(57)【要約】 【課題】イオン照射対象物品のイオン照射対象部分に全体的に均一に、また、徒に長時間を要することなくイオン照射処理を施せる寿命の長いイオン照射装置を提供する。【解決手段】電子源２０Ａを物品Ｗのイオン照射対象部分の全体に臨むように設け、電子源２０Ａにおけるフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”は、電子源２０Ａの全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置する。複数段のフィラメントのうち、少なくとも１段のフィラメントを、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に接近して対向する対向部分を含むように屈曲配置し、或いは、少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントについて、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に接近して対向する対向部分を含ませる。かかる電子源２０Ａから放出させた電子を真空チャンバ１内へ導入したガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンを物品Ｗに照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であり、該電子源は該物品のイオン照射対象部分の全体に臨むように設けられており、該電子源における前記フィラメントは、該電子源の全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置され、該複数段のフィラメントのうち少なくとも１段のフィラメントは、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分を少なくとも一つ含むように屈曲配置されており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近していることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項２】
前記の互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントに通電するフィラメント電源は直流電源である請求項１記載のイオン照射装置。
【請求項３】
前記の互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントにおける該相互に平行又は略平行な対向部分は該フィラメントの負極性側端部寄りに位置している請求項２記載のイオン照射装置。
【請求項４】
前記の互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントに通電するフィラメント電源は、極性が周期的に反転する交番電流を流す交番電源である請求項１記載のイオン照射装置。
【請求項５】
真空チャンバー内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であり、該電子源は該物品のイオン照射対象部分の全体に臨むように設けられており、該電子源における前記フィラメントは、該電子源の全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置され、該複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントには、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分が少なくとも一つ含まれており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近していることを特徴とするイオン照射装置。
【請求項６】
前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含む、前記組をなす互いに隣り合うフィラメントに通電するフィラメント電源は、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分に互いに逆向きの電流を流す直流電源である請求項５記載のイオン照射装置。
【請求項７】
前記組をなす互いに隣り合うフィラメントにおける前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分はそれらフィラメントの負極性側端部寄りに位置している請求項６記載のイオン照射装置。
【請求項８】
前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含む、前記組をなす互いに隣り合うフィラメントに通電するフィラメント電源は、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分に互いに逆向きの電流が流れるように交番電流を流す交番電源である請求項５記載のイオン照射装置。
【請求項９】
前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含む前記組をなす互いに隣り合うフィラメントは、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を提供するように、少なくとも一方が屈曲配置されている請求項５から８のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１０】
前記電子源は、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子を用いる請求項１から９のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１１】
前記電子源は、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子の衝突により熱電子を放出する熱電子放出部材及び前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子の衝突により２次電子を放出する２次電子放出部材のうち少なくとも一方を含んでおり、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、該熱電子放出部材及び（又は）２次電子放出部材から放出される電子を用いる請求項１から９のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１２】
前記電子源は、予備プラズマ室を含んでおり、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子を該予備プラズマ室に導入されるガスに衝突させて予備プラズマを生成し、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、該予備プラズマ室に生成するプラズマから放出される電子を用いる請求項１から９のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１３】
前記複数段のフィラメントのうち少なくとも１段のフィラメントに対し、該フィラメントに流れる電流により誘起される磁場の少なくとも一部を打ち消す磁場形成手段が設けられている請求項１から１２のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１４】
前記フィラメントに通電するフィラメント電源は、該フィラメントに印加する電圧極性を定期的に反転させる電源である請求項１から１３のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１５】
前記イオン照射対象物品に照射されるイオンに基づくイオン電流の空間分布を計測するイオン電流分布計測装置及び該イオン電流分布計測装置により計測されるイオン電流分布に基づいて、イオン電流分布を該物品のイオン照射対象部分全体に対し均一化するように前記フィラメント電源出力を制御する制御装置を備えている請求項１から１４のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１６】
前記電子源から放出させた電子の前記真空チャンバ内導入ガスへの衝突により形成されるプラズマの空間分布を計測するプラズマ分布計測装置及び該プラズマ分布計測装置により計測されるプラズマ分布に基づいて、プラズマ分布を該物品のイオン照射対象部分全体に対し均一化するように前記フィラメント電源出力を制御する制御装置を備えている請求項１から１４のいずれかに記載のイオン照射装置。
【請求項１７】
前記プラズマの空間分布を計測するプラズマ分布計測装置は、前記各フィラメントが分担する放電電流をモニターすることでプラズマ分布を計測するものであり、該各フィラメントが分担する放電電流をモニターする放電電流計測器を含んでおり、前記フィラメント電源出力を制御する制御装置は、該放電電流計測器でモニターされる放電電流に基づいて各フイラメント電源出力を制御する請求項１６記載のイオン照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン照射対象物品にイオンを照射するイオン照射装置、特に、真空チャンバ内において、通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバへ導入したガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品、工具、自動車部品などの物品への膜形成、イオン注入、表面改質などの処理は、一般的には、真空チャンバ内で行われることが多い。かかる処理のための一連のプロセスでは、物品の表面をクリーニングしたり、物品の表面を適度に荒らしたり、或いは物品の表面温度を上昇させる処理を伴うことが多々ある。
【０００３】
例えば、成膜プロセスにおいては、膜形成を行う前に、物品とそれに形成される膜との密着性をよくするために、物品表面に付着している汚れやゴミなどを除去したり、物品の表面を適度な粗さにすることによって物品と膜の接触面積を大きくしたり、或いは物品の表面温度を上昇させて膜を物品側に拡散させるようなことが行われている。
【０００４】
これらは、例えば、真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバへ導入したガス（例えばアルゴンガスのような不活性ガス）に衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置を用いて行われる。
【０００５】
このタイプの従来のイオン照射装置では、電子源を構成するフィラメントが真空チャンバの片隅に配置されたり、或いは、物品のイオン照射対象部分から外れすぎたようなところに配置され、そのため物品のイオン照射対象部分全体への均一なイオン照射ができないことが多かった。その結果、例えば、その後の物品への膜形成において形成される膜の密着性が不十分になるなどの不具合がでることが多かった。
【０００６】
そこでこのような問題を解決するために、特開平２０００−３３６４９２号公報は、真空チャンバ内の長い範囲にわたる電子源を採用したり、イオン照射対象物品に対向するように該物品の長手方向に長い電子源を採用した、改良されたイオン照射装置を開示している。
【０００７】
かかる改良されたイオン照射装置例を図１１（Ａ）に示す。図１１（Ｂ）は、このあと記すイオン照射対象物品Ｗとフィラメント２との配置関係を図１１（Ａ）において右側から見て示す図である。
【０００８】
図１１（Ａ）に示すイオン照射装置は真空チャンバ１、チャンバ内に配置された電子源を構成するフィラメント２、チャンバ内に設置された物品ホルダ３等を備えている。
真空チャンバ１は、図示省略の排気装置により排気ポート１１から排気することでチャンバ内を所定のイオン照射圧に減圧維持することができ、また、ガス導入ポート１２から照射イオンを生成するためのガス、例えばアルゴンガスのような不活性ガスをチャンバ内へ導入できる。
【０００９】
イオン照射対象物品Ｗは本例では円柱形状のものでホルダ３に縦長に支持される。ホルダ３は図示省略の回転駆動装置により回転駆動可能であり、これによりイオン照射中、物品Ｗを回転させることができる。フィラメント２は上下の端子台２１、２２に支持され、両端子台間に上下方向に直線的に張設され、物品Ｗの長手方向（回転中心線方向）に長くのび、物品Ｗの全体に対向している。
【００１０】
イオン照射にあたっては、真空チャンバ１内を所定圧へ減圧維持しつつガス導入ポート１２からガス（例えばアルゴンガス）を導入するとともに、電源ＰＷ１からフィラメント２に電流を流し、これによりフィラメントを抵抗加熱して熱電子を放出させる一方、チャンバ１にフィラメント２より高電位になるように放電用電源ＰＷ２から電圧を印加し、これによりフィラメント２から熱電子を引き出し、直流放電を発生させるとともに熱電子を導入ガスに衝突させてプラズマを発生させ、該プラズマ中のイオンをバイアス電源ＰＷ３から負のバイアス電圧を印加された物品Ｗへ照射する。
【００１１】
以上のほか、従来例ではないが本発明者によれば、改良されたイオン照射装置として、図１２の装置も例示できる。図１２のイオン照射装置は、図１１（Ａ）に示すイオン照射装置において、一本の長いフィラメント２に代えて、複数本のフィラメント２’を物品Ｗの長手方向にそって複数段に不連続に並列配置し、各フィラメント２’にフィラメント電源ＰＷ１’を接続したものである。各フィラメント２’は端子台２１’、２２’間に直線的に張設され、物品Ｗの長手方向に対し垂直な方向に延在している。その他の点は図１１（Ａ）のイオン照射装置と同構成である。
【００１２】
図１１（Ａ）、図１２に示すいずれのイオン照射装置も、電子源を構成するフィラメントが真空チャンバの片隅に配置されたり、或いは、物品のイオン照射対象部分から外れすぎたようなところに配置されたイオン照射装置と比べると、物品のイオン照射対象部分全体へ均一にイオンを照射できる。
【００１３】
【特許文献１】特開平２０００−３３６４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特開平２０００−３３６４９２号公報に開示されているイオン照射装置や、図１１（Ａ）に示すイオン照射装置のように、電子源におけるフィラメントが連続的に長いイオン照射装置では、図１１（Ａ）に示すようにフィラメントを抵抗加熱する電源（フィラメント電源）として直流電源を採用すると、フィラメントが長くなりすぎることによって、抵抗加熱すべく該フィラメントへ印加する電圧が大きくなりすぎ、それによりフィラメントの負電位側と真空チャンバとの間の電位差が大きくなりすぎ、該フィラメントが真空チャンバ内に生成したプラズマからのスパッタリングを激しく受け、フィラメントの消耗が激しくなり、短時間で切れてしまう。
【００１５】
この問題を解消しようとして放電用電源の出力電圧を下げたり、或いはフィラメント電源の極性を反転させると、フィラメントの正電位側と真空チャンバとの間の電位差が小さくなりすぎ、熱電子を十分引き出せなくなる。その結果、フィラメントの正電位側近傍で生成したプラズマの密度が極端に低くなり、イオン照射対象物品に全体的に均一なイオン照射を行うことが困難になる。ひいては、例えばその後の成膜プロセスではイオン照射量の小さい領域で形成された膜部分は物品本体への十分な密着力が得られないなどの問題が生じる。
【００１６】
図１１（Ａ）のイオン照射装置を用いて、ステンレススチール製の直径１５０ｍｍ、長さ６００ｍｍの円柱形の物品Ｗを毎分３回転させつつ、該物品表面をエッチングによりクリーニング処理する実験を行った。このときのエッチング量の物品上の位置依存性を図２に白丸（○）ドットを結ぶラインで示す。
【００１７】
この実験におけるイオン照射条件は次のとおりとした。
アルゴンガス導入量：１００ｓｃｃｍ、
イオン照射におけるチャンバ内圧力：０．７Ｐａ、
フィラメントサイズ及び本数：直径１．０ｍｍ，長さ６００ｍｍのフィラメント一本、  フィラメント電圧及び電流：電圧３６Ｖ，電流６０Ａ、
放電電圧及び電流：電圧３０Ｖ，電流３１Ａ、
物品Ｗへのバイアス電圧及び電流：電圧−５００Ｖ，電流９Ａ、
処理時間：６０分とした。
【００１８】
図２に示すように、物品Ｗの上端から中央付近までは０．５μｍ程度のエッチングがされているが、中央付近から下端へかけてエッチング量が大幅に小さくなっていくことがわかる。これは、フィラメントの正電位側近傍で生成したプラズマの密度が極端に低くなり、物品Ｗに対し全体的に均一にイオン照射がなされていないことを示している。
また、同じ実験条件で、但し、処理時間を制限せずに装置運転したところ、フィラメント寿命は略１０時間程度と短かった。
【００１９】
また、フィラメントを単に長く張り巡らしたり、特開平２０００−３３６４９２号公報にも記載されているように、いくら螺旋状やジグザグ状に張り巡らしたとしても、フィラメントから引き出される電子はフィラメント自身によって誘起される磁場によってトラップされるので、それだけ、密度の高いプラズマを生成することが困難になり、ひいてはイオン照射対象物品に対するイオン照射量が低下して、イオン照射処理にそれだけ長時間を要してしまう、という問題もある。
【００２０】
特開平２０００−３３６４９２号公報にも記載されているように、例えば図１１（Ａ）に示す装置においてフィラメント電源として直流電源に代えて交流電源を採用し、フィラメントに交流電流を流すと、物品Ｗへのイオン照射は直流電源を採用する場合よりも均一化されるが、その場合でも、フィラメントから引き出される電子はフィラメント自身によって誘起される磁場によってトラップされるので、密度の高いプラズマを生成することは困難であり、それだけイオン照射処理に長時間を要してしまう。
【００２１】
この問題を解決しようとして、フィラメントに流す電流を大きくして熱電子を多く引き出そうとすると、フィラメントの動作温度（熱電子を放出するために加熱する温度）が高くなりすぎ、フィラメントの蒸発が激しくなったり、また、スパッタリングを受ける場合のスパッタリング率が高くなって、結果としてフィラメントが短時間で切れてしまう。
【００２２】
図１２に示すイオン照射装置では、フィラメント２’群が物品Ｗに全体的に臨むように複数段に並列配置されているので、それだけ物品Ｗ全体に均一にイオン照射することができ、また、図１１（Ａ）の装置の場合に比べれば、各フィラメント２’の長さが短いので、長い一本のフィラメントを採用する場合に比べると低電圧印加で加熱して電子を放出させ得るので、フィラメントの消耗が少ない。
【００２３】
しかし、やはりフィラメントから引き出される電子はフィラメント自身によって誘起される磁場によってトラップされるので、密度の高いプラズマを生成することは困難となり、この間題を解決するために、フィラメントに流す電流を大きくして多数の熱電子を引き出そうとすると、フィラメントの動作温度が高くなりすぎ、フィラメントの蒸発が激しくなったり、また、スパッタリングを受ける場合のスパッタリング率が高くなって、結果としてフィラメントが短時間で切れてしまうという問題がある。
【００２４】
図１２に示すイオン照射装置でも、図１１（Ａ）の装置における前記実験条件に近い以下の条件で運転すると、やはりフィラメント寿命は１０時間程度と短時間であった。
この場合の図１２の装置による実験条件は、
物品Ｗについては前記と同じ条件、
アルゴンガス導入量：１００ｓｃｃｍ、
イオン照射におけるチャンバ内圧力：０．７Ｐａ、
フィラメントサイズ及び本数：直径１．０ｍｍ，長さ２００ｍｍのフィラメント３本、  各フィラメント電圧及び電流：電圧１２Ｖ，電流６０Ａ、
放電電圧及び電流：電圧４０Ｖ，電流３１Ａ、
物品Ｗへのバイアス電圧及び電流：電圧−５００Ｖ，電流９Ａであった。
【００２５】
以上の問題は、電子源がフィラメント自身の場合だけではなく、フィラメントに電流を流すことによって熱電子を引き出し、この熱電子を別途熱電子放出部材及び（又は）二次電子放出部材に衝突させて、それから熱電子及び（又は）二次電子を引き出すような方式の電子源や、フィラメントに電流を流すことによって熱電子を引き出し、この熱電子を真空チャンバとは仕切られた予備プラズマ室に導入したガスに衝突させて予備プラズマを生成し、予備プラズマから電子を引き出すような方式の電子源の場合にも同様に生じる。
【００２６】
そこで本発明は、真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であって、イオン照射対象物品のイオン照射対象部分に全体的に均一に、また、徒に長時間を要することなくイオン照射処理を施せる、寿命の長いイオン照射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
前記課題を解決するため本発明は次の第１、第２のイオン照射装置を提供する。
（１）第１のイオン照射装置
真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であり、該電子源は該物品のイオン照射対象部分の全体に臨むように設けられており、該電子源における前記フィラメントは、該電子源の全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置され、該複数段のフィラメントのうち少なくとも１段のフィラメントは、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分を少なくとも一つ含むように屈曲配置されており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近しているイオン照射装置。
【００２８】
（２）第２のイオン照射装置
真空チャンバー内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であり、該電子源は該物品のイオン照射対象部分の全体に臨むように設けられており、該電子源における前記フィラメントは、該電子源の全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置され、該複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントには、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分が少なくとも一つ含まれており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近しているイオン照射装置。
【００２９】
かかる第１、第２のイオン照射装置において、「真空チャンバ内導入ガス」とは、真空チャンバ内へ導入され、電子源から放出される電子の衝突によりプラズマ化され、それによりイオン照射対象物品へ照射するイオンを生成するガスである。
また、「電子源が物品のイオン照射対象部分の全体に臨むように設けられている」態様には、電子源が物品のイオン照射対象部分のほぼ全体に臨むように設けられている場合も含まれる。
「フィラメントが電子源の全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置されている」態様には、フィラメントが電子源のほぼ全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置されている場合も含まれる。
また、「磁場が打ち消しあう」には、磁場が完全に打ち消しあう場合は勿論のこと、完全ではないが、磁場が打ち消しあっているとみて差し支えない場合も含まれる。
【００３０】
第１、第２のイオン照射装置のいずれにおいても、電子源におけるフィラメントは、電子源の全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置されているから、それだけ電子源の全体又はほぼ全体から均一状に電子を放出させることができ、しかも、電子源は物品のイオン照射対象部分の全体に臨むように設けられているから、該電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを形成するとき、該プラズマは物品のイオン照射対象部分の全体に均一状に臨むように生成し、かくして、該プラズマからイオン照射対象部分に全体的に均一にイオンを照射することができる。
【００３１】
また、不連続に複数段に並列配置された複数本のフィラメントの一本一本は、従来のように物品のイオン照射対象部分に全体的に臨むように連続的に長く張設される一本のフィラメントと比べると短くすることができ、それだけ個々のフィラメントに対する、抵抗加熱による熱電子放出のための印加電圧は低く済み、それだけフィラメントの蒸発や、プラズマからのスパッタリング等によるフィラメントの消耗を抑制して、イオン照射装置を長寿命化できる。
【００３２】
さらに、第１のイオン照射装置では、電子源における複数段のフィラメントのうち少なくとも１段のフィラメントは、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分を少なくとも一つ含むように屈曲配置されており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消し合うように接近している。従って、該フィラメンに通電するフィラメント電源が直流電源であれ、交番電源（例えば極性が周期的に反転する交流電源やパルス電源）であれ、該相互に平行又は略平行な部分のうち一方に流れる電流と他方に流れる電流とは互いに逆向きの流れとなり、それにより、それら部分に電流の流れにより形成される磁場は互いに打ち消しあい、それら部分から生じる熱電子は磁場にトラップされることが抑制される状態で十分引き出すことができる。従って、該フィラメントに印加する電圧をフィラメント消耗を抑制するように低くしても、照射イオンを得るためのプラズマを高密度に形成することができ、ひいては、徒に長時間を要することなく、所定のイオン照射量で効率よく物品にイオン照射処理を施せる。
【００３３】
これらにより、イオン照射対象物品のイオン照射対象部分に全体的に均一に、また、徒に長時間を要することなく効率的にイオン照射処理を施せるとともに、フィラメント、ひいてはイオン照射装置を長寿命化できる。
【００３４】
第１のイオン照射装置において、互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントに通電するフィラメント電源として直流電源を採用する場合、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分はフィラメントの負極性側端部寄りに位置することがより望ましい。そうすることで、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分に放電電圧を有効に作用させて十分に熱電子を引き出すことができる。
【００３５】
第２のイオン照射装置では、電子源における複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントには、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分が少なくとも一つ含まれており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消し合うように接近している。
【００３６】
従って、このような互いに隣り合うフィラメントに通電するフィラメント電源として、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分に互いに逆向きの電流を流す直流電源を採用したり、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分に互いに逆向きの電流が流れるように交番電流（例えば交流電流、パルス電流）を流す交番電源を採用することで、それら部分に電流により形成される磁場は互いに打ち消しあい、それにより、該対向部分から生じる熱電子は磁場にトラップされることが抑制される状態で十分に引き出すことができる。従って、該フィラメントに印加する電圧をフィラメント消耗を抑制するように低くしても、それだけ照射イオンを得るためのプラズマを高密度に形成することができ、ひいては、徒に長時間を要することなく、所定のイオン照射量で効率よく物品にイオン照射処理を施せる。
【００３７】
前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように配置されている互いに隣り合うフィラメントに対するフィラメント電源として直流電源を採用する場合、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分はそれらフィラメントの負極性側端部寄りに位置していることがより望ましい。そうすることで、該相互に平行又は略平行な対向部分に放電電圧を有効に作用させて十分に熱電子を引き出すことができる。
【００３８】
なお、第１のイオン照射装置においては、複数段のフィラメントのうち少なくとも１段のフィラメントが互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されていればよいが、２段以上或いは全段のフィラメントがそのように屈曲配置されていてもよい。
また、第１のイオン照射装置においては、複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントは、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分を少なくとも一つ含んでいてもよい。かかる相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近させる。すなわち、そのように互いに隣り合うフィラメンと、フィラメント中において相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントとが混じっていてもよい。
【００３９】
また、第２のイオン照射装置においては、複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントについて、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分が少なくとも一つ含まれるように、そして、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近していればよいが、そのような組のフィラメントが２組以上あってもよく、そのような組のフィラメントばかりでもよい。
また、少なくとも１段のフィラメントは、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分を少なくとも一つ含むように屈曲配置され、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近していてもよい。すなわち、そのように屈曲配置されたフィラメントと、互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように組をなす互いに隣り合うフィラメントとが混じっていてもよい。
【００４０】
第１、第２のイオン照射装置のいずれにおいても、電子源の態様として次の(1) 〜(3) のものを例示できる。
(1) 前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために電子源から放出させる電子として、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子を用いる電子源。
【００４１】
(2) 前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子の衝突により熱電子を放出する熱電子放出部材及び前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子の衝突により２次電子を放出する２次電子放出部材のうち少なくとも一方を含んでおり、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、該熱電子放出部材及び（又は）２次電子放出部材から放出される電子を用いる電子源。
この電子源の場合、熱電子放出部材や２次電子放出部材は、複数段のフィラメントのそれぞれに対して設けられていてもよいし、複数段のフィラントに対し共通の一つのものが設けられていてもよく、或いは複数段のフィラメントのうち所定本数グループ毎に共通のものが設けられていてもよく、要するに電子源の全体又は略全体から均一状に電子を放出させ得るように設けられていればよい。
熱電子放出部材は２次電子放出部材の機能を有していてもよい。或いは、２次電子放出部材は熱電子放出部材の機能を有していてもよい。
【００４２】
(3) 予備プラズマ室を含んでおり、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子を該予備プラズマ室に導入されるガスに衝突させて予備プラズマを生成し、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、該予備プラズマ室に生成するプラズマから放出される電子を用いる電子源。
この電子源の場合、予備プラズマ室は、複数段のフィラメントのそれぞれに対して設けられていてもよいし、複数段のフィラントに対し共通の一つのものが設けられていてもよく、或いは複数段のフィラメントのうち所定本数グループ毎に共通のものが設けられていてもよく、要するに電子源の全体又は略全体から均一状に電子を放出させ得るように設けられていればよい。
【００４３】
既述のいずれのイオン照射装置の場合でも、照射イオンを得るためのプラズマを一層高密度で形成してイオン照射をより能率よく行えるようにするために、前記複数段のフィラメントのうち少なくとも１段のフィラメントに対し、該フィラメントに流れる電流により誘起される磁場の少なくとも一部を打ち消す磁場形成手段（永久磁石、電磁石、これらの組み合わせ等）を設けてもよい。
【００４４】
また、いずれのイオン照射装置の場合でも、プラズマの空間分布やイオン電流量の空間分布を計測できるようにし、電子源から引き出す電子量やエネルギー、或いはフィラメントから引き出す電子量やエネルギーを個々に制御したり、熱電子放出部材、二次電子放出部材、予備プラズマなどから引き出す電子の量やエネルギーを個々に制御することにより、プラズマの均一性や物品へ照射するイオンの均一性を制御できるようにしてもよい。
【００４５】
例えば、前記イオン照射対象物品に照射されるイオンに基づくイオン電流の空間分布を計測するイオン電流分布計測装置及び該イオン電流分布計測装置により計測されるイオン電流分布に基づいて、イオン電流分布を該物品のイオン照射対象部分全体に対し均一化するように前記フィラメント電源出力を制御する制御装置を備えていてもよい。
また、例えば、前記電子源から放出させた電子の前記真空チャンバ内導入ガスへの衝突により形成されるプラズマの空間分布を計測するプラズマ分布計測装置及び該プラズマ分布計測装置により計測されるプラズマ分布に基づいて、プラズマ分布を該物品のイオン照射対象部分全体に対し均一化するように前記フィラメント電源出力を制御する制御装置を備えていてもよい。
かかるプラズマ分布計測装置としては、例えば、前記各フィラメントが分担する放電電流をモニターすることでプラズマ分布を計測するものを挙げることができる。これは、通常プラズマの密度は放電電流とともに高くなり、放電電流をモニターすることで、実質上プラズマ密度をモニターできることに基づいている。このように放電電流をモニターする場合、プラズマ分布計測装置は、各フィラメントが分担する放電電流をモニターする放電電流計測器を含む。そして、フィラメント電源出力を制御する制御装置は、該放電電流計測器でモニターされる放電電流に基づいて各フイラメント電源出力を制御する。
【００４６】
また、いずれのイオン照射装置でも、前記フィラメントに通電するフィラメント電源は、特に直流電源の場合は、該フィラメントに印加する電圧極性を定期的に反転させる電源としてもよい。それにより、フィラメントのいずれか片側端部がスパッタリング等により集中的に消耗することを抑制でき、ひいてはそれだけ装置寿命を長引かせることができる。
【発明の効果】
【００４７】
以上説明したように本発明によると、真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であって、イオン照射対象物品のイオン照射対象部分に全体的に均一に、また、徒に長時間を要することなくイオン照射処理を施せる、寿命の長いイオン照射装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
以下の説明においても、「磁場が打ち消しあう」には、磁場が完全に打ち消しあう場合は勿論のこと、完全ではないが、磁場が打ち消しあっているとみて差し支えない場合も含まれる。
図１（Ａ）は本発明に係るイオン照射装置の１例を示している。図１（Ａ）のイオン照射装置Ａは、図１１（Ａ）に示すイオン照射装置において、フィラメント２に代え、３本のフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”を採用したものである。これら３本のフィラメントは上下方向３段に不連続に並列配置されており、各フィラメントはイオン照射対象物品Ｗの上下長手方向に対し水平方向に配置された端子台２１ａ、２２ａ間に張設されている。各フィラメントとイオン照射対象物品Ｗとの位置関係は平面からみると、図１（Ｂ）に示すようになっている。
【００４９】
各フィラメントには、それぞれのフィラメントに対して設けた直流フィラメント電源ＰＷａから通電されるようになっており、これらフィラメント等が電子源２０Ａを構成している。
【００５０】
上段のフィラメント２ａは、図１（Ｃ）にも示すように、その途中に、互いに接近して平行に上下方向に延びる部分ａ１、ａ１を含むように屈曲配置されている。下段のフィラメント２ａ”はフィラメント２ａと上下対称に屈曲配置されている。中段のフィラメント２ａ’は、図１（Ｄ）にも示すように、その途中に、互いに接近して平行となる上下方向に延びる部分ａ１’、ａ１’及びａ２’、ａ２’を含むように屈曲配置されている。中間の部分ａ１’、ａ２’は上下に一直線となっている。各フィラメントは互いに平行となる上下方向に延びる部分を有する屈曲部分が物品Ｗに対向している。
【００５１】
上記以外の点は図１１（Ａ）に示すイオン照射装置と実質上同構成であり、図１１（Ａ）の装置におけるものと実質上同じ部品、部分等には該装置と同じ参照符号を付してある。
【００５２】
このイオン照射装置Ａによると、真空チャンバ１内を所定圧へ減圧維持しつつガス導入ポート１２からガス（例えばアルゴンガス）を導入するとともに、各電源ＰＷａからフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”のそれぞれに電流を流し、これにより各フィラメントを抵抗加熱して熱電子を放出させる一方、チャンバ１に各フィラメントより高電位になるように放電用電源ＰＷ２から電圧を印加し、これによりフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”からそれぞれ熱電子を引き出し、直流放電を発生させるとともに該熱電子を導入ガスに衝突させてプラズマを発生させ、該プラズマ中のイオンをバイアス電源ＰＷ３から負のバイアス電圧を印加した物品Ｗへ照射して、物品Ｗの表面をクリーニングしたり、適度に荒らしたり、物品の表面温度を上昇させる等の処理を実施できる。
【００５３】
イオン照射装置Ａによると、電子源２０Ａにおけるフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”は、電子源２０Ａの全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置されているから、それだけ電子源２０Ａの全体又はほぼ全体から均一状に電子を放出させることができ、しかも、電子源２０Ａは物品Ｗのイオン照射対象部分の全体に臨むように設けられている。従って、該電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを形成するとき、該プラズマは物品Ｗのイオン照射対象部分の全体に均一状に臨むように生成し、かくして、該プラズマからイオン照射対象部分に全体的に均一にイオンを照射することができる。
【００５４】
また、複数段に並列配置された複数本のフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”の一本一本は、従来のように物品のイオン照射対象部分に全体的に臨むように連続的に長く張設される一本のフィラメントと比べると短くすることができ、それだけ個々のフィラメントに対する、抵抗加熱による熱電子放出のための（換言すれば、フィラメント動作温度を得るための）印加電圧は低く済み、それだけフィラメントの蒸発や、プラズマからのスパッタリング等によるフィラメントの消耗を抑制して、イオン照射装置Ａを長寿命化できる。
【００５５】
さらに、電子源２０Ａにおける各フィラメントは、既述のとおり相互に接近して平行な部分、すなわち、フィラメント２ａ、２ａ”ではａ１とａ１、フィラメン２ａ’ではａ１’とａ１’、ａ２’とａ２’を含むように屈曲配置されている。従って、フィラメント電源ＰＷａから直流電流を流すと、該相互に平行な部分のうち一方に流れる電流と他方に流れる電流とは互いに逆向きの流れとなり、それにより、それら部分に電流の流れにより形成される磁場は互いに打ち消しあい、それら部分から生じる熱電子は磁場にトラップされることが抑制される状態で十分に引き出される。かくして、各フィラメントに印加する電圧をフィラメント消耗を抑制するように低くしても、照射イオンを得るためのプラズマを高密度に形成することができ、ひいては、徒に長時間を要することなく、所定のイオン照射量で効率よく物品Ｗにイオン照射処理を施せる。
【００５６】
イオン照射装置Ａを用いて、ステンレススチール製の直径１５０ｍｍ、長さ６００ｍｍの円柱形の物品Ｗを毎分３回転させつつ、該物品表面をエッチングによりクリーニング処理する実験を行った。このときのエッチング量の物品上の位置依存性を図２に黒丸（●）ドットを結ぶラインで示す。
【００５７】
なお、この実験においては、フィラメント２ａ、２ａ”の屈曲部分も含めた全長は２００ｍｍ、部分ａ１の長さｈ１は７７ｍｍ、部分ａ１間の長さｗは６ｍｍであり、該屈曲部分の総長は１６０ｍｍ（２×ｈ１＋ｗ）である。
フィラメント２ａ’も屈曲部分も含めた全長は２００ｍｍであり、部分ａ１’、ａ２’の各長さｈ２は３７ｍｍ、部分ａ１’間、ａ２’間の各長さｗは６ｍｍ、該屈曲部分の総長は１６０ｍｍ（４×ｈ２＋２×ｗ）である。
フィラメントの直径は１．０ｍｍである。
【００５８】
また、
アルゴンガス導入量：１００ｓｃｃｍ、
イオン照射におけるチャンバ内圧力：０．７Ｐａ、
各フィラメント電圧及び電流：電圧１０Ｖ，電流５２Ａ、
放電電圧及び電流：電圧６０Ｖ，電流３１Ａ、
物品Ｗへのバイアス電圧及び電流：電圧−５００Ｖ，電流９Ａ、
処理時間：６０分とした。
図２から、物品Ｗの全体にわたり、ほぼ均一（均一性＜１０％）なエッチングができていることがわかる。
【００５９】
ここで注目すべきことは、各フィラメントについてのフィラメント電圧／電流が小さいということである。つまりフィラメント電圧／電流が小さくても、フィラメントから効率的に熱電子を引き出すことができ、短時間で均一性の高いエッチングができていることになる。各フィラメントから効率的に熱電子を引き出すことができるのは、熱電子をトラップする磁場が弱くなったからである。つまり、フィラメントに互いに接近した平行な部分を含ませ、その部分に互いに逆向けに電流を流すことによって、それらの電流によって誘起される磁場を互いに打ち消させることができ、その結果、各フィラメントから引き出される熱電子はトラップされにくくなり、よりたくさんの熱電子がプラズマ生成に寄与することが可能となる。したがってフィラメント電圧／電流を小さくしても、十分密度の高いプラズマを生成することができるのである。
【００６０】
フィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”のそれぞれにおける接近した互いに平行な部分から引き出される熱電子の量はそうでない部分から引き出される熱電子の量の約２〜５倍にもなることを確認できた。
【００６１】
また、フィラメント電流／電圧が小さく済むということはフィラメント動作温度が低いということであるから、プラズマからのスパッタリングを受けた場合、スパッタ率は低下し、従ってフィラメントの消耗はかなり抑制されることになる。フィラメント自身の蒸発量も少なくなる。
【００６２】
また、図１１（Ａ）の装置におけるフィラメントに比べると、フィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”のそれぞれの長さは短いので、フィラメントに印加される電圧も小さく済み、放電電源ＰＷ２の電圧を適切な電圧にすることによって、フィラメントとチャンバ１との間の電位差が極端に大きくなったり、小さくなったりすることなく、十分な量の熱電子を引き出すことができ、さらにプラズマからのスパッタリングも受けにくくなる。前記の実験条件で、但し処理時間に制限を設けずに装置Ａを運転したところ、フィラメントの寿命は１００時間程度と長寿命であった。
【００６３】
図３は本発明に係るイオン照射装置の他の例を示している。このイオン照射装置Ｂは、図１（Ａ）の装置Ａにおいて、各フィラメントにおける互いに平行な部分を含む屈曲部分をフィラメントの負極性側端部寄りに位置させたものである。これらフィラメント等は電子源２０Ｂを構成している。それ以外の点は装置Ａと実質上同構成であり、装置Ａと実質上同じ部品、部分等には装置Ａと同じ参照符号を付してある。
【００６４】
何らかの都合で、例えば各部品の配置上、フィラメント支持端子台の間隔を大きくしなければならないというような場合がある。その場合、フィラメント長さはある程度長くならざるを得なくなる。その場合でも各フィラメントは平行部を含むように屈曲配置すればよいが、その場合は、図３のイオン照射装置Ｂで例示されるように、各フィラメントの負極性側に平行部を近づけるようにすればよい。こうすることで、各フィラメントの平行部にはイオン照射装置Ａの場合と同等の放電電圧が印加され、効率的に熱電子を引き出すことができ、装置Ａの場合と同等の効果が得られる。なお、フィラメントの平行部でない部分（図３では物品Ｗより左方へ延びた水平直線部分）には低い放電電圧が印加されるので、この部分からの熱電子の引き出しは困難になるが、かかる屈曲部分でない水平直線部分については、もともと平行部に比べて引き出される熱電子の量は１／５〜１／２程度と少ないから、かかる部分から引き出される電子によるプラズマ生成は期待していない。
【００６５】
図４は本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Ｃは、図１（Ａ）の装置Ａにおいて、フィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”に代えて、フィラメント２ｃ、２ｃ’、２ｃ、２ｃ’を採用したものである。これら４本のフィラメントは上下方向４段に並列配置されており、各フィラメントはイオン照射対象物品Ｗの上下長手方向に対し水平方向に配置された端子台２１ｃ、２２ｃ間に張設されている。各フィラメントには、それぞれのフィラメントに対して設けた直流フィラメント電源ＰＷｃから通電されるようになっおり、これらフィラメント等が電子源２０Ｃを構成している。
【００６６】
上側の互いに隣り合うフィラメント２ｃ、２ｃ’、下側の互いに隣り合うフィラメント２ｃ、２ｃ’はいずれも、互いに接近する相互に平行な部分ｃ１、ｃ１’を含むように屈曲配置されている。互いに接近する相互に平行な部分ｃ１、ｃ１’からなる各組が物品Ｗに対向している。
【００６７】
上側の互いに隣り合うフィラメント２ｃ、２ｃ’にはそれらに接続された電源ＰＷｃから互いに逆向きに電流がながされよにうなっており、同様に、下側の互いに隣り合うフィラメント２ｃ、２ｃ’についても、それらに接続された電源ＰＷｃから互いに逆向きに電流がながされよにうなっている。
上記以外の点は図１（Ａ）に示すイオン照射装置Ａと実質上同構成であり、図１（Ａ）の装置Ａと実質上同じ部品、部分等には装置Ａと同じ参照符号を付してある。
【００６８】
このイオン照射装置Ｃによると、上側及び下側それぞれの互いに隣り合うフィラメント２ｃ、２ｃ’における互いに接近した平行部分ｃ１とｃ１’に互いに逆向きの電流が流されるので、フィラメント電流によって誘起される磁場は互いに打ち消しあい、従って、イオン照射装置Ａの場合と同様にフィラメントから引き出される熱電子は磁場にトラップされにくくなり、フィラメント動作温度を得るためにフィラメントに印加する電圧を低くしても、効率的なプラズマ生成を行うことができる。また、フィラメント印加電圧を低くできることで、フィラメント、ひいては装置Ｃを長寿命にできる。さらに、装置Ａと同様、物品Ｗのイオン照射対象部分の全体にわたり均一にイオン照射できる。
なお、図４の装置Ｃの場合、各隣り合うフィラメント２ｃ、２ｃ’は、それぞれ直線に張設して互いに接近させることで、それらに互いに反対向きに流される電流により誘起される磁場が互いに打ち消しあうようにしてもよい。
【００６９】
図５は本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Ｄは、装置Ｃにおいて、互いに隣り合うフィラメント２ｃ、２ｃ’において互いに接近する平行な部分ｃ１、ｃ１’をそれぞれフィラメントの負極性側の端部寄りに位置させたものである。それ以外の点は装置Ｃと実質上同構成であり、装置Ｃと実質上同じ部品、部分等には装置Ｃと同じ参照符号を付してある。
【００７０】
イオン照射装置Ｄにおいても、各フィラメントの、それに隣り合うフィラメントに接近して平行な部分にはイオン照射装置Ｃの場合と同等の放電電圧が印加され、効率的に熱電子を引き出すことができ、装置Ｃの場合と同等の効果が得られる。
【００７１】
図６は本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Ｅは、図１（Ａ）のイオン照射装置Ａにおいて、フィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”の前方にこれらフィラメントに対し共通の熱電子放出部材或いは２次電子放出部材４を配置し、該部材４も電子源２０Ｅの構成部材としたものである。部材４はイオン照射対象物品Ｗのイオン照射対象部分に全体的に臨んでいる。部材４には、衝撃電源ＰＷ４から各フィラメントに対し高電位になるように電圧が印加され、チャンバ１には、放電電源ＰＷ２’から部材４に対し高電位になるように放電電圧が印加される。それ以外の点は装置Ａと実質上同構成であり、装置Ａにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等には装置Ａと同じ参照符号を付してある。但し、ガス排気ポートやガス導入ポート等の図示は省略している。
【００７２】
このイオン照射装置Ｅでは、各フィラメントにフィラメント電源ＰＷａから電圧を印加して熱電子を放出させる一方、部材４に衝撃電源ＰＷ４からフィラメントに対して高電位となるように電圧を印加することでフィラメントから生じた熱電子を部材４に衝突させ、部材４から熱電子（或いは２次電子、又は熱電子と２次電子の両方）を放出させることができる。さらに、部材４に対して高電位となるように放電電源ＰＷ２’からチャンバ１に電圧を印加することで、部材４から放出された電子を加速してチャンバ内導入ガスに衝突させて直流放電させ、プラズマを生成させることができる。さらに、該プラズマ中のイオンをバイアス電源ＰＷ３から物品Ｗに負のバイアス電圧を印加して該物品に照射することができる。
【００７３】
電子源２０Ｅは物品Ｗのイオン照射対象部分の全体に臨んでおり、該電子源における熱電子放出部材（或いは２次電子放出部材）４やフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”は電子源の全体にわたって設けられているので、物品Ｗのイオン照射対象部分の全体にわたり均一に、効率的にイオン照射できる。また、フィラメント寿命は装置Ａの場合と同様に長く、ひいてはイオン照射装置Ｅの寿命も長い。
なお、熱電子放出部材としては金属、金属酸化物、セラミック材料からなる部材を、２次電子放出部材についても、金属、金属酸化物、セラミック材料からなる部材を例示できる。
【００７４】
図７は本発明にかかるイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Ｆは、図１（Ａ）のイオン照射装置Ａにおいて、フィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”の前方にこれらフィラメントに対し共通の予備プラズマ室５を設け、これも電子源２０Ｆの構成要素としたものである。
【００７５】
予備プラズマ室４にはガス導入ポート５１からガス（例えばアルゴンガス等の不活性ガス）が導入される。予備プラズマ室５の電子引出し開口５２はイオン照射対象物品Ｗのイオン照射対象部分に全体的に臨んでいる。予備プラズマ室５には、予備放電電源ＰＷ５から各フィラメントに対し高電位になるように電圧が印加され、チャンバ１には、放電電源ＰＷ２”から予備プラズマ室５に対し高電位になるように放電電圧が印加される。それ以外の点は装置Ａと実質上同構成であり、装置Ａにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等には装置Ａと同じ参照符号を付してある。但し、チャンバ１のガス排気ポートやガス導入ポート等の図示は省略している。
【００７６】
このイオン照射装置Ｆでは、各フィラメントにフィラメント電源ＰＷａから電圧を印加して熱電子を放出させる一方、予備プラズマ室５内にガス導入ポート５１からガスを導入するとともに電源ＰＷ５からフィラメントに対して高電位となるように電圧を印加することでフィラメントから生じた熱電子を導入ガスに衝突させ、予備プラズマを形成することができる。
【００７７】
さらに、予備プラズマ室５に対して高電位となるように放電電源ＰＷ２”からチャンバ１に電圧を印加することで、室５内に生成した予備プラズマ中の電子を引出し、加速してチャンバ内導入ガスに衝突させて直流放電させ、プラズマを生成させることができる。さらに、該プラズマ中のイオンをバイアス電源ＰＷ３から物品Ｗに負のバイアス電圧を印加して該物品に照射することができる。
【００７８】
電子源２０Ｆはその予備プラズマ室５の開口５２が物品Ｗのイオン照射対象部分の全体に臨んでおり、該電子源における予備プラズマ室５やフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”は電子源の全体にわたって設けられているので、物品Ｗのイオン照射対象部分の全体にわたり均一に、効率的にイオン照射できる。また、フィラメント寿命は装置Ａの場合と同様に長く、ひいてはイオン照射装置Ｆの寿命も長い。
【００７９】
このイオン照射装置Ｆでは、予備プラズマ室５に導入するガスとチャンバ１に導入するガスを別のものとすることが可能である。例えば、物品Ｗに酸素イオンを照射したい場合は、チャンバ１に酸素ガスを導入すればよいが、この酸素ガスがフィラメント周囲雰囲気を形成するとフィラメントが酸化してその寿命が極端に短くなる。しかし、この装置Ｆでは、予備プラズマ室５にアルゴンガスなどの不活性ガスを導入すれば、チャンバ１からの酸素ガスの混入はある程度防止することができるので、それだけフィラメントの、ひいては装置Ｆの長寿命化が可能となる。そしてガス流量比などを調節すれば、最終的にはチャンバ１内では酸素ガスプラズマが主に生成するようにできるので、物品Ｗには主として酸素イオンを照射することができる。
【００８０】
図８は本発明にかかるイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Ｇは、図３のイオン照射装置Ｂにおいて、フィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”の背後且つチャンバ壁外側に磁場形成用のマグネット（永久磁石）６を４段に設け、これらも電子源２０Ｇの構成要素としたものである。
【００８１】
これらマグネットはフィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”のそれぞれにおける水平直線部分に、そこに流れる電流により形成される磁場を打ち消す、或いは弱める磁場を提供するように設けられている。
これ以外の点は装置Ｂと実質上同構成であり、装置Ｂにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等には装置Ｂと同じ参照符号を付してある。但し、各フィラメントは簡略化して図示してあり、電源等の図示は省略している。
【００８２】
この装置Ｇでは、各フィラメントの水平直線部分からも十分な熱電子を引き出すことができ、それによりプラズマ密度を一層高くすることができ、物品Ｗへ均一に、より多量のイオン照射量でイオン照射でき、それだけイオン処理時間を短くすることができる。
【００８３】
マグネット６は永久磁石でなくてもよく、磁場形成コイル等からなるものでもよい。コイルを採用する場合、電源なども必要になるのでそれだけ大がかりでコスト高となるが、磁場強度をある程度自由に変えることができるので、より適切な磁場強度を実現することが可能であるし、フィラメントに流す電流が交流の場合はコイル電流を反転させて磁場の向きを反転させることによって効率的にフィラメントの直線部分によって誘起される磁場を打ち消す、或いは弱めることができる。
【００８４】
なお、かかる磁場形成手段は、イオン照射装置Ａ〜Ｆや次に説明するイオン照射装置Ｈ、Ｊにも適用できる。また、イオン照射装置Ａ〜Ｇや次に説明するイオン照射装置Ｈ、Ｊではフィラメント電源として直流電源を採用しているがこれに代えて交番電源を採用してもよい。
【００８５】
図９は本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Ｈは、図３のイオン照射装置Ｂにおいて、物品Ｗの近傍にイオン電流分布計測器７を設け、計測器７で計測されたイオン電流分布情報に基づいて制御部８が出力可変の各フィラメント電源ＰＷａ’の出力を制御し、物品Ｗへのイオン照射を一層均一化できるようにしたものである。
これ以外の点は装置Ｂと実質上同じである。装置Ｂにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等には装置Ｂと同じ参照符号を付してある。
【００８６】
この装置Ｈにおけるイオン電流分布計測器７は物品Ｗに照射されるイオンに基づくイオン電流の量、換言すればイオン電流密度の空間分布を計測するものである。この計測器７は一時的に、つまり計測時のみ物品Ｗの前に移動させてもよいし、図示例のように常時物品Ｗの近傍に配置しておいてもよい。図示例の配置の場合は、実際に物品Ｗに照射されるイオンに基づくイオン電流量或いはイオン電流密度とは少し違った値が計測される場合があり得るが、そのような場合には、予め実際の値と計測値との相関関係を求めておき、制御部８において計測後に実際の値に換算すればよい。
【００８７】
制御部８についてもう少し詳しく説明すると、イオン電流分布計測器７によって計測されるイオン電流量或いはイオン電流密度の空間分布情報は制御部８に伝送され、制御部８において該情報に基づき均一性の算出等のデーター処理が行われる。そこで均一性の条件に合わない場合は、図示例ではフィラメント電源ＰＷａ’の制御を行い、均一性が条件に合うように、該フィラメント電源からフィラメントに流れる電流を調整する。
【００８８】
具体例を挙げると、例えば上下のフィラメント２ａ、２ａ”に対応する領域に比べてその間の中央部領域でのイオン電流量或いはイオン電流密度が大きい場合は、真ん中のフィラメント電源ＰＷａ’の制御を行い、真ん中のフィラメント２ａ’の電流を下げ、それからの熱電子放出量を少なくし、中央領域のプラズマ密度を小さくし、それにより全体に均一性のよいイオン照射を行えるようにする。
【００８９】
イオン電流分布計測器７はファラデーカップ型のものであれば、より正確なイオン電流密度を計測することができるが、これに限る必要はなく、単なるイオンコレクターのようなものでもよい。後者の場合は正確なイオン電流密度を算出することは困難であるが、相対的なイオン電流分布を算出することは可能であり、それでも十分実用に供し得る場合がある。
【００９０】
さらにイオン電流分布計測器７に代えて、プラズマ分布計測器のようなものでも代用ができる。例えばプラズマからの発光を分光器などで検出し、その検出情報からプラズマ密度の空間分布を求めるものを採用できる。この場合、そのように求められるプラズマ密度の空間分布と、実際のイオン電流分布との相関関係を予め算出しておき、計測値を実際の値に換算し、それに基づいて制御するようにすればよい。
図１１（Ａ）に示したような、フィラメントを連続的に長い範囲に配置するような例では、このような制御をすることは不可能である。しかし、本発明に係る装置ではフィラメントを不連続に複数段に分散並列配置しているのでかかる制御が可能である。
なお、かかる計測器や制御部は、既述のイオン照射装置Ａ〜Ｇにも適用できる。
【００９１】
また、通常プラズマの密度は放電電流とともに高くなるので、各フィラメントが分担する放電電流をモニターすることでも、プラズマの空間分布を知ることができる。図１０は、図９の装置Ｈにおいて、イオン電流分布計測器７に代えて、フィラメント２ａ、２ａ’、２ａ”のそれぞれが分担する放電電流を計測する放電電流計測器ＡＭ１、ＡＭ２、ＡＭ３を設けたイオン照射装置Ｊを示している。
【００９２】
装置Ｊにおいては、計測器ＡＭ１、ＡＭ２、ＡＭ３で検出される放電電流が制御部９に入力される。制御部９には、物品Ｗに全体的に均一にイオン照射するために個々のフィラメントが分担すべき放電電流（予め実験等により求めたもの）が設定されている。制御部９は、各計測器からの電流情報とその設定電流とを比較し、該電流情報が設定電流になるように、各フィラメント電源ＰＷａ’の出力を制御する。
【００９３】
制御部９における、各フィラメントに対応する放電電流設定値は、各フィラメントについて同じであってもよいが、例えば、装置構成等によりプラズマが生じ難い領域があるような場合は、その領域に対する放電電流が大きくなるように、フィラメントごとに設定値が異なってもよい。
【００９４】
ここでフィラメントについてさらに説明しておく。
フィラメント途中の接近した平行又は略平行な部分の間隔、或いは互いに隣り合うフィラメントにおいて接近した平行又は略平行な部分の間隔は、短ければ短いほど、その部分に発生する磁場の相互打ち消しあいのためにはよいが、実際にはあまり短すぎると、フィラメントの熱膨張などが原因で短絡してしまうことがある。
【００９５】
また逆に、該間隔が広すぎると、磁場の相殺が起きにくくなり、熱電子がトラップされてしまう。フィラメントの直径や長さ、流す電流の大きさ、そして使用環境条件等によっても変わってくるが、例えば直径０．８ｍｍ〜１．５ｍｍ程度のフィラメントであれば、平行部或いは概ね平行な部分の間隔は、必ずしもそれに限定されるわけではないが、概ね３ｍｍ〜５０ｍｍ程度が好ましく、より好ましくは６ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。該間隔が３ｍｍより小さくなってくると、ショートしやすくなり、５０ｍｍより大きくなってくると、磁場の相殺が困難になってくる。
【００９６】
ここで「平行部或いは概ね平行な部分の間隔が、例えば６ｍｍ〜３０ｍｍ」とは、長さ５０ｍｍ程度にわたって間隔が６ｍｍ〜３０ｍｍ程度の範囲におさまることを言うが、要はそれらの部分に流す電流によって形成される磁場が実質上互いに打ち消されるように、平行又は略平行な状態であればよい。
【００９７】
さらに、平行部或いは概ね平行な部分は、１本のフィラメントに２ケ所以上あってもよいし、それらの配置も基本的には自由である。２本以上のフィラメントを近接させる場合も、それらの平行な部分或いは概ね平行な部分は２ケ所以上あってもよいし、それらの配置も基本的には自由である。フィラメントに流す電流は直流電流に限らず、交流電流でもよいしパルス電流などでもよい。交流電流やパルス電流などを流す場合は、直流電流の場合と同様に、接近した平行な部分或いは近接した概ね平行な部分に互いに逆向きに電流が流れるようにすればよい。
【００９８】
例えば図１（Ａ）のイオン照射装置Ａ等では、フィラメント電源として定期的に極性が反転する直流電源を採用してもよく、そうすることで、さらにフィラメントの寿命が延びる。一般に、フィラメントの負極性側の方が正極性側に比べて実質的な放電電圧が高くなるのでプラズマからのスパッタリングを受けやすく、したがって消耗が激しいので、フィラメントが切れるのは必ずと言っていいほど負極性側の端子台に近い部分となる。よって定期的にフィラメント電源の極性を入れ替えれば、消耗を分散させることができ、フィラメント寿命は延びるのである。
【００９９】
実際、図１（Ａ）に示す装置Ａで、既述のようにフィラメント寿命が１００時間程度となった条件下の運転で、しかし、直流フィラメント電源の極性を２０時間ごとに入れ替えると（反転させると）、フィラメント寿命は１３０時間程度に延びた。極性入れ替え周期は１０時間ごとや３０時間ごとのように、特に時間の制限はないが、元々の寿命である既述の１００時間程度に近い時間、例えば９０時間で入れ替えを行うと、寿命は１１０時間程度となるので、５０時間以下が望ましいが、それには限定されない。
【０１００】
放電電源については、一台とは限らず、必要に応じて複数台採用してもよい。またフィラメント電源については個々のフィラメントに対してそれぞれ一台であってもよいが、一台のフィラメント電源によって複数のフィラメントに電流を流してもよい。
また、図１から図１０に示す各イオン照射装置においては、放電電源の負側はフィラメント電源の正側（或いは負側）に接続されているが、放電電源の負側はフィラメント電源の正側、負側のいずれに接続されてもよい。但し、放電電源の負側をフィラメント電源の正側に接続する場合は、フィラメント負側の放電電圧が高くなりすぎないように放電電源の電圧を調整するとよい。
フィラメントの材質はタングステンが一般的であるが、他のものでもよい。
【０１０１】
イオン照射装置Ａ〜Ｈを含め本発明に係るイオン照射装置によるイオン照射は、既述のとおり、物品表面のクリーニング、物品表面を適度に荒らす、物品表面温度を上昇させる等に利用できるが次のようにも利用できる。
【０１０２】
すなわち、例えば成膜プロセスにおいては、成膜中に使用することもできる。成膜中に物品へイオン照射することによって、膜質のコントロールをすることが可能であるし、或いは、生成したプラズマによって膜の成分として寄与する原子、分子、クラスターなどを励起、イオン化するなどして、これらを活性化することによって、膜質をコントロールすることも可能である。
【０１０３】
また、物品の温度を上げすぎないようにする等々のために、定常運転ではなく、パルス運転などの非定常運転をすることも可能である。例えば放電電源を入り切りすることによってプラズマを生成させたり消滅させたりし、それによって非定常運転を行うことができるし、フィラメントの電源を入り切りすることによっても、非定常運転が可能である。バイアス電源を入り切りすることによってもできる。
なお、バイアス電源の極性を負極性から正極性に変更することで、物品に電子を照射することもできる。高速両極性パルス運転と組み合わせれば、物品が絶縁物の場合において、イオン照射によるチャージアップを抑制して、効率的にイオン照射をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明は、例えば機械部品、工具、自動車部品などの物品への膜形成、イオン注入、表面改質などの処理の一環として、物品にイオン照射することで物品の表面をクリーニングしたり、物品の表面を適度に荒らしたり、或いは物品の表面温度を上昇させる等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】図１（Ａ）は本発明に係るイオン照射装置の１例を示す図であり、図１（Ｂ）は該装置における電子源のフィラメントとイオン照射対象物品との配置関係を上方から見た様子を示す図である。図１（Ｃ）は電子源における上段フィラメントを示す図であり、図１（Ｄ）は中段フィラメントを示す図である。
【図２】図１（Ａ）のイオン照射装置、図１０（Ａ）の従来例イオン照射装置のそれぞれによる物品のエッチング実験におけるエッチング量位置依存性を示す図である。
【図３】本発明に係るイオン照射装置の他の例を示す図である。
【図４】本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。
【図５】本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。
【図６】本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。
【図７】本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。
【図８】本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。
【図９】本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。
【図１０】本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。
【図１１】図１１（Ａ）はイオン照射装置の従来例を示す図であり、図１１（Ｂ）は該装置におけるフィラメントとイオン照射対象物品との位置関係を図１１（Ａ）の右方から見て示す図である。
【図１２】図１１（Ａ）の装置の、考えられる改良例装置を示す図である。
【符号の説明】
【０１０６】
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊ  イオン照射装置
１  真空チャンバ
１１  排気ポート
１２  ガス導入ポート
３  物品ホルダ
Ｗ  イオン照射対象物品
２０Ａ、２０Ｂ  電子源
２ａ、２ａ’、２ａ”  フィラメント
２１ａ、２２ａ  端子台
ａ１とａ１、ａ１’とａ１’、ａ２’とａ２’  平行部分
ＰＷａ  フィラメント電源
ＰＷ２  放電電源
ＰＷ３  バイアス電源
２０Ｃ、２０Ｄ  電子源
２ｃ、２ｃ’  フィラメント
２１ｃ、２２ｃ  端子台
ｃ１とｃ１’  平行部分
ＰＷｃ  フィラメント電源
２０Ｅ  電子源
４  電子放出部材（又は２次電子放出部材）
ＰＷ４  衝撃電源
ＰＷ２’  放電電源
２０Ｆ  電子源
５  予備プラズマ室
５１  ガス導入ポート
５２  電子引出し開口
ＰＷ５  予備プラズマ室用電源
ＰＷ２”  放電電源
２０Ｇ  電子源
６  マグネット
２０Ｈ  電子源
ＰＷａ’  出力可変フィラメント電源
７  イオン電流分布計測器
８  制御部
２、２’  フィラメント
２１、２１’、２２、２２’端子台
ＰＷ１、ＰＷ１’フィラメント電源                                                ＡＭ１、ＡＭ２、ＡＭ３  放電電流計測器
９  制御部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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