(57)【要約】【課題】プラズマ室から引き出されるイオンの引出態様を制御する技術を提供する。【解決手段】マイクロ波イオン源１０において、プラズマ室１１は、マイクロ波導入窓１６が設けられる入口端１３と、イオン引出開口１７を有する出口端１４と、入口端１３および出口端１４を接続する側壁１５と、を含む。規制部材は、プラズマ室内の容積を規制して、イオン引出開口１７と連通するプラズマ生成空間１２を区画する。プラズマ室１１は、イオン引出開口１７から引き出されるべきイオンの引出態様に応じて複数用意される規制部材の中から選択される一以上の規制部材がプラズマ室内に取り付け可能となるように構成され、取り付けられる規制部材に応じてプラズマ生成空間１２の容積が異なりうるように構成される。【選択図】図１
2015230832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ室内にマイクロ波を軸方向に導入するためのマイクロ波導入窓が設けられる入口端と、前記マイクロ波導入窓と前記軸方向に対向する位置に設けられるイオン引出開口を有する出口端と、前記入口端および前記出口端を接続する側壁と、を含むプラズマ室と、
前記プラズマ室内の容積を規制して、前記イオン引出開口と連通するプラズマ生成空間を区画する規制部材と、
を備え、
前記プラズマ室は、前記イオン引出開口から引き出されるべきイオンの引出態様に応じて複数用意される規制部材の中から選択される一以上の規制部材が前記プラズマ室内に取り付け可能となるように構成され、取り付けられる規制部材に応じて前記プラズマ生成空間の容積が異なりうるように構成されることを特徴とするマイクロ波イオン源。
【請求項２】
前記プラズマ室は、前記プラズマ室内の前記軸方向の長さを規制して、前記プラズマ室内よりも前記軸方向の長さが短いプラズマ生成空間を区画する第１規制部材が取り付け可能となるように構成されており、
前記第１規制部材は、前記マイクロ波を透過する誘電体材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項３】
前記プラズマ室内の前記入口端側に設けられるガス導入口と、
前記ガス導入口に着脱可能に接続され、前記側壁に沿って前記ガス導入口から前記出口端に向けて前記軸方向に延在する金属配管と、をさらに備え、
前記プラズマ室内には、前記第１規制部材が規制する前記軸方向の長さに応じて、前記軸方向の長さがそれぞれ異なるように複数用意される金属配管の中から選択されるいずれかの金属配管が配設されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項４】
前記プラズマ室は、前記プラズマ室内の前記軸方向と直交する径方向の幅を規制して、前記プラズマ室内よりも前記径方向の幅が短いプラズマ生成空間を区画する第２規制部材が取り付け可能となるように構成されており、
前記第２規制部材は、前記側壁に沿って前記軸方向に延在して設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項５】
前記取り付けされる規制部材は、前記イオン引出開口から引き出されるべきイオン種に応じて選択されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項６】
前記取り付けされる規制部材は、前記イオン引出開口から引き出されるべきイオンの価数に応じて選択されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロ波イオン源。
【請求項７】
プラズマ室内にマイクロ波を軸方向に導入するためのマイクロ波導入窓が設けられる入口端と、前記マイクロ波導入窓と前記軸方向に対向する位置に設けられるイオン引出開口を有する出口端と、前記入口端および前記出口端を接続する側壁と、を含むプラズマ室を備えるマイクロ波イオン源を用いたイオン生成方法であって、
前記プラズマ室内の容積を規制して、前記イオン引出開口と連通するプラズマ生成空間を区画するための規制部材を複数用意することと、
前記イオン引出開口から引き出されるべきイオンの引出態様に応じて、複数用意される規制部材の中から一以上の規制部材を選択して前記プラズマ室内に取り付けることと、
選択した規制部材が取り付けられる前記プラズマ室を用いてイオンを生成することと、を備え、
前記プラズマ室は、取り付けされる規制部材に応じて前記プラズマ生成空間の容積が異なりうるように構成されることを特徴とするイオン生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波イオン源およびイオン生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波をプラズマ生成に用いるイオン源が知られている。真空のプラズマ室にマイクロ波が導入され磁場が印加される。プラズマ室に供給された原料ガスがマイクロ波および磁場によって励起され、プラズマが生成される。プラズマからイオンが引き出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２５７３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
プラズマ室内では、価数の異なるイオンが生成され、原料ガスの種類によっては分子構造の異なるイオンが生成されうる。例えば、原料ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ３）を用いる場合、Ｂ＋、Ｂ２＋、ＢＦ２＋などのイオンが生成されうる。プラズマ室からは、使用目的に合った価数、種類のイオンが引き出されることが望ましい。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、プラズマ室から引き出されるイオンの引出態様を制御する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様のマイクロ波イオン源は、プラズマ室内にマイクロ波を軸方向に導入するためのマイクロ波導入窓が設けられる入口端と、マイクロ波導入窓と軸方向に対向する位置に設けられるイオン引出開口を有する出口端と、入口端および出口端を接続する側壁と、を含むプラズマ室と、プラズマ室内の容積を規制して、イオン引出開口と連通するプラズマ生成空間を区画する規制部材と、を備える。プラズマ室は、イオン引出開口から引き出されるべきイオンの引出態様に応じて複数用意される規制部材の中から選択される一以上の規制部材がプラズマ室内に取り付け可能となるように構成され、取り付けられる規制部材に応じてプラズマ生成空間の容積が異なりうるように構成される。
【０００７】
本発明の別の態様は、イオン生成方法である。この方法は、プラズマ室内にマイクロ波を軸方向に導入するためのマイクロ波導入窓が設けられる入口端と、マイクロ波導入窓と軸方向に対向する位置に設けられるイオン引出開口を有する出口端と、入口端および出口端を接続する側壁と、を含むプラズマ室を備えるマイクロ波イオン源を用いたイオン生成方法であって、プラズマ室内の容積を規制して、イオン引出開口と連通するプラズマ生成空間を区画するための規制部材を複数用意することと、イオン引出開口から引き出されるべきイオンの引出態様に応じて、複数用意される規制部材の中から一以上の規制部材を選択してプラズマ室内に取り付けることと、選択した規制部材が取り付けられるプラズマ室を用いてイオンを生成することと、を備える。プラズマ室は、取り付けされる規制部材に応じてプラズマ生成空間の容積が異なりうるように構成される。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、プラズマ室から引き出されるイオンの引出態様を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係るマイクロ波イオン源を概略的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は、ブロック部材の構造を模式的に示す正面図であり、図２（ｂ）は、ブロック保護部材の構造を模式的に示す正面図である。
【図３】金属配管の構造を模式的に示す外観図である。
【図４】プラズマ室に第２規制部材および金属配管を取り付ける様子を示す図である。
【図５】プラズマ室に第１規制部材を取り付ける様子を示す図である。
【図６】実施の形態に係るイオン生成方法を示すフローチャートである。
【図７】変形例１に係るマイクロ波イオン源を概略的に示す断面図である。
【図８】変形例２に係るマイクロ波イオン源を概略的に示す断面図である。
【図９】変形例３に係るマイクロ波イオン源を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００１２】
実施の形態を説明する前に、本発明の概要を述べる。本実施の形態に係るマイクロ波イオン源は、マイクロ波導入窓が設けられる入口端と、イオン引出開口を有する出口端と、入口端および出口端を接続する側壁と、を含むプラズマ室と、プラズマ室内の容積を規制して、イオン引出開口と連通するプラズマ生成空間を区画する規制部材と、を備える。プラズマ室の内部にはマイクロ波が導入されるとともに、外部から磁場が印加される。プラズマ室内に導入される原料ガスは、マイクロ波および磁場により励起されてプラズマを形成する。形成されたプラズマからイオン引出開口を通じてイオンが引き出される。
【００１３】
プラズマ室内に形成されるプラズマは、磁場強度が場所によって依存することやプラズマ生成空間の形状に応じて、プラズマに含まれるイオンのイオン種、価数、密度などが場所によって異なりうる。例えば、原料ガスとして三フッ化ホウ素（ＢＦ３）を用いる場合、Ｂ＋、Ｂ２＋、ＢＦ２＋などのイオンが生成されるが、これらのイオンはプラズマ生成空間中に均一に分布しているわけではなく、場所によって生成される密度が異なりうる。
【００１４】
プラズマ室からは、イオン引出開口の近くに位置するイオンが引き出されるため、イオンの引出態様を制御するには、イオン引出開口付近に生成されるプラズマの状態を制御すればよい。しかしながら、プラズマの状態を制御するために、マイクロ波や印加磁場の強度分布を任意に制御することは難しいかもしれないし、プラズマ生成空間の形状を変えるために複数のプラズマ室を用意すればコスト増大につながるかもしれない。そこで、本発明者は、プラズマ室内に規制部材を設け、設ける規制部材の数や種類によってプラズマ生成空間の容積や形状を調整し、プラズマの状態を制御する方法を見出した。
【００１５】
本実施の形態では、イオン引出開口から引き出されるべきイオンの引出態様に応じて複数用意される規制部材の中から選択される一以上の規制部材がプラズマ室内に取り付け可能となるように構成される。またプラズマ室は、取り付けられる規制部材に応じてプラズマ生成空間の容積が異なりうるように構成される。この構成によれば、規制部材を交換することによって、プラズマ生成空間のうちイオン引出開口の近くに生成されるイオンのイオン種、価数、密度を変化させることができる。これにより、引き出されるイオンの引出態様を制御し、イオン源から目的とするイオンを引き出せるようにする。
【００１６】
図１は、実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０を概略的に示す断面図である。
【００１７】
マイクロ波イオン源１０は、マイクロ波によって原料ガスのプラズマをプラズマ室１１に生成し、そのプラズマからプラズマ室１１の外部へイオンを引き出すように構成されている。マイクロ波イオン源１０は、例えばイオン注入装置又は粒子線治療装置のためのイオン源に使用される。プラズマ室１１は、プラズマが生成される空間であるプラズマ生成空間１２を囲む容器である。
【００１８】
プラズマ室１１は、両端をもち直線的に延在する筒状の形状を有する。プラズマ室１１の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を囲む方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマ室１１が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味しない。図示の例ではプラズマ室１１は円筒形状を有するが、プラズマ室１１は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状であってもよい。また、プラズマ室１１の軸方向長さは、プラズマ室１１の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。
【００１９】
プラズマ室１１は、入口端１３、出口端１４、及び側壁１５を備える。入口端１３にはマイクロ波導波管５０が接続されている。入口端１３とマイクロ波導波管５０との間には、マイクロ波導波管５０からプラズマ室の内部を仕切るようにマイクロ波導入窓１６が設けられている。本明細書において、入口端１３、出口端１４、側壁１５およびマイクロ波導入窓１６で囲まれる範囲を「プラズマ室の内部」または「プラズマ室内」ともいう。
【００２０】
出口端１４には、イオン引出開口１７が形成されている。出口端１４においてプラズマ室１１は、イオン引出開口１７を除き、塞がれている。イオン引出開口１７は、例えば、長手方向（図において紙面に直交する方向）に細長いスリット形状を有する。
【００２１】
側壁１５は、入口端１３と出口端１４とを接続する筒状の部材である。側壁１５は、プラズマ室内を囲むように軸方向に延在し、プラズマ室内を区画する内表面を有する。入口端１３、出口端１４、及び側壁１５は、例えばステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性金属材料で形成されている。
【００２２】
マイクロ波導波管５０は、マイクロ波源（図示せず）から発信されるマイクロ波をプラズマ室内に伝達するようマイクロ波源をプラズマ室１１につなぐ。プラズマ室１１の入口端１３に進入するマイクロ波の伝搬方向を矢印Ｐで図示する。マイクロ波の伝搬方向Ｐは図示されるように、プラズマ室１１の軸方向に一致し、マイクロ波導入窓１６に垂直である。
【００２３】
マイクロ波導入窓１６は、マイクロ波導波管５０からプラズマ室内にマイクロ波を受け入れるための真空窓である。マイクロ波を透過させるために、マイクロ波導入窓１６は誘電体で形成されている。マイクロ波導入窓１６は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のプレートで構成される。
【００２４】
マイクロ波導入窓１６はその上流側の表面がマイクロ波導波管５０に向けられ、下流側の表面が第１規制部材４１に隣接する。このように、プラズマ室１１において軸方向に関してマイクロ波導波管５０に近い側を上流側と呼び、イオン引出開口１７に近い側を下流側と呼ぶことがある。
【００２５】
プラズマ室１１の内部には、第１規制部材４１と第２規制部材４２が設けられる。第１規制部材４１および第２規制部材４２は、プラズマ室内の容積を規制して、イオン引出開口１７と連通するプラズマ生成空間１２を区画する規制部材である。第１規制部材４１は、プラズマ室内の軸方向の長さＬを規制して、プラズマ生成空間１２の軸方向の長さＬＡをプラズマ室内よりも短くする。第２規制部材４２は、プラズマ室内の径方向の幅Ｗを規制して、プラズマ生成空間１２の径方向の幅ＷＡをプラズマ室内よりも短くする。規制部材は、このようにしてプラズマ生成空間１２の容積を調整し、プラズマ室内の容積よりもプラズマ生成空間１２の容積を小さくする。
【００２６】
第１規制部材４１は、プラズマ室１１のマイクロ波導入窓１６側を占める中実の部材であり、軸方向に延在する柱状部材である。第１規制部材４１は、マイクロ波導入窓１６と同様にマイクロ波を透過させる誘電体材料で構成される。第１規制部材４１は、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などのプレートで構成される。第１規制部材４１は、プラズマ室１１の外からイオン引出開口１７を通じてプラズマ室１１に逆流する電子からマイクロ波導入窓１６を保護する役割を有してもよい。
【００２７】
本実施の形態において、第１規制部材４１は、ブロック部材４４とブロック保護部材４６とを備える二層構造を有する。ブロック保護部材４６は、プラズマ生成空間１２に面する第１規制部材４１の内層であり、ブロック部材４４は、マイクロ波導入窓１６に隣接する第１規制部材４１の外層である。ブロック部材４４の軸方向の長さＬＢ１は、ブロック保護部材４６の軸方向の長さＬＢ２と比較して相対的に長く、プラズマ室内の軸方向の長さを実質的に規制する機能を有する。ブロック保護部材４６は、プラズマ生成空間１２において生成されるプラズマからブロック部材４４を保護する機能を有する。ブロック部材４４およびブロック保護部材４６の二層構造により、プラズマ生成空間１２の軸方向の長さＬＡは、ＬＡ＝Ｌ−（ＬＢ１＋ＬＢ２）の長さに規制される。
【００２８】
図２（ａ）は、ブロック部材４４の構造を模式的に示す正面図であり、図２（ｂ）は、ブロック保護部材４６の構造を模式的に示す正面図である。本実施の形態において、ブロック部材４４およびブロック保護部材４６は、プラズマ室１１の形状に対応して円筒形状を有する。図示されるように、ブロック部材４４およびブロック保護部材４６の側面には、金属配管３６（図１参照）を配設するための側面溝４８が設けられる。また、ブロック保護部材４６の表面には、ガス出口３４（図１参照）を形成する端面溝４９が設けられる。
【００２９】
図１に戻り、第２規制部材４２は、プラズマ室内において側壁１５の内表面に沿って設けられる部材であり、軸方向に延在する中空の筒状部材である。第２規制部材４２は、プラズマ室１１の径方向の幅Ｗと同じ幅の外側面を有し、径方向に厚さＷＢを有する。これにより、第２規制部材４２は、プラズマ生成空間１２の径方向の幅ＷＡが、ＷＡ＝Ｗ−２ＷＢとなるようにプラズマ室内を規制する。第２規制部材４２の軸方向の長さは、プラズマ生成空間１２の軸方向の長さＬＡと同じである。本実施の形態において、第２規制部材４２の軸方向の長さＬＡは、第１規制部材４１の軸方向の長さＬＢ１＋ＬＢ２との合計値がプラズマ室内の軸方向の長さＬと一致するように調整される。
【００３０】
第２規制部材４２は、プラズマの汚染を軽減または防止して側壁１５を保護する内壁部材としての機能を有してもよい。第２規制部材４２は、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの誘電体材料で構成されてもよい。なお第２規制部材４２は、ステンレスやアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などの非磁性金属材料で構成されてもよい。また、プラズマ生成空間１２に面する第２規制部材４２の内側面には、プラズマの汚染を軽減または防止する耐腐食性の保護膜が設けられてもよい。
【００３１】
本実施の形態において、第１規制部材４１および第２規制部材４２は複数用意され、その中から選択されるものがプラズマ室内に取り付けられる。複数用意される第１規制部材４１は、例えば、径方向の幅がプラズマ室内と同じ幅Ｗであり、軸方向の長さＬＢ（ＬＢ１，ＬＢ２）がそれぞれ異なる。また、複数用意される第２規制部材４２は、径方向の厚さＷＢおよび軸方向の長さＬＡがそれぞれ異なる。またプラズマ室１１は、選択された第１規制部材４１および第２規制部材４２が取り付け可能となるように構成されている。第１規制部材４１および第２規制部材の組み合わせを選択し、選択した規制部材をプラズマ室１１に取り付けることにより、プラズマ生成空間１２の容積や、軸方向の長さＬＡ、径方向の幅ＷＡが調整される。
【００３２】
プラズマ室１１の入口端１３は、図示されるように、プラズマ室１１をマイクロ波導波管５０に取り付けるための取付フランジ２１を備える。取付フランジ２１は入口端１３において側壁１５の外表面よりも径方向外側に突き出して形成された部分である。マイクロ波導波管５０の末端にはこの取付フランジ２１に対応する相手側のフランジ５１が設けられており、これら２つのフランジ２１、５１はボルトなどの適切な締結手段によって取り付けられるよう構成されている。図示されるようにそれぞれのフランジ２１、５１の合わせ面にはマイクロ波導入窓１６の外周部に適合する凹部が形成されており、プラズマ室１１の入口端１３とマイクロ波導波管５０とにマイクロ波導入窓１６が挟持される。
【００３３】
マイクロ波イオン源１０は、プラズマの原料ガスをプラズマ室内に供給するためのガス供給系２８を備える。ガス供給系２８は、生成すべきイオン種に応じて適切な原料ガスをプラズマ室内に供給する。原料ガスとして、例えば、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、アルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）などを用いる。ガス供給系２８は、原料ガスとしてヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）などの希ガスをプラズマ生成空間１２に供給してもよい。
【００３４】
ガス供給系２８は、プラズマ室１１に埋設されているガス通路３０を備える。ガス通路３０は、マイクロ波導波管５０側に設けられるガス入口３３と、プラズマ室内の入口端１３側に設けられるガス導入口３５と、ガス導入口３５よりも出口端１４に近い位置に設けられるガス出口３４と、を備える。ガス通路３０は、ガス入口３３からガス導入口３５までをつなぐ第１ガス通路３１と、ガス導入口３５からガス出口３４までをつなぐ第２ガス通路３２により構成される。
【００３５】
ガス入口３３は、ガス通路３０をガス供給管２９に接続する。ガス供給管２９は、マイクロ波導波管５０の外側を軸方向に沿って延びており、図示しないガス源をガス入口３３に接続する。ガス入口３３は、入口端１３の取付フランジ２１及びマイクロ波導波管５０のフランジ５１に形成されている。ガス入口３３から延びる第１ガス通路３１は、マイクロ波導波管５０のフランジ５１を貫通して入口端１３及び側壁１５へと延びている。第１ガス通路３１は、取付フランジ２１においてマイクロ波導入窓１６の外側を通る。
【００３６】
第２ガス通路３２は、側壁１５の内表面に沿って第１規制部材４１の外周部に埋設されている。第１規制部材４１の外周部には、第２ガス通路３２を形成する金属配管３６を配設するための側面溝４８が設けられる。第２ガス通路３２を形成する金属配管３６は、非磁性金属材料で構成され、第２ガス通路３２の内部をマイクロ波から遮蔽する。
【００３７】
図３は、金属配管３６の構造を模式的に示す外観図である。金属配管３６は、軸方向に延びる延在部３７と、延在部３７からＬ字状に曲げて構成される接続部３８とを有する。金属配管３６は、ガス導入口３５に接続部３８が挿入されることにより第１ガス通路３１と連通する。延在部３７は、第２ガス通路３２の内部をマイクロ波から遮断できるように、ガス出口３４の位置まで軸方向に延びる。
【００３８】
本実施の形態では、延在部３７の軸方向の長さＬＰがそれぞれ異なる複数の金属配管３６が用意され、第１規制部材４１の軸方向の長さに対応した金属配管３６が選択されて取り付けられる。複数用意される金属配管３６のそれぞれは、例えば、複数用意される第１規制部材４１の軸方向の長さに対応した長さを有する。これにより、プラズマ室１１に取り付けられる第１規制部材４１の軸方向の長さに対応した金属配管３６を配設し、第２ガス通路３２の内部をマイクロ波から好適に遮断できる。
【００３９】
図１に戻り、ガス出口３４は、ガス通路３０をプラズマ室内に接続する。本実施の形態において、ガス出口３４は、第１規制部材４１の出口端１４側の端面に設けられており、第１規制部材４１の端面の一部を除去して形成される端面溝４９により構成される。端面溝４９は、径方向に厚さＷＢを有する第２規制部材４２によりガス出口３４が塞がれないように、側面溝４８が設けられる第１規制部材４１の側面から中心に向かって径方向に延びている。
【００４０】
したがって、原料ガスは、ガス供給管２９からガス入口３３、第１ガス通路３１、ガス導入口３５、第２ガス通路３２である金属配管３６、ガス出口３４を通じて、プラズマ生成空間１２に供給される。
【００４１】
マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室１１を冷却するための冷却装置、例えば冷却ジャケット２２を備える。冷却ジャケット２２は、冷媒（例えば冷却水）によりプラズマ室内をそれらの外側から冷却するように配設されている。冷却ジャケット２２は、冷媒流路２３と、冷媒流路２３に冷媒を供給するための冷媒入口（図示せず）と、冷媒流路２３から冷媒を排出するための冷媒出口（図示せず）と、を備える。冷媒入口および冷媒出口は、例えば、ガス供給系２８のガス入口３３と同様に、フランジ５１に設けられる。冷媒流路２３に供給される冷媒の温度は例えば室温またはそれより低温である。なお冷却ジャケット２２は、側壁１５の内側（または外側）に隣接して設けられていてもよい。
【００４２】
冷媒流路２３は、プラズマ室１１の軸方向長さにわたって側壁１５の内部に形成されている。また冷媒流路２３は、プラズマ室１１を周方向に囲むように側壁１５に形成されている。そのため、プラズマ室１１の側壁１５は内壁２６と外壁２７とを有する二重管構造を有し、内壁２６と外壁２７との間の空間が冷媒で満たされる。冷媒流路２３は、側壁１５に形成され、プラズマ室内を（例えばらせん状または蛇行状に）取り巻く管路であってもよい。
【００４３】
また、マイクロ波イオン源１０は、プラズマ室内の中心軸に沿う磁場を発生させるために、例えばコイルなどの磁場発生器（図示せず）をプラズマ室１１の外側に備えてもよい。マイクロ波を原料ガスに効率的に吸収させるために、電子サイクロトロン共鳴条件の磁場又はそれよりも強い軸方向の磁場がプラズマ室内に印加される。こうしてマイクロ波が導入されるプラズマ生成空間１２に高密度プラズマが生成されてもよい。
【００４４】
イオン引出開口１７の外側には、イオンをプラズマ室１１の外に引き出すための引出電極系（図示せず）が設けられている。引出電極系はイオンを被照射物に運ぶためのいわゆるビームラインの最上流部にあたる。このビームラインもプラズマ室内と同様に真空排気系（図示せず）によって真空に保持される。
【００４５】
つづいて、プラズマ生成空間１２の容積調整方法について説明する。まず、イオンの引出態様に応じて必要とするプラズマ生成空間１２の容積、軸方向長さ、径方向幅が決められ、それらを実現する第１規制部材４１、第２規制部材４２および金属配管３６が選択される。例えば、プラズマ室１１から引き出したいイオンのイオン種および価数と、第１規制部材４１、第２規制部材４２および金属配管３６の組み合わせが記載された対応表をあらかじめ用意しており、その対応表を参照して必要となる部材が選択されてもよい。
【００４６】
図４は、プラズマ室１１に第２規制部材４２および金属配管３６を取り付ける様子を示す図である。まず、筒形状を有する第２規制部材４２プラズマ室１１の内部に挿入し、プラズマ室内の出口端１４側に配置する。次に、金属配管３６の延在部３７をガス導入口３５に挿入して金属配管３６を側壁１５に沿って配置する。
【００４７】
図５は、プラズマ室１１に第１規制部材４１を取り付ける様子を示す図であり、第１規制部材４１としてブロック部材４４およびブロック保護部材４６を取り付ける様子を示す。出口端１４側から入口端１３側に向かって、第２規制部材４２、ブロック保護部材４６、ブロック部材４４の順に規制部材が配置されるように、ブロック保護部材４６およびブロック部材４４がプラズマ室１１の内部に挿入される。挿入時に金属配管３６と干渉しないように、金属配管３６の位置とブロック部材４４およびブロック保護部材４６の側面溝４８の位置を一致させる。また、ガス出口が適切に形成されよう、ブロック保護部材４６の端面溝４９が出口端１４側を向くようにする。
【００４８】
第１規制部材４１を取り付けた後、ブロック部材４４に隣接してマイクロ波導入窓１６を配置し、マイクロ波導入窓１６を挟み込むようにしてマイクロ波導波管５０を入口端１３に接続する。これにより、図１に示すようにプラズマ生成空間１２の容積が調整されたプラズマ室１１ができあがる。
【００４９】
つづいて、本実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０の動作を説明する。プラズマ生成空間１２にガス通路３０を通じてプラズマの原料ガスが供給される。磁場発生器により上述の軸方向磁場がプラズマ生成空間１２に印加される。マイクロ波がマイクロ波導入窓１６を通じてプラズマ生成空間１２に導入される。マイクロ波と軸方向磁場との作用によって原料ガスが励起され、プラズマ生成空間１２にプラズマが生成される。イオン引出開口１７を通じてプラズマ生成空間１２の外へとイオンが引き出される。
【００５０】
図６は、実施の形態に係るイオン生成方法の流れを示すフローチャートである。プラズマ生成空間１２の容積を調整するための規制部材を複数用意し（Ｓ１０）、イオンの引出態様に応じて、複数用意される規制部材の中から必要とする容積を実現する規制部材を選択する（Ｓ１２）。選択した規制部材をプラズマ室１１に取り付けし（Ｓ１４）、規制部材が取り付けられたプラズマ室１１を用いてプラズマを生成してイオンを引き出す（Ｓ１６）。
【００５１】
本実施の形態に係るマイクロ波イオン源１０によれば、イオンの引出態様に応じて規制部材を選択してプラズマ室１１に取り付けることができ、イオンの引出態様に合った容積や形状を有するプラズマ生成空間１２を区画できる。本実施の形態によれば、プラズマ生成空間１２の容積や形状を調整するために複数のプラズマ室１１を用意する必要がなく、一つのプラズマ室１１を兼用できるため、コストの増大を抑えるとともにマイクロ波イオン源１０の汎用性を高めることができる。
【００５２】
また、本実施の形態によれば、目的とするイオンのイオン種や価数に応じて、適切な規制部材の組み合わせがあらかじめ用意されるため、ユーザは、規制部材を選択して取り付けるだけで必要とするイオンを取り出すことができる。
【００５３】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。
【００５４】
図７は、変形例１に係るマイクロ波イオン源１０を概略的に示す断面図である。上述の実施の形態では、規制部材として第１規制部材４１と第２規制部材４２を組み合わせるとともに、二つの第１規制部材４１（ブロック部材４４およびブロック保護部材４６）を用いる場合を示した。本変形例では、規制部材として第１規制部材４１のみを用いており、軸方向の長さのみがＬからＬＡに規制され、径方向の幅Ｗは規制されていない。イオンの引出態様によっては、このように第１規制部材４１のみが取り付けられてもよい。なお、取り付けられる第１規制部材４１は一つだけでもよいし、複数の第１規制部材４１を設けてもよい。第１規制部材４１を軸方向に複数並べることで、規制される軸方向の長さＬＢを調整してもよい。
【００５５】
本変形例において、金属配管３６は、ガス導入口３５から第１規制部材４１の端面の位置まで延びてもよいし、図示するように、第１規制部材４１の端面の位置を超えて出口端１４に向けて延びることとしてもよい。第１規制部材４１が設けられる軸方向の区間において金属配管３６が設けられていれば、第１規制部材４１の側面溝４８におけるプラズマ生成を抑制できるためである。また、軸方向に長い金属配管３６を設けることで、ガスの導入位置を調整してもよい。
【００５６】
図８は、変形例２に係るマイクロ波イオン源１０を概略的に示す断面図である。本変形例では、規制部材として第２規制部材４２のみを用いており、径方向の幅のみがＷからＷＡに規制され、軸方向の長さＬは規制されていない。イオンの引出態様によっては、このように第２規制部材４２のみが取り付けられてもよい。なお、図示するように、第２規制部材４２がガス導入口３５の位置にかかるように配置される場合には、第２規制部材４２にガス導入口３５と連通する貫通孔３９が設けられてもよい。これにより、プラズマ生成空間１２へのガス供給を可能とする。取り付けられる第２規制部材４２は一つだけでもよいし、複数の第２規制部材４２を設けてもよい。例えば、第２規制部材４２を軸方向に複数並べることでプラズマ室１１の軸方向の全体にわたって径方向の幅を規制してもよいし、径方向の幅が異なる複数の第２規制部材４２を同軸に配置して径方向の幅を規制してもよい。
【００５７】
図９は、変形例３に係るマイクロ波イオン源１０を概略的に示す断面図である。本変形例では、上述の第１規制部材４１と第２規制部材４２を組み合わせた形状に対応しうる第３規制部材４３が取り付けられる。第３規制部材４３は、プラズマ生成空間１２の軸方向の長さをＬＡに規制するとともに、径方向の幅をＷＡに規制する。第３規制部材４３は、金属配管３６を配設するための側面溝４８を有するとともに、ガス出口３４を形成する端面溝４９を有してもよい。第３規制部材４３は、軸方向に長い形状を有しているため、ガス出口３４は、出口端１４の近傍に設けられてもよい。また、第３規制部材４３は、マイクロ波を透過する誘電体材料で構成されてもよい。なお、第３規制部材４３の形状は例示であり、プラズマ生成空間１２の容積および形状を規定するために、任意の形状を取ることとしてもよい。
【００５８】
上述の実施の形態では、種類の異なる第１規制部材４１および第２規制部材４２をそれぞれ複数用意し、複数用意される第１規制部材４１および第２規制部材４２の中から一以上の規制部材を選択することでプラズマ生成空間１２の容積および形状を調整する場合を示した。他の実施の形態においては、第１規制部材４１のみを複数用意し、複数の第１規制部材４１の中から取り付けるべき規制部材を選択することとしてもよい。同様に、第２規制部材４２のみを複数用意し、複数の第２規制部材４２の中から取り付けるべき規制部材を選択してもよい。また、図９に示したような第３規制部材４３を複数用意することとしてもよいし、種類の異なる規制部材として、第１規制部材４１、第２規制部材４２および第３規制部材４３をそれぞれ複数用意してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０…マイクロ波イオン源、１１…プラズマ室、１２…プラズマ生成空間、１３…入口端、１４…出口端、１５…側壁、１６…マイクロ波導入窓、１７…イオン引出開口、３５…ガス導入口、３６…金属配管、４１…第１規制部材、４２…第２規制部材。
【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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