JP3504169B2 - イオン注入装置及びイオン注入方法 - Google Patents
イオン注入装置及びイオン注入方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】イオン発生装置及びイオン発
生方法、並びに金属やセラミック等からなるワーク（被
イオン注入体）の表面にイオンを注入するイオン注入装
置及びイオン注入方法に関する。
生方法、並びに金属やセラミック等からなるワーク（被
イオン注入体）の表面にイオンを注入するイオン注入装
置及びイオン注入方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、金属やセラミック等からなるワ
ーク（被イオン注入体）の表層に金属イオンを注入する
と、長寿命化、耐磨耗性の向上、硬度の増加、濡れ性の
改善、表面改質などの新たな機能を持たせることができ
る。従来の金属イオン注入装置では、反応室内にワーク
と金属イオン源を配置し、反応室内を真空状態や低ガス
圧状態とした上で、金属イオン源に連続的にアーク電流
を流すことでプラズマを連続発生させて、金属イオン源
から金属イオンを連続的に放出させながら、ワークに高
圧のパルス電圧を印加し、金属イオンを電気的に誘引
し、ワークの表面に、引き付けることにより、ワークの
表面を金属イオンでコーティングしたり、コーティング
膜の付着強度を増大したり、或いはワークの表層に金属
イオンを注入している。
ーク（被イオン注入体）の表層に金属イオンを注入する
と、長寿命化、耐磨耗性の向上、硬度の増加、濡れ性の
改善、表面改質などの新たな機能を持たせることができ
る。従来の金属イオン注入装置では、反応室内にワーク
と金属イオン源を配置し、反応室内を真空状態や低ガス
圧状態とした上で、金属イオン源に連続的にアーク電流
を流すことでプラズマを連続発生させて、金属イオン源
から金属イオンを連続的に放出させながら、ワークに高
圧のパルス電圧を印加し、金属イオンを電気的に誘引
し、ワークの表面に、引き付けることにより、ワークの
表面を金属イオンでコーティングしたり、コーティング
膜の付着強度を増大したり、或いはワークの表層に金属
イオンを注入している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
イオン注入装置では、イオン源にアーク電流を連続に流
し続けてプラズマを維持しながら、ワークに高圧のパル
ス電圧を印加しているので、イオンがワークの表層に注
入され難い。これは、金属のプラズマを維持したままで
あると、金属イオンがワーク表層に付着・堆積してコー
ティング膜となり、ここでパルス電圧の印加によりワー
クがイオンを誘引しても、イオンがワークの表面のコー
ティング膜内に次々に注入される留まり、ワークの表層
までイオンが進入し難いからである。しかも、コーティ
ング膜はワーク表面との結合力が弱いため剥がれ易い上
に、金属イオンが必要以上に放出されるので、金属イオ
ン源が無駄になる。
イオン注入装置では、イオン源にアーク電流を連続に流
し続けてプラズマを維持しながら、ワークに高圧のパル
ス電圧を印加しているので、イオンがワークの表層に注
入され難い。これは、金属のプラズマを維持したままで
あると、金属イオンがワーク表層に付着・堆積してコー
ティング膜となり、ここでパルス電圧の印加によりワー
クがイオンを誘引しても、イオンがワークの表面のコー
ティング膜内に次々に注入される留まり、ワークの表層
までイオンが進入し難いからである。しかも、コーティ
ング膜はワーク表面との結合力が弱いため剥がれ易い上
に、金属イオンが必要以上に放出されるので、金属イオ
ン源が無駄になる。
【０００４】本発明は、かかる問題に鑑み、導電性のイ
オン源にパルス電流を流すことによりシャンティングア
ーク放電（パルス放電）を発生させて、イオンをワーク
の表層に確実に注入できるようにし、さらにシャンティ
ングアークから誘起されるプラズマに着目して、従来に
ないイオン発生装置等を実現することを目的とする。
オン源にパルス電流を流すことによりシャンティングア
ーク放電（パルス放電）を発生させて、イオンをワーク
の表層に確実に注入できるようにし、さらにシャンティ
ングアークから誘起されるプラズマに着目して、従来に
ないイオン発生装置等を実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成すべく、以下の技術的手段を講じた。すなわち、本発
明に係るイオン発生装置は、反応室と、当該反応室内に
配置された導電性のイオン源と、当該イオン源にパルス
状のアーク電流を流すアーク電源と、前記反応室内に窒
素・メタン等の反応性ガスを供給するガス供給手段を備
えていることを特徴とする。
成すべく、以下の技術的手段を講じた。すなわち、本発
明に係るイオン発生装置は、反応室と、当該反応室内に
配置された導電性のイオン源と、当該イオン源にパルス
状のアーク電流を流すアーク電源と、前記反応室内に窒
素・メタン等の反応性ガスを供給するガス供給手段を備
えていることを特徴とする。
【０００６】イオン源にパルス電流を流すとシャンティ
ングアークが発生し（詳細は後述）イオン源を構成する
材料がイオンとなってプラズマを形成する。さらに反応
性ガスからはガス粒子の電離や励起がもたらされ、プラ
ズマが誘起されるしたがって、イオン源と反応性ガスか
ら同じイオンが発生する場合には、１回のプロセスで高
密度のプラズマが生成され、異なるイオンが発生する場
合には、１回のプロセスで複数種のイオンが発生する。
ングアークが発生し（詳細は後述）イオン源を構成する
材料がイオンとなってプラズマを形成する。さらに反応
性ガスからはガス粒子の電離や励起がもたらされ、プラ
ズマが誘起されるしたがって、イオン源と反応性ガスか
ら同じイオンが発生する場合には、１回のプロセスで高
密度のプラズマが生成され、異なるイオンが発生する場
合には、１回のプロセスで複数種のイオンが発生する。
【０００７】また本発明に係るイオン発生方法は、窒素
・メタン等の反応性ガスの雰囲気下で、導電性のイオン
源にパルス状のアーク電流を流すことによって、シャン
ティングアーク放電により前記イオン源からイオンを発
生させると共に、前記シャンティングアークからプラズ
マを誘起して反応性ガスからイオンを発生することを特
徴とする。
・メタン等の反応性ガスの雰囲気下で、導電性のイオン
源にパルス状のアーク電流を流すことによって、シャン
ティングアーク放電により前記イオン源からイオンを発
生させると共に、前記シャンティングアークからプラズ
マを誘起して反応性ガスからイオンを発生することを特
徴とする。
【０００８】また本発明に係るイオン注入装置は、反応
室と、当該反応室内に設置された導電性イオン源と、前
記イオン源にパルス状のアーク電流を流すアーク電源
と、前記反応室内に配置される被イオン注入体に負のパ
ルス電圧を印加するパルス電圧発生源と、前記反応室内
に窒素・メタン等の反応性ガスを供給するガス供給手段
を備えていることを特徴とする。
室と、当該反応室内に設置された導電性イオン源と、前
記イオン源にパルス状のアーク電流を流すアーク電源
と、前記反応室内に配置される被イオン注入体に負のパ
ルス電圧を印加するパルス電圧発生源と、前記反応室内
に窒素・メタン等の反応性ガスを供給するガス供給手段
を備えていることを特徴とする。
【０００９】この場合、被イオン注入体にパルス電圧を
印加することにより、イオンが引き込まれ注入が行なわ
れる。ここで、シャンティングアークによるイオン源か
らのイオンと、それにより電離・励起されたガスイオン
とは、その生成時間に差があるため（ガスイオンの方が
長い）、前記パルス電圧発生源は、前記アーク電源のパ
ルスと同期し、かつ遅延したパルス電圧を発生するもの
とするのが好適である。
印加することにより、イオンが引き込まれ注入が行なわ
れる。ここで、シャンティングアークによるイオン源か
らのイオンと、それにより電離・励起されたガスイオン
とは、その生成時間に差があるため（ガスイオンの方が
長い）、前記パルス電圧発生源は、前記アーク電源のパ
ルスと同期し、かつ遅延したパルス電圧を発生するもの
とするのが好適である。
【００１０】さらに、前記パルス電圧発生源は、イオン
の発生時間内においてパスル電圧又はパルス幅を制御す
る制御手段を備えているものとすれば、成膜とイオン注
入を制御することが可能となる。また本発明に係るイオ
ン注入方法は、被イオン注入体にイオンを注入する方法
において、窒素・メタン等の反応性ガスの雰囲気下で、
導電性のイオン源にパルス状のアーク電流を流すことに
よって、イオン源からイオンを発生させると共に、前記
シャンティングアークからプラズマを誘起して反応性ガ
スからイオンを発生させ、前記被イオン注入体に負のパ
ルス電圧を印加することにより、前記イオン注入体に前
記イオンを注入することを特徴とする。
の発生時間内においてパスル電圧又はパルス幅を制御す
る制御手段を備えているものとすれば、成膜とイオン注
入を制御することが可能となる。また本発明に係るイオ
ン注入方法は、被イオン注入体にイオンを注入する方法
において、窒素・メタン等の反応性ガスの雰囲気下で、
導電性のイオン源にパルス状のアーク電流を流すことに
よって、イオン源からイオンを発生させると共に、前記
シャンティングアークからプラズマを誘起して反応性ガ
スからイオンを発生させ、前記被イオン注入体に負のパ
ルス電圧を印加することにより、前記イオン注入体に前
記イオンを注入することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は、本発明のイオン注入装置
１を示している。このイオン注入装置１は、反応室とし
て円筒状の放電チャンバ３と、放電チャンバ３内に配置
された導電性のイオン源５と、イオン源５にパルス状の
アーク電流を流すアーク電源７と、放電チャンバ３内に
設置される被イオン注入体（ワーク）９に負のパルス電
圧を印加するパルス電圧発生源１１とを備えている。な
お、このイオン注入装置１は本発明におけるイオン発生
装置でもある。
に基づいて説明する。図１は、本発明のイオン注入装置
１を示している。このイオン注入装置１は、反応室とし
て円筒状の放電チャンバ３と、放電チャンバ３内に配置
された導電性のイオン源５と、イオン源５にパルス状の
アーク電流を流すアーク電源７と、放電チャンバ３内に
設置される被イオン注入体（ワーク）９に負のパルス電
圧を印加するパルス電圧発生源１１とを備えている。な
お、このイオン注入装置１は本発明におけるイオン発生
装置でもある。
【００１２】前記放電チャンバ３には、放電チャンバ３
内を真空状態にする真空ポンプ１３と、放電チャンバ３
内に窒素又はメタン等の反応性ガスを供給するガス供給
手段１５がそれぞれバルブ１７を介して接続されてい
る。なお、前記真空ポンプ１３には、ロータリーポンプ
ＲＰとターボ分子ポンプＴＭＰとが用いられている。前
記アーク電源７は、その端子間に接続されたイオン源５
にパルス高電流を流すことにより、シャンティングアー
ク（shunting arc）を発生させるためのものである。こ
のシャンティングアークの発生は、ガス供給手段１５に
よってチャンバ３内に注入された反応性ガスの雰囲気下
で行なわれる。
内を真空状態にする真空ポンプ１３と、放電チャンバ３
内に窒素又はメタン等の反応性ガスを供給するガス供給
手段１５がそれぞれバルブ１７を介して接続されてい
る。なお、前記真空ポンプ１３には、ロータリーポンプ
ＲＰとターボ分子ポンプＴＭＰとが用いられている。前
記アーク電源７は、その端子間に接続されたイオン源５
にパルス高電流を流すことにより、シャンティングアー
ク（shunting arc）を発生させるためのものである。こ
のシャンティングアークの発生は、ガス供給手段１５に
よってチャンバ３内に注入された反応性ガスの雰囲気下
で行なわれる。
【００１３】シャンティングアークの発生は、コンデン
サＣ（全容量２０μＦ、４μＦを５個並列接続、耐電圧
６．２ｋＶ）に蓄積されたエネルギによって行なわれ
る。また、パルスを発生させるためのスイッチング素子
としては、トリガトロン１９が用いられている。このト
リガトロン１９の動作は以下の通りである。信号発生器
ＳＧからの信号によってトリガトロンドライバＴＤから
高電圧パルス電圧（出力電圧１０ｋＶ、幅約２μｓ）を
トリガピンに入力し、微小アークによる予備放電の後主
放電に移行し、コンデンサＣからの電荷の放出、イオン
源５の加熱、アーク形成に至る。
サＣ（全容量２０μＦ、４μＦを５個並列接続、耐電圧
６．２ｋＶ）に蓄積されたエネルギによって行なわれ
る。また、パルスを発生させるためのスイッチング素子
としては、トリガトロン１９が用いられている。このト
リガトロン１９の動作は以下の通りである。信号発生器
ＳＧからの信号によってトリガトロンドライバＴＤから
高電圧パルス電圧（出力電圧１０ｋＶ、幅約２μｓ）を
トリガピンに入力し、微小アークによる予備放電の後主
放電に移行し、コンデンサＣからの電荷の放出、イオン
源５の加熱、アーク形成に至る。
【００１４】前記パルス電圧発生源４は、ワーク９に高
電圧パルスを印加し、プラズマからのイオン引き出しを
行なうものであって、信号発生器ＳＧからの信号が遅延
パルス発生器ＤＰＧ２に入力され、その出力電圧は所定
時間の経過の後、パルスモジュレータ２１に入力され、
フィードスルー２３を通して放電チャンバ３内のワーク
９にパルス電圧を印加する。すなわち、ワーク９に印加
されるパルスはイオン源５に印加されるパルスと同期
し、かつ所定時間遅延したものである。
電圧パルスを印加し、プラズマからのイオン引き出しを
行なうものであって、信号発生器ＳＧからの信号が遅延
パルス発生器ＤＰＧ２に入力され、その出力電圧は所定
時間の経過の後、パルスモジュレータ２１に入力され、
フィードスルー２３を通して放電チャンバ３内のワーク
９にパルス電圧を印加する。すなわち、ワーク９に印加
されるパルスはイオン源５に印加されるパルスと同期
し、かつ所定時間遅延したものである。
【００１５】以下に、シャンティングアーク放電の発生
原理について説明する。低圧力におかれた線や箔状等の
素材（イオン発生源５）を電極間に固定して、パルス電
流を流すと、加熱により温度が上昇し、素材の周囲には
蒸発に伴う粒子雲が形成される。素材が金属などの場合
には表面から熱電子放出等による電子も存在すると考え
られる。
原理について説明する。低圧力におかれた線や箔状等の
素材（イオン発生源５）を電極間に固定して、パルス電
流を流すと、加熱により温度が上昇し、素材の周囲には
蒸発に伴う粒子雲が形成される。素材が金属などの場合
には表面から熱電子放出等による電子も存在すると考え
られる。
【００１６】温度の増加により素材の抵抗は高くなり、
電極間に加わる電圧は増加する。電極間に生ずる電圧降
下が周囲の媒質（反応性ガス）の放電開始電圧になる
と、媒質中で放電が発生し、元の素材のイオンを含むプ
ラズマが生成され、通常アークである。これがシャンテ
ィング放電であり、プラズマ中には多量の素材の成分が
存在する。
電極間に加わる電圧は増加する。電極間に生ずる電圧降
下が周囲の媒質（反応性ガス）の放電開始電圧になる
と、媒質中で放電が発生し、元の素材のイオンを含むプ
ラズマが生成され、通常アークである。これがシャンテ
ィング放電であり、プラズマ中には多量の素材の成分が
存在する。
【００１７】シャンティングアークはイオン化したい材
料の細線や箔を加熱する事により、それらの周囲で発生
するアークを指す。シャンティングアークによるパルス
イオン注入は、プラズマ中に浸されたワーク９にパルス
高電圧を印加し、その周囲から均一にイオン注入を行な
う点で有用である。
料の細線や箔を加熱する事により、それらの周囲で発生
するアークを指す。シャンティングアークによるパルス
イオン注入は、プラズマ中に浸されたワーク９にパルス
高電圧を印加し、その周囲から均一にイオン注入を行な
う点で有用である。
【００１８】シャンティングアークの放電維持は、素材
面でのアークスポット（陰極点など）に依存しない機構
であるので、素材からのマクロパーティクルは発生しな
い利点があり、従来の金属アークによる薄膜の生成など
で大きな問題となるドロップレット（液滴）も少ない蒸
着法といえる。プラズマに至るプロセスは単体の電源で
あり、装置構成は簡素化され、かつ、放電の発生が蒸気
などに依存するため低気圧動作ができる。さらに従来の
プラズマ生成で苦手とされる高融点材料での発生が容易
である特徴を有している。
面でのアークスポット（陰極点など）に依存しない機構
であるので、素材からのマクロパーティクルは発生しな
い利点があり、従来の金属アークによる薄膜の生成など
で大きな問題となるドロップレット（液滴）も少ない蒸
着法といえる。プラズマに至るプロセスは単体の電源で
あり、装置構成は簡素化され、かつ、放電の発生が蒸気
などに依存するため低気圧動作ができる。さらに従来の
プラズマ生成で苦手とされる高融点材料での発生が容易
である特徴を有している。
【００１９】シャンティングアークを用いたイオン注入
は以下の特徴を有する。第１に複雑形状物の内面へのイ
オン注入を行うことができる。第２に固体の蒸発化など
のために新たな電源を設けることなく、プラズマの形成
をもたらすことができる。すなわち、一つの電源により
プラズマ形成に至る点に大きな特徴を有し、繰り返し放
電も可能である。第３としてアーク電流値が容易に１０
００Ａ以上に達することがあげられる。従来数十Ａのア
ーク電流値からのイオン引き出されることを考えると、
短時間の内に高いドーズ量のイオン注入が可能である。
これらの事柄は従来にないパルスイオン源の特徴を持
ち、かつ簡便でコストパフォーマンスに優れた方式であ
る。
は以下の特徴を有する。第１に複雑形状物の内面へのイ
オン注入を行うことができる。第２に固体の蒸発化など
のために新たな電源を設けることなく、プラズマの形成
をもたらすことができる。すなわち、一つの電源により
プラズマ形成に至る点に大きな特徴を有し、繰り返し放
電も可能である。第３としてアーク電流値が容易に１０
００Ａ以上に達することがあげられる。従来数十Ａのア
ーク電流値からのイオン引き出されることを考えると、
短時間の内に高いドーズ量のイオン注入が可能である。
これらの事柄は従来にないパルスイオン源の特徴を持
ち、かつ簡便でコストパフォーマンスに優れた方式であ
る。
【００２０】ここで、シャンティングアークの特性を、
図２のシャンティングアーク電圧・電流波形に基づいて
説明する。図２の波形は、シャンティングアーク及び初
期のカーボンロッド（イオン源５）に流れる電流・電圧
波形であって、図１中の電流変成器ＣＴ１と、同じく図
１中の高電圧プローブＶＰ１とを用いてオシロスコープ
で波形観測をしたものである。ここで、コンデンサＣの
充電電圧Ｖｃは１２００Ｖとし、チャンバー３内のガス
（空気）圧力Ｐは８×１０-4Torrである。
図２のシャンティングアーク電圧・電流波形に基づいて
説明する。図２の波形は、シャンティングアーク及び初
期のカーボンロッド（イオン源５）に流れる電流・電圧
波形であって、図１中の電流変成器ＣＴ１と、同じく図
１中の高電圧プローブＶＰ１とを用いてオシロスコープ
で波形観測をしたものである。ここで、コンデンサＣの
充電電圧Ｖｃは１２００Ｖとし、チャンバー３内のガス
（空気）圧力Ｐは８×１０-4Torrである。
【００２１】トリガトロン１９がオン（図中の時刻
“０”）して電流が流れ始める。図２（ｂ）よりかるよ
うに３μｓ程度まではほぼ２０Ａの一定値を維持する。
電圧波形も次第に増加を初め、約１μｓにおいて約１１
００Ｖの値に達する。その後ロッド５の周囲が絶縁破壊
を起こし、アークの開始と共に大電流が流れ、図２
（ａ）に示すように減衰振動をしながら約６５μｓで電
流は流れなくなる。
“０”）して電流が流れ始める。図２（ｂ）よりかるよ
うに３μｓ程度まではほぼ２０Ａの一定値を維持する。
電圧波形も次第に増加を初め、約１μｓにおいて約１１
００Ｖの値に達する。その後ロッド５の周囲が絶縁破壊
を起こし、アークの開始と共に大電流が流れ、図２
（ａ）に示すように減衰振動をしながら約６５μｓで電
流は流れなくなる。
【００２２】図３は、ワーク９の位置におけるＣＩＩ：
３９１．８９８ｎｍのスペクトルの強度の時間推移を示
している。このスペクトルの観測は、チャンバー３内で
発生した光をスペクトロスコープ（Spectroscope）又は
ＣＣＤカメラ２５によって受光することによって行なわ
れる。具体的には、チャンバー３内で発光した光を光フ
ァイバーで受光する。その出力光は分光器の回折格子に
入射され、イメージインテンシファイヤ２７にて光増倍
させ、ＣＣＤ素子による検出、デジタル信号への変換の
後、データとして計算機に取り込むことによって行なわ
れる。
３９１．８９８ｎｍのスペクトルの強度の時間推移を示
している。このスペクトルの観測は、チャンバー３内で
発生した光をスペクトロスコープ（Spectroscope）又は
ＣＣＤカメラ２５によって受光することによって行なわ
れる。具体的には、チャンバー３内で発光した光を光フ
ァイバーで受光する。その出力光は分光器の回折格子に
入射され、イメージインテンシファイヤ２７にて光増倍
させ、ＣＣＤ素子による検出、デジタル信号への変換の
後、データとして計算機に取り込むことによって行なわ
れる。
【００２３】イメージインテンシファイヤ２７は、ゲー
ト付きであって任意の時間より所定の遅れ時間での分光
測光が可能である。すなわち、シャンティングアーク電
流を前記電流変成器ＣＴ１により検知し、その信号を遅
延パルス発生器ＤＰＧ１に入力しＴＴＬレベルの信号パ
ルスに変換された後にゲートパルス発生器に入力され、
イメージインテンシファイヤ２７のゲートが開く。
ト付きであって任意の時間より所定の遅れ時間での分光
測光が可能である。すなわち、シャンティングアーク電
流を前記電流変成器ＣＴ１により検知し、その信号を遅
延パルス発生器ＤＰＧ１に入力しＴＴＬレベルの信号パ
ルスに変換された後にゲートパルス発生器に入力され、
イメージインテンシファイヤ２７のゲートが開く。
【００２４】図３より、アーク発生後約５μｓから発生
しているのがわかる。ここで、ワーク９はカーボンロッ
ド５から１００ｍｍの位置に配置されており、この時間
は、カーボンロッド５から１００ｍｍの位置にアークの
先端が到達する時間を示す。光強度は約７．８μｓで最
大となり、その後時間の経過と共に減少し約１０．５μ
ｓあたりで非常に弱くなる。以上より、本条件ではシャ
ンティングアークは発生後約５μｓにおいて発生地点か
ら１００ｍｍの位置にある基材の所にまで到達する。従
ってアークの平均膨張速度は２０ｋｍ／ｓ程度の高速で
あることがわかる。
しているのがわかる。ここで、ワーク９はカーボンロッ
ド５から１００ｍｍの位置に配置されており、この時間
は、カーボンロッド５から１００ｍｍの位置にアークの
先端が到達する時間を示す。光強度は約７．８μｓで最
大となり、その後時間の経過と共に減少し約１０．５μ
ｓあたりで非常に弱くなる。以上より、本条件ではシャ
ンティングアークは発生後約５μｓにおいて発生地点か
ら１００ｍｍの位置にある基材の所にまで到達する。従
ってアークの平均膨張速度は２０ｋｍ／ｓ程度の高速で
あることがわかる。
【００２５】プラズマの高速移動はアーク自身の電流密
度と自己磁界によって生ずる駆動とプラズマ自身がチャ
ンバー３に対して負の電位を持つことが理由として考え
られる。後者の現象は以下の通りと考えられる。シャン
ティングアークの発生により、図１の電源用コンデンサ
Ｃのプラス側が接地され、プラズマはチャンバー３に対
し負の電位を持つ。この結果、シャンティングアークプ
ラズマからチャンバー３に向かう電子のドリフトと両極
性拡散的な作用によるイオンの駆動も加わり、プラズマ
の膨張が促進される。
度と自己磁界によって生ずる駆動とプラズマ自身がチャ
ンバー３に対して負の電位を持つことが理由として考え
られる。後者の現象は以下の通りと考えられる。シャン
ティングアークの発生により、図１の電源用コンデンサ
Ｃのプラス側が接地され、プラズマはチャンバー３に対
し負の電位を持つ。この結果、シャンティングアークプ
ラズマからチャンバー３に向かう電子のドリフトと両極
性拡散的な作用によるイオンの駆動も加わり、プラズマ
の膨張が促進される。
【００２６】図４はワーク９位置でのアークプラズマの
分光の時間変化を表す。観測時間はアーク発生後約２６
μｓから約２１０μｓ、波長範囲は６４０ｍｍ〜６８０
ｍｍである。一連の観測より、以下の点がわかる。大電
流のシャンティングアークが観測される時間範囲ではカ
ーボンイオンと共に窒素プラズマが認められ、放電の終
了以降の時間範囲では窒素スペクトルのみであることが
わかる。
分光の時間変化を表す。観測時間はアーク発生後約２６
μｓから約２１０μｓ、波長範囲は６４０ｍｍ〜６８０
ｍｍである。一連の観測より、以下の点がわかる。大電
流のシャンティングアークが観測される時間範囲ではカ
ーボンイオンと共に窒素プラズマが認められ、放電の終
了以降の時間範囲では窒素スペクトルのみであることが
わかる。
【００２７】シャンティングアーク中はターゲットであ
るワーク９へのＤＬＣ（Diamond Like Carbon）の堆積
も可能な程カーボン粒子が豊富にある。プラズマの駆動
により、媒質のガス粒子（ここでは窒素）の電離や励起
がもたらされる。図４においてアークの発生後約２６μ
ｓにおいてターゲットの位置に多くの窒素（Ｎ）スペク
トルが観測されるのはアーク膨張による電離作用である
といえる。約６５μｓ以前のシャンティングアーク電流
の多くはカーボンロッド５間を橋絡して流れるが、一部
はチャンバー３壁に向かうプラズマの流れとなり、媒質
を電離する。
るワーク９へのＤＬＣ（Diamond Like Carbon）の堆積
も可能な程カーボン粒子が豊富にある。プラズマの駆動
により、媒質のガス粒子（ここでは窒素）の電離や励起
がもたらされる。図４においてアークの発生後約２６μ
ｓにおいてターゲットの位置に多くの窒素（Ｎ）スペク
トルが観測されるのはアーク膨張による電離作用である
といえる。約６５μｓ以前のシャンティングアーク電流
の多くはカーボンロッド５間を橋絡して流れるが、一部
はチャンバー３壁に向かうプラズマの流れとなり、媒質
を電離する。
【００２８】約６５μｓにおいてコンデンサＣの残留電
圧がアーク放電の再点弧電圧以下となり、シャンティン
グアークは消滅する。一方、チャンバー３壁に向かうア
ーク（以下、誘起プラズマと称する）は抵抗の大きいプ
ラズマと考えられ、コンデンサＣの電荷の反転は起こら
ず、ほぼ直流アークに近い一方向に流れる電流となるた
め、消滅することはなく継続して流れると考えられる。
圧がアーク放電の再点弧電圧以下となり、シャンティン
グアークは消滅する。一方、チャンバー３壁に向かうア
ーク（以下、誘起プラズマと称する）は抵抗の大きいプ
ラズマと考えられ、コンデンサＣの電荷の反転は起こら
ず、ほぼ直流アークに近い一方向に流れる電流となるた
め、消滅することはなく継続して流れると考えられる。
【００２９】従ってシャンティングアーク消滅以降の時
間領域でカーボンスペクトルではなく、チャンバー内に
存在する媒質ガス成分である窒素（Ｎ）のスペクトルが
現れる。おおむね２００μｓの長時間にわたってプラズ
マが継続するのは誘起プラズマの抵抗が大きく直流的な
電流の流れとなっているためと考えられる。このように
大電流の主放電が終了の後、直流的な電流の形成に至る
現象は、発生の要因は異なるが、エキシマレーザの励起
放電の終了近くで発生するアーク放電と類似する。
間領域でカーボンスペクトルではなく、チャンバー内に
存在する媒質ガス成分である窒素（Ｎ）のスペクトルが
現れる。おおむね２００μｓの長時間にわたってプラズ
マが継続するのは誘起プラズマの抵抗が大きく直流的な
電流の流れとなっているためと考えられる。このように
大電流の主放電が終了の後、直流的な電流の形成に至る
現象は、発生の要因は異なるが、エキシマレーザの励起
放電の終了近くで発生するアーク放電と類似する。
【００３０】以上より、シャンティングアークは高速で
膨張し、その間放電媒質に新たなプラズマを誘起し、元
の素材（ここでは加熱に用いたカーボンロッド５）のみ
でなく、媒質の成分も含むプラズマと考えられ、電流の
流れはカーボンロッド５を橋絡する流れと容器３壁に向
かう電流の流れの２種から成ると考えられ、カーボンロ
ッド５を橋絡するアークが消滅するとロッド５と容器３
壁間のプラズマのみとなり、インピーダンスが高く、長
時間継続して発生する。プラズマ種は媒質の成分が主で
ある。
膨張し、その間放電媒質に新たなプラズマを誘起し、元
の素材（ここでは加熱に用いたカーボンロッド５）のみ
でなく、媒質の成分も含むプラズマと考えられ、電流の
流れはカーボンロッド５を橋絡する流れと容器３壁に向
かう電流の流れの２種から成ると考えられ、カーボンロ
ッド５を橋絡するアークが消滅するとロッド５と容器３
壁間のプラズマのみとなり、インピーダンスが高く、長
時間継続して発生する。プラズマ種は媒質の成分が主で
ある。
【００３１】このように、本発明のイオン注入装置１
（イオン発生装置）によれば、シャンティングアークと
そこから誘起されるプラズマが発生する。このことは、
プラズマのイオン種が１回のプラズマの生成〜消滅過程
で変化が起こることを意味する。図５は、ワーク（ター
ゲット）９に印加されるパルス電圧Ｖp の波形を示して
いる。この電圧は図１中の高電圧プローブＶＰ２を用い
てオシロスコープで測定したものである。図５に示すよ
うに、印加パルスの立ち上がりは約２．５μｓ、パルス
幅は約１０μｓである。
（イオン発生装置）によれば、シャンティングアークと
そこから誘起されるプラズマが発生する。このことは、
プラズマのイオン種が１回のプラズマの生成〜消滅過程
で変化が起こることを意味する。図５は、ワーク（ター
ゲット）９に印加されるパルス電圧Ｖp の波形を示して
いる。この電圧は図１中の高電圧プローブＶＰ２を用い
てオシロスコープで測定したものである。図５に示すよ
うに、印加パルスの立ち上がりは約２．５μｓ、パルス
幅は約１０μｓである。
【００３２】図６は、パルス電圧の印加時刻を変化させ
たときのターゲット９を流れる電流波形である。この電
流は、図１中の電流変成器ＣＴ２を用いてオシロスコー
プで観測される。図６の電流は正イオン電流であるが、
一部イオンがターゲット９に衝突することによる２次電
子放出電流も含まれている。印加時刻はアーク発生後４
０〜２００μｓであり、時刻が遅れるにつれて、電流が
現象するのがわかる。電流の減少はプラズマの膨張によ
るプラズマ密度の低下によるためと考えられる。アーク
継続中（図中４０〜６０μｓ）と窒素（Ｎ）スペクトル
のみが観測されるとき（図中２００μｓ）のターゲット
電流を比べると後者は前者の２０〜３０％程度であり。
いずれにしてもシャンティングアーク及びその誘起プラ
ズマ中にあるターゲットにパルス電圧を印加するとイオ
ン電流が引き出されることが確認された。
たときのターゲット９を流れる電流波形である。この電
流は、図１中の電流変成器ＣＴ２を用いてオシロスコー
プで観測される。図６の電流は正イオン電流であるが、
一部イオンがターゲット９に衝突することによる２次電
子放出電流も含まれている。印加時刻はアーク発生後４
０〜２００μｓであり、時刻が遅れるにつれて、電流が
現象するのがわかる。電流の減少はプラズマの膨張によ
るプラズマ密度の低下によるためと考えられる。アーク
継続中（図中４０〜６０μｓ）と窒素（Ｎ）スペクトル
のみが観測されるとき（図中２００μｓ）のターゲット
電流を比べると後者は前者の２０〜３０％程度であり。
いずれにしてもシャンティングアーク及びその誘起プラ
ズマ中にあるターゲットにパルス電圧を印加するとイオ
ン電流が引き出されることが確認された。
【００３３】
【実施例】（実施例１）：ＤＬＣ膜の形成
図１の装置において、コンデンサＣの充電電圧１２００
Ｖ、シャンティングアーク発生のための最大電流は約
０．５ｋＡ、半波の放電持続時間は約２５μsec、イオ
ン源５としては長さ３５ｍｍ・直径２ｍｍのカーボンロ
ッド、チャンバー３に注入される反応性ガスとしてはカ
ーボン系気体であるメタンＣＨ4 （アセチレンでも
可）、チャンバー圧力は８×１０-4Torr、放電発生の繰
返しは５■、成膜時間は９０min 、形成膜はＤＬＣ膜、
の条件下で運転を行なう。
Ｖ、シャンティングアーク発生のための最大電流は約
０．５ｋＡ、半波の放電持続時間は約２５μsec、イオ
ン源５としては長さ３５ｍｍ・直径２ｍｍのカーボンロ
ッド、チャンバー３に注入される反応性ガスとしてはカ
ーボン系気体であるメタンＣＨ4 （アセチレンでも
可）、チャンバー圧力は８×１０-4Torr、放電発生の繰
返しは５■、成膜時間は９０min 、形成膜はＤＬＣ膜、
の条件下で運転を行なう。
【００３４】媒質としてカーボン系の気体が用いると、
カーボンシャンティングアーク中に誘起プラズマによる
カーボン成分が加わることとなり、より多くのカーボン
イオンが生成される。すなわち、低気圧でシャンティン
グアークの持つ本来のプラズマ密度より、さらに高いカ
ーボンプラズマを発生し、生成が難しいカーボンプラズ
マの高密度化を容易に達成できる。したがって、効率の
良い成膜が可能である。
カーボンシャンティングアーク中に誘起プラズマによる
カーボン成分が加わることとなり、より多くのカーボン
イオンが生成される。すなわち、低気圧でシャンティン
グアークの持つ本来のプラズマ密度より、さらに高いカ
ーボンプラズマを発生し、生成が難しいカーボンプラズ
マの高密度化を容易に達成できる。したがって、効率の
良い成膜が可能である。
【００３５】（実施例２）：ＤＬＣ膜の形成
実施例１の条件に加えて、ターゲット９に出力電圧１０
ｋＶ、パルス幅約２μsec ( シャンティングアークと同
期) のパルス電圧を印加する。この場合、密着力の高い
ＤＬＣ膜の形成が可能で、しかも一回のプロセスで行な
うことができる。
ｋＶ、パルス幅約２μsec ( シャンティングアークと同
期) のパルス電圧を印加する。この場合、密着力の高い
ＤＬＣ膜の形成が可能で、しかも一回のプロセスで行な
うことができる。
【００３６】（実施例３）：ＣＮ膜の形成
図１の装置において、コンデンサＣの充電電圧１２００
Ｖ、シャンティングアーク発生のための最大電流は約
１．４ｋＡ、半波の放電持続時間は約２０μsec、イオ
ン源５としては長さ３５ｍｍ・直径２ｍｍのカーボンロ
ッド、チャンバー３に注入される反応性ガスとしては窒
素、チャンバー圧力は８×１０-4Torr、放電発生の繰返
しは５■、ターゲット９に印加するパルス電圧は出力電
圧−５ｋＶ、パルス幅約１０μse（シャンティングアー
クと同期）、成膜時間は９０min 、形成膜はＣＮ膜、の
条件下で運転を行なう。
Ｖ、シャンティングアーク発生のための最大電流は約
１．４ｋＡ、半波の放電持続時間は約２０μsec、イオ
ン源５としては長さ３５ｍｍ・直径２ｍｍのカーボンロ
ッド、チャンバー３に注入される反応性ガスとしては窒
素、チャンバー圧力は８×１０-4Torr、放電発生の繰返
しは５■、ターゲット９に印加するパルス電圧は出力電
圧−５ｋＶ、パルス幅約１０μse（シャンティングアー
クと同期）、成膜時間は９０min 、形成膜はＣＮ膜、の
条件下で運転を行なう。
【００３７】この場合、シャンティングアークによりカ
ーボンイオンが発生し、誘起プラズマの発生により窒素
イオンが発生する。すなわち、異なるイオンの発生を１
つの装置による１回のプラズマ生成により行なうことが
できる。図７は、上記のようなプラズマの生成化でター
ゲット９にイオン注入を行なうためのパルス電圧の印加
例を示している。
ーボンイオンが発生し、誘起プラズマの発生により窒素
イオンが発生する。すなわち、異なるイオンの発生を１
つの装置による１回のプラズマ生成により行なうことが
できる。図７は、上記のようなプラズマの生成化でター
ゲット９にイオン注入を行なうためのパルス電圧の印加
例を示している。
【００３８】図７においてターゲット電流（Target cu
rrent)の変化は、カーボンイオンが豊富に含まれている
シャンティングアーク(Carbon-rich plasma）に続い
て、継続時間の長い誘起窒素プラズマ（Nitorogen-rich
plasma）が存在することを示している。図７（ａ）
は、カーボンと窒素のプラズマが存在する時間領域で、
ターゲットに負のパルス電圧−Ｖ0 を全放電時間にわた
って印加した場合である。この場合、ターゲット９に
は、カーボンイオンの注入と窒素イオンの注入が１回の
プロセスで起こることになる。
rrent)の変化は、カーボンイオンが豊富に含まれている
シャンティングアーク(Carbon-rich plasma）に続い
て、継続時間の長い誘起窒素プラズマ（Nitorogen-rich
plasma）が存在することを示している。図７（ａ）
は、カーボンと窒素のプラズマが存在する時間領域で、
ターゲットに負のパルス電圧−Ｖ0 を全放電時間にわた
って印加した場合である。この場合、ターゲット９に
は、カーボンイオンの注入と窒素イオンの注入が１回の
プロセスで起こることになる。
【００３９】また１回のプロセスにおいてカーボンプラ
ズマと窒素プラズマにおいてパルス電圧の値を変えるこ
とによりそれぞれのイオン注入量が制御できる。また、
印加する電圧を短パルスとして連続して加えることによ
り、ターゲット９周囲のイオンシース量を変えることが
でき、いろいろな形のターゲットへの均一なイオン注入
への適用性が高まる。このようにパルス電圧発生源１１
に、プラズマの発生時間領域内でパルス幅やパルス電圧
を制御する制御手段（パルスモジュレータ２１）を具備
することで、様々なイオン注入を行なうことができる。
ズマと窒素プラズマにおいてパルス電圧の値を変えるこ
とによりそれぞれのイオン注入量が制御できる。また、
印加する電圧を短パルスとして連続して加えることによ
り、ターゲット９周囲のイオンシース量を変えることが
でき、いろいろな形のターゲットへの均一なイオン注入
への適用性が高まる。このようにパルス電圧発生源１１
に、プラズマの発生時間領域内でパルス幅やパルス電圧
を制御する制御手段（パルスモジュレータ２１）を具備
することで、様々なイオン注入を行なうことができる。
【００４０】図７（ｂ）は、カーボンプラズマが発生し
ている間でターゲット９に電圧を印加しない場合であっ
て、ターゲットにはカーボン材の堆積作用をもたらすこ
とができ、しかる後にターゲット９にパルス電圧を印加
することにより窒素イオンが注入可能である。そして、
この場合、１回のプロセスでＣＮ膜を形成することがで
きる。
ている間でターゲット９に電圧を印加しない場合であっ
て、ターゲットにはカーボン材の堆積作用をもたらすこ
とができ、しかる後にターゲット９にパルス電圧を印加
することにより窒素イオンが注入可能である。そして、
この場合、１回のプロセスでＣＮ膜を形成することがで
きる。
【００４１】（実施例４）：ＴｉＮ膜の形成
実施例３の条件において、イオン源５にチタンＴｉを採
用すると、シャンティングアークによりチタンイオン
が、誘起プラズマにより窒素イオンが生成され、ターゲ
ット９にＴｉＮ膜を形成することができる。また、ター
ゲット９に−１０〜−２００Ｖのパルス電圧を印加する
と、密着力が向上する。
用すると、シャンティングアークによりチタンイオン
が、誘起プラズマにより窒素イオンが生成され、ターゲ
ット９にＴｉＮ膜を形成することができる。また、ター
ゲット９に−１０〜−２００Ｖのパルス電圧を印加する
と、密着力が向上する。
【００４２】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではなく、媒質のガス質やイオン源の素材を適宜変
更することにより、他の炭化物（ＴｉＣ、ＷＣなど）、
窒化物（ＴｉＣＮ、ＺｒＮなど）を形成することもでき
る。
ものではなく、媒質のガス質やイオン源の素材を適宜変
更することにより、他の炭化物（ＴｉＣ、ＷＣなど）、
窒化物（ＴｉＣＮ、ＺｒＮなど）を形成することもでき
る。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、異なる種類のプラズマ
の発生を１回のプロセスから装置構成を変えることなく
でき、装置を簡素化することができる。また誘起プラズ
マによってイオン化される媒質のガス種やイオン源の素
材を変えることにより、様々な膜形成を行なうことがで
きる。
の発生を１回のプロセスから装置構成を変えることなく
でき、装置を簡素化することができる。また誘起プラズ
マによってイオン化される媒質のガス種やイオン源の素
材を変えることにより、様々な膜形成を行なうことがで
きる。
【図１】イオン注入装置の全体図である。
【図２】シャンティングアーク電圧・電流波形である。
【図３】ターゲット付近の時間経過によるスペクトル強
度推移図である。
度推移図である。
【図４】スペクトル観測図である。
【図５】ターゲットへのパルス印加電圧波形図である。
【図６】放電開始後に印加する電圧の時刻を変化させた
ときの電流波形図である。
ときの電流波形図である。
【図７】ターゲット電流・印加電圧波形図である。
１ イオン注入装置（イオン発生装置）
３ 放電チャンバ（反応室）
５ イオン源
７ アーク電源
９ 被イオン注入体（ワーク、ターゲット）
１１ パルス電圧発生源
１３ 真空ポンプ
１５ ガス注入手段
２１ パルスモジュレータ（制御手段）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平８−222177（ＪＰ，Ａ)
特開 昭64−42574（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−260276（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 27/08
H01J 37/08
Claims (8)
- 【請求項１】 反応室と、当該反応室内に設置された導
電性のイオン源と、前記イオン源にパルス状のアーク電
流を流してシャンティングアーク放電を発生させること
でイオン源からイオンを発生させるアーク電源と、前記
シャンティングアーク放電によりイオン化する窒素・メ
タン等の反応性ガスを反応室内に供給するガス供給手段
とを備えており、前記イオン源から発生したイオンと反
応性ガスから発生したイオンとの両方を被イオン注入体
に１回のプロセスで注入させるべく、反応室内に配置さ
れた被イオン注入体に負のパルス電圧を印加するパルス
電圧発生源と、を備えていることを特徴とするイオン注
入装置。 - 【請求項２】 前記パルス電圧発生源は、前記アーク電
源のパルスと同期し、かつ遅延したパルス電圧を発生す
るものであることを特徴とする請求項１記載のイオン注
入装置。 - 【請求項３】 前記パルス電圧発生源は、イオンの発生
時間内においてパスル電圧又はパルス幅を制御する制御
手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載
のイオン注入装置。 - 【請求項４】 前記パルス電圧発生源は、イオン源から
発生したプラズマと反応性ガスから発生したプラズマと
が存在する時間領域で、被イオン注入体に負のパルス電
圧を全放電時間にわたって印加することを特徴とする請
求項１〜３のいずれかに記載のイオン注入装置。 - 【請求項５】 被イオン注入体にイオンを注入するイオ
ン注入方法において、 窒素・メタン等の反応性ガスの雰囲気下で、導電性のイ
オン源にパルス状のアーク電流を流すことによりシャン
ティングアーク放電を発生させることで、イオン源から
イオンを発生させると共に、前記シャンティングアーク
からプラズマを誘起して反応性ガスからイオンを発生さ
せ、前記被イオン注入体に負のパルス電圧を印加するこ
とにより、前記被イオン注入体に前記イオン源からのイ
オンと前記反応性ガスからのイオンとを１回のプロセス
で注入することを特徹とする イオン注入方法。 - 【請求項６】 前記パルス電圧は、前記アーク電源のパ
ルスと同期し、かつ遅延したものであることを特徴とす
る請求項５に記載のイオン注入方法。 - 【請求項７】 前記パルス電圧は、イオンの発生時間内
においてパスル電圧又はパルス幅が制御されるものであ
ることを特徴とする請求項５又は６記載のイオン注入方
法。 - 【請求項８】 前記パルス電圧は、イオン源から発生し
たプラズマと反応性ガスから発生したプラズマとが存在
する時間領域で、全放電時間にわたって被イオン注入体
に印加されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか
に記載のイオン注入方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35337698A JP3504169B2 (ja) | 1998-12-11 | 1998-12-11 | イオン注入装置及びイオン注入方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35337698A JP3504169B2 (ja) | 1998-12-11 | 1998-12-11 | イオン注入装置及びイオン注入方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000182527A JP2000182527A (ja) | 2000-06-30 |
| JP3504169B2 true JP3504169B2 (ja) | 2004-03-08 |
Family
ID=18430427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35337698A Expired - Fee Related JP3504169B2 (ja) | 1998-12-11 | 1998-12-11 | イオン注入装置及びイオン注入方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3504169B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004362901A (ja) | 2003-06-04 | 2004-12-24 | Sharp Corp | イオンドーピング装置、イオンドーピング方法および半導体装置 |
-
1998
- 1998-12-11 JP JP35337698A patent/JP3504169B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000182527A (ja) | 2000-06-30 |
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