JP3405321B2 - Operation method of ion source and ion beam irradiation device - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、例えばイオン注
入装置のようなイオンビーム照射装置等に用いられるイ
オン源の運転方法およびそれを実施するイオンビーム照
射装置に関し、より具体的には、イオン源の運転を開始
してイオンビームを引き出す際に、イオンビーム量が安
定するまでの時間を短縮する手段に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for operating an ion source used in an ion beam irradiation apparatus such as an ion implantation apparatus and an ion beam irradiation apparatus for carrying out the method, and more specifically to an ion source. The present invention relates to a means for shortening the time until the amount of ion beam is stabilized when starting the operation of and extracting the ion beam.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図１にイオンビーム照射装置のイオン源
周りの一例を示す。このイオン源１は、ホットカソード
ＰＩＧ型イオン源の内のバーナス型イオン源と呼ばれる
ものであり、同様のものが特開平９−３５６４８号公報
にも記載されている。2. Description of the Related Art FIG. 1 shows an example around an ion source of an ion beam irradiation apparatus. The ion source 1 is called a Bernas type ion source among the hot cathode PIG type ion sources, and a similar type is also described in Japanese Patent Laid-Open No. 9-35648.
【０００３】このイオン源１は、アノードを兼ねるプラ
ズマ生成容器２と、このプラズマ生成容器２内の一方側
に設けられたフィラメント８と、プラズマ生成容器２内
の他方側に設けられた反射電極１０と、プラズマ生成容
器２の壁面に設けられたイオン引出しスリット４とを備
えている。イオン引出しスリット４の出口近傍には、プ
ラズマ生成容器２内で生成されたプラズマ１２からイオ
ンビーム１６を引き出す引出し電極１４が設けられてい
る。プラズマ生成容器２内には、電磁石１８によって磁
界１９が印加される。The ion source 1 includes a plasma generating container 2 also serving as an anode, a filament 8 provided on one side of the plasma generating container 2, and a reflective electrode 10 provided on the other side of the plasma generating container 2. And an ion extraction slit 4 provided on the wall surface of the plasma generation container 2. An extraction electrode 14 for extracting an ion beam 16 from the plasma 12 generated in the plasma generation container 2 is provided near the exit of the ion extraction slit 4. A magnetic field 19 is applied to the inside of the plasma generation container 2 by the electromagnet 18.
【０００４】プラズマ生成容器２内には、その壁面に設
けられた導入口６を通して、イオン源物質（即ち、イオ
ンビーム１６の元になる物質）２４が導入される。この
イオン源物質２４は、図示しないガス源から供給される
ガスや、図示しない蒸発源で固体を蒸気化することによ
って供給されるガス（蒸気）等である。An ion source material (that is, a material that becomes a source of the ion beam 16) 24 is introduced into the plasma generating container 2 through an inlet 6 provided on the wall surface thereof. The ion source material 24 is a gas supplied from a gas source (not shown), a gas (vapor) supplied by vaporizing a solid by an evaporation source (not shown), or the like.
【０００５】このようなイオン源１において、プラズマ
生成容器２の内外を真空排気すると共に、プラズマ生成
容器２内にイオン源物質２４を適当な流量で導入しなが
ら、フィラメント８をフィラメント電源２０によって通
電加熱して熱電子を発生させると共に、フィラメント８
とプラズマ生成容器２との間にアーク電源２２からアー
ク電圧を印加して両者間でアーク放電を生じさせること
によって、イオン源物質２４が電離されてプラズマ１２
が生成される。そしてこのプラズマ１２から、イオン源
物質２４を構成する元素のイオンを含むイオンビーム１
６を引き出すことができる。In such an ion source 1, the inside and outside of the plasma generation container 2 are evacuated and the ion source material 24 is introduced into the plasma generation container 2 at an appropriate flow rate while the filament 8 is energized by the filament power source 20. The filament 8 is heated while generating thermoelectrons.
By applying an arc voltage from the arc power supply 22 between the plasma generation container 2 and the plasma generation container 2 to generate an arc discharge between the two, the ion source material 24 is ionized and the plasma 12 is discharged.
Is generated. Then, from this plasma 12, the ion beam 1 containing the ions of the elements forming the ion source material 24
6 can be pulled out.
【０００６】なお、反射電極１０は、フィラメント８か
ら放出させた熱電子をはね返して、イオン源物質２４の
電離効率ひいてはプラズマ１２の生成効率を高める作用
をする。また、電磁石１８による磁界１９も、その磁力
線に熱電子が巻き付くように運動してその実効的な飛程
が長くなるので、イオン源物質２４の電離効率を高める
作用をする。The reflective electrode 10 repels the thermoelectrons emitted from the filament 8 to increase the ionization efficiency of the ion source material 24 and thus the plasma 12 generation efficiency. Further, the magnetic field 19 generated by the electromagnet 18 also moves so that the thermoelectrons are wound around the lines of magnetic force, and the effective range thereof is lengthened, so that the ionization efficiency of the ion source material 24 is enhanced.
【０００７】上記のようにして引き出されたイオンビー
ム１６は、必要に応じて質量分離、加速・減速、走査、
集束等の処理を施された上で、被照射物２６に照射さ
れ、イオン注入等の処理に利用される。なお、被照射物
２６は図示の都合上、イオン源１の近くに図示している
けれども、実際上は通常、イオン源１よりもかなり下流
側に配置されている。The ion beam 16 extracted as described above is subjected to mass separation, acceleration / deceleration, scanning, and
After subjecting the object to be irradiated 26 to a treatment such as focusing, it is used for a treatment such as ion implantation. Although the irradiation object 26 is illustrated near the ion source 1 for convenience of illustration, in practice, the irradiation object 26 is usually disposed considerably downstream of the ion source 1.
【０００８】被照射物２６に照射されるイオンビーム１
６のビーム量は、時間的に定常であることが望ましい。
その実現手段の一つとして、上記イオン源１から引き出
すイオンビーム１６のビーム量（即ちビーム電流）を時
間的に定常に保つことが挙げられる。Ion beam 1 for irradiating irradiation object 26
It is desirable that the beam quantity of No. 6 be constant in time.
One of the means for achieving this is to maintain the beam amount (that is, beam current) of the ion beam 16 extracted from the ion source 1 to be steady in time.
【０００９】イオン源１から引き出すイオンビーム１６
のビーム量を一定に保つためには、（１）アーク電圧
（アーク電源２２の出力電圧）、（２）アーク電流（ア
ーク電源２２の出力電流）、（３）イオン源物質２４の
供給量、（４）電磁石１８（具体的には、その図示しな
いコイル）に流す電流といった、イオン源１の運転パラ
メータを一定に保つ必要がある。これらの運転パラメー
タの値は、例えば制御装置２８のような制御装置を通し
て設定・調節が可能である。アーク電圧、アーク電流、
電磁石の電流については、それらの実際の値は、制御装
置２８を通して設定された値に近くなる。Ion beam 16 extracted from the ion source 1
In order to keep the beam amount of (1) constant, (1) arc voltage (output voltage of arc power source 22), (2) arc current (output current of arc power source 22), (3) supply amount of ion source material 24, (4) It is necessary to keep constant the operating parameters of the ion source 1, such as the current flowing through the electromagnet 18 (specifically, the coil (not shown) thereof). The values of these operating parameters can be set and adjusted through a controller such as controller 28. Arc voltage, arc current,
For the electromagnet currents, their actual value will be close to the value set through the controller 28.
【００１０】しかし、プラズマ生成容器２内へのイオン
源物質の供給量については、実際の値は必ずしも設定値
に近くなるとは限らない。これを以下に詳述する。However, the actual value of the supply amount of the ion source material into the plasma generating container 2 does not always come close to the set value. This will be described in detail below.
【００１１】イオン源物質２４は、通常、導入口６を通
してプラズマ生成容器２内に導入される。このイオン源
物質２４は、前述したように、ガス源から供給されるガ
スであったり、蒸発源で固体を蒸気化することによって
供給されるガスであったりする。これらのガスは、通
常、ガス源からの供給量を一定に保つ流量制御機構や、
蒸発源の温度を一定に保つ温度制御機構によって、供給
量が制御されている。ところが、このような経路以外か
らもイオン源物質がプラズマ生成容器２内に供給され得
る。それは、プラズマ生成容器２の壁面（内壁面。以下
同じ）に吸着されたり、膜状になって付着している（以
下、これを単に付着と言う）イオン源物質２４やその他
の物質（例えば水分等）の再蒸発である。The ion source material 24 is usually introduced into the plasma generating container 2 through the inlet 6. As described above, the ion source material 24 may be a gas supplied from a gas source or a gas supplied by vaporizing a solid with an evaporation source. These gases are usually flow rate control mechanism that keeps the supply amount from the gas source constant,
The supply amount is controlled by a temperature control mechanism that keeps the temperature of the evaporation source constant. However, the ion source material can be supplied into the plasma generation container 2 from a route other than such a route. It is adsorbed on the wall surface (inner wall surface; the same applies hereinafter) of the plasma generation container 2 or is adhered in the form of a film (hereinafter, simply referred to as “adhesion”) and other substances (for example, moisture). Etc.) re-evaporation.
【００１２】一例を挙げると、メンテナンスをした直後
のプラズマ生成容器２内には、大気中に存在する水の分
子を主とする不要物質が付着している。その場合にイオ
ン源の運転を開始すると、プラズマ生成容器２の温度が
高くなり、それに伴ってプラズマ生成容器２の壁面から
上記不要物質が徐々に放出されるようになる。この例で
は、不要物質の主成分である水の分子が解離・イオン化
されて、Ｈ+ 、Ｈ2 +、Ｏ+ 、ＯＨ+ 等のイオンが発生
し、これらが、イオン源物質２４がイオン化されたもの
と一緒にイオンビーム１６として引き出される。プラズ
マ生成容器２の温度が高いほど、その壁面からの不要物
質の放出率は高くなり、一方、壁面に保持される不要物
質の量は放出によって減少して行く。従って、壁面から
の不要物質の放出量は、これらの兼ね合いによって、イ
オン源１の運転時間の経過と共に変化する。[0012] As an example, an unnecessary substance mainly composed of water molecules existing in the atmosphere is attached to the inside of the plasma generation container 2 immediately after maintenance. In that case, when the operation of the ion source is started, the temperature of the plasma generation container 2 rises, and accordingly, the above-mentioned unnecessary substances are gradually released from the wall surface of the plasma generation container 2. In this example, molecules of water, which is the main component of the unnecessary substance, are dissociated and ionized to generate ions such as H + , H 2 + , O + , and OH + , which are ionized by the ion source substance 24. The ion beam 16 is extracted together with the ion beam. The higher the temperature of the plasma generating container 2, the higher the release rate of the unnecessary substance from the wall surface, while the amount of the unnecessary substance retained on the wall surface decreases due to the release. Therefore, the amount of the unnecessary substance released from the wall surface changes with the passage of the operating time of the ion source 1 due to these tradeoffs.
【００１３】これは、広義のイオン源物質（真のイオン
源物質２４と、プラズマ生成容器２の壁面から放出され
る不要物質とを合わせたもの）のプラズマ生成容器２内
への供給量が、プラズマ生成容器２の温度によって変化
することを意味している。This is because the amount of ion source material in a broad sense (the true ion source material 24 and the unnecessary substance emitted from the wall surface of the plasma generation vessel 2 combined) supplied to the plasma generation vessel 2 is It means that it changes depending on the temperature of the plasma generation container 2.
【００１４】他の例を挙げると、プラズマ生成容器２内
が真空状態にありかつプラズマ生成容器２が室温の状態
から運転を開始する場合がある（これは、コールドスタ
ートと呼ばれる）。このとき、イオン源物質２４として
ＰＨ3 （ホスフィン）やＡsＨ3 （アルシン）等のガ
ス、あるいはＩn(ＣＨ3)3 （トリメチルインジウム）等
の金属化合物ガスを用いる場合、リンやヒ素、あるいは
インジウム等の金属がプラズマ生成容器２の内壁に多量
に付着することがある。イオン源１の運転中は、プラズ
マ生成容器２の内壁には、イオン源物質２４やその成分
が常に付着し、その一方で再蒸発している。プラズマ生
成容器２の温度が低い状態でイオン源１の運転を始める
と、電離される等して壁面に付着する速度の方が、再蒸
発の速度よりも速く、その結果、上記物質が壁面に堆積
して行くのである。運転時間が経過してプラズマ生成容
器２の温度が上がってくると再蒸発が盛んになり、壁面
から放出される上記物質の量は一時的に増加する。やが
て再蒸発速度が付着速度を上回ると、壁面に付着した物
質の総量が減少し始め、最終的にはある一定量に収束す
る。これに伴って、壁面から放出される上記物質の供給
量も減少し、最終的にはある一定量に収束する。この現
象もまた、イオン源物質のプラズマ生成容器２内への供
給量が、プラズマ生成容器２の温度変化と共に変化する
ことを意味している。As another example, there is a case where the inside of the plasma generation container 2 is in a vacuum state and the plasma generation container 2 is started at room temperature (this is called a cold start). At this time, when a gas such as PH 3 (phosphine) or AsH 3 (arsine) or a metal compound gas such as In (CH 3 ) 3 (trimethylindium) is used as the ion source substance 24, phosphorus, arsenic, indium, etc. A large amount of the metal may adhere to the inner wall of the plasma generation container 2. During operation of the ion source 1, the ion source material 24 and its components are always attached to the inner wall of the plasma generation container 2, while re-evaporating. When the operation of the ion source 1 is started in a state where the temperature of the plasma generation container 2 is low, the speed of ionization and the like and attachment to the wall surface is faster than the re-evaporation speed, and as a result, the above-mentioned substance is adhered to the wall surface. It accumulates. When the operating time elapses and the temperature of the plasma generation container 2 rises, re-evaporation becomes active, and the amount of the substance released from the wall surface temporarily increases. When the re-evaporation rate eventually exceeds the deposition rate, the total amount of the substances deposited on the wall surface starts to decrease, and finally converges to a certain amount. Along with this, the supply amount of the substance discharged from the wall surface also decreases, and finally converges to a certain fixed amount. This phenomenon also means that the supply amount of the ion source material into the plasma generation container 2 changes with the temperature change of the plasma generation container 2.
【００１５】このように、正規の経路（導入口６からの
経路）以外からプラズマ生成容器２内に放出されるイオ
ン源物質が存在し、しかもその放出量がプラズマ生成容
器２の温度変化に伴って変化することである。これは、
プラズマ生成容器２内へのイオン源物質の総供給量がプ
ラズマ生成容器２の温度変化と共に変化することを意味
している。このような原因によって、イオンビーム１６
のビーム量が不随意に変動することがあり、それによっ
て、イオンビーム量が安定するまでに長い時間がかか
る。As described above, there is an ion source material released into the plasma production container 2 from a path other than the regular path (path from the introduction port 6), and the amount of the ion source material emitted is accompanied by the temperature change of the plasma production container 2. Is to change. this is,
It means that the total supply amount of the ion source material into the plasma generation container 2 changes with the temperature change of the plasma generation container 2. Due to such a cause, the ion beam 16
Of the ion beam may change involuntarily, so that it takes a long time for the ion beam amount to stabilize.
【００１６】[0016]
【発明が解決しようとする課題】これに対して、特開平
５−３２５８７１号公報には、プラズマ生成容器（アー
クチャンバー）壁に、プラズマ生成容器を強制的に加熱
するヒータを設けた（埋設した）イオン源が提案されて
おり、これによってイオンビームの立ち上げ時間を短縮
することができるとされている。On the other hand, in JP-A-5-325871, a heater for forcibly heating the plasma generation container is provided (embedded in the wall of the plasma generation container (arc chamber). ) An ion source has been proposed, and it is said that this can shorten the start-up time of the ion beam.
【００１７】しかしこの方法では、ヒータ、ヒータ用電
源および大気中のヒータ用電源から真空中のヒータに電
力を導くフィードスルー等を新たに設けなければなら
ず、構成が複雑になる。However, in this method, a heater, a heater power source, and a feedthrough for guiding power from the heater power source in the atmosphere to the heater in vacuum must be newly provided, which complicates the configuration.
【００１８】また、プラズマ生成容器は通常は六面体で
あり、その各面にはヒータ配置を妨げるイオン引出しス
リットや絶縁碍子等が設けられているので、六面の全て
にヒータを均一に配置してプラズマ生成容器の壁面全体
を万遍無く加熱するのは容易ではない。加熱温度の低い
所があると、その分、イオンビーム量が安定するまでの
時間が長くなる。Further, the plasma generating container is usually a hexahedron, and each surface thereof is provided with an ion extraction slit, an insulator or the like which obstructs the heater arrangement, so that the heaters are uniformly arranged on all of the six surfaces. It is not easy to uniformly heat the entire wall surface of the plasma generation container. If there is a place where the heating temperature is low, the time until the amount of the ion beam stabilizes increases accordingly.
【００１９】また、プラズマ生成容器は比較的寿命が短
く（例えば、数回のメンテナンスサイクルで交換する場
合もある）、度々交換する必要があり、その度にヒータ
を取り付けたり埋設したりするのは非常に手間がかかり
現実的ではない。ヒータを取り付けたり埋設したままで
プラズマ生成容器を交換すると、ヒータを設けているぶ
ん余分にコストが嵩む。Further, the plasma generating container has a relatively short life (for example, it may be replaced in a few maintenance cycles), and it is necessary to replace it frequently, and it is necessary to attach or bury the heater each time. It is very time-consuming and unrealistic. If the plasma generation container is replaced while the heater is attached or buried, the cost is increased as much as the heater is provided.
【００２０】そこでこの発明は、ヒータ等の付加物を設
けることなく、イオン源の運転開始の際にイオンビーム
量が安定するまでの時間を短縮する手段を提供すること
を主たる目的とする。Therefore, the main object of the present invention is to provide a means for shortening the time until the ion beam amount stabilizes at the start of the operation of the ion source, without providing an additive such as a heater.
【００２１】[0021]
【課題を解決するための手段】この発明に係るイオン源
の運転方法は、イオン源の運転を開始してイオンビーム
を引き出す際に、目的量のイオンビームを引き出す動作
に入る前に、当該目的量のイオンビームを引き出すとき
に投入するプラズマ生成用の電力よりも大きいプラズマ
生成用の電力を当該イオン源のプラズマ生成容器内に投
入してプラズマを生成することによって、プラズマ生成
容器の予備加熱を行うことを特徴としている。According to the method of operating an ion source of the present invention, when the operation of the ion source is started to extract an ion beam, the operation is performed before the operation of extracting a desired amount of the ion beam is started. Preheating of the plasma generation container is performed by supplying plasma generation power larger than the plasma generation power supplied when extracting a large amount of ion beam into the plasma generation container of the ion source to generate plasma. It is characterized by doing.
【００２２】上記予備加熱は、具体的には次のいずれか
の場合に行う。これらの場合は、いずれも、イオン源物
質のプラズマ生成容器内への総供給量が、プラズマ生成
容器の温度変化と共に比較的大きく変化するからであ
る。Specifically, the preheating is performed in any of the following cases. This is because in all of these cases, the total amount of ion source material supplied into the plasma generation container changes relatively greatly with the temperature change of the plasma generation container.
【００２３】（１）メンテナンス等によってプラズマ生
成容器内を大気中に曝した後にイオン源の運転を開始し
て（即ちイオン源を停止状態から立ち上げて）イオンビ
ームを引き出す際。(1) When the operation of the ion source is started (that is, the ion source is started from the stopped state) and the ion beam is extracted after the inside of the plasma generation container is exposed to the atmosphere for maintenance or the like.
【００２４】（２）プラズマ生成容器内は真空状態にあ
るけれどもプラズマ生成容器が室温またはそれに近い温
度にある停止状態からイオン源の運転を開始してイオン
ビームを引き出す際。停止状態とは、プラズマおよびイ
オンビームが発生していない状態を言う。(2) When the ion beam is extracted by starting the operation of the ion source from a stopped state where the inside of the plasma generation container is in a vacuum state but the plasma generation container is at or near room temperature. The stopped state means a state in which neither plasma nor ion beam is generated.
【００２５】（３）プラズマ生成容器の温度状態の如何
に拘わらず、プラズマ生成容器内に導入するイオン源物
質を切り換えた後にイオン源の運転を再開して、それま
でとは異なるイオン種のイオンビームを引き出す際。(3) Regardless of the temperature state of the plasma generation container, the ion source operation is restarted after the ion source material to be introduced into the plasma generation container is switched, and ions of different ion species than before are used. When pulling out the beam.
【００２６】上記運転方法によれば、上記予備加熱によ
って、プラズマ生成容器の温度を早期に高くして、プラ
ズマ生成容器内に供給されるイオン源物質の量が安定す
るまでの時間を短縮することができる。その結果、イオ
ン源の運転を開始してイオンビームを引き出す際にイオ
ンビーム量が安定するまでの所要時間を短縮することが
できる。According to the above operating method, the temperature of the plasma generating container is raised early by the preheating to shorten the time until the amount of the ion source substance supplied into the plasma generating container is stabilized. You can As a result, when the operation of the ion source is started and the ion beam is extracted, the time required until the amount of the ion beam becomes stable can be shortened.
【００２７】しかも、上記予備加熱を、プラズマ生成用
の電力を多く投入してプラズマを生成することによって
行うので、ヒータ等の付加物を設ける必要がない。従っ
て、イオン源の構成を複雑にせずに済み、イオン源のコ
ストアップを招かない。また、プラズマ生成用の電力を
多く投入してプラズマを生成することによってプラズマ
生成容器を予備加熱するので、しかもプラズマ生成容器
の内側からその内壁を直接加熱するので、プラズマ生成
容器の内壁全体を万遍無く、しかも効率良く加熱するこ
とが容易になる。Moreover, since the above preheating is performed by supplying a large amount of electric power for plasma generation to generate plasma, it is not necessary to provide an additive such as a heater. Therefore, the structure of the ion source is not complicated, and the cost of the ion source is not increased. Moreover, since the plasma generation container is preheated by supplying a large amount of electric power for plasma generation to generate plasma, and moreover, since the inner wall of the plasma generation container is directly heated, the entire inner wall of the plasma generation container is protected. It becomes easy to heat evenly and efficiently.
【００２８】なお、上記予備加熱は、目的量のイオンビ
ームを引き出す動作に入る直前に行うのが最も好まし
い。その場合が予備加熱を最も効果的に利用することが
できるからである。The preheating is most preferably performed immediately before the operation of extracting a desired amount of ion beam. This is because the preheating can be used most effectively in that case.
【００２９】上記予備加熱時に投入する電力は、例え
ば、目的量のイオンビームを引き出すときに投入する電
力の１．５倍〜２倍程度にするのが好ましい。１．５倍
未満では、予備加熱の効果は小さく、２倍を超すと、プ
ラズマ生成用の電源の容量を予備加熱用に増大させなけ
ればならない場合が生じるからである。The power applied during the preheating is preferably, for example, about 1.5 to 2 times the power applied when the desired amount of ion beam is extracted. This is because if it is less than 1.5 times, the effect of preheating is small, and if it exceeds 2 times, the capacity of the power supply for plasma generation may have to be increased for preheating.
【００３０】上記予備加熱を行う時間は、例えば、２分
〜５分間程度が好ましい。２分未満では、予備加熱の効
果は小さく、５分を超えると、予備加熱にかける時間が
長くなり過ぎて、ビーム量が安定するまでの時間短縮効
果が低下するからである。The time for performing the preheating is preferably, for example, about 2 minutes to 5 minutes. This is because if it is less than 2 minutes, the effect of preheating is small, and if it exceeds 5 minutes, the time required for preheating becomes too long, and the effect of shortening the time until the beam amount stabilizes decreases.
【００３１】この発明に係るイオンビーム照射装置は、
イオン源の運転開始時に上記のような予備加熱動作を行
う制御装置を備えている。The ion beam irradiation apparatus according to the present invention is
A control device for performing the preheating operation as described above when the operation of the ion source is started is provided.
【００３２】[0032]
【発明の実施の形態】図１に示したイオンビーム照射装
置のイオン源１を例にして、この発明に係るイオン源の
運転方法の一例を説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An example of an ion source operating method according to the present invention will be described by taking the ion source 1 of the ion beam irradiation apparatus shown in FIG. 1 as an example.
【００３３】まず一例として、プラズマ生成容器２が室
温の状態からイオン源１の運転を開始するコールドスタ
ートの場合を考える。イオン源物質２４はＡsＨ3 ガス
とする。First, as an example, consider the case of a cold start in which the plasma generation container 2 starts the operation of the ion source 1 from a room temperature state. The ion source material 24 is AsH 3 gas.
【００３４】運転パラメータは、アーク電圧が６０Ｖ、
アーク電流が０．８Ａとする。このときにプラズマ生成
容器２内にプラズマ１２の生成用に投入される電力Ｐは
次式で与えられる。The operating parameters are arc voltage of 60 V,
The arc current is 0.8A. At this time, the electric power P input to generate the plasma 12 in the plasma generation container 2 is given by the following equation.
【００３５】[0035]
【数１】Ｐ＝（アーク電流×アーク電圧）＋（フィラメ
ント電流×フィラメント電圧）[Equation 1] P = (arc current × arc voltage) + (filament current × filament voltage)
【００３６】フィラメント電流およびフィラメント電圧
は、フィラメント電源２０の出力である。フィラメント
電源２０は、通常は、フィラメント８からの熱電子放出
を主因として発生するアーク放電の電流が所定の値を保
つように、フィラメント８に投入する電力を自動で調整
する。上記条件下での典型的なフィラメント電流および
フィラメント電圧は、それぞれ、１２０Ａおよび２．０
Ｖ程度である。The filament current and filament voltage are the outputs of the filament power supply 20. The filament power source 20 normally automatically adjusts the electric power applied to the filament 8 so that the arc discharge current generated mainly due to thermionic emission from the filament 8 maintains a predetermined value. Typical filament current and filament voltage under the above conditions are 120 A and 2.0, respectively.
It is about V.
【００３７】従って、上記運転パラメータのときのプラ
ズマ生成容器２内への投入電力Ｐ1は次式となる。Therefore, the input power P 1 into the plasma generating vessel 2 when the above operating parameters are given by the following equation.
【００３８】[0038]
【数２】Ｐ1 ＝（０．８×６０）＋（１２０×２）＝２
８８［Ｗ］## EQU2 ## P 1 = (0.8 × 60) + (120 × 2) = 2
88 [W]
【００３９】図２に、プラズマ生成容器２内への投入電
力とプラズマ生成容器２の温度との関係を示す。これに
よると、２８８Ｗの投入電力Ｐ1 によってプラズマ生成
容器２の温度（Ｔ1 ）は４５０℃（７２３Ｋ）程度に達
することが分かる。FIG. 2 shows the relationship between the electric power supplied to the plasma generating container 2 and the temperature of the plasma generating container 2. According to this, it is understood that the temperature (T 1 ) of the plasma generation container 2 reaches about 450 ° C. (723 K) by the input power P 1 of 288 W.
【００４０】図３に、各種物質の温度に対する蒸気圧を
示す。これによると、７２３Ｋのヒ素の蒸気圧は１×１
０4 Ｐａ程度であることが分かる。FIG. 3 shows vapor pressures with respect to temperatures of various substances. According to this, the vapor pressure of 723K arsenic is 1 × 1.
It can be seen that it is about 0 4 Pa.
【００４１】上記パラメータで、プラズマ生成容器２が
室温の状態からイオン源１の運転を開始したところ、イ
オンビーム１６を引き出し始めてからそのビーム量を目
的量（所望の値）に調節するために要した時間は約２１
分であった。With the above parameters, when the operation of the ion source 1 is started from the state where the plasma generating container 2 is at room temperature, it is necessary to adjust the beam amount to a target amount (desired value) after the ion beam 16 is started to be extracted. About 21 hours
It was a minute.
【００４２】一方、プラズマ生成容器２が十分に温まっ
た状態からイオン源１の運転を開始する場合は、イオン
ビーム１６のビーム量を目的量に調整するのに必要な時
間は典型的には６〜７分程度である。On the other hand, when the operation of the ion source 1 is started while the plasma generating container 2 is sufficiently warmed, the time required to adjust the beam amount of the ion beam 16 to the target amount is typically 6 ~ 7 minutes.
【００４３】前述したように、プラズマ生成容器２が室
温の状態からイオン源１の運転を開始すると、プラズマ
生成容器２の温度が変化することによってイオン源物質
の総供給量が実効的に変動し、これによってイオンビー
ム１６のビーム量が不随意に変動する。上記所要時間の
差は、この不随意の変動に追従してビーム量の調節を行
うために発生するものである。As described above, when the operation of the ion source 1 is started from the state where the plasma generation container 2 is at room temperature, the total supply amount of the ion source substance is effectively changed due to the temperature change of the plasma generation container 2. As a result, the beam amount of the ion beam 16 changes involuntarily. The difference in the required time occurs because the beam amount is adjusted by following the involuntary fluctuation.
【００４４】次に、この発明に従って予備加熱を行った
実施例を説明する。Next, an example of preheating according to the present invention will be described.
【００４５】目的量のイオンビーム１６を引き出す動作
に入る前に、例えばプラズマ生成容器２と引出し電極１
４との間に引出し電圧を印加する前に、アーク電圧を６
０Ｖ、アーク電流を３Ａにして２分間の予備加熱を実施
する。この条件下での典型的なフィラメント電流および
フィラメント電圧は、それぞれ、１４０Ａおよび２．７
Ｖ程度である。従ってこの運転パラメータのときのプラ
ズマ生成容器２内への投入電力Ｐ2 は次式となる。Before starting the operation of extracting the target amount of ion beam 16, for example, the plasma generation container 2 and the extraction electrode 1
Before applying the extraction voltage between the
Preheating is performed for 2 minutes with 0 V and an arc current of 3 A. Typical filament current and filament voltage under this condition are 140 A and 2.7 respectively.
It is about V. Therefore, the input power P 2 into the plasma generation container 2 with this operating parameter is given by the following equation.
【００４６】[0046]
【数３】Ｐ2 ＝（３×６０）＋（１４０×２．７）＝５
５８［Ｗ］## EQU3 ## P 2 = (3 × 60) + (140 × 2.7) = 5
58 [W]
【００４７】このときのプラズマ生成容器２の温度（Ｔ
2 ）は、図２より、６００℃（８７３Ｋ）程度になる。
この予備加熱に続いて、目的量のイオンビーム１６を引
き出す動作に入る。このときの運転パラメータは、例え
ば前記のようにアーク電圧が６０Ｖ、アーク電流が０．
８Ａ、フィラメント電流が１２０Ａ、フィラメント電圧
が２．０Ｖであり、この場合の投入電力Ｐ1 は２８８Ｗ
であり、プラズマ生成容器２の温度Ｔ1 は前述したよう
に４５０℃である。この予備加熱およびその後の投入電
力およびプラズマ生成容器２の温度の変化の概略を図４
に示す。At this time, the temperature (T
2 ) is about 600 ° C (873K) from Fig. 2.
Subsequent to this preheating, an operation for extracting a desired amount of ion beam 16 is started. The operating parameters at this time are, for example, an arc voltage of 60 V and an arc current of 0.
8 A, filament current is 120 A, filament voltage is 2.0 V, and input power P 1 in this case is 288 W
Therefore, the temperature T 1 of the plasma generating container 2 is 450 ° C. as described above. FIG. 4 shows an outline of this preheating and subsequent changes in input power and temperature of the plasma generation container 2.
Shown in.
【００４８】予備加熱時のプラズマ生成容器２の温度Ｔ
2 が６００℃（８７３Ｋ）のときのヒ素の蒸気圧は、図
３より、１×１０5 Ｐａ程度になり、上記投入電力Ｐ1
時の１０倍程度になる。従って、プラズマ生成容器２の
壁面からヒ素が放出される放出率も上記投入電力Ｐ1 時
の１０倍程度になり、プラズマ生成容器２内に供給され
るイオン源物質の量が安定するまでの時間を短縮するこ
とができ、ひいてはイオン源１から引き出されるイオン
ビーム１６のビーム量が安定するまでの所要時間を短縮
することができる。Temperature T of plasma generating container 2 during preheating
Vapor pressure of arsenic when the 2 is 600 ° C. (873 K), from 3, becomes approximately 1 × 10 5 Pa, the input power P 1
It will be about 10 times the time. Therefore, the release rate of arsenic released from the wall surface of the plasma generation container 2 is about 10 times that at the time of the input power P 1 , and the time until the amount of the ion source substance supplied into the plasma generation container 2 becomes stable. Can be shortened, and in turn, the time required for the beam amount of the ion beam 16 extracted from the ion source 1 to be stabilized can be shortened.
【００４９】実際、この実施例の場合に、プラズマ生成
容器２が室温の状態からイオン源１の運転を開始して、
イオンビーム１６のビーム量を目的量に調整するまでに
要した時間は、上記２分間の予備加熱時間を含めて、約
１１分であり、予備加熱を実施しない場合に比べて約１
０分の短縮を実現することができた。換言すれば、所要
時間を約半分に短縮することができた。In fact, in the case of this embodiment, the operation of the ion source 1 is started when the plasma generating container 2 is at room temperature,
The time required to adjust the beam amount of the ion beam 16 to the target amount is about 11 minutes including the preheating time of 2 minutes described above, which is about 1 minute as compared with the case where the preheating is not performed.
We were able to achieve a reduction of 0 minutes. In other words, the time required could be reduced to about half.
【００５０】しかもこの運転方法によれば、前記特開平
５−３２５８７１号公報に記載されているようなヒータ
によってプラズマ生成容器を加熱する技術に比べて、次
のような利点がある。Moreover, this operating method has the following advantages over the technique of heating the plasma generating container by the heater as described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-325871.
【００５１】（１）プラズマ生成容器２の予備加熱を、
プラズマ生成用の電力（上記実施例の場合は数１に示し
た投入電力Ｐ）を多く投入してプラズマ１２を生成する
ことによって行うので、ヒータ、ヒータ用電源およびフ
ィードスルー等の付加物を設ける必要がない。従って、
イオン源１の構成を複雑にせずに済み、イオン源のコス
トアップを招かない。また、プラズマ生成容器２の交換
にも簡単に（何もせずに）対応することができる。(1) Preheating the plasma generating container 2
Since the plasma 12 is generated by inputting a large amount of electric power for plasma generation (input electric power P shown in Formula 1 in the case of the above embodiment) to generate the plasma 12, additional elements such as a heater, a power source for the heater and a feedthrough are provided. No need. Therefore,
The configuration of the ion source 1 does not have to be complicated, and the cost of the ion source does not increase. Further, it is possible to easily (without doing anything) replace the plasma generating container 2.
【００５２】（２）プラズマ生成容器２内にプラズマ生
成用の電力を多く投入してプラズマ１２を生成すること
によってプラズマ生成容器２を予備加熱する方法であ
り、プラズマ１２はプラズマ生成容器２内に立体的に生
成され、この立体的なプラズマ１２等からの熱によって
プラズマ生成容器２の壁面が加熱されるので、ヒータに
比べて、プラズマ生成容器２の内壁全体を万遍無く加熱
することが容易になる。(2) This is a method of preheating the plasma generation container 2 by supplying a large amount of electric power for plasma generation into the plasma generation container 2 to generate the plasma 12, and the plasma 12 is stored in the plasma generation container 2. Since the wall surface of the plasma generation container 2 is heated by the heat generated from the three-dimensional plasma 12 and the like, it is easier to uniformly heat the entire inner wall of the plasma generation container 2 than a heater. become.
【００５３】（３）プラズマ生成容器２の内側からその
内壁面を直接加熱することができるので、ヒータのよう
にプラズマ生成容器２の外側から加熱する場合に比べ
て、加熱の効率が高い。(3) Since the inner wall surface of the plasma generating container 2 can be directly heated, the heating efficiency is higher than that in the case of heating from the outside of the plasma generating container 2 like a heater.
【００５４】なお、上記運転方法は、プラズマ生成用に
投入する電力を予備加熱に用いるものであり、どのタイ
プのイオン源においてもプラズマ生成用に電力を投入す
るので、上記運転方法は上記バーナス型のイオン源１以
外のイオン源にも広く適用することができる。例えば、
（１）棒状のフィラメントを用いるフリーマン型イオン
源、（２）プラズマ閉じ込めに多極磁場（カスプ磁場）
を用いるバケット型イオン源、（３）プラズマ生成に高
周波（マイクロ波を含む）電力を用いる高周波型イオン
源、（４）プラズマ生成にＥＣＲ（電子サイクロトロン
共鳴）を用いるＥＣＲ型イオン源にも適用することがで
きる。（１）および（２）のイオン源の場合は、バーナ
ス型イオン源の場合と同様、フィラメント加熱電力とア
ーク放電電力の和がプラズマ生成用の電力である。
（３）および（４）の場合は、投入する高周波電力（ま
たはマイクロ波電力）がプラズマ生成用の電力である。In the above operating method, the electric power supplied for plasma generation is used for preheating, and the electric power is supplied for plasma generation in any type of ion source. The present invention can also be widely applied to ion sources other than the ion source 1 described above. For example,
(1) Freeman type ion source using rod-shaped filament, (2) Multipole magnetic field (cusp magnetic field) for plasma confinement
Also applicable to a bucket type ion source using (3), a high frequency type ion source using high frequency (including microwave) power for plasma generation, and (4) an ECR type ion source using ECR (electron cyclotron resonance) for plasma generation be able to. In the case of the ion sources of (1) and (2), the sum of the filament heating power and the arc discharge power is the power for plasma generation, as in the case of the Bernas type ion source.
In the cases of (3) and (4), the applied high frequency power (or microwave power) is the power for plasma generation.
【００５５】また、上記のようなイオン源の運転開始時
の予備加熱動作を自動で行う制御装置を設けても良い。
図１の例では、制御装置２８がその制御装置である。Further, a controller for automatically performing the preheating operation at the time of starting the operation of the ion source as described above may be provided.
In the example of FIG. 1, the control device 28 is the control device.
【００５６】[0056]
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、上記予
備加熱によって、プラズマ生成容器の温度を早期に高く
して、プラズマ生成容器内に供給されるイオン源物質の
量が安定するまでの時間を短縮することができる。その
結果、イオン源の運転を開始してイオンビームを引き出
す際にイオンビーム量が安定するまでの所要時間を短縮
することができる。As described above, according to the present invention, it is possible to raise the temperature of the plasma generation container early by the preheating and stabilize the amount of the ion source material supplied into the plasma generation container. The time can be shortened. As a result, when the operation of the ion source is started and the ion beam is extracted, the time required until the amount of the ion beam becomes stable can be shortened.
【００５７】しかもこの発明によれば、ヒータによって
プラズマ生成容器を加熱する技術に比べて、次のような
有利な効果を奏する。Further, according to the present invention, the following advantageous effects are exhibited as compared with the technique of heating the plasma generating container by the heater.
【００５８】（１）プラズマ生成容器の予備加熱を、プ
ラズマ生成用の電力を多く投入してプラズマを生成する
ことによって行うので、ヒータ、ヒータ用電源およびフ
ィードスルー等の付加物を設ける必要がない。従って、
イオン源の構成を複雑にせずに済み、イオン源のコスト
アップを招かない。また、プラズマ生成容器の交換にも
簡単に対応することができる。(1) Since the plasma generation container is preheated by supplying a large amount of electric power for plasma generation to generate plasma, it is not necessary to provide additional elements such as a heater, a heater power source, and a feedthrough. . Therefore,
The structure of the ion source does not have to be complicated, and the cost of the ion source does not increase. Further, it is possible to easily deal with the exchange of the plasma generation container.
【００５９】（２）プラズマ生成容器内にプラズマ生成
用の電力を多く投入してプラズマを生成することによっ
てプラズマ生成容器を予備加熱する方法であり、プラズ
マはプラズマ生成容器内に立体的に生成され、この立体
的なプラズマ等からの熱によってプラズマ生成容器の壁
面が加熱されるので、ヒータに比べて、プラズマ生成容
器の内壁全体を万遍無く加熱することが容易になる。(2) This is a method of preheating the plasma generation container by supplying a large amount of electric power for plasma generation into the plasma generation container to generate plasma, and the plasma is three-dimensionally generated in the plasma generation container. Since the wall surface of the plasma generation container is heated by the heat from the three-dimensional plasma or the like, it becomes easier to uniformly heat the entire inner wall of the plasma generation container as compared with the heater.
【００６０】（３）プラズマ生成容器の内側からその内
壁面を直接加熱することができるので、ヒータのように
プラズマ生成容器の外側から加熱する場合に比べて、加
熱の効率が高い。(3) Since the inner wall surface of the plasma generating container can be directly heated, the heating efficiency is higher than that in the case of heating from the outside of the plasma generating container like a heater.
【図１】イオンビーム照射装置のイオン源周りの一例を
示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the periphery of an ion source of an ion beam irradiation device.
【図２】投入電力とプラズマ生成容器の温度との関係の
一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a relationship between input power and temperature of a plasma generation container.
【図３】各種物質の温度に対する蒸気圧を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing vapor pressures with respect to temperatures of various substances.
【図４】この発明に係る運転方法に従って投入電力を変
化させた例（Ａ）と、そのときのプラズマ生成容器温度
の変化の概略（Ｂ）を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example (A) in which the input electric power is changed according to the operating method according to the present invention, and an outline (B) of a change in the plasma generation container temperature at that time.
１ イオン源 ２ プラズマ生成容器 １２ プラズマ １６ イオンビーム ２４ イオン源物質 ２６ 被照射物 ２８ 制御装置 1 ion source 2 Plasma generation container 12 plasma 16 ion beam 24 Ion source material 26 Irradiation object 28 Control device
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 27/02 H01J 27/08 H01J 37/08 G21K 5/04 H05H 1/24 Front page continued (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 27/02 H01J 27/08 H01J 37/08 G21K 5/04 H05H 1/24
Claims (2)
を引き出す際に、目的量のイオンビームを引き出す動作
に入る前に、当該目的量のイオンビームを引き出すとき
に投入するプラズマ生成用の電力よりも大きいプラズマ
生成用の電力を当該イオン源のプラズマ生成容器内に投
入してプラズマを生成することによって、プラズマ生成
容器の予備加熱を行うことを特徴とするイオン源の運転
方法。1. When starting the operation of the ion source to extract an ion beam, before starting the operation of extracting the target amount of ion beam, the electric power for plasma generation that is applied when the target amount of ion beam is extracted. A method for operating an ion source, characterized in that preheating of the plasma generation container is performed by introducing a larger amount of electric power for plasma generation into the plasma generation container of the ion source to generate plasma.
被照射物に照射するイオンビーム照射装置において、 イオン源の運転を開始してイオンビームを引き出す際
に、目的量のイオンビームを引き出す動作に入る前に、
当該目的量のイオンビームを引き出すときに投入するプ
ラズマ生成用の電力よりも大きいプラズマ生成用の電力
を当該イオン源のプラズマ生成容器内に投入してプラズ
マを生成することによって、プラズマ生成容器の予備加
熱動作を行う制御装置を備えることを特徴とするイオン
ビーム照射装置。2. An ion beam irradiation apparatus for irradiating an irradiation target with an ion beam extracted from an ion source, wherein when an ion beam is extracted by starting the operation of the ion source, an operation of extracting a desired amount of ion beam is started. before,
By generating a plasma by inputting a plasma generation power larger than the plasma generation power input when extracting the target amount of the ion beam into the plasma generation container of the ion source, a backup of the plasma generation container is performed. An ion beam irradiation apparatus comprising a control device for performing a heating operation.
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