(57)【要約】【課題】イオン源の信頼性を高める。【解決手段】イオン源１０は、引出開口２４が設けられるイオン引出部２２と、イオン引出部２２から軸方向に延びる側壁部２０とを有し、高電位が印加されるプラズマ室１２と、側壁部２０の外周を囲うようにして側壁部２０から離れて軸方向に延びる絶縁部材５２と、絶縁部材５２の内側面５２ｂに設けられる導電部材５４と、絶縁部材５２の外側面５２ａに設けられる保護部材５６と、イオン引出部２２の近傍においてプラズマ室１２と絶縁部材５２の間の空間を塞ぐように設けられる遮蔽部材５８と、絶縁部材５２の外側に設けられ、プラズマ室１２内に磁場を発生させる磁場発生器１６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン引出開口が設けられるイオン引出部と、前記イオン引出部から軸方向に延びる側壁部とを有し、高電位が印加されるプラズマ室と、
前記側壁部の外周を囲うようにして前記側壁部から離れて前記軸方向に延びる絶縁部材と、
前記絶縁部材の内側面に設けられる導電部材と、
前記絶縁部材の外側面に設けられる保護部材と、
前記イオン引出部の近傍において前記プラズマ室と前記絶縁部材の間の空間を塞ぐように設けられる遮蔽部材と、
前記絶縁部材の外側に設けられ、前記プラズマ室内に磁場を発生させる磁場発生器と、を備えることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記遮蔽部材は、前記側壁部または前記イオン引出部から前記軸方向に直交する径方向の外側に延びることを特徴とする請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記イオン引出部と前記軸方向に対向する引出電極をさらに備え、
前記遮蔽部材は、前記絶縁部材の端部と前記引出電極の間に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載のイオン源。
【請求項４】
前記遮蔽部材は、前記絶縁部材の前記内側面の位置よりも前記軸方向に直交する径方向の外側に延びることを特徴とする請求項３に記載のイオン源。
【請求項５】
前記遮蔽部材は、前記遮蔽部材を貫通する少なくとも一つの通気孔を有す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イオン源。
【請求項６】
前記遮蔽部材を加熱する加熱機構をさらに備え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イオン源。
【請求項７】
前記遮蔽部材は、引出電極に対向する外面と、前記外面と反対側の内面とを有し、
前記加熱機構は、電気的に発熱する発熱体を有し、前記遮蔽部材の前記内面に取り付けられることを特徴とする請求項６に記載のイオン源。
【請求項８】
前記加熱機構は、前記遮蔽部材の前記内面と前記発熱体との間に設けられる絶縁体を有することを特徴とする請求項７に記載のイオン源。
【請求項９】
前記絶縁部材は、前記絶縁部材の外側面または前記保護部材が前記磁場発生器に接するように設けられることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記絶縁部材の端部は、凹凸構造を有することを特徴とする請求項９に記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ室の外周に設けられる磁場発生器によってプラズマ室に磁場を発生させてプラズマ室にプラズマを生成し、引出電極を用いてプラズマ室からイオンを引き出すよう構成されるイオン源が知られている。イオン源から引き出されたイオンは例えばイオン注入処理のために使用される。プラズマ室から効率良くイオンを引き出すため、プラズマ室には高電圧を印加するための電源が接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−５５１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
イオン源は、イオン注入処理のための装置等に組み込んで用いられることから、スペース等の制約を考えると装置は小型であることが求められる。一方で、装置を小型化しようとすると、高電圧が印加されるプラズマ室とその周囲との絶縁の確保が困難となるおそれがある。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、イオン源の信頼性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様のイオン源は、引出開口が設けられるイオン引出部と、イオン引出部から軸方向に延びる側壁部とを有し、高電位が印加されるプラズマ室と、側壁部の外周を囲うようにして側壁部から離れて軸方向に延びる絶縁部材と、絶縁部材の内側面に設けられる導電部材と、絶縁部材の外側面に設けられる保護部材と、イオン引出部の近傍においてプラズマ室と絶縁部材の間を塞ぐように設けられる遮蔽部材と、絶縁部材の外側に設けられ、プラズマ室内に磁場を発生させる磁場発生器と、を備える。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明によれば、イオン源の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係るイオン源の構成を模式的に示す図である。
【図２】実施の形態に係るイオン源の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】比較例に係るイオン源において、プラズマ室と磁場発生器の間に生じる電界および磁場を模式的に示す図である。
【図４】絶縁部材及び導電部材を設けた場合における電界および反電界を模式的に示す図である。
【図５】絶縁部材によって放出される二次電子を模式的に示す図である。
【図６】実施の形態に係る保護部材が奏する効果を模式的に示す図である。
【図７】比較例に係るイオン源における絶縁部材の端部付近の様子を模式的に示す図である。
【図８】実施の形態に係る遮蔽部材が奏する効果を模式的に示す図である。
【図９】変形例に係るイオン源の構成を示す図である。
【図１０】変形例に係るイオン源の構成を示す図である。
【図１１】変形例に係るイオン源の構成を示す図である。
【図１２】変形例に係るイオン源の構成を示す図である。
【図１３】変形例に係るイオン源の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、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。
【００１１】
図１および図２は、実施の形態に係るイオン源１０の構成を模式的に示し、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面を示す。イオン源１０は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件を満たす磁場またはそれよりも高い磁場を印加したプラズマ室１２にマイクロ波電力Ｃを入力し、高密度プラズマを生成してイオンを引き出すマイクロ波イオン源である。イオン源１０は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマ室１２の外部へイオンを引き出すように構成されている。
【００１２】
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。イオン源１０は例えば、一価イオン源として使用される。また、イオン源１０は、プロトン加速器のためのイオン源、またはＸ線源としても使用されうる。
【００１３】
よく知られるように、ＥＣＲ条件を満たす磁場の強さは使用されるマイクロ波の周波数に対し一意に定まり、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合には８７．５ｍＴ（８７５ガウス）の磁場が必要である。以下では説明の便宜上、ＥＣＲ条件を満たす磁場を、共鳴磁場と呼ぶことがある。
【００１４】
イオン源１０は、プラズマ室１２と、磁場発生器１６と、真空容器１８を備える。プラズマ室１２および磁場発生器１６は、真空容器１８の内部に収容される。
【００１５】
プラズマ室１２は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている真空チャンバである。プラズマ室１２の内部空間を以下では、プラズマ生成空間１４と呼ぶことがある。
【００１６】
プラズマ室１２は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマ室１２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、軸方向を包囲する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１２が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。また、プラズマ室１２の軸方向長さは、プラズマ室１２の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。
【００１７】
プラズマ室１２は、イオン引出部２２と、マイクロ波導入部２６と、を備える。イオン引出部２２とマイクロ波導入部２６とは、プラズマ生成空間１４を挟んで対向している。
【００１８】
また、プラズマ室１２は、イオン引出部２２とマイクロ波導入部２６とを接続し、プラズマ生成空間１４を囲む側壁部２０を備える。イオン引出部２２およびマイクロ波導入部２６それぞれの外周部分に側壁部２０が固定されている。側壁部２０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。
【００１９】
なお側壁部２０は、側壁部２０を冷却するための冷却部を備えてもよい。この冷却部は側壁部２０に内蔵されていてもよいし、側壁部２０の外側に付設されていてもよい。また、プラズマ室１２の側壁部２０をプラズマから保護するために、側壁部２０の内面を被覆する（例えば窒化ホウ素の）ライナが設けられていてもよい。
【００２０】
マイクロ波導入部２６、イオン引出部２２、及び側壁部２０によってプラズマ室１２の中にプラズマ生成空間１４が画定されている。なお、プラズマ室１２は、マイクロ波導入部２６、イオン引出部２２、及び側壁部２０が一体にプラズマ生成空間１４を囲むよう構成されているから、イオン引出部２２に接続される側壁部２０の末端はイオン引出部２２の一部であるとみなすこともできる。同様に、マイクロ波導入部２６に接続される側壁部２０の末端はマイクロ波導入部２６の一部であるとみなすこともできる。
【００２１】
プラズマ室１２は例えば円筒形状を有する。この場合、マイクロ波導入部２６及びイオン引出部２２は概ね円板形状であり、側壁部２０は概ね円筒である。なおプラズマ室１２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。
【００２２】
マイクロ波導入部２６は、真空窓３２を備える。真空窓３２はプラズマ室１２の内部を真空に封じる。真空窓３２の一方の側がプラズマ生成空間１４に面しており、真空窓３２の他方の側がマイクロ波供給系または導波管３０に向けられている。マイクロ波の伝搬方向Ｃは真空窓３２に垂直である。本実施の形態では真空窓３２はマイクロ波導入部２６の全体を占めているが、真空窓３２はマイクロ波導入部２６の一部（例えば中心部）に形成されていてもよい。
【００２３】
プラズマ室１２へのマイクロ波の入射電力は例えば、約１００Ｗより大きい。あるいは、プラズマ室１２へのマイクロ波の入射電力は、約５００Ｗ以上または約１ｋＷ以上でもよい。このような高電力のマイクロ波の供給には、同軸線のような他の供給手段に比べて、導波管３０及び真空窓３２が適する。
【００２４】
真空窓３２は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または窒化ホウ素（ＢＮ）などの誘電体で形成されている。なお、真空窓３２はアルミナ層と窒化ホウ素層からなる二層構造を有していてもよい。例えば、アルミナからなる真空窓３２のうち、プラズマ生成空間１４に接する面に窒化ホウ素層を設ける。これにより、真空窓３２を被覆する窒化ホウ素層は、プラズマ室１２の外から引出開口２４を通じてプラズマ室１２に逆流する電子から真空窓３２を保護する。
【００２５】
一方、イオン引出部２２には少なくとも一つの引出開口２４が形成されている。引出開口２４は例えば、紙面に垂直な方向に細長いスリットである。引出開口２４はイオン引出部２２の中心部分に形成されている。引出開口２４は、プラズマ生成空間１４を挟んで真空窓３２に対向する位置に形成されている。真空窓３２、プラズマ生成空間１４、及び引出開口２４は、プラズマ室１２の中心軸に沿って配列されている。
【００２６】
プラズマ室１２は、正の高電圧を印加するための電源６２に接続される。プラズマ室１２に高電圧が印加されるとき、その一部であるイオン引出部２２にも同じ高電圧が印加されるので、イオン引出部２２はプラズマ電極と呼ばれることもある。
【００２７】
引出開口２４の軸方向外側には、イオンをプラズマ室１２の外に引き出すための少なくとも一つの引出電極４０を有する引出電極系が設けられる。引出電極４０は、イオン引出部２２との間に軸方向に引出ギャップ４２を有して対向する。引出電極４０は、例えば環状に形成されており、プラズマ室１２から引き出されたイオンを通すための開口部４４をその中心部分に有する。また、引出電極系は、引出電極４０に電位を印加するための引出電源（図示せず）を備える。
【００２８】
磁場発生器１６は、プラズマ室１２の中心軸上において軸方向に向けられた磁場を発生させるために、プラズマ室１２の側壁部２０を囲むように配設されている。その磁力線方向を図１に矢印Ｂで示す。磁場発生器１６による磁力線方向Ｂは、マイクロ波の伝搬方向Ｃと同一の方向である。また、この磁場Ｂは、プラズマ室１２の中心軸上の少なくとも一部分において共鳴磁場またはそれよりも高強度である。なお、磁場発生器１６は、プラズマ室１２の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場よりも低い磁場を発生させることも可能である。
【００２９】
磁場発生器１６は、環状に形成されるコイルを有し、プラズマ室１２の周方向に導線が巻かれている。磁場発生器１６は、コイルに電流を流すためのコイル電源（図示せず）を有する。なお、磁場発生器１６は、プラズマ室１２の軸方向に沿って複数配列されていてもよく、コイルの代わりに永久磁石を備えてもよい。
【００３０】
磁場発生器１６は、例えば真空容器１８の内壁に直に取り付けられて接地される。このため、接地される磁場発生器１６と、電源６２に接続されるプラズマ室１２とに異なる電位が与えられる。本実施の形態においては、電位の異なるプラズマ室１２と磁場発生器１６の間の絶縁性を高めるため、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の領域に絶縁機構５０が設けられる。
【００３１】
絶縁機構５０は、絶縁部材５２と、導電部材５４と、保護部材５６と、遮蔽部材５８とを有する。
【００３２】
絶縁部材５２は、側壁部２０の外周を囲うように設けられる。また、絶縁部材５２は、側壁部２０と径方向に離れて設けられており、円筒状のプラズマ室１２に対応して円筒形状を有する。また、絶縁部材５２は、磁場発生器１６からも径方向に離れて設けられる。絶縁部材５２は、絶縁性および耐熱性のある材料で形成されており、例えばアルミナ等のセラミックス材料や、ポリイミドなどの樹脂材料が用いられる。
【００３３】
絶縁部材５２の外側面５２ａには、保護部材５６が設けられ、内側面５２ｂには導電部材５４が設けられる。絶縁部材５２は、マイクロ波導入部２６に設けられるフランジ部２８によって支持される。絶縁部材５２は、図示しない固定部材によってプラズマ室１２の外周に固定されてもよい。
【００３４】
導電部材５４は、絶縁部材５２の内側面５２ｂを覆うように設けられる。また、導電部材５４は、沿面放電を防止するため、引出電極４０の近くに位置する第１端部５２ｃや、マイクロ波導入部２６のフランジ部２８の近くに位置する第２端部５２ｄを避けて設けられる。導電部材５４は、導電性および熱伝導性の高い材料で構成されることが望ましく、例えば銅（Ｃｕ）などの非磁性金属材料で形成される。導電部材５４は、マイクロ波導入部２６や図示しない固定部材等により、プラズマ室１２と電気的に接続される。したがって、導電部材５４は、高電圧が印加されるプラズマ室１２と同電位とされる。導電部材５４は、絶縁部材５２の内側面５２ｂとプラズマ室１２との間の電位差をなくして、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間に電界が生じないようにする。
【００３５】
保護部材５６は、絶縁部材５２の外側面５２ａに設けられる。保護部材５６は、絶縁部材５２と比べて二次電子放出係数の低い材料で構成されることが望ましく、例えば銅やアルミニウム（Ａｌ）などの非磁性金属材料で形成される。保護部材５６は、外側面５２ａのうち特に磁場発生器１６に対向する位置に設けられ、沿面放電を防止するために第１端部５２ｃおよび第２端部５２ｄの近くを避けて設けられる。
【００３６】
遮蔽部材５８は、イオン引出部２２の近傍において、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間の空間を塞ぐように設けられる。遮蔽部材５８は、図１に示されるように、プラズマ室１２の側壁部２０またはイオン引出部２２から径方向外側に向けて延在する板状部材であり、その厚さ方向が軸方向となるように設けられる。遮蔽部材５８は、イオン引出部２２の引出面２２ａと段差を形成するように設けられるが、変形例においては、引出面２２ａと連続した平面を形成するように設けられてもよい。また遮蔽部材５８は、図２に示されるように周方向に連続してプラズマ室１２を取り囲むように設けられる。
【００３７】
遮蔽部材５８は、絶縁部材５２の第１端部５２ｃと引出電極４０の間の位置に設けられ、絶縁部材５２の第１端部５２ｃが引出電極４０から見えないように第１端部５２ｃを遮る位置に設けられる。いいかえれば、遮蔽部材５８は、絶縁部材５２の内側面５２ｂの位置よりも径方向の外側に突出するようにして設けられる。これにより、イオン源１０の運転時に比較的高温となる引出電極４０からの輻射熱から絶縁部材５２を保護するとともに、引出電極４０から飛散するスパッタ粒子が絶縁部材５２に付着することを防ぐ。スパッタ粒子の付着を防ぐことで、第１端部５２ｃの表面に導電膜が形成されて沿面放電が発生することを抑制することができる。
【００３８】
遮蔽部材５８は、導電性および耐熱性に優れた材料で構成されることが望ましく、グラファイト（Ｃ）などの高融点材料を用いることが望ましい。遮蔽部材５８は、プラズマ室１２と電気的に接続され、高電圧が印加されるプラズマ室１２と同電位とされる。これにより、イオン引出部２２の近傍において、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間に生じる電界を小さくする。なお、遮蔽部材５８は、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間の開口を完全に塞ぐ必要はなく、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間に隙間６０があるようにして設けられる。また、遮蔽部材５８には、遮蔽部材５８を貫通する通気孔５８ａが複数設けられる。このように、通気孔５８ａや隙間６０を設けることで、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間にある空気を抜きやすくし、真空容器１８の真空引きにかかる時間が長くならないようにする。
【００３９】
遮蔽部材５８には、加熱機構８０が取り付けられる。加熱機構８０は、遮蔽部材５８を加熱して引出電極４０から飛散するスパッタ粒子が遮蔽部材５８に付着するのを防ぐ。加熱機構８０は、引出電極４０と対向する遮蔽部材５８の外面５８ｂではなく、外面５８ｂとは反対側の内面５８ｃに設けられる。引出電極４０から飛散するスパッタ粒子から加熱機構８０を保護するためである。加熱機構８０は、遮蔽部材５８を均一に加熱できるように、周方向にリング状に延びる遮蔽部材５８に沿って周方向に間隔をあけて複数配置される。なお、加熱機構８０は、遮蔽部材５８に沿って周方向に延在するように設けられてもよい。
【００４０】
加熱機構８０は、発熱体８２と絶縁体８４を有する。発熱体８２は、通電により発熱する抵抗発熱体である。発熱体８２は、例えば、ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、カーボン（Ｃ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などで構成される。絶縁体８４は、高電位が印加される遮蔽部材５８と発熱体８２の間の電気的な絶縁を確保する部材である。絶縁体８４は、熱伝導性の高い部材であることが好ましく、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などのセラミック材料で構成される。絶縁体８４は、遮蔽部材５８の内面５８ｃに固定される。絶縁体８４は、銀ペーストなどの高熱伝導性の接着剤等で内面５８ｃに固定されるのが望ましい。
【００４１】
加熱機構８０は、図示されるように絶縁体８４の外表面に取り付けられた発熱体８２により絶縁体８４を加熱して遮蔽部材５８を加熱する。変形例においては、絶縁体８４の内部に発熱体８２が埋め込まれていてもよい。例えば、加熱機構８０として、絶縁体８４の内部に発熱体８２が埋め込まれたセラミックヒータなどを用いてもよい。
【００４２】
つづいて、本実施の形態に係る絶縁機構５０が奏する効果について述べる。まず、図３〜図６を参照しながら、絶縁部材５２、導電部材５４及び保護部材５６を設けることによる効果について述べる。次に、図７および図８を参照しながら、遮蔽部材５８を設けることによる効果について述べる。
【００４３】
図３は、比較例に係るイオン源において、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間に生じる電界Ｅおよび磁場Ｂを模式的に示す図である。比較例は、絶縁部材５２が設けられていない点で本実施の形態とは異なる。図示されるように、電位の異なるプラズマ室１２と磁場発生器１６の間には、径方向に電界Ｅが生じるとともに、磁場発生器１６による磁場Ｂが電界Ｅに交差する軸方向に生じている。そのため、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の領域に存在する電子は、直交する磁界Ｂと電界Ｅにより電子がドリフトして加速される。
【００４４】
また、プラズマ室１２および磁場発生器１６は真空容器内に設けられていることから、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の領域は、真空中に微量の残留ガスが存在する。このため、ドリフトして加速された電子が衝突することにより残留ガスがイオン化され、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の領域にプラズマＰが発生することとなる。そうすると、発生したプラズマＰによりプラズマ室１２と磁場発生器１６の間に電流が流れ、絶縁が確保できなくなるおそれがある。また、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間に電流が流れると、プラズマ室１２を高電圧に印加する電源６２に影響を及ぼすおそれがある。
【００４５】
図４は、絶縁部材５２及び導電部材５４を設けた場合における電界Ｅ０および反電界Ｅ１を模式的に示す図である。プラズマ室１２と磁場発生器１６の間に絶縁部材５２を設けた場合においても、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の領域に生じる電界と磁場の相互作用により、一時的にプラズマが発生しうる。発生したプラズマは、電界Ｅ０の影響を受けて磁場発生器１６の表面１６ａにイオンが付着し、電子が絶縁部材５２の外側面５２ａに付着する。そのため、磁場発生器１６の表面１６ａは正に、絶縁部材５２の外側面５２ａは負に帯電することとなる。
【００４６】
このとき、プラズマに起因する電子は絶縁部材５２の外側面５２ａに帯電して留まるため、プラズマ室１２と磁場発生器１６との間で絶縁性を保つことができる。また帯電によって、磁場発生器１６と絶縁部材５２の電位差に起因する電界Ｅ０を低減させる方向に反電界Ｅ１が生じるため、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の領域の電界は小さくなる。したがって、絶縁部材５２を間に設けることにより、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の領域の電界を小さくし、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の領域におけるプラズマの継続的な発生を防ぐことができる。これにより、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の放電を抑え、両者間の絶縁性を高めることができる。具体的には、絶縁部材５２を設けることにより、プラズマ室１２と磁場発生器１６との間に流れる電流値を１／１００程度にまで低減させることができる。
【００４７】
図５は、絶縁部材５２によって放出される二次電子７４を模式的に示す図である。なお本図は、図４に示す構成と同じである。絶縁部材５２の外側面５２ａには、一時的なプラズマの発生により電子７２が衝突する。このとき、絶縁部材５２には電界Ｅと磁界Ｂの相互作用により加速された電子７２が衝突することから、絶縁部材５２は損傷を受けるとともに、その衝突エネルギーによって絶縁部材５２は二次電子７４を放出しうる。さらに、絶縁部材５２から放出される二次電子７４は、絶縁部材５２に引き戻されて衝突し、新たな二次電子７４を放出しうる。このように繰り返し二次電子７４が衝突することとなると、絶縁部材５２が劣化して絶縁性能が低下していく。そうすると、経年劣化によって絶縁を確保できなくなるおそれがある。
【００４８】
そこで、本実施の形態では、絶縁部材５２の外側面５２ａに二次電子放出係数の低い材料で構成される保護部材５６を外側面５２ａに設けることとする。保護部材５６を設けることで、二次電子放出を抑えて絶縁部材５２の劣化を防ぐ。
【００４９】
図６は、実施の形態に係る保護部材５６が奏する効果を模式的に示す図である。本実施の形態では、絶縁部材５２の外側面５２ａに保護部材５６が設けられる。そのため、電界Ｅと磁界Ｂの相互作用により加速された電子７２は、主に保護部材５６に衝突することとなる。保護部材５６は、二次電子放出係数が低いため、電子７２が衝突した場合でも二次電子７４の発生を低減させることができる。これにより、繰り返し電子が衝突することによる絶縁部材５２の劣化を防ぐことができ、絶縁性を維持することができる。
【００５０】
また、保護部材５６は、磁場発生器１６が位置する中央の領域Ｗ１に設けられる。この中央の領域Ｗ１は、プラズマ室１２から磁場発生器１６に向かう磁界Ｅが軸方向にほぼ直交し、磁場Ｂは軸方向にほぼ平行であることから、電界Ｅと磁場Ｂがほぼ直交する領域に相当する。電子７２がドリフトにより加速する度合いは、電界Ｅと磁場Ｂの外積の値に比例することから、この中央の領域Ｗ１では電子が加速されやすく、それによりプラズマが発生しやすい領域となっている。本実施の形態では、プラズマが発生しやすい領域に保護部材５６を設けるため、絶縁部材５２を効果的に保護することができる。
【００５１】
一方、保護部材５６は、絶縁部材５２の両端に相当する端部領域Ｗ２を避けて設けられる。仮に、絶縁部材５２の端部領域Ｗ２を含めて保護部材５６を設けることとすると、絶縁部材５２の端部において導電部材５４と保護部材５６とが近接し、沿面放電を起こしやすくなる。沿面放電が起きると、プラズマ室１２と磁場発生器１６との間で絶縁を確保できなくなる。本実施の形態では、絶縁部材５２の端部を避けて保護部材５６を設けることで、沿面放電の発生を抑制して絶縁を確保することができる。同様に、導電部材５４についても絶縁部材５２の端部領域Ｗ２を避けて設けることで、沿面放電の発生が抑制される。
【００５２】
つづいて、遮蔽部材５８を設けることによる効果について述べる。図７は、比較例に係るイオン源における絶縁部材５２の端部付近の様子を模式的に示す図であり、本実施の形態に係る遮蔽部材５８が設けられない場合の例を示す。上述のように、絶縁部材５２の端部領域Ｗ２には、沿面放電を避けるために導電部材５４及び保護部材５６が設けられていない。そのため、端部領域Ｗ２の近傍では、プラズマ室１２と絶縁部材５２の内側面５２ｂが同電位であるとは言えず、高電位のプラズマ室１２から接地される磁場発生器１６や真空容器１８に向かう電界Ｅがある程度生じうる。その結果、端部領域Ｗ２の近傍において電界Ｅと磁場Ｂがほぼ直交する状態で存在し、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間の空間にプラズマＰが発生しうる。そうすると、発生したプラズマＰによりプラズマ室１２と磁場発生器１６や真空容器１８の間に電流が流れ、絶縁が確保できなくなるおそれが生じる。
【００５３】
また、プラズマ室１２の引出開口２４から引出電極４０によって引き出されるイオンビームＩＢを構成するイオンのうち一部のイオン７６は、引出電極４０の開口部４４を通過せず、引出電極４０の表面に衝突する。引出電極４０に衝突するイオン７６は、引出電極４０をスパッタさせ、スパッタ粒子７８を生じさせる。このようにして生じたスパッタ粒子７８の一部は、引出電極４０の近傍に位置する絶縁部材５２の第１端部５２ｃに向かって飛散し、絶縁部材５２の表面に付着する。引出電極４０は、グラファイトやステンレス鋼などの導電性材料で構成されるため、絶縁部材５２に付着するスパッタ粒子７８は導電膜を形成しうる。そうすると、形成された導電膜を通じて沿面放電が生じ、絶縁部材５２の外側面５２ａと内側面５２ｂの間の絶縁性を確保できなくなるおそれが生じる。
【００５４】
図８は、実施の形態に係る遮蔽部材５８が奏する効果を模式的に示す図であり、図７と同様に、イオン源１０における絶縁部材５２の端部付近の様子を示す。本実施の形態によれば、イオン引出部２２の近傍においてプラズマ室１２と絶縁部材５２の間を塞ぐように、プラズマ室１２から径方向外側へと延在する遮蔽部材５８が設けられる。遮蔽部材５８を設けることで、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間のうち端部領域Ｗ２に位置する空間を電位が共通であるプラズマ室１２、導電部材５４及び遮蔽部材５８により囲うことができる。これにより、図７に示されるような端部領域Ｗ２における電界Ｅを低減し、プラズマ室１２と絶縁部材５２の空間におけるプラズマの発生を抑制できる。
【００５５】
また、本実施の形態によれば、引出電極４０から絶縁部材５２の第１端部５２ｃに向けて飛散するスパッタ粒子７８を遮るように遮蔽部材５８が設けられる。したがって、遮蔽部材５８により、絶縁部材５２の第１端部５２ｃにスパッタ粒子７８が付着して導電膜が形成されることを抑制できる。これにより、絶縁部材５２の外側面５２ａと内側面５２ｂの間の絶縁性を確保できる。
【００５６】
また、本実施の形態によれば、遮蔽部材５８と絶縁部材５２が接触しないように隙間６０が設けられるため、絶縁部材５２を介して保護部材５６と遮蔽部材５８の間で沿面放電が生じることを防ぐことができる。また、隙間６０および通気孔５８ａを設けられるため、真空引きをする際にプラズマ室１２と絶縁部材５２の空間から気体を排出しやすくすることができる。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、加熱機構８０によって遮蔽部材５８が加熱されるため、遮蔽部材５８の外面５８ｂにスパッタ粒子７８やイオン源１０に導入される原料ガス（例えば、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＢＦ３）が付着して導電膜が形成されるのを抑制できる。遮蔽部材５８の外面５８ｂに導電膜が堆積すると、堆積した導電膜を介して遮蔽部材５８と対向する引出電極４０の間に放電が発生しうる。そうすると、遮蔽部材５８およびプラズマ室１２を適切な電位に保つことができなくなり、引出開口２４からのイオンの引き出しに影響が生じうる。本実施の形態によれば、加熱機構８０により遮蔽部材５８が高温になるため、遮蔽部材５８をスパッタ粒子７８や原料ガスの付着しにくい状態にできる。また、遮蔽部材５８にいったん付着したスパッタ粒子や原料ガスを昇華させることのできる状態にできる。これにより、遮蔽部材５８に導電膜が形成されるのを抑制し、遮蔽部材５８と引出電極４０の間の絶縁性を確保することができる。
【００５８】
また、本実施の形態によると、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間に絶縁部材５２が設けられるため、絶縁部材５２を用いない場合と比べて、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の距離を短くできる。絶縁部材５２を用いない場合、絶縁のためにプラズマ室１２と磁場発生器１６との間の距離を稼ぐ必要があるためである。本実施の形態によれば、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間の距離を短くすることができるため、イオン源１０をより小型化することできる。また、プラズマ室１２と磁場発生器１６の双方が真空容器１８の内部に格納されるため、磁場発生器１６を真空容器１８の外部に設ける場合と比べて、磁場発生器１６を小型化することができる。
【００５９】
また、本実施の形態によると、磁場発生器１６を接地電位にすることができるため、絶縁材を介することなく、接地された真空容器１８に用意に取り付けることができる。仮に、磁場発生器１６をプラズマ室１２と同じ高電位にすれば、プラズマ室１２と磁場発生器１６の間に電界が生じないため、この間の領域おけるプラズマの発生を抑制することができる。しかしながら、磁場発生器１６を高電位に浮かせるためには、磁場発生器１６のコイル電源を接続するための絶縁トランス等が必要となるため、イオン源１０の大型化につながる。本実施の形態においては、磁場発生器１６が接地電位であるため絶縁トランスを設ける必要がなく、その結果、イオン源１０を小型化することができる。
【００６０】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００６１】
（変形例１）
図９は、変形例に係るイオン源１１０の構成を示す図である。本変形例においては、径方向に延在する第１部材１５８ｂと、軸方向に延在して絶縁部材５２を支持する第２部材１５８ｃを有する遮蔽部材１５８が設けられる点で上述の実施の形態と相違する。第１部材１５８ｂは、上述の実施の形態に係る遮蔽部材５８と同等の部材である。第２部材１５８ｃは、第１部材１５８ｂから分岐して絶縁部材５２の内側面５２ｂに沿って軸方向に延びる。第２部材１５８ｃは、導電部材５４または第２部材１５８ｃによって絶縁部材５２の内側面５２ｂが被覆されない領域Ｗ３が生じるように設けられる。本変形例においても、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、本変形例によれば、絶縁部材５２が遮蔽部材１５８により支持されるため機械的強度を高めることができる。なお、さらなる変形例においては、導電部材５４と第２部材１５８ｃとが接触するように設けられてもよい。
【００６２】
（変形例２）
図１０は、変形例に係るイオン源２１０の構成を示す図である。本変形例においては、遮蔽部材２５８が絶縁部材５２からプラズマ室１２に向かって径方向内側に延在する点で上述の実施の形態と異なる。遮蔽部材２５８は、絶縁部材５２または導電部材５４に固定され、イオン引出部２２の近傍において径方向に延在する。遮蔽部材２５８は、導電部材５４と少なくとも電気的に接続され、プラズマ室１２と同じ電位が印加される。遮蔽部材２５８は、絶縁部材５２の第１端部５２ｃを少なくとも部分的に覆うように設けられる。遮蔽部材２５８とプラズマ室１２の間には、隙間２６０が設けられる。
【００６３】
本変形例においても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また本変形例によれば、絶縁部材５２の内側面５２ｂが導電部材５４によって第１端部５２ｃまで覆われるため、プラズマ室１２と絶縁部材５２の間の電界を抑制する効果を高めることができる。
【００６４】
なお、さらなる変形例においては、プラズマ室１２に接触するように遮蔽部材２５８を延在させ、プラズマ室１２と絶縁部材２５２の間が完全に塞がれるようにしてもよい。この場合には、遮蔽部材２５８には少なくとも一つの通気孔を設けることが望ましい。
【００６５】
（変形例３）
図１１は、変形例に係るイオン源３１０の構成を示す図である。本変形例においては、遮蔽部材３５８が絶縁部材５２と引出電極４０の間の位置ではなく、絶縁部材５２の第１端部５２ｃと同じ位置もしくは内側に設けられる点で上述の実施の形態と相違する。遮蔽部材３５８は、軸方向の位置が絶縁部材５２の第１端部５２ｃの近傍もしくは端部領域Ｗ２の範囲内となるように設けられる。また、絶縁部材５２と遮蔽部材３５８の間には隙間３６０が設けられる。遮蔽部材３５８を端部領域Ｗ２に設けることで、端部領域Ｗ２におけるプラズマ室１２と絶縁部材５２の間の電界を低減することができる。したがって、本変形例においても、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。さらなる変形例においては、隙間３６０が設けられず、遮蔽部材３５８が絶縁部材５２と接触してもよい。この場合には、遮蔽部材３５８に通気孔を設けることが好ましい。
【００６６】
（変形例４）
図１２は、変形例に係るイオン源４１０の構成を示す図である。本変形例は、磁場発生器１６と保護部材４５６の間に空間が設けられず、保護部材４５６が磁場発生器１６に接触している点で上述の実施の形態と相違する。絶縁部材４５２は、磁場発生器１６との間の空間を埋めるように径方向に厚く設けられる。保護部材４５６は、磁場発生器１６と電気的に接続されて接地される。プラズマ室１２と内側面４５２ｂの導電部材４５４の間には、プラズマ室１２のフランジに起因する空間が設けられる。遮蔽部材４５８は、絶縁部材４５２の第１端部４５２ｃを覆うように径方向に延在する。遮蔽部材４５８は、通気孔４５８ａを有し、絶縁部材４５２との間に隙間４６０が設けられる。本変形例によれば、磁場発生器１６と絶縁部材４５２の間に空間が設けられないため、磁場発生器１６と絶縁部材４５２の間の空間におけるプラズマの発生を防ぐことができる。
【００６７】
さらなる変形例では、磁場発生器１６と絶縁部材４５２の間に保護部材４５６を設けないこととし、磁場発生器１６と絶縁部材４５２の外側面４５２ａが直接接触するようにしてもよい。このとき、絶縁部材４５２の外側面４５２ａのうち磁場発生器１６と直接接触しない領域に保護部材４５６を設けることが好ましい。
【００６８】
（変形例５）
図１３は、変形例に係るイオン源５１０の構成を示す図である。本変形例においては、磁場発生器１６と保護部材５５６の間に空間が設けられず、保護部材５５６が磁場発生器１６に接触している点で上述の変形例４と共通する。一方で、遮蔽部材５５８が絶縁部材５５２の第１端部５５２ｃを覆うように設けられず、代わりに第１端部５５２ｃに凹凸構造５５３が設けられる点で上述の変形例４と相違する。凹凸構造５５３は、軸方向に凹または凸となるように設けられ、第１端部５５２ｃに沿って周方向に形成される。本変形例によれば、第１端部５５２ｃに凹凸構造５５３を設けることで、絶縁部材５５２の端面に沿った長さを大きくし、導電部材５５４と保護部材５５６の間の沿面放電の発生を抑制できる。
【００６９】
上述の実施の形態においては、プラズマ室１２の形状を筒状としたが、プラズマ室１２の形状はこれに限られない。例えば、図１のＡ−Ａ断面に対応する形状が矩形状である直方体形状のプラズマ室１２としてもよい。この場合、絶縁部材５２の形状は、プラズマ室１２の外周の形状に対応するのではなく、磁場発生器１６のコイルの形状に対応させることが望ましい。磁場発生器１６のコイルからの径方向の距離が等しくなるように絶縁部材５２を配置することで、磁場発生器１６と絶縁部材５２との間の電界の強さを一定にし、局所的にプラズマ密度が増大することを防ぐことができる。これにより、絶縁性を高めることができる。
【００７０】
上述の実施の形態においては、発熱体を有する加熱機構を遮蔽部材に設けることで、遮蔽部材を高温にすることとした。変形例においては、赤外線の放射による輻射熱を用いて遮蔽部材５８を加熱してもよい。この場合、加熱機構として、ハロゲンランプやカーボンランプといった赤外線の放射源を用いてもよい。このような放射源を有する加熱機構は、プラズマ室の側壁部と絶縁部材の間に配置され、遮蔽部材の内面に向けて赤外線を放射するように配置されてもよい。放射源を有する加熱機構は、遮蔽部材の外面や引出電極に向けて赤外線を放射するように、遮蔽部材や引出電極の径方向外側の位置に配置されてもよい。このようにして、遮蔽部材を輻射熱により加熱して高温にすることができる。なお、引出電極に向けて赤外線が放射されるように加熱機構を配置する場合には、引出電極を輻射熱により加熱し、引出電極の表面に導電膜が形成されるのを抑制できる。
【符号の説明】
【００７１】
１０…イオン源、１２…プラズマ室、１６…磁場発生器、２０…側壁部、２２…イオン引出部、２４…引出開口、４０…引出電極、５２…絶縁部材、５２ａ…外側面、５２ｂ…内側面、５４…導電部材、５６…保護部材、５８…遮蔽部材、５８ａ…通気孔、５８ｂ…外面、５８ｃ…内面、８０…加熱機構、８２…発熱体、８４…絶縁体。
【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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【図１３】
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