JP3716700B2 - イオン源およびその運転方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマ生成容器内にフィラメントおよび反射電極を有すると共に、フィラメントと反射電極とを結ぶ方向に磁界を印加する構造をしている、いわゆるバーナス（Ｂｅｒｎｕｓ）型のイオン源およびその運転方法に関し、より具体的には、イオンビーム中の分子イオンの比率を高める手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン源の一例が、例えば特開平１１−３３９６７４号公報に開示されている。それを図３および図４を参照して説明する。
【０００３】
このイオン源は、陽極を兼ねていてガス導入口６からイオン源ガスが導入されるプラズマ生成容器２と、このプラズマ生成容器２の一方側内にその壁面を貫通して設けられたＵ字状のフィラメント８と、プラズマ生成容器２の他方側内にフィラメント８に向けて設けられた反射電極１０とを備えている。２４および３０は絶縁体である。
【０００４】
プラズマ生成容器２の壁面には、フィラメント８と反射電極１０とを結ぶ方向に長いイオン引出しスリット４が設けられている。このイオン引出しスリット４の出口付近には、プラズマ生成容器２内から（より具体的にはそこに生成されるプラズマ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。
【０００５】
プラズマ生成容器２の外部には、プラズマ生成容器２内に、フィラメント８と反射電極１０とを結ぶ方向に磁界１９を発生させる磁石１８が設けられている。磁石１８は、例えば電磁石であるが、永久磁石でも良い。磁界１９の向きは図示例とは逆向きでも良い。
【０００６】
なお、フィラメント８の向きは、図３はフィラメント電源２０との接続を明らかにするために便宜的に示したものであり、実際上は図４に示すように、Ｕ字状に曲げたフィラメント８を含む面がイオン引出しスリット４にほぼ平行になるように配置されている。
【０００７】
フィラメント８の両端には、フィラメント８を加熱するためのフィラメント電源２０が接続される。フィラメント８の一端とプラズマ生成容器２との間には、両者８、２間にアーク電圧Ｖ_A を印加して両者８、２間でアーク放電を生じさせて、イオン源ガスを電離させてプラズマ１２を生じさせるためのアーク電源２２が接続される。
【０００８】
反射電極１０は、フィラメント８から放出された電子をはね返す作用をするものであり、図示例のようにどこにも接続せずに浮遊電位にしても良いし、フィラメント８に接続してフィラメント電位に固定しても良い。このような反射電極１０を設けると、フィラメント８から放出された電子は、プラズマ生成容器２内に印加されている磁界１９およびアーク電圧Ｖ_A による電界の作用を受けて、磁界１９の方向を軸として磁界１９中で旋回しながらフィラメント８と反射電極１０との間を往復運動するようになり、その結果当該電子とガス分子との衝突確率が高くなってイオン源ガスの電離効率が高まるので、プラズマ１２の生成効率が高まる。
【０００９】
更に従来は、フィラメント８から放出された電子がプラズマ生成容器２の壁面に衝突するまでの寿命を延ばしてプラズマ１２の生成効率を高めるために、フィラメント８の先端中央付近にある最多電子放出点９からプラズマ生成容器２の壁面までの最短距離Ｌよりも、磁界１９中での上記電子のラーモア半径Ｒ（後述する数２参照）が小さくなるように、プラズマ生成容器２内における磁界１９の磁束密度Ｂ等を設定しているのが一般的である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記イオン源から引き出すイオンビーム１６中には、単原子イオン（例えばＰ⁺ 、Ａs⁺ ）の他に、分子状のイオンである分子イオン（例えばＰ₂ ⁺ 、Ａs₂ ⁺
）も含まれている。分子イオンには、例えば二原子から成る二原子イオンや、三原子から成る三原子イオン等がある。
【００１１】
分子イオンは、単原子イオンに比べて次のような利点がある。即ち、（１）分子イオンは、単原子イオンに比べて発散が少ないので輸送効率が向上する。（２）分子イオンをターゲットに注入する場合、複数原子が注入されるので、同じビーム電流の場合、実質的に単原子イオンの複数倍の注入量（ドーズ量）を得ることができる。（３）逆に同じ注入量の場合、分子イオンは単原子イオンに比べてビーム電流が少なくて済むので、ターゲットに入射する電荷量が少なくて済み、ターゲットのチャージアップ（帯電）を抑制する効果が期待できる。
【００１２】
このような観点からは、イオンビーム中の分子イオンの比率が高い方が好ましい。そこでこの発明は、イオンビーム中の分子イオンの比率を高めることを主たる目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るイオン源は、前記プラズマ生成容器とフィラメントとの間に印加されるアーク電圧をＶ_A ［Ｖ］、前記プラズマ生成容器内における磁界の磁束密度をＢ［Ｔ］、前記フィラメントの先端中央付近にある最多電子放出点からプラズマ生成容器の壁面までの最短距離をＬ［ｍ］としたとき、これらを次式の関係を満たすように設定していることを特徴としている。
【００１４】
【数１】
Ｌ＜３．３７Ｂ^-1√（Ｖ_A ）×１０^-6
【００１５】
この発明に係るイオン源の運転方法は、前記プラズマ生成容器とフィラメントとの間に印加されるアーク電圧をＶ_A ［Ｖ］、前記プラズマ生成容器内における磁界の磁束密度をＢ［Ｔ］、前記フィラメントの先端中央付近にある最多電子放出点からプラズマ生成容器の壁面までの最短距離をＬ［ｍ］としたとき、これらを上記数１の関係を満たすように設定してイオンビームを引き出すことを特徴としている。
【００１６】
プラズマ生成容器内に生成されるプラズマの内部では、電子、イオン、原子、分子等による各種物理衝突、分子解離、化学反応等が起こり、絶えず分子イオンの生成および消滅が繰り返されている。この生成された分子イオンを解離させないためには、数ｅＶ以上の高いエネルギーを持つ電子の存在確率をできるだけ下げることが有効である。
【００１７】
フィラメントから放出された電子のプラズマ生成容器内での磁界中における旋回運動のラーモア半径Ｒは、次式で表される。ＢとＶ_A は前述のとおりであり、ｍは電子の質量、ｅは電気素量である。
【００１８】
【数２】
Ｒ＝Ｂ^-1√（２ｍＶ_A ／ｅ）≒３．３７Ｂ^-1√（Ｖ_A ）×１０^-6 ［ｍ］
【００１９】
即ち、上記数１の右辺は、この電子のラーモア半径Ｒを表しており、上記数１はＬ＜Ｒを表している。このような条件に設定しておくと、高いエネルギーを持つ電子がプラズマ生成容器の壁面に衝突して消滅する確率が高くなるので、エネルギーの高い電子の寿命（存在確率）を下げることが可能になり、それによって上述したようにプラズマ中の分子イオンの比率を高めることができる。その結果、イオンビーム中の分子イオンの比率を高めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオン源の一例を示す断面図である。図３および図４に示した例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては従来例との相違点を主に説明する。
【００２１】
このイオン源の基本的な構造は図３の従来例と同様であるけれども、このイオン源では、アーク電源２２からプラズマ生成容器２とフィラメント８との間に印加されるアーク電圧をＶ_A ［Ｖ］、磁石１８によるプラズマ生成容器２内における磁界１９の磁束密度をＢ［Ｔ］、フィラメント８の先端中央付近にある最多電子放出点９からプラズマ生成容器２の壁面までの最短距離をＬ［ｍ］としたとき、これらＶ_A 、ＢおよびＬを、上記数１の関係を満たすように設定している。この点が図３の従来例と大きく異なる。
【００２２】
換言すれば、このイオン源を運転するとき、上記数１の関係を満たすように設定してイオンビーム１６を引き出す。
【００２３】
上記最多電子放出点９は、Ｕ字状のフィラメント８の先端中央が最も温度が高いのでその付近にある。但し、フィラメント８からの電子放出には、熱電子放出に加えて、プラズマ１２中のイオンのスパッタによる電子放出もある。熱電子放出が最も多いのは、最も高温になるフィラメント８の先端中央である。スパッタによる電子放出が最も多いのは、フィラメント電源２０からのフィラメント電圧の影響を受けて、フィラメント８の先端中央から若干フィラメント電源２０の陰極側にずれることがある。このような影響を受けて、最多電子放出点９はフィラメント８の先端中央から若干（例えば数ｍｍ程度）陰極側にずれることがある。この場合も含めて、この明細書では、最多電子放出点９はフィラメント８の先端中央付近にあると言っている。
【００２４】
上記数１の関係を満たす具体的な手段としては、例えば、上記磁束密度Ｂを調整すれば良い。例えば上記磁石１８を電磁石で構成しておけば、この調整は容易である。
【００２５】
上記数１の関係を満たすように設定しておくと、上記最短距離Ｌよりも電子のラーモア半径Ｒの方が大きくなって、例えば数ｅＶ以上という高いエネルギーを持つ電子がプラズマ生成容器２の壁面に衝突して消滅する確率が高くなるので、エネルギーの高い電子の寿命を下げることが可能になり、それによって上述したようにプラズマ１２中の分子イオンの比率を高めることができる。その結果、イオンビーム１６中の分子イオンの比率を高めることができる。ひいては、分子イオンを利用する場合の前述した（１）輸送効率の向上、（２）実注入量の増加、および（３）チャージアップの抑制、という利点を生かす上で有利になる。
【００２６】
なお、このようにすると、プラズマ１２全体の生成効率が低下してイオンビーム１６全体の量が減少する可能性はあるけれども、それは、フィラメント電流を増やす等して、プラズマ１２への投入パワーを増やすことによって補うことができる。そのようにすればイオンビーム１６全体の量を増やすことができる。その場合でも、この発明によればイオンビーム１６中の分子イオンの比率を高めることができるので、分子イオンを多く得ることができる。
【００２７】
【実施例】
上記磁石１８を電磁石としてそのコイル電流を変化させてプラズマ生成容器２内の磁束密度Ｂを変化させたときの、イオンビーム１６中に含まれる着目イオンの電流比を測定した結果の一例を図２に示す。縦軸のイオン電流比は、着目イオン電流の全ビーム電流に対する比率である。
【００２８】
同図中の三角印は、プラズマ生成容器２にイオン源ガスとしてＰＨ₃ を導入してリンイオンを含むイオンビーム１６を引き出したときの例であり、丸印はＡsＨ₃ を導入してヒ素イオンを含むイオンビーム１６を引き出したときの例である。
【００２９】
従来は前述したようにＬ＞Ｒの領域を用いていたのであるが、この発明に従ってＬ＜Ｒの領域を用いることによって、二分子イオン（Ｐ₂ ⁺ 、Ａs₂ ⁺ ）の比率を従来よりもかなり高めることができた。同比率は、最大で５０％近くに達している。
【００３０】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、上記のような関係を満たすように設定することによって、高いエネルギーを持つ電子がプラズマ生成容器の壁面に衝突して消滅する確率が高くなるので、エネルギーの高い電子の寿命を下げることが可能になり、それによってプラズマ中の分子イオンの比率を高めることができる。その結果、イオンビーム中の分子イオンの比率を高めることができる。ひいては、分子イオンを利用する場合の（１）輸送効率の向上、（２）実注入量の増加、および（３）チャージアップの抑制、という利点を生かす上で有利になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオン源の一例を示す断面図である。
【図２】磁石のコイル電流を変化させてプラズマ生成容器内の磁束密度を変化させたときの、イオンビーム中に含まれる着目イオンの電流比の測定結果の一例を示す図である。
【図３】従来のイオン源の一例を示す断面図である。
【図４】プラズマ生成容器内のフィラメントの配置例を示す断面図であり、図１および図３のＣ−Ｃ断面に相当する。
【符号の説明】
２ プラズマ生成容器
８ フィラメント
９ 最多電子放出点
１０ 反射電極
１２ プラズマ
１６ イオンビーム
１８ 磁石
１９ 磁界

Claims (2)

1. アノードを兼ねるプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器の一方側内に設けられたフィラメントと、前記プラズマ生成容器の他方側内にフィラメントに向けて設けられていてフィラメント電位または浮遊電位に保たれる反射電極と、前記プラズマ生成容器内に前記フィラメントと反射電極とを結ぶ方向に磁界を発生させる磁石とを備えるイオン源において、前記プラズマ生成容器とフィラメントとの間に印加されるアーク電圧をＶ_A ［Ｖ］、前記プラズマ生成容器内における磁界の磁束密度をＢ［Ｔ］、前記フィラメントの先端中央付近にある最多電子放出点からプラズマ生成容器の壁面までの最短距離をＬ［ｍ］としたとき、これらを、
   Ｌ＜３．３７Ｂ^-1√（Ｖ_A ）×１０^-6
   なる関係を満たすように設定していることを特徴とするイオン源。
2. アノードを兼ねるプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器の一方側内に設けられたフィラメントと、前記プラズマ生成容器の他方側内にフィラメントに向けて設けられていてフィラメント電位または浮遊電位に保たれる反射電極と、前記プラズマ生成容器内に前記フィラメントと反射電極とを結ぶ方向に磁界を発生させる磁石とを備えるイオン源において、前記プラズマ生成容器とフィラメントとの間に印加されるアーク電圧をＶ_A ［Ｖ］、前記プラズマ生成容器内における磁界の磁束密度をＢ［Ｔ］、前記フィラメントの先端中央付近にある最多電子放出点からプラズマ生成容器の壁面までの最短距離をＬ［ｍ］としたとき、これらを、
   Ｌ＜３．３７Ｂ^-1√（Ｖ_A ）×１０^-6
   なる関係を満たすように設定してイオンビームを引き出すことを特徴とするイオン源の運転方法。

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