(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子サイクロトロン共鳴によって、加速された電子によるプラズマの形成のための、イオン化が可能なガスを封入するための真空容器と、前記真空容器の長さ方向の両端に設けられた入力端部及び出力端部と、前記ガスをイオン化するための電磁波を前記入力端部より注入する手段と、前記出力端部よりイオンを抽出する手段と、前記入力端部に設けられ、放射状の磁場を発生する円環形状の第一の永久磁石と、前記出力端部に設けられ、前記第一の永久磁石とは逆向きの放射状の磁場を発生する円環形状の第二の永久磁石と、前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石の間に設けられ、前記真空容器の長さ方向の軸について回転対称で、かつ前記真空容器の長さ方向の軸に略平行な磁場を発生する円環形状の第三の永久磁石とを有する電子サイクロトロン共鳴イオン源において、前記第一の永久磁石は、２個の円環形状の永久磁石が、前記真空容器の長さ方向の軸と直交する第一の接合面で接合されてなり、それぞれの円環形状の永久磁石の中心軸を含む断面における磁化方向が、前記第一の接合面について対称で、前記第一の永久磁石の接合面と３０°〜８５°の角度をなすとともに、磁化の向きが前記真空容器側であり、前記第二の永久磁石は、２個の円環形状の永久磁石が、前記真空容器の長さ方向の軸と直交する第二を接合面で接合されてなり、それぞれの円環形状の永久磁石の中心軸を含む断面における磁化方向が、前記第二の接合面について対称で、前記第二の接合面と３０°の角度をなすとともに、磁化の向きが前記真空容器の反対側であり、前記第三の永久磁石は、前記真空容器の長さ方向に並べて設けられた３個の円環形状の永久磁石からなり、前記第一の永久磁石側の端に配置された、円環形状の永久磁石の中心軸を含む断面における磁化方向が、前記真空容器の長さ方向の軸と直交する面と５°〜５０°の角度をなすとともに、磁化の向きが前記第一の永久磁石側であり、前記第二の永久磁石側の端に配置された、円環形状の永久磁石の中心軸を含む断面における磁化方向が、前記真空容器の長さ方向の軸と直交する面と１３０°〜１７５°の角度をなすとともに、磁化の向きが前記第一の永久磁石側であることを特徴とする電子サイクロトロン共鳴イオン源。
【請求項２】
前記第一の永久磁石、前記第二の永久磁石、前記第三の永久磁石の設置位置を可変とする機構を具備したことを特徴とする、請求項１に記載の電子サイクロトロン共鳴イオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチチャージイオンを作るための電子サイクロトロン共鳴イオン源に関するものであり、特に、最適磁場を形成するための磁石に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
共鳴磁場中に高周波の電磁波を供給し、希薄気体中で電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を生じてプラズマを発生させてイオン源とする装置が、粒子加速器用のイオン源などとして用いられている。
【０００３】
ＥＣＲ型イオン源では、従来は強い磁界を形成できる直流の電磁石を共鳴磁場形成用として用いる構成が一般的であった。しかし、電磁石を用いる構成では、装置が大型化する上に、電磁石を駆動するのための消費電力が大きくなるという欠点があり、また消費される電力が最終的に熱に変わるために永久磁石の冷却機構が必要なため、装置がさらに大型化するという問題があった。
【０００４】
近年では、Ｓｍ−Ｃｏ磁石やＮｄ―Ｆｅ―Ｂ磁石のように小型で強力な永久磁石の開発が進められたため、上記の直流の電磁石の代わりに、これらの永久磁石を用いることで装置の小型化を図る方法が検討されている。図９は、そのような永久磁石を用いたＥＣＲ型プラズマ発生装置の例である。永久磁石では、巻線がないので装置の小型化が図られるほか、電磁石と異なり磁石内での磁極の位置をかなり自由に設定できるために、プラズマ発生装置としてより好適な磁場分布を容易に得ることができる。さらに、磁場発生のための電力供給が不要なので、通常の構成では冷却機構を設ける必要がなく、消費電力の低減、装置の小型化の点で有利である。
【０００５】
永久磁石を用いたＥＣＲ型イオン源の従来例について、図９に基づいて説明する。図９は、従来のＥＣＲ型プラズマ発生装置の中心軸方向での断面図である。このＥＣＲイオン源は、中央に密封された真空の容器を有し、その外側に円環形状の永久磁石５３２、５３４、５３６、５３８、５４６および永久磁石５４０を配置した構成をとっている。真空容器は、他の部材と絶縁された導電性の内壁により囲まれており、内壁により形成される空間に高周波の交流電界が印加される構造である。永久磁石５４０は、マルチポールの構造を持つ永久磁石であり、永久磁石５４０は、円環形状の永久磁石５３２、５３４、５３６、５３８、５４６により形成される直流磁場を、真空容器の領域内に押さえ込む作用を有している。
【０００６】
一方、円環形状の永久磁石５３２，５３４，５３６，５３８，５４６の磁化の向きは、図９に示した矢印の向きであり、中央の真空容器を図９の左右方向に通過する一連の閉じた磁場を形成する。これらの永久磁石により、真空容器の中央の領域には、中心軸に対称に磁場が形成されることになる。中心軸における中心点の断面での印加磁場による磁束密度の大きさは、中心軸では磁場強度がやや低く、真空容器の内壁に近づくほど強度が大きくなっている。
【０００７】
真空容器内に投入された高周波の交流電界によって、真空容器内に発生する電子やイオンなどの荷電粒子は、上記の磁場分布のために真空容器内に安定的に存在することができるので、イオン源である気体分子やイオンとの相互作用が連鎖的に進み、そのためプラズマの継続的な発生が行われることになる。以上に記したＥＣＲイオン源では、永久磁石の使用により強力かつ荷電粒子の閉じ込めに好適な磁場分布を容易に達成できるので、電磁石を用いた旧来のイオン源に比べ特段の小型化とそれに伴うコストの低減化、および低消費電力化が達成できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来の永久磁石を用いたＥＣＲイオン源は、以下の２つの課題を抱えていた。１つは、同等のプラズマ発生の能力を維持したままでの装置の小型化、もしくは同等寸法の場合のプラズマ発生能力の向上であり、もう１つは、形成する印加磁場を微調整する方法である。このうち、装置の小型化もしくは能力の向上は、永久磁石による発生磁場の更なる向上により達成できる可能性がある。
【０００９】
永久磁石の使用によって、ＥＣＲイオン源は大幅な小型化およびそれに伴うコストダウンを達成したが、この分野で用いられるＳｍ−ＣｏやＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石は高磁力ではあるものの一般に高価であり、また加工が困難であるので大型の磁石を作製することが困難であるという問題を抱えている。従って、永久磁石による発生磁場を改良して、プラズマ発生への寄与の効率を向上させることは、コストダウンにつながる他に、従来は困難であった、より強力なＥＣＲイオン源の製造を可能にする効果を有する。
【００１０】
また、このＥＣＲイオン源を実験用粒子加速器用のイオン源として用いる場合は、イオン源の種類やその発生条件を変えながら複数の条件にて様々な実験を繰り返すことになる。この場合、実験条件の変更に伴いプラズマ発生に最適な印加磁場分布も変化するが、図９に示した従来のＥＣＲイオン源の例では印加磁場の条件を変更することが全くできない。この２点に関するＥＣＲイオン源の改善が求められていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を達成するべく種々検討を重ねた結果、ＥＣＲイオン源の真空容器の周囲に配設される各永久磁石の構成を見直すことで課題を解決しうることを見いだした。すなわち、図９に示される従来例の永久磁石５３２、５３４、５３６、５３８、５４６では、各永久磁石の磁化の方向がＥＣＲイオン源の中心軸に対して互いに平行、もしくは垂直の２種類のみであったことに対し、各永久磁石の磁化の方向を平行もしくは垂直な向きから傾けることで、互いに隣り合う永久磁石間での磁化の方向の相対的な変化が小さくなるようにした。また、ＥＣＲイオン源の中心軸に対し、垂直に配設した永久磁石の外側に磁化方向をずらした永久磁石をさらに配設することで、ＥＣＲイオン源の真空容器での磁場による閉じ込めをさらに向上させることができた。
【００１２】
さらに、各構成永久磁石の間に空隙を設け、各永久磁石をイオン源の中心軸に平行な方向にそれぞれ可動とすることで実験条件の変更に伴うＥＣＲイオン源の印加磁場の条件の変更を可能とした。ここで、各永久磁石間の空隙の存在は、互いに隣り合う永久磁石間での磁化の方向の相対的な変化を吸収する効果を有するために、印加磁場の強度の大幅な低減が生じることはない。
【００１３】
即ち、本発明による電子サイクロトロン共鳴イオン源は、電子サイクロトロン共鳴によって、加速された電子によるプラズマの形成のための、イオン化が可能なガスを封入するための真空容器と、前記真空容器の長さ方向の両端に設けられた入力端部及び出力端部と、前記ガスをイオン化するための電磁波を前記入力端部より注入する手段と、前記出力端部よりイオンを抽出する手段と、前記入力端部に設けられ、放射状の磁場を発生する円環形状の第一の永久磁石と、前記出力端部に設けられ、前記第一の永久磁石とは逆向きの放射状の磁場を発生する円環形状の第二の永久磁石と、前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石の間に設けられ、前記真空容器の長さ方向の軸について回転対称で、かつ前記真空容器の長さ方向の軸に略平行な磁場を発生する円環形状の第三の永久磁石とを有する電子サイクロトロン共鳴イオン源において、前記第一の永久磁石は、２個の円環形状の永久磁石が、前記真空容器の長さ方向の軸と直交する第一の接合面で接合されてなり、それぞれの円環形状の永久磁石の中心軸を含む断面における磁化方向が、前記第一の接合面について対称で、前記第一の永久磁石の接合面と３０°〜８５°の角度をなすとともに、磁化の向きが前記真空容器側であり、前記第二の永久磁石は、２個の円環形状の永久磁石が、前記真空容器の長さ方向の軸と直交する第二を接合面で接合されてなり、それぞれの円環形状の永久磁石の中心軸を含む断面における磁化方向が、前記第二の接合面について対称で、前記第二の接合面と３０°の角度をなすとともに、磁化の向きが前記真空容器の反対側であり、前記第三の永久磁石は、前記真空容器の長さ方向に並べて設けられた３個の円環形状の永久磁石からなり、前記第一の永久磁石側の端に配置された、円環形状の永久磁石の中心軸を含む断面における磁化方向が、前記真空容器の長さ方向の軸と直交する面と５°〜５０°の角度をなすとともに、磁化の向きが前記第一の永久磁石側であり、前記第二の永久磁石側の端に配置された、円環形状の永久磁石の中心軸を含む断面における磁化方向が、前記真空容器の長さ方向の軸と直交する面と１３０°〜１７５°の角度をなすとともに、磁化の向きが前記第一の永久磁石側であることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の電子サイクロトロン共鳴イオン源は、前記第一の永久磁石、前記第二の永久磁石、前記第三の永久磁石の設置位置を可変とする機構を具備したことを特徴とする。
【００１５】
本発明による電子サイクロトロン共鳴イオン源においては、前記のような構成の永久磁石を用いることにより、しかも永久磁石の位置を可変とする機構が備えられているので、条件に応じた最適な磁場を形成でき、真空容器内において前記ガスより発生するイオンおよびプラズマを高効率で閉じ込めることができる。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態による電子サイクロトロン共鳴イオン源の断面図である。この電子サイクロトロンイオン源は、導波管１０１を具備し、真空容器１０２の断面は、円形であり３０ｍｍを用いた。真空容器１０２は、入力端部１と出力端部２を有し、軸３を中心に、回転対称となっている。
【００２０】
また、ガスを注入する導管１０３と、真空容器１０２を真空にするための真空ポンプの継ぎ手１０４を具備している。導波管１０１は、入力端部１に、１４.５ＧＨｚの高周波の電磁波を注入し、その電磁場にて、ガスが励振される。導波管１０１は、非磁性の金属を使用した。また、ガス注入口（１０３）を具備している。
【００２１】
真空容器１０２に、イオン化するためのガス、または金属蒸気を導管１０３より注入し、プラズマを発生させるために、真空容器１０２に高周波を注入する。導管１０１は、入力端部１より、導波管の中央部手前まで伸びている。導管１０３と導波管１０１は、真鍮を使用する。真空容器内を真空ポンプを用い、継ぎ手１０４を使用して１.１×１０−５〜３.５×１０−４Ｐａの真空度とする。
【００２２】
導波管１０１の出力端部２とイオン出力口１０６を有し、その延長上にイオン抽出電極を設ける。イオン抽出電極は、接地電極とし、ＥＣＲを接地電位の中間の電位を与える。イオン抽出電極と、容器を保持する保持部材５および導波管１０１は、電気的に絶縁されていることが必要であり、保持部材５は、イオン抽出電極を保持する機能を持つ。イオン抽出電極導は、軸３を中心とする同軸上に形成することになる。
【００２３】
図１に示すように、真空容器１０２内に磁場を形成するため、永久磁石を配置する。永久磁石は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁性材料を使用する。真空容器または導波管の入力端部１の周囲に、軸３に対して、回転対称に円環形状の第一の永久磁石を構成する円環形状の永久磁石３０１、３０２を配置し、出力端部２の周囲に円環形状の第二の永久磁石を構成する円環形状の永久磁石３０３、３０４を、軸３に対し回転対称に配置する。入力端部１の第一の永久磁石と、出力端部２の第二の永久磁石は、真空容器１０２内に回転対称に放射状の磁場を形成し、第一の永久磁石が形成する磁場の向きは真空容器１０２側であり、第二の永久磁石が形成する磁場の向きは外側である。
【００２４】
第一の永久磁石を構成する永久磁石３０１は、軸３に対して１２０°〜１７５°の角度を有し、永久磁石３０２は永久磁石３０１と対をなしており、軸３に対して５°〜６０°の角度を有している。第二の永久磁石を構成する永久磁石３０３は、軸３に対して１２０°〜１７５°の角度を有し、永久磁石３０４は永久磁石３０３と対をなしており、軸３に対して５°〜６０°の角度を有する。永久磁石３０１、３０２と永久磁石３０３、３０４の軸３方向の長さは、永久磁石３０１、３０２の方が、長くなるように設定する。
【００２５】
図２に、永久磁石３０１、３０２、３０３、３０４の構造を示す。製造方法は、直方体の永久磁石のブロックを厚み方向に磁化方向を設定し、磁化方向に対して上記設定角度に切断し、扇型に加工し、それを円環形状に組上げる。
【００２６】
永久磁石３０５、３０６、３０７を同様にして軸３に対して回転対称に配置する。永久磁石３０５の磁化方向は、軸３に対して５°〜５０°の角度を有し、永久磁石３０６の磁化方向は、軸３に対して１３０°〜１７５°の角度を有する。永久磁石３０７は、軸３に対して平行な磁化方向をもつ。ここで、永久磁石３０５、３０６の構造は、磁化方向が異なる以外は、図２と同様な構造である。永久磁石３０７は、円環形状で、一体構造をとっている。
【００２７】
永久磁石３０１、３０２、永久磁石３０３、３０４、永久磁石３０５、３０６、３０７を使用して、真空容器１０２内に磁場を発生させる。
【００２８】
図３に、永久磁石３０８の構造を示す。永久磁石３０８は、６極のマルチポール永久磁石を成している。磁化の方向は、図３に示したように交互になっている。永久磁石３０８は、真空容器内に磁場を形成している。発明の実施の形態では６極のマルチポール構造の永久磁石を使用したが、６極のマルチポール構造以外でも実現できる。
【００２９】
図４は、永久磁石３０１、３０２及び永久磁石３０３、３０４の磁化方向の最適角度を決定するためのデータであり、軸３と永久磁石３０１、３０２，３０３、３０４の磁化方向のなす角度が６０°、１２０°で、磁束密度の最大値をとる。９０°のときは従来例となる。従って、９０°よりも角度を減ずると、磁束密度は上昇する。しかし明らかに有意差が認められる範囲は３０°〜８５°である。なお、永久磁石３０１、３０３の磁化方向と軸３のなす角度は１２０°であるが、接合する永久磁石の磁化方向と向きが接合面について対称なので、説明の便宜上、図４の横軸には、永久磁石３０２、３０４の磁化方向の数値を示した。
【００３０】
図５は、永久磁石３０１、３０２の磁化方向と軸３のなす角度と、永久磁石３０３、３０４の磁化方向と軸３のなす角度を６０°に固定したときの、永久磁石３０５、３０６の磁化方向の軸３に対する角度を変化させたときの角度と磁場の関係を示すのグラフである。図６は、永久磁石３０５、３０６の磁化方向と軸３がなす角度と、軸３の部分の磁束密度が５２００Ｇとなる部分の長さの関係を示したグラフである。なお、他の箇所では、角度の数値表記を、線分または平面の基準となる点または直線を軸にして、当該線分または平面を左回りに回動させたときの、回動前の線分または平面となす角度を正の数値で示しているが、図５における角度の表記は、軸３と永久磁石３０６の磁化方向のなす角度は、説明の便宜上、負の記号を除いて表記した。
【００３１】
図７は、図１に示したものとまったく同じ構成で、大きさの異なる装置について、永久磁石３０５、３０６の軸３に対する角度と、軸３における磁束密度を真空容器の長さ方向について測定した結果を示す。横軸は入力端部１からの距離を示している。この結果、使用可能な角度の範囲は、永久磁石３０５が＋１０〜＋５０度で、最適値は＋３０度、永久磁石３０６は−１０〜−５０度で、最適値は−３０度である。この結果永久磁石３０５が＋３０度、永久磁石３０６が−３０度の磁場方向のとき最適値をとり、最もプラズマの発生するエリアが広くなり、イオン発生率が向上する。
【００３２】
図８は、図７の場合と同じく図１に示したものとまったく同じ構成で、大きさの異なる装置について、永久磁石３０５、３０６の位置を変化させたときの軸３における磁束密度を真空容器の長さ方向について測定した結果を示す。永久磁石保持部１０５を使って、永久磁石３０５、３０６の位置を移動することにより、磁束密度分布が調整されることを示している。本発明のＥＣＲイオン源を使用して、イオン加速装置、半導体イオン注入装置、イオンビームスパッタ装置、イオンビームエッチング装置等に利用できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上、説明したごとく、本発明によれば、真空容器１０２内に軸対称の磁場を形成する方法として、永久磁石の着磁方向を最適化したことにより、また、軸対称の磁場形成に使用する永久磁石の位置を最適化できるように可変構造をとったことにより、従来の電子サイクロトロン共鳴イオン源のイオン発生率を１０％向上することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による電子サイクロトロン共鳴イオン源の断面図。
【図２】図１の永久磁石（３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６）の断面図。
【図３】図１の永久磁石（３０８）の断面図。
【図４】永久磁石３０１，３０２及び３０３，３０４の磁化方向と磁束密度の関係を示すグラフ。
【図５】永久磁石３０５，３０６の磁化方向と磁束密度の関係を示すグラフ。
【図６】永久磁石３０５、３０６の磁化方向と磁束密度が５２００Ｇとなる部分の長さの関係を示すグラフ。
【図７】永久磁石３０５、３０６の磁化方向と磁束密度分布の関係を示すグラフ。
【図８】永久磁石３０５、３０６の位置移動による磁束密度分布の変化を示す図。
【図９】従来の電子サイクロトロン共鳴イオン源の例を示す図。
【符号の説明】
１    入力端部
２    出力端部
３    軸
４    保持部
５    保持部材
１０１    導波管
１０２    真空容器
１０３    ガス媒質注入口
１０４    継ぎ手
１０５    永久磁石保持部
１０６    イオン出力口
３０１    永久磁石（３０２と対）
３０２    永久磁石
３０３    永久磁石（３０４と対）
３０４    永久磁磁石
３０５    永久磁石（補助磁石）
３０６    永久磁石（補助磁石）
３０７    永久磁石（補助磁石・角度０）
３０８    永久磁石（６極マルチポール構造）
４１    最大磁束密度
４２    最小磁束密度
７１    磁場方向の角度が５°での磁束密度分布
７２    磁場方向の角度が２０°での磁束密度分布
７３    磁場方向の角度が３０°での磁束密度分布
７４    磁場方向の角度が５０°での磁束密度分布
８１    磁石移動前の磁束密度分布
８２    磁石移動後の磁束密度分布
５３２    永久磁石
５３４    永久磁石
５３６    永久磁石（補助磁石）
５３８    永久磁石（補助磁石）
５４０    永久磁石
５４６    永久磁石（補助磁石）
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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