(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを発生させる放電室と、該放電室の両側に直交座標のＸ方向に対向させて配置され該放電室内にフィルター磁場を発生させる一対の磁石と、前記放電室内のプラズマからイオンビームを引き出す直交座標のＺ方向に間隔をあけて配設された複数枚の多孔電極とを備え、前記複数枚の多孔電極は、それぞれの電極面にＸ方向に配列された複数個の引き出し孔を有してなり、少なくとも前記放電室から最も遠い位置にある多孔電極のＸ方向に配列された複数個の引き出し孔の中心位置を、当該多孔電極のＸ方向の端部側の引き出し孔を基準として中央部側の引き出し孔に至るに従って直交座標のＹ方向に次第にずらして配置し、その配置は、前記一対の磁石によりイオンビームの引き出し方向に形成される磁場をＺ方向に線積分した値の大きさが前記多孔電極のＸ方向の端部側で小さく中央部側で大きいことにより生ずるイオンビームの偏向角の違いに対応したイオン源であって、
前記多孔電極のX方向の端部側と中央部側から引き出されるイオンビームを互いにほぼ平行に矯正するものであることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
イオン源と、該イオン源からのイオンビームが真空容器を介して導入され、そのイオンビームを中性化する中性化セルとを備えた核融合炉用中性粒子ビーム入射装置において、前記イオン源は、請求項１に記載されたイオン源であることを特徴とする核融合炉用中性粒子ビーム入射装置。
【請求項３】
イオン源と、該イオン源からのイオンビームが照射される試料が配置されている照射室とを備え、プラズマから引き出したイオンビームを前記試料に照射し、前記試料の材料改質や材料加工を行うイオンビームのプロセス装置において、前記イオン源は、請求項１に記載されたイオン源であることを特徴とするイオンビームプロセス装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ中からイオンをビームとして引き出すイオン源と、そのイオン源を用いて所定の作業を行う核融合炉用中性粒子ビーム入射装置及びイオンビームプロセス装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のイオン源の構成を図９及び図１０に示す。同図におけるイオン源Ａは、放電によりプラズマを発生させる放電室１と、該放電室１内のプラズマからイオン８をビームとして静電的に引き出す三枚の多孔電極５〜７とを有している。
【０００３】
そして、陽極である放電室１と、その内部に取付けられてかつ陰極であるフィラメント２との間で直流放電することによりプラズマを発生させ、該放電室１で発生したプラズマから多孔電極５，６，７によりイオンビーム８として静電的に外部に引き出され、図９に示す如き直線的なイオンビーム８の出射経路をとることとなる。
【０００４】
この場合、放電室１の両側（図９において上下位置）には永久磁石３が設置され、該永久磁石３により放電室１内にフィルター磁場Ｂを発生させ、放電室１内において磁場Ｂと最も放電室１寄りの位置に配置された多孔電極５との間に負イオン生成領域４を形成することにより、ここで負イオンの生成に適切な温度の低い電子だけを存在させ、放電室１内での負イオンの生成を効率的に行わせる。
【０００５】
三枚の多孔電極５，６，７は、図１０に示すように、絶縁体によりイオンビーム８の引き出し方向に沿って配設され、何れも複数個のビーム引き出し孔９が設けられている。ビーム引き出し孔９は、各電極５〜７毎に横一列に所定の間隔をもって複数個設けられると共に、それを上下複数段にわたり設けられている。
【０００６】
このようなイオン源Ａは、イオン打ち込み装置，ミリング装置，エッチング装置，スパッタ装置，成膜装置のようにプラズマから引き出したイオンビームを試料に照射し、試料の材料改質や材料加工を行ったり、あるいは薄膜を成形したりする等種々の処理を施すイオンビームプロセス装置に利用される他、核融合炉におけるプラズマを追加熱する中性粒子ビーム入射装置にも利用されている。
なお、上記イオン源を使用した従来例として、「リビュー  オブ  サイエンティフィック  インストゥルメンツ」  １９９５年  第２５４１頁〜第２５４６頁（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．Ｖｏｌ．６６（１９９５）ＰＰ．２５４１〜２５４６）において論じられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した如く、従来技術では、放電室１内で発生したプラズマから多孔電極５〜７によってイオンビーム８を引き出し、その際、放電室１の両側に設けた永久磁石３のフィルター磁場Ｂによって負イオン生成領域４を形成することにより、負イオンの生成に適切な温度の低い電子だけを存在させるようにしている。
【０００８】
しかしながら、永久磁石３によってフィルター磁場Ｂを形成すると、その磁場Ｂの影響により多孔電極５〜７によって引き出されるイオンビームとして、図１１に示す符号８ａのように偏向してしまい、本来引き出される直線的なイオンビーム８ｂに比較し、上方へ偏向してしまう問題がある。
【０００９】
そして、このイオンビーム８の偏向について詳細に検討したところ、各多孔電極５〜７においては中央部の磁場分布と磁石３に近い電極端部の磁場分布とが異なり、即ち、磁石３に近い電極端部の方が磁場の強さが強いものの、ビーム引き出し方向に磁場を線積分した値が磁場極性反転のため、電極中央部の方が大きくかつ電極端部の方が小さくなってしまい、そのため、電極中央部側の引き出し孔から引き出されるイオンビーム８ａが、電極端部側の引き出し孔から引き出されるイオンビーム８ｂより磁場による偏向角が大きく、従って、各多孔電極から引き出されたビームの出射方向が互いに平行とならない問題がある。なお、ここでいう電極中央部側とは、放電室１の両側に配置された一対の永久磁石３，３間の中央部に対応する位置であり、電極端部側とはその永久磁石３，３間の外側寄りに対応する位置を指している。また図９においては電極中央側のイオンビーム８ａ及び電極端部側のイオンビーム８ｂは、偏向角の違いを現すために表示の仕方を変えている。
【００１０】
本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、フィルター磁場を形成しているにも拘わらず、多孔電極から引き出されたイオンビームの偏向を確実に防止できるイオン源を提供することにあり、他の目的は、上記イオン源を利用した核融合炉用中性粒子ビーム入射装置及びイオンビームプロセス装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン源は、プラズマを発生させる放電室と、該放電室の両側に直交座標のＸ方向に対向させて配置され該放電室内にフィルター磁場を発生させる一対の磁石と、前記放電室内のプラズマからイオンビームを引き出す直交座標のＺ方向に間隔をあけて配設された複数枚の多孔電極とを備え、前記複数枚の多孔電極は、それぞれの電極面にＸ方向に配列された複数個の引き出し孔を有してなり、少なくとも前記放電室から最も遠い位置にある多孔電極のＸ方向に配列された複数個の引き出し孔の中心位置を、当該多孔電極のＸ方向の端部側の引き出し孔を基準として中央部側の引き出し孔に至るに従って直交座標のＹ方向に次第にずらして配置し、その配置は、前記一対の磁石によりイオンビームの引き出し方向に形成される磁場をＺ方向に線積分した値の大きさが前記多孔電極のＸ方向の端部側で小さく中央部側で大きいことにより生ずるイオンビームの偏向角の違いに対応したイオン源であって、前記多孔電極のX方向の端部側と中央部側から引き出されるイオンビームを互いにほぼ平行に矯正するものであることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１乃至図８により説明する。図１〜図３は本発明のイオン源の一実施例を示している。
本実施例のイオン源Ａは、プラズマを発生させる放電室１と、該放電室１内のプラズマからイオン８をビームとして引き出す複数枚の多孔電極５〜７とを有している。
【００１４】
放電室１の両側にはその内部を横切るフィルター磁場Ｂを形成するための永久磁石３が、図1に示した直交座標Ｘ、Ｙ、ＺのＸ方向に対向させて設置され、該磁石３により、放電室１内において電極５寄りの位置に負イオンの生成に適切な温度の低い電子を存在させるための負イオン生成領域４を形成するようにしている。多孔電極５〜７は、放電室１に隣接して絶縁体１５を介しイオンビーム８の引き出し方向である直交座標のＺ方向に沿い三枚配設され、これらにはビーム引き出し孔９が複数個穿設されている。このビーム引き出し孔９は、各多孔電極５〜７毎に横一列に複数個設けると共に、それを直交座標のＹ方向である上下に複数段にわたり同様に設けることによって形成される。
【００１５】
この実施例においては、図２及び図３に示すように、各多孔電極５〜７のうち、最も放電室１から遠い位置に配置された多孔電極７のビーム引き出し孔９を以下のように形成している。
【００１６】
即ち、この各段毎の複数個のビーム引き出し孔９のうち、端部側の引き出し孔９ｂから中央部側の引き出し孔９ａに至るに従い、該孔の中心軸９Ｘに対し各々の中心を次第に上方にずらすように穿設されている。この場合、ビーム引き出し孔９のずらす位置は、イオンビーム８の偏向角に基づいて選定され、そのため、イオンビーム８の偏向角を予め実験や計算等により求めておくことが望ましい。
【００１７】
このようなビーム引き出し孔９を有する多孔電極７をイオン源Ａに設置し、このイオン源Ａを運転した場合、多孔電極５，６，７によりイオンビーム８が引き出されると、永久磁石３によって発生するフィルター磁場Ｂの影響により、図３に示すような電極端部側のイオンビームに比較し、図２に示すように電極中央部側のイオンビームの偏向角が大きくなり、イオンビーム８のそれぞれの出射方向に偏向が生じる。このとき、前述の如く、多孔電極７に設けた複数個のビーム引き出し孔９のうち、各段毎の端部側の引き出し孔９ｂから中央部側の引き出し孔９ａに至るに従い、中心を次第に上方にずらして配置しているので、図２に示すように、その偏向したイオンビーム８ａが多孔電極７のビーム引き出し孔９を通過することにより、イオンビーム８ａを水平方向に矯正することができる。
【００１８】
そのため、電極中央部側のイオンビーム８ａの偏向角が電極端部側のイオンビーム８ｂより大きくなっても、電極中央部側のイオンビーム８ａの出射方向を多孔電極７により矯正できるので、電極中央部側のイオンビーム８ａと電極端部側のイオンビーム８ｂとを共に平行にでき、イオン源から最終的に引き出されるイオンビーム８の出射効率を向上させることができると共に、適切に制御することができる。
【００１９】
図４は本発明のイオン源Ａを核融合炉用の中性粒子ビーム入射装置に適用したものである。この核融合炉用中性粒子ビーム入射装置は、イオン源Ａによって出射されたイオンビーム８が真空容器１１及び中性化セル１２を経て中性化され、さらにポート１３を経て核融合装置１４に入射される。この場合、イオン源１０として、前述した実施例のものを適用すると、電極中央部側のイオンビーム８ａと電極端部側のイオンビーム８ｂとを共に平行にすることができ、イオン源Ａから最終的に引き出されるイオンビーム８を適正なものに制御することができるので、装置に対するイオンビームの入射効率を高めることができ、それだけ装置としての機能を向上することができる。
【００２０】
図５は図４の場合と同様、本発明のイオン源Ａをイオンビームプロセス装置に適用した実施例を示している。このイオンビームプロセス装置は、イオン源Ａの放電室４から複数枚の多孔電極５〜７によってイオンが引き出され、そのイオンビーム８が照射室１５に設置された試料１６上に照射されることにより、試料１６の材料そのものを改質したり、あるいは試料を所望形状に加工したり、さらには試料に薄膜を成膜したり等する。この場合もイオン源と前記図１〜図４に示す実施例のものを採用すると、試料１６に対するイオンビームの出射効率を高めることができるので、それだけプロセス装置としての機能を向上することができる。
【００２１】
なお、これまでの図示実施例では、イオン源Ａとして全て負イオンを発生させて引き出すタイプのものに適用した実施例を示したが、これに限定されるものではなく、正イオンを発生させるものに適用することもできる。例えば、図６において、放電室１内でプラズマが発生させるが、このプラズマ中の電子は、フィルター磁場によって拘束され、多孔電極５寄りの近傍位置には低電子温度領域４が形成される。このため、放電電力を上昇しても多孔電極５が高エネルギー電子照射の熱負荷による損傷を受けることが少なく、安定に長時間正イオン源を運転できるものである。
この場合、フィルター磁場Ｂによるビーム偏向が発生しても、多孔電極７の引き出し孔９を前述した実施例の如く構成してビーム偏向を矯正でき、平行なビームを試料１６に対し均一に照射することができる。
【００２２】
以上の実施例においては、多孔電極７の端部側のビーム引き出し孔８ｂから中央部側のビーム引き出し孔８ａに至るに従い次第に大きくずれるように引き出し孔８を穿設した例を示したが、フィルター磁場の強度分布の相違に応じ、引き出し孔８の位置を種々変えることができる。
例えば、図７においては、イオンビーム８が電極中央部側より電極端部側で偏向角が大きい場合に対応したものであって、多孔電極７に設けられているビーム引き出し孔９のうち、電極中央部の引き出し孔９ａがずれておらず、そこから電極端部側に至るに従い次第に引き出し孔９ｂの位置を下方にずらすようにしている。
【００２３】
一方、図８においては、電極端部側のビーム引き出し孔９ｂから電極中央部側の引き出し孔９ａに至るに従いずれるようにしているが、ずれていても、電極端部側と電極中央部側との引き出し孔９が、中心軸９Ｘよりずれることがないようにしている。このようにすれば、多孔電極７におけるビーム引き出し孔９として、電極中心部側と電極端部側との間で中心軸９Ｘからのずれの絶対値が小さくなるので、イオンビーム８が多孔電極７と衝突するおそれを極力抑えることができ、それだけイオンビーム８の引き出し効率を上げ、イオンビームの出射効率をいっそう高めることができる。
【００２４】
なお図示実施例では、放電室１に設置されたプラズマ源として、フィラメントを使用した直流放電型のものを示したが、このプラズマ源の代わりにＲＦ放電，マイクロ波放電を用いたフィラメントレスタイプのプラズマ源に置き換えても、同様の作用効果を得ることができるのは勿論である。また、フィルター磁場を発生させるものとして永久磁石を用いて説明したが、コイルであっても同様である。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、多孔電極の端部側を通るイオンビームと多孔電極の中央部側を通るイオンビームとをほぼ平行に矯正することができ、電極中央部側のイオンビームの偏向角が電極端部側のイオンビームより大きくなっても、電極中央部側のイオンビームの出射方向を矯正できるので、電極中央部側のイオンビームと電極端部側のイオンビームとを共に平行にでき、イオン源から最終的に引き出されるイオンビームの出射効率を向上させることができると共に、適切に制御することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるイオン源を負イオン源に適用した一実施例を示す一部破断の斜視図。
【図２】同じくイオン源の多孔電極とイオンビームとの関係を示す電極中央部における垂直断面説明図。
【図３】同じくイオン源の多孔電極とイオンビームとの関係を示す電極端部における垂直断面説明図。
【図４】本発明によるイオン源を核融合炉用の中性粒子ビーム入射装置に適用した例を示す説明図。
【図５】本発明によるイオン源をイオンビームプロセス装置に適用した例を示す説明図。
【図６】本発明によるイオン源を、正イオン源を有するイオンビームプロセス装置に適用した例を示す説明図。
【図７】多孔電極におけるビーム引き出し孔の位置の変形例を示す説明図。
【図８】同じくビーム引き出し孔の位置の変形を示す示す説明図。
【図９】従来のイオン源の一構成例を示す説明図。
【図１０】同じく従来のイオン源の説明用斜視図。
【図１１】従来のイオン源におけるイオンビームの偏向状態を示す説明図。
【符号の説明】
Ａ…イオン源、１…放電室、５〜７…多孔電極、８…イオンビーム、８ａ…電極中央部側のイオンビーム、８ｂ…電極端部側のイオンビーム、９…ビーム引き出し孔、９ａ…電極中央部側のビーム引き出し孔、９ｂ…電極端部側のビーム引き出し孔。
【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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