中古 Veeco イオン電源 MPS-5001

イオン電源は、真空槽内でイオンビームを発生させるイオン源(イオンソース、イオン銃)を駆動するための電源装置群である。イオン源の電力系は、ガス放電を起こしてイオンを作る役割、イオンを引き出して加速する役割、ビームの正電荷を電子で中和する役割に分かれており、それぞれに専用の出力を持つ複数の電源で構成されるのが一般的である。1台の筐体に全出力をまとめたものと、出力ごとのユニットを組み合わせるものがある。
グリッド付きの直流放電型(カウフマン型)を例にとると、熱陰極フィラメントを加熱するカソード電源(多くは交流で数A〜十数A程度)、陰極と陽極の間でアーク放電を保つ放電電源(典型的には数十V、数A)がプラズマを作る。陽極側に正の電位を与えるビーム電源がスクリーングリッドの電位、つまりイオンが得るエネルギーを決め、正常に動いていればビーム電源の電流がそのままビーム電流になる。加速グリッドには加速電源から数百V程度までの負電位をかけ、イオンを引き出すとともに、下流の電子がイオン源に逆流するのを防ぐ。三枚グリッドでは減速グリッド用の電源が加わる。プラズマの生成にはRF誘導結合方式やマイクロ波・ECR方式もあり、その場合は放電電源の代わりに高周波電源と整合器を組み合わせるが、引出し系は直流の多段電源である点は同じである。
引き出された正イオンのビームは、そのままでは空間電荷によって広がり、絶縁性の基板やターゲットを帯電させる。そこで、フィラメントやホローカソードなどの中和器に加熱電源と電子放出用のバイアス電源を付け、ビーム電流と同じ程度かやや多めの電子を供給する。中和器の電流を管理することは、絶縁膜の成膜や樹脂基板の処理で特に重要になる。
加速電圧の仕様は用途によって大きく違う。表面の洗浄や成膜中のイオンアシストでは数十V〜数百Vの低エネルギーが使われ、スパッタ成膜やイオンミリングでは数百V〜千数百V、場合によっては3kV程度までを使う。ビーム電流は小型の研究用で数十mA、量産装置では1A前後以上が目安となる。ビーム電流を安定させるため、放電電流やRF電力をフィードバックで調整する定ビーム電流制御を持つものが多い。
実務で注意すべき点は異常放電への対策である。グリッドの間で起きる一時的なアークや、付着した導電性の膜による短絡、フィラメントの劣化などが起きると、電源どうしが同じ基準電位を通じて互いにエネルギーを送り込み、機器を壊すおそれがある。そのため、アークを検出して出力をマイクロ秒単位で遮断し、自動で元の状態に戻す機能や、過電圧・過電流の保護が重要な仕様になる。中古品を導入する際は、組み合わせるイオン源の形式(放電方式、グリッドの枚数、中和器の種類)と出力の数や極性が合っているか、配線やインターロックの仕様、制御インターフェースを必ず確かめる必要がある。
主な用途は、イオンビームスパッタによる光学多層膜や磁性薄膜の成膜、蒸着やスパッタでのイオンアシストによる膜の緻密化、イオンビームエッチング・ミリング、成膜前の基板洗浄や表面改質、研究用のイオン照射実験などである。イオン源をプラズマ発生部と成膜領域から離して置けるので、低圧かつ無加熱で再現性の高い処理ができ、膜厚やエッチング量をビーム電流で正確に制御しやすい点が評価されている。