JP2002334662A

JP2002334662A - イオン源およびその運転方法

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Publication number: JP2002334662A
Application number: JP2001261486A
Authority: JP
Inventors: Naoki Miyamoto; 直樹宮本
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2002-11-22
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: CN1353443A; CN1288696C; US6525482B2; GB2373919A; GB0127053D0; KR20020036730A; TW522427B; SG97219A1; KR100664770B1; US20020053880A1; JP3797160B2

Abstract

(57)【要約】【課題】多価イオン等のイオンの生成効率を向上させ
る。【解決手段】このイオン源では、背後反射電極１０
を、プラズマ生成容器２およびフィラメント６の両者か
ら電気的に絶縁し、この背後反射電極１０と対向反射電
極８とを互いに電気的に接続した。更に、フィラメント
電源２４およびアーク電源２６とは別の電源であって、
両反射電極８、１０とプラズマ生成容器２との間に、両
反射電極８、１０側を負極にしてバイアス電圧Ｖ_Bを印
加する直流のバイアス電源３２を設けた。【効果】前記バイアス電圧Ｖ_Bの印加によって、多価
イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。
また、アーク電圧Ｖ_Aを小さくしてフィラメント６の長
寿命化を図ることもできる。両者を折衷させることもで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子放出用のフ
ィラメントおよび当該電子反射用の反射電極を有してお
り、かつプラズマ生成容器内に磁界を印加する構成のイ
オン源に関し、より具体的には、イオンの生成効率の向
上やフィラメントの長寿命化等を図る手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のイオン源の従来例を図１２に示
す。このイオン源は、バーナス型イオン源と呼ばれるも
のであり、同様の構造のものが、例えば特開平９−６３
９８１号公報にも開示されている。

【０００３】このイオン源は、例えば直方体状をしてい
て陽極を兼ねるプラズマ生成容器２を備えており、その
内部にはプラズマ１６の生成用のガス（蒸気の場合も含
む）が導入される。このプラズマ生成容器２の壁面（長
辺壁）には、イオンビーム１８の引き出し用のイオン引
出しスリット４が設けられている。この例では、イオン
ビーム１８は紙面の裏側へ向けて引き出される。

【０００４】このプラズマ生成容器２の一方側（一方の
短辺壁側）内には、電子ｅを放出するこの例ではＵ字状
のフィラメント６が設けられている。このフィラメント
６とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１２によって
電気的に絶縁されている。

【０００５】プラズマ生成容器２の他方側（即ちフィラ
メント６と相対向する短辺壁側）内には、フィラメント
６と相対向させて、電子ｅを反射する対向反射電極８が
設けられている。この対向反射電極８とプラズマ生成容
器２との間は、絶縁物１３によって電気的に絶縁されて
いる。この対向反射電極８は、従来は、どこにも接続せ
ずに浮遊電位にする場合と、前記特開平９−６３９８１
号公報にも記載されているように、導線２８でフィラメ
ント６の一方端（より具体的には、フィラメント電源２
４の負極側端）に接続してフィラメント電位にする場合
とがある。

【０００６】プラズマ生成容器２内であってフィラメン
ト６の背後に位置する箇所には、即ちフィラメント６の
Ｕ字状部とその背後のプラズマ生成容器２の壁面との間
には、対向反射電極８に相対向させて、電子ｅを反射す
る背後反射電極１０が設けられている。この背後反射電
極１０とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１２およ
び１４によって電気的に絶縁されている。この反射電極
１０は、従来は、フィラメント６の一端（より具体的に
は、フィラメント電源２４の負極側端）に接続してフィ
ラメント電位にしていた。

【０００７】プラズマ生成容器２内には、プラズマ１６
の生成・維持用に、プラズマ生成容器２の外部に設けら
れた磁界発生器２０から、フィラメント６と対向反射電
極８とを結ぶ軸に沿う磁界２２が印加される。但し、磁
界２２の向きは図示とは逆でも良い。磁界発生器２０
は、例えば電磁石である。

【０００８】フィラメント６には、それを加熱して電子
（熱電子）ｅを放出させるために、直流のフィラメント
電源２４から、直流のフィラメント電圧Ｖ_F（例えば２
〜４Ｖ程度）が印加される。

【０００９】フィラメント６の一端とプラズマ生成容器
２との間には、両者間でアーク放電を生じさせるため
に、フィラメント６を負極側にして、直流のアーク電源
２６からアーク電圧Ｖ_A（例えば４０〜１００Ｖ程度）
が印加される。

【００１０】このイオン源における電位配置の一例を図
１３に示す。この例は、対向反射電極８を前記導線２８
でフィラメント６の一端に接続した例であるが、対向反
射電極８をどこにも接続せずに浮遊電位にしても、対向
反射電極８の電位はこの例と同程度に、即ちフィラメン
ト６の電位と同程度になる。これは、浮遊電位にしてい
ても、対向反射電極８には、プラズマ１６中の軽くて移
動度の高い電子がイオンよりも遙かに多く入射して、対
向反射電極８は負電位に帯電するからである。

【００１１】上記アーク放電によって、プラズマ生成容
器２内に導入されたガスが電離されてプラズマ１６が作
られる。そしてこのプラズマ１６から、電界の作用で、
イオンビーム１８を引き出すことができる。なお、イオ
ン引出しスリット４に対向する箇所（紙面の裏側）に
は、通常は、イオンビーム１８を引き出す引出し電極が
設けられているが、ここではその図示を省略している。

【００１２】上記プラズマ１６の生成過程を詳述する
と、フィラメント６から放出された電子ｅは、上記アー
ク電圧Ｖ_A（フィラメント電圧Ｖ_Fは上記のように小さ
いのでここではそれを無視して説明する）によってプラ
ズマ生成容器２に向けて加速され、この電圧Ｖ_Aに相当
するエネルギーをもってガス分子と衝突して、当該ガス
分子を電離あるいはイオン化する。これによって、プラ
ズマ１６が生成される。このプラズマ１６中のイオンや
電子（これにはフィラメント６から放出された熱電子も
含まれる）ｅは、上記磁界２２によって閉じ込められ、
更にガス分子との衝突を繰り返すことによって、プラズ
マ１６を生成かつ維持する。

【００１３】このプラズマ１６の電位は、図１３に示す
ように、プラズマ生成容器２の電位と両反射電極８、１
０の電位との間の電位になり、プラズマ１６と両反射電
極８、１０との間には電位差が生じており、この電位差
によって、フィラメント６から放出されたりプラズマ１
６中で生成されたりした電子ｅは、両反射電極８、１０
でそれぞれ反射されて両反射電極８、１０間を往復運動
するようになる。その結果、当該電子ｅとガス分子との
衝突確率が高くなり、密度の高いプラズマ１６を生成す
ることができ、ひいてはイオンビーム１８の引き出し量
を多くすることができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなイオン源
から、イオンビーム１８を構成するイオンとして、２価
以上の多価イオンを引き出して利用したいという要望が
ある。これは、多価イオンの場合は、１価イオンに比べ
て、同じ加速電圧で価数倍（例えば２価イオンの場合は
２倍）の加速エネルギーを得ることができるので、高エ
ネルギー化が容易になる等の理由による。

【００１５】しかしながら、上記のような従来のイオン
源では、多価イオンの生成に対する配慮が成されていな
いので、分子イオンあるいは１価イオンに比べて、多価
イオンの生成量が少なかった。即ち、プラズマ１６中の
多価イオンの割合、ひいてはイオンビーム１８中に含ま
れる多価イオンの割合が高くなかった。従って、多価イ
オンを有効に利用することができなかった。

【００１６】そこでこの発明は、上記のようなイオン源
において、多価イオンの生成効率を向上させて、イオン
ビーム中に含まれる多価イオンの割合を向上させること
を可能にすることを一つの目的としている。その他の目
的は後述する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明に係るイオン源
の一つは、前記背後反射電極をフィラメントから電気的
に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源
とは別の電源であって、前記対向反射電極および背後反
射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間
に当該反射電極側を負極にして直流のバイアス電圧を印
加する直流のバイアス電源を設けたことを特徴としてい
る。

【００１８】上記イオン源によれば、対向反射電極およ
び背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイアス電
源から印加するバイアス電圧によって、アーク電源およ
びフィラメント電源の出力電圧から独立して調整するこ
とができる。従って、当該反射電極で反射する電子のエ
ネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によって
調整することができる。例えば、バイアス電圧を大きく
するほど、反射される電子のエネルギーおよび量は大き
くなる。

【００１９】上記イオン源によれば、このような高いエ
ネルギーの電子を多くプラズマの生成に利用することが
可能になるので、プラズマ中の分子、原子あるいはイオ
ンの解離（電離）をより促進させて、多価イオンをより
多く生成することが可能になる。即ち、多価イオンの生
成効率を向上させて、イオンビーム中に含まれる多価イ
オンの割合を向上させることが可能になる。

【００２０】また、１価イオンのイオンビーム引き出し
を行う場合にも、上記バイアス電圧の印加された反射電
極で反射される高いエネルギーの電子を多くプラズマの
生成に効率良く利用してイオンの生成効率を高めること
ができるので、１価イオンの生成効率を向上させて、１
価イオンビームの引き出し量を多くすることも可能にな
る。

【００２１】また、上記イオン源によれば、上述したよ
うに、バイアス電圧の印加された反射電極で反射される
高いエネルギーの電子によってガスを効率良く電離させ
ることができるので、アーク電圧を小さくしても、プラ
ズマの生成効率の低下を抑えて、ビーム電流の減少を抑
えることができる。従って、フィラメント電流ひいては
アーク電流を大きくせずに済む。その結果、アーク電圧
を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることも可能
になる。

【００２２】このように上記イオン源によれば、イオン
の生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオ
ンの生成効率を高めることができる。また、フィラメン
トの長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧を小さくして
フィラメントの長寿命化を図ることもできる。これは１
価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもでき
る。また、イオンの生成効率向上とフィラメントの長寿
命化とを折衷させることもできる。

【００２３】また、前記バイアス電圧印加によって対向
反射電極および背後反射電極の少なくとも一方の電位を
フィラメントの電位よりも負にして、あるいは前記バイ
アス電圧をアーク電圧よりも１０Ｖ以上大きくしてイオ
ンビームを引き出すというイオン源の運転方法を採用す
ることによって、より高エネルギーの電子をより多く利
用することが可能になるので、上記イオンの生成効率向
上やフィラメントの長寿命化等の効果をより高めること
が可能になる。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るイオン源
の一例を示す概略断面図である。図１２に示した従来例
と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下に
おいては当該従来例との相違点を主に説明する。

【００２５】このイオン源では、前記背後反射電極１０
を、フィラメント６から電気的に絶縁している。即ち、
ここでは背後反射電極１０を、プラズマ生成容器２およ
びフィラメント６の両者から電気的に絶縁している。

【００２６】そして、この背後反射電極１０と前記対向
反射電極８とを、導線３０で互いに電気的に接続して互
いに同電位にしている。

【００２７】更に、前記フィラメント電源２４およびア
ーク電源２６とは別の電源であって、前記対向反射電極
８および背後反射電極１０と前記プラズマ生成容器２と
の間に両反射電極８、１０側を負極にして直流のバイア
ス電圧Ｖ_Bを印加する直流のバイアス電源３２を設けて
いる。

【００２８】まず、多価イオンの生成効率向上の観点か
ら説明する。

【００２９】このイオン源との比較のために、図１２に
示した従来のイオン源の電位配置を再び説明すると、前
述したように従来の電位配置は図１３に示すようなもの
であり、対向反射電極８および背後反射電極１０の電位
はフィラメント６の電位に等しいかほぼ等しい。このよ
うな電位配置の場合、背後反射電極１０による電子ｅの
反射はあまり効率が良くなく、フィラメント６から放出
された電子ｅの内の何割かは、フィラメント６の近傍に
設けられた背後反射電極１０に衝突してしまい、プラズ
マ１６の生成・維持に寄与しない。また、この背後反射
電極１０は、アーク電圧Ｖ_Aに相当する電位とさほど変
わらない電位しか有していないため、この背後反射電極
１０で反射される電位ｅのエネルギーはあまり大きくな
い。

【００３０】一方、対向反射電極８もアーク電圧Ｖ_Aに
相当する電位とさほど変わらない電位しか有していない
ため、この対向反射電極８で反射される電子ｅのエネル
ギーはあまり大きくない。また、この対向反射電極８に
よる電子ｅの反射もあまり効率が良くなく、プラズマ１
６側に向かわずに拡散して、プラズマ生成容器２の壁面
に衝突する電子ｅも多い。

【００３１】このような理由から、従来のイオン源で
は、両反射電極８、１０で反射される電子ｅのエネルギ
ーおよび量が小さいので、当該電子ｅによるプラズマ１
６中の分子、原子あるいはやイオンの解離があまり進ま
ず、多価イオンの生成量が少なかったものと考えられ
る。

【００３２】これに対して、図１に示したイオン源で
は、フィラメント電源２４およびアーク電源２６とは別
のバイアス電源３２を設けているので、このバイアス電
源３２から出力するバイアス電圧Ｖ_Bによって、対向反
射電極８および背後反射電極１０の電位を、フィラメン
ト電圧Ｖ_Fおよびアーク電圧Ｖ_Aから独立して調整する
ことができる。従って、両反射電極８、１０で反射する
電子ｅのエネルギーや当該電子ｅの量を、このバイアス
電圧Ｖ_Bの大きさによって調整することができる。例え
ば、バイアス電圧Ｖ_Bを大きくするほど、両反射電極
８、１０による電子ｅの反射の効率が高まるので、反射
させる電子ｅの量は多くなる。また、両反射電極８、１
０で反射された電子ｅのエネルギーも大きくなる。

【００３３】図２に、このイオン源における電位配置の
例を示す。バイアス電源３２から出力するバイアス電圧
Ｖ_Bによって、対向反射電極８および背後反射電極１０
の電位を自由に調整することができ、従来例と違って、
両反射電極８、１０の電位を、フィラメント６の電位よ
りも負の電位にすることも可能である。従って、上述し
たように、両反射電極８、１０で反射させる電子ｅのエ
ネルギーおよび量をより大きくすることが可能である。

【００３４】このイオン源によれば、上記のような高い
エネルギーの電子ｅを多くプラズマ１６の生成・維持に
利用することが可能になるので、プラズマ１６中の分
子、原子あるいはイオンの解離（電離）をより促進させ
て、多価イオンをより多く生成することが可能になる。
即ち、多価イオンの生成効率を向上させて、プラズマ１
６中に含まれる多価イオンの割合を向上させることがで
きる。従って、多価イオンを有効に利用することが可能
になる。

【００３５】特に、両反射電極８および１０の電位をフ
ィラメント６の電位よりも負にすることによって、より
高エネルギーの電子ｅをより多く利用することが可能に
なるので、多価イオンをより多く、より効率的に生成す
ることが可能になる。

【００３６】バイアス電圧Ｖ_Bによって両反射電極８、
１０の電位をフィラメント６の電位よりもどの程度負に
するのが好ましいかは、後述する図３の結果からも分か
るように、例えば１０Ｖ以上、より好ましくは２０Ｖ以
上負にするのが好ましい。

【００３７】上記は、バイアス電圧Ｖ_Bの好ましい領域
を両反射電極８、１０の電位で規定したものであるが、
アーク電圧Ｖ_Aとの関係でバイアス電圧Ｖ_Bの好ましい
領域を規定しても良い。具体的には、バイアス電圧Ｖ_B
（より正確に言えばバイアス電圧Ｖ_Bの絶対値）をアー
ク電圧Ｖ_A（より正確に言えばアーク電圧Ｖ_Aの絶対
値）よりも１０Ｖ以上大きくする、即ちバイアス電圧Ｖ
_Bとアーク電圧Ｖ_Aとの差ΔＶ（＝｜Ｖ_B｜−｜Ｖ
_A｜）を１０Ｖ以上にすることでも良い。これによって
も、両反射電極８、１０で反射されたより高エネルギー
の電子ｅをより多く利用することが可能になるので、多
価イオンをより多く、より効果的に生成することが可能
になる。

【００３８】また、アーク電圧Ｖ_Aを多価イオン生成の
場合よりも小さくする等して、１価イオンのイオンビー
ム１８の引き出しを行う場合にも、上記バイアス電圧Ｖ
_Bの印加された反射電極８、１０で反射される高いエネ
ルギーの電子ｅを多くプラズマ１６の生成に効率良く利
用してイオンの生成効率を高めることができるので、１
価イオンの生成効率を向上させて、１価イオンビーム１
８の引き出し量を多くすることも可能になる。これは、
後述する図４〜図６の結果からも裏付けられている。

【００３９】以上要するに、このイオン源によれば、イ
オンの生成効率を高めることができるので、そのような
効果を利用して、多価イオンをより多く引き出すこと
も、１価イオンをより多く引き出すことも、いずれも可
能になるということである。

【００４０】なお、バイアス電源３２からのバイアス電
圧Ｖ_Bは、上記例のように対向反射電極８および背後反
射電極１０の両方に印加するのが最も好ましいけれど
も、対向反射電極８または背後反射電極１０のどちらか
一方だけにバイアス電圧Ｖ_Bを印加するようにしても良
い。そのようにしても、バイアス電圧Ｖ_Bを印加した反
射電極８または１０で反射される電子ｅのエネルギーお
よび量を前述したように大きくすることができるので、
多価イオンや１価イオンの生成効率を向上させてイオン
ビーム１８中に含まれる多価イオンあるいは１価イオン
の割合を向上させる効果を奏する。反射電極８または１
０の一方にバイアス電圧Ｖ_Bを印加する場合は、背後反
射電極１０にバイアス電圧Ｖ_Bを印加する場合の方が、
上述した作用によって多価イオンや１価イオンの生成効
率を向上させる効果は大きい。しかし、対向反射電極８
にバイアス電圧Ｖ_Bを印加しても、上述した作用から、
従来のイオン源よりかは多価イオンあるいは１価イオン
の生成効率を高めることができる。

【００４１】上記のようなバイアス電圧Ｖ_Bが印加され
る対向反射電極８および背後反射電極１０には、電子ｅ
が反射されるのに比例して、プラズマ１６中のイオン
が、プラズマ１６と両反射電極８、１０間の電位差に相
当するエネルギーで入射衝突する。そのために両反射電
極８、１０の温度は高温に上昇するので、両反射電極
８、１０は、その高温に耐えられる高融点材料で構成し
ておくのが好ましい。例えば、元素周期表の４Ａ族（Ｔ
i 、Ｚr 、Ｈf ）、５Ａ族（Ｖ、Ｎb 、Ｔa ）、６Ａ族
（Ｃr 、Ｍo 、Ｗ）の金属またはそれらの合金（例えば
タングステン・イットリウム合金、タングステン・ジル
コニウム合金等）で構成しておくのが好ましい。

【００４２】次に、フィラメント６の長寿命化の観点か
ら説明する。

【００４３】従来から（例えば特許第２８６９５５８号
参照）フィラメント６の寿命を長くするために、アーク
電圧Ｖ_Aを小さくしてイオン源を運転する、即ちイオン
ビーム１８を引き出すことが提案されている。プラズマ
１６中のイオン（正イオン。以下同じ）は、アーク電圧
Ｖ_Aで加速されてフィラメント６に衝突するので、アー
ク電圧Ｖ_Aを小さくするとこのイオンによるスパッタリ
ングによるフィラメント６の消耗を少なくすることがで
きるからである。

【００４４】ところが、従来のイオン源において単にア
ーク電圧Ｖ_Aを小さくしたのでは、前記説明（図１３参
照）からも分かるように、フィラメント６から放出され
たりプラズマ１６中で生成されたりした電子ｅのアーク
電圧Ｖ_Aによる加速エネルギーも小さくなるので、当該
電子ｅによるガスの電離効率が下がり、プラズマ１６の
生成効率が下がり、引き出し得るイオンビーム１８の量
（即ちビーム電流）が減少してしまう。

【００４５】フィラメント電源２４からフィラメント６
に流すフィラメント電流を大きくすることによって、フ
ィラメント６とプラズマ生成容器２間のアーク放電の電
流（即ちアーク電流。これはアーク電源２６に流れる電
流でもある）を大きくして対処するという考えもあるけ
れども、そのようにすると、フィラメント６の温度上昇
が大きくなってフィラメント材料の蒸発量が多くなり、
これが新たにフィラメント６の寿命を短くする原因にな
るので、必ずしもうまく行かない。

【００４６】これに対してこのイオン源では、上述した
ように、両反射電極８、１０で反射する電子ｅのエネル
ギーや当該電子ｅの量を、バイアス電圧Ｖ_Bによって調
整することができ、このバイアス電圧Ｖ_Bを大きくする
ほど反射される電子ｅのエネルギーおよび量は大きくな
る。特に、前述したように、バイアス電圧Ｖ_Bによって
両反射電極８および１０の電位をフィラメント６の電位
よりも負にすることによって、あるいは両反射電極８、
１０に印加するバイアス電圧Ｖ_Bをアーク電圧Ｖ_Aより
も１０Ｖ以上大きくすることによって、より高エネルギ
ーの電子ｅをより多く利用することが可能になる。そし
て、この両反射電極８、１０で反射された高いエネルギ
ーの電子ｅによってプラズマ生成容器２内のガスを効率
良く電離させることができるので、アーク電圧Ｖ_Aを小
さくしても、プラズマ１６の生成効率の低下を抑えて、
イオンビーム１８のビーム電流の減少を抑えることがで
きる。従って、フィラメント電流ひいてはアーク電流を
大きくせずに済む。

【００４７】これをより詳しく説明すると、プラズマ生
成容器２内に導入されたガスを効率良く電離させてプラ
ズマ１６を効率良く生成するためには、ガスの電離エネ
ルギー以上のエネルギーを有する電子ｅを多く発生させ
る必要がある。従来はその電子ｅのエネルギーを決めて
いたのがアーク電圧Ｖ_Aである。従って、ガスの電離エ
ネルギーに相当する電圧よりもアーク電圧Ｖ_Aを小さく
すると、ガスの電離効率は急激に低下する。

【００４８】これに対して、例えば上記のようにアーク
電圧Ｖ_Aよりも１０Ｖ（＝ΔＶ）以上大きいバイアス電
圧Ｖ_Bを両反射電極８、１０に印加すると、アーク電圧
Ｖ_Aによって加速された電子ｅだけでなく、両反射電極
８、１０で反射された、アーク電圧Ｖ_Aに相当するエネ
ルギーよりも高いエネルギーを有する電子ｅをガスの電
離に利用することができる。これによって、電子ｅのエ
ネルギー分布を、アーク電圧Ｖ_Aだけの場合よりもΔＶ
相当ぶん高い方へシフトさせることができる。しかも、
アーク電圧Ｖ_A相当のエネルギーを有する電子ｅとバイ
アス電圧Ｖ_B相当のエネルギーを有する電子とが混在す
ることになるので、電子ｅのエネルギー分布におけるピ
ーク付近のエネルギーの幅も広がる。従って、アーク電
圧Ｖ_Aを小さくしても、ガスの電離に用いる電子ｅのエ
ネルギーを、当該ガスの電離に適したエネルギー値付近
に多く分布させることができる。このような作用によっ
て、アーク電圧Ｖ_Aを小さくしても、ガスを効率良く電
離させることができ、ビーム電流の減少を抑えることが
できる。

【００４９】しかも、プラズマ１６中のイオンのスパッ
タによるフィラメント６の消耗は、前述したようにアー
ク電圧Ｖ_Aには依存するけれども、バイアス電圧Ｖ_Bに
は依存しない。つまり、バイアス電圧Ｖ_Bを大きくして
もフィラメント６の消耗を大きくすることにはならな
い。これは、両反射電極８、１０は、電子ｅを反射する
のであって、フィラメント６をスパッタするイオンをフ
ィラメント６に向けて加速する作用は奏しないからであ
る。

【００５０】従って、アーク電圧Ｖ_Aを小さくしても、
アーク電流を大きくせずにビーム電流の減少を抑えるこ
とができる。その結果、アーク電圧Ｖ_Aを小さくしてフ
ィラメント６の長寿命化を図ることが可能になる。

【００５１】アーク電圧Ｖ_Aをより小さくしてフィラメ
ント６の寿命をより延ばしたい等の場合は、バイアス電
圧Ｖ_Bとアーク電圧Ｖ_Aとの差ΔＶを前述した１０Ｖよ
りももっと大きくすれば良い。例えば後述するより具体
的な実施例からも分かるように、バイアス電圧Ｖ_Bをア
ーク電圧Ｖ_Aよりも２０Ｖ以上大きくすると、ビーム電
流の減少抑制により顕著な効果を発揮する。バイアス電
圧Ｖ_Bによって両反射電極８、１０の電位をフィラメン
ト６の電位よりも負にする観点から言えば、例えば１０
Ｖ以上、より好ましくは２０Ｖ以上負にするのが好まし
い。

【００５２】フィラメントの長寿命化の場合も、前記と
同様に、バイアス電源３２からのバイアス電圧Ｖ_Bは、
上記例のように対向反射電極８および背後反射電極１０
の両方に印加するのが最も好ましいけれども、対向反射
電極８または背後反射電極１０のどちらか一方だけにバ
イアス電圧Ｖ_Bを印加するようにしても良い。そのよう
にしても、バイアス電圧Ｖ_Bを印加した反射電極８また
は１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量を前述
したように大きくすることができ、それによってイオン
の生成効率を高めることができるからである。

【００５３】フィラメントの長寿命化を図ることは、イ
オンビーム１８を構成するイオンとして、１価のイオン
を引き出す場合に限られるものではなく、前述したよう
な２価等の多価のイオンを引き出す場合にも可能であ
る。多価イオンを生成する場合は、１価イオンの場合に
比べて、一般的に、アーク電圧Ｖ_Aを大きくする必要が
あるけれども、その場合でも、上記のようなバイアス電
圧Ｖ_Bを印加することによって、上述したようにより小
さいアーク電圧Ｖ_Aで済むようになるので、多価イオン
引き出しの場合もフィラメント６の長寿命化を図ること
が可能になる。

【００５４】以上要するに、このイオン源によれば、イ
オンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価
イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラ
メント６の長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧Ｖ_Aを
小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることもでき
る。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれに
おいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラ
メント６の長寿命化とを折衷させることもできる。折衷
させる場合は、アーク電圧Ｖ_Aの下げ方を、フィラメン
ト６の長寿命化を主眼にする場合よりも少なくすれば良
い。

【００５５】次に、多価イオンの生成効率を向上させる
場合のより具体的な実施例を説明する。

【００５６】図１に示したイオン源を用いて、プラズマ
生成容器２内にフッ化ホウ素（ＢＦ ₃）ガスを導入し
て、イオンビーム１８としてホウ素イオンビームを引き
出したときの、当該イオンビーム中に含まれるホウ素の
２価イオン（Ｂ²⁺）のビーム電流が、前記バイアス電圧
Ｖ_Bによって変化する状況を測定した結果を図３中に実
施例として示す。このとき、アーク電圧Ｖ_Aは６０Ｖ、
フィラメント電圧Ｖ_Fは約２Ｖにした。

【００５７】また、同図中に、同じ条件で、図１２に示
した従来のイオン源において、対向反射電極８を浮遊電
位にした（即ち導線２８を接続していない）ときのＢ²⁺
ビーム電流を測定した結果を従来例として示す。従来例
では、バイアス電圧Ｖ_Bは印加しないので、測定点の横
軸の値は示していない（示しようがない）。

【００５８】実施例で、バイアス電圧Ｖ_Bが６０Ｖを超
すとＢ²⁺ビーム電流が急増しており、７０Ｖ以上では従
来例と明確な差があり、８０Ｖ以上で顕著な差のあるこ
とが分かる。即ち、この例の場合、アーク電圧Ｖ_Aが６
０Ｖであるから、フィラメント６の電位は、プラズマ生
成容器２の電位を基準に見て−６０Ｖ程度であり、上記
バイアス電圧Ｖ_Bによって両反射電極８および１０の電
位を−６０Ｖよりも負にすることによって、Ｂ²⁺ビーム
電流の増大に効果のあることが分かる。より具体的に
は、Ｂ²⁺ビームを引き出す場合は、バイアス電圧Ｖ_Bは
７０Ｖ以上が好ましく、８０Ｖ以上がより好ましいと言
える。換言すれば、バイアス電圧Ｖ_Bによって両反射電
極８、１０の電位をフィラメント６の電位よりも１０Ｖ
以上負にするのが好ましく、２０Ｖ以上負にするのがよ
り好ましい。そのようにすれば、従来例の１．５倍〜２
倍程度のＢ²⁺ビーム電流を得ることができる。

【００５９】バイアス電圧Ｖ_Bの上限については、図３
からも分かるように１６０Ｖに近づくとＢ²⁺ビーム電流
の増大が飽和しており、またバイアス電圧Ｖ_Bをあまり
大きくすると両反射電極８および１０の電気絶縁が難し
くなるので、当該電気絶縁の面から上限が自ずから決ま
ってくる。

【００６０】なお、図３においてバイアス電圧Ｖ_Bが６
０Ｖより小さいときの測定点がないのは、バイアス電圧
Ｖ_Bを６０Ｖより小さくすると、バイアス電源３２に大
きな負荷電流が流れて測定が困難になったからである。
これは、上記条件ではプラズマ１６の電位が−６０Ｖ付
近にあり、バイアス電圧Ｖ_Bを６０Ｖよりも小さくする
と、両反射電極８および１０が電子ｅを反射するのとは
反対に電子ｅを引き込んでしまうからであると考えられ
る。

【００６１】上記実施例は、ホウ素の２価イオンの場合
の例であるが、この発明は勿論、それ以外の多価イオン
の生成、引き出しにも利用することができる。例えば、
リン（Ｐ）の多価イオンの生成等にも利用することがで
きる。

【００６２】次に、フィラメント６の長寿命化を可能に
する場合のより具体的な実施例を説明する。

【００６３】図１に示したイオン源を用いて、上記実施
例と同様に、プラズマ生成容器２内にフッ化ホウ素（Ｂ
Ｆ₃）ガスを導入して、イオンビーム１８としてホウ素
イオンビームを引き出したときの、当該イオンビーム中
に含まれるホウ素の１価イオン（Ｂ⁺）のビーム電流
が、前記バイアス電圧Ｖ_Bによって変化する状況を測定
した結果を図４〜図６に示す。このとき、アーク電圧Ｖ
_Aは４５Ｖ、６０Ｖおよび７５Ｖの３種、フィラメント
電圧Ｖ_Fは約２Ｖにした。図４はアーク電流が１０００
ｍＡ、図５は同電流が２０００ｍＡ、図６は同電流が３
０００ｍＡの場合の結果である。

【００６４】各図において、各アーク電圧Ｖ_Aで最もバ
イアス電圧Ｖ_Bの低いときの測定点（即ち白抜きの測定
点）が、バイアス電圧Ｖ_Bを印加しない場合、即ち両反
射電極８、１０をフロート状態にした場合であり、その
場合に両電極８、１０の電位が、アーク電圧Ｖ_Aよりも
若干小さい値の電位になる、即ち図のバイアス電圧Ｖ _B
に相当する電位になる理由は、前述のとおりである。

【００６５】図４において、アーク電圧Ｖ_Aが６０Ｖで
バイアス電圧Ｖ_Bが印加されていない場合、ビーム電流
は約１１０μＡ得られている。これに対して、アーク電
圧Ｖ _Aが４５Ｖでバイアス電圧Ｖ_Bが印加されていない
場合、ビーム電流は約６０μＡしか得られない。大幅に
減少している。しかしながら、アーク電圧Ｖ_Aよりも大
きいバイアス電圧Ｖ_Bを印加してその電圧を上げて行く
とビーム電流は増大し、バイアス電圧Ｖ_Bをアーク電圧
Ｖ_Aよりも１０Ｖ以上大きくすれば（バイアス電圧Ｖ_B
の値で言えば５５Ｖ以上にすれば）ビーム電流は明らか
に増大しているのが分かる。バイアス電圧Ｖ_Bをアーク
電圧Ｖ_Aよりも２０Ｖ以上大きくすれば、ビーム電流は
バイアス電圧無印加時に比べて顕著に増大している。

【００６６】具体的には、アーク電圧Ｖ_Aを４５Ｖに下
げてもバイアス電圧Ｖ_Bを６０〜６５Ｖにすれば、アー
ク電圧Ｖ_Aが６０Ｖでバイアス電圧無印加時とほぼ同程
度のビーム電流が得られている。即ち、ビーム電流の減
少を十分に抑えることができている。同様に、アーク電
圧Ｖ_Aを６０Ｖに下げてもバイアス電圧Ｖ_Bをアーク電
圧Ｖ_Aよりも１０Ｖ以上大きくすることによって（バイ
アス電圧Ｖ_Bの値で言えば７０Ｖ以上にすることによっ
て）、アーク電圧Ｖ_Aが７５Ｖでバイアス電圧無印加時
と同程度以上のビーム電流が得られている。

【００６７】図５および図６のようにアーク電流を増大
させてビーム電流全体を増大させた場合も、バイアス電
圧Ｖ_Bをアーク電圧Ｖ_Aよりも１０Ｖ以上大きくする、
より好ましくは２０Ｖ以上大きくすることによって、バ
イアス電圧無印加時に比べてビーム電流が明らかに増大
している。即ち、アーク電圧Ｖ_Aを４５Ｖに下げても、
ビーム電流の減少を抑えて、アーク電圧Ｖ_Aが６０Ｖで
バイアス電圧無印加時のビーム電流に近づけることがで
きている。同様に、アーク電圧Ｖ_Aを６０Ｖに下げて
も、アーク電圧Ｖ_Aが７５Ｖでバイアス電圧無印加時と
同程度以上のビーム電流が得られている。

【００６８】バイアス電圧Ｖ_Bとアーク電圧Ｖ_Aとの差
ΔＶの上限については、上記図４〜図６の測定結果から
も分かるように、差をある程度大きくするとビーム電流
の増大が飽和するので、８０Ｖ程度を上限と考えること
ができる。また、バイアス電圧Ｖ_B自体の大きさの上限
は、上記と同様の理由から、１６０Ｖ程度が現実的であ
る。

【００６９】次に、図１に示したイオン源において、プ
ラズマ生成用のガスとしてアルゴン（Ａr ）ガスを用い
て、アーク電圧Ｖ_Aを５０Ｖと６０Ｖの２種とし、アー
ク電流が２５００ｍＡで１０時間連続してプラズマ１６
を生成させた後のフィラメント６の消耗の状況（即ちフ
ィラメント６の直径の減少量）を測定した結果を図８に
示す。このとき、バイアス電圧Ｖ_Bは９０Ｖにした。ま
た、図７に、フィラメント６の直径の測定点を示し、こ
れは図８の横軸に対応している。

【００７０】この図８から分かるように、アーク電圧Ｖ
_Aを６０Ｖから５０Ｖに低下させると、フィラメント６
の消耗は大幅に減っている。具体的には、フィラメント
６の先端付近での直径の減少量は半分近くに減ってい
る。従って、フィラメント６の寿命は大幅に延びる。こ
れは、アーク電圧Ｖ_Aを６０Ｖから５０Ｖへと１０Ｖ低
下させた場合の例であり、１０Ｖよりも更に低下させる
とフィラメント６の寿命がより延びることは、この結果
から容易に推測できよう。

【００７１】また、この発明に係るイオン源によれば、
前述したようにイオンの生成効率が向上することによっ
て、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメ
ント電流を小さくすることもできるので、それによって
フィラメント６の温度を下げることができ、フィラメン
ト６からの構成材料の蒸発速度を低下させることがで
き、これによってもフィラメント６の寿命を延長するこ
とができる。

【００７２】これを詳述すると、図９に、フィラメント
６の材料として一般的なタングステンの蒸発速度および
熱電子放射電流密度の温度特性を示す。例えば、通常の
運転状態に近いフィラメント温度２８００Ｋでの熱電子
放射電流密度を半分にする温度は約２７２０Ｋであり、
この場合のタングステンの蒸発速度は約４分の１（正確
には１／４．３）となり、フィラメント６の寿命は４倍
近くに延びる。即ち、フィラメント６の温度を約２８０
０Ｋから約２７２０Ｋに下げると、熱電子放射電流密度
は約半分に下がるけれども、その場合のビーム電流の減
少は上記バイアス電圧Ｖ_Bの印加によって抑えることが
でき、しかもフィラメント６の寿命は約４倍に延びると
いうことである。

【００７３】また、上記対向反射電極８および背後反射
電極１０の温度は、前述したように、プラズマ１６から
のイオンの入射衝突によって高温に上昇するので、対向
反射電極８および背後反射電極１０の少なくとも一方
を、好ましくは両方を、フィラメント６の一般的な構成
材料であるタングステンよりも熱電子放射電流密度の高
い材料で構成しておいても良い。そのようにすれば、当
該反射電極８、１０から放出される電子をもプラズマ１
６の生成・維持に効果的に利用することが可能になるの
で、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメ
ント電流をより低下させることができ、それによってフ
ィラメント６の寿命をより延ばすことができる。

【００７４】上記のタングステン（約８．７×１０^-4）
よりも熱電子放射電流密度の大きい材料としては、例え
ば、タンタル（約９．９×１０^-3）、モリブデン（約
７．７×１０^-3）、ニオブ（約１．２×１０^-2）、ジル
コニウム（約５．５×１０^-2）、タングステン・イット
リウム合金（約４．４）、タングステン・ジルコニウム
合金（約０．２４）等が利用できる。各括弧内の数値
は、当該材料の２０００Ｋにおける熱電子放射電流密度
を示す（単位はＡ／ｃｍ²）。タングステンを基準にし
たのは、熱電子放出材料としてはタングステンが一般的
だからである。これらの材料の内でもタンタルは、融点
も高く（約３２５０Ｋ）、熱電子放射電流密度も大き
く、しかも価格も比較的安いので、好ましい材料の一つ
である。

【００７５】また、上記のように、この発明に係るイオ
ン源によれば、イオンの生成効率が向上することによっ
てフィラメント電流を小さくすることができるので、フ
ィラメント電流の大きさを、イオン源の運転の初期は相
対的に大きくし、その後は相対的に小さくする運転方法
を採用しても良い。そのようにすれば、イオン源運転の
初期には大きなフィラメント電流でプラズマ１６を確実
に点火させることができると共に、その後にフィラメン
ト電流を小さくすることによって、フィラメント６の寿
命をより一層延ばすことができる。

【００７６】対向反射電極８および背後反射電極１０の
少なくとも一方に、好ましくは両方に、上記のようなタ
ングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料を用
いている場合は、上述したように、当該反射電極８、１
０から放出される電子をもプラズマ１６の生成・維持に
効果的に利用することが可能になるので、イオン源運転
開始後のフィラメント電流をより一層小さくして、フィ
ラメント６の寿命をより一層長く延ばすことが可能にな
る。

【００７７】また、上記のような熱電子放射電流密度の
大きい材料を用いている場合には、特に両反射電極８お
よび１０に用いている場合には、プラズマ１６の点火後
は、当該反射電極８、１０からの電子放出によってプラ
ズマ１６を維持することができる場合もあり、その場合
は、イオン源の運転の初期にのみフィラメント電流を流
してフィラメント６を加熱し、その後はフィラメント電
流をオフ（即ち０）にすることができる。そのようにす
れば、フィラメント６の寿命を非常に延長することがで
きる。

【００７８】次に、上記バイアス電圧Ｖ_Bの制御によっ
てイオンビーム１８の量を制御する実施例を説明する。

【００７９】例えばイオン注入処理を行う場合に、注入
条件の一つであるイオンドーズ量の変更には、通常はイ
オン源から引き出すイオンビームの量（即ちイオンビー
ム電流）を変化させることで行われる。

【００８０】図１２に示したような従来のイオン源で
は、それから引き出すイオンビーム１８の量の調整は、
フィラメント電源２４からフィラメント６に流すフィラ
メント電流を変化させてアーク電流を変化させることに
よって行っていた。

【００８１】このときのアーク電流は、主に、フィラメ
ント６から放出される熱電子ｅの量、即ちフィラメント
６の温度によって決定されるが、真空中（プラズマ生成
容器２内およびその周りは真空中である）に設置された
フィラメント６の温度を変化させるためには長い時間が
必要となる。即ち、アーク電流およびイオンビーム電流
を変化させるためには長い時間が必要である。例えば数
十秒程度は必要である。その結果例えば、当該イオン源
を用いたイオン注入処理において、注入条件の変更に長
い時間を要することになり、全体の処理が遅くなってし
まう。

【００８２】これに対して、この発明に係るイオン源で
は、前記図４〜図６およびその説明からも分かるよう
に、アーク電流を変化させなくても（即ち同一のアーク
電流であっても）、バイアス電圧Ｖ_Bの大きさを制御
（調整）することによって、引き出すイオンビーム１８
の量（即ちイオンビーム電流）を制御することができ
る。

【００８３】例えば、図４（アーク電流は１０００ｍＡ
で一定）において、アーク電圧Ｖ_Aが６０Ｖでバイアス
電圧Ｖ_Bが印加されていない場合、ビーム電流は約１１
０μＡ得られている。これに対して、バイアス電圧Ｖ_B
を印加し、かつその値を大きくするとビーム電流は次第
に増大し、バイアス電圧Ｖ_Bを１２０Ｖにするとビーム
電流は約１９０μＡにまで上昇している。

【００８４】他のアーク電圧Ｖ_Aの場合、および図５、
図６の場合も同様に、アーク電流を一定にしておいて
も、バイアス電圧Ｖ_Bの電圧制御によってビーム電流の
大きさを制御することのできることが分かる。２価イオ
ンのイオンビーム１８を引き出す場合も同様である（図
３参照）。

【００８５】しかもこの場合にビーム電流を変化させる
のに要する時間は、バイアス電源３２から出力するバイ
アス電圧Ｖ_Bの調整に要する時間で決まり、例えば数秒
程度である。これは、前述した従来のアーク電流を変化
させる方法による場合の数十秒程度に比べて、約１０倍
も速い。このように、バイアス電源３２から出力するバ
イアス電圧Ｖ_Bの大きさを制御する（この制御には、バ
イアス電圧Ｖ_Bをオン、オフさせることも含む）ことに
よって、イオン源から引き出すイオンビーム１８の量を
高速で制御することができる。

【００８６】次に、上記対向反射電極８の代わりに、も
う一組のフィラメント６および背後反射電極１０を設け
た実施例を説明する。

【００８７】図１０に示すイオン源がそれであり、以下
においては図１に示したイオン源との相違点を主体に説
明する。それ以外の事項については、図１のイオン源に
おける前記説明が適用される。

【００８８】このイオン源では、図１に示した一組の
（第１の）フィラメント６および背後反射電極１０の他
に、上記対向反射電極８の代わりとして、もう一組の
（第２の）フィラメント６および背後反射電極１０を設
けている。即ち、二つの（第１および第２の）前述した
ようなフィラメント６を、プラズマ生成容器２内に相対
向させて配置している。また、各フィラメント６の背後
には、二つの（第１および第２の）前述したような背後
反射電極１０を、相対向させて配置している。

【００８９】二つのフィラメント６は、この例では、図
１０中の点Ｐ、Ｑで互いに並列接続されている。従って
この例では、二つのフィラメント６には、共通のフィラ
メント電源２４から加熱用のフィラメント電圧Ｖ_Fが印
加され、かつ共通のアーク電源２６からアーク放電用の
アーク電圧Ｖ_Aが印加される。但し、この例と違って、
各フィラメント６にフィラメント電源２４およびアーク
電源２６をそれぞれ設けても良い。

【００９０】上記のようなフィラメント６および背後反
射電極１０を二組有するイオン源は、前記特開平９−６
３９８１号公報にも記載されているけれども、従来は、
両背後反射電極１０は、図１２の従来例と同様、フィラ
メント６の一端（より具体的には、フィラメント電源２
４の負極側端）に接続してフィラメント電位にしてい
た。

【００９１】これに対して、この実施例では、図１の実
施例の場合と同様、各背後反射電極１０を、各フィラメ
ント６およびプラズマ生成容器２の両者から電気的に絶
縁している。そして、この例では、両背後反射電極１０
を導線３０で互いに電気的に接続して互いに同電位にし
ている。

【００９２】更に、前記フィラメント電源２４およびア
ーク電源２６とは別の電源であって、両反射電極１０と
前記プラズマ生成容器２との間に両反射電極１０側を負
極にして直流のバイアス電圧Ｖ_Bを印加する直流の前記
バイアス電源３２を設けている。

【００９３】このイオン源における電位配置の一例を図
１１に示す。フィラメント６および背後反射電極１０
は、同じ電位のものが二つずつあると考えれば良い。

【００９４】このイオン源においても、バイアス電源３
２から両背後反射電極１０に前記のようなバイアス電圧
Ｖ_Bを印加することによって、基本的には、図１に示し
たイオン源の場合と同様の作用効果を奏する。

【００９５】即ち、要約して言えば、このイオン源の場
合も、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオ
ンや１価イオンの生成効率を高めることができる。ま
た、フィラメント６の長寿命化を主眼にすれば、アーク
電圧Ｖ_Aを小さくしてフィラメント６の長寿命化を図る
こともできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成
のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向
上とフィラメント６の長寿命化とを折衷させることもで
きる。折衷させる場合は、アーク電圧Ｖ_Aの下げ方を、
フィラメント６の長寿命化を主眼にする場合よりも少な
くすれば良い。

【００９６】また、図１に示したイオン源の場合と同様
の運転方法を採用することができ、それによって前述し
たような作用効果を奏することができる。

【００９７】しかもこの図１０のイオン源は、図１のイ
オン源に比べて、フィラメント６および背後反射電極１
０を二組設けているので、各フィラメント６から放出さ
せる電子量を半分にして、各フィラメント６の寿命をよ
り一層延長させることができるという特徴を有してい
る。

【００９８】なお、この図１０のイオン源の場合も、バ
イアス電源３２からのバイアス電圧Ｖ_Bは、この例のよ
うに両背後反射電極１０に印加するのが最も好ましいけ
れども、どちらか一方の背後反射電極１０だけにバイア
ス電圧Ｖ_Bを印加するようにしても良い。そのようにし
ても、バイアス電圧Ｖ_Bを印加した側の背後反射電極１
０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量を前述した
ように大きくすることができるので、多価イオンや１価
イオンの生成効率を向上させてイオンビーム１８中に含
まれる多価イオンあるいは１価イオンの割合を向上させ
る効果を奏する。また、アーク電圧Ｖ_Aを小さくしてフ
ィラメント６の長寿命化を図ることもできる。

【００９９】

【発明の効果】この発明は、上記のとおり構成されてい
るので、次のような効果を奏する。

【０１００】請求項１記載の発明によれば、対向反射電
極および背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイ
アス電源から印加するバイアス電圧によって、アーク電
源およびフィラメント電源の出力電圧から独立して調整
することができるので、当該反射電極で反射する電子の
エネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によっ
て調整することができる。その結果、高いエネルギーの
電子を多くプラズマの生成に利用することが可能になる
ので、プラズマ中のガス分子あるいはイオンの解離をよ
り促進させて、イオンの生成効率を高めることが可能に
なる。

【０１０１】その結果、イオンの生成効率向上を主眼に
すれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めるこ
とができる。また、フィラメントの長寿命化を主眼にす
れば、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化
を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオ
ン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成
効率向上とフィラメントの長寿命化とを折衷させること
もできる。

【０１０２】請求項２記載の発明によれば、対向反射電
極および背後反射電極の少なくとも一方を、タングステ
ンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料で構成するこ
とによって、当該反射電極から放出される電子をもプラ
ズマの生成・維持に効果的に利用することが可能になる
ので、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラ
メント電流をより低下させることができ、それによって
フィラメントの寿命をより延ばすことが可能になる。

【０１０３】また、前記バイアス電圧印加によって対向
反射電極および背後反射電極の少なくとも一方の電位を
フィラメントの電位よりも負にすることによって（請求
項５または８に記載の発明）、あるいは前記バイアス電
圧をアーク電圧よりも１０Ｖ以上大きくすることによっ
て（請求項７または１０に記載の発明）、より高エネル
ギーの電子をより多く利用することが可能になるので、
上記イオンの生成効率向上やフィラメントの長寿命化等
の効果をより高めることが可能になる。

【０１０４】請求項３記載の発明によれば、第１および
第２の背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイア
ス電源から印加するバイアス電圧によって、アーク電源
およびフィラメント電源の出力電圧から独立して調整す
ることができるので、当該反射電極で反射する電子のエ
ネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によって
調整することができる。その結果、高いエネルギーの電
子を多くプラズマの生成に利用することが可能になるの
で、プラズマ中のガス分子あるいはイオンの解離をより
促進させて、イオンの生成効率を高めることが可能にな
る。

【０１０５】その結果、イオンの生成効率向上を主眼に
すれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めるこ
とができる。また、フィラメントの長寿命化を主眼にす
れば、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化
を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオ
ン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成
効率向上とフィラメントの長寿命化とを折衷させること
もできる。

【０１０６】しかも、フィラメントおよび背後反射電極
を二組有しているので、請求項１記載の発明に比べて、
各フィラメントから放出させる電子量を半分にして、各
フィラメントの寿命をより一層延長させることができ
る。

【０１０７】請求項４記載の発明によれば、第１および
第２の背後反射電極の少なくとも一方を、タングステン
よりも熱電子放射電流密度の大きい材料で構成すること
によって、当該反射電極から放出される電子をもプラズ
マの生成・維持に効果的に利用することが可能になるの
で、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメ
ント電流をより低下させることができ、それによってフ
ィラメントの寿命をより延ばすことが可能になる。

【０１０８】また、前記バイアス電圧印加によって第１
および第２の背後反射電極の少なくとも一方の電位を第
１および第２のフィラメントの電位よりも負にすること
によって（請求項６または９に記載の発明）、あるいは
前記バイアス電圧をアーク電圧よりも１０Ｖ以上大きく
することによって（請求項７または１０に記載の発
明）、より高エネルギーの電子をより多く利用すること
が可能になるので、上記イオンの生成効率向上やフィラ
メントの長寿命化等の効果をより高めることが可能にな
る。

【０１０９】請求項１１記載の発明によれば、イオン源
運転の初期には大きなフィラメント電流でプラズマを確
実に点火させることができると共に、その後にフィラメ
ント電流を小さくすることによって、フィラメントの寿
命をより一層延ばすことができる。

【０１１０】請求項１２記載の発明によれば、バイアス
電源から出力するバイアス電圧の大きさを制御すること
によって、イオン源から引き出すイオンビームの量を、
フィラメント電流を変化させてアーク電流を変化させる
場合に比べて、高速で制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るイオン源の一例を示す概略断面
図である。

【図２】図１のイオン源における電位配置の一例を模式
的に示す図である。

【図３】ホウ素の２価イオンビーム電流のバイアス電圧
特性の一例を示す図である。

【図４】アーク電流が１０００ｍＡの時のホウ素の１価
イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図で
ある。

【図５】アーク電流が２０００ｍＡの時のホウ素の１価
イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図で
ある。

【図６】アーク電流が３０００ｍＡの時のホウ素の１価
イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図で
ある。

【図７】図１中のフィラメントを拡大して示す図であ
る。

【図８】１０時間運転後の図７のフィラメントの直径の
変化を測定した結果を示す図である。

【図９】タングステンの蒸発速度および熱電子放射電流
密度の温度特性を示す図である。

【図１０】この発明に係るイオン源の他の例を示す概略
断面図である。

【図１１】図１０のイオン源における電位配置の一例を
模式的に示す図である。

【図１２】従来のイオン源の一例を示す概略断面図であ
る。

【図１３】図１２のイオン源における電位配置の一例を
模式的に示す図である。

【符号の説明】

２プラズマ生成容器６フィラメント８対向反射電極１０背後反射電極１６プラズマ１８イオンビーム２０磁界発生器２４フィラメント電源２６アーク電源３２バイアス電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陽極を兼ねていてガスが導入されるプラ
ズマ生成容器と、このプラズマ生成容器の一方側内にプ
ラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて電
子を放出するフィラメントと、前記プラズマ生成容器の
他方側内にフィラメントと相対向させて、かつプラズマ
生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反
射する対向反射電極と、前記プラズマ生成容器内のフィ
ラメントの背後に対向反射電極に相対向させて、かつプ
ラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電
子を反射する背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内
にフィラメントと対向反射電極とを結ぶ軸に沿う磁界を
発生させる磁界発生器と、前記フィラメントを加熱して
電子を放出させるフィラメント電源と、前記フィラメン
トとプラズマ生成容器との間にフィラメント側を負極に
して直流のアーク電圧を印加して両者間でアーク放電を
生じさせる直流のアーク電源とを備えるイオン源におい
て、前記背後反射電極をフィラメントから電気的に絶縁
し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別
の電源であって、前記対向反射電極および背後反射電極
の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該
反射電極側を負極にして直流のバイアス電圧を印加する
直流のバイアス電源を設けたことを特徴とするイオン
源。
【請求項２】前記対向反射電極および背後反射電極の
少なくとも一方を、タングステンよりも熱電子放射電流
密度の大きい材料で構成している請求項１記載のイオン
源。
【請求項３】陽極を兼ねていてガスが導入されるプラ
ズマ生成容器と、このプラズマ生成容器内にプラズマ生
成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて設けら
れていて電子をそれぞれ放出する第１および第２のフィ
ラメントと、この第１および第２のフィラメントの背後
にあってプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ
相対向させて配置されていて電子をそれぞれ反射する第
１および第２の背後反射電極と、前記プラズマ生成容器
内に前記第１および第２のフィラメントを結ぶ軸に沿う
磁界を発生させる磁界発生器と、前記第１および第２の
フィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント
電源と、前記第１および第２のフィラメントとプラズマ
生成容器との間に両フィラメント側を負極にして直流の
アーク電圧を印加して両フィラメントとプラズマ生成容
器との間でアーク放電を生じさせる直流のアーク電源と
を備えるイオン源において、前記第１および第２の背後
反射電極を前記第１および第２のフィラメントからそれ
ぞれ電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源および
アーク電源とは別の電源であって、前記第１および第２
の背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容
器との間に当該反射電極側を負極にして直流のバイアス
電圧を印加する直流のバイアス電源を設けたことを特徴
とするイオン源。
【請求項４】前記第１および第２の背後反射電極の少
なくとも一方を、タングステンよりも熱電子放射電流密
度の大きい材料で構成している請求項３記載のイオン
源。
【請求項５】前記バイアス電源は、前記プラズマ生成
容器の電位を基準に見て、前記対向反射電極および背後
反射電極の少なくとも一方の電位を前記フィラメントの
電位よりも負の電位にするバイアス電圧を出力するもの
である請求項１または２記載のイオン源。
【請求項６】前記バイアス電源は、前記プラズマ生成
容器の電位を基準に見て、前記第１および第２の背後反
射電極の少なくとも一方の電位を前記第１および第２の
フィラメントの電位よりも負の電位にするバイアス電圧
を出力するものである請求項３または４記載のイオン
源。
【請求項７】前記バイアス電源から出力するバイアス
電圧を、前記アーク電源から出力するアーク電圧よりも
１０Ｖ以上大きく設定している請求項１、２、３または
４記載のイオン源。
【請求項８】請求項１または２記載のイオン源におい
て、前記バイアス電圧によって、前記プラズマ生成容器
の電位を基準に見て、前記対向反射電極および背後反射
電極の少なくとも一方の電位を前記フィラメントの電位
よりも負の電位にしてイオンビームを引き出すことを特
徴とするイオン源の運転方法。
【請求項９】請求項３または４記載のイオン源におい
て、前記バイアス電圧によって、前記プラズマ生成容器
の電位を基準に見て、前記第１および第２の背後反射電
極の少なくとも一方の電位を前記第１および第２のフィ
ラメントの電位よりも負の電位にしてイオンビームを引
き出すことを特徴とするイオン源の運転方法。
【請求項１０】請求項１、２、３または４記載のイオ
ン源において、前記バイアス電圧を前記アーク電圧より
も１０Ｖ以上大きくしてイオンビームを引き出すことを
特徴とするイオン源の運転方法。
【請求項１１】請求項１、２、３または４記載のイオ
ン源において、前記フィラメント電源から前記フィラメ
ントに流すフィラメント電流の大きさを、当該イオン源
の運転の初期は相対的に大きくし、その後は相対的に小
さくすることを特徴とするイオン源の運転方法。
【請求項１２】請求項１、２、３または４記載のイオ
ン源において、前記バイアス電源から出力するバイアス
電圧の大きさを制御して、当該イオン源から引き出すイ
オンビームの量を制御することを特徴とするイオン源の
運転方法。