JP2005251743A - 大電流密度イオン源 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ビーム源は、1)プラズマガス源中のプラズマを励起する2.45GHzのマイクロ波源、2)プラズマガス源中に電子なだれ増倍を発生させるDC電源、3)イオン衝撃により二次電子を供する陰極電極、4)プラズマガス源外部の圧力を略10−4mbar又はそれ以下にする真空装置を備えている。
【選択図】図4
Description
本発明の目的は、消費電力が低く(50ワット以下)、初期段階においてイオン流束の運動エネルギー及びエネルギー拡散が低く抑えられた、大電流密度イオンビームを提供することである。このビーム源は磁場閉じ込め及び水冷を行う必要がなく、1)ガス中のプラズマ(イオン及び電子)を励起する2.45GHzのマイクロ波源、2)上記ガス中に電子なだれ増倍(avalanche multiplication)を誘起、維持するDC電源、3)イオン電流の到達により二次電子を発生させる陰極電極、4)プラズマガス源外部を10−4mbarオーダー又はそれ以下にする真空装置により構成される。
本発明は、プラズマの物理的性質に関する。
従来のDCイオン源はかねてより半導体製造に用いられてきた。一般的なイオン源は、好ましいイオンを発生させるプラズマシステム、及び高電圧によりプラズマからイオンビームを引き出す引出/集束システムにより構成される。そのときイオンビームを集束して平行ビームにさせる必要がある。プラズマチャンバー内のガスをDC又はRF高電界下でイオン化させることで、チャンバー内にプラズマが発生する。プラズマ中のイオンはDC高電界により、引出システムから集束システムへと引き出される。
1. W. Tantraporn’s Technology Development Office Research Note Book, No 1-011, pp97-113, February 9 - March 17, 1998, “A new design concept for high current, high brightness and scanable ion beam,” 及び当該文献が参考とする文献
2. Andre Anders, US Patent Application Publication No. 20020000779 A1, Jan. 3, 2002
3. Rev. Sci. Instrum. 67 (3), March 1996 P 905-907
以下に本発明の詳細について説明する。図1は、電子サイクロトロン共鳴 (ECR)イオン源の構造を示している。
1)二次電子を生じるために、陰極表面付近の空間電荷層にあるイオンの運動エネルギーが、陰極物質の仕事関数よりも高くなるように、陰極電極37表面付近の電界41が十分な強度でなければならない。そして/又は
2)陰極表面は、二次電子の発生させるために仕事関数(work function)の低い物質よりなることが好ましく、またイオン衝撃に耐えうるものでなければならない。
3)電子の中性分子への衝突による衝突イオン化を他の場所で発生させるため、電界分布41も十分な強度を有していなければならない。
である。
本発明により、エネルギー拡散、ビーム放散が少なく、高エネルギーなイオンビームを、低コストであるイオンビーム源から高強度に生産することができる。様々な素子及び材料を微細設計するためのエッチング、またはイオン注入のような高解像度パターニングを必要する用途に本発明は有用である。さらに、このようなパターニングを三次元的に行うことが可能であり、これにより従来では考えられなかったような新技術の発展へと通ずる道程ともなり得るものである。
1)陰極電極の材料は、部材寿命を延ばすためイオン衝突衝撃に耐えることができ、またイオンの衝突により相当量の二次電子を放出できることが好ましい。この陰極電極の材料には、アルミニウムの陽極酸化のような、特別な処理を施すことが必要とされる場合がある。
2)ビーム発散を低くするために、プラズマチャンバーの出射穴が銃身のような機能を果たしている。そのため、出射穴の長さは、その直径の最低でも10倍以上が好ましい。一方、出射穴の直径は、内側のプラズマチャンバーと外部真空との間の十分な圧力差を維持するため、陰極側の全面積と比較して十分に小さなものでなければならない。
3)消費電力を抑え、かつ温度制御を不要とする目的で、小さなDC電圧でプラズマを制御させるために、プラズマチャンバーの長さは可能な限り短いことが好ましい。
4)プラズマ励起メカニズムは電圧パルスを用いることで最適となるが、これは陰極電極の寿命を縮める可能性がある。陰極電極の寿命を考慮すると、マイクロ波又はレーザーによる励起を行う方が好ましいかもしれないが、その判断はどのような機器構成が使用目的に最適かによる。
Claims (19)
- 大電流密度イオンビーム源であって、
1.1)ガスプラズマ源の周囲に10−4mbarオーダーの真空状態を作り出すことができる真空装置と、
1.2)非電導性のチューブからなる円筒状プラズマチャンバーとを備え、
上記円筒状プラズマチャンバーは、
1.2.1)上記プラズマチャンバーと電極との接合点からのガス漏れを防止するOリングなどを用いる手段と、
1.2.2)プラズマ及びイオンの出射穴が設けられた陰極電極として機能する電気伝導性部材と、
1.2.3)プラズマチャンバー内部へのガス入口としての穴が設けられた陽極電極として機能する電気伝導性部材と、
1.2.4)プラズマ間に電子なだれ増倍を発生させるDC電源と、
1.2.5)プラズマチャンバー内でプラズマを励起する装置とを備えることを特徴とする大電流密度イオンビーム源。 - 上記円筒状プラズマチャンバーは、石英からなることを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。
- 上記プラズマチャンバー内部の圧力は、10−1±1の範囲内に維持されており、上記プラズマチャンバー内部のガス密度と圧力とを容易に調節するために、
上記プラズマチャンバーの内部から小さなイオン出射穴を通じて、真空チャンバーへと流出するガスと、
ガス注入口に接続された十分な容量を持つガス貯蔵容器から、上記プラズマチャンバーへと流入するガスと、
の平衡を保つことで、上記プラズマチャンバー内部の圧力は調節されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の大電流密度イオンビーム源であって、
3.1)適切なプラズマチャンバーガス圧力は、使用されるガスのイオン化に必要なエネルギーに依存しており、
3.2)アルゴンイオンビーム生成の場合、プラズマチャンバーガス圧力は略0.1mbarである大電流密度イオンビーム源。 - 上記チャンバーの直径は、上記出射穴の直径の10倍又は10倍を僅かに上回っており、
且つ上記チャンバーの直径は、請求項3に記載の操作圧力下におけるガス原子の平均自由行程の少なくとも5倍以上の長さであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の大電流密度イオンビーム源。 - 上記陰極電極は導電性部材よりなり、
上記陰極電極の内側に面した領域には、特別な物質が取り付けられており、
上記陰極電極表面が十分に正電荷を帯びた場合に、上記物質の厚みと物性により、上記陰極部材からプラズマ源へと電子を放出させることを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。 - 上記特別な物質は、様々な方法により得ることができる厚さ略2〜20nmの薄膜状であることを特徴とする請求項5に記載の大電流密度イオンビーム源。
- 上記特別な物質は、陽極酸化処理されたアルミニウムの酸化膜であることを特徴とする請求項5又は6に記載の大電流密度イオンビーム源。
- 上記陰極電極は導電性部材よりなり、
上記陰極電極の表面は、二次電子を放出する仕事関数の低い伝導性物質よりなり、ガスのイオン化エネルギーとほぼ同等のイオン衝撃に耐えることができることを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。 - 上記陰極電極は、上記プラズマチャンバーから上記真空チャンバーへとイオン流が流出する出射穴の役割を果たす円孔を備えていることを特徴とする請求項1又は8に記載の大電流密度イオンビーム源。
- 上記出射穴の長さは、その直径の10倍よりも小さくないことを特徴とする請求項9に記載の大電流密度イオンビーム源。
- 上記陰極電極は、接地電位に接続されており、システムの基準電位として機能することを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の大電流密度イオンビーム源。
- 上記陽極電極は、ガス注入口の役割を果たす穴を備えており、
上記穴には、上記プラズマチューブへと流入するガス流量を調節する装置が接続されていることを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。 - 上記陽極電極は、DC電源の正極に接続され、上記DC電源の負極が接地電位に接続されることを特徴とする請求項1又は12に記載の大電流密度イオンビーム源。
- 上記DC電源は、50ボルト又はそれ以下の電圧により有効増倍を維持できることを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。
- プラズマを励起する上記一連の装置であって、
50ワット以下の低出力マイクロ波を用いてプラズマを励起するように設計されたマイクロ波共振空洞を備え、
上記マイクロ波共振空洞の内部は、マイクロ波アンテナであり、
上記マイクロ波アンテナは、マイクロ波電界を上記マイクロ波共振空洞内に伝えるために、同軸ケーブルと2.45GHzの周波数のマイクロ波源とに接続されており、
上記プラズマチャンバーは、上記マイクロ波共振空洞の中に備えられており、上記マイクロ波共振空洞の幅に対して位置決めされていることを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。 - 上記プラズマを励起する装置が、上記プラズマチャンバー内部にパルス電圧を印加する装置であることを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。
- いったんマイクロ波、電圧パルス又は他の手段によりDC電子なだれ増倍が始まると、当該DC電子なだれ増倍は大電流密度を維持し、その結果生じる大電流イオン流束は、プラズマチャンバー(内圧10−1mbar)と周囲の真空チャンバー(10−4mbar)との間の圧力勾配もまた利用し、
上記陰極側の空間電荷層(dE/dx≠0など、電界と距離との相関勾配が0でない場所)のイオンは、電界の影響のみでなく、上記プラズマチャンバー内部の高い圧力の作用も受けて、小さな穴を通り、より低い圧力の上記周囲の真空チャンバーへと移動することを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。 - プラズマを励起するメカニズムを、十分な電子なだれ増倍が発生した後に、停止させることができることを特徴とする請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。
- 低いビーム発散及びエネルギー拡散を維持したまま、任意の高エネルギーへとさらに外部から加速することができる請求項1に記載の大電流密度イオンビーム源。
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