JP2586836B2 - Ion source device - Google Patents

Ion source device

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JP2586836B2
JP2586836B2 JP6281410A JP28141094A JP2586836B2 JP 2586836 B2 JP2586836 B2 JP 2586836B2 JP 6281410 A JP6281410 A JP 6281410A JP 28141094 A JP28141094 A JP 28141094A JP 2586836 B2 JP2586836 B2 JP 2586836B2
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electron
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順三 石川
克夫 松原
英明 田原
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Nissin Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電子放出源から電子を
供給し,直流放電によりイオン化ガスをプラズマ化して
イオンビームを生成するイオン源装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ion source device which supplies electrons from an electron emission source and converts an ionized gas into plasma by DC discharge to generate an ion beam.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、イオンビームスパッタリング,イ
オンビームミキシング,イオンアシスト等に用いられる
代表的なイオン源装置として、カウフマン型イオン源装
置及びバケット型イオン源装置等がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, as typical ion source devices used for ion beam sputtering, ion beam mixing, ion assist and the like, there are a Kauffman type ion source device, a bucket type ion source device and the like.

【0003】(従来例1)従来のカウフマン型イオン源
装置は、図2に示す構成になっており、同図において、
1はステンレス等の非磁性体の金属製の筐体、2は筐体
1により形成されたプラズマ生成室、3は生成室2に設
けられたフィラメントであり、タングステンW,ホウ化
ランタンLaB6 等からなる。4はフィラメント3の加
熱用のフィラメント電源、5は生成室2に設けられた円
筒状のアノードである。
(Conventional Example 1) A conventional Kauffman-type ion source device has a configuration shown in FIG.
Reference numeral 1 denotes a case made of a non-magnetic metal such as stainless steel, 2 denotes a plasma generation chamber formed by the case 1, 3 denotes a filament provided in the generation chamber 2, such as tungsten W, lanthanum boride LaB 6, and the like. Consists of Reference numeral 4 denotes a filament power supply for heating the filament 3, and reference numeral 5 denotes a cylindrical anode provided in the generation chamber 2.

【0004】6は生成室2へのガス導入口、7はイオン
ビーム引出し電極群であり、第1電極8,第2電極9,
第3電極10から構成されている。11は筐体1の外側
に設けられた円筒状の磁場発生用の永久磁石又は電磁石
である。
[0006] Reference numeral 6 denotes a gas inlet to the generation chamber 2, and reference numeral 7 denotes an ion beam extraction electrode group, which includes a first electrode 8, a second electrode 9,
It is composed of a third electrode 10. Reference numeral 11 denotes a cylindrical permanent magnet or electromagnet provided outside the housing 1 for generating a magnetic field.

【0005】12はアーク電源であり、陽極がアノード
5に,陰極が抵抗13を介して筐体1に接続され、アノ
ード5にアノード電圧を印加する。14は加速電源であ
り、陽極がアーク電源12の陰極に接続され、筐体1と
同電位の第1電極8にアノード電圧より低い正の加速電
圧を印加する。15は第2電極9に負の電圧を印加する
減速電源である。
An arc power supply 12 has an anode connected to the anode 5 and a cathode connected to the housing 1 via the resistor 13, and applies an anode voltage to the anode 5. An acceleration power supply 14 has an anode connected to the cathode of the arc power supply 12 and applies a positive acceleration voltage lower than the anode voltage to the first electrode 8 having the same potential as the housing 1. Reference numeral 15 denotes a deceleration power supply for applying a negative voltage to the second electrode 9.

【0006】そして、フィラメント3はカソードとして
の熱電子放出源であり、フィラメント電源4の抵抗加熱
により高温に保持されて熱電子e’を放出し、例えばタ
ングステンでは2400℃,ホウ化ランタンでは130
0℃程度に加熱される。
The filament 3 is a thermoelectron emission source as a cathode, and emits thermoelectrons e 'while being kept at a high temperature by resistance heating of the filament power supply 4, for example, 2400 ° C. for tungsten and 130 ° C. for lanthanum boride.
Heated to about 0 ° C.

【0007】一方、ガス導入口6からイオン化ガス,例
えばアルゴン(Ar)等の希ガス或いは酸素ガス等の反
応性ガスがプラズマ生成室2に導入される。
On the other hand, an ionized gas, for example, a rare gas such as argon (Ar) or a reactive gas such as oxygen gas is introduced into the plasma generation chamber 2 from the gas inlet 6.

【0008】そして、フィラメント3とアノード5間の
放電により、導入されたイオン化ガスのプラズマ16が
生成され、電極群7のビーム引出し作用により、プラズ
マ中のイオンがイオンビームとなってスパッタ室等に引
き出される。
The discharge between the filament 3 and the anode 5 generates a plasma 16 of the introduced ionized gas, and the ions in the plasma are converted into an ion beam by the beam extraction operation of the electrode group 7 to the sputtering chamber or the like. Drawn out.

【0009】このとき、磁石11の磁場により、プラズ
マ16の生成効率の向上或いはプラズマ16の閉じ込め
の向上が図られる。
At this time, the magnetic field of the magnet 11 improves the generation efficiency of the plasma 16 or improves the confinement of the plasma 16.

【0010】(従来例2)従来のバケット型イオン源装
置は、図3に示す構成になっており、図2の構成と異な
る点はつぎのとおりである。図2のアノード5がなく、
アーク電源12の陽極が筐体1に直接接続され、筐体1
がアノードとなり、加速電源14の陽極が筐体1に絶縁
体17を介した電極群7の第1電極8に直接或いは抵抗
を介して接続され、永久磁石11が複数個の環状体から
構成され、筐体1の内部にカスプ磁場を形成するように
配置されている点である。そして、作用は図2の場合と
ほぼ同様である。
(Conventional Example 2) A conventional bucket type ion source device has a configuration shown in FIG. 3, and the points different from the configuration of FIG. 2 are as follows. Without the anode 5 of FIG.
The anode of the arc power supply 12 is directly connected to the housing 1,
Is an anode, and the anode of the acceleration power supply 14 is connected to the housing 1 directly or via a resistor to the first electrode 8 of the electrode group 7 via the insulator 17, and the permanent magnet 11 is composed of a plurality of annular bodies. In that a cusp magnetic field is formed inside the housing 1. The operation is almost the same as in FIG.

【0011】(従来例3)従来のホローカソード型イオ
ン源装置は、図4に示す構成になっており、図3と異な
る点はつぎのとおりである。フィラメント3がなく、筐
体1の左側開口部に絶縁体18を介して非磁性体の金属
からなるカソード筐体19が装着され、該筐体19の左
側開口部に絶縁体20を介して非磁性体の金属製の蓋板
21が装着され、カソード室22が形成されている。
(Conventional Example 3) A conventional hollow cathode type ion source device has a configuration shown in FIG. 4 and differs from FIG. 3 in the following point. A cathode housing 19 made of a non-magnetic metal is attached to the left opening of the housing 1 via an insulator 18 without the filament 3, and the cathode housing 19 is inserted into the left opening of the housing 19 via an insulator 20. A cover plate 21 made of a magnetic metal is mounted, and a cathode chamber 22 is formed.

【0012】カソード室22にはホローカソード23が
設けられ、蓋板21に一体に形成された筒状体24の外
周にヒータコイル25が巻回され、筒状体24の内面に
熱電子放出材26が設けられ、ホローカソード23が構
成され、ヒータコイル25が電源4で加熱され、熱電子
放出材26が筒状体24を介して加熱される。
A hollow cathode 23 is provided in the cathode chamber 22, and a heater coil 25 is wound around an outer periphery of a tubular body 24 integrally formed on the cover plate 21, and a thermionic emission material is provided on an inner surface of the tubular body 24. The hollow cathode 23 is provided, the heater coil 25 is heated by the power supply 4, and the thermionic emission material 26 is heated via the tubular body 24.

【0013】蓋板21には筒状体24内側へのガス導入
口27が設けられている。アーク電源12の陰極は、蓋
板21,筒状体24に接続されるとともに、抵抗13を
介してカソード筐体19及び第1電極8に接続されてい
る。
The cover plate 21 is provided with a gas inlet 27 to the inside of the tubular body 24. The cathode of the arc power supply 12 is connected to the cover plate 21 and the cylindrical body 24, and is also connected to the cathode housing 19 and the first electrode 8 via the resistor 13.

【0014】そして、生成室2に導入口6からイオン化
ガスが導入されるとともに、筒状体24の内側に導入口
27からアルゴン等のホロー放電用の希ガスが導入さ
れ、電源印加によりアノードを形成する筐体1とホロー
カソード23との間で放電が生じ、筒状体24の内側空
間において希ガスのホロー放電が発生し、ホロー放電に
基づく熱電子放出により熱電子放出材26から熱電子
e’が放出され、この熱電子e’がアノード電圧により
生成室2に導入される。
Then, an ionized gas is introduced into the production chamber 2 from the introduction port 6, and a rare gas for hollow discharge such as argon is introduced from the introduction port 27 into the inside of the cylindrical body 24. A discharge is generated between the housing 1 to be formed and the hollow cathode 23, a hollow discharge of a rare gas is generated in a space inside the cylindrical body 24, and thermionic electrons are emitted from the thermionic emission material 26 by thermionic emission based on the hollow discharge. e ′ is released, and the thermoelectrons e ′ are introduced into the generation chamber 2 by the anode voltage.

【0015】そのため、筐体1とホローカソード23と
の間の放電により生成室2にプラズマ16が生成され、
カソード23から供給される熱電子e’により放電が持
続し、図3の場合と同様、ガス導入口6からのイオン化
ガスが電離され、電極群7を介してイオンビームが引き
出される。
Therefore, the plasma 16 is generated in the generation chamber 2 by the discharge between the housing 1 and the hollow cathode 23,
The discharge is continued by the thermoelectrons e ′ supplied from the cathode 23, the ionized gas is ionized from the gas inlet 6, and an ion beam is extracted through the electrode group 7, as in the case of FIG.

【0016】(従来例4) 一方、特開昭62−93834号公報(H01J 27
/08)には、プラズマ生成により電離した電子を放出
する電子源を備えたイオン源装置が記載されている。
(Conventional Example 4) On the other hand, JP-A-62-93834 (H01J 27)
/ 08) describes an ion source device provided with an electron source that emits ionized electrons by plasma generation.

【0017】このイオン源装置は、電子発生室とプラズ
マ発生室(前記生成室2に相当)とを備える。そして、
電子発生室の高周波放電によりこの発生室内にプラズマ
が生成される。
This ion source device has an electron generation chamber and a plasma generation chamber (corresponding to the generation chamber 2). And
Plasma is generated in the generation chamber by high-frequency discharge in the electron generation chamber.

【0018】さらに、電子発生室とプラズマ発生室との
間に両室の筐体から電気的に絶縁された電子引出し電極
が設けられ、電子発生室の筐体と電子引出し電極との間
に、電子発生室に対して電子引出し電極が正電位になる
極性の直流電圧(電子引出し電圧)V1 が印加される。
Further, an electron extraction electrode is provided between the electron generation chamber and the plasma generation chamber, the electrode being electrically insulated from the housings of the two chambers. electron extraction electrode polarity of the DC voltage becomes a positive potential (electron extraction voltage) V 1 is applied to the electron generation chamber.

【0019】この直流電圧V1 の印加により、電子引出
し電極を用いた電子銃の作用で電子発生室から電子のみ
が加速されて引き出され、電子引出し電極を介してプラ
ズマ発生室に供給される。
[0019] By the application of the DC voltage V 1, only electrons from the electron generating chamber by the action of the electron gun with an electron extraction electrode is led out are accelerated and supplied to the plasma generation chamber through the electron extraction electrode.

【0020】そして、プラズマ発生室により、引き出さ
れた電子を利用した直流放電(アーク放電)を発生して
プラズマが生成され、このプラズマからビーム引出し電
極を介してイオンビームが引き出される。
The plasma generation chamber generates a DC discharge (arc discharge) using the extracted electrons to generate plasma, and an ion beam is extracted from the plasma via a beam extraction electrode.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】前記従来の図2,図3
のイオン源装置は、電子放出源としてのフィラメント3
が生成室2に設けられ、このフィラメント3を高温に維
持し、熱電子放出現象を利用してプラズマ16の生成に
必要な熱電子e’を生成するため、フィラメント3は、
高温加熱により材料が蒸発し、その上、イオン衝撃によ
るスパッタリング等の過酷な条件に晒される。
SUMMARY OF THE INVENTION The conventional FIGS.
The ion source device of the present invention comprises a filament 3 as an electron emission source.
Is provided in the generation chamber 2 to maintain the filament 3 at a high temperature and generate thermoelectrons e ′ necessary for generation of the plasma 16 by using the thermoelectron emission phenomenon.
The material evaporates due to the high temperature heating, and in addition, is exposed to severe conditions such as sputtering by ion bombardment.

【0022】そのため、フィラメント3の消耗が激し
く、イオン化ガスがアルゴンの場合、タンダクステンで
50時間,ホウ化ランタンで100時間程度しか使用で
きない問題点があり、しかも、イオン化ガスが反応性ガ
ス,例えば酸素の場合には、フィラメント3が急激に酸
化して極めて短時間に消耗する問題点がある。
Therefore, when the filament 3 is greatly consumed and the ionized gas is argon, there is a problem that it is possible to use only about 50 hours with tandexten and about 100 hours with lanthanum boride, and the ionized gas is a reactive gas such as oxygen. In the case of (1), there is a problem that the filament 3 is rapidly oxidized and consumed in an extremely short time.

【0023】つぎに、図4のイオン源装置は、熱電子放
出のホロー放電が、イオン化ガスが供給されるプラズマ
生成室2とは別個のカソード室22で希ガスを用いて行
われ、図2,図3の装置に比して長時間の使用が可能に
なるが、熱電子放出材26が高温下でのイオン衝撃によ
るスパッタリングを受けるため、イオン化ガスがアルゴ
ン等の希ガスの場合でも100〜200時間しか使用で
きない問題点がある。
Next, in the ion source apparatus shown in FIG. 4, hollow discharge for thermionic emission is performed using a rare gas in a cathode chamber 22 separate from the plasma generation chamber 2 to which the ionized gas is supplied. 3 can be used for a long time as compared with the apparatus shown in FIG. 3, but since the thermoelectron emitting material 26 is subjected to sputtering by ion bombardment at a high temperature, even if the ionized gas is a rare gas such as argon, 100 to There is a problem that only 200 hours can be used.

【0024】しかも、カソード室22内に生成室2のイ
オン化ガスが若干流入するため、イオン化ガスが酸素等
の場合には、希ガスのときより短時間で熱電子放出材2
6が消耗する問題点がある。
Moreover, since the ionized gas of the generation chamber 2 slightly flows into the cathode chamber 22, when the ionized gas is oxygen or the like, the thermoelectron emission material 2 is reduced in a shorter time than when the rare gas is used.
6 is consumed.

【0025】その上、筒状体24内のホロー放電用の希
ガスが、プラズマ生成室2内のイオン化ガスと混り合う
ため、生成されるプラズマ16がイオン化ガスとホロー
放電用の希ガスとの混合プラズマになり、イオン化ガス
のみのプラズマ生成を行うことができず、所望のイオン
ビームが得られない問題点がある。
In addition, since the rare gas for hollow discharge in the cylindrical body 24 is mixed with the ionized gas in the plasma generation chamber 2, the generated plasma 16 is mixed with the rare gas for hollow discharge and the rare gas for hollow discharge. However, there is a problem that a plasma of only the ionized gas cannot be generated, and a desired ion beam cannot be obtained.

【0026】つぎに、前記公報に記載のイオン源装置
は、熱電子放出でなくプラズマ生成で必要な電子を発生
するため、電子放出源が前記のフィラメント3やホロー
カソード25等の消耗材料を用いることなく形成され、
長時間の使用が可能であり、しかも、イオン化ガスのみ
のプラズマ生成により所望のイオンビームが得られる。
Next, in the ion source device described in the above publication, necessary electrons are generated not by thermionic emission but by plasma generation, so that the electron emission source uses consumable materials such as the filament 3 and the hollow cathode 25. Formed without
It can be used for a long time, and a desired ion beam can be obtained by plasma generation using only ionized gas.

【0027】しかし、いわゆる電子銃方式で電子発生室
から電子のみを引き出してプラズマ発生室に供給するた
め、電子発生室とプラズマ発生室との間に両室の筐体か
ら電気的に絶縁された電子引出し電極を設け、電子発生
室の筐体と電子引出し電極との間に電子加速用の直流電
圧V1 を印加しなければならず、構成が複雑化するのは
勿論、つぎに説明するように、プラズマ発生室の電子供
給量が制限されて減少し、イオンビームの発生効率が悪
くその量が少ない問題点がある。
However, since only electrons are extracted from the electron generation chamber and supplied to the plasma generation chamber by the so-called electron gun method, the two chambers are electrically insulated from the two chambers between the electron generation chamber and the plasma generation chamber. an electron extraction electrode, it is necessary to apply a DC voltage V 1 of the electronic acceleration between the housing and the electron extraction electrode of the electron generating chamber, construction course from complication, as described below In addition, there is a problem in that the supply amount of electrons in the plasma generation chamber is limited and reduced, and the ion beam generation efficiency is poor and the amount is small.

【0028】すなわち、電子発生室の筐体と電子引出し
電極との間の直流電圧V1 の印加により、電子発生室の
プラズマと電子引出し電極との間に電子のみの空間電荷
層が形成され、この層によって電子の引き出し量が制限
されるため、プラズマ発生室に供給される電子の量が制
限されて減少し、イオンビームの発生量が少ない。
That is, by applying a DC voltage V 1 between the housing of the electron generation chamber and the electron extraction electrode, a space charge layer of only electrons is formed between the plasma of the electron generation chamber and the electron extraction electrode, Since the amount of electrons extracted is limited by this layer, the amount of electrons supplied to the plasma generation chamber is limited and reduced, and the amount of ion beam generation is small.

【0029】本発明は、とくにマイクロ波放電等より安
価な高周波放電のプラズマ生成方式により、消耗性材料
の熱電子放出現象を利用することなく、しかも、電子加
速用の電極等を設けない簡単な構成で電子供給量(引き
出し量)の制限なく、イオン化ガスのプラズマを生成す
るようにし、電子放出源の材料消耗を皆無にして長時間
の使用を可能にするとともに、イオン化ガスのみのプラ
ズマ生成を可能にし、良質のイオンビームを効率よく形
成できるようにすることを目的とする。
The present invention uses a plasma generation method of high-frequency discharge, which is cheaper than microwave discharge or the like, without using the thermionic emission phenomenon of a consumable material and without providing an electrode or the like for electron acceleration. With the configuration, the plasma of the ionized gas is generated without limitation of the electron supply amount (drawing amount), the material consumption of the electron emission source is completely eliminated, and a long time use is enabled, and the plasma generation of only the ionized gas is performed. It is an object of the present invention to make it possible to efficiently form a high-quality ion beam.

【0030】[0030]

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明のイオン源装置は、電離用のガス導入口が
形成され,高周波電圧の印加に基づく高周波放電により
電子放出用の副プラズマを生成する絶縁体の副筐体と、
副筐体に連設された主筐体と、副筐体の主筐体側に副筐
体に一体に形成された蓋板と、蓋板に形成された電子放
出孔と、副筐体内の電極を主筐体より低電位に保持し,
電子放出孔から主筐体内に電子を供給し,直流放電によ
り主筐体内に主プラズマを生成する直流電源と、主プラ
ズマからイオンビームを引き出すイオンビーム引出し電
極とを備える。
In order to achieve the above-mentioned object, an ion source device according to the present invention is provided with a gas introduction port for ionization, and a sub-electrode for electron emission by high-frequency discharge based on application of a high-frequency voltage. An insulator sub-housing for generating plasma;
A main housing connected to the sub-housing, a lid plate formed integrally with the sub-housing on the main housing side of the sub-housing, an electron emission hole formed in the lid plate, and an electrode in the sub-housing. At a lower potential than the main housing,
A DC power supply supplies electrons from the electron emission holes into the main housing and generates main plasma in the main housing by DC discharge, and an ion beam extraction electrode for extracting an ion beam from the main plasma.

【0031】[0031]

【作用】前記のように構成された本発明のイオン源装置
の場合、高周波電圧の印加に基づく副筐体内の高周波放
電により電子放出用の副プラズマが生成され、このプラ
ズマ生成で電離した電子が、イオン化ガスのプラズマ生
成に必要な電子として、蓋板の電子放出孔を通って主筐
体内に供給される。
In the ion source device of the present invention configured as described above, a sub-plasma for emitting electrons is generated by high-frequency discharge in the sub-housing based on application of a high-frequency voltage, and electrons ionized by the generation of the plasma are generated. The electrons necessary for plasma generation of the ionized gas are supplied into the main housing through the electron emission holes of the cover plate.

【0032】さらに、供給された電子を利用した直流放
電により主筐体内に主プラズマが生成され、イオンビー
ム引出し電極により主プラズマからイオンビームが引き
出される。
Further, a main plasma is generated in the main housing by a DC discharge using the supplied electrons, and an ion beam is extracted from the main plasma by an ion beam extraction electrode.

【0033】そして、蓋板は副筐体に一体に絶縁体で形
成され、直流電源により副筐体内の高周波電極が主筐体
より低電位になり、主,副プラズマの電位差により電子
が主筐体内に供給される。
The cover plate is integrally formed of an insulator with the sub-housing, and the high-frequency electrode in the sub-housing has a lower potential than the main housing by the DC power supply, and electrons are transferred to the main housing by a potential difference between the main and sub-plasmas. Supplied to the body.

【0034】このとき、電子放出孔付近の主,副プラズ
マの境界面では両プラズマのダブルシースが形成され、
副プラズマ側から主プラズマ側に電子が放出され、主プ
ラズマ側から副プラズマ側にイオンが流入するため、前
記公報の電子銃方式で問題となる電子のみの空間電荷層
の形成がなく、電子が供給量の制限なく効率よく主プラ
ズマ中に放出される。
At this time, a double sheath of both plasmas is formed at the interface between the main plasma and the sub-plasma near the electron emission holes.
Since electrons are emitted from the sub-plasma side to the main plasma side, and ions flow into the sub-plasma side from the main plasma side, there is no formation of a space charge layer of only electrons which is a problem in the electron gun system of the above publication, and It is efficiently released into the main plasma without restriction on the supply amount.

【0035】したがって、従来のように消耗の激しいフ
ィラメント等の熱電子放出材を用いる必要がなく、電子
放出源が極めて長寿命になり、長時間の使用が可能にな
る。また、副プラズマの生成に用いるガスに、主プラズ
マ室のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合は、主プ
ラズマが所望のガスのみで生成されて良質のイオンビー
ムが形成される。
Therefore, it is not necessary to use a thermionic emission material such as a filament which is intensely consumed unlike the conventional art, and the electron emission source has an extremely long life and can be used for a long time. Further, when the same gas as the ionized gas in the main plasma chamber is used as the gas used for generating the sub-plasma, the main plasma is generated only with a desired gas and a high-quality ion beam is formed.

【0036】しかも、電子供給量の制限なく主プラズマ
が生成されるため、効率よく多量のイオンビームが形成
される。そして、高周波電圧の印加に基づいてプラズマ
生成の高周波放電を発生するため、マイクロ波給電等に
基づいて高周波放電を発生する場合に比して電源が安価
に形成される。
In addition, since the main plasma is generated without any limitation on the amount of supplied electrons, a large amount of ion beams can be efficiently formed. Since the high-frequency discharge for generating plasma is generated based on the application of the high-frequency voltage, the power supply is formed at a lower cost than when the high-frequency discharge is generated based on microwave power supply or the like.

【0037】[0037]

【実施例】バケット型のイオン源装置に適用した1実施
例について、図1を参照して説明する。同図において、
図2ないし図4と同一符号は同一もしくは相当するもの
を示し、28は耐熱ガラス(絶縁体)により形成された
副筐体であり、副プラズマ室29を形成する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment applied to a bucket type ion source device will be described with reference to FIG. In the figure,
The same reference numerals as those in FIGS. 2 to 4 denote the same or corresponding components, and reference numeral 28 denotes a sub-housing formed of heat-resistant glass (insulator), which forms a sub-plasma chamber 29.

【0038】30は副筐体28に形成された電離用のガ
ス導入口、31は高周波電源であり、副筐体28の外周
に設けられた一方の円筒状の高周波電極と,副筐体28
内に位置した他方の板状の高周波電極33との間に放電
用の高周波電圧を印加する。
Reference numeral 30 denotes an ionization gas inlet formed in the sub-housing 28, and reference numeral 31 denotes a high-frequency power source. One of the cylindrical high-frequency electrodes provided on the outer periphery of the sub-housing 28 and the sub-housing 28
A high-frequency voltage for discharge is applied to the other plate-shaped high-frequency electrode 33 positioned inside the cell.

【0039】34は副筐体28の右側開口部に副筐体2
8に一体に形成された蓋板、35は蓋板34に形成され
た電子放出孔、36は図3の筐体1に相当する非磁性体
の金属製の主筐体であり、蓋板34を介して副筐体28
に連設され、主プラズマ室37を形成する。
Reference numeral 34 denotes a sub-housing 2 at the right opening of the sub-housing 28.
8 is a cover plate formed integrally with the cover plate 8, 35 is an electron emission hole formed in the cover plate 34, 36 is a non-magnetic metal main housing corresponding to the housing 1 of FIG. Through the sub-housing 28
And a main plasma chamber 37 is formed.

【0040】そして、アーク電源12の陽極が主筐体3
6に接続され、その陰極が高周波電極33及び第1電極
8に接続され、これらの電極33,8が主筐体36より
低電位に固定されている。
The anode of the arc power supply 12 is
6 and its cathode is connected to the high-frequency electrode 33 and the first electrode 8, and these electrodes 33 and 8 are fixed at a lower potential than the main housing 36.

【0041】この状態で高周波電源31からMHzオー
ダーの高周波電圧が出力され、この電圧が電極32,3
3間に印加されると、副プラズマ室29に高周波放電が
発生し、導入口30から副プラズマ室29に導入された
希ガス等の電子放出用のガスが電離され、副プラズマ3
8が生成される。
In this state, a high-frequency voltage in the order of MHz is output from the high-frequency power supply 31, and this voltage is
When the voltage is applied to the sub-plasma chamber 29, a high-frequency discharge is generated in the sub-plasma chamber 29, and a gas for electron emission such as a rare gas introduced into the sub-plasma chamber 29 from the inlet 30 is ionized.
8 is generated.

【0042】この副プラズマ38の生成に伴って電離生
成された電子eは、40〜120V程度のアノード電圧
により放出孔35から主プラズマ室37に引き出されて
供給される。
The electrons e generated by the ionization due to the generation of the sub-plasma 38 are drawn out from the emission hole 35 to the main plasma chamber 37 at an anode voltage of about 40 to 120 V and supplied.

【0043】つぎに、主プラズマ室37では、供給され
た電子eを利用した直流放電に基づき、導入口6からの
希ガス等のイオン化ガスが電離されて主プラズマ39が
生成され、電子eの供給により放電は持続する。
Next, in the main plasma chamber 37, based on a DC discharge using the supplied electrons e, an ionized gas such as a rare gas from the inlet 6 is ionized, and a main plasma 39 is generated. The discharge is sustained by the supply.

【0044】このとき、磁石11のカスプ磁場により主
プラズマ39が効率よく閉じ込められ、かつ、電極群7
の近傍に大面積にわたって均一で安定した主プラズマ3
9が生成される。
At this time, the main plasma 39 is efficiently confined by the cusp magnetic field of the magnet 11 and the electrode group 7
And stable main plasma 3 over a large area in the vicinity of
9 is generated.

【0045】そして、電極群7のビーム引出し作用によ
り、主プラズマ39からイオンがイオンビームとなって
スパッタ室等に引き出される。ところで、電子放出孔3
5が形成された蓋板34は副筐体28と同一電位であ
り、電子加速機能はない。
Then, the ions are extracted from the main plasma 39 as an ion beam to a sputtering chamber or the like by the beam extracting action of the electrode group 7. By the way, the electron emission hole 3
The cover plate 34 on which 5 is formed has the same potential as the sub-housing 28 and has no electron acceleration function.

【0046】そして、アーク電源12により放電電極3
3が主筐体36より低電位に固定され、副プラズマ38
が主プラズマ39より低電位になるため、電子eは主,
副プラズマ39,38の電位差にしたがって主プラズマ
室37に供給されることになる。
Then, the discharge electrode 3 is turned on by the arc power supply 12.
3 is fixed at a lower potential than the main housing 36,
Is lower in potential than the main plasma 39, so that the electrons e
The plasma is supplied to the main plasma chamber 37 according to the potential difference between the sub-plasmas 39 and 38.

【0047】このとき、電子放出孔35付近の主,副プ
ラズマ39,38の境界面では両プラズマ38,39の
ダブルシースが形成され、副プラズマ38側から主プラ
ズマ39側に電子eが放出され、主プラズマ39側から
副プラズマ38側にイオンが流入するため、前記公報の
電子銃方式で問題となる電子のみの空間電荷層の形成が
なく、電子eが供給量の制限なく効率よく主プラズマ3
9中に供給されて放出される。
At this time, a double sheath of the two plasmas 38, 39 is formed at the boundary surface between the main and sub-plasmas 39, 38 near the electron emission hole 35, and electrons e are emitted from the sub-plasma 38 side to the main plasma 39 side. Since ions flow from the main plasma 39 to the sub-plasma 38 side, there is no formation of a space charge layer of only electrons, which is a problem in the electron gun system of the above-mentioned publication, and electrons e are efficiently supplied to the main plasma 3
9 and released.

【0048】そして、副プラズマ室29の高周波放電
は、マイクロ波発生器より安価な高周波電源31を用い
るため、装置が低価格に形成される。
Since the high-frequency discharge in the sub-plasma chamber 29 uses a high-frequency power supply 31 which is less expensive than a microwave generator, the apparatus is formed at low cost.

【0049】なお、副プラズマ室29に導入されるガス
は、希ガス以外のガスを用いても何ら影響はなく、主プ
ラズマ室37のイオン化ガスと同一のガスを副プラズマ
室29に導入することができる。
The gas introduced into the sub-plasma chamber 29 has no influence even if a gas other than the rare gas is used, and the same gas as the ionized gas in the main plasma chamber 37 is introduced into the sub-plasma chamber 29. Can be.

【0050】また、副プラズマ室29の外側に磁場発生
用の永久磁石又は電磁コイルを設け、副プラズマ38を
高密度化することが好ましい。さらに、本実施例をカウ
フマン型イオン源装置にも適用し得るのは勿論である。
It is preferable to provide a permanent magnet or an electromagnetic coil for generating a magnetic field outside the sub-plasma chamber 29 to increase the density of the sub-plasma 38. Further, it is needless to say that this embodiment can be applied to a Kauffman-type ion source device.

【0051】[0051]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、以下に記載する効果を奏する。電子放出源
としての副筐体28内において、高周波放電により電子
放出用の副プラズマ38が生成され、この生成により主
筐体36内のプラズマ生成に必要な電子が形成され、こ
の電子が主筐体36内に供給されるため、従来のよう
に、フィラメント,熱電子放出材等の消耗性材料を高温
に加熱して維持し、熱電子放出現象を利用する場合に比
し、材料の消耗がなく、電子放出源が極めて長寿命にな
り、数百時間以上の長時間の連続運転を可能にすること
ができる。
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained. In the sub-housing 28 as an electron emission source, a sub-plasma 38 for electron emission is generated by high-frequency discharge, and by this generation, electrons required for plasma generation in the main housing 36 are formed. Since the consumable material such as a filament and a thermionic emission material is heated to a high temperature and maintained as in the related art, the material is consumed more than in the case where the thermionic emission phenomenon is used. In addition, the electron emission source has an extremely long life, and a long continuous operation of several hundred hours or more can be performed.

【0052】そして、副プラズマ生成に用いる電離用の
ガスに、希ガス以外のガスを用いることができ、その種
類に制約がないため、この電離用のガスに主筐体36内
のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合、主筐体36
内の主プラズマ39が所望のイオン化ガスのみのプラズ
マとなり、良質のイオンビームを形成することができ
る。
A gas other than a rare gas can be used as the ionization gas used for the generation of the sub-plasma, and there is no restriction on the type of the ionization gas. When the same gas is used, the main housing 36
The main plasma 39 becomes a plasma of only a desired ionized gas, and a high-quality ion beam can be formed.

【0053】さらに、イオンビームの生成に酸素等の反
応性ガスを用いた場合でも、酸化消耗するものがなく、
プラズマの生成を安定に長期間維持することができる。
Further, even when a reactive gas such as oxygen is used for generating an ion beam, there is no oxidative consumption,
Generation of plasma can be stably maintained for a long period of time.

【0054】しかも、直流電源(アーク電源)12によ
り副筐体28内の高周波電極33が主筐体36より低電
位に保持され、副筐体28内の副プラズマ38が主筐体
36内の主プラズマ39より低電位になり、電子放出孔
35を介した副筐体28側から主筐体36側への電子の
供給が、両筐体28,36間の電極電圧により、電子を
加速して引き出す電子銃方式でなく、主,副プラズマ3
9,38の電位差にしたがって行われる。
Further, the high-frequency electrode 33 in the sub-housing 28 is held at a lower potential than the main housing 36 by the DC power source (arc power source) 12, and the sub-plasma 38 in the sub-housing 28 is The potential becomes lower than that of the main plasma 39, and the supply of electrons from the sub housing 28 to the main housing 36 through the electron emission holes 35 accelerates the electrons by the electrode voltage between the two housings 28 and 36. Primary and secondary plasmas 3
This is performed according to the potential difference of 9, 38.

【0055】このとき、電子放出孔35付近の両プラズ
マ39,38の境界面に両プラズマ39,38のダブル
シースが形成され、前記電子銃方式で問題となる電子の
みの空間電荷層の形成がなく、電子加速用(引出用)の
電極等を用いない簡単な構成で電子を供給量の制限なく
効率よく主プラズマ39中に放出し、効率よく多量のイ
オンビームを形成することができる。
At this time, a double sheath of the plasmas 39 and 38 is formed at the boundary between the plasmas 39 and 38 in the vicinity of the electron emission hole 35, and a space charge layer of only electrons, which is a problem in the electron gun system, can be formed. In addition, electrons can be efficiently emitted into the main plasma 39 without limitation of the supply amount, and a large amount of ion beams can be efficiently formed with a simple configuration that does not use electrodes for electron acceleration (for extraction).

【0056】さらに、副筐体28内の高周波放電にマイ
クロ波発生器より安価な高周波電源31を用いるため、
装置が低価格に形成される。
Further, since a high-frequency power supply 31 which is less expensive than a microwave generator is used for high-frequency discharge in the sub-housing 28,
The device is formed at low cost.

【0057】したがって、マイクロ波放電等より安価な
高周波放電のプラズマ生成方式により、消耗性材料の熱
電子放出現象を利用することなく、しかも、電子加速用
の電極等を設けない簡単な構成で電子供給量(引き出し
量)の制限なく、イオン化ガスのプラズマを生成し、電
子放出源の材料消耗を皆無にして長時間の使用を可能に
するとともに、イオン化ガスのみのプラズマ生成を可能
にし、良質のイオンビームを効率よく形成することがで
きる。
Therefore, the plasma generation method of high-frequency discharge, which is cheaper than microwave discharge or the like, does not use the thermionic emission phenomenon of the consumable material, and has a simple structure without providing an electrode for electron acceleration. The plasma of ionized gas is generated without restriction on the supply amount (drawing amount), the material consumption of the electron emission source is completely eliminated, and a long-time use is enabled, and the plasma generation of only the ionized gas is enabled. An ion beam can be efficiently formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の1実施例の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of one embodiment of the present invention.

【図2】従来装置の1例の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of an example of a conventional device.

【図3】従来装置の他の例の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of another example of the conventional device.

【図4】従来装置のさらに他の例の構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of still another example of the conventional device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

7 イオンビーム引出し電極群 12 アーク電源 28 副筐体 30 ガス導入口 32,33 高周波電極 34 蓋板 35 電子放出孔 36 主筐体 38 副プラズマ 39 主プラズマ 7 Ion beam extraction electrode group 12 Arc power supply 28 Sub-housing 30 Gas inlet 32, 33 High frequency electrode 34 Cover plate 35 Electron emission hole 36 Main housing 38 Sub-plasma 39 Main plasma

フロントページの続き (72)発明者 野川 修一 京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電 機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−93834(JP,A)Continuing from the front page (72) Inventor Shuichi Nogawa 47, Takaune-cho, Umezu, Ukyo-ku, Kyoto (56) References JP-A-62-93834 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 電離用のガス導入口が形成され,高周波
電圧の印加に基づく高周波放電により電子放出用の副プ
ラズマを生成する絶縁体の副筐体と、 前記副筐体に連設された主筐体と、 前記副筐体の前記主筐体側に前記副筐体に一体に形成さ
れた蓋板と、 前記蓋板に形成された電子放出孔と、 前記副筐体内の電極を前記主筐体より低電位に保持し,
前記電子放出孔から前記主筐体内に電子を供給し,直流
放電により前記主筐体内に主プラズマを生成する直流電
源と、 前記主プラズマからイオンビームを引き出すイオンビー
ム引出し電極とを備えたことを特徴とするイオン源装
置。
An ionization gas inlet is formed, an insulator sub-housing for generating a sub-plasma for electron emission by high-frequency discharge based on application of a high-frequency voltage, and an insulating sub-housing connected to the sub-housing. A main housing, a lid plate formed integrally with the sub-housing on the main housing side of the sub-housing, an electron emission hole formed in the lid plate, and an electrode in the sub-housing being attached to the main housing. Hold it at a lower potential than the housing,
A DC power supply for supplying electrons from the electron emission holes into the main housing and generating a main plasma in the main housing by DC discharge; and an ion beam extraction electrode for extracting an ion beam from the main plasma. Characterized ion source device.
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