JP2011076736A - プラズマ源およびそれを備えるイオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】 タンタル製のフィラメントを有しており、しかも当該フィラメントの加熱時の自重による変形が少ないプラズマ源およびそれを備えるイオン源を提供する。
【解決手段】 このイオン源を構成するプラズマ源２は、プラズマ生成容器４と、その内部に配置された複数のフィラメント１０とを有している。そして各フィラメント１０をタンタル製とし、かつ各フィラメント１０を沿直下向きに（即ち重力Ｇ方向に向けて）配置している。
【選択図】 図４

Description

この発明は、フィラメントを有していてプラズマを生成するプラズマ源および当該プラズマ源からイオンビームを引き出すイオン源に関する。

イオン源等に用いられるプラズマ源を構成するものであって、プラズマ生成に必要な熱電子を放出するフィラメントの材質には、従来からタングステン（Ｗ）が最も頻繁に利用されている。

これに対して、本願の発明者は、タングステン製のフィラメントに代えて、タンタル（Ｔａ）製のフィラメントを用いることを考え出した。その主な理由は次のとおりである。

（ａ）タングステンは熱電子放出効率があまり高くないので、プラズマ密度をより高密度化し、ひいてはイオンビーム量をより増大させるためには、タングステンよりも熱電子放出効率の高いタンタルを用いるのが好ましい。

（ｂ）例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板製造の分野等においては、ヘリウムや水素のような軽いイオンを基板に注入することが行われている。イオン注入によって分離層を形成するためである。このようなイオンを発生させるためには、イオン源の原料ガスとしてヘリウムガスや水素ガスを用いることになるが、これらのガスを用いると、タングステン製のフィラメントでは、当該ガスとの反応によって、フィラメントの表面に多数の小孔が形成されて表面が脆化する。ひいては、フィラメントからの熱電子放出量が減少してプラズマ密度が低下する。これに対して、タンタル製のフィラメントを用いると、原料ガスとしてヘリウムガスや水素ガスを用いてもフィラメント表面の脆化が少なく、安定してプラズマを生成することができることを本願の発明者は見出した。脆化が少なくなる理論は現時点では明らかではないが、現象として確認している。

そこで、フィラメントを有するプラズマ源に、例えば特許文献１に記載されているような複数のフィラメントを有するプラズマ源を備えているイオン源に、タンタル製のフィラメントを用いることが考えられる。

特開２００５−３２７７１３号公報（段落００４１−００４６、図３）

上記のように、（ａ）熱電子放出効率が高く、かつ（ｂ）原料ガスにヘリウムガスや水素ガスを用いてもフィラメント表面の脆化が少ない、という観点からは、フィラメントの材質としてタンタルを用いることが好ましい。

しかし、タンタルはタングステンに比べて剛性が小さいので、タンタル製のフィラメントを熱電子を放出するほどの高温に加熱すると、軟らかくなって自重によって変形する恐れのあることが分かった。

特に、特許文献１等に記載のように、フィラメントを重力方向（沿直方向）に対してほぼ９０度横向きに配置しているイオン源では、当該フィラメントをタンタル製にすると、加熱した場合に、軟らかくなったフィラメントが自重によって重力方向に大きく垂れて大きく変形してしまい、元のフィラメント形状を維持できなくなる。フィラメント形状が変化すると、熱電子放出状態が変化するので、安定したプラズマを生成することが難しくなり、ひいてはイオン源の場合はイオンビームを安定して引き出すことが難しくなる。

そこでこの発明は、タンタル製のフィラメントを有しており、しかも当該フィラメントの加熱時の自重による変形が少ないプラズマ源およびそれを備えるイオン源を提供することを主たる目的としている。

この発明に係るプラズマ源は、プラズマ生成容器と、その内部に配置された１以上のフィラメントとを有していて、プラズマ生成容器内に導入された原料ガスを電離させてプラズマを生成するプラズマ源において、前記各フィラメントをタンタル製とし、かつ当該各フィラメントを沿直下向きに配置していることを特徴としている。

このプラズマ源によれば、プラズマ生成容器内にタンタル製のフィラメントを初めから沿直下向きに（即ち重力方向に向けて）配置しているので、加熱時に当該フィラメントが軟らかくなっても自重による変形が少なくて済む。

前記各フィラメントは、沿直下向きに湾曲した湾曲部を有していても良く、沿直下向きに延びた二つの脚部と両脚部の先端部間を接続している前記湾曲部とを有していても良く、湾曲部が懸垂曲線状をしていても良い。

プラズマ生成容器内に複数の前記フィラメントを有していても良く、その場合、複数のフィラメントを沿直方向に並べて配置していても良く、複数のフィラメントを、沿直方向に複数列に、かつ千鳥状に並べて配置していても良い。

前記原料ガスは、少なくともヘリウムガスを含んでいるものでも良い。

この発明に係るイオン源は、前記プラズマ源と、当該プラズマ源において生成したプラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系とを備えていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、プラズマ生成容器内にタンタル製のフィラメントを初めから沿直下向きに（即ち重力方向に向けて）配置しているので、加熱時に当該フィラメントが軟らかくなっても自重による変形が少なくて済む。その結果、フィラメントの変形による熱電子放出状態の変化を抑制して、安定したプラズマ生成が可能になる。

しかも、フィラメントに熱電子放出効率の高いタンタルを用いているので、タングステンを用いている場合に比べて、プラズマ密度を高めることができる。あるいは、タングステンフィラメントの場合と同程度のプラズマ密度にして、フィラメントの加熱温度を下げてフィラメント寿命を延ばすこともできる。

請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、各フィラメントは、初めから沿直下向きに湾曲した湾曲部を有しているので、当該フィラメントの加熱時に湾曲部が自重によって垂れることが生じても、その湾曲の程度が幾分大きくなる程度で済み、従ってフィラメント全体の形状変化をより小さく抑制することができる。即ち、加熱時のフィラメントの変形をより小さく抑制することができる。

請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、湾曲部については請求項２の場合と同様の効果を奏すると共に、脚部を有していても当該脚部は沿直下向きに延びているので、加熱によって当該脚部が軟らかくなっても自重による曲がりは生じない。従って、脚部を有していても、加熱時のフィラメントの変形を小さく抑制することができる。

請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、湾曲部は懸垂曲線状をしており、懸垂曲線は重力に対して力学的により安定した形状であるので、フィラメント加熱時の当該湾曲部の変形をより小さく抑制することができる。その結果、加熱時のフィラメントの変形をより一層小さく抑制することができる。

請求項５、６に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、プラズマ生成容器内に複数のフィラメントを有していて複数箇所から熱電子を放出することができるので、より高密度のプラズマを生成したり、より大面積のプラズマを生成したり、より均一性の高いプラズマを生成したりすることが可能になる。しかも上記理由によって加熱時の各フィラメントの変形を小さく抑制することができるので、各フィラメント間における加熱時のフィラメント形状のばらつきを小さく抑制することができ、従って、フィラメント形状がばらつくことによるプラズマ状態の変化を小さく抑制することができる。

請求項７に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、複数のフィラメントを密に配置した方がプラズマ密度を大きくできるが、複数のフィラメントを沿直方向に１列に配置すると、加熱時にフィラメントが垂れた場合にフィラメント同士が接触する可能性が生じやすくなる。これに対して、この発明のように複数のフィラメントを沿直方向に複数列に、かつ千鳥状に配置しておくと、万一フィラメントが垂れた場合でもフィラメント同士の接触が起きにくくなるので、複数のフィラメントをより密に配置することが容易になる。

請求項８に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、原料ガスがヘリウムガスを含んでいても、フィラメントはタンタル製であるので、原料ガスによる脆化が少なく、従ってヘリウムプラズマを含むプラズマを安定して生成することができる。

請求項９に記載の発明によれば、上記のようなプラズマ源を備えているので、請求項１〜８に記載の発明について上述した効果と同様の効果を奏することができる。安定したプラズマ生成が可能になることによって、安定したイオンビーム引き出しが可能になる。

この発明に係るプラズマ源を備えるイオン源の一実施形態を示す概略断面図である。 この発明に係るプラズマ源を備えるイオン源の他の実施形態を示す概略断面図である。 この発明に係るプラズマ源を備え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。 この発明に係るプラズマ源を備え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。 この発明に係るプラズマ源を備え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。 フィラメントの一例を示す側面図である。 フィラメントの他の例を示す側面図である。 フィラメントの更に他の例を示す側面図である。 フィラメントの更に他の例を示す斜視図である。

まず、図１に示すイオン源について説明すると、このイオン源は、プラズマ源２と、このプラズマ源２において生成したプラズマ２８からイオンビーム３２を引き出す引出し電極系３０とを備えている。

プラズマ源２は、プラズマ２８を生成するためのプラズマ生成容器４と、その内部に配置された１以上の（この実施形態では一つの）フィラメント１０とを有していて、プラズマ生成容器４内にガス導入口８から導入された原料ガスをアーク放電によって電離させてプラズマ２８を生成するものである。

フィラメント１０は、この実施形態では、プラズマ生成容器４内に、当該プラズマ生成容器４の上面（重力Ｇに交差する上側の面）に設けられた電流導入端子２０によって支持されている。各電流導入端子２０とプラズマ生成容器４との間は、絶縁物２２によって電気的に絶縁されている。

フィラメント１０は、フィラメント電源２４によって通電加熱されて熱電子を放出する。フィラメント１０と陽極を兼ねるプラズマ生成容器４との間には、両者間でアーク放電を生じさせて上記原料ガスを電離させてプラズマ２８を生成する直流のアーク電源２６が接続されている。図３〜図５に示す実施形態も、図示を省略しているけれども、例えば上記と同様のフィラメント電源およびアーク電源を有している。その場合、アーク電源は、複数のフィラメント１０に共通のものでも良いし、各フィラメント１０ごとに設けても良い。

プラズマ生成容器４は、この実施形態では、プラズマ２８からイオンビーム３２を引き出すための開口部６を有している。この開口部６の外側近傍に、プラズマ２８から電界の作用によってイオンビーム３２を引き出す引出し電極系３０が配置されている。

引出し電極系３０は、図示例は２枚の多孔電極を有しているが、それに限られるものではない。また、開口部６および引出し電極系３０は、この実施形態ではプラズマ生成容器４の下面部に設けてイオンビーム３２を下方向に引き出すようにしているが、それに限られるものではなく、例えば図４、図５に示す実施形態のように、プラズマ生成容器４のフィラメント１０を設けていない側面部に設けてイオンビーム３２を横方向に引き出すようにしても良い。図２、図３に示す実施形態においても同様である。

フィラメント１０はタンタル（Ｔａ）から成る。かつこのフィラメント１０を、沿直下向きに（即ち重力Ｇの方向に向けて。以下同様）配置している。沿直下向きとは、換言すれば、フィラメント１０の中央付近あるいは先端付近が重力Ｇ方向の下側に位置する向きのことである。図２〜図９に示すフィラメント１０も、沿直下向き配置の例である。フィラメント１０の形状のより具体的な例は、図６〜図９を参照して後述する。

このプラズマ源２によれば、プラズマ生成容器４内にタンタル製のフィラメント１０を初めから沿直下向きに配置しているので、加熱時に当該フィラメント１０が軟らかくなっても自重による変形が少なくて済む。従来の横向き配置の場合のような、自重による大きな垂れ下がりは生じない。初めからフィラメント１０を重力Ｇ方向に向けて配置しているからである。その結果、フィラメント１０の変形による熱電子放出状態の変化を抑制して、安定したプラズマ２８の生成が可能になる。ひいてはイオン源の場合は、イオンビーム３２を安定して引き出すことが可能になる。

しかも、フィラメント１０に熱電子放出効率の高いタンタルを用いているので、タングステン（Ｗ）を用いている場合に比べて、プラズマ２８の密度を高めることができる。ひいてはイオン源の場合は、イオンビーム電流密度を高めることができる。あるいは、タングステンフィラメントの場合と同程度のプラズマ密度にして、フィラメント１０の加熱温度を下げてフィラメント寿命を延ばすこともできる。

プラズマ生成容器４内に導入する上記原料ガスは、特定のガスに限定されない。例えば、ヘリウムガスや水素ガスを含むガスでも良いし、その他のガスでも良い。

原料ガスがヘリウムガスを含んでいても、フィラメント１０はタンタル製であるので、前述したように原料ガスによる脆化が少なく、従ってヘリウムプラズマを含むプラズマを安定して生成することができる。ひいてはイオン源の場合は、ヘリウムイオンを含むイオンビームを安定して引き出すことが可能になる。原料ガスが水素ガスを含む場合も同様に、水素プラズマを含むプラズマを安定して生成し、水素イオンを含むイオンビームを安定して引き出すことが可能になる。

沿直下向き配置のフィラメント１０の形状のより具体的な例を説明する。

フィラメント１０は、例えば図６に示す例のように、沿直下向きに延びた二つの直線状の脚部１２と、両脚部１２の先端部間を接続している接続部１４とを有しているものでも良い。接続部１４は、より具体的には、図６に示す例のように直線状でも良いし、それ以外の形状でも良い。例えば、沿直下向きに湾曲した湾曲部でも良いし（この場合の例を図７、図８に示す）、沿直上向きに曲げられていても良いし、Ｗ字状に曲げられていても良いし、図９に示す例のようにコイル状に巻かれていても良い。いずれにしても、フィラメント１０全体として見れば、沿直下向きに配置されているので、前述した作用効果を奏することができる。

その内でも、フィラメント１０は、例えば図７、図８に示す例のように、沿直下向きに湾曲した湾曲部１６を有しているものがより好ましい。上記接続部１４をより具体化したのが湾曲部１６である。この場合は、脚部１２の有無、長短は問わない。フィラメント１０の配置等に応じて決めれば良い。脚部１２を有していない場合は、湾曲部１６の端を電流導入端子２０に取り付ければ良い。

フィラメント１０が上記のような湾曲部１６を有している場合、当該湾曲部１６は初めから下向きに湾曲しているので、フィラメント１０の加熱時に湾曲部１６が自重によって垂れることが生じても、その湾曲の程度が幾分大きくなる程度で済み、従ってフィラメント１０全体の形状変化をより小さく抑制することができる。即ち、加熱時のフィラメント１０の変形をより小さく抑制することができる。

図７に示す例のフィラメント１０は、沿直下向きに延びた二つの直線状の脚部１２と、両脚部１２の先端部間を接続している上記湾曲部１６とを有している。このような形状はＵ字状と呼ぶこともできる。湾曲部１６は、例えば円弧状をしているが、その円弧は半円に限られるものではない。

このようなフィラメント１０の場合、湾曲部１６については上記と同様の効果を奏すると共に、脚部１２を有していても当該脚部１２は沿直下向きに延びているので、加熱によって当該脚部１２が軟らかくなっても自重による曲がりは生じない。従って、脚部１２を有していても、加熱時のフィラメント１０の変形を小さく抑制することができる。

図８に示すフィラメント１０では、湾曲部１６は懸垂曲線状をしている。懸垂曲線は、カテナリー曲線とも呼ばれ、簡単に言えば、ロープや電線等の両端を持って垂らしたときにできる曲線である。数式で示せば、ｙ＝ｃｏｓｈ（ｘ）で実質的に表される曲線である。

このようなフィラメント１０の場合、湾曲部１６の形状である懸垂曲線は重力Ｇに対して力学的により安定した形状であるので、フィラメント加熱時の湾曲部１６の変形をより小さく抑制することができる。その結果、加熱時のフィラメント１０の変形をより一層小さく抑制することができる。

湾曲部１６が懸垂曲線状の場合も、脚部１２の有無、長短は問わない。脚部１２を有していない場合は、フィラメント１０の全体が懸垂曲線状をしていることになるので、加熱時のフィラメント１０の変形をより一層小さく抑制することができる。

湾曲部１６を、懸垂曲線状の代わりに、放物線状にしても良い。放物線は、懸垂曲線に近似の曲線であるので、懸垂曲線の場合よりかは若干劣るとしても、懸垂曲線の場合とほぼ同様の作用効果を奏することができる。

懸垂曲線状や放物線状の湾曲部１６を有しているフィラメント１０の形状も、広義のＵ字状と呼ぶことができよう。

次に、プラズマ源２およびそれを備えるイオン源の他の実施形態を説明する。以下においては、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、当該実施形態との相違点を主体に説明する。

図２に示す実施形態のように、フィラメント１０を、プラズマ生成容器４内に、当該プラズマ生成容器４の側面（重力Ｇに沿う面）に設けた電流導入端子２０によって支持しても良い。この実施形態では、上側の電流導入端子２０を長くして、フィラメント１０全体を含む平面が、プラズマ生成容器４のフィラメント１０を設けた側面に交差するようにフィラメント１０を配置している。またこの配置に合うように、フィラメント１０の脚部１２の有無、その長さを適宜決めれば良い。図４、図５に示す実施形態も同様である。

図３〜図５に示す実施形態のように、プラズマ生成容器４内に複数のフィラメント１０を有していても良い。各フィラメント１０はタンタル製であり、その形状の例は前述したとおりである。なお、ガス導入口８は、プラズマ生成容器４内に原料ガスを均一性良く導入する等の観点から、必要に応じて複数個（図示例の２個に限らない）設けても良い。

プラズマ生成容器４内に複数のフィラメント１０を有していることによって、複数箇所から熱電子を放出することができるので、より高密度のプラズマ２８を生成したり、より大面積のプラズマ２８を生成したり、より均一性の高いプラズマ２８を生成したりすることが可能になる。しかも上記理由によって加熱時の各フィラメント１０の変形を小さく抑制することができるので、各フィラメント１０間における加熱時のフィラメント形状のばらつきを小さく抑制することができ、従って、フィラメント形状がばらつくことによるプラズマ状態の変化を小さく抑制することができる。

複数のフィラメント１０は、図３に示す実施形態のように横方向（水平方向）に並べて配置しても良いし、図４に示す実施形態のように縦方向（沿直方向）に並べて配置しても良い。図３のように配置すると、横方向に長いプラズマ２８を生成することが容易になるので、横方向が幅広のイオンビーム３２を引き出すことが容易になる。図４のように配置すると、縦方向に長いプラズマ２８を生成することが容易になるので、縦方向が幅広のイオンビーム３２を引き出すことが容易になる。図５に示す実施形態の場合も、縦方向が幅広のイオンビーム３２を引き出すことが容易になる。

縦方向が幅広のイオンビーム３２は、例えば、基板（図示省略）を立てた状態で水平方向に機械的に走査しながら、当該基板にイオンビーム３２を横方向から照射してイオン注入等の処理を施す場合に有利である。

図５に示す実施形態のように、複数のフィラメント１０を、沿直方向に複数例（図示例では２列）に、かつ千鳥状に並べて配置しても良い。千鳥状とは、換言すれば、互い違いに並べていることである。この実施形態では、プラズマ生成容器４の開口部６は、プラズマ生成容器４の、フィラメント１０を支持する電流導入端子２０を設けていない側面（図５の紙面の表側の面または裏側の面）に設けている。引出し電極系３０（図５に表れていない。図１〜図４参照）も同様であり、従ってイオンビーム３２（同前）を紙面の表側または裏側に引き出すことができる。

複数のフィラメント１０を密に配置した方がプラズマ密度を大きくできるが、複数のフィラメント１０を沿直方向に１列に配置すると、加熱時にフィラメント１０が垂れた場合にフィラメント同士が接触する可能性が生じやすくなる。これに対して、この実施形態のように複数のフィラメント１０を沿直方向に複数列に、かつ千鳥状に配置しておくと、万一フィラメント１０が垂れた場合でもフィラメント同士の接触が起きにくくなるので、複数のフィラメント１０をより密に配置することが容易になる。その結果例えば、プラズマ密度を大きくすることが容易になると共に、プラズマ源２およびそれを備えるイオン源を小型化することが容易になる。

２ プラズマ源
４ プラズマ生成容器
１０ フィラメント
１２ 脚部
１４ 接続部
１６ 湾曲部
２０ 電流導入端子
２８ プラズマ
３０ 引出し電極系
３２ イオンビーム
Ｇ 重力

Claims (9)

1. プラズマ生成容器と、その内部に配置された１以上のフィラメントとを有していて、プラズマ生成容器内に導入された原料ガスを電離させてプラズマを生成するプラズマ源において、
   前記各フィラメントをタンタル製とし、かつ当該各フィラメントを沿直下向きに配置していることを特徴とするプラズマ源。
2. 前記各フィラメントは、沿直下向きに湾曲した湾曲部を有している請求項１記載のプラズマ源。
3. 前記各フィラメントは、沿直下向きに延びた二つの脚部と、両脚部の先端部間を接続している前記湾曲部とを有している請求項２記載のプラズマ源。
4. 前記各フィラメントの湾曲部は懸垂曲線状をしている請求項２または３記載のプラズマ源。
5. 前記プラズマ生成容器内に複数の前記フィラメントを有している請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ源。
6. 前記複数のフィラメントを沿直方向に並べて配置している請求項５記載のプラズマ源。
7. 前記複数のフィラメントを、沿直方向に複数列に、かつ千鳥状に並べて配置している請求項５記載のプラズマ源。
8. 前記原料ガスは少なくともヘリウムガスを含んでいる請求項１ないし７のいずれかに記載のプラズマ源。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載のプラズマ源と、当該プラズマ源において生成したプラズマからイオンビームを引き出す引出し電極系とを備えていることを特徴とするイオン源。

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