JP2010080429A

JP2010080429A - イオン源

Info

Publication number: JP2010080429A
Application number: JP2009122675A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Yamashita; 貴敏山下; Tadashi Ikejiri; 忠司池尻; Tetsuya Iai; 哲也井合
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: CN101661862B; US20100051825A1; US8253114B2; JP4428467B1; CN101661862A

Abstract

【課題】アルミニウムイオンを含むイオンビームを発生させるイオン源において、部品点数の削減および構造の簡素化を可能にする。
【解決手段】このイオン源は、フッ素を含むイオン化ガス８が導入されるプラズマ生成容器２と、この容器２内の一方側に設けられた熱陰極１２と、プラズマ生成容器２内の他方側に設けられていて、バイアス電源２４から当該容器２に対して負電圧Ｖ_Bが印加されて電子を反射する対向反射電極２０と、プラズマ生成容器２内に、熱陰極１２と対向反射電極２０とを結ぶ線に沿う磁界２８を発生させる磁石３０とを備えている。対向反射電極２０はアルミニウム含有物質から成る。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、アルミニウムイオンを炭化ケイ素（ＳiＣ）基板等のターゲットに注入するイオン注入装置等に用いられるものであって、アルミニウムイオンを含むイオンビームを発生させるイオン源に関する。

この種のイオン源の一例が特許文献１に記載されている。

この特許文献１に記載の従来のイオン源は、イオン化室内に、プラズマの生成・閉じ込め用の部品である電極（陰極）および反跳プレートとは別に、アルミニウム含有物質（例えば酸化アルミニウム）のプレートを設けておき、フッ化物ガス（例えば四フッ化ケイ素）を電離させて生成したプラズマによって当該アルミニウム含有物質のプレートを浸食させて、アルミニウムイオンをプラズマ中に放出させるものである。

特許第３３２５３９３号公報（段落０００６−００１１、００１６−００２１、図１、図２）

上記従来のイオン源においては、プラズマの生成・閉じ込め用の部品とは別に、アルミニウムイオン生成専用のアルミニウム含有物質のプレートを特別に設ける必要があるので、そのぶん部品点数が増えると共に構造が複雑になるという課題がある。

そこでこの発明は、アルミニウムイオンを含むイオンビームを発生させるイオン源において、部品点数の削減および構造の簡素化を可能にすることを主たる目的としている。

この発明に係るイオン源の一つは、アルミニウムイオンを含むイオンビームを発生させるイオン源であって、陽極を兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、フッ素を含むイオン化ガスが導入されるプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器内の一方側に、前記プラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられた熱陰極と、前記プラズマ生成容器内の他方側に、前記プラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ前記熱陰極に対向させて設けられていて、前記プラズマ生成容器の電位を基準にして負電圧が印加される電極であって、前記プラズマ生成容器内の電子を反射させる機能を有しており、かつアルミニウム含有物質から成る対向反射電極と、前記プラズマ生成容器内に、前記熱陰極と前記対向反射電極とを結ぶ線に沿う磁界を発生させる磁石とを備えていることを特徴としている。

このイオン源においては、アルミニウム含有物質から成る対向反射電極は、フッ素を含むイオン化ガスを電離させて生成されたプラズマに曝される。そしてこのプラズマ中のフッ素イオン、フッ素ラジカル等による浸食や、当該プラズマ中のフッ素イオン等のイオンによるスパッタリング等によって、対向反射電極から、アルミニウムイオン等のアルミニウム粒子がプラズマ中に放出され、プラズマ中にアルミニウムイオンが含まれるようになる。その結果、アルミニウムイオンを含むイオンビームを発生させることができる。

対向反射電極に負電圧を印加する代わりに、対向反射電極を浮遊電位にしても良い。浮遊電位にしても、対向反射電極にはプラズマ中のイオンよりも軽くて移動度の高い電子がイオンよりも遥かに多く入射するので、対向反射電極は負に帯電し、対向反射電極に負電圧を印加した場合と同様の作用を奏することができる。

前記プラズマ生成容器内であって前記熱陰極の電子放出部の背後に、前記対向反射電極に対向させて、かつ前記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、前記プラズマ生成容器の電位を基準にして負電圧が印加される電極であって、前記プラズマ生成容器内の電子を反射させる機能を有しており、かつアルミニウム含有物質から成る背後反射電極を更に備えていても良い。また、この背後反射電極に負電圧を印加する代わりに、当該背後反射電極を浮遊電位にしても良い。

上記背後反射電極も、イオン源の運転中は、フッ素を含むイオン化ガスを電離させて生成されたプラズマに曝されるので、対向反射電極について上述したのと同様の作用によって、即ちプラズマ中のフッ素イオン等による浸食やスパッタリング等によって、背後反射電極からもアルミニウム粒子がプラズマ中に放出されるようになる。つまり、プラズマ中のフッ素イオン等による浸食やスパッタリングを受けるアルミニウム含有物質の面積を増やすことができる。従って、プラズマ中に放出されるアルミニウム粒子の量を増大させて、イオンビーム中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。

前記熱陰極は、加熱されることによって熱電子を放出する陰極部材および当該陰極部材を加熱するフィラメントを有している傍熱型の熱陰極であって、当該陰極部材は、前記プラズマ生成容器の開口部内に配置されており、前記プラズマ生成容器の前記開口部を含んでいる壁面を、電気絶縁性のアルミニウム含有物質で構成している、という構成を採用しても良い。

前記プラズマ生成容器の前記開口部を含んでいる壁面を、アルミニウム含有物質で構成しても良い。また、前記アルミニウム含有物質で構成された壁面を浮遊電位にしても良いし、当該壁面に前記プラズマ生成容器の電位を基準にして負電圧が印加されるようにしても良い。

上記アルミニウム含有物質で構成された壁面も、イオン源の運転中は、フッ素を含むイオン化ガスを電離させて生成されたプラズマに曝されるので、対向反射電極等について上述したのと同様の作用によって、即ちプラズマ中のフッ素イオン等による浸食やスパッタリング等によって、上記アルミニウム含有物質で構成された壁面からもアルミニウム粒子がプラズマ中に放出されるようになる。つまり、プラズマ中のフッ素イオン等による浸食やスパッタリングを受けるアルミニウム含有物質の面積を増やすことができる。従って、プラズマ中に放出されるアルミニウム粒子の量を増大させて、イオンビーム中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。

請求項１、２に記載の発明によれば、プラズマ生成容器内の電子を反射させる機能を有する対向反射電極からアルミニウムイオン等のアルミニウム粒子をプラズマ中に放出させて、プラズマ中にアルミニウムイオンを含ませることができるので、従来例のイオン源のようにアルミニウムイオン生成専用のプレートを特別に設けなくて済む。従って、部品点数の削減および構造の簡素化が可能である。

しかも、熱陰極と対向反射電極とを結ぶ線に沿う磁界を発生させる磁石を備えているので、プラズマ生成容器内の電子は熱陰極と対向反射電極との間を往復運動するようになり、熱陰極と対向反射電極との間において密度の高いプラズマを生成することができる。対向反射電極は、そのような密度の高いプラズマの端部に位置しており、しかもプラズマは上記磁界に沿う方向には移動しやすくその移動しやすい方向の端部に対向反射電極が位置しているので、対向反射電極は密度の高いプラズマに効率良く曝される。従って、対向反射電極からアルミニウムイオン等のアルミニウム粒子を効率良くプラズマ中に放出させることができる。その結果、イオンビーム中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることが容易になる。

請求項３、４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、プラズマ中のフッ素イオン等による浸食やスパッタリング等によって、対向反射電極からだけでなく、背後反射電極からもアルミニウム粒子がプラズマ中に放出されるようになるので、プラズマ中に放出されるアルミニウム粒子の量を増大させて、イオンビーム中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。

また、背後反射電極は、熱陰極が近傍にあってそれからの放射熱によって高温になる結果、スパッタ率の向上およびアルミニウム含有物質の蒸気圧の上昇が期待でき、それによってプラズマ中に放出されるアルミニウム粒子の量が増大するので、この観点からもイオンビーム中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。

しかもこの発明の場合も、プラズマ生成容器内の電子を反射させる機能を有する背後反射電極をアルミニウム粒子放出用に兼用しているので、従来のイオン源のようにアルミニウムイオン生成専用のプレートを特別に設けなくて済み、それを特別に設ける場合に比べて部品点数の削減および構造の簡素化が可能である。

請求項５、６、７に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、プラズマ中のフッ素イオン等による浸食やスパッタリング等によって、対向反射電極からだけでなく、プラズマ生成容器のアルミニウム含有物質で構成された壁面からもアルミニウム粒子がプラズマ中に放出されるようになるので、プラズマ中に放出されるアルミニウム粒子の量を増大させて、イオンビーム中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。

また、上記アルミニウム含有物質で構成された壁面は、熱陰極が近傍にあってそれからの放射熱によって高温になる結果、スパッタ率の向上およびアルミニウム含有物質の蒸気圧の上昇が期待でき、それによってプラズマ中に放出されるアルミニウム粒子の量が増大するので、この観点からもイオンビーム中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。

しかもこの発明の場合も、プラズマ生成容器を構成する壁面の内の一部の壁面を、即ち上記開口部を含んでいる壁面を、アルミニウム粒子放出用に兼用しているので、従来のイオン源のようにアルミニウムイオン生成専用のプレートを特別に設けなくて済み、それを特別に設ける場合に比べて部品点数の削減および構造の簡素化が可能である。

この発明に係るイオン源の一実施形態を示す概略断面図である。この発明に係るイオン源の他の実施形態を示す概略断面図である。熱陰極が傍熱型である場合の一実施形態を示す概略断面図である。この発明に係るイオン源の更に他の実施形態を示す概略断面図である。熱陰極が傍熱型である場合の他の実施形態を示す概略断面図である。熱陰極が傍熱型である場合の更に他の実施形態を示す概略断面図である。熱陰極が傍熱型である場合の更に他の実施形態を示す概略断面図である。

図１は、この発明に係るイオン源の一実施形態を示す概略断面図である。このイオン源は、アルミニウムイオンを含むイオンビーム３４を発生させる（引き出す）イオン源であり、アーク放電の陽極を兼ねていて内部でプラズマ４を生成するためのプラズマ生成容器２を備えている。このプラズマ生成容器２は、例えば直方体状をしているが、この形状に限られるものではない。

プラズマ生成容器２内には、ガス導入口６を通して、フッ素を含むイオン化ガス８が導入される。ガス導入口６の位置は、図示例の位置に限定されるものではない。フッ素を含むイオン化ガス８を用いるのは、フッ素は化学作用が非常に強くて他の物質との反応性が強いので、フッ素を含むイオン化ガス８を電離させたプラズマ４によって、後述する対向反射電極２０から、アルミニウムイオン等のアルミニウム粒子を放出させる作用が強いからである。

フッ素を含むイオン化ガス８は、例えば、フッ化ホウ素（ＢＦ₃）、四フッ化ケイ素（ＳiＦ₄）、フッ化ゲルマニウム（ＧeＦ₄）等のフッ化物ガスまたはフッ素（Ｆ₂）を含むガスである。このフッ素を含むイオン化ガス８は、例えば、フッ化物ガスそのものまたはフッ素そのものでも良いし、それらを適当な希釈ガス（例えばヘリウムガス）で希釈したガスでも良い。

プラズマ生成容器２内の一方側には、プラズマ生成容器２から電気的に絶縁して、プラズマ生成容器２内に熱電子を放出する熱陰極１２が設けられている。

熱陰極１２は、この実施形態のように直熱型のものでも良いし、後述する実施形態（図３等参照）のように傍熱型のものでも良い。

熱陰極１２は、この実施形態では、Ｕ字状のフィラメントであり、絶縁物１４によってプラズマ生成容器２から電気的に絶縁されている。なお、このフィラメントの向きは、加熱電源１６との接続を明らかにするために便宜的に示したものであり、実際は、Ｕ字状に曲げたフィラメントを含む面が、後述するイオン引出し口１０にほぼ平行になるように配置されている。図２に示す実施形態においても同様である。但し、フィラメントの形状はＵ字状以外でも良い。

熱陰極１２の両端には、当該熱陰極１２を加熱する直流の加熱電源１６が接続されている。熱陰極１２の一端とプラズマ生成容器２との間には、両者１２、２間にアーク電圧Ｖ_Aを印加して両者１２、２間でアーク放電を生じさせて、プラズマ生成容器２内に導入されたイオン化ガス８を電離させてプラズマ４を生成するための直流のアーク電源１８が、プラズマ生成容器２を正極側にして接続されている。

プラズマ生成容器２内の他方側（熱陰極１２とは反対側）に、熱陰極１２に対向させて、プラズマ生成容器２内の電子（主として、熱陰極１２から放出された熱電子。以下同様）を反射させる（換言すれば、跳ね返す、または追い返す。以下同様）機能を有する対向反射電極２０が設けられている。この対向反射電極２０は、絶縁物２２によって、プラズマ生成容器２から電気的に絶縁されている。

対向反射電極２０には、この実施形態では、直流のバイアス電源２４から、プラズマ生成容器２の電位を基準にして負のバイアス電圧Ｖ_Bが印加される。バイアス電圧Ｖ_Bの大きさは、対向反射電極２０によって電子を反射させる作用、対向反射電極２０からアルミニウムイオン等のアルミニウム粒子を放出させる作用、プラズマ４中のイオンによって対向反射電極２０の表面をスパッタする作用等の兼ね合いで決めれば良い。このような観点から、バイアス電圧Ｖ_Bの大きさは、例えば、４０Ｖ〜１５０Ｖ程度が好ましい。その内でも、イオン化ガス８がフッ化ホウ素（ＢＦ₃）を含むガスである場合は、６０Ｖ〜１２０Ｖ程度がより好ましい。

公知のイオン源における対向反射電極は、チタン（Ｔi ）、タンタル（Ｔa ）、モリブデン（Ｍo ）等の高融点金属またはそれらの合金から成るが、上記対向反射電極２０は、アルミニウム含有物質から成る。アルミニウム含有物質は、例えば、酸化アルミニウム（Ａl₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡlＮ）等のアルミニウム化合物である。温度制御を行えば、アルミニウム（Ａl ）を用いることもできる。

プラズマ生成容器２の外部には、プラズマ生成容器２内に、熱陰極１２と対向反射電極２０とを結ぶ線２６に沿う磁界２８を発生させる磁石３０が設けられている。磁石３０は、例えば電磁石であるが、永久磁石でも良い。磁界２８の向きは図示例とは逆向きでも良い。

上記のような対向反射電極２０および磁界２８の存在によって、プラズマ生成容器２内の電子は、磁界２８の方向を軸として磁界２８中で旋回しながら熱陰極１２と対向反射電極２０との間を往復運動するようになり、その結果、当該電子とイオン化ガス８のガス分子との衝突確率が高くなってイオン化ガス８の電離効率が高まるので、プラズマ４の生成効率が高まる。より具体的には、熱陰極１２と対向反射電極２０との間において密度の高いプラズマ４を生成することができる。

プラズマ生成容器２の壁面には、プラズマ４からイオンを引き出すためのイオン引出し口１０が設けられている。イオン引出し口１０は、この実施形態では、上記線２６に沿う方向に長い形状をしている。より具体的には、上記線２６に沿う方向に長いスリット状をしている。但し、イオン引出し口１０の形状はこれに限られるものではない。

イオン引出し口１０の出口付近には、プラズマ生成容器２内から（より具体的にはそこに生成されるプラズマ４から）イオンビーム３４を引き出す引出し電極系３２が設けられている。引出し電極系３２は、図示例では１枚の電極で構成されているが、それに限られるものではなく、複数枚の電極で構成されていても良い。

このイオン源においては、アルミニウム含有物質から成る対向反射電極２０は、フッ素を含むイオン化ガス８を電離させて生成されたプラズマ４に曝される。そしてこのプラズマ４中のフッ素イオン、フッ素ラジカル等による浸食や、当該プラズマ４中のフッ素イオン等のイオンによるスパッタリング等によって、対向反射電極２０から、アルミニウムイオン等のアルミニウム粒子がプラズマ４中に放出され、プラズマ４中にアルミニウムイオンが含まれるようになる。対向反射電極２０から放出されるアルミニウム粒子には、アルミニウムイオンとして放出されるものもあるし、中性のアルミニウム原子として放出されるものもある。中性のアルミニウム原子も、ある程度の割合で、プラズマ４中の電子と衝突することによって電離されてアルミニウムイオンになる。このようにして、プラズマ４中にアルミニウムイオン（例えばＡl⁺、Ａl²⁺、Ａl³⁺。以下同様）が含まれるようになる。その結果、当該アルミニウムイオンを含むイオンビーム３４を発生させることができる。

このようにこのイオン源によれば、プラズマ生成容器２内の電子を反射させる機能を有する対向反射電極２０からアルミニウムイオン等のアルミニウム粒子をプラズマ４中に放出させて、プラズマ４中にアルミニウムイオンを含ませることができるので、即ちプラズマ生成容器２内の電子を反射させる対向反射電極２０をアルミニウム粒子放出用に兼用しているので、前述した従来例のイオン源のようにアルミニウムイオン生成専用のプレートを特別に設けなくて済む。従って、部品点数の削減および構造の簡素化が可能である。

しかも、熱陰極１２と対向反射電極２０とを結ぶ線２６に沿う磁界２８を発生させる磁石３０を備えているので、前述したようにプラズマ生成容器２内の電子は熱陰極１２と対向反射電極２０との間を往復運動するようになり、熱陰極１２と対向反射電極２０との間において密度の高いプラズマ４を生成することができる。対向反射電極２０は、そのような密度の高いプラズマ４の端部に位置しており、しかもプラズマ４は上記磁界２８に沿う方向には移動しやすくその移動しやすい方向の端部に対向反射電極２０が位置しているので、対向反射電極２０は密度の高いプラズマ４に効率良く曝される。従って、対向反射電極２０からアルミニウムイオン等のアルミニウム粒子を効率良くプラズマ４中に放出させることができる。その結果、イオンビーム３４中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることが容易になる。

前述した従来例のイオン源では、アルミニウム含有物質のプレートは、イオン化室の底面に取り付けられている。このような位置のプレートよりも、上記対向反射電極２０の方が上記磁界２８との関係で密度の高いプラズマに効率良く曝されるので、より効率良く、アルミニウムイオン等のアルミニウム粒子をプラズマ４中に放出することができる。ひいては、アルミニウムイオンをより多量に含むイオンビーム３４を発生させることができる。

なお、このイオン源の運転に伴って、即ちプラズマ４の生成に伴って、通常は、プラズマ４に曝される面に、対向反射電極２０の表面も含めて、不要なパーティクルが堆積する。ここで対向反射電極２０に着目すると、対向反射電極２０はプラズマ生成容器２に対して負のバイアス電圧Ｖ_Bが印加されるので、上述した電子を反射させる作用に加えて、プラズマ４中のイオンをバイアス電圧Ｖ_Bで加速して引き込む作用をも奏する。この加速されたイオンによって、対向反射電極２０の表面に堆積したパーティクルをスパッタして対向反射電極２０の表面をクリーニングすることができるので、対向反射電極２０の表面そのものを露出させてその表面からアルミニウム粒子を放出させる作用を、より長時間に亘って安定して維持することができる。

これに対して、前述した従来例のイオン源では、アルミニウム含有物質のプレートに、イオン化室に対して負電圧を印加する（あるいは当該プレートを浮遊電位にする）ようには構成されていないので、当該プレートの表面に堆積したパーティクルを、加速されたイオンによってスパッタして当該プレートの表面をクリーニングする作用は期待できない。従って、当該プレートからアルミニウム粒子を放出させる機能は早く低下する。

対向反射電極２０からアルミニウム粒子を放出させることによって対向反射電極２０は消耗するので、必要に応じて対向反射電極２０を交換すれば良い。この点は、前述した従来例のイオン源におけるプレートの場合と同様である。

ところで、このイオン源をイオン注入装置に用いて、炭化ケイ素基板等のターゲットにアルミニウムイオンを注入する場合は、必要に応じて、このイオン源とターゲットとの間に、イオンビーム３４の運動量（例えば質量）分離を行って、必要な運動量のアルミニウムイオンを選別する質量分離器を設ければ良い。以下に述べる実施形態のイオン源を用いる場合も同様である。

次に、この発明に係るイオン源の他の実施形態の幾つかを説明する。なお、以下の各実施形態の説明においては、それよりも先に説明した実施形態（例えば図１に示した実施形態）と同一または相当する部分には同一符号を付し、先に説明した実施形態との相違点を主体に説明する。

上記バイアス電源２４を設ける代わりに、図２に示す実施形態のように、対向反射電極２０を熱陰極１２に接続して陰極電位に固定しても良い。より具体的には、対向反射電極２０を、（ａ）図２に示す例のように加熱電源１６の負極と熱陰極１２の一端との接続部ａに接続しても良いし、（ｂ）加熱電源１６の正極と熱陰極１２の他端との接続部ｂ（即ちアーク電源１８の負極）に接続しても良い。いずれにしても、対向反射電極２０に、プラズマ生成容器２の電位を基準にして負電圧を印加することができる。具体的には、上記（ａ）の場合はＶ_A＋Ｖ_Hの大きさの負電圧を、上記（ｂ）の場合はＶ_Aの大きさの負電圧を、それぞれ印加することができる。Ｖ_Aは前述したアーク電源１８の出力電圧であるアーク電圧、Ｖ_Hは加熱電源１６の出力電圧である。アーク電圧Ｖ_Aの大きさは例えば４０Ｖ〜１２０Ｖ程度、出力電圧Ｖ_Hの大きさは例えば２Ｖ〜４Ｖ程度である。

上記（ａ）の場合は、加熱電源１６およびアーク電源１８が、対向反射電極２０に負電圧を印加する直流電源を兼ねており、上記（ｂ）の場合は、アーク電源１８が、対向反射電極２０に負電圧を印加する直流電源を兼ねている。加熱電源１６は交流電源でも良くその場合は、上記（ｂ）を採用すれば良い。

この実施形態の場合も、対向反射電極２０に、プラズマ生成容器２を基準にして負電圧を印加することができるので、対向反射電極２０に関して、図１に示した実施形態の場合とほぼ同様の作用効果を奏することができる。

対向反射電極２０に負電圧を印加する代わりに、対向反射電極２０をどこにも電気的に接続せずに浮遊電位にしても良い。浮遊電位にしても、対向反射電極２０にはプラズマ４中のイオンよりも軽くて移動度の高い電子がイオンよりも遥かに多く入射するので、対向反射電極２０は負に帯電し、対向反射電極２０に負電圧を印加した場合と同様の作用を奏することができる。即ち、対向反射電極２０に関して、図１、図２に示した実施形態の場合とほぼ同様の作用効果を奏することができる。

（ａ）図１に示した実施形態のようにバイアス電源２４を設ける場合、（ｂ）図２に示した実施形態のように対向反射電極２０を熱陰極１２に接続する場合、（ｃ）対向反射電極２０をどこにも接続せずに浮遊電位にする場合を比べると、（ａ）の場合は、バイアス電圧Ｖ_Bを自由に選べるので、対向反射電極２０に、アルミニウムイオン発生等に最適な電圧を印加することが容易である。（ｂ）の場合は、アーク電源１８等が、対向反射電極２０に負電圧を印加する電源を兼ねていて、対向反射電極２０専用の電源が不要になるので、電源構成を簡素化することができる。しかも対向反射電極２０の電位を固定することができる。（ｃ）の場合は、対向反射電極２０専用の電源が不要になるので、電源構成を簡素化することができる。これと同様のことは、後述する他の実施形態についても言える。

熱陰極１２は、前述したように、傍熱型のものでも良い。その一例を図３に示す。

この熱陰極１２は、加熱されることによって熱電子を放出する陰極部材３６と、この陰極部材３６を加熱するフィラメント３８とを有している。なお、プラズマ生成容器２に対して陰極部材３６およびフィラメント３８を配置するより具体的な構造は、図３では簡略化して示しているが、例えば特許第３７５８６６７号公報等に記載されているような公知の構造を採用すれば良い。図５〜図７に示す実施形態においても同様である。

フィラメント３８には、それを加熱する直流の加熱電源４０が接続されている。フィラメント３８と陰極部材３６との間には、フィラメント３８から放出された熱電子を陰極部材３６に向けて加速して、当該熱電子の衝撃を利用して陰極部材３６を加熱する直流のボンバード電源４２が、陰極部材３６を正極側にして接続されている。陰極部材３６とプラズマ生成容器２との間には、前述したアーク電源１８が接続されている。

この傍熱型の熱陰極１２を設ける場合も、上記対向反射電極２０には上記バイアス電圧Ｖ_Bを印加しても良いし、上記対向反射電極２０を当該熱陰極１２に接続して陰極電位に固定しても良い。より具体的には、対向反射電極２０を、（ａ）加熱電源４０の負極とフィラメント３８の一端との接続部ｃに接続しても良いし、（ｂ）加熱電源４０の正極とフィラメント３８の他端との接続部ｄに接続しても良いし、（ｃ）図３中に二点鎖線で示すように、陰極部材３６とアーク電源１８との接続部ｅ（即ちアーク電源１８の負極）に接続しても良い。いずれにしても、対向反射電極２０に、プラズマ生成容器２の電位を基準にして負電圧を印加することができる。具体的には、上記（ａ）の場合はＶ_A＋Ｖ_D＋Ｖ_Fの大きさの負電圧を、上記（ｂ）の場合はＶ_A＋Ｖ_Dの大きさの負電圧を、上記（ｃ）の場合はＶ_Aの大きさの負電圧を、それぞれ印加することができる。Ｖ_Aは前述したアーク電圧、Ｖ_Dはボンバード電源４２の出力電圧、Ｖ_Fは加熱電源４０の出力電圧である。アーク電圧Ｖ_Aの大きさは前述したように例えば４０Ｖ〜１２０Ｖ程度、出力電圧Ｖ_Fの大きさは例えば２Ｖ〜４Ｖ程度、出力電圧Ｖ_Dの大きさは例えば３００Ｖ〜６００Ｖ程度である。

上記（ａ）の場合は、アーク電源１８、ボンバード電源４２および加熱電源４０が、対向反射電極２０に負電圧を印加する直流電源を兼ねており、上記（ｂ）の場合は、アーク電源１８およびボンバード電源４２が、対向反射電極２０に負電圧を印加する直流電源を兼ねており、上記（ｃ）の場合は、アーク電源１８が、対向反射電極２０に負電圧を印加する直流電源を兼ねている。加熱電源４０は交流電源でも良くその場合は、上記（ｂ）または（ｃ）を採用すれば良い。

ところで、イオン源には、例えば特許第３７９７１６０号公報にも記載されているように、対向反射電極に加えて、熱陰極側にも反射電極（背後反射電極）を備えているものもある。但し、公知のイオン源における両反射電極は、前述したように高融点金属またはその合金から成り、アルミニウム含有物質から成るものではない。この背後反射電極に相当する背後反射電極を更に備えているイオン源の実施形態を図４に示す。

この実施形態のイオン源は、プラズマ生成容器２内であって熱陰極１２の電子放出部の背後に、対向反射電極２０に対向させて、かつプラズマ生成容器２から電気的に絶縁して設けられていて、プラズマ生成容器２の電位を基準にして負電圧が印加される（または後述するように浮遊電位にされる）電極であって、プラズマ生成容器２内の電子を反射させる機能を有している背後反射電極４４を更に備えている。そしてこの背後反射電極４４を、前述したようなアルミニウム含有物質で構成している。

背後反射電極４４をプラズマ生成容器２内にプラズマ生成容器２から電気的に絶縁して支持する手段には、公知のものが採用できる。この実施形態では一例として、電流導入端子を兼ねる絶縁物４８で支持しているが、これに限られるものではない。図５に示す実施形態では、背後反射電極４４の上記支持手段の図示を省略している。

熱陰極１２の電子放出部というのは、熱陰極１２の内でも特に多くの熱電子を放出する部分のことであり、具体的には熱陰極１２の先端部分（プラズマ生成容器２内側の先端部分）のことである。図５に示す傍熱型の熱陰極１２の場合は、その陰極部材３６の先端部分（プラズマ生成容器２内側の先端部分）のことである。

背後反射電極４４は、この実施形態では、熱陰極１２（より具体的にはその脚部）を電気的に絶縁して通す穴４６を有している。熱陰極１２と背後反射電極４４との間には、例えば３ｍｍ程度の間隔がある。従って、背後反射電極４４は熱陰極１２の近傍に設けられていると言うことができる。

背後反射電極４４には、（ａ）図４に示す例のように、上記バイアス電源２４を対向反射電極２０と共用して当該バイアス電源２４からプラズマ生成容器２の電位を基準にして負のバイアス電圧Ｖ_Bを印加しても良いし、（ｂ）バイアス電源２４とは別の直流のバイアス電源によってプラズマ生成容器２の電位を基準にして負のバイアス電圧を印加しても良いし、（ｃ）図２に示した対向反射電極２０の場合と同様に、背後反射電極４４を上記接続部ａまたはｂに接続することによって、背後反射電極４４にプラズマ生成容器２の電位を基準にして負電圧を印加するようにしても良い。

あるいは、背後反射電極４４に負電圧を印加する代わりに、背後反射電極４４をどこにも電気的に接続せずに浮遊電位にしても良い。浮遊電位にしても、前述した浮遊電位の対向反射電極２０の場合と同様に、背後反射電極４４にはプラズマ４中のイオンよりも軽くて移動度の高い電子がイオンよりも遥かに多く入射するので、背後反射電極４４は負に帯電し、背後反射電極４４に負電圧を印加した場合と同様の作用を奏することができる。

即ち、背後反射電極４４は、上記対向反射電極２０の場合と同様に、プラズマ生成容器２内の電子を反射させる作用を奏する。

しかも、この背後反射電極４４も、当該イオン源の運転中は、フッ素を含むイオン化ガス８を電離させて生成されたプラズマ４に曝されるので、しかもこの背後反射電極４４もアルミニウム含有物質から成るので、対向反射電極２０について上述したのと同様の作用によって、即ちプラズマ４中のフッ素イオン、フッ素ラジカル等による浸食や、プラズマ４中のフッ素イオン等のイオンによるスパッタリング等によって、背後反射電極４４からもアルミニウム粒子がプラズマ４中に放出されるようになる。つまり、対向反射電極２０だけをアルミニウム含有物質で構成する場合よりも、プラズマ４中のフッ素イオン等による浸食やスパッタリングを受けるアルミニウム含有物質の面積を増やすことができる。従って、プラズマ４中に放出されるアルミニウム粒子の量を増大させて、イオンビーム３４中に含まれるアルミニウムイオンの量を、即ちアルミニウムイオンビームの量を増大させることができる。

また、背後反射電極４４は、前述したように熱陰極１２が近傍に設けられていてそれからの放射熱によって高温になる結果、スパッタ率の向上およびアルミニウム含有物質の蒸気圧の上昇が期待でき、それによってプラズマ４中に放出されるアルミニウム粒子の量が増大するので、この観点からもイオンビーム３４中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。

高温になると背後反射電極４４のスパッタ率の向上が期待できるのは、簡単に言えば、背後反射電極４４を構成するアルミニウム含有物質を構成しているアルミニウム原子や他の原子等の格子振動が高温になると活発になり、これらの原子等の化学結合が切れやすくなって、アルミニウム粒子が飛び出しやすくなるからである。

高温になるとアルミニウム含有物質の蒸気圧の上昇が期待できると言っているのは、背後反射電極４４を構成するアルミニウム含有物質から前記作用によって放出されるアルミニウム粒子は厳密には蒸気とは言えないかも知れないけれども、高温になると蒸気圧が高まるのに似た現象によって、アルミニウム含有物質からアルミニウム粒子が雰囲気中（即ちプラズマ生成容器２内の真空雰囲気中）へ放出されやすくなるので、これを蒸気の場合と同様に蒸気圧の上昇と言っているのである。

しかもこの実施形態の場合も、プラズマ生成容器２内の電子を反射させる機能を有する背後反射電極４４をアルミニウム粒子放出用に兼用しているので、従来のイオン源のようにアルミニウムイオン生成専用のプレートを特別に設けなくて済み、それを特別に設ける場合に比べて部品点数の削減および構造の簡素化が可能である。

対向反射電極２０に加えて上記のような背後反射電極４４を備えており、かつ熱陰極１２が傍熱型の場合の実施形態を図５に示す。

この熱陰極１２は、図３に示した熱陰極１２とほぼ同じ構造をしているが、この実施形態では、陰極部材３６はプラズマ生成容器２内に配置されている。そしてこの熱陰極１２の電子放出部（即ち前述したように陰極部材３６の先端部分）の背後に、上記対向反射電極２０（図４等参照）に対向させて、かつプラズマ生成容器２から電気的に絶縁して上記背後反射電極４４を設けている。背後反射電極４４は、言い方を変えれば陰極部材３６の先端部分の側方後方に設けられていると言うこともできるが、それもこの明細書では上記「背後」に含めている。

背後反射電極４４は、この実施形態では、陰極部材３６を電気的に絶縁して通す穴４６を有している。陰極部材３６と背後反射電極４４との間には、例えば３ｍｍ程度の間隔がある。従ってこの背後反射電極４４も、熱陰極１２の、より具体的にはその陰極部材３６の近傍に設けられていると言うことができる。

この実施形態における背後反射電極４４にも、図４に示した実施形態の場合とほぼ同様にして、プラズマ生成容器２の電位を基準にして負電圧を印加しても良いし、背後反射電極４４をどこにも電気的に接続せずに浮遊電位にしても良い。負電圧を印加する場合は、（ａ）上記バイアス電源２４から負のバイアス電圧Ｖ_Bを印加しても良いし、（ｂ）バイアス電源２４とは別の直流のバイアス電源から負のバイアス電圧を印加しても良いし、（ｃ）図３に示した実施形態の場合と同様に背後反射電極４４を上記接続部ｅ、ｄまたはｃに接続しても良い。もっとも、背後反射電極４４が図４の実施形態で説明した作用と同様の作用を奏するためには、背後反射電極４４に上記出力電圧Ｖ_Dが含まれているほどの大きな負電圧を印加する必要はないので、背後反射電極４４を接続部ｅに接続してそれに上記アーク電圧Ｖ_Aを印加すれば大きさとしては十分である。

この実施形態の場合も、背後反射電極４４に関して、図４の実施形態について説明したのとほぼ同様の作用効果を奏することができる。即ち、プラズマ生成容器２内の電子を反射させる作用に加えて、プラズマ４中に放出されるアルミニウム粒子の量を増大させてイオンビーム３４（図４参照）中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。熱陰極１２が近傍にあるために背後反射電極４４が高温になり、プラズマ４中に放出されるアルミニウム粒子の量が増大することも前記と同様である。また、背後反射電極４４をアルミニウム粒子放出用に兼用しているので、部品点数の削減および構造の簡素化が可能である。

図６に示す実施形態では、上記熱陰極１２の陰極部材３６は、プラズマ生成容器２の開口部３内に配置されている。そしてこのプラズマ生成容器２の上記開口部３を含んでいる壁面２ａ（より具体的には開口部３を含んでいる一つの側面）を、電気絶縁性のアルミニウム含有物質で構成している。電気絶縁性のアルミニウム含有物質は、例えば、前述した酸化アルミニウム（Ａl₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡlＮ）等のアルミニウム化合物である。

上記アルミニウム含有物質で構成された壁面２ａは、電気絶縁性のものであるので、浮遊電位にある。この壁面２ａには、前述した浮遊電位の背後反射電極４４の場合と同様に、イオン源運転中はプラズマ４中のイオンよりも軽くて移動度の高い電子がイオンよりも遥かに多く入射するので、当該壁面２ａは負に帯電する。

従ってこの壁面２ａも、上記背後反射電極４４の場合と同様に、プラズマ生成容器２内の電子を反射させる作用を奏する。それに加えて、プラズマ４中に放出されるアルミニウム粒子の量を増大させてイオンビーム３４中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させる作用効果も奏するが、これについては図７に示す実施形態と共に説明する。

図７に示す実施形態では、プラズマ生成容器２の上記開口部３を含んでいる壁面２ａを、アルミニウム含有物質で構成し、かつ絶縁物５０を介在させてプラズマ生成容器２の他の壁面から電気的に絶縁している。この実施形態では、アルミニウム含有物質は電気絶縁性でも良いし導電性でも良い。

上記アルミニウム含有物質で構成された壁面２ａには、図５に示した実施形態における背後反射電極４４の場合とほぼ同様にして、プラズマ生成容器２の電位を基準にして負電圧を印加しても良いし、当該壁面２ａをどこにも電気的に接続せずに浮遊電位にしても良い。負電圧を印加する場合は、（ａ）上記バイアス電源２４から負のバイアス電圧Ｖ_Bを印加しても良いし、（ｂ）バイアス電源２４とは別の直流のバイアス電源から負のバイアス電圧を印加しても良いし、（ｃ）上記壁面２ａを上記接続部ｅ、ｄまたはｃに接続しても良い。例えば前記と同様の理由から接続部ｅに接続すれば良い。

上記壁面２ａを浮遊電位にしても、図６に示した実施形態における壁面２ａの場合と同様の作用によって上記壁面２ａは負に帯電するので、上記壁面２ａに負電圧を印加した場合と同様の作用効果を奏することができる。

即ち、上記壁面２ａは、上記背後反射電極４４等の場合と同様に、プラズマ生成容器２内の電子を反射させる作用を奏する。

しかも、図６、図７に示したいずれの実施形態の場合も、上記アルミニウム含有物質で構成された壁面２ａは、イオン源の運転中は、フッ素を含むイオン化ガス８を電離させて生成されたプラズマ４に曝されるので、対向反射電極２０や背後反射電極４４について上述したのと同様の作用によって、即ちプラズマ４中のフッ素イオン、フッ素ラジカル等による浸食や、プラズマ４中のフッ素イオン等のイオンによるスパッタリング等によって、上記アルミニウム含有物質で構成された壁面２ａからもアルミニウム粒子がプラズマ４中に放出されるようになる。つまり、対向反射電極２０だけをアルミニウム含有物質で構成する場合よりも、プラズマ４中のフッ素イオン等による浸食やスパッタリングを受けるアルミニウム含有物質の面積を増やすことができる。従って、プラズマ４中に放出されるアルミニウム粒子の量を増大させて、イオンビーム３４中に含まれるアルミニウムイオンの量を、即ちアルミニウムイオンビームの量を増大させることができる。

また、上記アルミニウム含有物質で構成された壁面２ａも、熱陰極１２が（具体的にはその陰極部材３６等が）近傍にあってそれからの放射熱によって高温になる結果、前記背後反射電極４４の場合と同様に、当該壁面２ａのスパッタ率の向上およびアルミニウム含有物質の蒸気圧の上昇が期待でき、それによってプラズマ４中に放出されるアルミニウム粒子の量が増大するので、この観点からもイオンビーム３４中に含まれるアルミニウムイオンの量を増大させることができる。

しかも図６、図７いずれの実施形態の場合も、プラズマ生成容器２を構成する壁面の内の一部の壁面を、即ち上記開口部３を含んでいる壁面２ａを、アルミニウム粒子放出用に兼用しているので、従来のイオン源のようにアルミニウムイオン生成専用のプレートを特別に設けなくて済み、それを特別に設ける場合に比べて部品点数の削減および構造の簡素化が可能である。

図６、図７の両実施形態を比べると、絶縁物５０が不要であるので図６の実施形態の方がより構造が簡単であり、逆に絶縁物５０を有している分、図７の実施形態の方が上記壁面２ａとプラズマ生成容器２の他の壁面との間の電気絶縁を確実に取ることが容易になる。

なお、プラズマ生成容器２内側の絶縁物５０の表面に、例えば溝を設ける等によって、沿面距離を増大させる構造を採用しても良く、そのようにすれば絶縁物５０の表面の汚れによって絶縁性能が低下するのを抑制することができる。

２プラズマ生成容器
２ａアルミニウム含有物質で構成された壁面
４プラズマ
８イオン化ガス
１２熱陰極
２０対向反射電極
２４バイアス電源
２８磁界
３０磁石
３４イオンビーム
３６陰極部材
４４背後反射電極

Claims

アルミニウムイオンを含むイオンビームを発生させるイオン源であって、
陽極を兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、フッ素を含むイオン化ガスが導入されるプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器内の一方側に、前記プラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられた熱陰極と、
前記プラズマ生成容器内の他方側に、前記プラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ前記熱陰極に対向させて設けられていて、前記プラズマ生成容器の電位を基準にして負電圧が印加される電極であって、前記プラズマ生成容器内の電子を反射させる機能を有しており、かつアルミニウム含有物質から成る対向反射電極と、
前記プラズマ生成容器内に、前記熱陰極と前記対向反射電極とを結ぶ線に沿う磁界を発生させる磁石とを備えていることを特徴とするイオン源。
アルミニウムイオンを含むイオンビームを発生させるイオン源であって、
陽極を兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、フッ素を含むイオン化ガスが導入されるプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器内の一方側に、前記プラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられた熱陰極と、
前記プラズマ生成容器内の他方側に、前記プラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ前記熱陰極に対向させて設けられた浮遊電位の電極であって、前記プラズマ生成容器内の電子を反射させる機能を有しており、かつアルミニウム含有物質から成る対向反射電極と、
前記プラズマ生成容器内に、前記熱陰極と前記対向反射電極とを結ぶ線に沿う磁界を発生させる磁石とを備えていることを特徴とするイオン源。
前記プラズマ生成容器内であって前記熱陰極の電子放出部の背後に、前記対向反射電極に対向させて、かつ前記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、前記プラズマ生成容器の電位を基準にして負電圧が印加される電極であって、前記プラズマ生成容器内の電子を反射させる機能を有しており、かつアルミニウム含有物質から成る背後反射電極を更に備えている請求項１または２記載のイオン源。
前記プラズマ生成容器内であって前記熱陰極の電子放出部の背後に、前記対向反射電極に対向させて、かつ前記プラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられた浮遊電位の電極であって、前記プラズマ生成容器内の電子を反射させる機能を有しており、かつアルミニウム含有物質から成る背後反射電極を更に備えている請求項１または２記載のイオン源。
前記熱陰極は、加熱されることによって熱電子を放出する陰極部材および当該陰極部材を加熱するフィラメントを有している傍熱型の熱陰極であって、当該陰極部材は、前記プラズマ生成容器の開口部内に配置されており、
前記プラズマ生成容器の前記開口部を含んでいる壁面を、電気絶縁性のアルミニウム含有物質で構成している請求項１または２記載のイオン源。
前記熱陰極は、加熱されることによって熱電子を放出する陰極部材および当該陰極部材を加熱するフィラメントを有している傍熱型の熱陰極であって、当該陰極部材は、前記プラズマ生成容器の開口部内に配置されており、
前記プラズマ生成容器の前記開口部を含んでいる壁面を、アルミニウム含有物質で構成し、かつ絶縁物を介在させて前記プラズマ生成容器の他の壁面から電気的に絶縁して浮遊電位にしている請求項１または２記載のイオン源。
前記熱陰極は、加熱されることによって熱電子を放出する陰極部材および当該陰極部材を加熱するフィラメントを有している傍熱型の熱陰極であって、当該陰極部材は、前記プラズマ生成容器の開口部内に配置されており、
前記プラズマ生成容器の前記開口部を含んでいる壁面を、アルミニウム含有物質で構成し、かつ絶縁物を介在させて前記プラズマ生成容器の他の壁面から電気的に絶縁しており、
かつ前記アルミニウム含有物質で構成された壁面には前記プラズマ生成容器の電位を基準にして負電圧が印加される請求項１または２記載のイオン源。