(57)【要約】【課題】熱陰極の加熱電源として交流電源を採用した荷電粒子源において、生成されるイオンビーム電流や電子ビーム電流の変動を最小限に抑える。【解決手段】交流電源により荷電粒子源の熱陰極に加熱用の電流を供給すると共に、アークチャンバと熱陰極との間に直流の電圧を印加し、熱陰極から放出された電子をアークチャンバ内のガスに衝突させてプラズマを生成し、当該プラズマ中のイオンまたは電子を、アークチャンバの壁に形成されたスリットから引き出してイオンビームまたは電子ビームを生成する。アークチャンバと熱陰極との間に流れる放電電流には、加熱用の交流電流に起因する第１の揺動成分Ｗ１とプラズマの振動現象に起因する第２の揺動成分Ｗ２が含まれている。荷電粒子源を駆動する際、交流電源を、放電電流の第１の揺動成分Ｗ１と第２の揺動成分Ｗ２とを足した値Ｗが最小となる周波数ｆ0もしくはその近傍の周波数で駆動する。【選択図】図６
2014006998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁にガス導入管が取り付けられ、そこから内部空間にガスが導入されるアークチャンバと、当該アークチャンバの１つの壁に第１の絶縁支持部材を介して取り付けられた、電子を放出する熱陰極とを備えた荷電粒子源を用い、
交流電源により前記熱陰極に加熱用の電流を供給すると共に、前記アークチャンバと前記熱陰極との間に直流の電圧を印加し、前記熱陰極から放出された電子を前記アークチャンバ内のガスに衝突させてプラズマを生成し、当該プラズマ中のイオンまたは電子を、前記アークチャンバの壁に形成されたスリットから引き出してイオンビームまたは電子ビームを生成する荷電粒子源の駆動方法であって、
あらかじめ電流計を用いて、前記アークチャンバと前記熱陰極との間に流れる、加熱用の交流電流に起因する第１の揺動成分とプラズマの振動現象に起因する第２の揺動成分を含む放電電流の値を測定し、
前記交流電源を、前記放電電流の第１の揺動成分と第２の揺動成分を足した値が最小となる周波数もしくはその近傍の周波数で駆動することを特徴とする荷電粒子源の駆動方法。
【請求項２】
前記荷電粒子源として、
前記アークチャンバの壁のうち前記熱陰極と対向する位置に、第２の絶縁支持部材を介して取り付けられた、反射電極を含む第１のリフレクタを備え、
かつ前記熱陰極と前記第１のリフレクタとを結ぶ方向に磁界が形成された荷電粒子源を用いることを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子源の駆動方法。
【請求項３】
前記荷電粒子源として、前記熱陰極が取り付けられた前記アークチャンバの壁に、第３の絶縁支持部材を介して取り付けられた、反射電極を含む第２のリフレクタを更に備えた荷電粒子源を用いることを特徴とする、請求項２に記載の荷電粒子源の駆動方法。
【請求項４】
前記電流計としてクランプ式の交流電流センサを用い、前記アークチャンバと前記熱陰極とを結ぶ配線に前記クランプ式の交流電流センサを取り付けて放電電流を測定することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の荷電粒子源の駆動方法。
【請求項５】
前記スリットから前記プラズマ中の正または負イオンを引き出して、正または負イオンのイオンビームを生成することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の荷電粒子源の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電流を用いて熱陰極を加熱する荷電粒子源の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
元素をプラズマ化し、プラズマ中のイオンをイオンビームとして引き出すイオン源や、プラズマ中の電子を電子ビームとして引き出す電子ビーム源（以降、これらを総称して「荷電粒子源」という）は、イオン注入を初めとして、イオンプレーティング、結晶成長、イオン加工等、様々な分野に利用されている。
【０００３】
上述の荷電粒子源には、ＲＦ型（ラジオフリーケンシ型）、ＥＣＲ型（電子共鳴型）、フリーマン型等、様々な種類があるが、現状では、熱陰極から放出された熱電子を数十ボルトに加速し、これをガス粒子に衝突させてイオンまたは電子を生成する低電圧アーク放電型の荷電粒子源が多用されている。
【０００４】
一般に、低電圧アーク放電型の荷電粒子源では、直流電源を用いて熱陰極を加熱しているが、直流電源を用いた場合、蒸発やプラズマスパッタリングにより熱陰極が局所的に消耗するため、比較的短時間で熱陰極を交換する必要がある。
【０００５】
これに対し、熱陰極を交流電源で加熱する方法が提案されている（特許文献１参照）。熱陰極を交流電源で加熱すると、蒸発やプラズマスパッタリングの局所化を防止でき、均一な損耗によって熱陰極の寿命が延びるため、交換の頻度を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２５７７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
その一方で、熱陰極を交流電源で加熱する場合、生成されたプラズマに揺動が生じる結果、荷電粒子源から取り出されるイオンビーム電流や電子ビーム電流が変動する。イオン注入や電子線照射等においては、イオンビームや電子ビームの電流量を正確に制御する必要があるが、イオンビーム電流や電子ビーム電流が変動すると、イオン注入や電子線照射等における正確な制御が困難になる。このため、交流電源を用いて熱陰極を加熱する方法は、商用の荷電粒子源に採用されるには至っていない。
【０００８】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、イオンビーム電流や電子ビーム電流の変動を最小限に抑えることができる荷電粒子源の駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため本発明にかかる荷電粒子源の駆動方法は、壁にガス導入管が取り付けられ、そこから内部空間にガスが導入されるアークチャンバと、当該アークチャンバの１つの壁に第１の絶縁支持部材を介して取り付けられた、電子を放出する熱陰極とを備えた荷電粒子源を用い、
交流電源により前記熱陰極に加熱用の電流を供給すると共に、前記アークチャンバと前記熱陰極との間に直流の電圧を印加し、前記熱陰極から放出された電子を前記アークチャンバ内のガスに衝突させてプラズマを生成し、当該プラズマ中のイオンまたは電子を、前記アークチャンバの壁に形成されたスリットから引き出してイオンビームまたは電子ビームを生成する荷電粒子源の駆動方法であって、
あらかじめ電流計を用いて、前記アークチャンバと前記熱陰極との間に流れる、加熱用の交流電流に起因する第１の揺動成分とプラズマの振動現象に起因する第２の揺動成分を含む放電電流の値を測定し、
前記交流電源を、前記放電電流の第１の揺動成分と第２の揺動成分を足した値が最小となる周波数もしくはその近傍の周波数で駆動することを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記荷電粒子源として、前記アークチャンバの壁のうち前記熱陰極と対向する位置に、第２の絶縁支持部材を介して取り付けられた、反射電極を含む第１のリフレクタを備え、かつ前記熱陰極と前記第１のリフレクタとを結ぶ方向に磁界が形成された荷電粒子源を用いることが好ましい。
【００１１】
更には、前記荷電粒子源として、前記熱陰極が取り付けられた前記アークチャンバの壁に、第３の絶縁支持部材を介して取り付けられた、反射電極を含む第２のリフレクタを更に備えた荷電粒子源を用いることが好ましい。
【００１２】
また前記電流計としてクランプ式の交流電流センサを用い、前記アークチャンバと前記熱陰極とを結ぶ配線に前記クランプ式の交流電流センサを取り付けて放電電流を測定することが好ましい。
【００１３】
また本発明にかかる荷電粒子源の駆動方法は、前記スリットから前記プラズマ中の正または負イオンを引き出して、正または負イオンのイオンビームを生成する際に適用できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の荷電粒子源の駆動方法を採用すれば、イオンビーム電流や電子ビーム電流の変動を最小限に抑えることができるため、交流電源で熱陰極が加熱される荷電粒子源を、イオン注入や電子線照射等に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の荷電粒子源の駆動方法により駆動されるバーナス型イオン源の基本的な構成と配線の状態を示す断面図である。
【図２】図１のイオン源を側面から見た断面図である。
【図３】熱陰極に印加される電圧波形と加熱電流によって励起されたＡｒプラズマの放電電流の波形を示すグラフである。
【図４】イオン飽和電流の測定方法を説明する図である。
【図５】ラングミュアプローブで測定したイオン飽和電流の波形を示すグラフである。
【図６】熱陰極に印加される交流電流の周波数と放電電流の揺動幅との関係を示す概念図である。
【図７】交流電流の周波数を変化させたときの放電電流の揺動幅の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態にかかる荷電粒子源の駆動方法について、図面を参照して説明する。
＜荷電粒子源の構成と動作＞  図１は、本発明の駆動方法により駆動される熱陰極を有するバーナス型イオン源の基本的な構成と配線の状態を示す断面図、図２は、図１のイオン源を側面から見た断面図である。バーナス型イオン源は低電圧アーク放電型荷電粒子源の一種である。イオン源１は、アークチャンバ２、熱陰極３、リフレクタ４および５で構成されている。
【００１７】
アークチャンバ２は直方体状をしており、平板状の上壁２１および下壁２２、ならびに角筒状の側壁２３で囲まれた内部空間にプラズマが生成され、それぞれの壁はモリブデン、タングステン、タンタル等の高融点金属あるいはグラファイトや炭化珪素等で作製されている。
【００１８】
アークチャンバ２の上壁２１には、所定の間隔をおいて一対の孔が形成され、この孔に、リング状の絶縁支持部材６１を介して略Ｕ字状に曲げられた熱陰極３が支持されている。絶縁支持部材６１は、通常、アルミナや窒化ホウ素等の耐熱材料で作製される。なお、熱陰極３の形状は螺旋状であっても良い。
【００１９】
熱陰極３の両端間には、加熱用の電流を供給するための陰極加熱電源１１が接続されている。陰極加熱電源１１は交流電流を出力するもので、数１０Ｈｚから数１０ｋＨｚの間で周波数を変えることができるように設計されている。またアークチャンバ２と熱陰極３との間には、アークチャンバ２が熱陰極３より正電位となるように直流の電圧を印加する放電電源１２が接続されている。
【００２０】
アークチャンバ２の側壁２３の一面には、チャンバ内にガスを導入するガス導入管７が取り付けられている。図示しないが、ガス導入管７の他端には、ＰやＡｓ等の固体試料を加熱して蒸気化させるオーブン、もしくはＡｒ、ＢＦ３、ＰＨ３、ＡｓＨ３等のガスを収納したボンベが接続されている。所望のイオン種を含むガス粒子は、ガス導入管７を介してアークチャンバ２内に導入される。
【００２１】
陰極加熱電極１１をオンにして熱陰極に電力を供給して熱陰極３を加熱すると共に、放電電源１２をオンにして熱陰極３とアークチャンバ２との間にアーク放電に必要な電圧を印加すると、熱陰極３から熱電子が放出され、ガス導入管７を介してアークチャンバ２内に導入された所望のイオン種を含むガス粒子と衝突して電離し、プラズマＰを生成する。
【００２２】
アークチャンバ２の下壁２２には、高融点金属で作製されたリフレクタ４がリング状のアルミナ製絶縁支持部材６２を介して取り付けられている。リフレクタ４は、熱陰極３から放出された熱電子を熱陰極３側に追い返すものであり、反射電極４１と、それを支持する支持体４２で構成されている。反射電極４１にはバイアス電源１３によりアークチャンバ２の電位を基準として負のバイアス電圧が印加されている。
【００２３】
本実施の形態では、プラズマ生成用ガスの電離効率を高めるために、アークチャンバ２の上壁２１にも、リフレクタ５がリング状の絶縁支持部材６３を介して取り付けられている。リフレクタ５は、熱電子をリフレクタ４側に追い返すもので、反射電極５１と、それを支持する支持体５２で構成されている。
【００２４】
反射電極５１には、リフレクタ４と同様に、バイアス電源１３によりアークチャンバ２の電位を基準とする負のバイアス電圧が印加されている。なお、反射電極５１には、熱陰極３を通すための孔５３が形成されている。反射電極５１と熱陰極３は、この孔５３により電気的に絶縁されている。
【００２５】
図示しないが、アークチャンバ２の周囲にはソレノイドコイルを備えたソースマグネットが設置されており、アークチャンバ２の内部において、熱陰極３とリフレクタ４とを結ぶ方向に磁界Ｂ（図２参照）が形成される。ソースマグネットが形成する磁界Ｂにより、熱陰極３から放出された熱電子が、リフレクタ４とリフレクタ５の間でドリフトし、それぞれのリフレクタの手前で追い返され、両者の間に閉じ込められた状態となって熱電子の飛行距離が長くなる。
【００２６】
アークチャンバ２の側壁２３の一面には、磁界Ｂの方向に沿って延びる縦長のビーム引出スリット８が形成されている。また、図示しないが、アークチャンバ２の外部には、ビーム引出スリット８に対向する位置に、ビーム通過孔が形成された引出電極が設置されている。この引出電極とアークチャンバ２との間には、アークチャンバ２が引出電極より正電位となるように電圧が印加されている。これにより、アークチャンバ２と引出電極との間に強い外部電界が生成され、この外部電界により、アークチャンバ２内で生成されたプラズマ中の正イオンが、ビーム引出スリット８から引き出され、イオンビームＩＢが生成される。なお、本実施の形態では縦長のスリットを用いているが、横長のスリットや円孔であっても構わないし、個数も複数あって構わない。
【００２７】
前述したように、荷電粒子源は正イオンのイオンビーム以外に、負イオンのイオンビームや電子ビームを生成することができる。負イオンのイオンビームや電子ビームを生成する場合は、引出電極がアークチャンバ２より正電位となるように電圧を印加する。  
＜交流電流によるイオンビームへの影響＞  次に、熱陰極の加熱電流に交流電流を用いることによるイオンビームへの影響について説明する。前述したように、陰極加熱電源１１に直流の電源を用いた場合、蒸発やプラズマスパッタリングにより熱陰極が局所的に損耗するため、熱陰極を頻繁に交換する必要がある。
【００２８】
これに対して、交流の電源を用いた場合、蒸発やプラズマスパッタリングの局所化を防止して、熱陰極の寿命を延ばすことができるため、交換の頻度を抑えることができるが、その反面、イオンビーム電流や電子ビーム電流が変動するという問題が生じる。以下、陰極加熱電源１１を用いて熱陰極３に交流の電流を印加した場合のイオンビーム電流の変動について、実測例に基づいて説明する。
【００２９】
陰極加熱電源１１の周波数がイオンビーム電流にどのように影響するかを確認するために、陰極加熱電源１１の電圧波形、熱陰極３とアークチャンバ２との間に流れる放電電流の波形およびビーム引出スリット８から放出されるイオンビーム電流のそれぞれの波形を測定した。
【００３０】
陰極加熱電源１１の電圧波形を電圧計で測定し、それを市販のメモリレコーダに記録した。放電電流の波形は、放電電源１２とアークチャンバ２との間の配線に流れる電流を、クランプ式交流電流センサを用いて測定し、それを市販のメモリレコーダに記録した。なお、交流電流センサはクランプ式のものに限らず、分割型交流センサや貫通型交流センサを用いても良いし、回路に挿入された抵抗両端の電圧で測定してもよい。
【００３１】
図３に、陰極加熱電源１１の電力を１００Ｗに維持したときの、メモリレコーダに記録された熱陰極３に印加される電圧波形と、加熱電流によって励起されたＡｒプラズマの放電電流の波形を示す。図３（ａ）は、陰極加熱電源１１から供給される交流電流の周波数ｆが６０Ｈｚのときの波形、図３（ｂ）は、交流電流の周波数ｆが１ｋＨｚのときの波形である。
【００３２】
図３に示すように、陰極加熱電源１１として交流の電源を用いた場合、放電電流は交流電流の周波数の２倍の周波数で揺動する。一方、放電電流の振幅は、周波数が６０Ｈｚのときより１ｋＨｚのときの方が小さい。
【００３３】
ビーム引出スリット８から放出されるイオンビームＩＢの電流量は、プラズマ中のイオンの飽和電流（以降、「イオン飽和電流」という）と相関を持つ。イオン飽和電流の波形はラングミュアプローブを用いて測定する。図４を参照して、イオン飽和電流の測定方法を説明する。
【００３４】
直流電源９２に直列に接続されたラングミュアプローブ９１の先端が、ビーム引出スリット８から距離Ｌだけ離れた位置にくるように配置し、抵抗９３の両端にオシロスコープ９４を接続し、測定した波形を図示しない市販のメモリレコーダに記録した。ここではＬ＝１０ｍｍとし、また直流電源９２により、ラングミュアプローブ９１がアークチャンバ２に対して−７４Ｖとなるように電圧を印加した。
【００３５】
ラングミュアプローブ９１は、直径０．３ｍｍ、長さ２．０ｍｍのタングステン線のプローブチップを内径０．４ｍｍのアルミナ管で覆ったもので、アルミナ管の表面は、外部ノイズから信号を遮蔽するために厚さ０．２ｍｍの銅管で覆われている。更にその銅管は、プラズマと直接接触するのを避けるために内径３ｍｍ、外径５ｍｍのアルミナ管で覆われている。
【００３６】
図５に、交流電流の周波数ｆが１ｋＨｚのときの、ラングミュアプローブ９１で測定したイオン飽和電流の波形を示す。図５には、比較のため、熱陰極３に印加された電圧波形と、加熱電流によって励起されたＡｒプラズマの放電電流の波形を併せて示している。
【００３７】
図５から明らかなように、陰極加熱電源１１に交流の電源を用いた場合、イオン飽和電流が変動する。前述したように放電電流の周波数は、熱陰極３の加熱電流の２倍の周波数であるが、イオン飽和電流の周波数は加熱電流の周波数と同じである。
【００３８】
＜荷電粒子源の駆動方法＞
次に、本発明にかかる荷電粒子源の駆動方法について説明する。発明者等は、図１および図２に示したイオン源１について、熱陰極３に印加する交流電流の周波数を変化させたときに、アークチャンバ２と熱陰極３との間に流れる放電電流の揺動成分がどのように変化するかについて実験を行った。
【００３９】
図６は、交流電流の周波数と放電電流の揺動幅との関係を示す概念図である。発明者等が実験を重ねた結果、図６に示すように、放電電流の揺動成分Ｗには、熱陰極３の加熱電流に交流電流を用いたことに起因する揺動成分Ｗ１と、プラズマの振動現象に起因して生じる揺動成分Ｗ２が含まれており、かつ低域の周波数では揺動成分Ｗ１が支配的であり、高域の周波数では揺動成分Ｗ２が支配的であることがわかった。
【００４０】
揺動成分Ｗのうち交流電流に起因する揺動成分Ｗ１は、熱陰極を直接通電して加熱する場合の伝熱方程式より求められる。揺動成分Ｗ１は、交流電流の周波数が増加するとともに小さくなり、その目安は下記式（１）で与えられる。
【００４１】
【数１】
2014006998.tif 000003
【００４２】
ここで、εは熱陰極の放射率、σは Stefan-Boltzmann 定数、Ｔは熱陰極の温度、ρｍは熱陰極の質量密度、Ｃは熱陰極材料の比熱、ａは熱陰極の線径である。
【００４３】
一方、揺動成分Ｗ２はプラズマの振動現象に起因して生じる。通常、高周波が加えられると、共鳴に近い形で大きな振幅の振動を起こす。プラズマが振動を起こし始める周波数としては、下記式（２）で求められるイオンプラズマ周波数や、下記式（３）で求められるイオン音波共鳴周波数が挙げられる。
【００４４】
【数２】
2014006998.tif 000004
【００４５】
【数３】
2014006998.tif 000005
【００４６】
ここで、ｅは電子の電荷、ｎｅは電子密度、ε０は真空の誘電率、ｍｉはイオン質量、ｋはボルツマン定数、ｌはプラズマの長さもしくは幅である。
【００４７】
またドリフト波に伴う共鳴現象、あるいは比較的高い圧力の放電に対しては電離波動の周波数などが、プラズマの振動周波数の下限となる。これら振動周波数は１ｋＨｚから１０ｋＨｚを超えると明確に観測されるようになる。
【００４８】
図６から明らかなように、交流電流に起因する揺動成分Ｗ１は、周波数が高くなるにつれて小さくなり、逆に、プラズマの振動現象に起因する揺動成分Ｗ２は、周波数が高くなる程大きくなることから、揺動成分Ｗ１とＷ２を足した値Ｗは、交点（周波数ｆ０）で最小となる。
【００４９】
前述したように、放電電流の揺動が大きくなればイオン飽和電流の変動も大きくなるため、揺動成分Ｗ１とＷ２を足した値が最小となる周波数で交流電流を駆動すれば、イオン飽和電流の変動が最小となり、結果として変動成分の少ないイオンビームを実現できる。
【００５０】
なお、交流電流を駆動する周波数としては、放電電流の揺動幅が最小となる周波数ｆ０が好適であるが、放電電流の揺動幅がそれよりも若干大きくても（例えば揺動幅の最小値に対して５％以内）、イオン飽和電流の変動値はほとんど変わらない。従って、周波数ｆ０の近傍の周波数（放電電流の揺動幅の増加分が最小値に対して５％以内の周波数）で交流電流を駆動しても、変動成分の少ないイオンビームを実現できる。
【００５１】
本発明にかかる荷電粒子源の駆動方法の有効性を確認するため、図１および図２に示すイオン源１を用いて、交流電流の周波数を変化させたときの放電電流の揺動幅を測定した。その結果を図７のグラフに示す。図中、○、□、△、●および■は、熱陰極の線径を０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍおよび０．６ｍｍとしたときの測定値である。また図７のグラフは、縦軸、横軸ともに対数で表している。
【００５２】
測定には、高さ９０ｍｍ、幅３６ｍｍ、深さ２９ｍｍの容積のモリブデン製のアークチャンバ２を用いた。また熱陰極３として全長９０ｍｍのタングステン線を略Ｕ字状に変形したものを用い、このタングステン線のうち４５ｍｍをプラズマに晒すようにアークチャンバに取り付けた。
【００５３】
またガス導入口７からＡｒガスを導入し、熱陰極３の加熱電力を１００Ｗに維持した状態で、交流電流の周波数を変化させ、そのときの放電電流の強さを、クランプ式交流電流センサを用いて測定し、その値を市販のメモリレコーダに記録した。そしてメモリレコーダに記録された測定値を読み出し、その測定値から放電電流の揺動幅を算出した。
【００５４】
図７のグラフでは、いずれの線径においても放電電流の揺動幅は１ｋＨｚの周波数において最小値を示している。従って、陰極加熱電源１１から１ｋＨｚの周波数の交流電流を出力して熱陰極３に印加すれば、変動の最も少ないイオンビームを生成でき、結果として、イオン注入等においてより正確な制御が可能となる。
【００５５】
なお、上述の実施の形態では、本発明の荷電粒子源の駆動方法をバーナス型イオン源に適用した場合について説明したが、本発明の荷電粒子源の駆動方法はバーナス型イオン源に限定されず、熱陰極を用いた他の荷電粒子源にも同様に適用できることは云うまでもない。
【符号の説明】
【００５６】
１  イオン源
２  アークチャンバ
３  熱陰極
４、５  リフレクタ
７  ガス導入管
８  ビーム引出スリット
１１  陰極加熱電源
１２  放電電源
１３  バイアス電源
２１、２２、２３  壁
４１、５１  反射電極
４２、５２  支持体
６１、６２、６３  絶縁支持部材
９１  ラングミュアプローブ
９２  直流電源
９３  抵抗
９４  オシロスコープ
【図１】
2014006998.tif 000006
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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