JP2013037907A - マイクロ波イオン源、及びイオン生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波イオン源のプラズマチャンバの例えば真空窓を保護する。
【解決手段】マイクロ波イオン源１０は、マイクロ波を受け入れるための真空窓２４を有するプラズマチャンバ１２と、マイクロ波の伝搬方向またはその逆方向を向く磁場を発生させる電磁石２０と、永久磁石２２と、を含み、電磁石２０による磁場と同一方向を向く合成磁場をプラズマチャンバ１２に発生させる磁場発生器１６と、を備える。永久磁石２２は、合成磁場の強度分布のピークを、電磁石２０による磁場の強度分布のピークよりも真空窓２４に近づけるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波イオン源、及びイオン生成方法に関する。

マイクロ波をプラズマ励起源に用いるイオン源が知られている。真空のプラズマ室にマイクロ波が導入される。プラズマ室に供給された原料ガスがマイクロ波によって励起され、プラズマが発生する。プラズマからイオンが引き出される。イオン源から引き出されたイオンは例えばイオン注入処理のために使用される。また、プラズマ室に電子サイクロトロン共鳴を引き起こすための磁場を印加して、プラズマを効率的に生成する方式も知られている。

特開平１１−３３９６７５号公報 特開昭６１−７５４１号公報

プラズマはプラズマ室の内壁面に作用しうる。例えば、マイクロ波を室内に受け入れるための壁部分がプラズマによるスパッタを受ける。この部分は通常、真空窓と呼ばれ誘電体から成っている。プラズマによる壁材料の消耗は抑制されることが好ましい。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、マイクロ波イオン源のプラズマチャンバを構成する部分、例えば真空窓へのプラズマの作用を抑制することにある。

本発明のある態様は、マイクロ波イオン源である。この装置は、マイクロ波を受け入れるための窓を有するプラズマチャンバと、前記マイクロ波の伝搬方向またはその逆方向を向く磁場を発生させる主磁石と、副磁石と、を含み、前記主磁石による磁場と同一方向を向く合成磁場を前記プラズマチャンバに発生させる磁場発生器と、を備える。前記副磁石は、前記合成磁場の強度分布のピークを、前記主磁石による磁場の強度分布のピークよりも前記窓に近づけるように構成されている。

本発明の別の態様は、マイクロ波イオン源である。この装置は、始端からマイクロ波が導入され終端からイオンが引き出されるよう構成されているプラズマチャンバと、前記プラズマチャンバの前記始端から前記終端に向かう方向またはその逆方向を向く第１磁場と、前記終端において前記第１磁場とは逆方向を向く第２磁場と、の合成磁場を発生させる磁場発生器と、を備える。

本発明の別の態様は、マイクロ波イオン源を使用するイオン生成方法である。この方法は、プラズマを生成するために、プラズマチャンバの始端からマイクロ波を導入することと、前記プラズマチャンバの前記始端から終端に向かう方向またはその逆方向を向く第１磁場と、前記終端において前記第１磁場とは逆方向を向く第２磁場と、の合成磁場を発生させることと、前記終端からイオンを引き出すことと、を含む。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、マイクロ波イオン源のプラズマチャンバの例えば真空窓を保護することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波イオン源の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロ波イオン源の要部を示す図である。 図２に示すマイクロ波イオン源のＡ−Ａ断面図である。 本発明の一実施形態に係る磁場強度分布を模式的に表す図である。 一変形例に係るマイクロ波イオン源の要部を示す図である。 図５に示すマイクロ波イオン源のＢ−Ｂ断面図である。 一変形例に係る磁場強度分布を模式的に表す図である。 別の一変形例に係るマイクロ波イオン源の要部を示す図である。 別の一変形例に係る磁場強度分布を模式的に表す図である。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波イオン源は、マイクロ波の伝搬方向に沿ってプラズマチャンバ内部に磁場を印加するよう構成されている。この磁場の強度分布のピークを意図的に変位させることにより、マイクロ波伝搬方向（即ち磁場方向）にプラズマを偏在させることができる。これは、磁場の弱い領域に向けて拡散するというプラズマの性質を利用している。磁場のピークをマイクロ波伝搬方向の上流側に変位させた場合には下流側の磁場が弱められることになる。よって、プラズマは下流側へ向けて拡散する。逆に、磁場のピークをマイクロ波伝搬方向の下流側に変位させた場合には上流側の磁場が弱められ、プラズマは上流側へと拡散することになる。

よって、本発明の一実施形態に係るマイクロ波イオン源は、プラズマチャンバに磁場を印加するための主磁石に加えて、副磁石を備えてもよい。副磁石は、主磁石による磁場のピークを変位させた合成磁場を得るために設けられている。副磁石による磁場を主磁石による磁場に重ね合わせることによって、合成磁場のピーク位置が調整される。なお以下では適宜、主磁石による磁場を第１磁場と呼ぶことがあり、副磁石による磁場を第２磁場と呼ぶことがある。よって、第１磁場と第２磁場との合成磁場がプラズマチャンバに生じる。主磁石は、電磁石または永久磁石のいずれかであってもよいし、あるいは電磁石と永久磁石とを含んでもよい。副磁石は、電磁石または永久磁石のいずれかであってもよいし、あるいは電磁石と永久磁石とを含んでもよい。

一実施例においては、合成磁場は、以下に述べる３つの機能のうち少なくとも１つを提供してもよい。（１）合成磁場は、高密度プラズマの生成を促進するために、電子サイクロトロン共鳴を引き起こす磁場であってもよい。よく知られるように、電子サイクロトロン共鳴を引き起こす磁場の強さは使用されるマイクロ波の周波数に対し一意に定まり、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合には８７．５ｍＴ（８７５ガウス）の磁場が必要である。よって、この場合には、合成磁場の強度分布のピークは８７．５ｍＴ以上である必要がある。電子サイクロトロン共鳴を引き起こす磁場を、以下では共鳴磁場と呼ぶことがある。

（２）合成磁場は、生成されたプラズマをプラズマチャンバ内で局所的に集中させるための磁場（いわゆるプラズマの閉じ込めのための磁場）であってもよい。これも高密度プラズマの生成に役立つ。合成磁場はその磁力線に沿ってプラズマを閉じ込める。例えば、合成磁場がマイクロ波の伝搬方向（またはその逆方向）を向く場合には、マイクロ波の伝搬方向に沿ってプラズマ密度の高い領域が形成される。つまりプラズマはプラズマチャンバ内でマイクロ波伝搬方向に沿って延びている。

（３）合成磁場は上記のように、プラズマの拡散を促す磁場であってもよい。例えば、合成磁場のピークがプラズマチャンバの一組の対向する壁の間にあり、ピーク位置が一方の壁に近い場合には、その一方の壁における磁場強度が他方の壁における磁場強度よりも強くなる。その結果、磁場の弱い他方の壁へとプラズマが拡散する。プラズマチャンバの一組の対向する壁の間において、合成磁場のピーク位置から離れているほうの壁に向けてプラズマが偏在することになる。

プラズマの偏在を利用して、プラズマチャンバの真空窓を保護することができる。プラズマチャンバ内に印加された磁場の強度ピークを真空窓に近づけることにより、真空窓に向かうプラズマの拡散に比べて、真空窓から離れる方向へのプラズマの拡散が強くなる。真空窓近傍でのプラズマ密度が低くなり、真空窓へのプラズマの作用（例えばスパッタ）を抑えることができる。なお同様にして、真空窓以外のプラズマチャンバの内壁部分を保護することも可能である。保護すべき内壁部分に磁場の強度ピークを近づけることにより、その部分へのプラズマの作用を抑えることができる。

真空窓から離れる方向へのプラズマの拡散は、イオン源からのイオンビームの引き出しにも都合がよい。イオンビームを引き出すためのビーム引出系は通常、真空窓から離れた位置（例えば、真空窓からプラズマチャンバを挟んで対向する位置）に設けられている。真空窓から離れてビーム引出系の近傍に偏在したプラズマから効率的にイオンを引き出すことができる。それにより、イオンビーム電流を大きくすることができる。

プラズマチャンバに印加された磁場の強度ピークを真空窓に近づけるには、例えば２つのアプローチが考えられる。その１つは、真空窓の近傍で磁場を強くすることである。よって、一実施例においては、副磁石は、真空窓における合成磁場の強度を、真空窓における主磁石による磁場（第１磁場）よりも大きくするように構成されていてもよい。

もう１つは、真空窓から離れた位置（例えばビーム引出系の近傍）で磁場を弱くすることである。よって、一実施例においては、副磁石は、主磁石による磁場（第１磁場）とは逆方向を向く磁場をプラズマチャンバの終端にて発生させるように構成されていてもよい。この場合、副磁石による磁場（第２磁場）の強度は、合成磁場の向きが主磁石による磁場（第１磁場）と同一方向となるように定められていることが好ましい。それにより、合成磁場の向きがプラズマチャンバの始端と終端とで逆向きとなることを避けることができる。

これら２つのアプローチが併用されてもよい。よって、一実施例においては、副磁石は、主磁石による磁場（第１磁場）と同一方向を向く磁場（第２磁場）をマイクロ波の伝搬方向の上流側に発生させてもよい。それとともに、副磁石は、主磁石による磁場（第１磁場）とは逆方向を向く磁場（第２磁場）をマイクロ波の伝搬方向の下流側に発生させるよう構成されていてもよい。すなわち、副磁石は、マイクロ波の伝搬方向に沿って一組の対向磁場を形成するよう構成されていてもよい。この場合にも、合成磁場の向きが主磁石による磁場と同一方向となるように、副磁石による磁場強度が定められていることが好ましい。

そのための１つの構成例として、副磁石は、プラズマチャンバに生成されるプラズマを囲むようにマイクロ波伝搬方向に垂直な面に沿って設けられており、内側の磁極がＮ極（またはＳ極）であり外側の磁極がＳ極（またはＮ極）であってもよい。このようにすれば、比較的簡易な構成で上述の対向磁場を形成することができる。

副磁石は、マイクロ波の伝搬方向に主磁石に重なり合う位置に配設されていることが好ましい。このようにすれば、第２磁場の主要部分を第１磁場に重ね合わせることで、第１磁場を効果的に調整することが容易となる。ここで、主要部分とは磁場分布の周縁部分よりも磁場強度の強い部分を指し、例えば山型分布の山頂部分である。周縁部分は例えば山形分布の裾野部分である。仮に、副磁石が主磁石から隔てられている場合には、第２磁場の主要部分が第１磁場から離されて、第２磁場の周縁部分が第１磁場に重ね合わされるかもしれない。その場合、合成磁場のピーク位置は元の第１磁場のピーク位置からさほど変位されない結果となる。

なお、本願において「同一方向」または「同方向」は、２つの方向が完全に一致することを必ずしも要しない。要求される役割をある程度果たす限り、それら２つの方向はいくらか異なっていてもよい。同様に、「逆方向」についても、２つの方向が完全な逆向きであることを必ずしも要しない。

図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の構成を模式的に示す図である。図２は、マイクロ波イオン源１０の要部を示す図である。図３は、図２に示すマイクロ波イオン源１０のＡ−Ａ断面図である。図３はマイクロ波の入力側からビーム引出側を見たときの図である。図４は、プラズマチャンバ１２における磁場強度分布を表す図である。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波イオン源１０は、共鳴磁場よりも高い磁場を印加したプラズマチャンバ１２内へ、磁力線方向にマイクロ波電力を入力して高密度プラズマを生成しイオンを引き出すイオン源である。マイクロ波イオン源１０は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマチャンバ１２の外部へイオンを引き出すように構成されている。

マイクロ波イオン源１０は、例えばイオン注入装置のためのイオン源に使用される。注入するイオンには例えば酸素がある。また、マイクロ波イオン源１０は、プロトン加速器のためのイオン源、またはＸ線源としても使用され得る。マイクロ波イオン源１０は主として、一価イオン源として使用される。

マイクロ波イオン源１０は、イオン源本体１４を備える。イオン源本体１４は、プラズマチャンバ１２、磁場発生器１６、及び真空容器１８を備える。

プラズマチャンバ１２は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマチャンバ１２の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を包囲する方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマチャンバ１２が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。図示の例ではプラズマチャンバ１２は円筒形状を有するが、プラズマチャンバ１２は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状であってもよい。また、プラズマチャンバ１２の軸方向長さは、プラズマチャンバ１２の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。

磁場発生器１６は、プラズマチャンバ１２の内部に磁場を発生させるために設けられている。磁場発生器１６は、プラズマチャンバ１２の軸方向に磁場を発生させるよう構成されている。磁力線方向を図２に矢印Ｍで示す。磁場発生器１６は、電磁石２０と永久磁石２２とを含む。電磁石２０は上述の主磁石の一例であり、永久磁石２２は副磁石の一例である。

真空容器１８は、プラズマチャンバ１２を真空環境に収容するための筐体である。真空容器１８は、磁場発生器１６を保持するための構造体でもある。プラズマチャンバ１２は、内部にマイクロ波を受け入れるための真空窓２４を有する。プラズマチャンバ１２、磁場発生器１６、及び真空容器１８については、更に詳しく後述する。

マイクロ波イオン源１０は、マイクロ波供給系２６を備える。マイクロ波供給系２６は、真空窓２４を通じてプラズマチャンバ１２にマイクロ波電力を入力するよう構成されている。マイクロ波供給系２６は、マイクロ波源２８、導波管３０、及びマッチングセクション３２を備える。マイクロ波源２８は例えばマグネトロンである。マイクロ波源２８は例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を出力する。導波管３０は、マイクロ波源２８の出力するマイクロ波をプラズマチャンバ１２に伝達するための立体回路である。導波管３０の一端はマイクロ波源２８に接続されており、他端はマッチングセクション３２を介して真空窓２４に接続されている。マッチングセクション３２はマイクロ波の整合のために設けられている。

このようにして、マイクロ波供給系２６から真空窓２４を通じてプラズマチャンバ１２にマイクロ波が導入される。導入されたマイクロ波は、真空窓２４に対向するプラズマチャンバ１２の端部へ向けてプラズマチャンバ１２の内部を伝搬する。マイクロ波の伝搬方向を図２に矢印Ｐで示す。マイクロ波の伝搬方向Ｐは、磁場発生器１６による磁力線方向Ｍと同一方向である。また、マイクロ波の伝搬方向Ｐはプラズマチャンバ１２の軸方向と同一方向である。

マイクロ波イオン源１０は、ガス供給系３４を備える。ガス供給系３４は、プラズマの原料ガスをプラズマチャンバ１２に供給するよう構成されている。ガス供給系３４は、ガス源であるガスボンベ３６とガス流量制御器３８とを備える。原料ガスは例えばアルゴンガスである。原料ガスはイオン注入のための不純物を含有する成分を含んでもよい。ガス供給系３４のガス配管４０の先端が真空容器１８を通じてプラズマチャンバ１２に接続されている。ガス配管４０は例えば、プラズマチャンバ１２の側壁６４に接続されている。こうして、原料ガスが、ガスボンベ３６からプラズマチャンバ１２へと制御された流量で供給される。

イオン源本体１４は、引出電極系４２を備える。引出電極系４２は、プラズマチャンバ１２のイオン引出開口６６を通じてプラズマからイオンを引き出すよう構成されている。引出電極系４２は、第１電極４４と第２電極４６を含む。第１電極４４はプラズマチャンバ１２と第２電極４６との間に設けられている。イオン引出開口６６を有する終端部６２と第１電極４４とは隙間を隔てて配列され、第１電極４４と第２電極４６とは隙間を隔てて配列されている。第１電極４４及び第２電極４６は、それぞれ例えば環状に形成されており、プラズマチャンバ１２から引き出されたイオンを通すための開口部分を中心部に有する。

第１電極４４は、プラズマから陽イオンを引き出すとともに、ビームライン５２からプラズマチャンバ１２への電子の戻りを妨げるために設けられている。そのために、第１電極４４には負の高電圧が印加されている。第１電極４４に負の高電圧を印加するために、第１引出電源４８が設けられている。第２電極４６は接地されている。また、真空容器１８には正の高電圧が印加されている。真空容器１８に正の高電圧を印加するために、第２引出電源５０が設けられている。真空容器１８に印加される正の高電圧の絶対値は、第１電極４４に印加される負の高電圧の絶対値よりも大きい。このようにして、プラズマチャンバ１２から陽イオンのイオンビームＢが引き出される。プラズマチャンバ１２からのイオンビームＢの引出方向はマイクロ波の伝搬方向Ｐと同一方向である。

マイクロ波イオン源１０には、引出電極系４２によって引き出されたイオンビームＢを輸送するためのビームライン５２が設けられている。ビームライン５２は、マイクロ波供給系２６とは反対側にイオン源本体１４に連結されている。ビームライン５２は、真空容器１８に連通されている真空容器である。ビームライン５２は、イオン源本体１４の真空容器１８に対し絶縁されて真空容器１８に取り付けられている。そのために、ビームライン５２と真空容器１８の間にブッシング５４が設けられている。

ブッシング５４は、ビームライン５２及び真空容器１８内の真空を維持しつつ、真空容器１８とグラウンド側との間の耐電圧を保持する。ブッシング５４は絶縁材料で形成されている。ブッシング５４は環状の形状を有し、引出電極系４２を囲んでいる。ブッシング５４は、ビームライン５２及びイオン源本体１４それぞれの真空容器の取付フランジ間に挟まれて取り付けられている。

真空容器１８及びプラズマチャンバ１２に真空環境を提供するための真空排気系５６が設けられている。図示の例においては真空排気系５６はビームライン５２に設けられている。ビームライン５２は真空容器１８及びプラズマチャンバ１２に連通されているので、真空排気系５６は真空容器１８及びプラズマチャンバ１２の真空排気をすることができる。真空排気系５６は例えばクライオポンプまたはターボ分子ポンプ等の高真空ポンプを含む。

マイクロ波イオン源１０は、イオンビームＢの出力を制御するための制御装置Ｃを備えてもよい。制御装置Ｃは、マイクロ波イオン源１０の各構成要素を制御する。制御装置Ｃは、例えば、マイクロ波供給系２６、ガス供給系３４、コイル電源７６の動作を制御するよう構成されている。制御装置Ｃは例えば、原料ガスの流量、マイクロ波パワー、及び電磁石２０による磁場強度の少なくとも１つを調整することにより、イオンビームＢの出力を制御してもよい。

プラズマチャンバ１２は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている。プラズマチャンバ１２の内部空間を以下では、プラズマ収容空間５８と呼ぶことがある。

プラズマチャンバ１２は、始端部６０、終端部６２、及び側壁６４を含む。始端部６０と終端部６２とはプラズマ収容空間５８を挟んで対向している。側壁６４はプラズマ収容空間５８を囲み、始端部６０と終端部６２とを接続している。このようにして、始端部６０、終端部６２、及び側壁６４によってプラズマ収容空間５８が真空容器１８の内部に画定されている。プラズマチャンバ１２が円筒形状である場合、始端部６０及び終端部６２は円板形状であり、側壁６４は円筒であり、始端部６０及び終端部６２の外周部に側壁６４の末端が固定されている。

始端部６０は真空窓２４を有する。真空窓２４は始端部６０の全体を占めていてもよいし、始端部６０の一部（例えば中心部）に形成されていてもよい。真空窓２４の一方の側がプラズマ収容空間５８に面しており、真空窓２４の他方の側がマイクロ波供給系２６に向けられている。真空窓２４はプラズマチャンバ１２の内部を真空に封じる。マイクロ波の伝搬方向Ｐは真空窓２４に垂直である。真空窓２４は誘電体損の低い誘電体（例えばアルミナまたは窒化ホウ素等）で形成されている。なおプラズマチャンバ１２の真空窓２４以外の部分は例えば非磁性金属材料で形成されている。

終端部６２には少なくとも１つのイオン引出開口６６が形成されている。イオン引出開口６６は、プラズマ収容空間５８を挟んで真空窓２４に対向する位置に形成されている。すなわち、真空窓２４、プラズマ収容空間５８、及びイオン引出開口６６は、プラズマチャンバ１２の軸方向に沿って配列されている。

真空容器１８は、プラズマチャンバ１２が一体に形成された二重の筒構造を有する。すなわち、プラズマチャンバ１２が真空容器１８の内筒であり、その外側にプラズマチャンバ１２を収容する外筒６８が設けられている。外筒６８はプラズマチャンバ１２と同軸の円筒形状であってもよい。外筒６８とプラズマチャンバ１２の側壁６４との間には隙間があり、この隙間に上述のガス供給系３４のガス配管４０の先端部が進入し側壁６４に取り付けられている。真空容器１８は例えば非磁性金属材料で形成されている。

真空容器１８は、プラズマチャンバ１２と一体に形成されていなくてもよい。真空容器１８とプラズマチャンバ１２とがそれぞれ別体であり分割可能であってもよい。また、真空容器１８自体がプラズマチャンバ１２を成していてもよい。このように真空容器１８がプラズマチャンバ１２を兼用する場合には、外筒６８のビームライン５２側にイオン引出開口６６を有する端板を取り付ければよい。

真空容器１８の一端は端板７０により閉塞され、他端はビームライン５２に向けて開放されている。端板７０の中心部にプラズマチャンバ１２の始端部６０が形成されている。端板７０の外周部は径方向に外筒６８の外側まで延びている。ビームライン５２側の真空容器１８の端部には、ブッシング５４のための取付フランジ７２が設けられている。取付フランジ７２は外筒６８から径方向に外側に延びている。真空容器１８とプラズマチャンバ１２とは軸方向長さが等しく、取付フランジ７２とプラズマチャンバ１２の終端部６２とは軸方向位置が一致している。真空容器１８とプラズマチャンバ１２とは軸方向長さが異なっていてもよい。

真空容器１８には、磁場発生器１６を保持するための磁石保持部７４が形成されている。磁石保持部７４は例えば、真空容器１８の外筒６８の外表面に形成されている。本実施例においては磁場発生器１６は真空容器１８の外側に（即ち大気中に）設けられている。磁場発生器１６は真空容器１８を取り囲むように配置されている。しかし、別の例では、真空容器１８は、磁場発生器１６を真空容器１８の内部に（即ち真空中に）保持するための磁石保持部７４を備えてもよい。この場合にも本例と同様の効果を得ることができる。このようにして、磁場発生器１６は、プラズマ収容空間５８を包囲するように配置されている。

磁場発生器１６は上述のように、電磁石２０と永久磁石２２とを備える。電磁石２０及び永久磁石２２はプラズマチャンバ１２の軸方向に垂直な面に沿って配置されている。電磁石２０及び永久磁石２２はともにプラズマ収容空間５８を包囲するように配置されている。本例においてはプラズマチャンバ１２及び真空容器１８は円筒形状であり、電磁石２０及び永久磁石２２はともに環状に形成されている。電磁石２０と永久磁石２２とは同軸に配置されている。プラズマチャンバ１２の中心軸とも電磁石２０及び永久磁石２２は同軸に配置されている。

図示の例においては、電磁石２０が永久磁石２２を包囲し、永久磁石２２が真空容器１８（即ちプラズマチャンバ１２及びプラズマ収容空間５８）を包囲する。しかし、電磁石２０と永久磁石２２の径方向位置は可換である。よって、永久磁石２２が電磁石２０を包囲し、電磁石２０が真空容器１８を包囲してもよい。この場合にも本例と同様の合成磁場を得ることができる。また、図示の例では、電磁石２０と永久磁石２２とは径方向に密着しているが、電磁石２０と永久磁石２２とは径方向に分離されていてもよい。

電磁石２０と永久磁石２２とはプラズマチャンバ１２の軸方向に重なり合って配設されている。図示の例においては、電磁石２０と永久磁石２２とが軸方向に同一の位置に配設されている。別の例では、永久磁石２２の軸方向位置は電磁石２０の軸方向位置からオフセットを有して、電磁石２０と永久磁石２２とが軸方向に少なくとも一部が重なり合うように配設されていてもよい。電磁石２０と永久磁石２２とが軸方向に重複または近接している場合には、そうではない場合に比べて、永久磁石２２が電磁石２０の磁場に与える影響を大きくすることができる。しかし、所望の合成磁場を得られるのであれば、電磁石２０と永久磁石２２とが必ずしも軸方向に重なり合っていなくてもよい（つまり、電磁石２０と永久磁石２２とが軸方向に並置され、それぞれがプラズマ収容空間５８を包囲していてもよい）。

電磁石２０は、プラズマチャンバ１２の軸方向を向く磁場を発生させるよう構成されたコイルであり、周方向に導線が巻かれている。磁場発生器１６は、電磁石２０に電流方向Ｉに電流を流すためのコイル電源７６を含む。図２及び図３に示されるように、電磁石２０には、マイクロ波入力側から見たときに時計回りに電流が流される。よって、電磁石２０によってプラズマチャンバ１２に生じる磁場は、図２に矢印Ｍで示すように、プラズマチャンバ１２の始端部６０から終端部６２へと向けられている。

図４はプラズマチャンバ１２の中心軸上の磁場分布を模式的に示す。真空窓２４及びイオン引出開口６６の軸方向位置をそれぞれ符号ａ、ｂで示す。図において両端をａ、ｂとする区間がプラズマチャンバ１２の軸方向長さを示す。電磁石２０による軸方向の磁場強度分布（第１磁場Ｇ１）が図４の上部に示されている。図示されるように、電磁石２０による磁場は１つのピークＰ１をもつ対称な分布である。永久磁石２２が設けられていない場合にはこの磁場分布がプラズマ収容空間５８に現れる。この場合、真空窓２４及びイオン引出開口６６における磁場強度は等しくかつ磁場分布が対称であるため、生成されたプラズマは軸方向に両側に等しく拡散することになる。

永久磁石２２は、軸方向に対向する磁場を生成するよう構成されている。磁力線方向を図２に一組の矢印ｍで示す。すなわち、永久磁石２２は、始端部６０側に電磁石２０と同方向の軸方向磁場を発生させ、終端部６２側に電磁石２０とは逆方向の軸方向磁場を発生させるよう構成されている。そのために、永久磁石２２の磁化方向Ｄは全周にわたって径方向外向きとされている。すなわち、永久磁石２２は、内側の磁極がＳ極であり、外側の磁極がＮ極である。永久磁石２２の磁場の強さは周方向に均一とされている。

永久磁石２２は、周方向に配列されている複数の磁石７８を含む。各磁石７８は周方向に隣接している。各磁石７８は同一の磁場強度及び磁化方向Ｄをもつ。図４の下部に示す合成磁場Ｇ３を得るためには、磁化方向Ｄは電磁石２０の電流方向Ｉに応じて一義に決まる。磁石７８の径方向内側の磁極がＳ極であり、径方向外側の磁極がＮ極である。磁石７８は例えばセグメント磁石またはＣ型磁石である。つまり、永久磁石２２は、１つの環状の磁石を周方向に分割した構成をもつ。図示の例では、永久磁石２２は、均等に分割されている１２個の磁石により構成されている。

効率的に強い磁場を生成するためには永久磁石２２は全周に設けられていることが好ましい。しかし、所望の磁場を得られる場合には、永久磁石２２は、周方向に互いに分離されて配置されている複数の磁石から構成されていてもよい。この場合例えば、図３に示す１２個の磁石７８に代えて、１つおきに配置された６個の磁石で永久磁石２２を構成してもよい。

永久磁石２２による軸方向の磁場強度分布（第２磁場Ｇ２）を図４の中央に示す。図示されるように、プラズマチャンバ１２の中心軸上の磁場は、始端部６０側で電磁石２０の磁場と同方向であり、終端部６２側で電磁石２０の磁場と逆方向である。永久磁石２２による磁場分布は、始端部６０側に１つのピークＰ２をもち、終端部６２側に逆向きのピークＰ３をもつ。本例においては電磁石２０と永久磁石２２とで軸方向位置が一致している。そのため、軸線上で永久磁石２２の磁場方向が入れ替わり磁場強度がゼロとなる位置Ｑに、電磁石２０による磁場のピークＰ１の位置が一致している。

プラズマチャンバ１２の中心軸上の合成磁場Ｇ３の強度分布を図４の下部に示す。理解を容易にするために、合成磁場Ｇ３を実線で示し、第１磁場Ｇ１及び第２磁場Ｇ２を破線で示している。破線で示す第１磁場Ｇ１及び第２磁場Ｇ２は、図４の上部及び中央に示す分布と同一である。

図示されるように、第１磁場Ｇ１は対称な形状であったのに対して、合成磁場Ｇ３の磁場分布は第２磁場Ｇ２の重ね合わせにより非対称化されている。具体的には、第１磁場Ｇ１のピークＰ１よりも、合成磁場Ｇ３のピークＰ４は真空窓２４（軸方向位置ａ）に近づけられている。また、真空窓２４においては合成磁場Ｇ３の強度のほうが第１磁場Ｇ１よりも大きくなり、イオン引出開口６６（軸方向位置ｂ）においては合成磁場Ｇ３の強度のほうが第１磁場Ｇ１よりも小さくなっている。なお、真空窓２４からイオン引出開口６６へ向けてのプラズマの拡散作用をより高めるためには、合成磁場Ｇ３のピークＰ４をなるべく真空窓２４に接近させ、好ましくは真空窓２４に一致させてもよい。場合によっては、合成磁場Ｇ３のピークＰ４が真空窓２４の外側にまで変位されてもよい。

第２磁場Ｇ２の磁場強度は、プラズマ収容空間５８の軸線上の全域で合成磁場Ｇ３の向きが第１磁場Ｇ１と同一方向となるように定められていることが好ましい。それにより、合成磁場Ｇ３の向きがプラズマチャンバ１２の始端部６０と終端部６２とで逆向きとなるのを避けることができる。そのために例えば、永久磁石２２は、第２磁場Ｇ２の終端部６２側のピークＰ３の磁場強度が当該軸方向位置での第１磁場Ｇ１の強度よりも小さくなるように構成されていてもよい。

本実施例においては、磁場発生器１６は、プラズマチャンバ１２の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場よりも高い磁場を発生させるよう構成されている。そのために、磁場発生器１６は、第１磁場Ｇ１と第２磁場Ｇ２との重ね合わせによって合成磁場Ｇ３が共鳴磁場以上の高磁場を与えるように構成されていてもよい。あるいは、磁場発生器１６は、第１磁場Ｇ１と合成磁場Ｇ３のそれぞれが共鳴磁場以上の高磁場を与えるように構成されていてもよい。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波イオン源１０の動作を説明する。マイクロ波イオン源１０の動作が停止されているときには、プラズマチャンバ１２のプラズマ収容空間５８に永久磁石２２の静磁場（第２磁場Ｇ２）が生じている。この磁場は、図２及び図３に示す磁化方向Ｄを有する永久磁石２２が発生させる図４の中央に示す磁場である。すなわち、プラズマチャンバ１２の上流側（始端部６０側）には上流から下流へと向けられた磁場が生じており、プラズマチャンバ１２の下流側（終端部６２側）には逆に下流から上流へと向けられた磁場が生じている。これら対向する一組の磁場は対称である。

例えば操作者の操作により（または制御装置Ｃによる制御のもとで）、マイクロ波イオン源１０の動作が開始される。原料ガスがガス供給系３４からプラズマチャンバ１２に供給される。コイル電源７６から電磁石２０に電流が供給される。それによってプラズマ収容空間５８には、永久磁石２２の磁場（第２磁場Ｇ２）に電磁石２０の磁場（第１磁場Ｇ１）が重ね合わされた合成磁場Ｇ３が生じる。合成磁場Ｇ３は図４の下部に示すように、軸線上における強度ピークが真空窓２４に近接（または一致）しており、プラズマチャンバ１２の上流側のほうが下流側よりも強められている。真空窓２４における合成磁場Ｇ３は第１磁場Ｇ１よりも強化され、イオン引出開口６６における合成磁場Ｇ３は第１磁場Ｇ１よりも弱められている。合成磁場Ｇ３の強度ピークは共鳴磁場以上とされており、本例の場合具体的には８７．５ｍＴより大きい。

マイクロ波がマイクロ波供給系２６から真空窓２４を通じてプラズマチャンバ１２に導入される。マイクロ波の周波数は本例においては２．４５ＧＨｚである。マイクロ波はプラズマチャンバ１２の軸方向に沿って入射しプラズマ収容空間５８を伝搬する。プラズマ収容空間５８にはマイクロ波によって、軸方向に垂直な方向に電界が生じる。合成磁場Ｇ３は軸方向に向けられており、磁場とマイクロ波の電界とは直交する。

マイクロ波によって原料ガスが励起され、プラズマチャンバ１２にプラズマが生成される。また、マイクロ波と合成磁場Ｇ３との作用によって電子サイクロトロン共鳴が生じ、電子のマイクロ波エネルギーの吸収がより促進される。これによってもプラズマチャンバ１２にプラズマが生成される。引出電極系４２によってイオン引出開口６６を通じてプラズマからイオンが引き出される。引き出されたイオンはビームライン５２へと供給される。このようにして、マイクロ波イオン源１０を使用するイオン生成方法、またはマイクロ波イオン源１０の運転方法が提供される。

プラズマは、合成磁場Ｇ３の作用により局所的に集中される。磁場が軸方向に向けられているため、プラズマは径方向に閉じ込められる。それにより、プラズマチャンバ１２の軸線に沿って延びる領域のプラズマ密度が高められる。プラズマチャンバ１２の下流側の磁場が上流側よりも弱められているため、軸線上の高密度プラズマは、プラズマチャンバ１２の下流側へと拡散され、真空窓２４から離れてイオン引出開口６６の近傍に偏在する。このようにして、真空窓２４近傍でのプラズマ密度は低下する一方、イオン引出開口６６近傍でのプラズマ密度は増加される。

よって、本発明の一実施形態に係るマイクロ波イオン源１０によれば、真空窓２４へのプラズマによるスパッタは緩和され、真空窓２４を保護することができる。真空窓２４の消耗速度が小さくなり、真空窓２４を長寿命化することができる。こうして、マイクロ波イオン源１０の真空窓２４の保護方法が提供される。

また、イオン引出開口６６に向けて高密度プラズマを偏在させることができるので、イオンの引き出しが容易となる。マイクロ波イオン源１０の出力するイオンビーム電流をより大きくすることができる。

永久磁石２２は、電磁石２０による磁場のピーク強度をかさ上げする補助磁石としても役立っている。結果として得られる合成磁場Ｇ３と同等の強度をもつ磁場を電磁石２０のみによって発生させる場合に比べて、電磁石２０への供給電流を小さくすることができる。それにより、例えばコイル電源７６の電流容量を減らすことができる。電磁石２０のための絶縁トランスの容量を下げることもできる。こうして電磁石２０及びその関連部品を小型化することができる。その結果としてマイクロ波イオン源１０の外形も小さくすることができる。

図５乃至図７を参照して、マイクロ波イオン源１０の一変形例を説明する。この実施例は、合成磁場Ｇ３が逆向きであることを除いて、図１乃至図４を参照して説明した上述の実施例と同様である。そのため、以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。図１乃至図４に付随して説明された各変形例は、以下に述べる実施例にも適宜組み合わせることが可能である。

図５は、一変形例に係るマイクロ波イオン源１０の要部を示す図である。図６は、図５に示すマイクロ波イオン源１０のＢ−Ｂ断面図である。図７は、プラズマチャンバ１２における磁場強度分布を模式的に表す図である。

図示されるように、本変形例における磁場発生器１６の構成は、図１乃至図４の実施例と同一である。磁場発生器１６は電磁石２０と永久磁石２２とを備え、プラズマチャンバ１２を包囲して配置されている。電磁石２０と永久磁石２２とはともにプラズマチャンバ１２に同軸に設けられている。

図５及び図６に示されるように、電磁石２０には、マイクロ波入力側から見たときに反時計回りに電流Ｉ’が流される。よって、電磁石２０によってプラズマチャンバ１２に生じる磁場は、図５に矢印Ｍ’で示すように、プラズマチャンバ１２の終端部６２から始端部６０へと向けられている。

永久磁石２２は、始端部６０側に電磁石２０と同方向の軸方向磁場を発生させ、終端部６２側に電磁石２０とは逆方向の軸方向磁場を発生させるよう構成されている。そのために、永久磁石２２の磁化方向Ｄ’は全周にわたって径方向内向きとされている。すなわち、永久磁石２２は、内側の磁極がＮ極であり、外側の磁極がＳ極である。永久磁石２２は、周方向に分割された複数の磁石７８からなり、各磁石７８の径方向内側の磁極がＮ極であり、径方向外側の磁極がＳ極である。磁力線方向を図２に一組の矢印ｍ’で示す。

図７には電磁石２０と永久磁石２２との合成磁場Ｇ３が実線で示されている。電磁石２０の磁場（第１磁場Ｇ１）及び永久磁石２２の磁場（第２磁場Ｇ２）は破線で示す。本例においては電磁石２０の電流方向及び永久磁石２２の磁化方向が反転されているため、図７に示す合成磁場Ｇ３は、図４に示す合成磁場Ｇ３とは逆向きとなっている。しかし、磁場が真空窓２４側では強化されイオン引出開口６６側では弱められている点では同様である。よって、この変形例においても、図１乃至図４の実施例と同様の効果を得ることができる。

図８及び図９を参照して、マイクロ波イオン源１０の更なる一変形例を説明する。この実施例は、主磁石８０が複数の電磁石８０ａ、８０ｂを備える点を除いて、図１乃至図４を参照して説明した上述の実施例と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。図１乃至図７を参照して説明した実施例及びそれに付随して説明した各変形例は、以下に述べる実施例にも適宜組み合わせることが可能である。

図８は、一変形例に係るマイクロ波イオン源１０の要部を示す図である。主磁石８０は、マイクロ波の伝搬方向Ｐに配列された複数の電磁石８０ａ、８０ｂを備える。図示の例においては、２つの電磁石８０ａ、８０ｂがプラズマチャンバ１２の軸方向に並置されている。主磁石８０はいわば、軸方向に分割されている。複数の電磁石８０ａ、８０ｂはそれぞれが永久磁石２２を取り囲んでいる。電磁石８０ａ、８０ｂは永久磁石２２に同軸に配設されている。主磁石８０の電流方向Ｉと永久磁石２２の磁化方向Ｄとの組み合わせは、図２及び図３に示す実施例と同じである。図５及び図６に示す反転方向の組み合わせを本例に採用することもできる。

図９は、図８に示すプラズマチャンバ１２における磁場強度分布を模式的に表す図である。図９には主磁石８０と永久磁石２２との合成磁場Ｇ３を実線で示し、主磁石８０の磁場（第１磁場Ｇ１）及び永久磁石２２の磁場（第２磁場Ｇ２）をそれぞれ破線で示す。図９に示す合成磁場Ｇ３は図４と同様に、磁場が真空窓２４側では強化されイオン引出開口６６側では弱められている。よって、この変形例においても、図１乃至図７の実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、主磁石８０による磁場分布は単峰型であり、２つの分割された電磁石８０ａ、８０ｂそれぞれの磁場ピークは明瞭に識別されていない。これは、電磁石８０ａ、８０ｂがヨークに覆われていないからである。この構成により、主磁石８０は軸方向に全体的に高磁場を与えることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

上述の実施例においては、第１磁場Ｇ１を発生させる主磁石として電磁石２０が用いられている。しかし、主磁石は永久磁石であってもよい。プラズマチャンバ１２に一定の磁場を生成することが望まれる場合には、構成が簡素化されるという点で、主磁石は永久磁石であることが好ましいかもしれない。

上述の実施例においては、第２磁場Ｇ２を発生させる副磁石として永久磁石２２が用いられている。しかし、副磁石は電磁石であってもよい。合成磁場Ｇ３を柔軟に調整することが望まれる場合には、副磁石は電磁石であることが好ましいかもしれない。また、上述の実施例においては、副磁石は、真空窓２４側の磁場を強める役割とイオン引出開口６６側の磁場を弱める役割の両方を果たしている。しかし、本発明はこれに限られず、副磁石は、それら２つの役割の一方を果たすよう構成されていてもよい。この場合においても、副磁石は電磁石でも永久磁石でもよい。

１０ マイクロ波イオン源、 １２ プラズマチャンバ、 １４ イオン源本体、 １６ 磁場発生器、 ２０ 電磁石、 ２２ 永久磁石、 ２４ 真空窓、 ５８ プラズマ収容空間、 ６０ 始端部、 ６２ 終端部、 ６６ イオン引出開口、 ７８ 磁石。

Claims (8)

1. マイクロ波を受け入れるための窓を有するプラズマチャンバと、
   前記マイクロ波の伝搬方向またはその逆方向を向く磁場を発生させる主磁石と、副磁石と、を含み、前記主磁石による磁場と同一方向を向く合成磁場を前記プラズマチャンバに発生させる磁場発生器と、を備え、
   前記副磁石は、前記合成磁場の強度分布のピークを、前記主磁石による磁場の強度分布のピークよりも前記窓に近づけるように構成されていることを特徴とするマイクロ波イオン源。
2. 前記副磁石は、前記窓における前記合成磁場の強度を、前記窓における前記主磁石による磁場よりも大きくするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波イオン源。
3. 前記副磁石は、前記マイクロ波の伝搬方向の上流側に前記主磁石による磁場と同一方向を向く磁場を発生させ、かつ前記マイクロ波の伝搬方向の下流側に前記主磁石による磁場とは逆方向を向く磁場を発生させるよう構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波イオン源。
4. 前記副磁石は、前記プラズマチャンバに生成されるプラズマを囲むように前記マイクロ波の伝搬方向に垂直な面に沿って設けられており、内側の磁極がＮ極またはＳ極であり外側の磁極がＳ極またはＮ極であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
5. 前記副磁石は、前記マイクロ波の伝搬方向に前記主磁石に重なり合う位置に配設されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
6. 前記主磁石は、前記マイクロ波の伝搬方向に配列された複数の磁石を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
7. 始端からマイクロ波が導入され終端からイオンが引き出されるよう構成されているプラズマチャンバと、
   前記プラズマチャンバの前記始端から前記終端に向かう方向またはその逆方向を向く第１磁場と、前記終端において前記第１磁場とは逆方向を向く第２磁場と、の合成磁場を発生させる磁場発生器と、を備えることを特徴とするマイクロ波イオン源。
8. マイクロ波イオン源を使用するイオン生成方法であって、
   プラズマを生成するために、プラズマチャンバの始端からマイクロ波を導入することと、
   前記プラズマチャンバの前記始端から終端に向かう方向またはその逆方向を向く第１磁場と、前記終端において前記第１磁場とは逆方向を向く第２磁場と、の合成磁場を発生させることと、
   前記終端からイオンを引き出すことと、を含むことを特徴とする方法。

Images