JP2724464B2

JP2724464B2 - イオン源装置

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Publication number: JP2724464B2
Application number: JP63113417A
Authority: JP
Inventors: エスクエジョサンパヤンステファン; リーキングモンロー; アランムーアロバート
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1988-05-10
Publication date: 1998-03-09
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: EP0291185A2; EP0291185A3; CN1017102B; JPS63308854A; CN1030327A; DE3881579T2; DE3881579D1; US4760262A; EP0291185B1

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は一般的にはイオン源装置に関し、特に所望イ
オン材料の化合物をプラズマ放電法において解離するイ
オン注入装置に使用する形式のイオン源装置に関する。

（従来の技術・発明が解決しようとする課題）イオンは抽出電界を介してイオン源から抽出されて荷
電粒子ビームとなる。このビームは質量荷電分離技術に
よりそのビームから引続いて分離される所望のイオンを
含む。

このようなイオン源に共通する問題として解離工程を
完全に制御すると、出力電流において所望イオンの占め
る割合は、可能と見られるより一般にかなり低くなると
いう結果になる。ホウ素化合物のイオン源ガスから単一
に荷電したホウ素イオンを必要とする場合特に、この現
象が多く発生する。それはホウ素化合物の中には特に分
解しにくいものがあるためである。従つてこれまでは、
所望のイオン形態をとるホウ素の総量がガス中に含まれ
るホウ素の総量より相当小さくなっていた。

プラズマ解離式イオン源は、プラズマを発生するため
に非荷電気体材料の電子衝撃に頼っている。一般に使用
されている電子衝撃イオン源は側面抽出熱陰極形式であ
り、円筒状の陽極内部に単一ロッド形フィラメント陰極
を、該フィラメント陰極の軸と円筒状陽極の軸が相互に
平行になるように配設して成る。これらの軸に対して平
行に外から印加される固定磁界もイオン化電子の運動を
束縛するのを助けるように加えられる。イオン化したい
気体材料は、陽極壁内を貫通できる。

気体材料をイオン化するためには、フィラメント陰極
と円筒陽極との間に電位差を設定する。この電界を用い
てフィラメント陰極から熱電子放出される電子に対し放
射エネルギーを付与する。電子がイオン化に必要なエネ
ルギーを獲得できれば衝突が生じ、プラズマが発生する
ことになる。プラズマ内部で生成される正のイオンは、
その後陽極壁に長手方向に設けた細いスリットから抽出
することができる。

正イオンの抽出は、負にバイアスした電極をプラズマ
外部に長手方向スリット面と一致させて配設することに
よって行なわれる。この電極が陽極と共に電界を形成
し、これがプラズマ境界と相互作用してプラズマから出
る正イオンを加速する。

所定のイオン源の効率は、イオン化電子の密度および
温度、ひいてはプラズマ温度と密接に関連することが理
論づけられてる。またイオン化電子にプラズマ内部の比
較的長い道程を横断させて、中性気体粒子に衝突する可
能性を増大する必要がある。上述のようなイオン源で
は、フィラメントの加熱に使用する電流から得られる磁
界と外的に印加される磁界との相互作用によってこれを
達成している。

フィラメント電流が十分な場合、荷電粒子はフィラメ
ント陰極からの半径方向距離の相違に伴なって半径方向
ドリフト速度も変わるものと考えられる。フィラメント
に近い荷電粒子はフィラメント陰極の正の側に向かっ
て、また半径方向距離の大きい所ではフィラメント軸に
関して方位角的に正味のドリフト速度を有することにな
る。従ってほとんどの電子が半径方向の直進ドリフトメ
カニズムによって陽極への到達を妨害され、強制的に長
い道程を横断するようになる。但し、フィラメントの正
の側へ向かう電子の固有のドリフトもある。陽極の軸方
向端部に到達するこれらの電子は陽極によって捕集され
るため、プラズマから除去されることになり、結果的に
イオン収率が予想より低くなるのである。

上述したように、単一荷電されたホウ素イオン（B⁺）
が必要な場合、特にこのような収率の低下が著しい。ホ
ウ素イオン源材料として一般に使用されるのは室温で気
体となる三フッ化ホウ素（BF₃）であり、元素としての
ホウ素は気体温度が高いため使用されない。このイオン
源材料を用いて生成したイオンビームを分析すると所望
のホウ素イオンの他にBF⁺およびBF₂ ⁺のようなイオンも
存在しており、その結果単一荷電ホウ素イオンの占める
割合が相対的に低くなり、通常には15％未満となってい
ることが分かる。

先行技術システムの中には、フィラメント陰極の両側
に金属製電子反射器を配置してこのような電子漏れを低
減しているものがある。金属製反射器を用いて陰極／陽
極電界をかく乱させ、電子を再び放電中心部に向かわせ
ている。また、別の先行技術の方法ではフィラメント両
端部の磁界を大きくし、この大きくした磁界に反射器と
同様に電子を放電側に反射して戻す働きをさせている。

上記のような先行技術のシステムも概ね十分な効果を
あげているが、これらシステムはイオン源供給材料とし
て気体ホウ素化合物を使用する場合にホウ素イオンの収
率を有意に増大するために必要とされる高いプラズマ温
度を発生しない。また、ある種の先行技術システムにお
いては、抽出電極電流の増大と共に抽出スリットに対し
て平行なイオンビームの流れを対称性が低減することが
観察されている。

このような事情に鑑みて、本発明はイオンビーム電流
密度の均一性を良好ならしめることを目的としている。

（課題を解決するための手段）本発明は請求項１または請求項13に記載の構成を有す
る。具体的には側面抽出式熱陰極形のイオン源装置で、
陽極の両端部に陰極を取囲むように設けた第１、２の補
助電極（31,32）を設け、これらの補助電極を陰極およ
び陽極から電気的に絶縁させ、補助電極と電位を印加す
る手段、補助電極を相互接続する手段、各補助電極を陰
極のそれぞれの反対側端部と交差接続する手段、および
陽極、陰極アームに対して固定電位にバイアスする手段
を備えている。

（作用）関連技術分野で周知の通り、プラズマの存在下である
種の現象が生じる理由を確信をもって結論づけることは
困難であるが、本発明の構成から補助フィラメント電極
が電子の軸方向ドリフトを有効に防止し、これによって
放電の均一性が増す結果プラズマ温度が高くなり、スリ
ットに対して平行な方向でのイオンビーム電流密度の均
一性が向上することになる。

（実施例）第１図と第３図を参照すると、気体イオン源材料のプ
ラズマ解離に基く周知の形式のイオン源10が概略的に示
されている。イオン源10はモリブデンやタンタル等から
成る中空円筒陽極12を含み、その中に軸方向に延びる加
熱フィラメント陰極14が配設されている。イオン源10は
真空室（図示略）に内蔵されており、所望のイオン材料
の気体化合物を導入管16を介して円筒陽極内部に流入さ
せる。第３図に示すように陽極と陰極の間に直流電圧差
を生じさせる。この時の電圧の振幅は陰極と陽極の間に
ある気体を通して放電を発生できる温度のものである。
この放電によって気体の解離が生じて各種の中性および
荷電粒子となる。中性粒子は気流の一部として排気スリ
ット18から流出し、正および負の荷電粒子が陽極12の内
部空間20を満たす。スリット18の近辺をドリフトする正
電荷粒子が抽出電極19によって陽極から抽出された後、
周知の方法で加速されて荷電粒子ビームとなる。

周知のイオン注入方法によると、周知の質量荷電分離
技術を用いてビームから所要の粒子が分離される。

荷電粒子の数、すなわち陽極12内部のプラズマ密度を
大きくするために、極片22を備えた磁石を用いて陽極12
の周辺およびその内部に軸方向の磁界23を形成する。こ
の軸方向磁界はプラズマ電子を陰極から陽極に向かって
比較的直接に向かわせるのではなく、陰極の周りを回動
させることによって電子の道程を長くし、結果的にプラ
ズマ密度が高くなる。上述のように陰極14に沿って電流
が流れるために補助磁界が存在し、この磁界が電子を陽
極の長手方向に沿って軸方向に軸方向端部24に向かって
ドリフトさせるため、電子は軸方向端部24に集まろうと
する。本発明によると電子のドリフトまたは陽極端部へ
の集合が最小化される。

第２図を参照すると、陽極12、フィラメント陰極14、
ガス導入管16、および抽出スリット18とを含んで成る先
行技術の熱陰極イオン源10が示されている。先行技術で
は円筒陽極12の両端部に設けた開口に受容されている絶
縁体26の内部にフィラメントが装着される。上述のよう
な電子のドリフトをここでは矢印Ｅで表している。第２
図に示されるように、先行技術イオン源は陽極端部に隣
接するフィラメントに直接取付けた反射器28を含むもの
であってもよい。

第３図には、本発明の好適実施例が示されている。こ
の実施例では、フィラメント14が第１絶縁体29,30に装
着されており、第１絶縁体は円筒状の補助電極（第1,第
２電極）31,32の内部に装着されている。次にこのアセ
ンブリが陽極12の両端部に形成された開口に受容されて
いる円筒状絶縁体34の内部に装着されている。

第３図に示すように、イオン源10の電力供給は周知の
方法、例えば4.5ボルト程度のフィラメント電圧で、70
ボルト程度のアーク電圧を陽極と陰極間に印加し、20kV
程度の電圧を陽極と抽出電極19との間に印加して行なう
好適実施例では補助電極31と32が接続線36を介して接続
される。こうして短絡させると、空間20の中のプラズマ
両端部の電位が同じになり、それによってプラズマ内部
での電子の軸方向ドリフトが阻止される。プラズマの中
心部分から電極31,32に向かって電子が軸方向外側にド
リフトする時、これらの電子の中には電極に衝突して電
極を帯電させるものがあると考えられる。この電荷が電
極をバイアスし、イオン源の電界をかく乱させて、ドリ
フトしている電子を再びプラズマの中心部分に押し戻す
働きをする。試験の結果、熱陰極源を第３図の方式で動
作させた場合、三フッ化ホウ素からのB⁺イオンの量が20
％〜25％の範囲で実質的な増加を示すことが証明され
た。

第４図に示す本発明の別の実施例では、陰極の構造と
基本的な電源接続が第３図の場合と同じであるが、異な
る点として補助電極31が接続線38を介してフィラメント
14の反対側端部に電気的に接続される一方、補助電極32
が接続線39を介してフィラメント14の反対側端部に電気
的に接続されている。このような構成にすることによ
り、フィラメント間での電圧降下がプラズマに与える影
響を無くすと共に、電子の軸方向ドリフトも阻止され
る。

第５図に示した実施例では、電圧源40と接続線41,42
を介してフィラメントと補助電極の間に電圧が印加さ
れ、これが電子を放電の中心部に向わせる働きをする。
この実施例では電極31,32および／または絶縁体29,30,3
4から材料をスパッタさせる傾向が普通より大きくなる
が、これらの部品をベリリウム、アルミニウム、亜鉛の
ようなイオンビームに好適な材料で構成すると、所定の
工程ではこのスパッタ傾向を有利に利用することができ
る。

第６図に示した実施例では、25ボルト程度の電圧をフ
ィラメント14の一端部と補助電極31との間に電圧源43と
接続線44,45を介して印加する一方、電圧源46と接続線4
8,49を介して同等値の電圧をフィラメント14の他端部と
補助電極32との間に印加する。

以上、特定形式のイオン源に関連して本発明の説明を
行なって来たが、この概念は他のイオン源にも応用し得
るものである。例えば第７図はフィラメント陰極をプラ
ズマの形にした熱陰極イオン源を示したものである。参
照番号110で示すこのイオン源は第１陽極112と、第２陽
極114と、抽出スリット118を形成した第３円筒陽極116
と、プラズマフィラメント122を形成するプラズマ銃120
とを含んでいる。このプラズマフィラメント（陰極）12
2は、第７図に示すように、プラズマ銃120の出力によっ
て形成され、陽極112,114の間に延びて維持される。従
って、陽極112,114は、ハウジング内部でこの陰極122を
支持する手段を構成する。

また、プラズマ銃120は、プラズマフィラメント122を
作り出し、このプラズマフィラメントからなる陰極と第
３陽極116との間に静電界を発生させるので、陰極とハ
ウジング（陽極）との間に静電界を形成する手段とな
り、さらに、プラズマ銃120は、プラズマ（イオン及び
中性粒子）を形成することにより、プラズマフィラメン
ト122を生じて、そこに加熱電流を発生する手段ともな
る。

第３図〜第６図の実施例における第1,第２電極31,32
に対応する補助電極131,132は、プラズマフィラメント1
22を取り囲んでいるが、このプラズマを介して接触して
いないので、プラズマフィラメント、即ち、陰極122と
補助電極131,132との間に電気的な絶縁が保たれる。し
たがって、補助電極131,132は、それぞれ第1,第２の電
極を陰極から電気的に絶縁する手段を構成する。

（発明の効果）本発明は円筒陽極の両端部にフィラメントとは電気的
に絶縁した電極を配設することによって、プラズマ温度
を高くするとともにスリットに対して平行な方向でのイ
オンビーム電流密度の均一性を良くすることができる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明を組入れた熱陰極イオン源の一形式を示
す概略斜視図、第２図は従来のイオン源の一部を示す概略断面図、第３図は本発明を組入れたイオン源の一部を示す概略断
面図、第4,5,6図は、それぞれ第３図と同様の図で、本発明の
他の実施例を示す各々の概略断面図、第７図は本発明のさらに別の実施例を示す概略図であ
る。 10……イオン源、12……円筒陽極、14……フィラメント
陰極、16……ガス導入管、29,30……第１絶縁体、31,32
……補助電極、34……円筒状絶縁体、36,38,39,41,42,4
4,45,48,49……接続線、40,43,46……電圧源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロバートアランムーアアメリカ合衆国，テキサス 78704，オースティン，イー．リバーサイド 222 (56)参考文献特開昭54−29970（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−190635（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】室を形成するハウジング（12）と、該ハウ
ジング内部に陰極（14）を支持する手段（29,30,31,32,
34）と前記陰極とハウジングとの間に静電界を形成する
手段と、前記陰極の対向端部間に直流電圧を印加して該
陰極内に加熱電流を生じる手段と、前記室の中にイオン
化し得る気体源を供給する手段（16）とを含んでなるイ
オン源装置（10）において、前記陰極の一端部に隣接して設けられている第１電極
（31）と、前記第１電極を前記陰極及び前記ハウジング
から電気的に絶縁する手段（29,34）と、前記陰極の他
端部に隣接して設けられている第２電極（32）と、前記
第２電極を前記陰極および前記ハウジングから電気的に
絶縁する手段（30,34）と、前記第１および第２電極に
電位を与えるように作動するバイアス手段（36〜49）と
を含むイオン源装置。
【請求項２】前記バイアス手段が、前記第１電極と第２
電極を等しい電位に維持する手段（36）を含んでいる請
求項１記載の装置。
【請求項３】前記バイアス手段が、前記第１電極と第２
電極を相互接続する手段（36）を含んでいる請求項２記
載の装置。
【請求項４】前記バイアス手段が、前記第１電極と前記
第２電極に隣接する前記陰極の電位にバイアスする手段
（38）と、前記第２電極を前記第１電極に隣接する前記
陰極の電位にバイアスする手段（39）とを含んでいる請
求項１記載の装置。
【請求項５】前記バイアス手段が、前記第２電極に隣接
する地点で前記第１電極を前記陰極に電気的に接続する
手段（38）と、前記第１電極に隣接する地点で前記第２
電極を前記陰極に電気的に接続する手段（39）とを含ん
でいる請求項４記載の装置。
【請求項６】前記バイアス手段が、前記陰極と前記第1,
第２電極の両方との間に所定の電位を与える手段（40,4
1,42）を含んでいる請求項１記載の装置。
【請求項７】前記バイアス手段が、前記第１電極を前記
第２電極に電気的に接続する手段（42）と、前記陰極と
前記第1,第２電極の両方との間に直流電圧を印加する手
段（40,41）とを含んでいる請求項６記載の装置。
【請求項８】前記バイアス手段が、前記第１電極と前記
陰極の前記第１電極と反対側の端部との間に第１直流電
圧を印加する手段（43,44,45）と、前記第２電極と前記
陰極の前記第２電極と反対側の端部との間に第２直流電
圧を印加する手段（46,48,49）とを含んでいる請求項１
記載の装置。
【請求項９】前記第１直流電圧と第２直流電圧とが等し
い大きさである請求項８記載の装置。
【請求項１０】前記陰極がワイヤフィラメントからなる
請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】前記陰極がプラズマ銃によって形成され
るプラズマフィラメント（122）からなる請求項１〜９
のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】前記ハウジング周辺およびその内部に前
記陰極とほぼ平行に延びる磁界を印加する手段（22）を
含んでいる請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】所望物質の複数のイオンを含む粒子ビー
ムを形成する装置（10）であって、略円筒状の陽極（1
2）と、該陽極の内部に軸方向に配置されかつ前記陽極
の第１端部壁と第２端部壁にそれぞれ形成された第１の
開口及び第２の開口を貫通して延びる細長い陰極（14）
と、前記陰極を前記陽極から電気的に絶縁する手段（2
9,30,34）と、所望の物質を含む気体材料を陰極と陽極
の間に導入する手段（16）と、前記気体材料を溶解して
前記所望物質の複数のイオンを含む各種粒子からなるプ
ラズマにするのに十分な強度の放電を前記陽極と前記陰
極の間に発生させる手段と、前記プラズマに磁界を印加
する手段（22）とを含んでいる装置において、前記第１の開口に前記陰極を取り囲むように受容されて
いる第１電極（31）と、前記第１電極を前記陰極および
前記陽極から電気的に絶縁する手段（29,34）と、前記
第２の開口に前記陰極を取り囲むように受容されている
第２電極（32）と、前記第２電極を前記陰極および前記
陽極から電気的に絶縁する手段（30,34）と、前記第１
および第２電極に電位を与えるために動作するバイアス
手段（36〜49）とを含んでいるイオンビーム形成装置。
【請求項１４】前記バイアス手段が、前記第１電極と第
２電極を等しい電位に維持する手段（36）を含んでいる
請求項13記載の装置。
【請求項１５】前記バイアス手段が、前記第１電極と第
２電極を相互接続する手段（36）を含んでいる請求項14
記載の装置。
【請求項１６】前記バイアス手段が、前記第１電極を前
記第２電極に隣接する前記陰極の電位にバイアスする手
段（38）と、前記第２電極を前記第１電極に隣接する前
記陰極の電位にバイアスする手段（39）とを含んでいる
請求項13記載の装置。
【請求項１７】前記バイアス手段が、前記第２電極に隣
接する地点で前記第１電極を前記陰極に電気的に接続す
る手段（38）と、前記第１電極に隣接する地点で前記第
２電極を前記陰極に電気的に接続する手段（39）とを含
んでいる請求項16記載の装置。
【請求項１８】前記バイアス手段が、前記陰極と前記第
1,第２電極の両方との間に所定電位を与える手段（40,4
1,42）を含んでいる請求項13記載の装置。
【請求項１９】前記バイアス手段が、前記第１電極を前
記第２電極に電気的に接続する手段（42）と、前記陰極
と前記第1,第２電極の両方との間に直流電圧を印加する
手段（40,41）とを含んでいる請求項18記載の装置。
【請求項２０】前記バイアス手段が、前記第１電極と前
記陰極の前記第１電極と反対側の端部との間に第１直流
電圧を印加する手段（43,44,45）と、前記第２電極と前
記陰極の前記第２電極と反対側の端部との間に第２直流
電圧を印加する手段（46,48,49）とを含んでいる請求項
13記載の装置。
【請求項２１】前記第１直流電圧と第２直流電圧が等し
い大きさである請求項20記載の装置。
【請求項２２】前記陰極がワイヤフィラメントからなる
請求項13〜21のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】前記第１電極と第２電極（31,32）が円
筒形であり、前記第１および第２電極を前記陰極から電
気的に絶縁する前記手段が、前記第1,第２電極の両方と
前記陰極との間に半径方向に配設されている第１円筒絶
縁体（29,30）を含んでおり、前記第1,第２電極を前記
陽極から電気的に絶縁する前記手段が、前記第1,第２電
極の両方と前記陽極と端部壁との間に半径方向に配設さ
れている第２円筒絶縁体（34）を含んでいる請求項13〜
21のいずれかに記載の装置。