JP2004362936A

JP2004362936A - 管内ガスの放電防止構造及びその構造を備えるガスイオン源

Info

Publication number: JP2004362936A
Application number: JP2003159814A
Authority: JP
Inventors: Akira Kobayashi; 明小林; Chikara Ichihara; 主税一原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】高電圧ターミナルの筐体内に搭載されたガスイオン源に原料ガスを導入する場合の原料ガスの導入配管内での放電を防止し得るガスイオン源を提供する。
【解決手段】接地電位から絶縁され、高電圧発生回路１０によって高電位に保持された高電圧ターミナルの筐体２内に搭載されたガスイオン源３において、このガスイオン源３に導入される原料ガス９の導入配管２０が、その配管２０の一部が絶縁材料で構成されるとともに、その絶縁配管２１の端部に原料ガスの流れ方向に対して垂直な磁場を印加する手段２７を備えてなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管内ガスの放電防止構造及びその構造を備えるガスイオン源に関し、特には、シングルエンド型の高エネルギー・イオンビーム散乱分析装置やイオン注入装置の、高圧ターミナル筐体内に搭載されるガスイオン源において、このガスイオン源に導入される原料ガスが導入配管内で不要な放電を発生しないようにするための放電防止構造を備えてなるガスイオン源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報処理の大量高速処理のためにＳｉ半導体集積回路の配線層が、ますます多層化し、また個々のトランジスタ素子自体も微細化、高速性の要求からゲート絶縁膜は１ｎｍ以下を目指す時代となった。一方で、情報伝送の多様性、機動性から、化合物半導体をベースとした発光／受光素子でも、多層の極薄膜構造となってきている。これら素子の開発では、表面保護膜下数百ｎｍ深さにある多層構造の観察から、１０ｎｍ内外の極薄膜の界面における元素組成分布まで、非破壊的に分析評価し、迅速にプロセスにフィードバックしたいとの要求が高い。
【０００３】
現状、表面スパッタを用いた破壊分析である二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）やオージェ電子分光法（ＡＥＳ）による装置が多用されているが、この装置では、スパッタリングによる結晶破壊性から深さ分解能の曖昧さや、定量性が問題となっている。
【０００４】
そこで、昨今、非破壊的に表面皮下数百ｎｍの組成分布が分析できるラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）が注目されているが、このＲＢＳによる装置では高エネルギーイオンビームを利用するため、高電圧発生装置（加速器）が必要なことから、ＳＩＭＳやＡＥＳ機器に比べ大型かつ高価な装置となるため、一般に普及していないのが現状である。
【０００５】
ＲＢＳによる装置では、絶縁ガスに満たされた高圧タンクの中に、接地電位の高圧タンクから絶縁し、高電圧発生回路によって高電位に保持された高電圧ターミナルの筐体を設置し、その筐体内にガスイオン源を搭載して高電圧ターミナルと接地電位との間を真空雰囲気の加速管でつないでイオンビームを加速する形式、すなわち、シングルエンド型のイオン加速器がイオン分析装置として適している。（例えば、特許文献１参照）
【０００６】
図４は、ＰＩＧ（ＰｅｎｎｉｎｇＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＧａｕｇｅ）ガスイオン源を備えるシングルエンド型のイオン分析装置を示す。このイオン分析装置において、ＰＩＧガスイオン源３は、数〜数十Ｐａ程度の原料ガス９が充たされた空間に、正電位に保たれた中空のアノード電極７を挟んで、２枚の平板カソード電極５ａ、ｂが対向した電極構成を備え、イオン源駆動電源１１、原料ガス導入系１５、引出し電源４などと共に高電圧ターミナル筐体２内に設置されている。アノード電極７により生成されたプラズマ中の電子１７は、カソード電極５ａとアノード電極７の間隙の電界により加速され、アノード電極７を通り過ぎてカソード電極５ｂに向い、減速、反射された後、反対方向に加速される。このように、プラズマ中の電子１７はアノード電極７の中空部の中で、行ったり来たり往復運動して閉じ込められる。この電子が飛行中に原料ガス分子に衝突して、分子を電離し、イオン−電子対を生成し、プラズマが維持されるのである。
【０００７】
そして、プラズマの一部は、カソード電極５ａ中央に空いた引出し開口６の中に染み出し、その内のイオンだけが、引出し電極４に印加された負電位に引出されてイオンビーム１２となって、加速管１に入り、高電圧発生回路１０によって加速電極１３間に発生する電場によってさらに加速され、接地電位のタンク１４の外に取り出される。
【０００８】
なお、イオン源駆動電源１１は、静電容量素子（コンデンサ）１９と交流電源（アノード電源）１８を備える。ガスイオン源３のアノード電極７は、前記コンデンサ１９を介して、高電圧ターミナル筐体２の上に具備された交流電源１８により駆動される。コンデンサ１９の両端には、引出し電源８の出力電位差（１０ｋＶ〜３０ｋＶ）が加わり、充電されるが、例えばコイン型のセラミックスタイプのコンデンサで耐え得る。コンデンサ１９の電源側に誘起される（交流電荷）に比例して、電極側にも電位差が生じるためアノード放電が生起される。
【０００９】
また、原料ガス導入系１５は、ガスボンベ１６とそのガスボンベ１６からガスイオン源３に至る間の原料ガス導入配管２０とを有し、原料ガス導入管２０は、途中に絶縁管２１、流量調節弁２２などを備えて構成されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−５２３９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記の様に、アノード電源１８をコンデンサ１９により交流結合して電圧を印加する場合、原料ガス導入配管２０のイオン源３との接続部分が高電圧となってしまう。そのため、原料ガス導入配管２０の管材料に金属を用いることができないため原料ガス導入配管２０の一部を絶縁材料を用いた絶縁管２１とする必要がある。
【００１２】
ところが、ガスイオン源３に導入する原料ガスは、絶縁管２１の上流側にある流量調節弁２２により少量に絞られるため、原料ガス導入配管２０内の圧力は適度に低く、流量によっては絶縁管２１の両端にかかる電位差から、絶縁管２１内で放電が発生し原料ガス導入配管２０や流量調節弁２２などにダメージを与えたり、原料ガス導入配管２０の配管材料が原料ガスに混入しプラズマ生成に問題を与える場合があった。
【００１３】
この放電は、図５に示すように、適度に低圧力のガス中においては、絶縁管２１の低電圧側の金属表面などから発生した電子２３が容易に加速され、絶縁管２１の高電圧側の金属配管やその金属継手管２４に衝突する。その時に、金属表面に付着している不純物を二次イオン２５として放出させ、その二次イオン２５が低電圧側に加速され二次電子を引き出す。また、加速された電子２３は、絶縁管２１内のガス粒子２６に衝突すると、ガスから電子を剥ぎ取って電離させることも頻繁に起こり、電子の増殖作用から、急激に電流が増加し放電に至る。
【００１４】
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、第１の目的は、高電圧部内にガスを導入する場合のガス導入配管内での放電を防止し得る管内ガスの放電防止構造を提供するものであり、また、第２の目的は、高電圧ターミナルの筐体内に搭載されたガスイオン源に原料ガスを導入する場合の原料ガスの導入配管内での放電を防止し得るガスイオン源を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明（請求項１）に係る管内ガスの放電防止構造は、高電位に保持された高電圧部内にガスを導入するガス導入配管が、金属製配管に絶縁材料製配管を接続して構成されるとともに、その絶縁材料製配管の端部にガスの流れ方向に対して垂直な磁場を印加する手段を設けてなるものである。このようにガスの流れ方向に対して垂直な磁場を印加すると、ガスと共に流れる電子は、磁場中で円運動をするため、電場で高電位方向に移動したくとも、磁場により移動が抑制され、高エネルギーになりにくく、ガス導入配管の内壁面への衝突などにより放電に至る前に消滅し、ガス導入配管内での放電が防止される。
【００１６】
また、本発明（請求項２）に係るガスイオン源は、接地電位から絶縁され、高電圧発生回路によって高電位に保持された高電圧ターミナルの筐体内に搭載されたガスイオン源において、このガスイオン源に導入される原料ガスの導入配管が、その配管の一部が絶縁材料で構成されるとともに、その絶縁配管の端部に原料ガスの流れ方向に対して垂直な磁場を印加する手段を備えてなるものである。
【００１７】
そして、上記請求項２に記載のガスイオン源において、磁場印加手段は、絶縁配管の低電圧側と高電圧側の、少なくとも低電圧側で金属端子部と絶縁配管にまたがり磁場を印加できるように配置されることが好ましい（請求項３）。
【００１８】
また、上記請求項２又は３に記載のガスイオン源において、磁場印加手段は、対向する平板型永久磁石とこの永久磁石どうしを強磁性体で結合したものであることが好ましい（請求項４）。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の実施の形態は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。図１は、本発明の実施の形態に係るガスイオン源の説明図であって、ａは概略構成を示す図、ｂはａのＸ−Ｘ拡大断面図である。この図１に示すガスイオン源は、従来技術で説明した図４に示すガスイオン源と、原料ガス導入系１５における原料ガス導入管２０の絶縁管２１の管端部に永久磁石２７を配設した他は、実質的に同じ構成のものであり、その同じ構成部分は同じ符号を以て示すと共に説明を割愛する。
【００２０】
ガスイオン源３のアノード電極７は、静電容量素子（コンデンサ）１９を介して、高電圧ターミナル筐体２の上に具備された交流電源（アノード電源）１８により駆動されている。コンデンサ１９の両端には、引出し電源８の出力電位差（１０ｋＶ〜３０ｋＶ）が加わり、充電されるが、例えばコイン型のセラミックスタイプのコンデンサで耐え得る。コンデンサ１９の電源側に誘起される（交流電荷）に比例して、電極側にも電位差が生じて引出し電源８の出力に、交流電位が重畳される。また、原料ガス導入管２０は、その一部がテフロン（登録商標）などの絶縁管２１となっており、その金属配管との接続部（金属継手管２４）に、永久磁石２７を対向させ鉄などの強磁性体２８で磁気回路を構成した放電防止装置２９が取り付けられている。
【００２１】
上記構成のガスイオン源３においては、放電防止装置２９により電子の進行方向と垂直に磁場が印加されることになる。磁場中では、電子は、ｒ＝（１／Ｂ）・（√２ｍＥ／ｅ）の式で表される半径の円運動をする。ここに、ｒ：電子の回転半径、Ｂ：電子の感じる磁束密度、ｍ：電子質量、Ｅ：加速された電子のエネルギー、ｅ：電荷である。電子は質量が小さいため例えば、Ｂ＝０．４Ｔ、Ｅ＝１００ｅＶとすると、ｒ＝０．０８ｍｍ程度と非常に小さい。このため、図２に示すように、電子２３は電場で高電位方向に移動したくとも、放電防止装置２９の磁場により移動が抑制されることで、高エネルギーになりにくく、原料ガス導入配管２０の内壁面への衝突などにより放電に至る前に消滅し、原料ガス導入配管２０内での放電が防止されることになる。
【００２２】
因みに、実験においては、Ｂ＝０．４Ｔで２０ｍｍ長さの磁場を絶縁管２１の低電圧側に設置することでそれまで、原料ガス導入配管２０内で見られた放電が起こらなくなることを確認した。
【００２３】
また、図３に示すように、放電防止装置２９を絶縁管２１の高電圧側に設置してもよく、このように高電圧側にも設置することで、高電圧側で発生する電子２３や二次イオン２５の運動を抑制し、より効果的に絶縁管２１の内部での放電を防止することが可能となる。なお、図１〜３における符号Ｂは、磁場の方向を示す。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高電圧部内にガスを導入する場合のガス導入配管内での放電を防止することができる。特に、シングルエンド型の高エネルギー・イオンビーム散乱分析装置やイオン注入装置の、高圧ターミナル筐体内に搭載されるガスイオン源の原料ガス導入配管において、その原料ガス導入配管の一部を絶縁管としたことによる配管内放電を防止することができ、ガスイオン源を安定に運転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るガスイオン源の説明図であって、ａは概略構成を示す図、ｂはａのＸ−Ｘ拡大断面図である。
【図２】本発明に係る絶縁管内における電子の運動の説明図である。
【図３】本発明に係る別の実施形態の絶縁管内における電子の運動の説明図である。
【図４】従来のガスイオン源の概略構成を示す図である。
【図５】図４に示すガスイオン源の絶縁管内における電子の運動の説明図である。
【符号の説明】
１：加速管２：高電圧ターミナル筐体
３：ガスイオン源４：引出し電源
５ａ、５ｂ：平板カソード電極６：引出し開口
７：アノード電極８：引出し電源９：原料ガス
１０：高電圧発生回路１１：イオン源駆動電源１２：イオンビーム
１３：加速電極１４：タンク１５：原料ガス導入系
１６：ガスボンベ１７：電子
１８：交流電源（アノード電源）
１９：静電容量素子（コンデンサ）
２０：原料ガス導入配管２１：絶縁管２２：流量調節弁
２３：電子２４：金属継手管２５：二次イオン
２６：ガス粒子２７：永久磁石２８：強磁性体
２９：放電防止装置

Claims

高電位に保持された高電圧部内にガスを導入するガス導入配管が、金属製配管に絶縁材料製配管を接続して構成されるとともに、その絶縁材料製配管の端部にガスの流れ方向に対して垂直な磁場を印加する手段を設けてなることを特徴とする管内ガスの放電防止構造。
接地電位から絶縁され、高電圧発生回路によって高電位に保持された高電圧ターミナルの筐体内に搭載されたガスイオン源において、このガスイオン源に導入される原料ガスの導入配管が、その配管の一部が絶縁材料で構成されるとともに、その絶縁配管の端部に原料ガスの流れ方向に対して垂直な磁場を印加する手段を備えてなることを特徴とするガスイオン源。
請求項２に記載のガスイオン源において、磁場印加手段が、絶縁配管の低電圧側と高電圧側の、少なくとも低電圧側で金属端子部と絶縁配管にまたがり磁場を印加できるように配置されてなるガスイオン源。
磁場印加手段が、対向する平板型永久磁石とこの永久磁石どうしを強磁性体で結合したものである請求項２又は３に記載のガスイオン源。