特開 2022-104062 ホローカソードおよびイオン源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022104062

(43)【公開日】2022-07-08

(54)【発明の名称】ホローカソードおよびイオン源

(51)【国際特許分類】

   H01J 27/14 20060101AFI20220701BHJP

   H01J 37/08 20060101ALI20220701BHJP

   H01J 1/16 20060101ALI20220701BHJP

   H05H 1/24 20060101ALI20220701BHJP

【ＦＩ】

H01J27/14

H01J37/08

H01J1/16

H05H1/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020219049

(22)【出願日】2020-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】302054866

【氏名又は名称】日新イオン機器株式会社

(72)【発明者】

【氏名】永尾 友一

(72)【発明者】

【氏名】宇井 利昌

(72)【発明者】

【氏名】安田 圭佑

【テーマコード（参考）】

2G084

5C030

【Ｆターム（参考）】

2G084AA08

2G084AA12

2G084BB02

2G084BB05

2G084CC18

2G084CC32

2G084DD25

2G084DD39

2G084FF27

2G084FF28

2G084FF32

5C030DE02

5C030DE03

5C030DE08

(57)【要約】      （修正有）

【課題】Ａｒ等のプラズマ生成ガスを使用せず、プラズマ原料ガスをプラズマ生成ガスとして使用できるホローカソードおよびイオン源を提供する。
【解決手段】イオンビーム照射装置のイオン源１００の有するプラズマ生成容器１０１に取り付けられるホローカソード、およびホローカソード１０Ａ、１０Ｂを備えるイオン源において、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂは加熱されることにより電子を放出し、内部流路１１ａが形成された電子放出部材を備える。内部流路１１ａには原料ガスが導入され内部流路１１ａを通過した原料ガスＧおよび内部流路１１ａで生成した電子がプラズマ生成容器１０１に供給される構成とされており、さらに電子放出部材１１は単体金属により形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料ガスからプラズマが生成されるプラズマ生成容器に取り付けられるホローカソードであって、
単体金属により形成され、加熱されることにより電子を放出する電子放出部材を備え、
前記電子放出部材には、前記原料ガスが導入される内部流路が形成されており、
前記内部流路を通過する前記原料ガスと、前記内部流路において前記原料ガスから生成される電子と、を前記プラズマ生成容器に供給するホローカソード。

【請求項2】

前記電子放出部材は、通電されて発熱する請求項１に記載のホローカソード。

【請求項3】

原料ガスからプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器に取り付けられるホローカソードとを備えるイオン源であって、
前記ホローカソードは、
単体金属により形成され、加熱されることにより電子を放出する電子放出部材を備え、
前記電子放出部材には、前記原料ガスが導入される内部流路が形成されており、
前記内部流路を通過する前記原料ガスと、前記内部流路において前記原料ガスから生成される電子と、を前記プラズマ生成容器に供給するイオン源。

【請求項4】

前記電子放出部材は、通電されて発熱する請求項３に記載のイオン源。

【請求項5】

前記プラズマ生成容器内に配置され、前記プラズマ生成容器内に電子を供給する少なくとも一つの電子供給部材をさらに備える請求項３または４に記載のイオン源。

【請求項6】

前記ホローカソードを複数備え、
各前記ホローカソードは、前記プラズマ生成容器の一方向について互いに離間するように配置されている請求項３または４に記載のイオン源。

【請求項7】

前記ホローカソードを複数備え、
各前記ホローカソードと、前記電子供給部材とは、前記プラズマ生成容器の一方向について互いに離間するように配置されている請求項５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、ホローカソードおよびホローカソードを備えるイオン源に関する。

【背景技術】

【0002】

イオンビーム照射装置のイオン源においては、プラズマが生成されるプラズマ生成容器内に電子を供給するため、ホローカソードが用いられることがある。一般に、このようなホローカソードは、加熱されることにより電子を放出する筒状の電子放出部材を備え、電子放出部材の内部には、プラズマ生成用ガスが導入されるよう構成されている。電子放出部材の内部では、プラズマ生成用ガスが導入されるとともに、加熱された電子放出部材から電子が放出されることでプラズマが点灯する。その後、電子放出部材の内部で生成されたプラズマ中に含まれる電子がプラズマ生成容器の内部に取り出される。

【0003】

また、一般に、プラズマ生成容器は、プラズマ生成容器内で生成されるプラズマの原料となる原料ガスを導入するガス導入口を有している。つまり、ホローカソードを備えるイオン源においては、ホローカソードから供給される電子が、ガス導入口から導入された原料ガスを電離させることにより、プラズマ生成容器の内部で所定のイオンを含むプラズマが生成される。プラズマ生成容器の外部には、引出電極等から成る電極群が配置されており、この電極群の作用により、当該イオンはイオンビームとしてプラズマ生成容器の外部に取り出される。

【0004】

特許文献１には、このようなホローカソードを備えたイオン源が開示されており、さらに、上記の原料ガスに相当するイオン化ガスをプラズマ生成容器に導入するガス導入口を設けることなく、ホローカソード内に供給されるプラズマ生成用ガスをプラズマ化してもよいことが記載されている。すなわち、特許文献１には、原料ガスをプラズマ生成用ガスとして使用してもよいことが示されている。この場合、電子放出部材の内部を通過した原料ガスと、電子放出部材の内部において原料ガスから生成したプラズマ中の電子が、ホローカソードからプラズマ生成容器に供給されることになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－１９９４７７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一般に、プラズマ生成容器に電子を供給するために使用されるホローカソードにおいて、電子放出部材は、比較的仕事関数が低いことが知られているＬａＢ_６や、ＢａＯ等の酸化物が含浸されたタングステン等、金属を含む化合物または混合物により形成されている。また、ホローカソードの電子放出部材に導入されるプラズマ生成用ガスとしては、Ａｒガス等の希ガスが使用される。一方、原料ガスには、イオンビームとして取り出す所定のイオンに応じて種々のガスが使用される。しかしながら、特許文献１には、原料ガスをプラズマ生成用ガスとして使用するための具体的構成は示されていない。

【0007】

本発明は、原料ガスをプラズマ生成用ガスとしても使用できるホローカソードおよびイオン源を提供するものである。すなわち、本発明は、プラズマ生成容器において生成するプラズマの原料となる原料ガスおよび電子を、ホローカソードを通じて安定してプラズマ生成容器に供給することができるホローカソードおよびイオン源を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明におけるホローカソードは、原料ガスからプラズマが生成されるプラズマ生成容器に取り付けられるホローカソードであって、単体金属により形成され加熱されることにより電子を放出する電子放出部材を備え、前記電子放出部材には、前記原料ガスが導入される内部流路が形成されており、前記内部流路を通過する前記原料ガスと、前記内部流路において前記原料ガスから生成される電子とを、前記プラズマ生成容器に供給するよう構成されている。

【0009】

この構成によれば、ホローカソードの備える電子放出部材に形成された内部流路において、導入された原料ガスと加熱された電子放出部材から放出された電子からプラズマが点灯し、原料ガスから生成されたプラズマ中の電子がプラズマ生成容器に取り出される。このとき、内部流路の表面は、原料ガスから生成されたプラズマに曝されるが、電子放出部材は単体金属により形成されていることから、内部流路表面の組成は変化し難い。したがって、本発明のホローカソードは、プラズマ生成容器に安定して電子を供給することができる。

【0010】

また、本発明におけるホローカソードにおいては、前記電子放出部材は、通電されて発熱するよう構成されていてもよい。

【0011】

この構成によれば、電子放出部材が自己発熱することから、電子放出部材をより効率的に昇温させることができる。したがって、内部流路において、より確実にプラズマを生成できるようになる。

【0012】

また、本発明におけるイオン源は、原料ガスからプラズマが生成されるプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器に取り付けられるホローカソードとを備えるイオン源であって、前記ホローカソードは、単体金属により形成され、加熱されることにより電子を放出する電子放出部材を備え、前記電子放出部材には、前記原料ガスが導入される内部流路が形成されており、前記内部流路を通過する前記原料ガスと、前記内部流路において前記原料ガスから生成される電子とを、前記プラズマ生成容器に供給する構成とされている。

【0013】

この構成によれば、ホローカソードの備える電子放出部材に形成された内部流路において、導入された原料ガスと加熱された電子放出部材から放出された電子からプラズマが点灯し、原料ガスから生成されたプラズマ中の電子はプラズマ生成容器に取り出される。このとき、内部流路の表面は、原料ガスから生成されたプラズマに曝されるが、電子放出部材は単体金属により形成されていることから、内部流路表面の組成は変化し難い。したがって、本発明のイオン源においては、ホローカソードは、反応性の高い原料ガスでも安定してプラズマを生成でき、プラズマ生成容器に供給することができる。

【0014】

また、本発明におけるイオン源においては、前記電子放出部材は、通電されて発熱する構成としてもよい。

【0015】

この構成によれば、電子放出部材が自己発熱することから、電子放出部材をより効率的に昇温させることができる。したがって、内部流路において、より確実にプラズマを生成できるようになる。

【0016】

また、本発明におけるイオン源においては、前記プラズマ生成容器内に配置され、前記プラズマ生成容器内に電子を供給する少なくとも一つの電子供給部材をさらに備える構成としてもよい。

【0017】

この構成によれば、プラズマ生成容器内には、ホローカソードから供給される電子に加え、電子供給部材からも電子が供給されるようになる。したがって、プラズマ生成容器内に供給される電子が増加し、プラズマ生成容器内において原料ガスからより効率的にプラズマを生成することができる。

【0018】

また、本発明におけるイオン源においては、前記ホローカソードを複数備え、各前記ホローカソードは、前記プラズマ生成容器の一方向について互いに離間するように配置されている構成としてもよい。

【0019】

この構成によれば、プラズマ生成容器内では、プラズマ生成容器の一方向について互いに離間した複数の位置において電子が供給される。したがって、プラズマ生成容器内のプラズマ密度を一方向についてより均一にすることができる。

【0020】

また、本発明におけるイオン源においては、前記ホローカソードを複数備え、各前記ホローカソードと、前記電子供給部材とは、前記プラズマ生成容器の一方向について互いに離間するように配置されている構成としてもよい。

【0021】

この構成によれば、プラズマ生成容器内では、プラズマ生成容器の一方向について互いに離間した複数の位置から電子が供給され、原料ガスからプラズマが生成する。したがって、プラズマ生成容器内のプラズマ密度を一方向についてより均一にすることができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明のホローカソードおよびイオン源によれば、プラズマ生成容器において生成するプラズマの原料となる原料ガスおよび電子を安定してプラズマ生成容器に供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の一実施形態におけるホローカソードの縦断面図。

【図2】同実施形態におけるイオン源の縦断面図。

【図3】同実施形態におけるイオン源の図１のＸ－Ｘ線における横断面図。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明のホローカソードおよびイオン源は、照射対象物に対して所定のイオンを含むイオンビームを照射するイオンビーム照射装置に使用されるものである。
以下に、本発明の一実施形態におけるホローカソード１０Ａ、１０Ｂおよびイオン源１００について説明する。本実施形態においては、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂ、およびイオン源１００は、フラットパネルディスプレイ製造工程で使用され、ガラス基板に対して所定のイオンを含むイオンビームを照射するイオン注入装置に使用されるものである。尚、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂ、およびイオン源１００は、例えば、半導体製造工程において半導体ウエハにイオン注入を行うイオン注入装置に使用されるものであってもよい。すなわち、本実施形態は、本発明のホローカソード、イオン源、および、これらが適用されるイオンビーム照射装置の用途を何ら限定するものではない。

【0025】

まず、本実施形態におけるイオン源１００について説明する。
図１に示すように、イオン源１００は、内部でプラズマＰ１が生成されるプラズマ生成容器１０１と、図３に示されたカスプ磁場Ｂを形成するための複数の磁石１０２と、二つのホローカソード１０Ａ、１０Ｂを備えている。尚、図１におけるホローカソード１０Ａ、１０Ｂの構成は、図２に示されたホローカソード１０Ａと同一である。また、図１に示されたホローカソード１０Ａは、理解を容易にするために、ホローカソード１０Ａの一部の構成要素のみを模式的に示している。

【0026】

プラズマ生成容器１０１は、全体が略直方体形状をなしており、図１に示すように、プラズマ生成容器１０１の一つの側壁１０１ａには、プラズマ生成容器１０１の長手方向に沿った長方形の開口である引出し口１０３が形成されている。また、引出し口１０３の外側近傍には引出し口１０３を塞ぐようにイオンビームＩＢを引き出すための引出電極等からなる電極群（不図示）が配置されている。当該電極群はプラズマ生成容器１０１内で生成されるプラズマＰ１に含まれるイオンをイオンビームＩＢとして取り出すために使用されるものであり、周知の構成を採用することができる。尚、プラズマ生成容器１０１は、全体が略円柱状をなすものであってもよく、形状が限定されるものではない。

【0027】

プラズマ生成室１０１の長手方向について対向する底壁１０１ｅ、１０１ｆにはそれぞれ、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂが配置されている。より詳細には、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂは、各ホローカソード１０Ａ、１０Ｂの備える電子供給口１８ａがプラズマ生成容器１０１の内部に位置するよう底壁１０１ｅ、１０１ｆに差し込まれるようにして取り付けられている。後述するように、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂは、プラズマ生成容器１０１内に原料ガスＧおよび電子ｅを供給するよう構成されており、互いに１０１ｅ、１０１ｆ側から、つまり、プラズマ生成容器１０１の長手方向の両端側から、内側に向かって原料ガスＧおよび電子ｅを放出するよう構成されている。尚、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂは、プラズマ生成容器１０１内に原料ガスＧおよび電子ｅを供給できればよく、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂのプラズマ生成容器１０１に対する取り付け位置または取り付け構造は本実施形態に限定されるものではない。

【0028】

本実施形態においては、Ｂ^＋を含むイオンビームＩＢを取り出すため、原料ガスＧとしてＢＦ_３ガスを用いている。尚、原料ガスＧは、イオンビームＩＢとして取り出す所定のイオン、つまり、イオンビームＩＢとして取り出すことを目的とするイオンに応じて種々のガスを使用することができる。

【0029】

ホローカソード１０Ａ、１０Ｂには、それぞれ原料ガスＧを貯蔵または生成するガス源２００ａ、２００ｂに連通するガス流路２０１ａ、２０１ｂが接続されている。つまり、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂには、それぞれガス源２００ａ、２００ｂからガス流路２０１ａ、２０１ｂを経由して原料ガスＧが導入される。

【0030】

プラズマ生成容器１０１の側壁１０１ａと対向する側壁１０１ｂには、原料ガスＧをプラズマ生成容器１０１内に導入するためのガス導入口１０４が形成されている。ガス導入口１０４には、原料ガスＧを貯蔵または生成するガス源２００ｃに連通するガス流路２０１ｃが接続されている。すなわち、プラズマ生成容器１０１内には、ガス流路２０１ｃおよびガス導入口１０４を経由してガス源２００ｃからも原料ガスＧが供給される。

【0031】

複数の磁石１０２はいずれも永久磁石により構成されており、図３に示すように、プラズマ生成容器１０１の四つの側壁１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄのうち、引出し口１０３が形成された側壁１０１ａを除く三つの側壁１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄの外側に配置されている。本実施形態における磁石１０２は、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂ、および後述する電子供給部材１０５から放出される電子ｅをプラズマ生成容器１０１内に閉じ込めるカスプ磁場Ｂを形成できるものであればよく、磁石１０２の数、配置、および構成等は適宜変更してよい。

【0032】

また、プラズマ生成容器１０１の内部には、プラズマ生成容器１０１内に電子ｅを供給する二つの電子供給部材１０５が、プラズマ生成容器１０１の長手方向について互いに離間した状態で配置されている。本実施形態における電子供給部材１０５はタングステンからなるフィラメントであり、不図示の電源に接続されて通電されることにより発熱し、プラズマ生成容器１０１内に電子ｅを放出するものである。電子供給部材１０５は、プラズマ生成容器１０１内の広い領域で均一なプラズマＰ１を生成させることを目的として配置されており、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂから供給される電子ｅが到達しにくい箇所に電子ｅを放出し得るように配置される。本実施形態のように、電子供給部材１０５として、ホローカソード１０Ａよりも構造が単純で安価なフィラメントを使用することにより、プラズマＰ１の均一性を容易に確保することができるようになる。
尚、本実施形態においては二つの電子供給部材１０５を備える構成としたが、電子供給部材１０５の数は必要に応じて適宜変更すればよい。また、電子供給部材１０５を配置せず、プラズマ生成容器１０１内にはホローカソード１０Ａ、１０Ｂのみから電子ｅが供給される構成であってもよい。

【0033】

次に、本実施形態におけるホローカソード１０Ａについて説明する。尚、ホローカソード１０Ｂは、ホローカソード１０Ａと同一構成であるため、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂにおける同一の構成要素には同一の符号を付与し、ホローカソード１０Ｂの説明は省略する。また、図２においては、ホローカソード１０Ａの電子供給口１８ａ付近の構成のみが示されている。

【0034】

図２に示すように、本実施形態におけるホローカソード１０Ａは、円筒状の筐体１９と、筐体１９の一端側の開口を塞ぐように筐体１９に取り付けられたキーパ電極１８を備えている。また、キーパ電極１８の中央には、プラズマ生成容器１０１の内部に供給される原料ガスＧおよび電子ｅが通過する開口である電子供給口１８ａが形成されている。本実施形態においては、筐体１９の長さ方向についてキーパ電極１８が配置される側をホローカソード１０Ａの前方側と定義する。

【0035】

ホローカソード１０Ａは、加熱されることにより電子を放出する円筒状の電子放出部材１１と、電子放出部材１１を収容する支持筒１２と、電子放出部材１１の前方を覆うように配置されたオリフィス板１７を備えている。電子放出部材１１は単体金属により形成されており、本実施形態ではタンタルにより形成されている。尚、電子放出部材１１は加熱されて電子を放出し得る単体金属であればよく、タンタルにより形成されていることに限定されない。例えば、タングステン、モリブデンまたはチタンであってもよい。また、電子放出部材１１が単体金属により形成されることは、単一の金属材料のみにより形成されることに限定されるものではなく、例えば、電子放出部材１１が複数種の単体金属が積層するように接合される構成を含むものである。

【0036】

また、ホローカソード１０Ａは、電子放出部材１１を加熱する第一加熱部材１３および第二加熱部材１４を備えている。第一加熱部材１３は円筒状のカーボンヒーターであり、オリフィス板１７および支持筒１２を前方側から覆うとともに、支持筒１２の側面１２ａの周囲を側面１２ａからわずかに離間した状態で覆うように配置されている。また、第二加熱部材１４は、内部に原料ガスＧが流動し得る流路１５を有する筒状のカーボンヒーターであり、支持筒１２の後方側において支持筒１２と接触するように配置されている。第一加熱部材１３および第二加熱部材１４は、いずれも通電されることで発熱し、第一加熱部材１３は主に輻射によって支持筒１２の側面１２ａを介して電子放出部材１１を加熱する。また、第二加熱部材１４は、第二加熱部材１４で発生した熱を、支持筒１２を介して電子放出部材１１に伝導させることで電子放出部材１１を加熱する。

【0037】

オリフィス板１７には、板厚方向に開口するオリフィス１７ａが形成されている。また、第一加熱部材１３には、オリフィス１７ａと連通する開口１３ａが形成されている。オリフィス１７ａ、開口１３ａ、および電子供給口１８ａはいずれも円形の開口であり、カソード１０Ａの長手方向に沿って同軸上に開口するよう形成されている。

【0038】

また、ホローカソード１０Ａは、ホローカソード１０Ａの外部に配置された電源Ｅと電気的に接続された導線１６ａ、１６ｂを備えている。導線１６ａ、１６ｂは、それぞれ第一加熱部材１３、第二加熱部材１４に電気的に接続されている。より詳細には、ホローカソード１０Ａの内部には、電源Ｅからの直流電流が、導線１６ａ、第一加熱部材１３、オリフィス板１７、電子放出部材１１、支持筒１２、第二加熱部材１４、導線１６ｂの順に流れた後に電源Ｅに戻る直流回路が形成されている。すなわち、第一加熱部材１３、第二加熱部材１４、および電子放出部材１１は、いずれも電源Ｅからの電流が導通することで発熱するものである。尚、本実施形態におけるホローカソード１０Ａでは、支持筒１２の側面１２ａが第一加熱部材１３からわずかに離間していることにより、第一加熱部材１３から支持筒１２に直接電流が流れることがなく、電子放出部材１１に確実に電流が流れるよう構成されている。

【0039】

電子放出部材１１の内部には、外部から供給される原料ガスＧが流動し得る内部流路１１ａが形成されており、内部流路１１ａは第二加熱部材１４の有する流路１５と連通している。すなわち、ホローカソード１０Ａにおいては、原料ガスＧは、外部に配置されたガス源２０１ａからガス流路２０１ａを介してホローカソード１０Ａ内に導入された後、流路１５を流動して内部流路１１ａに到達する。

【0040】

図１に示すように、内部流路１１ａに到達した原料ガスＧの一部は、オリフィス板１７ａから電子放出部材１１の外部に放出されるようにして内部流路１１ａを通過した後、電子供給口１８ａからプラズマ生成容器１０１内に流入する。また、内部流路１１ａに到達した原料ガスＧの一部から、内部流路１１ａにおいてプラズマＰ２が生成される。このとき、キーパ電極１８には電子放出部材１１に対して正の電位が与えられており、キーパ電極１８はプラズマＰ２に含まれる電子ｅを電子供給口１８ａから外部に取り出すよう作用する。すなわち、プラズマＰ２に含まれる電子ｅは、キーパ電極１８の作用により、電子供給口１８ａからプラズマ生成容器１０１内に供給される。また、プラズマＰ２に含まれる原料ガスＧから生成されるイオンも内部流路１１ａから拡散するようにしてプラズマ生成容器１０１に流入し得る。

【0041】

本実施形態においては、電子放出部材１１は、第一加熱部材１３および第二加熱部材１４により加熱されるとともに、電子放出部材１１自体が発熱することによって昇温し、内部流路１１ａの内部空間に電子を放出する。このとき、内部流路１１ａに外部から原料ガスＧが導入されることで原料ガスＧが電離されてプラズマＰ２が点灯する。その後、内部流路１１ａでは原料ガスＧから生成されたプラズマＰ２に含まれる電子ｅが、キーパ電極１８の作用によって、オリフィス１７ａを通じて内部流路１１ａから取り出され、プラズマ生成容器１０１内に供給されることになる。

【0042】

次に、本実施形態におけるイオン源１００により原料ガスＧからイオンビームＩＢが生成される過程について説明する。
まず、ガス源２００ａ、２００ｂから、二つのホローカソード１０Ａ、１０Ｂの電子放出部材１１の有する内部流路１１ａに原料ガスＧが導入される。このとき、電子放出部材１１は、第一加熱部材１３および第二加熱部材１４により加熱さるとともに、電源Ｅからの電流が導通されることで自己発熱することで高温となり、内部流路１１ａに電子を放出する。そして、内部流路１１ａにおいては、原料ガスＧの一部が電離されてプラズマＰ２が点灯する。その後、内部流路１１ａに導入された原料ガスＧの一部はそのまま内部流路１１ａを通過して電子供給口１８ａを通じてプラズマ生成容１０１内に供給される。また、内部流路１１ａに導入された原料ガスＧの一部からはプラズマＰ２が生成され、プラズマＰ２内の電子ｅが電子供給口１８ａを通じてプラズマ生成容１０１内に取り出される。このようにして、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂからプラズマ生成容器１０１内に原料ガスＧおよび電子ｅが供給される。また、ホローカソード１０Ａからは、プラズマＰ２に含まれる原料ガスＧから生成されたイオンが流入する。当該イオンは所定のイオンを含むものであるから、プラズマＰ１のプラズマ密度を高めることに寄与することになる。

【0043】

イオン源１００のプラズマ生成容器１０１の内部には、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂに加え、ガス導入口１０４を通じてガス源２００ｃからも原料ガスＧが供給される。また、プラズマ生成容器１０１の内部には、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂに加え、電子供給部材１０５から放出された電子ｅが供給される。プラズマ生成容器１０１の内部では、原料ガスＧが電子ｅによって電離されてプラズマ化され、プラズマＰ１が生成する。その後、プラズマＰ１に含まれる所定のイオンが不図示の電極群の作用によってイオンビームＩＢとしてプラズマ生成容器１０１の外部に引き出される。

【0044】

本実施形態においては、原料ガスＧとしてＢＦ_３ガスが使用されている。したがって、内部流路１１ａにおいて生成するプラズマＰ２はＢＦ_３ガスから生成されるプラズマである。従来のホローカソードおける電子放出部材は、ＬａＢ_６等の化合物や、タングステンを含浸させたＢａＯ等の混合物により形成されていた。また、従来、電子放出部材の内部には、Ａｒなどの希ガスがプラズマ生成用ガスとして導入されていた。本発明者らは、このような従来の材料を使用した電子放出部材に希ガスとは異なるＢＦ_３ガス等の原料ガスを導入する場合、従来と比較して、電子放出部材の寿命が短くなる、すなわち、電子放出部材の内部でプラズマが生成され得る期間が短くなることを確認した。これは、ＬａＢ_６等から成る電子放出部材の内部流路の表面組成がＢＦ_３ガスにより変化させられ、内部流路の表面からＬａ等の金属成分が取り除かれたことによると推察される。

【0045】

これに対し、本実施形態における電子放出部材１１はタンタルにより形成されている。したがって、本実施形態における電子放出部材１１の内部流路１１ａの表面組成は、ＢＦ_３から生成されたプラズマＰ２に曝されても変化することがない。したがって、電子放出部材１１をＬａＢ_６等の化合物やＢａＯを含浸させたタングステン等の混合物からなる材料で形成する場合と比較して、プラズマＰ２を長期間にわたり安定して生成することができる。

【0046】

すなわち、電子放出部材１１の内部流路１１ａの表面は、原料ガスＧから生成されたプラズマＰ２に曝されることになるが、本実施形態においては、電子放出部材１１が単体金属により形成されていることによって内部流路１１ａの表面組成は変化し難いものとなる。したがって、内部流路１１ａにプラズマ生成容器１０１内で生成されるプラズマＰ１の原料となる原料ガスＧを導入する場合であっても、電子放出部材１１が単体金属により形成されることにより、電子放出部材１１は長期間にわたって安定して電子を放出することができる。すなわち、内部流路１１ａで安定してプラズマＰ２を生成できることから、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂは、プラズマ生成容器１０１に安定して電子ｅを供給することができる。

【0047】

また、電子放出部材１１をタンタル等の単体金属により形成した場合には、従来のＬａＢ_６等を用いた場合と比較して、電子放出部材１１の仕事関数が大きくなることが想定される。すなわち、プラズマＰ２を点灯させるために、電子放出部材１１を従来と比較してより高温にする必要があることが想定さる。これに対し、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂにおいては、電子放出部材１１は、第一加熱部材１３および第二加熱部材１４によって加熱されるのに加え、自己発熱するため、十分に高温となり得る。

【0048】

図１に示すように、本実施形態においては、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂはそれぞれプラズマ生成容器１０１の底壁１０１ｅおよび底壁１０１ｆに配置されており、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂの電子供給口１８ａ、１８ａはそれぞれ、プラズマ生成容器１０１内において、プラズマ生成容器１０１の長手方向の両端側に位置している。したがって、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂのうち、一方のみが設けられている場合と比較して、プラズマ生成容器内の広範囲に電子ｅを供給できるようになる。

【0049】

また、二つのホローカソード１０Ａ、１０Ｂとは別のホローカソードを当該長手方向について互いに離間するように配置すれば、プラズマ生成容器１０１内のより広い領域にわたって電子ｅを供給できるようになる。すなわち、ホローカソード１０Ａを複数備え、これらがプラズマ生成容器１０１の一方向について互いに離間するように配置されている構成とすることによって、プラズマ生成容器１０１の内部に、一方向について互いに離間した複数の位置から電子ｅを供給できるようになる。この場合、プラズマ生成容器１０１内では、一方向について複数の位置から電子ｅが供給されることから、原料ガスＧから生成されるプラズマＰ１のプラズマ密度を当該一方向についてより均一なものとすることができる。尚、イオン源１００は、ホローカソード１０Ａまたはホローカソード１０Ｂの一方のみを備える構成でもよく、本発明は複数のホローカソードを備えることに限定されるものではない。

【0050】

また、イオン源１００においては、プラズマ生成容器１０１の長手方向について、互いに離間するように配置された二つの電子供給部材１０５、１０５をさらに備えている。この構成によれば、プラズマ生成容器１０１０内には、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂから供給される電子ｅに加え、電子供給部材１０５、１０５からも電子ｅが供給されるようになる。したがって、プラズマ生成容器１０１内に供給される電子ｅが増加し、プラズマ生成容器１０１内において原料ガスＧからより効率的にプラズマＰ１を生成することができる。特に、電子供給部材１０５としてホローカソード１０Ａ、１０Ｂよりも構造が簡単で安価なタングステン等のフィラメントを使用することにより、プラズマ生成容器１０１内の電子ｅが不足する領域に容易に電子ｅを供給できるようになる。電子供給部材１０５は、プラズマ生成容器１０１内で生成するプラズマＰ１のプラズマ密度や均一性を微調整するように電子ｅを供給するもので、プラズマ生成容器１０１内に複数の電子供給部材１０５が配置されていた場合であっても、常にすべての電子供給部材１０５から電子ｅが放出されている必要はない。つまり、適切な位置または数の電子供給部材１０５から電子が放出されるよう、イオン源１００を外部から制御するようにしてもよい。

【0051】

本実施形態においては、さらに、二つの電子供給部材１０５、１０５は、プラズマ生成容器１０１の長手方向について、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂの間に位置するように配置されている。したがって、プラズマ生成容器１０１内には、当該長手方向について４つの異なる位置から電子ｅが供給される。したがって、プラズマ生成容器１０１内のより広い領域に電子ｅが供給されることになり、プラズマＰ１の当該長手方向においてプラズマ密度をより均一なものとすることができる。

【0052】

このように、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂと、電子供給部材１０５、１０５が、プラズマ生成容器１０１０の一方向について互いに離間するように配置されている構成により、プラズマ生成容器１０１内に生成するプラズマＰ１のプラズマ密度を当該一方向についてより均一にすることができる。換言すれば、電子供給部材１０５は、プラズマＰ１のプラズマ密度を均一にするため、ホローカソード１０Ａまたはホローカソード１０Ｂから離れた位置に電子ｅを供給できるよう配置すればよい。

【0053】

プラズマ生成容器１０１に配置されるホローカソード１０Ａまたはホローカソード１０Ｂの数、および電子供給部材１０５の数は、プラズマ生成容器１０１の大きさや、ホローカソード１０Ａまたはホローカソード１０Ｂが電子ｅを供給する能力等に応じて適宜変更すればよい。また、ホローカソード１０Ａまたはホローカソード１０Ｂは、例えば、側壁１０１ｂに配置されていてもよい。

【0054】

また、本実施形態におけるイオン源１０１は、原料ガスＧが導入されるガス導入口１０４を備えているが、ホローカソード１０Ａ、１０Ｂから十分な量の原料ガスＧが供給される場合には、ガス導入口１０４を設ける必要はない。本実施形態における原料ガスＧは、所定のイオンを生成するための原料を含むガスを指しており、純物質に限定されない。例えば、本実施形態における原料ガスＧは、ＢＦ_３ガスであるが、Ａｒガス等を混合させた混合ガスであってもよい。また、ガス源２００ａ、２００ｂはＢＦ_３とＡｒからなる混合ガス、２００ｃはＢＦ_３ガスを供給する構成としてもよく、２００ａ、２００ｂ、２００ｃからは同一組成の原料ガスＧが供給されることに限定されない。

【0055】

また、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0056】

イオン源１００
プラズマ生成容器１０１
磁石１０２
ガス導入口１０４
電子供給部材１０５
ホローカソード１０Ａ、１０Ｂ
内部流路１１ａ
第一加熱部材１３
第二加熱部材１４
電子供給口１８ａ
イオンビームＩＢ
カスプ磁場Ｂ
原料ガスＧ
電子ｅ

【図1】

【図2】

【図3】