陰極３０の電子放出部３０ａから放出された電子ｅをプラズマ生成容器２０内に向かって加速させる力が増大する一方で、正イオンｐを熱陰極３０に向かって加速させる力も増大してしまう。つまり、正イオンｐがより大きいエネルギーを持って熱陰極３０の電子放出部３０ａに衝突し、熱陰極３０をスパッタすることになる。
【００５１】
これに対し、図３に示すように、プラズマ生成容器２０に対する熱陰極３０の電圧を所定の電圧Ｖｅに保ったまま、負側電極４３と熱陰極３０との間に、負側電極４３側が負側となるように負側電極電源Ｅｎを電気的に接続することによって、電圧Ｖｅと負側電極電源電圧Ｖｎを独立して調整できるようになる。
【００５２】
すなわち、エミッタ電源Ｅｅによる電圧Ｖｅによって正イオンｐに作用する力を変化させることなく、正側電極４２と負側電極４３の間の電位差を拡大できるようになる。
【００５３】
したがって、電圧Ｖｅの値を変化させることなく、電界Ｅ１、および正イオンｐが電界Ｅ１から受ける静電気力ｆ１を増大させることができることから、正イオンｐの軌道をより大きく偏向させることができる。すなわち、正イオンｐの熱陰極３０の電子放出部３０ａへの衝突がより確実に抑制される。
【００５４】
また、他の負側電極電源Ｅｎの接続例として、図４に示すように、負側電極４３とプラズマ生成容器２０との間に、負側電極４３側が負側となるように負側電極電源Ｅｎを電気的に接続してもよい。この場合においても同様に、負側電極電源Ｅｎを設けない場合と比較して、プラズマ生成容器２０に対する熱陰極３０の電圧を所定の電圧Ｖｅに保ったまま、正側電極４２と負側電極４３の間の電位差を拡大することができるため、正イオンｐの軌道をより大きく偏向させることができる。
【００５５】
負側電極電源Ｅｎは、正側電極４２と負側電極４３との間の電位差を拡大するように接続されていればよく、負側電極電源Ｅｎをさらに追加することによって、正イオンｐの軌道をより大きく偏向させることができ、正イオンの熱陰極３０の電子放出部３０ａへの衝突をより確実に抑制することができる。
【００５６】
さらに、プラズマ生成容器２０に対する熱陰極３０の電圧を所定の電圧Ｖｅに保ったまま、負側電極電源Ｅｎが負側電極４３に接続される構成とすることによって、正イオンｐに電圧Ｖｅにより作用する熱陰極３０に向かう方向の力を変化させることなく、正側電極４２と負側電極４３の間の電位差を拡大させて交差方向Ｄ方向の静電気力ｆ１を増大させることができるようになる。
したがって、正イオンｐの熱陰極３０側に向かう軌道をより大きく交差方向Ｄ側に、すなわち、熱陰極３０の電子放出部３０ａを避ける方向に偏向させることができることから、正イオンｐによる熱陰極３０の電子放出部３０ａの損耗をさらに抑制することができる。
【００５７】
また、本実施の形態に係るイオン源１０においては、図１および図２に示すように、負側電極４３に、交差方向Ｄに貫通する切り欠き状の貫通部４４が形成されている
【００５８】
図１に示すように、交差電界Ｅ１から作用される静電気力ｆ１によって熱陰極３０の電子放出部３０ａに向かう軌道が交差方向Ｄ方向に偏向された正イオンｐは、貫通部４４を通過する。したがって、正イオンｐの負側電源４３への衝突が抑制されることから、正イオンｐによる負側電極４３の損耗が抑制される。
【００５９】
また、図１に示すように、負側電極４３の貫通部４４の外側には、カーボン材等により形成されたカバー４５が配置されており、貫通部４４を通過した正イオンｐはカバー４５に衝突する。カバー４５は正イオンｐの衝突により損耗していくが、カバー４５は、厚さ寸法を十分大きくすることにより長期間にわたって使用可能とされている。また、カバー４５を熱陰極３０や交差電界形成電極４１と比較して交換容易な配置または構成とすればよい。
【００６０】
負側電極４３に形成される貫通部４４は切り欠き状に限らず、図５に示すように、負側電極４３の一部に形成された貫通孔状のものであってもよく、正イオンｑの偏向された軌道上で交差方向Ｄに貫通していればよい。
【００６１】
また、交差電界形成電極４１は、少なくとも一対の正側電極４２と負側電極４３により構成されていればよく、例えば、図６（ａ）に示すように、二つの正側電極４２と二つの負側電極４３によって、すなわち、二対の正側電極４２と負側電極４３によって構成されていてもよい。また、図６（ｂ）に示すように、一つの正側電極４２と二つの負側電極４３によって構成されていてもよい。
【００６２】
本第一実施の形態に係るイオン源１０は、正イオンｐのよる熱陰極３０の電子放出部３０ａの損耗を抑制することができる。したがって、イオン源１０を従来と比較して長期間にわたって使用することができる。すなわち、イオン源１０の長寿命化を達成できる。また、イオン源１０の寿命を従来と同程度としてよい場合には、熱陰極３０を薄く形成することもできる。
【００６３】
次に、本発明の第二実施形態に係るイオン源５０について説明する。
【００６４】
本第二実施形態のイオン源５０は、第一実施形態のイオン源５０と同一構成のプラズマ生成容器２０を備えているため、イオン源５０およびその変形例を示す図７および図８においては、イオン源５０の要部のみを示している。
また、第一実施形態のイオン源１０と同一構成のものは、第一実施形態と同一の符号で示し、その説明を省略する。
【００６５】
図７に示すように、第二実施形態に係るイオン源５０の、第一実施形態に係るイオン源１０との主な構成の違いは、交差電界形成要素５１の構成である。
【００６６】
図７に示すように、イオン源５０はタンタルやタングステン等により形成された断面Ｌ字状の熱陰極５２を備えている。熱陰極５２は、フィラメント３２と対向するように配置される薄板状の電子放出部５２ａと、電子放出部５２ａの一端側からプラズマ生成容器２０の開口部２３側へ延出するように形成された板状の陰極壁部５２ｂとから成り、電子放出部５２ａと陰極壁部５２ｂは一体に形成されている。
【００６７】
熱陰極５２の電子放出部５２ａはフィラメント３２と近接して対向するように配置されており、フィラメント３２により加熱されることで電子ｅを放出し得る。一方、陰極壁部５２ｂは、フィラメント３２から離れて配置されているため、電子ｅを放出し得るまで加熱さることはない。つまり、陰極壁部５２ｂは、熱陰極５２の一部ではあるものの、電子ｅの放出には寄与しないものである。
【００６８】
図７に示すように、イオン源５０は、薄板状の偏向用電極５３を有しており、本第二実施形態における交差電界形成要素５１は、熱陰極５２の陰極壁部５２ｂと偏向用電極５３とにより構成されるものである。
【００６９】
熱陰極５２の陰極壁部５２ｂと偏向用電極５３とは、熱陰極５２の電子放出部５２ａとプラズマ生成容器２０との間において、熱陰極５２の電子放出部５２ａを挟むように、互いに対向するように配置されている。
【００７０】
偏向用電極５３とプラズマ生成容器２０との間には、偏向用電極５３にプラズマ生成容器２０に対して正の直流電圧Ｖｑを印加する偏向用電極電源Ｅｑが電気的に接続されている。また、熱陰極５２とプラズマ生成容器２０との間には、第一実施形態におけるイオン源１０と同様、エミッタ電源Ｅｅが接続されているため、熱陰極５２の陰極壁部５２ｂはプラズマ生成容器２０に対して正の電圧Ｖｅが印加されている。
【００７１】
したがって、イオン源５０は、プラズマ生成容器２０に対して、偏向用電極５３と陰極壁部５２ｂとが電位差Ｖｑ＋Ｖｅを有することによって、偏向用電極５３と陰極壁部５２ｂとの間に交差電界Ｅ２が形成されるものである。
このとき、交差電界Ｅ２の向きは偏向用電極５３が陰極壁部５２ｂよりも高電位であるから、偏向用電極５３から陰極壁部５２ｂに向かう方向である。
【００７２】
すなわち、図７に示すように、イオン源５０は、偏向用電極５３と熱陰極５２の陰極壁部５２ｂとから構成される交差電界形成要素５１によって、熱陰極５２の電子放出部５２ａから放出された電子ｅが電子放出部５２ａからプラズマ生成容器２０に至る領域の少なくとも一部のＲ２において、電子放出部５２ａからプラズマ生成容器２０内に向かう方向との交差方向Ｄに形成された電界である交差電界Ｅ２を形成するものである。
【００７３】
尚、第一実施形態と同様、電子放出部５２ａからプラズマ生成容器２０内に向かう方向は、磁界Ｂの方向とも言えるため、交差電界Ｅ２の方向は、磁界Ｂと交差する方向と言ってもよく、また、交差電界Ｅ２の方向は磁界Ｂと直交するものにも限定されない。
【００７４】
また、熱陰極５２の電子放出部５２ａから放出された電子ｅが電子放出部５２ａからプラズマ生成容器２０に至る領域の少なくとも一部のＲ２とは、熱陰極５２の電子放出部５２ａ、陰極壁部５２ｂ、および偏向用電極５３により画成される領域と言ってもよい。
【００７５】
本第二実施形態におけるイオン源５０は、第一実施形態におけるイオン源１０における場合と同様に、プラズマ生成容器２０の開口部２３から領域Ｒ２に到達した一部の正イオンｐは、プラズマ生成容器２０と熱陰極５２の間の電位差Ｖｅによって、熱陰極５２の電子放出部５２ａに向かって加速されるが、同時に、正イオンｐには、交差電界形成要素５１により形成された交差電界Ｅ２から交差方向Ｄ向きの静電気力ｆ２が作用する。
【００７６】
したがって、正イオンｐが熱陰極５２の電子放出部５２ａ側に向かう軌道は、図７に破線で示すように、交差方向Ｄ側に偏向されるため、正イオンｐの熱陰極５２の電子放出部５２ａへの衝突が回避される。
【００７７】
このように、本実施の形態に係るイオン源５０においては、正イオンｐが熱陰極５２の電子放出部５２ａ側に向かう軌道を、電子放出部５２ａを避ける方向に、すなわち陰極壁部５２ｂに向かう方向に偏向させることができる。
すなわち、正イオンｐの熱陰極５２の電子放出部５２ａへの衝突を避けることができるため、熱陰極５２の電子放出部５２ａのスパッタが抑制される。つまり、正イオンｐによる熱陰極５２の電子放出部５２ａの損耗が抑制され、長期間にわたってイオン源５０を使用することができる。
【００７８】
また、本第二実施形態におけるイオン源５０においては、軌道が偏向された正イオンｐは、熱陰極５２の陰極壁部５２ｂに衝突することになり、陰極壁部５２ｂは正イオンｐによりスパッタされる。
熱陰極５２の電子放出部５２ａは、電子ｅを放出するために十分に加熱される必要があるため、電子放出部５２ａの厚さ寸法Ｔ１を大きくすることは難しい。
しかしながら、陰極壁部５２ｂは電子ｅの放出に寄与しないものであるため、正イオンｐのスパッタによる損耗に耐え得るよう、陰極壁部５２ｂの厚さ寸法Ｔ２を十分に大きく確保すればよい。
【００７９】
すなわち、熱陰極５２の電子放出部５２ａの厚さ寸法Ｔ１に対して、陰極壁部５２ｂの厚さ寸法Ｔ２を大きく確保することによって、さらに長期間にわたってイオン源５０を使用することができる。
また、偏向用電極電圧Ｖqを変更することによって、交差電界Ｅ２および正イオンｑに作用する静電気力ｆ２を調整することができ、正イオンｐの軌道が偏向される度合いを調整することもできる。
【００８０】
尚、  熱陰極５２の電子放出部５２ａと陰極壁部５２ｂは一体形成されているものとしたが、陰極壁部５２ｂにエミッタ電源Ｅからエミッタ電圧Ｖｅを印加できるものであれば別体であっても構わない。
【００８１】
次に、本第二実施形態におけるイオン源５０の変形例を示す。
【００８２】
本第二実施形態におけるイオン源５０の交差電界形成要素５１は、熱陰極５２の陰極壁部５２ｂと、偏向用電極電源Ｅqが接続された偏向用電極５３とから構成されるものとしたが、必ずしも偏向用電極５３を用いる必要はない。
【００８３】
図８に示すように、イオン源５０の変形例における交差電界形成要素５５は、熱陰極５２の陰極壁部５２ｂと、プラズマ生成容器２０と同電位の開口形成部５４から構成されている。開口形成部５４は、開口部２３と一体、即ち開口部２３を形成する部位そのものであってもよいし、プラズマ生成容器２０と同電位となるように開口部２３に取り付けられた別部材であってもよい。
【００８４】
交差電界形成要素５５は、開口形成部５４がプラズマ形成容器２０と同電位であり、熱陰極５２の陰極壁部５２ｂには、プラズマ形成容器２０に対して負となるエミッタ電圧Ｖｅが印加されている。
したがって、開口形成部５４と陰極壁部５２ｂは電位差Ｖｅを有することになり、交差方向Ｄ方向に電界Ｅ３を形成が形成され、正イオンｐに静電気力ｆ３を作用させて、正イオンｐが熱陰極５２の電子放出部５２ａに向かう軌道を交差方向Ｄ側に偏向させることができる。
すなわち、正イオンｐによる熱陰極５２の電子放出部５２ａの損耗を抑制することができる。
【００８５】
次に、本発明の第三実施形態にかかるイオン源６０について説明する。
【００８６】
図９（ａ）に示すように、本発明の第三実施形態にかかるイオン源６０は、第一実施形態のイオン源１０における熱陰極３０の構成およびフィラメント３２の配置位置以外は、第一実施形態のイオン源１０と同一である。したがって、図９（ａ）では、変形例の要部のみを示し、イオン源１０と共通する構成については、第一実施形態と同一の符号で示し、その説明を省略する。
【００８７】
図９（ａ）に示すように、イオン源６０は、電子放出部６１aと防壁部６１ｂ
から構成される熱陰極６１を備える。
電子放出部６１ａはフィラメント３２によって加熱され、電子ｅを放出する部位である。また、防壁部６１ｂは、平板状の電子放出部６１ａと交差方向Ｄ方向に連続して形成されている。また、防壁部６１ｂは、交差方向Ｄに向かって次第に厚さ寸法が大きくなるように形成されている。また、フィラメント３２は、電子放出部６１ａと対向する位置に配置されている。
【００８８】
換言すると、フィラメント３２は、第一実施形態における位置から、交差方向Ｄと反対の方向にずらされて配置されており、熱陰極６１のうち、フィラメント３２と対向するよう配置され、フィラメント３２により加熱されて電子ｅを放出し得る部位が電子放出部６１ａである。一方、フィラメント３２から遠ざかり、フィラメント３２により加熱されにくくなることで電子ｅの放出に寄与しない部位が防壁部６１ｂである。
【００８９】
図９（ａ）に示すように、第一実施形態と同様に、熱陰極６１の電子放出部６１ａから放出された電子ｅはエミッタ電圧Ｖｅによって加速されてプラズマ生成容器２０内に導かれるのに対し、一部の正イオンｐは熱陰極６１に向かって加速される。
【００９０】
このとき、第一実施形態と同様に、交差電界Ｅ１からの静電気力ｆ１が作用することにより正イオンｐの軌道は交差方向Ｄ側へ偏向される。ここで、第一実施形態に係るイオン源１０では、貫通部４４を通るように正イオンｐの軌道を偏向させていたが、十分に軌道が偏向されなかった一部の正イオンｐは熱陰極６１に衝突することになる。
【００９１】
しかしながら、イオン源６０においては、熱陰極６１の交差方向Ｄ側には電子ｅの放出に寄与しない防壁部６１ｂが形成されており、正イオンｐは防壁部６１ｂに衝突し、防壁部６１ｂをスパッタする。すなわち、イオン源６０においても、正イオンｐの熱陰極６１の電子放出部６１ａへの衝突が抑制され、正イオンｐによる熱陰極６１の電子放出部６１ａの損耗を抑制することができる。
【００９２】
さらに、防壁部６１ｂは交差方向Ｄに向かって次第に厚さ寸法が大きくなるように形成されているため、損耗しにくくなっている。すなわち、防壁部６１ｂの厚さ寸法を十分に確保することによって、長期間にわたってイオン源６０を使用することができる。
【００９３】
また、熱陰極６１の損耗によって最も懸念されることは、熱陰極６１の損耗が進行し、熱陰極６１を貫通する孔が発生した場合に、カソード電圧Ｖｃによって正イオンｐがフィラメント３２に向かって加速され、フィラメント３２をスパッタすることである。しかしながら、本第三実施の形態におけるイオン源６０においては、熱陰極６１を貫通する孔が防壁部６１ｂに形成されてしまった場合であっても、防壁部６１ｂがフィラメント３２から交差方向Ｄ側にずらされた位置にあるため、仮にその孔を通ってフィラメント３２側に進入した正イオンｐが、カソード電フィラメント３２に向かって進行することを避けられる。
【００９４】
したがって、本第三実施の形態において、熱陰極６１の防壁部６１ｂは、電子放出部６１ａよりも厚さ寸法の大きい構成としたが、防壁部６１ｂを貫通する孔が形成された場合であってもイオン源６０を使用し続けることもできる。
よって、防壁部６１ｂの厚さ寸法が、電子放出部６１aの厚さ寸法と同一となるように構成にしてもよい。
【００９５】
これは、第二実施形態におけるイオン源５０の熱陰極５２、およびフィラメント３２の配置についても同様に適用することもできる。
すなわち、第二実施形態におけるイオン源５０の熱陰極５２を、図９（ｂ）に示すように、電子放出部７０ａと、陰極壁部７１ｂと、電子放出部７０ａと陰極壁部７１ｂとを接続部位に形成した防護壁部７１ｃとからなる構成とし、電子放出部７０ａと対向する位置にフィラメント３２を配置することによりイオン源７０を構成すればよい。この場合においても、防護壁部７１ｃは、正イオンによりスパッタされて貫通する孔が形成されるのを抑制するために設けるものであるため、必ずしも防護壁部７１ｃが必要となるものではない。
【００９６】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９７】
１０  イオン源
２０  プラズマ生成容器
３０  熱陰極
３０a  熱電子放出部
４０  交差電界形成要素
４１  交差電界形成電極
４２  正側電極
４３  負側電極
４４  貫通部
Ｒ１    領域
Ｄ    交差方向
Ｅ１    交差電界
Ｅｅ  エミッタ電源
Ｅｐ  正側電極電源
Ｅｎ  負側電極電源
ｅ    電子
ｐ    正イオン
【図１】
2020161241.tif 000003
【図２】
2020161241.tif 000004
【図３】
2020161241.tif 000005
【図４】
2020161241.tif 000006
【図５】
2020161241.tif 000007
【図６】
2020161241.tif 000008
【図７】
2020161241.tif 000009
【図８】
2020161241.tif 000010
【図９】
2020161241.tif 000011
【図１０】
2020161241.tif 000012