(57)【要約】【課題】  本発明はイオンビーム源装置において、引き出されたイオンによって空間電荷が形成され、引き出し電流密度が大きくなると、それに比例した大きな電場が発生し、その結果イオンビームが自己発散するような問題点を除去することを課題とする。【解決手段】  メッシュ構造、あるいは１個ないし多数の孔を持った電極を用いて、プラズマ源からイオンを引き出すイオンビーム源装置において、プラズマ源とは反対のビーム引き出し方向から、光、あるいはＸ線を照射することにより、照射された電極背面から光電子を放出させて、電極孔から引き出されたイオンの空間電荷を中和して、イオンビームの発散を抑制することを特徴とするイオンビーム源装置である。【選択図】  図１
2008052909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メッシュ構造、あるいは１個ないし多数の孔を持った電極を用いて、プラズマ源からイオンを引き出すイオンビーム源装置において、プラズマ源とは反対のビーム引き出し方向から、光、あるいはＸ線を電極背面に照射することにより、照射された電極背面から光電子を放出させて、電極孔から引き出されたイオンの空間電荷を中和して、イオンビームの発散を抑制することを特徴とするイオンビーム源装置。
【請求項２】
光、あるいはＸ線の強度を変えて発生する光電子の量を調整し、電荷の中和の程度を制御することにより、空間電荷による電場の大きさを変化させ、イオンの引き出しエネルギー、及び引き出し電流の大きさを可変とすることを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム源装置。
【請求項３】
上記電極背面に量子効率が高く光電子放出係数の大きな材料を使用するか、上記電極背面の表面に量子効率が高く光電子放出係数の大きな材料をコーティングすることにより、効率的な光電子放出を可能にすることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンビーム源装置。
【請求項４】
上記電極背面以外の面で光電子を放出する必要のない面に対しては、量子効率が低く光電子放出係数の小さい材料を使用するか、量子効率が低く光電子放出係数の小さい材料を表面にコーティングすることにより、無用な光電子の放出を極小化することを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンビーム源装置。
【請求項５】
光電子の放出係数の波長依存性が材料により異なることを利用して、特定の波長の光を選択することにより、その光に対して、光電子放出が必要な面には放出係数の高い値を持つ材料を、光電子放出が不必要な面には放出係数ができるだけゼロに近い材料を使用するか、光電子放出が不必要な面の表面に放出係数ができるだけゼロに近い材料をコーティングすることにより、効率的な光電子の放出と不必要な光電子の放出の抑制を同時に実現することを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンビーム源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全てのイオンビーム、あるいは中性粒子ビーム発生装置、特に、おおよそ1000 eV以下の低エネルギーでしかも電流密度の高いビーム発生装置を使用するイオンドーピング、材料表面改質、材料合成などの分野において使用されるイオンビーム源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオンと電子が共存してほぼ電気的な中性が保たれているプラズマ源から、メッシュ構造、あるいは１個ないし多数の孔を持った電極を用いて、電場によりイオンだけを引き出すイオンビーム源装置においては、引き出されたイオンによって空間電荷が形成され、引き出し電流密度が大きくなると、それに比例した大きな電場が発生し、その結果イオンビームが自己発散する。ビームのエネルギーが大きくビーム引き出し方向の速度が大きい場合には、発散の影響は小さいが、低エネルギーのビームを引き出す場合には、発散の影響が大きくなり、電極から少し離れただけで電流密度の高い集束性の良いビームを得ることができなくなる。
【０００３】
この発散を抑えるため、これまで、（１）電極の近くにタングステン線等を用いたフィラメントを設け、フィラメントを通電加熱して、その結果放出される熱電子によりイオンの電荷を中和する方法（特許文献１、２参照）、（２）電極から少し離れたところに電子銃を設け、電子銃から放出される電子ビームをイオンビームに打ち込んで電荷を中和する方法（特許文献３参照）、が考案されている。
【０００４】
しかし、上記の（１）の手法では、電極への過度の入熱を避けるため、電極と熱電子発生用のフィラメントの間にはある程度の距離が必要であり、イオンビームのエネルギーが低くなると、その間でのイオンビームの発散が無視できない大きさとなること、電極から引き出されたイオンビームの一部がフィラメントに衝突することを避けることができないため、最終的に取り出せるイオンビーム電流が低減すること、イオンビームによりフィラメントが損傷してフィラメントの寿命が短縮すること及びフィラメント材料によるイオンビームの汚染を招くこと、などの問題点がある。さらに、フィラメント周辺への熱放射による電極や容器壁その他の温度上昇を招くこと、フィラメントの加熱には大きな電力が必要であり運転経費の増大を招くおそれがあること等も大きな問題となる。
【０００５】
また、（２）の手法では、一般に電子ビームの速度がイオンビームの速度に比べて二桁程度も速いこと、電子ビームの入射方向をイオンビームの引き出し方向と一致させることができないこと、電子ビームの密度分布とイオンビームの密度分布を一致させることが困難であることから、イオンビームの引き出しからターゲットへの照射の全行程において電荷を完全に中和することが難しく、行程のかなりの部分でビームの発散を抑えきることができないという問題点がある。
【０００６】
さらに、イオン電荷の中和に用いた電子ビームがイオンや電極面で散乱されて熱電子が形成されるが、熱電子のエネルギーは入射した電子ビームのエネルギー（通常は100 eV程度）に近い値を持つため、プラズマプロセス装置などで要請される、低電子温度（10 eV程度以下）条件下でのイオンビーム照射の実現の大きな妨げとなるという問題も発生する。
【特許文献１】特許第３０７６８４３号明細書
【特許文献２】特開平９−１１５８５０号公報
【特許文献３】特開平７−２７３０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はイオンと電子が共存してほぼ電気的な中性が保たれているプラズマ源から、メッシュ構造、あるいは１個ないし多数の孔を持った電極を用いて、電場によりイオンだけを引き出すイオンビーム源装置において、引き出されたイオンによって空間電荷が形成され、引き出し電流密度が大きくなると、それに比例した大きな電場が発生し、その結果イオンビームが自己発散するような問題点を除去することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は次のような手段により解決される。
（１）メッシュ構造、あるいは１個ないし多数の孔を持った電極を用いて、プラズマ源からイオンを引き出すイオンビーム源装置において、プラズマ源とは反対のビーム引き出し方向から、光、あるいはＸ線を電極背面に照射することにより、照射された電極背面から光電子を放出させて、電極孔から引き出されたイオンの空間電荷を中和して、イオンビームの発散を抑制することを特徴とするイオンビーム源装置。
（２）光、あるいはＸ線の強度を変えて発生する光電子の量を調整し、電荷の中和の程度を制御することにより、空間電荷による電場の大きさを変化させ、イオンの引き出しエネルギー、及び引き出し電流の大きさを可変とすることを特徴とする（１）のイオンビーム源装置。
（３）上記電極背面に量子効率が高く光電子放出係数の大きな材料を使用するか、上記電極背面の表面に量子効率が高く光電子放出係数の大きな材料をコーティングすることにより、効率的な光電子放出を可能にすることを特徴とする（１）又は（２）のイオンビーム源装置。
（４）上記電極背面以外の面で光電子を放出する必要のない面に対しては、量子効率が低く光電子放出係数の小さい材料を使用するか、量子効率が低く光電子放出係数の小さい材料を表面にコーティングすることにより、無用な光電子の放出を極小化することを特徴とする（１）又は（２）のイオンビーム源装置。
（５）光電子の放出係数の波長依存性が材料により異なることを利用して、特定の波長の光を選択することにより、その光に対して、光電子放出が必要な面には放出係数の高い値を持つ材料を、光電子放出が不必要な面には放出係数ができるだけゼロに近い材料を使用するか、光電子放出が不必要な面の表面に放出係数ができるだけゼロに近い材料をコーティングすることにより、効率的な光電子の放出と不必要な光電子の放出の抑制を同時に実現することを特徴とする（１）又は（２）のイオンビーム源装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の効果をあげれば次のとおりである。
（１）本発明により、イオンビームの電荷の中和を、光の照射という簡単な手法で実現することが可能となる。
（２）イオンビームの空間電荷の中和をイオンビーム発生・引き出し後即座に、しかもビームの全行程の間で行なうことが可能となり、空間電荷によるイオンビームの発散を、効率的、しかも容易に抑えることが可能となる。
（３）フィラメントその他の不純物の発生源となる装置を必要としないので、純度の高いビームの発生が可能となる。
（４）フィラメントを用いないので、フィラメントの加熱による周辺機器の温度上昇を考える必要が無く、安定な動作を行うことが可能となる。
（５）フィラメントや電子銃等の消耗部品を用いないで、イオン電荷の中和ができるので、装置の保守・管理が容易となる。
（６）上記の結果、これまで難しかった、100eV以下の低エネルギー領域で、高い電流密度を持った純度の高いイオンビームの発生が可能となる。
（７）純度の高い高電流密度低エネルギーイオンビームの利用により、これまで高いビームエネルギーのため行うことのできなかった、様々な材料の合成、表面改質が可能となる。
（８）電子ビームを用いないので、電子温度を低くすることが可能となる。これにより、電子温度を低く保つ必要のあるイオンビーム照射装置（例えば、プラズマプロセス装置など）への応用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の原理は次のとおりである。
本発明では、イオンビーム源装置の、イオンビームを引き出すための電極の、引き出されたビームが伝送されてターゲットに照射される側を向いた面（以下、この面を「電極背面」と呼ぶ）に、光、あるいはＸ線を照射することにより、電極背面から光電効果による光電子を放出させ、この光電子により引き出されたイオンビームの空間電荷を中和することをその原理とする。
電極自体を光電子放出量の大きな材料で構成するか、あるいは、何らかの理由で電極材料として光電子放出量が大きいものを使用することができない場合には、電極背面に光電子放出量の大きな材料をコーティングすることにより、通常市販されている光源を用いた光の強度程度で、空間電荷の中和を行うことが可能である。
【００１１】
例えば、光電子倍増管の受光面に使用される材料の量子効率は、可視光から紫外光の範囲で通常２０〜３０％程度であるが、本発明の使用状態は光電子倍増管の様な理想的な使用環境からはずれることを考慮すると、上記の十分の一程度、おおよそ２％程度の量子効率を持つ材料をコーティングして使用することは可能であると考えられる。
【００１２】
例をとって計算すると、1mA/平方cmのイオンビーム電流密度は、6.24 x 1015 ion/平方cm/sのイオン束に対応しており、一方、1 W/平方cmの アルゴンレーザ (波長514.5 nm  →  2.41 eV/光子)は2.59 x 1018 光子/平方cm/sの光子束に対応している。量子効率を２％とすると、1 W/平方cmの アルゴンレーザの照射により、電極背面から上記の五十分の一の電子束が放出されることになる。従って、1mA/平方cmのイオンビームを中和するには、120mW/平方cmの照射量で可能である。垂直入射は難しいこと、その他の光の減衰等の影響を考えても、1mA/平方cmのイオンビームを中和するには、250mW/平方cm程度の光の照射量で十分可能であると評価できる。この値は市販のレーザ発信器を用いて容易に実現できる値である。
【００１３】
さらに、光電子発生の必要のない面に関しては、不要な光電子の発生が電極間の放電破壊の原因となる可能性がある等、装置の正常な運転の妨げとなる恐れがあるので、その場合には、量子効率が低く光電子放出係数の小さい材料のコーティングを行うことにより、無用な光電子の放出を極小化する。
【００１４】
一方、電極背面以外の面で光電子放出が必要な場合には、適切な光放出係数の材料を使用、もしくはコーティングすることにより、必要な量の光電子を発生させることも可能である。
【００１５】
上記の原理に基づく本発明を用いたイオンビーム源装置により、先に述べた従来の手法の問題点の解決を図ることができる。
まず、本発明では、イオン電荷を中和する光電子の放出はイオンビームが引き出される電極背面で行われるので、イオンの電荷はイオンが電極から引き出された直後に中和され、空間電荷の発生を即座に抑えることが可能である。また、フィラメントをイオンビーム中に挿入する必要がないので、イオンのフィラメントへの衝突によるビームの減衰、フィラメントの損傷、イオンビームの汚染は本質的にあり得ない。また、フィラメントによる放熱の問題も発生しない。さらに、放出された光電子の初速度は小さく、放出後はイオンの電荷に引かれて、イオンとともに運動するので、イオンビームの全行程でのイオン電荷の中和が可能である。これらのことから、光、あるいはＸ線を電極背面に照射するという簡単な手法で、高いビームの集束性を保つことが可能である。
【００１６】
本発明の実施の形態について以下図面を参照して詳細に説明する。
本発明の実施例を図１に示す。図１のイオンビーム源装置のプラズマ源容器内は、図示しない排気装置により真空排気されている。また図示しない永久磁石により容器周辺にカスプ磁場が加えられている場合もある。通常のイオンビーム源装置では、このプラズマ源容器内に、図示しないイオン供給装置によりイオンと電子から構成されるプラズマが供給される場合と、これも図示しないガス供給装置からガスが供給される場合の両者がある。これらのプラズマ、あるいはガスは、図示しない高周波供給装置から容器内に送り込まれる高周波電力、あるいは図示しないフィラメント電極とプラズマ源容器壁との間のアーク放電、もしくはその他の手法によるエネルギー供給により電離・加熱され、密度の高いプラズマとして、プラズマ源容器壁内に閉じ込められている。
【００１７】
ここに示したイオンビーム源装置の場合には、このプラズマから、図１に示す三枚のビーム引き出し電極（加速電極、減速電極、接地電極）によりイオンビームが引き出されるが、このままの状態ではこのイオンビームは、イオンの持つ電荷による自己電場の効果で自己発散してしまい、集束性の良いビームを得ることができない。
【００１８】
本願の発明では、一番外側の接地電極の背面に、図１に示すように、アルゴンレーザや水銀ランプなどの光、あるいはＸ線を照射して光電子を発生させ、この光電子による負電荷でイオンの正電荷をビーム引き出し直後に中和して電場の発生を抑え、ビームの発散をなくして集束性の良いビームを実現する。放出された光電子の初速度は大きくないので、イオンビームの正電荷による静電力により引っ張られ、ビームイオンに追随して運動するため、ターゲットに照射されるまでイオンビームの全行程において、一様な電荷の中和を行うことができる。
【００１９】
イオンビーム電流密度が高くなり、大量の光電子の発生が要請される場合には、上記電極背面に量子効率が高く光電子放出係数の大きな材料を使用するか、上記電極背面の表面に量子効率が高く光電子放出係数の大きな材料をコーティングすることにより、効率的な光電子の放出を行うことができる。特に、コーティングの厚みは光電子放出係数に影響を与えるので、最適な厚みを選択する。
また、光電子発生の必要のない面に関しては、不要な光電子の発生が電極間の放電破壊の原因となる可能性がある等、装置の正常な運転の妨げとなる恐れがあるので、必要に応じて、量子効率が低く光電子放出係数の小さい材料を使用するか、量子効率が低く光電子放出係数の小さい材料を表面にコーティングすることにより、無用な光電子の放出を極小化する。
【００２０】
さらに、光電子の放出係数は、材質により異なった波長依存性を持つので、特定の波長の光を選択することにより、その光に対して、光電子放出が必要な面には放出係数の高い値を持つ材料を、光電子放出が不必要な面には放出係数ができるだけゼロに近い材料を使用するか、光電子放出が不必要な面の表面に放出係数ができるだけゼロに近い材料をコーティングすることにより、効率的な光電子の放出と不必要な放出の抑制を同時に実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】電極背面からの光電子放出によるイオン電荷の中和の原理を示す模式図である。
【図１】
2008052909.tif 000003