(57)【要約】【課題】  効率の高い金属イオンの供給装置とその方法を提供する。【解決手段】  本発明の金属イオンの供給装置では、カソードとアノードと放電ガスを有している。カソードは、両端面に開口する貫通孔を有する筒状形状をしており、イオン化する金属から形成されている。アノードは、筒状又は柱状であり、カソードに対向する端面が平坦である。カソードとアノードはほぼ同軸に位置しており、所定の間隙を有して配置されており、カソードとアノードの間からカソードの貫通孔に至る空間を放電ガスが充たしていることを特徴とする。この金属イオンの供給装置では、アノードとカソード間の電界分布が改善され、効率よく金属イオンが供給される。【選択図】  図１
2005146363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードと放電ガスを有し、
カソードは、両端面に開口する貫通孔を有する筒状形状をしており、イオン化する金属から形成されており、
アノードは、筒状又は柱状であり、カソードに対向する端面が平坦であり、
カソードとアノードはほぼ同軸に位置しており、所定の間隙を有して配置されており、
カソードとアノードの間からカソードの貫通孔に至る空間を放電ガスが充たしていることを特徴とする金属イオンの供給装置。
【請求項２】
カソードとアノードの間にスペーサ部材が介在しており、そのスペーサ部材は均質な厚みを有すると共に、カソードの貫通孔とアノードの端面を連通させる貫通孔を有していること特徴とする請求項１に記載の金属イオンの供給装置。
【請求項３】
前記放電ガスの圧力が１．０ａｔｍ未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属イオンの供給装置。
【請求項４】
両端面に開口する貫通孔を有する筒状であり、イオン化する金属から形成されている筒状カソードを用意する工程と、
カソードに対向する端面が平坦な筒状又は柱状アノードを用意する工程と、
均一の厚みを有すると共に、カソードとアノードを連通させる貫通孔を有するスペーサ部材を用意する工程と、
カソードとスペーサ部材とアノードを順に積み重ねる工程と、
カソードとスペーサ部材の貫通孔とアノードで囲まれる空間に１ａｔｍ未満の圧力で放電ガスを充たす工程と、
カソードに負電位を印加すると共にアノードに正電位を印加して、カソードとアノード間で放電を発生させる工程と、
を有する金属イオンの供給方法。
【請求項５】
ロッド状アノードと、そのロッド状アノードと対をなすカソードと、対をなすロッド状アノードとカソードとの間の空間を充填する放電ガスとで構成される金属イオン源が複数配置された金属イオンの供給装置であり、
少なくとも一つのカソードは、他のカソードと異なる物質で形成されており、
ロッド状アノード群支持ブロックとカソード群支持ブロックを有しており、
ロッド状アノード群支持ブロックには、その支持ブロックの一面にロッド状アノード群の端部群が所定のパターンで露出しており、その支持ブロックのその一面とその一面に露出しているロッド状アノード群の端部群は同一平面に位置しており、
カソード群支持ブロックには、前記所定のパターンでカソード群が配置されており、
ロッド状アノード群支持ブロックとカソード群支持ブロックが重ねあわされており、対をなす個々のロッド状アノードの端部とカソードの間の空間に放電ガスが充填されていることを特徴とする金属イオンの供給装置。
【請求項６】
ロッド型アノード群支持ブロックとカソード群支持ブロックの間にスペーサ板が介在しており、そのスペーサ板は均質な厚みを有し、前記所定のパターンで開口群が設けられていることを特徴とする請求項５の金属イオンの供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属イオンを供給する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属イオンを供給する装置が知られている。その中で、放電型のイオン供給装置は、固体金属から容易にイオンが取り出せるため、高融点金属のイオン化に用いられている（非特許文献１）。
従来の放電型の金属イオンの供給装置６０を図９に示す。金属イオンの供給装置６０は、棒状のカソード６３とアノード６５を有している。カソード６３は、イオン化をされる金属で構成されている。カソード６３は円柱形状をしている。アノード６５は貫通孔６５ａを有する円筒形状をしている。カソード６３とアノード６５の間隙やその近傍は放電ガス６７で充たされている。
カソード６３に負電位を印加して、アノード６５に正電位を印加すると、カソード６３とアノード６５間で放電が発生する。その放電によってカソード６３の金属が蒸発し、その金属イオン７１が発生する。発生した金属イオン７１は、引出電極６９等で引き出される。
【非特許文献１】仁平宣弘・三尾淳著「はじめての表面処理技術」工業調査会２００１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
カソード６３は金属イオンの原料となるため、金属イオンの生成によって消耗していく。図１０は、従来の放電型のイオン供給装置６０における、消耗したカソード６３を示している。従来のイオン供給装置６０では、カソード６３の稜線部６３ｂのみが大きく消耗してしまう。即ち、カソード６３において、稜線部６３ｂのみが有効な金属イオンの供給源となっている。そのため、金属イオンの発生量が少なく効率が悪い。また、カソード６３とアノード６５の間隙距離が早々と変化してしまうため、安定した放電が得られる期間が短く、カソード６３の修正や交換等のメンテナンスの頻度も高い。
上記の問題に対して本発明者らは研究を行い、カソード６３とアノード６５の間の電界分布に偏りがあることを見出した。そのため、カソード６３の稜線部６３ｂとアノード６５の稜線部６５ｂ間に偏って集中的に放電が発生してしまい、図１０に示すようにカソード６３が局所的に消耗してしまうことを見出した。
また、従来の金属イオン供給装置では、単一種の金属イオンしか供給することができない。そのため、従来の金属イオン供給装置では、例えば合金膜等の形成を行うことができない。
本発明によって、上記の問題の少なくとも一つを解決する。本発明は、放電型の金属イオン発生装置において、アノードとカソード間の電界分布を改善し、効率の高い金属イオンの供給装置を提供することを課題とする。
また本発明は、複数の種類の金属イオンを同時に供給する金属イオンの供給装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明で創作した一つの金属イオンの供給装置は、カソードとアノードと放電ガスを有している。カソードは、両端面に開口する貫通孔を有する筒状形状をしており、イオン化する金属から形成されている。アノードは、筒状又は柱状であり、カソードに対向する端面が平坦である。カソードとアノードはほぼ同軸に位置しており、所定の間隙を有して配置されており、カソードとアノードの間からカソードの貫通孔に至る空間を放電ガスが充たしている。
【０００５】
図１に、上記構成の金属イオンの供給装置の一例を示す。金属イオンの供給装置１は、カソード３は貫通孔３ａを有している。アノード５は貫通孔５ａを有している。カソード３とアノード５はほぼ同軸に位置し、所定の間隙を有している。カソード３とアノード５の間からカソード３の貫通孔３ａに至る空間を放電ガス１３が充たしている。
なお、図１に示す金属イオンの供給装置１では、カソード３とアノード５の間にスペーサ部材７を介在させている。スペーサ部材７は均質な厚みを有しており、その厚みによってカソード３とアノード５は所定の距離が維持されている。また、スペーサ部材７は貫通孔７ａを有し、その貫通孔７ａは貫通孔３ａや貫通孔５ａと同軸に位置している。スペーサ部材７の貫通孔７ａによって、貫通孔３ａと貫通孔５ａは連通されている。
この金属イオンの供給装置１において、カソード３に負電位を印加し、アノード５に正電位を印加して、カソード３とアノード５間に所定の電圧を印加すると、カソード３とアノード間５に放電が発生する。その放電によってカソードを形成している金属が蒸発し、その金属イオン１１を発生させることができる。
図２は、上記の放電時におけるカソード３近傍の電界分布を示している。図中の点線群１１は等電位線を示している。カソード３の貫通孔３ａ内において、等電位線１１は貫通孔３ａの壁面にほぼ平行に並んでいる。そのため、カソード３では、その貫通孔３ａのほぼ全面において放電が発生する。それにより、カソード３を構成している金属の蒸発は貫通孔３ａのほぼ全壁面において発生するため、貫通孔３ａのほぼ全壁面からより多くの金属イオン１１を得ることができる。図中の実線群１３は、発生した金属イオン１１の流れを模式的に示している。
【０００６】
本発明の金属イオンの供給装置は、金属イオンの原料となるカソードが貫通孔を有しており、その貫通孔の全壁面からほぼ均一に金属イオンを発生させることができる。そのため、金属イオンを効率よく供給することができる。また、カソードの貫通孔の全壁面がほぼ均一に消耗するため、カソードの寸法変化が少なく、長期にわたって安定した放電を得ることができ、メンテナンス頻度を抑えることもできる。
図５に例示するように、アノード８３は柱状であってもよい。アノード５やアノード８３にみられるように、カソード３やカソード８７に対向する面は平坦となっている。平坦面を利用するために、アノードとカソード間の距離を一定に調節することができる。
【０００７】
上記構成の金属イオンの供給装置において、カソードとアノードの間にスペーサ部材を介在させてもよい。このスペーサ部材は、均質な厚みを有している。また、このスペーサ部材は、カソードの貫通孔とアノードの端面を連通させる貫通孔を有している。
図１の金属イオンの供給装置１は、この形式の金属イオンの供給装置の一例でもある。スペーサ部材７の貫通孔７ａが、カソード３の貫通孔３ａとアノード５の端面を連通している。
この構成であれば、カソード３とアノード５を所定の間隙に維持することができる。また、スペーサ部材がカソード３とアノード５間の放電を阻害したり、発生した金属イオンの通り道を塞ぐこともない。あるいは逆に、スペーサ部材の貫通孔の断面を狭くして、カソード３とアノード５を連通する空間を制限して、放電や金属イオン発生量の抑制を図ってもよい。図５に例示する例でもスペーサ９１が利用されている。
【０００８】
上記構成の金属イオンの供給装置では、放電ガスの圧力が１．０ａｔｍ未満であることが好ましい。放電ガスがこの圧力であると、放電によってカソードから蒸発する金属量が増加する。放電ガスの圧力が低いほど、放電によってカソードから蒸発する金属量が増加する。
【０００９】
本発明の技術的な思想は、新規で有用な金属イオンを供給する方法を提供する。この金属イオンを供給する方法は、両端面に開口する貫通孔を有する筒状であり、イオン化する金属から形成されているカソードを用意する工程と、カソードに対向する端面が平坦な筒状又は柱状アノードを用意する工程と、均一の厚みを有すると共に、カソードとアノードを連通させる貫通孔を有するスペーサ部材を用意する工程と、カソードとスペーサ部材とアノードを順に積み重ねる工程と、カソードとスペーサ部材の貫通孔とアノードで囲まれる空間に１ａｔｍ未満の圧力で放電ガスを充たす工程と、カソードに負電位を印加すると共にアノードに正電位を印加して、カソードとアノード間で放電を発生させる工程とを有する。
【００１０】
上記の工程を有する金属イオンを供給する方法では、金属イオンの原料となるカソードにおいて、カソードの貫通孔の全壁面からほぼ均一に金属イオンを発生させることができる。そのため、金属イオンを効率よく供給することができる。また、カソードの貫通孔の全壁面がほぼ均一に消耗するため、長期にわたって安定した放電を得ることができ、メンテナンス頻度を抑えることもできる。
【００１１】
本発明で創作した一つの金属イオンの供給装置は、ロッド状アノードと、そのロッド状アノードと対をなすカソードと、対をなすロッド状アノードとカソードとの間の空間を充填する放電ガスとで構成される金属イオン源が複数配置されている。この金属イオンの供給装置は、少なくとも一つのカソードは他のカソードと異なる物質で形成されている。また、ロッド状アノード群支持ブロックとカソード群支持ブロックを有している。ロッド状アノード群支持ブロックには、その支持ブロックの一面にロッド状アノード群の端部群が所定のパターンで露出しており、その支持ブロックのその一面とその一面に露出しているロッド状アノード群の端部群は同一平面に位置している。カソード群支持ブロックには、前記所定のパターンでカソード群が配置されている。ロッド状アノード群支持ブロックとカソード群支持ブロックが重ねあわされており、対をなす個々のロッド状アノードの端部とカソードの間の空間に放電ガスが充填されている。
【００１２】
上記構成の金属イオンの供給装置では、ロッド状アノードとカソードからなる電極対が、複数構成されている。電極対に所定の電圧を印加することにより、ロッド状アノードとカソード間に放電が発生する。その放電によってカソードを形成している金属が蒸発し、その金属イオンを発生させることができる。即ち、１対の電極対によって１つの金属イオン源が構成される。複数の電極対が配置されることによって金属イオン源群が構成される。
金属イオン源が供給する金属イオンは、カソードを形成している金属のイオンである。電極対ごとにカソードを形成している金属の種類を変化させることにより、異なる種類の金属イオンを同時に供給することができる。
【００１３】
ロッド状アノード群支持ブロックの一面に露出しているロッド状アノード群の端部群と、その支持ブロックの露出面が同一平面に位置している構造は、極めて製作しやすい。例えば、平面研削することによって、ロッド状アノード群の端部群と支持ブロックの露出面を同一平面に研削することができる。それにより、例えば微小なロッド状アノード群を用いる場合でも、ロッド状アノード群の端部群を正確に揃えて加工することができる。それにより、ロッド状アノード群の集積度を高めることができる。
カソード群支持ブロックを用意しておくと、ロッド状アノード群支持ブロックとカソード群支持ブロックを重ねあわせることによって金属イオンの供給装置の基本構造が完成する。本発明の金属イオンの供給装置は単純な構造であり、ロッド状アノード群とカソード群からなる電極対を高い集積度で配置することができる。
【００１４】
カソード群支持ブロックに、カソード群を所定距離だけ沈めて配置すれば、ロッド状アノード群支持ブロックとカソード群支持ブロックを直接的に重ねあわせることによって、対をなすロッド状アノード群とカソードの間に距離を確保することができ、放電ガスの充填空間を確保することができる。しかしながら、カソード群を所定距離だけ沈めてカソード群支持ブロックに配置しなければならない。
ロッド状アノード群支持ブロックとカソード群支持ブロックの間にスペーサ板を介在させる構造を採用してもよい。そのスペーサ板は均質な厚みを有し、ロッド状アノード群やカソード群が配置されているのと同じパターンで開口群が設けられていればよい。
この構造によると、カソード群支持ブロックのロッド状アノード群支持ブロックに重ねあわされる面にカソード群が露出していることが許される。カソード群が配置されたカソード群支持ブロックを平面研削することによって、カソード群の露出面群と支持ブロックの露出面を同一平面に研削してもよい。
この場合、対をなすロッド状アノードとカソードの間に、スペーサ板の厚みに相当する距離が確保され、その距離を簡単かつ正確に調整することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、効率の高い金属イオンの供給装置とその方法を提供することができる。また本発明により、複数種の金属イオンを均質な濃度分布にして供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１）  金属イオン供給装置は、カソードリング（負極）とアノード（陽極）からなる放電電極を有している。カソードリングは、貫通孔を有する筒状形状である。
（形態２）  金属イオン供給装置は、カソードリングが金属イオンの供給源となる。カソードリングは発生させる金属イオンの原料金属で形成され、放電によって原料金属は蒸発し、その金属イオンが発生する。
（形態３）  金属イオン供給装置は、光源とその光源の光を受光して分光処理する分光処理部を有している。光源が発生する光には、発生させる金属イオンの吸収波長の光が強く含まれている。
（形態４）  金属イオン供給装置は、分光処理部の出力信号に基づいてカソードリングとアノード間の放電電流を変化させる。
（形態５）  金属イオン供給装置は、複数のカソード群とそれと対をなす複数のアノード群を有している。
（形態６）  金属イオン供給装置は、カソードリング（陽極）とアノード（陰極）からなる電極対を複数対有している。
（形態７）  金属イオン供給装置は、物質の異なる３種類のカソードリングを有している。その一つは鉄であり、その一つはニッケルであり、その一つは銅である。それら３種類のカソードリングは、規則的に配置されている。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）以下、本発明を具現化した実施例１の金属イオン供給装置２０を図面を参照して説明する。図３は、本実施例の金属イオン供給装置２０の断面を示している。
金属イオン供給装置２０は、筒状のケース２１を有している。ケース２１は、図面上方の一端が閉塞されており、図面下方の他端が開口している（開口部２１ａ）。ケース２１は、絶縁性である。
筒状ケース２１には、筒状のカソードリング２３と筒状のアノードリング２５とスペーサ部材２７が収容されている。カソードリング２３は、円筒形状（あるいはリング状ともいえる）であって、両端面（図中の上下面）に開口している貫通孔２３ａを有している。貫通孔２３ａは、円形断面をしている。カソードリング２３は金属体で形成されている。詳しくは、カソードリング２３は銅で形成されている。
アノードリング２５は、円筒形状（あるいはリング状ともいえる）であって、両端面（図中の上下面）に開口している貫通孔２５ａを有している。貫通孔２５ａは円形断面をしており、ケース２１の開口部２１ａ側の端部付近ではテーパー状に拡径している。
また、スペーサ部材２７は円筒形状（あるいはリング状ともいえる）であって、両端面（図中の上下面）に開口している貫通孔２７ａを有している。貫通孔２７ａは、円形断面をしている。スペーサ部材２７は、絶縁性材料から形成されており、均質な厚み（あるいは均質な高さともいえる）をしている。スペーサ部材２７の厚みは、略０．１ｍｍである。
【００１８】
図３に示すように、カソードリング２３とアノードリング２５とスペーサ部材２７は、ケース２１に収容されている。ケース２１の閉塞端側にカソードリング２３が収容され、次いでスペーサ部材２７が収容され、次いでアノードリング２５が収容されている。カソードリング２３の貫通孔２３ａとアノードリング２５の貫通孔２５ａとスペーサ部材２７
の貫通孔２７ａは同軸に位置しており、貫通孔２３ａと貫通孔２５ａと貫通孔２７ａが連通する空間を形成している。
金属イオン供給装置２０では、カソードリング２３の貫通孔２３ａとアノードリング２５の貫通孔２５ａとスペーサ部材２７の貫通孔２７ａが連通する空間が、放電ガス３９によって充たされている。放電ガス３９には、例えばヘリウムやネオンやアルゴンやクリプトン等の希ガスを用いることができる。放電ガス３９は、単一の種類のガスでもよいし、複数種を混合したガスでもよい。即ち、例えばヘリウムとネオンの混合ガスを用いることもできる。放電ガス３９の圧力は１ａｔｍ未満に設定されている。
図３に示すように、金属イオン供給装置２０のケース２１には引出電極４０が設けられている。引出電極４０は、負電位が印加されている。
【００１９】
金属イオン供給装置２０は、直流電源３７を有している。直流電源３７は、出力する電流を変化させることができる。直流電源３７の負電位端子３７ａとカソードリング２３は電気的に接続されており、直流電源３７の正電位端子３７ｂとアノードリング２５は電気的に接続されている。従って、直流電源３７によって、カソードリング２３には負電位が印加され、アノードリング２５には正電位が印加される。このとき、直流電源３７が出力する電流を変化させることにより、カソードリング２３とアノードリング２５間の放電電流を変化させることができる。
金属イオン供給装置２０では、カソードリング２３とアノードリング２５間の電圧が所定の値となると、カソードリング２３とアノードリング２５間で放電が発生する。その放電によってカソードリング２３を形成している金属が蒸発し、その金属イオン１１を発生させることができる。即ち、銅イオンが発生する。カソードリング２３の貫通孔２３ａ内で発生した銅イオンは、引出電極４０が発生している電界によって引き出され、ケース２１の内部を通って開口部２１ａから噴出する。
ここで、カソードリング２３とアノードリング２５間に放電を発生させるために必要な電圧は、カソードリング２３とアノードリング２５間の距離ｄと放電ガス３９の圧力Ｐによって変化する。詳しくは、距離ｄと圧力Ｐの積Ｐ・ｄによって変化する。圧力Ｐの単位を［ａｔｍ］とし、距離ｄの単位を［ｍｍ］とすると、０．０５≦Ｐ・ｄ≦０．３であるとき、比較的に低い電源電圧であっても放電が発生する。金属イオン供給装置２０では、スペーサ２７の厚みが略０．１ｍｍであることから、カソードリング２３とアノードリング２５間の距離ｄは略０．１ｍｍである。従って、放電ガス３９の圧力が０．５ａｔｍ〜３．０ａｔｍであれば、比較的に低い電源電圧で放電を発生させることができる。
この放電が発生するとき、カソードリング２３の貫通孔２３ａ内における電界分布は、図２に示した様子となる。そのため、カソードリング２３では、その貫通孔２３ａのほぼ全面において放電が発生する。それにより、カソードリング２３ａを構成している銅の蒸発は、貫通孔２３ａのほぼ全壁面において発生するため、貫通孔２３ａのほぼ全壁面から銅イオンを得ることができる。また、そのためにカソードリング２３では貫通孔２３ａの全壁面がほぼ均一に消耗するため、カソードリングの寸法変化が少なく、長期にわたって安定した放電を得ることができ、メンテナンス頻度を抑えることもできる。
【００２０】
図４は、横軸にカソードリング２３とアノードリング２５間の放電電流Ｃをとり、縦軸に銅イオンの供給量Ｑを示す。放電電流Ｃが多いほど、銅イオンの供給量Ｑは増加する。金属イオン供給装置２０では、直流電源３７が出力する電流を変化させることにより、カソードリング２３とアノードリング２５間の放電電流を変化させることができる。従って、直流電源３７が出力する電流を変化させることにより、銅イオンの供給量を変化させることができる。
また、カソードリング２３とアノードリング２５間の放電電流Ｃが同じであっても、放電ガス３９の圧力が低いほど、カソードリング２３の蒸発量は多くなって発生する銅イオンも多くなる。
【００２１】
金属イオン供給装置２０は、光源３１と受光部３３を有している。図３に示すように、光源３１と受光部３３はケース２１に設けられ、ケース２１の内部をはさんで対向している。光源３１の発光方向はケース２１の内部を向いており、受光部３３の受光方向もケース２１の内部を向いている。即ち、光源３１で発せられた光は受光部３３で受光される。
光源３１は、所定のスペクトルの光を発する。光源３１の発光スペクトルには、金属イオン供給装置２０が供給する金属イオンが吸光する波長が含まれている。即ち、その発光スペクトルには、銅イオンの吸収波長が特徴的に含まれている。このような発光スペクトルが得られる光源３１として、例えば銅蒸気レーザを用いることができる。
金属イオン供給装置２０は、分光処理部３５を有している。分光処理部３５は、受光部３３で入射された光の分光処理を行う。分光処理部３５は、受光部３３で受光された光を分光して、その入射光のスペクトルを得る。また、分光処理部３５には光源３１の発光スペクトルが予め教示されている。分光処理部３５は、教示されている光源３１の発光スペクトと受光スペクトル比較する。その比較から、銅イオンの吸収波長光の強度の変化を知ることができる。
【００２２】
ここで、物資の吸光現象について間単に説明する。物質に光を入射すると、物質の吸収波長に一致する光はその物質によって吸収される。物質に応じてその吸収波長は特有のため、物質に既知のスペクトルを有する光を入射し、その透過光のスペクトルを観測することによって、吸収された波長からその物質を特定することができる。また、吸収波長光の強度の減衰度によって、その物質の量を知ることできる。例えば、被検査流体を測定する場合、その流体中を所定の距離だけ透過した光の減衰度を測定することで、被検査流体中における検査対象物質の濃度を知ることができる。
従って、金属イオン発生装置２０では、銅イオンの吸収波長光の強度の減少量から、ケース２１内部を通過する銅イオンの濃度を知ることができる。銅イオンの吸収波長光の強度の減少量を所定の値に保つことによって、ケース２１内部を通過する銅イオンの濃度を所定の値に保つこともできる。なお、銅イオンの吸収波長光の強度の減少量と、ケース２１内部を通過する銅イオンの濃度の対応は、銅イオンの通過速度にも依存する。即ち、引出電極４０の印加電位にも依存する。
分光処理部３５は、検出した銅イオンの吸収波長光の強度の減少量を、所定の値と比較する。その減少量が所定の値よりも大きいとき、所望する供給量よりも多くの銅イオンが発生していることとなる。この場合、分光処理部３５は直流電源３７に指令し、直流電源３７は出力電流を減少させる。それにより、カソードリング２３とアノードリング２５間の放電電流は減少するため、銅イオンの発生量は抑制される。一方、その減少量が所定の値よりも小さいときは、所望する供給量よりも少なく銅イオンが発生していることとなる。この場合、分光処理部３５は直流電源３７に指令し、直流電源３７は出力電流を増加させる。それにより、カソードリング２３とアノードリング２５間のに流れる電流は増加するため、銅イオンの発生量が増加する。このようにして、金属イオン供給装置２０では、供給する金属イオンの供給量を所定の値に制御することができる。
【００２３】
以上のように、金属イオン供給装置２０は、金属イオンの供給源となるカソードリング３が特徴的な形状をしている。それにより、カソードリング２３とアノードリング２５間の電界分布が改善され、効率よく金属イオンを供給することができる。また、供給している金属イオンの量を吸光現象を用いて測定し、それをカソードリング２３とアノードリング２５間の放電電流にフィードバックすることによって、金属イオンの供給量を所定の値に制御することができる。
【００２４】
上記のフィードバック制御において、引出電極４０の印加電位を加味してもよい。引出電極４０の印加電位からは、銅イオンの噴出速度を知ることができる。供給している銅イオンの空間的な濃度は分光処理部３５の演算によって求められる。銅イオンの空間的な濃度とその噴出速度から、銅イオンの供給量を正確に知ることができる。この態様であれば、銅イオンを様々な噴出速度で供給する場合においても、その供給量を正確に制御することができる。従って、金属イオン供給装置２１は、イオンプレーティングのイオン源や、スパッタリングのイオン源や、イオン注入のイオン源等に用いることができる。
【００２５】
（実施例２）以下、本発明を具現化した実施例２の金属イオン供給装置８０を図面を参照して説明する。図５は、本実施例の金属イオン供給装置８０の一部の断面を示している。まず初めに、図５を参照して金属イオン供給装置８０のイオン源の構成を説明する。
金属イオン供給装置８０は、複数のアノードロッド８３ａと、複数のアノードロッド８３ｂと、複数のアノードロッド８３ｃを有している。図５には、一つのアノードロッド８３ａと一つのアノードロッド８３ｂと一つのアノードロッド８３ｃを示している。アノードロッド群８３ａ〜８３ｃは、金属体で形成されている。
金属イオン供給装置８０は、それらのアノードロッド群８３ａ〜８３ｃを収容しているシリコンブロック８５を有している。シリコンブロック８５はシリコン酸化物（ＳｉＯ２）で構成されており、絶縁性である。アノードロッド群８３ａ〜８３ｃの上側端面とシリコンブロック８５の表面８５ａは、同一平面上に揃っている。
シリコンブロック８５がアノードロッド群８３ａ〜８３ｃを収容している貫通孔は、例えば異方性エッチング等によって形成することができる。アノードロッド群８３ａ〜８３ｃの上側端面がシリコンブロック８５の表面８５ａからわずかに突出するようにシリコンブロック８５の貫通孔にアノードロッド群８３ａ〜８３ｃを収容し、その後に表面８５ａを平面研削する。平面研削することによって、簡単に、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃの上側端面とシリコンブロック８５の表面８５ａを同一平面に仕上げることができる。
【００２６】
金属イオン供給装置８０は、複数のリング状カソード（カソードチップ）８７ａと、複数のリング状カソード（カソードチップ）８７ｂと、複数のカソードチップリング状カソード（カソードチップ）８７ｃとを有している。図５には、一つのカソードチップ８７ａと、一つのカソードチップ８７ｂと、一つのカソードチップ８７ｃを示している。カソードチップ群８７ａ〜８７ｃは、それぞれが内孔を有する筒状をしている。カソードチップ群８７ａ〜８７ｃは導電性の材料で形成されている。詳しくは、カソードチップ群８７ａは、鉄で形成されている。カソードチップ群８７ｂは、ニッケルで形成されている。カソードチップ群８７ｃは、銅で形成されている。
金属イオン供給装置８０は、カソードチップ群８７ａ〜８７ｃを収容しているカソード収容板８９を有している。カソード収容板８９は、絶縁性材料で形成されている。図５に示すように、カソードチップ群８７ａ〜８７ｃはカソード収容板８９に形成された貫通孔に収容されている。カソードチップ群８７ａ〜８７ｃの配置パターンは、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃの配置パターンと等しい。カソードチップ群８７ａ〜８７ｃの下側端面とカソード収容板８９の裏面８９ａは、同一平面上に揃っている。
カソード収容板８９がカソードチップ群８７ａ〜８７ｃを収容している貫通孔は、例えば異方性エッチング等によって形成することができる。カソードチップ群８７ａ〜８７ｃの下側端面がカソード収容板８９の裏面８９ａからわずかに突出するようにカソード収容板８９の貫通孔にカソードチップ群８７ａ〜８７ｃを収容し、その後に裏面８９ａを平面研削する。平面研削することによって、簡単に、カソードチップ群８７ａ〜８７ｃの下側端面とカソード収容板８９の裏面８９ａを同一平面に仕上げることができる。
図５に示すように、対となるアノードロッド群８３ａとカソードチップ群８７ａは略同軸上に位置している。同様に、各アノードロッド群８３ｂ、８３ｃと各カソードチップ８７ｂ、８７ｃは略同軸上に位置しており、略同軸上に位置する各アノードロッド群８３ａ〜８３ｃと各カソードチップ群８７ａ〜８７ｃが電極対を構成している。
【００２７】
金属イオン供給装置８０は、スペーサ９１を有している。スペーサ９１は絶縁性材料から形成されており、均質な厚みを有する。スペーサ９１は、シリコンブロック８５とカソード収容板８９の間隙に介在している。スペーサ９１の厚みによって、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃとカソードチップ群８７ａ〜８７ｃ間に所定の距離が確保される。スペーサ９１の厚みを変化させることで、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃとカソードチップ群８７ａ〜８７ｃの距離を変化させることができる。後述するように、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃとカソードチップ群８７ａ〜８７ｃの間隙で放電が行われる。アノードロッド群８３ａ〜８３ｃとカソードチップ群８７ａ〜８７ｃの距離は、その放電に対して好適な距離に設定されており、それに基づいてスペーサ９１の厚みが設定されている。金属イオン供給装置８０では、スペーサ９１の厚みは略０．１ｍｍである。
スペーサ９１には、孔群９１ａと孔群９１ｂと孔群９１ｃが形成されている。それら孔群９１ａ〜９１ｃの配置パターンは、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃやカソードチップ群８７ａ〜８７ｃと略同一である。従って、対をなす各アノードロッド群８３ａ〜８３ｃと各カソードチップ群８７ａ〜８７ｃは、各孔群９１ａ〜９１ｃによって連通されている。
【００２８】
金属イオン供給装置８０は、スペーサ板９５を有している。スペーサ板９５は絶縁性材料から形成されており、均質な厚みを有する。スペーサ板９５は、カソード収容板８９の上面に設けられている。スペーサ板９５は貫通孔群が形成されており、その配置パターンはアノードロッド群８３ａ〜８３ｃやカソードチップ群８７ａ〜８７ｃと略同一である。
金属イオン供給装置８０は、複数の引出電極９７ａと、複数の引出電極９７ｂと、複数の引出電極９７ｃとを有している。図５には、一つの引出電極９７ａと、一つの引出電極群９７ｂと、一つの引出電極群９７ｃを示している。引出電極群９７ａ〜９７ｃは、それぞれが内孔を有する筒状をしている。引出電極群９７ａ〜９７ｃは導電性の材料で形成されている。
金属イオン供給装置８０は、引出電極群９７ａ〜９７ｃを収容している引出電極収容板９９を有している。引出電極収容板９９は、絶縁性材料で形成されている。図５に示すように、引出電極群９７ａ〜９７ｃは引出電極収容板９９に形成された貫通孔に収容されている。引出電極群９７ａ〜９７ｃの配置パターンは、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃやカソードチップ群８７ａ〜８７ｃの配置パターンと略同一である。
引出電極群９７ａ〜９７ｃには負電位が印加される。引出電極群９７ａ〜９７ｃが発生する電界によって、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃとカソードチップ群８７ａ〜８７ｃ間の放電によって発生する金属イオンは引き出される。
【００２９】
アノードロッド群８３ａ〜８３ｃとカソードチップ群８７ａ〜８７ｃの間隙には、放電ガス１０１が充填されている。放電ガス１０１の圧力は、１．０ａｔｍ未満である。
金属イオン供給装置８０は、導体板１０５を有している。図５に示すように導体板１０５はシリコンブロック８５の裏面に接合されている。導体板１０５とアノードロッド群８３ａ〜８３ｃは電気的に接続されている。
金属イオン供給装置８０は、電流制御部１０３を有している。電流制御部１０３は、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃに導体板１０５を介して正電位を印加し、カソードチップ群８７ａ〜８７ｃには負電位を印加する。それにより、アノードロッド群８３ａ〜８３ｃとカソードチップ群８７ａ〜８７ｃ間で放電が発生する。電流制御部１０３は、アノードロッド群８３ａとカソードチップ群８７ａ間の放電電流を制御することができる。また、それとは独立にアノードロッド群８３ｂとカソードチップ群８７ｂ間の放電電流を制御することができる。また、それらとは独立に、アノードロッド群８３ｃとカソードチップ群８７ｃ間の放電電流を制御することができる。
図４に示したように、放電電流を制御することによって、金属イオンの供給量を調節することができる。金属イオン供給装置８０では、例えば、アノードロッド群８３ａとカソードチップ群８７ａ間の放電電流を制御することによって、鉄イオンの供給量を調節することができる。同様に、ニッケルイオンの供給量や、銅イオンの供給量を調節することができる。
【００３０】
図６は、上記で説明した金属イオン源群の配置を示している。図６は、金属イオン供給装置８０が有する金属イオン源群の一部を示している。
図中Ｆｅは、アノードロッド群８３ａとカソードチップ群８７ａからなる鉄イオンのイオン源の配置を示している。図中Ｎｉは、アノードロッド群８３ｂとカソードチップ群８７ｂからなるニッケルイオンのイオン源の配置を示している。図中Ｃｕは、アノードロッド群８３ｃとカソードチップ群８７ｃからなる銅イオンのイオン源の配置を示している。図６に示すように、隣接する鉄イオン源Ｆｅとニッケルイオン源Ｎｉと銅イオン源Ｃｕが一組を構成し、複数の組が規則的に配置されている。それにより、それぞれの金属イオン源は、分布密度が均一となるように配置されている。
また、図６は銅イオン源Ｃｕと電流制御部１０３との回路構成を示している。図６に示すように、電流制御部１０３に対して各銅イオン源Ｃｕは一括に接続されている。図示省略するが、鉄イオン源Ｆｅやニッケルイオン源Ｎｉについても同様である。即ち、鉄イオン源Ｆｅ群とニッケルイオン源Ｎｉ群と銅イオン源Ｃｕ群は、電流制御部１０３と互いに独立して接続されている。
電流制御部１０３には、直流電源１０９が接続される。また、電流制御部１０３には、コントローラ１０７から電流制御の指令がなされる。
【００３１】
図７は、金属イオン供給装置８０を用いて基板１１６の表面に合金膜を形成する様子を示している。基板１１６は処理チャンバー１１８内に置かれており、金属イオン供給装置８０は処理チャンバー１１８にセットされている。
電流制御部１０３によってアノードロッド群８３ａ〜８３ｃとカソードチップ群８７ａ〜８７ｃ間に電圧が印加されると金属イオンが発生する。鉄イオン源Ｆｅからは鉄イオンが発生し、ニッケルイオン群Ｎｉからはニッケルイオンが発生し、銅イオン群Ｃｕからは銅イオンが発生する。それらの発生した金属イオンは引出電極群９７ａ〜９７ｃによって引き出され、基板１１６に向けて照射される。
【００３２】
図７中の１１０は群光源である。群光源１１０の構成を図８に示す。群光源１１０は、アノードロッド１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃと、それらのアノードロッド群１２３ａ〜１２３ｃを収容しているシリコンブロック１２５を有している。アノードロッド群３ａ〜３ｃは導電性の材料で構成され、細線状形状をしている。シリコンブロック１２５はシリコン酸化物（ＳｉＯ２）で構成されており、絶縁性である。
群光源１１０は、リング状電極（カソードチップ）１２７ａ、１２７ｂ、１２７ｃと、それらカソードチップ１２７ａ〜１２７ｃを収容しているカソード収容板１２９を有している。カソードチップ群１２７ａ〜１２７ｃは、それぞれが内孔１２８ａ〜１２８ｃを有するリング形状をしている。カソードチップ群１２７ａ〜１２７ｃは導電性の材料で構成されている。詳しくは、カソードチップ１２７ａは鉄で形成され、カソードチップ１２７ｂはニッケルで形成され、カソードチップ１２７ｃは銅で形成されている。
カソード収容板１２９は、絶縁性材料で構成されている。図８に示すように、カソードチップ群１２７ａ〜１２７ｃの配置パターンは、アノードロッド群１２３ａ〜１２３ｃの配置パターンと等しい。
図８に示すように、対となるアノードロッド１２３ａとカソードチップ１２７ａは略同軸上に位置している。同様に、各アノードロッド１２３ｂ、１２３ｃと各カソードチップ１２７ｂ、１２７ｃは略同軸上に位置しており、略同軸上に位置する各アノードロッド１２３ａ〜１２３ｃと各カソードチップ１２７ａ〜１２７ｃが１対の電極対を構成している。即ち、群光源１１０においては、３対の電極対が配置されている。
【００３３】
群光源１１０は、スペーサ１３１を有している。スペーサ１３１は絶縁性材料から構成されており、均質な厚みを有する。スペーサ１３１は、シリコンブロック１２５とカソード収容板１２９の間隙に介在している。スペーサ１３１の厚みによって、アノードロッド群１２３ａ〜１２３ｃとカソードチップ群１２７ａ〜１２７ｃ間に所定の距離が確保されている。ここでは、スペーサ１３１の厚みは略０．１ｍｍである。
スペーサ１３１には、孔１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃが形成されている。それら孔１３１ａ〜１３１ｃの配置パターンは、アノードロッド群１２３ａ〜１２３ｃやカソードチップ群１２７ａ〜１２７ｃと略同一である。従って、対をなす各アノードロッド１２３ａ〜１２３ｃと各カソードチップ１２７ａ〜１２７ｃは、各孔１３１ａ〜１３１ｃによって連通されている。
【００３４】
群光源１１０は、密閉板１３５を有している。密閉板１３５は、群光源１１０の発光スペクトルに対して透明な物質から形成されている。例えば、発光スペクトルが真空紫外線のような極めて短い波長のスペクトル線を有する場合は、フッ化マグネシウムを用いることができる。また、発光スペクトルが可視光線以上の波長の場合は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）を用いることができる。また、発光スペクトルが赤外線以上の波長の場合は、シリコンを用いることができる。密閉板１３５は、カソード収容板１２９に取付枠１３６を介して取付けられ、外気と遮断されたガスチャンバー１３９を形成している。密閉板１３５と取付枠１３６の接合部や、取付枠１３６とカソード収容板１２９の接合部はシール処理が行われている。それにより、ガスチャンバー１３９の気密性が確保されている。
密閉板１３５には、レンズ部１３７ａ、１３７ｂ、１３７ｃが設けられている。レンズ部１３７ａ〜１３７ｃの配置パターンは、アノードロッド群１２３ａ〜１２３ｃやカソードチップ群１２７ａ〜１２７ｃと同様である。即ち、各レンズ部１３７ａ〜１３７ｃは、各アノードロッド１２３ａ〜１２３ｃと各カソードチップ１２７ａ〜１２７ｃからなる各電極対と略同軸上に位置している。
【００３５】
ガスチャンバー１３９内には、放電ガス１４１が封止されている。放電ガス１４１には、例えばヘリウムやネオンやアルゴンやクリプトン等の希ガスを用いることができる。放電ガスは、単一の種類のガスでもよいし、複数種を混合したガスでもよい。即ち、例えばヘリウムとネオンの混合ガスを用いることもできる。放電ガス１４１の圧力は１ａｔｍ未満である。
群光源１１０は、導体板１４３を有している。図８に示すように導体板１４３はシリコンブロック１２５の裏面に接合されている。導体板１４３とアノードロッド群１２３ａ〜１２３ｃは電気的に接続されている。
群光源１１０は、制御部１５０を有している。制御部１５０はカソード収容板１２９上に設けられている。制御部１５０には外部から直流電源が接続される。制御部１５０を介して、導体板１４３には直流電源の正電位が印加され、各カソードリング１２７ａ〜１２７ｃには直流電源の負電位が印加される。このとき、カソード収容板１２９には制御部１５０と各カソードリング１２７ａ〜１２７ｃを電気的に接続する導体パターン群を形成してもよい。
【００３６】
アノードロッド群１２３ａ〜１２３ｃとカソードチップ群１２７ａ〜１２７ｃに電源電圧が印加されると、アノードロッド群１２３ａ〜１２３ｃとカソードチップ群１２７ａ〜１２７ｃの間で放電が発生する。
この放電によって、ガス化したカソードチップ１２７ａ〜１２７ｃの物質が励起され、その後の遷移時に光を発する。この発光スペクトルは、カソードチップ１２７ａ〜１２７ｃの物質に由来する光を発する。カソードチップ１２７ａは鉄で形成されているため、アノードロッド１２３ａとカソードチップ１２７ａの放電によって、鉄に由来する光が発生する。また、カソードチップ１２７ｂはニッケルで形成されているため、アノードロッド１２３ｂとカソードチップ１２７ｂの放電によって、ニッケルに由来する光が発生する。また、カソードチップ１２７ｃは銅で形成されているため、アノードロッド１２３ｃとカソードチップ１２７ｃの放電によって、銅に由来する光が発生する。即ち、群光源１１０は、鉄とニッケルと銅に由来するスペクトルの光を同時に発生することとなる。
【００３７】
群光源１１０から発せられた光は、金属イオン供給装置８０のイオンビームに照射される。図７に示すように、群光源１１０から発せられた光は、金属イオン供給装置８０において直線に並ぶ金属イオン源のイオンビームを横切ることになる。図６に示したように、金属イオン供給装置８０では、鉄イオン源Ｆｅとニッケルイオン源Ｎｉと銅イオン源Ｃｕは、直線上に周期的な順序で並んでいる。従って、群光源１１０から発せられた光は、鉄イオン源Ｆｅとニッケルイオン源Ｎｉと銅イオン源Ｃｕのイオンビームを横切ることとなる。群光源１１０の光が鉄イオン源Ｆｅのビームを横切るとき、鉄イオンによって鉄に由来する波長の光は吸収される。この吸収される量は、鉄イオンの濃度が濃いほど大きくなる。同様に、群光源１１０の光がニッケルイオン源Ｎｉのビームを横切るとき、ニッケルイオンによってニッケルに由来するは波長の光は吸収される。この吸収される量は、ニッケルイオンの濃度が濃いほど大きくなる。同様に、群光源１１０の光が銅イオン源Ｃｕのビームを横切るとき、銅イオンによって銅に由来する波長の光は吸収される。この吸収される量は、銅イオンの濃度が濃いほど大きくなる。
【００３８】
群光源１１０から発せられた光はイオンビームを透過した後、回折板１１４に入射し、回折板１１４によって分光される。その分光された光は、ＣＣＤ１１２によって受光される。従って、ＣＣＤ１１２はイオンビームを透過した光を波長毎に受光することとなり、ＣＣＤ１１２の出力からその光の波長毎の強度を検出することができる。
ＣＣＤ１１２の出力は、コントローラ１０７に入力される。コントローラ１０７は、ＣＣＤ１１２の出力から、鉄とニッケルと銅に由来する波長の光の強度をそれぞれ検出する。例えば、鉄に由来する波長の光の強度が所定の値よりも小さいとき、所望する供給量よりも多くの鉄イオンが発生していることとなる。この場合、コントローラ１０７は電流制御部１０３に指令し、電流制御部１０３は出力電流を減少させる。それにより、鉄イオンの発生量は抑制される。一方、その波長の光の強度が所定の値よりも小さいときは、所望する供給量よりも少なく鉄イオンが発生していることとなる。この場合、コントローラ１０７は電流制御部１０３に指令し、電流制御部１０３は出力電流を増加させる。それにより、鉄イオンの発生量が増加する。ニッケルイオンや銅イオンについても同様にその発生量が制御される。
【００３９】
金属イオン供給装置８０は、鉄とニッケルと銅のイオンを同時に供給することができる。鉄イオン源Ｆｅとニッケルイオン源Ｎｉと銅イオン源Ｃｕは高い集約度で配置されているため、イオンビーム中の各イオンの濃度分布は均一に保たれている。銅イオンとニッケルイオンと鉄イオンの供給量は、それぞれ独立して調節される。それにより、イオンビーム中における各金属イオンの割合を独立して調節することができる。それにより、基板１１６上に鉄とニッケルと銅からなる合金膜を、それぞれの含有比率を調節して生成することができる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の金属イオンの供給装置の一例を示す図。
【図２】筒状カソードの貫通孔内における電界の分布を模式的に示す図。
【図３】実施例１の金属イオン供給装置を示す図。
【図４】放電電流と金属イオンの発生量の関係を示す図。
【図５】実施例２の金属イオン供給装置を示す図。
【図６】実施例２の金属イオン供給装置の金属イオン源の配置を示す図。
【図７】実施例２の金属イオン供給装置を用いた合金膜の生成を示す図。
【図８】群光源１１０の構成を示す図。
【図９】従来の放電型の金属イオン供給装置を示す図。
【図１０】従来の放電型の金属イオン供給装置のカソードの消耗を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
１・・実施例１の金属イオンの供給装置の一例
３・・筒状カソード
５・・筒状アノード
７・・スペーサ部材
９・・引出電極
１１・・金属イオン
１３・・放電ガス
２０・・実施例１の金属イオンの供給装置
２３・・カソードリング
２５・・アノードリング
２７・・スペーサ部材
３１・・光源
３３・・受光部
３５・・分光処理部
３７・・直流電源
６０・・従来の放電型の金属イオンの供給装置
６３・・カソード
６５・・アノード
８０・・実施例２の金属イオン供給装置
８３ａ〜８３ｃ・・カソード群
８７ａ〜８７ｃ・・アノードリング群
１１２・・ＣＣＤ
１１４・・回折板
【図１】
2005146363.tif 000003
【図２】
2005146363.tif 000004
【図３】
2005146363.tif 000005
【図４】
2005146363.tif 000006
【図５】
2005146363.tif 000007
【図６】
2005146363.tif 000008
【図７】
2005146363.tif 000009
【図８】
2005146363.tif 000010
【図９】
2005146363.tif 000011
【図１０】
2005146363.tif 000012