JP5510830B2 - 電荷中和装置 - Google Patents

Description

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１０００ｅＶ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産業分野において使用される電荷中和装置に関する。例えば、イオンドーピング、材料表面改質、材料合成、イオンエンジンなどの分野に応用される。

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得ることができなくなる。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、特許文献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）、（３）イオンビーム引き出し用の最終段電極から少し離れたところに光源を設け、プラズマ源とは反対のビーム引き出し方向から強力な光を照射することにより、照射された電極面から光電子を放出させて、電荷を中和する方法（特許文献４参照）、が考案されている。

特許第３０７６８４３号公報 特開平９−１１５８５０号公報 特開平７−２７３０７２号公報 特開２００８−５２９０９号公報

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の低減は言うまでもなく、イオンビームによるフィラメントの損傷（フィラメントの寿命の短縮）、およびフィラメント材料によるイオンビームの汚染を招いてしまうという問題点がある。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用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。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。さらに、イオン電荷の中和には電子ビームをイオンビームとほぼ同方向に入射する必要があるため、この電子ビームがイオンビームを照射しているターゲットに入射する可能性が高く、高いエネルギー（通常は数百ｅＶ程度）を持つ電子が、プラズマプロセス装置などで要請される低電子温度（１０ｅＶ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。

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、もしくは電極近傍の周りに設置された二次電子放出を行う材料面に、さらには両方の面に、適当なエネルギーを持つ一様で制御された電子ビームを照射することにより、電極背面、もしくは周りの材料面、さらには両方の面から二次電子を放出させ、この二次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。
電極自体に銅やモリブデンなどの通常使用される電極材料を使用しても、適切なエネルギー（電極材料によるが、おおむね１００ｅＶ程度以上）を持つ入射電子に対する二次電子放出係数は1を超えるので、原理的には引き出されたイオンビーム電流と同程度の電子ビーム電流で、二次電子による電荷の中和が可能である。実際には、電極面のイオンビーム引き出し孔の存在、電極以外を照射してしまうことなどの原因により、必要な電子ビームの電流値は増大すると予想されるが、３００ｅＶ以上のエネルギーを持つ、アンペア級の電子ビームの発生は容易であり、通常使用されるイオンビームの中和を行うために必要な、二次電子発生用の電子ビームの製作は現有の技術で問題なく行うことができる。
また、二次電子発生用の電子ビームとして大電流のものを用いることができない場合には、電極背面に二次電子放出係数の大きな材料を使用、もしくはコーティングすることにより、効率的な二次電子の放出を行なうことも可能である。
さらに、二次電子発生の必要のない面に関しては、不要な二次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、二次電子放出係数の小さい材料のコーティングを行なうことにより、無用な二次電子の放出を極小化する。
一方、電極背面以外の面で二次電子放出が必用な場合には、適切な二次電子放出係数を持つ材料を使用、もしくはコーティングすることにより、必用な量の二次電子を発生させることも可能である。

本発明により以下の点の効用が得られる。
（１）本発明によりイオンビームの電荷の中和を、銅やモリブデンといった通常用いられている材料で製作された電極背面への、電子ビーム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）不純物の発生源となるフィラメント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用が無く、安定な動作を行うことが可能となる。
（５）フィラメントなど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な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）電子ビームをイオンビームの射出方向と反対方向に入射するので、イオンビームを照射するターゲットへの直接的な電子ビームの入射が無く、高いエネルギーを持つ電子のターゲットへの入射を防ぐことが可能となる。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。

本発明の一実施例であって、電子ビームを２次電子放出係数の高い接地電極背面に照射し、発生した２次電子によりイオン電荷の中和を行うシステムを示す図。 本発明の他の実施例であって、イオンビーム通過部周辺に設置された２次電子放出係数の高い金属に対して、電子ビームを照射して発生した２次電子によりイオン電荷を中和するシステムを示す図。

上記の原理に基づく本発明を用いたイオン電荷中和装置により、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二次電子の放出はイオンビームが引き出される電極の背面で行なわれるので、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、放出された二次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、電子ビーム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。

本発明の一実施例を図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１に示されていない排気装置により真空排気され、図１に示されてい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。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１に示されてい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１には示されてい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１には示されてい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１に示されてい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、プラズマ源容器壁付近の強力な磁場により容器壁から隔離されて閉じ込められている。
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に示された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。
本件の発明では、一番外側の接地電極の背面に、図１に示されるように、電子ビームを照射して二次電子を発生させ、この二次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。放出された大部分の二次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なうことができる。

イオンビーム電流密度が高くなり、大きな二次電子の発生が要請される場合には、電極背面に二次電子放出係数の大きな材料を使用、もしくはコーティングすることにより、効率的な二次電子の放出を行なうことができる。また、二次電子発生の必要のない面に関しては、不要な二次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、二次電子放出係数の小さい材料を使用、もしくはコーティングを行なうことにより、無用な二次電子の放出を極小化することも可能である。
さらに、二次電子の放出係数は、入射電子のエネルギーに対して、材質により異なったエネルギー依存性を持つので、特定の電子ビームエネルギーを選択することにより、そのエネルギーに対して、二次電子放出が必要な面には高い値を持つ材料を、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コーティングすることにより、効率的な二次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。

また、図２は、本発明の他の実施例を示す図であって、イオンビームの行程に電子を供給するため、図２に示すように二次電子放出を行う材料を接地電極近傍に設置し、電子ビームを照射して２次電子を放出させることで、イオン電荷の中和を行なうことが可能である。
更により多くの電子を供給する必要がある場合には、接地電極と接地電極近傍に設置された材料の両方の面に電子ビームを照射して２次電子を放出させることで、イオン電荷の中和を行なうことが可能である。

前述で用いる電子ビーム源に関して、電子ビームの発生方法は特に問わない。

イオン源から電極孔を通して流れ出てきたガス、もしくは電子ビームライン付近に導入されたガスが、当該電子ビームによって電離され生成された低エネルギーの電子が、イオン電荷の中和に寄与することもある。

Claims (8)

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、プラズマ源容器内の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、一様で制御された電子ビームを照射することにより、照射された電極面から二次電子を放出させて、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ようにしたことを特徴とする電荷中和装置。
2. 前記電子ビームの強度を変えて発生する二次電子の量を調整し、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した請求項１記載の電荷中和装置。
3. 前記電極の二次電子を放出する必要のある面に二次電子放出係数の大きな材料を使用、もしくは表面にコーティングを行なうことにより、効率的な二次電子放出をするようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の電荷中和装置。
4. 前記電極及び前記容器の二次電子を放出する必要のない面に対しては、二次電子放出係数の小さい材料を使用、もしくは表面にコーティングを行なうことにより、無用な二次電子の放出を極小化するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電荷中和装置。
5. 二次電子放出係数の入射電子ビームのエネルギーへの存性が材料により異なることを利用して、特定のエネルギーを持つ電子ビームを選択することにより、そのエネルギーに対して、前記電極及び前記容器の二次電子放出が必要な面には高い値を持つ材料を、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、もしくは表面にコーティングすることにより、効率的な二次電子の放出と不必要な放出の抑制を同時に実現するようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電荷中和装置。
6. 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、プラズマ源容器内の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、電極近傍の周りに設置された二次電子放出を行う材料に対して、プラズマ源とは反対のビーム引き出し方向から一様で制御された電子ビームを照射することにより、照射された材料面から二次電子を放出させて、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ための電荷中和装置。
7. 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、プラズマ源容器内の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、二次電子放出を行う材料からなる電極、及び電極近傍の周りに設置された二次電子放出を行う材料に対して、プラズマ源とは反対のビーム引き出し方向から一様で制御された電子ビームを照射することにより、照射された両材料面から二次電子を放出させて、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ための電荷中和装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項記載の電荷中和装置において、電子ビームによって生成された２次電子と、イオン源から電極孔を通して流れ出てきたガス、もしくは電子ビームライン付近に導入されたガスが当該電子ビームによって電離され生成された低エネルギーの電子との両者により、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ための電荷中和装置。

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