論 文
反射型イオン源の製作
（昭和59年8月30日受理）石川多俊
秋津哲也 松沢秀典An Electron-Reflection-Type Ion Source
KazuhitoISHIKAWA TetsuyaAKITSU HidenoriMATSUZAWA
Abstract An electron−reflectio． n−type ion source for the E×B Mass Analyzer is made and the ionization characteristics for Ar and SF6 gases are examined．
1．はじめに
最近のプラズマ工学の分野では半導体へのイオン打 ち込みや，ドライエッチング等，プラズマやイオンビ ームの工業的応用が盛んに行われている。この分野で 使用されるイオン注入装置用のイオン源が開発されて いる1）・2）・3）。 たとえば，気中放電による電子の衝突イオン化を利 用したプラズマ放電型，熱陰極から放出した電子の衝 突イオン化を利用した熱陰極型，その他にもデュオプ ラズマトロン型，電子振動型，スパッタ型，など多種 多様な方法で製作されている。また，イオン源はイオ ン化物質が気体，液体，固体などのような状態である か，使用する電極材料がイオン化物質と反応しやすい ものであるか，あるいは毒性があるか，などによりそ の方法はおおきく異なってくる。 プラズマ・ケミカル・プロセスで用いられる放電プ ラズマの特徴は，従来あまり注目されなかった低温 低電離度であること，これに加えて多くの反応性プラ ズマ中にはハロゲン化合物が添加され化学反応に用い られていることである。ハロゲン化合物の多くは電子 親和力（E．A．）が大きく熱電子を付着させて負イオン を形成しやすい。 気体絶縁材料であるSF6ガスのアーク陽光中の電離 分解生成物における電子付着による電離波動安定性の 研究がなされている4）・5）。その現象を調べる上では，正 ＊電気工学科，Department of Electrical Engineering 負イオンのふるまいを研究する必要がある。 本報告は，正負イオンのどちらにも使用できるE× B型質量分析器6）に使用するために製作したイオン源 について述べる。このイオン源は熱陰極からの放出電 子による供試ガスの衝突イオン化を利用した熱陰極型 である。熱陰極からの電子は反射板（リペラー）によ って追い返されて電子の衝突を有効利用する反射型に した。さらに印加磁界に対して，フィラメントを直交 させて熱陰極からの電子をトラップすることにより電 離頻度をあげるようにした。また熱陰極材料の寿命， あるいは熱破壊による材料の破損を考慮したうえで磁 界を加えた時と加えない時のいくつかの特性を，Arガ スと電気的負1生であるSF6ガスについて調べた。 2．イオン源の構造 ここに報告するイオン源は，E×B型質量分析器の イオン源として製作したものである。E×B型質量分 析器の真空容器の大きさは磁界を加えるコイルの鉄心 の寸法により，内容積が厚さ17mm×104 mm×280 mmの大きさにできている。そのため，イオン源の寸 法も制限され15mm×50 mm×60 mmの大きさにな った。その分解図を図一1に組立図を図一2に示す。 1の熱陰極（以下フィラメントという）はトリエィテ ッド・タングステン線（0．15φmm，1％Th−w製）を使 用した。その取付位置は垂直方向の磁界に対し，水平 方向に置かれ2のアノードと3のりペラーの中間に設 置した。これは加える磁界がフィラメントより放出す る電子を有効に捕えるためである。またフィラメント一27一
昭和59年12月 山梨大学工学部研究報告 第35号
Q
?ﾋo
@い
⑨留．1 W‘ 一⑳ Oi一 ㊥
．＿】 ⑬⑳ ’ 習灘，一@＝
“’A．＿”D≒’o⑩
O −Q −O 怐@↓ θ ： O 9 Q 潤@㊥ llF
一のN
1°F
一＠ ● ＝r°0 1 2
@ L＿＿L＿」cm
U 5 4 3 1 2 4 5 図一2 イオン源 Fig．2 10n source は熱膨張による垂れ下がりを防ぐため，外径1．8mm のアルミナセラミック管（融点2323K）にスパイラル 状に巻いてある。2つの陽極（以下アノードという）は メッシュ20のニッケル網でできている。アノードの形 状はフィラメントを取付けるため，短径5mm，長径8 mmの楕円筒形をしており，長さは22 mmの大きさを している。3のりペラーはメッシュ150のニッケル網 で13φmm×22 mmの円筒形である。アノード，リペ ラー共，電気的接続と固定を考慮して0．7mmのニッ ケル棒を点溶接した。4の絶縁材料はアルミナセラミ ックを用いた（厚さ1mm×15 mm×50 mm）。これは 高熱による材料変形を防ぐため高温に十分耐えるよう 用いた。このアルミナセラミック板に，アノード，リ ペラー，フィラメントはサンドウィッチ状に固定され る。5の絶縁材料は機械加工が容易なマコール隔虫点 1273K）を使用した。これは6のガス導入管（ステン レス製）をネジ込み式にして固定することと，使用す るガスをイオン源外へ放出しないよう調整するためで ある。さらに，これらイオン源の電気接続部はソケッ ト式にし，熱に弱い半田接続を除き，また導線の絶縁 材料もテフロンを用い不用ガス発生を防ぐよう考慮し た。 イオン検出器のプローブは，白金製で中間の導電部 は同軸ケーブルを用いた。 以上イオン源の構造はフィラメントの取替を可能に するため，組立式になっている。卿
図一1 イオン源の分解図 ，，，，［S？， LFilament，2． Anode，3． Repeller，4． Insulator （Alumina ceramic），5． Insulator（Macor），6． Gas inlet Fig． l Exploded view of the ion source 3．実験と結果 製作したイオン源の特性をE×B型質量分析器の真 空容器内で実験した。その時の実験系を図一3に示す。 まずフィラメントの電流と電子放出特性を図一4に示 す。これはArガス圧力（6×10−5 Torr）を一定にして フィラメント電流を0より大きくしたときのフィラメ ントより放出した電子電流を測定したものであるが， これより，フィラメント電流を大きくすることにより 電子放出電流は十分大きくなることがわかる。 Vacuum Chamber 100 50 三 ξi° …5 匡 幽 岳 o itameni With magnetic fietd Repel ler 図一3 実験系 Fig．3 Experimental setup Ar 6x1（丁5 Torrノ
＿o
o ⇒To pump
⑳ o／
i 0 0．5 1．0 1．5 2．0 2．5 Filament current（A） 図一4 フィラメントの電子放出特性 Fig．4 Thermionic emission characteristics一28
反射型イオン源の製作 つぎにフィラメントとアノード間の電圧変化によ る，ガス圧力をパラメーターとした電子放出電流特性 を図一5（a），（b）に示す。（a）はArガス，（b）はSF6 ガスである。なおガス圧力の測定は電離真空計を用い た。以下同じ。この図より，フィラメントーアノード間 の電圧を大きくすると陰極電子放出電流も大きくな り，またガス圧力を増すことにより，陰極電子放出電 流も大きくなることがわかる。この時のフィラメント 電流は2．5（A）一定である。このガス圧力依存性のグラ フよりArガス，SF6ガスの電離電流増加は熱電子によ るイオン化電流と考えられる。さらにイオン源出口付 近に設置した白金プローブのプローブ特性を図一6 （a），（b）に示す。それぞれのガス圧力は4×10’5 Torr 一定で磁界0．3（T）を加えた時と，加えない時のグラフ である。この図からプローブ電流が0になるプローブ 電圧はどのデーターでも負電圧になっている7）。これ ？・〇 三 … ；
9
塁q5 ξ Ar ∠ ／／
／：iJJ。／
O O lO 20 30 40 50 F−A Voltage （∨） （a） 硲25
ξ … ．61 還 石 0 一5 6×10 Torrノ合
ノ8
0 10 20 30 40 50 F−A Voltage （V） （b） 図一5 電子放出電流特性 （a）Arガス （b）SF6ガス Fig．5 Emission current characteristics as a function of Filament−Anode voltage： （a）Ar gas （b）SF6 gas はイオンに比較して質量の小さい電子が相対的に大き い熱速度を有するため，プローブに流入する電子電流 とイオン電流が平衡するために，プV一ブは負電圧， すなわち電子を減速する側にバイアスする必要がある からである。 また，磁界を加えた時のプローブ電流が小さくなっ ている。これは磁界を垂直に横切る方向には荷電粒子 の運動がさまたげられるため検出器のプローブまで到 達する量が少なくなるものと思われる。 一5 Ar 4×10 Torr o：WithoUt magnetic fietd ●：With magnetic fietd O．3（T） 3＜ ：．’t・’ 一5・−4・ −3・⑳学・ 1・2・3・ノソ Vp（V）
／ （o） −5SF64×10 T。rr Without magnetic fletd ●：With magnetic fietd O．3（T） T’3 ノO・’●’ 8’●’ ’「’°’⑭允珊
ﾋべの⊇℃司゜1㌻調
一1 （b ） 図一6 静電プローブの電圧一電流特性 （a）Arガス （b）SF6ガス Fig．6 Voltage−Current characteristics of Pt electro static probe：（a）Ar gas（b）SF6 gas一29一
昭和59年12月 山梨大学工学部研究報告 第35号 4． あとがき E×B型質量分析器に使用する熱陰極型イオン源を 製作した。イオン源は耐熱性を十分考慮し，また，不 用なガスが発生しないよう材料を使用した。 イオン源はフィラメント電子放出特性により電子放 出は十分得られることがわかった。また，フィラメン トーアノード間の電圧変化による供試ガス（Ar， SF6） 圧力依存性の特性よりガスのイオン化が認められた。 さらに，本来の使用目的であるE×B型質量分析器イ オン源として使用可能な磁界を加えた場合にも内部で イオン化が可能であることが認められた。 終わりに本研究にあたり，実験のお手伝をしてくれ た本学学生の有賀研一，長沼隆両君と大学院生の大津 孝佳君に感謝の意を表わします。またセラミック板の 加工にご協力して下さった山梨県研磨工業指導所職員 の方々に深謝します。
