JP3159786B2

JP3159786B2 - イオン加速装置

Info

Publication number: JP3159786B2
Application number: JP16464292A
Authority: JP
Inventors: 鯉力雄杉本; 勉西橋; 阿川　　義昭
Original assignee: 日本真空技術株式会社
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 2001-04-23
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH065239A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンビーム分析装置
及びイオン注入装置等に使用するイオン加速装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来のイオン注入装置の全体を
示す平面図で、その走査ユニット１８より前段を構成し
ているイオン加速装置は、シールドボックス１の床に取
付けられた絶縁支柱に、高電圧ターミナル２が取付けら
れており、該シールドボックス１の側壁と高電圧ターミ
ナル２の側壁間に加速管３が取付けられている。上記高
電圧ターミナル２内には、イオン源４、質量分離磁石
５、ガスボックス６、イオン源生成用電源７が設置され
ており、外部に取付けられた電力供給装置８とはブッシ
ング９を介して接続され、また高電圧発生装置１０とは
ブッシング１１を介して接続されている。また、シール
ドボックス１の側壁を高電圧ターミナル２の側壁間に真
空排気管１２が取付けられており、一側（図で右側）
は、排気管１３及びイオン源排気チャンバ１４を介して
イオン源４に接続され、他側（図で左側）は、ポンプ接
続管１５を介して、イオン源４を排気するための真空ポ
ンプ１６に接続されている。

【０００３】一方、上記加速管３は、シールドボックス
１の外において、該加速管３付近を排気するための真空
ポンプ１７を取り付けた走査ユニット１８に接続され、
該走査ユニット１８は、内部にターゲット（試料ホル
ダ）１９を収納したターゲットチャンバ２０に接続され
ている。

【０００４】図４は、上記シールドボックス１の側壁と
高電圧ターミナル２の側壁との間に取付けられた従来の
真空排気管１２の断面図である。図において、該真空排
気管１２の内部は、絶縁材２１に接着して取付けられ且
つ中央部を開口した複数個（段）の円板状の金属製電極
２２が取付けられて真空を保持しており、その一側（図
で左側）はグランド側取付フランジ２３を介してポンプ
接続管１５に接続され、他側（図で右側）は、高電圧側
取付フランジ２４を介して、排気管１３のフランジ１３
ａに接続されており、これら両取付フランジ２３，２４
と絶縁材２１とは接着されている。なお、図中、２５
は、高電圧ターミナル２とシールドボックス１との間の
各段の電極２２間に取付けられた抵抗であり、また、２
６はＯリングである。

【０００５】次に、作用について説明する。イオン源４
内は、イオン源排気チャンバ１４、排気管１３、真空排
気管１２及びポンプ接続管１５を介して、真空ポンプ１
６によって排気される。該イオン源４内に、ガスボック
ス６内に収納されているガスボンベより材料ガスが導入
され、また同時に、プラズマ発生用電源７よりイオン源
４内にパワーが供給されることによって、該イオン源４
内にプラズマが生成される。生成されたプラズマから数
１０ｋＶでイオンが引き出され、質量分離磁石５に入射
すると、イオンは磁場により曲げられるため、所望のイ
オンのみが選別され、イオンは加速管３に入射する。

【０００６】一方、高電圧ターミナル２内で消費される
電力は、電力供給装置８により、ブッシング９を介して
該高電圧ターミナル２内に供給される。また、加速管３
に入射したイオンをグランド電位まで加速するために、
高電圧発生装置１０により、高電圧ターミナル２に数１
０ｋＶから４００ｋＶを越える電圧が印加される。加速
管３に入射したイオンは、高電圧ターミナル２に印加さ
れた電圧とイオンの価数の積のエネルギをもってグラン
ド電位まで加速される。

【０００７】また、電圧を高電圧ターミナル２に印加す
るときは、加速管３内の圧力が高いと該加速管２内部で
放電が起こり易いため、真空ポンプ１７で排気してい
る。加速管３で加速されたイオンビームは、走査ユニッ
ト１８を作動させることによって、ターゲットチャンバ
２０内に設置されたターゲット（試料ホルダ）１９上に
到達したイオンを、縦方向と横方向に走査し、試料上の
面内にイオンを照射する。

【０００８】図５（ａ）〜（ｄ）は、イオン加速時の真
空排気管１２を取付けたシールドボックス１の面から漏
洩するＸ線の生成過程を示す作用説明図であって、図中
の○印は材料ガスの中性粒子（分子、原子状態）、●印
はイオン、・印は電子を示す。

【０００９】図５（ａ）に示すように、ガスボックス６
のガスボンベからイオン源４内に材料ガスが導入され、
プラズマが生成され、イオン源４からイオンがイオン源
排気チャンバ１４内に引き出されるが、その引き出され
た直後に、イオンが中性粒子と衝突し不規則な方向の速
度成分を持った中性粒子に変換したり、またイオンが生
成され、その中性粒子やイオンは、排気管１３を通って
真空排気管１２に入射する。この時、高電圧ターミナル
２は高電圧電源１０によって数１００ｋＶの電圧が印加
されており、このことから真空排気管１２は、電極２２
とその電極間の各段に取付けられた抵抗２５によって、
真空排気管１２内の中央部に加速電場が形成されるた
め、加速管３と同様に作用する。

【００１０】図５（ｂ）は、真空排気管１２に入射した
イオンの挙動を示す作用説明図で、該真空排気管１２に
入射したイオンは、高電圧ターミナル２の電位からシー
ルドボックス１のグランド電位に向って加速される。ま
た、イオン源４からイオンとして引き出されず、且つプ
ラズマとして電離しなかった材料ガスの中性粒子は、排
気管１３を通って真空排気管１２に流入する。この真空
排気管１２内に流入した中性粒子と真空排気管１２内で
加速されたイオンとが衝突し、不規則な速度成分を持っ
たイオンや中性粒子が生成され、その生成されたイオン
や中性粒子が更に中性粒子と衝突し、雪崩現象的にイオ
ンが増加し、グランド電位に向って加速される。

【００１１】図５（ｃ）は、真空排気管１２内で加速さ
れる状態を示す作用説明図で、該真空排気管１２内で加
速され高いエネルギを持ったイオンは、金属製の電極２
２に衝突すると、該電極２２の金属表面から２次電子が
放出される。これらの各電極２２にイオンが衝突し、そ
の各段の電極から放出された２次電子は、イオンと電気
的に極性が逆なので、真空排気管１２内で高電圧ターミ
ナル２の方に向って加速される。

【００１２】図５（ｄ）は、高電圧ターミナル２の方向
に加速されている２次電子の状態を示す作用説明図で、
電極２２より放出された電子が真空排気管１２内に取り
付けられている各電極２２の中央部の孔（開口）を通る
ことによって、その電子が放出された各電極より高電圧
側の電極に衝突することなく高いエネルギまで加速さ
れ、一部は排気管１３内の残留ガスを電離してイオンを
生成し、上記の雪崩現象に寄与する。そしてその一部の
加速された電子は、高電圧ターミナル２内のイオン源排
気チャンバ１４の金属製の管壁に衝突する。この金属製
の管壁に高速の電子が衝突した時、Ｘ線（連続及び特性
Ｘ線）が放射し、その一部はシールドボックス１の壁で
吸収されるが、他はシールドボックス１の側壁と真空排
気管１２との隙間を通り抜けたり、真空排気管１２内を
通り、ポンプ接続管１５の管壁を通過して外部へ漏出す
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記したように従来の
装置では、真空排気管１２内の電極２２にイオンが衝突
することによって２次電子が発生し、該２次電子が真空
排気管１２内に障壁が無いため高いエネルギまで加速さ
れ、該電子がイオン源排気チャンバ１４の管壁に衝突す
ることによって高いエネルギを持ったＸ線が発生し、シ
ールドボックス１の外側に漏れ出てくるという問題点が
あった。

【００１４】本発明は、上記した従来技術の問題点を解
決するもので、真空排気管から発生するＸ線のエネルギ
を低くし、容易に遮蔽され、外部に漏れ出るＸ線量を低
減することの可能な真空排気管を備えたイオン加速装置
を提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、イオン加速装置を構成する真空排気管
内の電圧を均等に分割するための電極に磁石を取り付
け、電極中央部の孔の領域に磁場を形成したことを特徴
としている。

【００１６】

【作用】本発明は上記のように構成されているので、真
空排気管内の各段の電極に取付けられたＮ極とＳ極とを
対向させた１対の永久磁石により、電極の中央部の孔の
領域に電極と同じ面内方向に磁場が形成される。一方、
真空排気管内の各電極間で発生した電子は、電極間の電
位差の加速を受けるが、上記永久磁石の磁場により電子
の軌道が偏向され、電極の中央部の孔を通過し高いエネ
ルギまで加速される電子は減少する。その結果、電子が
高いエネルギに加速される前に真空排気管や電極に衝突
してしまうので、衝突によって発生するＸ線は低減され
る。

【００１７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面と共に説明す
る。図１（ａ）は、本発明の一実施例を示す真空排気管
の縦断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面
図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、同図
（ｄ）は同図（ａ）のＣ部の拡大断面図であり、図中、
図４に記載した符号と同一の符号は同一ないし同類部分
を示すものとする。

【００１８】図（ａ）において、真空排気管１２の内部
に、絶縁材２１に接着して取付けられ且つ中央部に孔を
有する円板状の複数個の金属製電極２２が取付けられて
真空を保持しており、一側（図で左側）はグランド側取
付フランジ２３を介してポンプ接続管１５に接続され、
他側（図で右側）は高電圧側取付フランジ２４を介して
排気管１３のフランジに接続されていることは従来例
（図４）と変りはないが、本発明（実施例）では、各電
極２２にそれぞれ永久磁石３１が取付けられている点で
異っている。

【００１９】上記永久磁石３１は、図（ｄ）の拡大断面
図に示すように、電極２２に穿設された２個所のタップ
（ねじ穴）のピッチに合ったねじ穴３１ａを有し、皿ね
じ３２で永久磁石３１を挟み込むようにして、電極２２
に、上下に二つの極性ＮとＳを対向させるようにして取
付けられている。

【００２０】各段の電極２２に取付けられている上記永
久磁石３１の極性は、図（ｂ）及び図（ｃ）に示すよう
に、隣接する電極に取り付けられている永久磁石３１の
極性とは必ず同じ極性になるように配置されている。例
えば、Ａ−Ａ断面（（ｂ）図）の上部に、電極の中心の
方にＮ極が向くように取付けられ、その隣の電極のＢ−
Ｂ断面（（ｃ）図）では電極の上部に電極の中心にＮ極
が向くように取付けられている。

【００２１】しかしながら、各電極の対向する磁石の対
向する面は、各電極の孔の領域に磁場を作るために互い
に異なる極とする必要があるが、全電極の磁石の極性の
向きを揃えて、各電極上にできる磁力線の向き（磁性）
まで揃えることは、本発明では必ずしも必要ではない。

【００２２】次に、作用について説明するに、本実施例
の真空排気管１２にイオンが入射し、内部の電極２２に
衝突して２次電子が生成される過程までは、従来例（図
４）の真空排気管１２と変りはないので、上記２次電子
の発生後について、図２に基づいて説明する。

【００２３】図２（ａ）は、図１（ｂ）と同様の真空排
気管１２の横断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩ
−ＩＩ線による要部断面図である。図２（ｂ）におい
て、下方の電極２２ａに、図で下方に向って衝突したイ
オン（黒丸印）ｉ１によって２次電子ｅ１が発生し、高
電圧側（図で上方）に加速されるが、電極２２ａに取付
けられた、紙面に真角方向の１対の永久磁石３１によっ
て形成される磁場（図でＸを丸で囲んだ印は、磁力線が
下向きに働いていることを示す。）中を通過中に、ロー
レンツ力によって或る半径を持った円運動を行ない、電
極２２や真空排気管１２の管壁（絶縁材２１）に衝突し
消滅する。イオンのエネルギが４００〜５００ｋｅＶの
エネルギを持って電極２２に衝突しても、電極より放出
される２次電子のエネルギは、質量比が数１０００倍イ
オンの方が重いため、数１００ｅＶ以下と考えられる。
このため、永久磁石３１による磁場が磁石の面で数１０
０ガウスの磁束密度を持つ永久磁石でも、ローレンツ力
による電子の半径は数ｍｍ程度になり、電極２２から放
出されてすぐに電極や管壁などに衝突してしまう。

【００２４】次に電極間で発生した電子（図２（ｂ）の
電子ｅ２）についての挙動を考えると、この電子は電極
２２間１段当たりの電位差の加速を受けることになる。
仮に高電圧ターミナル２の電圧が４００ｋＶとして、電
極の段数が２０段とすると、１段当たりの電位差は２０
ｋＶになるため、電子は約２０ｋｅＶのエネルギーを持
つ。この電子ｅ２が電極２２ｂに取り付けられた永久磁
石３１の磁場で曲げられると、半径は数ｃｍとなり、こ
の場合でも電子は管壁に衝突してしまう。

【００２５】以上のことから、本発明（実施例）の真空
排気管１２では、各電極２２に取り付けられた永久磁石
３１の磁場により電子の軌道が偏向され、電極の中央部
の孔を通過し高いエネルギーまで加速される電子は減少
する。よって、高いエネルギーを持ってイオン源排気チ
ャンバー１４に衝突する電子は減少する。また、真空排
気管１２に入射したイオンも同一方向の磁場により軌道
が曲げられ、該真空排気管１２の壁面に衝突しエネルギ
ーを失い、２次電子の発生が抑制される。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
内部にイオン源を有する高電圧ターミナルとその回りを
囲繞するグランド電位のシールドボックスとの間に、イ
オン源内部を排気するための真空排気管を有するイオン
加速装置において、上記真空排気管の電極に磁石を取付
け、電極中央部の孔の領域に磁場を形成したことによ
り、真空排気管内で発生した電子が磁石の磁場によって
軌道が偏向されてしまうため、従来の真空排気管１２の
電極２２の中央部の孔を通過し高電圧ターミナル２の電
位まで加速され高いエネルギーを持ってイオン源排気チ
ャンバー１４に達してしまう確率は少なくなる。つま
り、電子が高いエネルギーに加速される前に真空排気管
内部の壁や電極に衝突してしまう。その結果、衝突によ
って発生するＸ線は、電子の衝突のエネルギーが低いた
め衝突によって発生する連続Ｘ線の最高エネルギー（最
短波長は長くなり）の値は低下し、Ｘ線のエネルギース
ペクトルの強度のピークを与えるエネルギーも低くな
る。またエネルギースペクトルの面積、つまり連続Ｘ線
の全強度も小さくなる。この結果、シールドボックスの
側壁から漏洩するＸ線量を低減することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示し、（ａ）は真空排気管
の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）
は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ部の拡
大断面図である。

【図２】本発明の真空排気管の動作の模式図で、（ａ）
は横断面図、（ｂ）は（ａ）のII−II線による要部断面
図である。

【図３】従来のイオン加速装置を備えたイオン注入装置
を示す平面図である。

【図４】従来の真空排気管の断面図である。

【図５】（ａ）ないし（ｄ）は従来の真空排気管内での
Ｘ線の発生機構の模式図である。

【符号の説明】

１シールドボックス２高電圧ターミナル１２真空排気管１３排気管１５ポンプ接続管１６真空ポンプ２１絶縁材２２，２２ａ，２２ｂ電極２３，２４取付フランジ２５抵抗３１永久磁石３２皿ねじ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−112042（ＪＰ，Ａ) 特開平３−279900（ＪＰ，Ａ) 実開平２−29150（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/08 H01J 37/18 H01J 37/317 H01L 21/265 603 H05H 5/02 C23C 14/48

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部にイオン源を有する高電圧ターミナ
ルとその回りを囲繞するグランド電位のシールドボック
スとの間に、イオン源内部を排気するための真空排気管
を有するイオン加速装置において、上記真空排気管の電
極に磁石を取付け、電極中央部の孔の領域に電極と同じ
面内方向に磁場を形成するようにしたことを特徴とする
イオン加速装置。