JP3797160B2 - イオン源およびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子放出用のフィラメントおよび当該電子反射用の反射電極を有しており、かつプラズマ生成容器内に磁界を印加する構成のイオン源に関し、より具体的には、イオンの生成効率の向上やフィラメントの長寿命化等を図る手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン源の従来例を図１２に示す。このイオン源は、バーナス型イオン源と呼ばれるものであり、同様の構造のものが、例えば特開平９−６３９８１号公報にも開示されている。
【０００３】
このイオン源は、例えば直方体状をしていて陽極を兼ねるプラズマ生成容器２を備えており、その内部にはプラズマ１６の生成用のガス（蒸気の場合も含む）が導入される。このプラズマ生成容器２の壁面（長辺壁）には、イオンビーム１８の引き出し用のイオン引出しスリット４が設けられている。この例では、イオンビーム１８は紙面の裏側へ向けて引き出される。
【０００４】
このプラズマ生成容器２の一方側（一方の短辺壁側）内には、電子ｅを放出するこの例ではＵ字状のフィラメント６が設けられている。このフィラメント６とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１２によって電気的に絶縁されている。
【０００５】
プラズマ生成容器２の他方側（即ちフィラメント６と相対向する短辺壁側）内には、フィラメント６と相対向させて、電子ｅを反射する対向反射電極８が設けられている。この対向反射電極８とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１３によって電気的に絶縁されている。この対向反射電極８は、従来は、どこにも接続せずに浮遊電位にする場合と、前記特開平９−６３９８１号公報にも記載されているように、導線２８でフィラメント６の一方端（より具体的には、フィラメント電源２４の負極側端）に接続してフィラメント電位にする場合とがある。
【０００６】
プラズマ生成容器２内であってフィラメント６の背後に位置する箇所には、即ちフィラメント６のＵ字状部とその背後のプラズマ生成容器２の壁面との間には、対向反射電極８に相対向させて、電子ｅを反射する背後反射電極１０が設けられている。この背後反射電極１０とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１２および１４によって電気的に絶縁されている。この反射電極１０は、従来は、フィラメント６の一端（より具体的には、フィラメント電源２４の負極側端）に接続してフィラメント電位にしていた。
【０００７】
プラズマ生成容器２内には、プラズマ１６の生成・維持用に、プラズマ生成容器２の外部に設けられた磁界発生器２０から、フィラメント６と対向反射電極８とを結ぶ軸に沿う磁界２２が印加される。但し、磁界２２の向きは図示とは逆でも良い。磁界発生器２０は、例えば電磁石である。
【０００８】
フィラメント６には、それを加熱して電子（熱電子）ｅを放出させるために、直流のフィラメント電源２４から、直流のフィラメント電圧ＶF （例えば２〜４Ｖ程度）が印加される。
【０００９】
フィラメント６の一端とプラズマ生成容器２との間には、両者間でアーク放電を生じさせるために、フィラメント６を負極側にして、直流のアーク電源２６からアーク電圧ＶA （例えば４０〜１００Ｖ程度）が印加される。
【００１０】
このイオン源における電位配置の一例を図１３に示す。この例は、対向反射電極８を前記導線２８でフィラメント６の一端に接続した例であるが、対向反射電極８をどこにも接続せずに浮遊電位にしても、対向反射電極８の電位はこの例と同程度に、即ちフィラメント６の電位と同程度になる。これは、浮遊電位にしていても、対向反射電極８には、プラズマ１６中の軽くて移動度の高い電子がイオンよりも遙かに多く入射して、対向反射電極８は負電位に帯電するからである。
【００１１】
上記アーク放電によって、プラズマ生成容器２内に導入されたガスが電離されてプラズマ１６が作られる。そしてこのプラズマ１６から、電界の作用で、イオンビーム１８を引き出すことができる。なお、イオン引出しスリット４に対向する箇所（紙面の裏側）には、通常は、イオンビーム１８を引き出す引出し電極が設けられているが、ここではその図示を省略している。
【００１２】
上記プラズマ１６の生成過程を詳述すると、フィラメント６から放出された電子ｅは、上記アーク電圧ＶA （フィラメント電圧ＶF は上記のように小さいのでここではそれを無視して説明する）によってプラズマ生成容器２に向けて加速され、この電圧ＶA に相当するエネルギーをもってガス分子と衝突して、当該ガス分子を電離あるいはイオン化する。これによって、プラズマ１６が生成される。このプラズマ１６中のイオンや電子（これにはフィラメント６から放出された熱電子も含まれる）ｅは、上記磁界２２によって閉じ込められ、更にガス分子との衝突を繰り返すことによって、プラズマ１６を生成かつ維持する。
【００１３】
このプラズマ１６の電位は、図１３に示すように、プラズマ生成容器２の電位と両反射電極８、１０の電位との間の電位になり、プラズマ１６と両反射電極８、１０との間には電位差が生じており、この電位差によって、フィラメント６から放出されたりプラズマ１６中で生成されたりした電子ｅは、両反射電極８、１０でそれぞれ反射されて両反射電極８、１０間を往復運動するようになる。その結果、当該電子ｅとガス分子との衝突確率が高くなり、密度の高いプラズマ１６を生成することができ、ひいてはイオンビーム１８の引き出し量を多くすることができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなイオン源から、イオンビーム１８を構成するイオンとして、２価以上の多価イオンを引き出して利用したいという要望がある。これは、多価イオンの場合は、１価イオンに比べて、同じ加速電圧で価数倍（例えば２価イオンの場合は２倍）の加速エネルギーを得ることができるので、高エネルギー化が容易になる等の理由による。
【００１５】
しかしながら、上記のような従来のイオン源では、多価イオンの生成に対する配慮が成されていないので、分子イオンあるいは１価イオンに比べて、多価イオンの生成量が少なかった。即ち、プラズマ１６中の多価イオンの割合、ひいてはイオンビーム１８中に含まれる多価イオンの割合が高くなかった。従って、多価イオンを有効に利用することができなかった。
【００１６】
そこでこの発明は、上記のようなイオン源において、多価イオンの生成効率を向上させて、イオンビーム中に含まれる多価イオンの割合を向上させることを可能にすることを一つの目的としている。その他の目的は後述する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るイオン源の一つは、前記背後反射電極をフィラメントから電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして、前記アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きい直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けたことを特徴としている。
【００１８】
上記イオン源によれば、対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイアス電源から印加するバイアス電圧によって、アーク電源およびフィラメント電源の出力電圧から独立して調整することができる。従って、当該反射電極で反射する電子のエネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によって調整することができる。例えば、バイアス電圧を大きくするほど、反射される電子のエネルギーおよび量は大きくなる。
【００１９】
上記イオン源によれば、このような高いエネルギーの電子を多くプラズマの生成に利用することが可能になるので、プラズマ中の分子、原子あるいはイオンの解離（電離）をより促進させて、多価イオンをより多く生成することが可能になる。即ち、多価イオンの生成効率を向上させて、イオンビーム中に含まれる多価イオンの割合を向上させることが可能になる。
【００２０】
また、１価イオンのイオンビーム引き出しを行う場合にも、上記バイアス電圧の印加された反射電極で反射される高いエネルギーの電子を多くプラズマの生成に効率良く利用してイオンの生成効率を高めることができるので、１価イオンの生成効率を向上させて、１価イオンビームの引き出し量を多くすることも可能になる。
【００２１】
また、上記イオン源によれば、上述したように、バイアス電圧の印加された反射電極で反射される高いエネルギーの電子によってガスを効率良く電離させることができるので、アーク電圧を小さくしても、プラズマの生成効率の低下を抑えて、ビーム電流の減少を抑えることができる。従って、フィラメント電流ひいてはアーク電流を大きくせずに済む。その結果、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることも可能になる。
【００２２】
このように上記イオン源によれば、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメントの長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメントの長寿命化とを折衷させることもできる。
【００２３】
また、前記バイアス電圧をアーク電圧よりも２０Ｖ以上大きくしてイオンビームを引き出すというイオン源の運転方法を採用することによって、高エネルギーの電子を多く利用することが可能になるので、上記イオンの生成効率向上やフィラメントの長寿命化等の効果を奏する。
【００２４】
【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概略断面図である。図１２に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００２５】
このイオン源では、前記背後反射電極１０を、フィラメント６から電気的に絶縁している。即ち、ここでは背後反射電極１０を、プラズマ生成容器２およびフィラメント６の両者から電気的に絶縁している。
【００２６】
そして、この背後反射電極１０と前記対向反射電極８とを、導線３０で互いに電気的に接続して互いに同電位にしている。
【００２７】
更に、前記フィラメント電源２４およびアーク電源２６とは別の電源であって、前記対向反射電極８および背後反射電極１０と前記プラズマ生成容器２との間に両反射電極８、１０側を負極にして直流のバイアス電圧ＶB を印加する直流のバイアス電源３２を設けている。
【００２８】
まず、多価イオンの生成効率向上の観点から説明する。
【００２９】
このイオン源との比較のために、図１２に示した従来のイオン源の電位配置を再び説明すると、前述したように従来の電位配置は図１３に示すようなものであり、対向反射電極８および背後反射電極１０の電位はフィラメント６の電位に等しいかほぼ等しい。このような電位配置の場合、背後反射電極１０による電子ｅの反射はあまり効率が良くなく、フィラメント６から放出された電子ｅの内の何割かは、フィラメント６の近傍に設けられた背後反射電極１０に衝突してしまい、プラズマ１６の生成・維持に寄与しない。また、この背後反射電極１０は、アーク電圧ＶA に相当する電位とさほど変わらない電位しか有していないため、この背後反射電極１０で反射される電位ｅのエネルギーはあまり大きくない。
【００３０】
一方、対向反射電極８もアーク電圧ＶA に相当する電位とさほど変わらない電位しか有していないため、この対向反射電極８で反射される電子ｅのエネルギーはあまり大きくない。また、この対向反射電極８による電子ｅの反射もあまり効率が良くなく、プラズマ１６側に向かわずに拡散して、プラズマ生成容器２の壁面に衝突する電子ｅも多い。
【００３１】
このような理由から、従来のイオン源では、両反射電極８、１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量が小さいので、当該電子ｅによるプラズマ１６中の分子、原子あるいはやイオンの解離があまり進まず、多価イオンの生成量が少なかったものと考えられる。
【００３２】
これに対して、図１に示したイオン源では、フィラメント電源２４およびアーク電源２６とは別のバイアス電源３２を設けているので、このバイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB によって、対向反射電極８および背後反射電極１０の電位を、フィラメント電圧ＶF およびアーク電圧ＶA から独立して調整することができる。従って、両反射電極８、１０で反射する電子ｅのエネルギーや当該電子ｅの量を、このバイアス電圧ＶB の大きさによって調整することができる。例えば、バイアス電圧ＶB を大きくするほど、両反射電極８、１０で反射させる電子ｅの量は多くなる。また、両反射電極８、１０で反射された電子ｅのエネルギーも大きくなる。
【００３３】
図２に、このイオン源における電位配置の例を示す。バイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB によって、対向反射電極８および背後反射電極１０の電位を自由に調整することができ、従来例と違って、両反射電極８、１０の電位を、フィラメント６の電位よりも負の電位にすることも可能である。従って、上述したように、両反射電極８、１０で反射させる電子ｅのエネルギーおよび量をより大きくすることが可能である。
【００３４】
このイオン源によれば、上記のような高いエネルギーの電子ｅを多くプラズマ１６の生成・維持に利用することが可能になるので、プラズマ１６中の分子、原子あるいはイオンの解離（電離）をより促進させて、多価イオンをより多く生成することが可能になる。即ち、多価イオンの生成効率を向上させて、プラズマ１６中に含まれる多価イオンの割合を向上させることができる。従って、多価イオンを有効に利用することが可能になる。
【００３５】
特に、両反射電極８および１０の電位をフィラメント６の電位よりも負にすることによって、より高エネルギーの電子ｅをより多く利用することが可能になるので、多価イオンをより多く、より効率的に生成することが可能になる。
【００３６】
バイアス電圧ＶB によって両反射電極８、１０の電位をフィラメント６の電位よりもどの程度負にするのが好ましいかは、後述する図３の結果からも分かるように、例えば１０Ｖ以上、より好ましくは２０Ｖ以上負にするのが好ましい。
【００３７】
上記は、バイアス電圧ＶB の好ましい領域を両反射電極８、１０の電位で規定したものであるが、アーク電圧ＶA との関係でバイアス電圧ＶB の好ましい領域を規定しても良い。具体的には、バイアス電圧ＶB （より正確に言えばバイアス電圧ＶB の絶対値）をアーク電圧ＶA （より正確に言えばアーク電圧ＶA の絶対値）よりも１０Ｖ以上大きくする、即ちバイアス電圧ＶB とアーク電圧ＶA との差ΔＶ（＝｜ＶB ｜−｜ＶA ｜）を１０Ｖ以上にすることでも良い。これによっても、両反射電極８、１０で反射されたより高エネルギーの電子ｅをより多く利用することが可能になるので、多価イオンをより多く、より効果的に生成することが可能になる。
【００３８】
また、アーク電圧ＶA を多価イオン生成の場合よりも小さくする等して、１価イオンのイオンビーム１８の引き出しを行う場合にも、上記バイアス電圧ＶB の印加された反射電極８、１０で反射される高いエネルギーの電子ｅを多くプラズマ１６の生成に効率良く利用してイオンの生成効率を高めることができるので、１価イオンの生成効率を向上させて、１価イオンビーム１８の引き出し量を多くすることも可能になる。これは、後述する図４〜図６の結果からも裏付けられている。
【００３９】
以上要するに、このイオン源によれば、イオンの生成効率を高めることができるので、そのような効果を利用して、多価イオンをより多く引き出すことも、１価イオンをより多く引き出すことも、いずれも可能になるということである。
【００４０】
なお、バイアス電源３２からのバイアス電圧ＶB は、上記例のように対向反射電極８および背後反射電極１０の両方に印加するのが最も好ましいけれども、対向反射電極８または背後反射電極１０のどちらか一方だけにバイアス電圧ＶB を印加するようにしても良い。そのようにしても、バイアス電圧ＶB を印加した反射電極８または１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量を前述したように大きくすることができるので、多価イオンや１価イオンの生成効率を向上させてイオンビーム１８中に含まれる多価イオンあるいは１価イオンの割合を向上させる効果を奏する。反射電極８または１０の一方にバイアス電圧ＶB を印加する場合は、背後反射電極１０にバイアス電圧ＶB を印加する場合の方が、上述した作用によって多価イオンや１価イオンの生成効率を向上させる効果は大きい。しかし、対向反射電極８にバイアス電圧ＶB を印加しても、上述した作用から、従来のイオン源よりかは多価イオンあるいは１価イオンの生成効率を高めることができる。
【００４１】
上記のようなバイアス電圧ＶB が印加される対向反射電極８および背後反射電極１０には、電子ｅが反射されるのに比例して、プラズマ１６中のイオンが、プラズマ１６と両反射電極８、１０間の電位差に相当するエネルギーで入射衝突する。そのために両反射電極８、１０の温度は高温に上昇するので、両反射電極８、１０は、その高温に耐えられる高融点材料で構成しておくのが好ましい。例えば、元素周期表の４Ａ族（Ｔi 、Ｚr 、Ｈf ）、５Ａ族（Ｖ、Ｎb 、Ｔa ）、６Ａ族（Ｃr 、Ｍo 、Ｗ）の金属またはそれらの合金（例えばタングステン・イットリウム合金、タングステン・ジルコニウム合金等）で構成しておくのが好ましい。
【００４２】
次に、フィラメント６の長寿命化の観点から説明する。
【００４３】
従来から（例えば特許第２８６９５５８号参照）フィラメント６の寿命を長くするために、アーク電圧ＶA を小さくしてイオン源を運転する、即ちイオンビーム１８を引き出すことが提案されている。プラズマ１６中のイオン（正イオン。以下同じ）は、アーク電圧ＶA で加速されてフィラメント６に衝突するので、アーク電圧ＶA を小さくするとこのイオンによるスパッタリングによるフィラメント６の消耗を少なくすることができるからである。
【００４４】
ところが、従来のイオン源において単にアーク電圧ＶA を小さくしたのでは、前記説明（図１３参照）からも分かるように、フィラメント６から放出されたりプラズマ１６中で生成されたりした電子ｅのアーク電圧ＶA による加速エネルギーも小さくなるので、当該電子ｅによるガスの電離効率が下がり、プラズマ１６の生成効率が下がり、引き出し得るイオンビーム１８の量（即ちビーム電流）が減少してしまう。
【００４５】
フィラメント電源２４からフィラメント６に流すフィラメント電流を大きくすることによって、フィラメント６とプラズマ生成容器２間のアーク放電の電流（即ちアーク電流。これはアーク電源２６に流れる電流でもある）を大きくして対処するという考えもあるけれども、そのようにすると、フィラメント６の温度上昇が大きくなってフィラメント材料の蒸発量が多くなり、これが新たにフィラメント６の寿命を短くする原因になるので、必ずしもうまく行かない。
【００４６】
これに対してこのイオン源では、上述したように、両反射電極８、１０で反射する電子ｅのエネルギーや当該電子ｅの量を、バイアス電圧ＶB によって調整することができ、このバイアス電圧ＶB を大きくするほど反射される電子ｅのエネルギーおよび量は大きくなる。特に、前述したように、バイアス電圧ＶB によって両反射電極８および１０の電位をフィラメント６の電位よりも負にすることによって、あるいは両反射電極８、１０に印加するバイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ以上大きくすることによって、より高エネルギーの電子ｅをより多く利用することが可能になる。そして、この両反射電極８、１０で反射された高いエネルギーの電子ｅによってプラズマ生成容器２内のガスを効率良く電離させることができるので、アーク電圧ＶA を小さくしても、プラズマ１６の生成効率の低下を抑えて、イオンビーム１８のビーム電流の減少を抑えることができる。従って、フィラメント電流ひいてはアーク電流を大きくせずに済む。
【００４７】
これをより詳しく説明すると、プラズマ生成容器２内に導入されたガスを効率良く電離させてプラズマ１６を効率良く生成するためには、ガスの電離エネルギー以上のエネルギーを有する電子ｅを多く発生させる必要がある。従来はその電子ｅのエネルギーを決めていたのがアーク電圧ＶA である。従って、ガスの電離エネルギーに相当する電圧よりもアーク電圧ＶA を小さくすると、ガスの電離効率は急激に低下する。
【００４８】
これに対して、例えば上記のようにアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ（＝ΔＶ）以上大きいバイアス電圧ＶB を両反射電極８、１０に印加すると、アーク電圧ＶA によって加速された電子ｅだけでなく、両反射電極８、１０で反射された、アーク電圧ＶA に相当するエネルギーよりも高いエネルギーを有する電子ｅをガスの電離に利用することができる。これによって、電子ｅのエネルギー分布を、アーク電圧ＶA だけの場合よりもΔＶ相当ぶん高い方へシフトさせることができる。しかも、アーク電圧ＶA 相当のエネルギーを有する電子ｅとバイアス電圧ＶB 相当のエネルギーを有する電子とが混在することになるので、電子ｅのエネルギー分布におけるピーク付近のエネルギーの幅も広がる。従って、アーク電圧ＶA を小さくしても、ガスの電離に用いる電子ｅのエネルギーを、当該ガスの電離に適したエネルギー値付近に多く分布させることができる。このような作用によって、アーク電圧ＶA を小さくしても、ガスを効率良く電離させることができ、ビーム電流の減少を抑えることができる。
【００４９】
しかも、プラズマ１６中のイオンのスパッタによるフィラメント６の消耗は、前述したようにアーク電圧ＶA には依存するけれども、バイアス電圧ＶB には依存しない。つまり、バイアス電圧ＶB を大きくしてもフィラメント６の消耗を大きくすることにはならない。これは、両反射電極８、１０は、電子ｅを反射するのであって、フィラメント６をスパッタするイオンをフィラメント６に向けて加速する作用は奏しないからである。
【００５０】
従って、アーク電圧ＶA を小さくしても、アーク電流を大きくせずにビーム電流の減少を抑えることができる。その結果、アーク電圧ＶA を小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることが可能になる。
【００５１】
アーク電圧ＶA をより小さくしてフィラメント６の寿命をより延ばしたい等の場合は、バイアス電圧ＶB とアーク電圧ＶA との差ΔＶを前述した１０Ｖよりももっと大きくすれば良い。例えば後述するより具体的な実施例からも分かるように、バイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも２０Ｖ以上大きくすると、ビーム電流の減少抑制により顕著な効果を発揮する。バイアス電圧ＶB によって両反射電極８、１０の電位をフィラメント６の電位よりも負にする観点から言えば、例えば１０Ｖ以上、より好ましくは２０Ｖ以上負にするのが好ましい。
【００５２】
フィラメントの長寿命化の場合も、前記と同様に、バイアス電源３２からのバイアス電圧ＶB は、上記例のように対向反射電極８および背後反射電極１０の両方に印加するのが最も好ましいけれども、対向反射電極８または背後反射電極１０のどちらか一方だけにバイアス電圧ＶB を印加するようにしても良い。そのようにしても、バイアス電圧ＶB を印加した反射電極８または１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量を前述したように大きくすることができ、それによってイオンの生成効率を高めることができるからである。
【００５３】
フィラメントの長寿命化を図ることは、イオンビーム１８を構成するイオンとして、１価のイオンを引き出す場合に限られるものではなく、前述したような２価等の多価のイオンを引き出す場合にも可能である。多価イオンを生成する場合は、１価イオンの場合に比べて、一般的に、アーク電圧ＶA を大きくする必要があるけれども、その場合でも、上記のようなバイアス電圧ＶB を印加することによって、上述したようにより小さいアーク電圧ＶA で済むようになるので、多価イオン引き出しの場合もフィラメント６の長寿命化を図ることが可能になる。
【００５４】
以上要するに、このイオン源によれば、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメント６の長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧ＶA を小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメント６の長寿命化とを折衷させることもできる。折衷させる場合は、アーク電圧ＶA の下げ方を、フィラメント６の長寿命化を主眼にする場合よりも少なくすれば良い。
【００５５】
次に、多価イオンの生成効率を向上させる場合のより具体的な実施例を説明する。
【００５６】
図１に示したイオン源を用いて、プラズマ生成容器２内にフッ化ホウ素（ＢＦ3 ）ガスを導入して、イオンビーム１８としてホウ素イオンビームを引き出したときの、当該イオンビーム中に含まれるホウ素の２価イオン（Ｂ2+）のビーム電流が、前記バイアス電圧ＶB によって変化する状況を測定した結果を図３中に実施例として示す。このとき、アーク電圧ＶA は６０Ｖ、フィラメント電圧ＶF は約２Ｖにした。
【００５７】
また、同図中に、同じ条件で、図１２に示した従来のイオン源において、対向反射電極８を浮遊電位にした（即ち導線２８を接続していない）ときのＢ2+ビーム電流を測定した結果を従来例として示す。従来例では、バイアス電圧ＶB は印加しないので、測定点の横軸の値は示していない（示しようがない）。
【００５８】
実施例で、バイアス電圧ＶB が６０Ｖを超すとＢ2+ビーム電流が急増しており、７０Ｖ以上では従来例と明確な差があり、８０Ｖ以上で顕著な差のあることが分かる。即ち、この例の場合、アーク電圧ＶA が６０Ｖであるから、フィラメント６の電位は、プラズマ生成容器２の電位を基準に見て−６０Ｖ程度であり、上記バイアス電圧ＶB によって両反射電極８および１０の電位を−６０Ｖよりも負にすることによって、Ｂ2+ビーム電流の増大に効果のあることが分かる。より具体的には、Ｂ2+ビームを引き出す場合は、バイアス電圧ＶB は７０Ｖ以上が好ましく、８０Ｖ以上がより好ましいと言える。換言すれば、バイアス電圧ＶB によって両反射電極８、１０の電位をフィラメント６の電位よりも１０Ｖ以上負にするのが好ましく、２０Ｖ以上負にするのがより好ましい。そのようにすれば、従来例の１．５倍〜２倍程度のＢ2+ビーム電流を得ることができる。
【００５９】
バイアス電圧ＶB の上限については、図３からも分かるように１６０Ｖに近づくとＢ2+ビーム電流の増大が飽和しており、またバイアス電圧ＶB をあまり大きくすると両反射電極８および１０の電気絶縁が難しくなるので、当該電気絶縁の面から上限が自ずから決まってくる。
【００６０】
なお、図３においてバイアス電圧ＶB が６０Ｖより小さいときの測定点がないのは、バイアス電圧ＶB を６０Ｖより小さくすると、バイアス電源３２に大きな負荷電流が流れて測定が困難になったからである。これは、バイアス電圧ＶB を６０Ｖよりも小さくすると、両反射電極８および１０が電子ｅを反射するのとは反対に電子ｅを引き込んでしまうからであると考えられる。
【００６１】
上記実施例は、ホウ素の２価イオンの場合の例であるが、この発明は勿論、それ以外の多価イオンの生成、引き出しにも利用することができる。例えば、リン（Ｐ）の多価イオンの生成等にも利用することができる。
【００６２】
次に、フィラメント６の長寿命化を可能にする場合のより具体的な実施例を説明する。
【００６３】
図１に示したイオン源を用いて、上記実施例と同様に、プラズマ生成容器２内にフッ化ホウ素（ＢＦ3 ）ガスを導入して、イオンビーム１８としてホウ素イオンビームを引き出したときの、当該イオンビーム中に含まれるホウ素の１価イオン（Ｂ+ ）のビーム電流が、前記バイアス電圧ＶB によって変化する状況を測定した結果を図４〜図６に示す。このとき、アーク電圧ＶA は４５Ｖ、６０Ｖおよび７５Ｖの３種、フィラメント電圧ＶF は約２Ｖにした。図４はアーク電流が１０００ｍＡ、図５は同電流が２０００ｍＡ、図６は同電流が３０００ｍＡの場合の結果である。
【００６４】
各図において、各アーク電圧ＶA で最もバイアス電圧ＶB の低いときの測定点（即ち白抜きの測定点）が、バイアス電圧ＶB を印加しない場合、即ち両反射電極８、１０をフロート状態にした場合であり、その場合に両電極８、１０の電位が、アーク電圧ＶA よりも若干小さい値の電位になる、即ち図のバイアス電圧ＶB に相当する電位になる理由は、前述のとおりである。
【００６５】
図４において、アーク電圧ＶA が６０Ｖでバイアス電圧ＶB が印加されていない場合、ビーム電流は約１１０μＡ得られている。これに対して、アーク電圧ＶA が４５Ｖでバイアス電圧ＶB が印加されていない場合、ビーム電流は約６０μＡしか得られない。大幅に減少している。しかしながら、アーク電圧ＶA よりも大きいバイアス電圧ＶB を印加してその電圧を上げて行くとビーム電流は増大し、バイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ以上大きくすれば（バイアス電圧ＶB の値で言えば５５Ｖ以上にすれば）ビーム電流は明らかに増大しているのが分かる。バイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも２０Ｖ以上大きくすれば、ビーム電流はバイアス電圧無印加時に比べて顕著に増大している。
【００６６】
具体的には、アーク電圧ＶA を４５Ｖに下げてもバイアス電圧ＶB を６０〜６５Ｖにすれば、アーク電圧ＶA が６０Ｖでバイアス電圧無印加時とほぼ同程度のビーム電流が得られている。即ち、ビーム電流の減少を十分に抑えることができている。同様に、アーク電圧ＶA を６０Ｖに下げてもバイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ以上大きくすることによって（バイアス電圧ＶB の値で言えば７０Ｖ以上にすることによって）、アーク電圧ＶA が７５Ｖでバイアス電圧無印加時と同程度以上のビーム電流が得られている。
【００６７】
図５および図６のようにアーク電流を増大させてビーム電流全体を増大させた場合も、バイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ以上大きくする、より好ましくは２０Ｖ以上大きくすることによって、バイアス電圧無印加時に比べてビーム電流が明らかに増大している。即ち、アーク電圧ＶA を４５Ｖに下げても、ビーム電流の減少を抑えて、アーク電圧ＶA が６０Ｖでバイアス電圧無印加時のビーム電流に近づけることができている。同様に、アーク電圧ＶA を６０Ｖに下げても、アーク電圧ＶA が７５Ｖでバイアス電圧無印加時と同程度以上のビーム電流が得られている。
【００６８】
バイアス電圧ＶB とアーク電圧ＶA との差ΔＶの上限については、上記図４〜図６の測定結果からも分かるように、差をある程度大きくするとビーム電流の増大が飽和するので、８０Ｖ程度を上限と考えることができる。また、バイアス電圧ＶB 自体の大きさの上限は、上記と同様の理由から、１６０Ｖ程度が現実的である。
【００６９】
次に、図１に示したイオン源において、プラズマ生成用のガスとしてアルゴン（Ａr ）ガスを用いて、アーク電圧ＶA を５０Ｖと６０Ｖの２種とし、アーク電流が２５００ｍＡで１０時間連続してプラズマ１６を生成させた後のフィラメント６の消耗の状況（即ちフィラメント６の直径の減少量）を測定した結果を図８に示す。このとき、バイアス電圧ＶB は９０Ｖにした。また、図７に、フィラメント６の直径の測定点を示し、これは図８の横軸に対応している。
【００７０】
この図８から分かるように、アーク電圧ＶA を６０Ｖから５０Ｖに低下させると、フィラメント６の消耗は大幅に減っている。具体的には、フィラメント６の先端付近での直径の減少量は半分近くに減っている。従って、フィラメント６の寿命は大幅に延びる。これは、アーク電圧ＶA を６０Ｖから５０Ｖへと１０Ｖ低下させた場合の例であり、１０Ｖよりも更に低下させるとフィラメント６の寿命がより延びることは、この結果から容易に推測できよう。
【００７１】
また、この発明に係るイオン源によれば、前述したようにイオンの生成効率が向上することによって、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメント電流を小さくすることもできるので、それによってフィラメント６の温度を下げることができ、フィラメント６からの構成材料の蒸発速度を低下させることができ、これによってもフィラメント６の寿命を延長することができる。
【００７２】
これを詳述すると、図９に、フィラメント６の材料として一般的なタングステンの蒸発速度および熱電子放射電流密度の温度特性を示す。例えば、通常の運転状態に近いフィラメント温度２８００Ｋでの熱電子放射電流密度を半分にする温度は約２７２０Ｋであり、この場合のタングステンの蒸発速度は約４分の１（正確には１／４．３）となり、フィラメント６の寿命は４倍近くに延びる。即ち、フィラメント６の温度を約２８００Ｋから約２７２０Ｋに下げると、熱電子放射電流密度は約半分に下がるけれども、その場合のビーム電流の減少は上記バイアス電圧ＶB の印加によって抑えることができ、しかもフィラメント６の寿命は約４倍に延びるということである。
【００７３】
また、上記対向反射電極８および背後反射電極１０の温度は、前述したように、プラズマ１６からのイオンの入射衝突によって高温に上昇するので、対向反射電極８および背後反射電極１０の少なくとも一方を、好ましくは両方を、フィラメント６の一般的な構成材料であるタングステンよりも熱電子放射電流密度の高い材料で構成しておいても良い。そのようにすれば、当該反射電極８、１０から放出される電子をもプラズマ１６の生成・維持に効果的に利用することが可能になるので、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメント電流をより低下させることができ、それによってフィラメント６の寿命をより延ばすことができる。
【００７４】
上記のタングステン（約８．７×１０-4）よりも熱電子放射電流密度の大きい材料としては、例えば、タンタル（約９．９×１０-3）、モリブデン（約７．７×１０-3）、ニオブ（約１．２×１０-2）、ジルコニウム（約５．５×１０-2）、タングステン・イットリウム合金（約４．４）、タングステン・ジルコニウム合金（約０．２４）等が利用できる。各括弧内の数値は、当該材料の２０００Ｋにおける熱電子放射電流密度を示す（単位はＡ／ｃｍ2 ）。タングステンを基準にしたのは、熱電子放出材料としてはタングステンが一般的だからである。これらの材料の内でもタンタルは、融点も高く（約３２５０Ｋ）、熱電子放射電流密度も大きく、しかも価格も比較的安いので、好ましい材料の一つである。
【００７５】
また、上記のように、この発明に係るイオン源によれば、イオンの生成効率が向上することによってフィラメント電流を小さくすることができるので、フィラメント電流の大きさを、イオン源の運転の初期は相対的に大きくし、その後は相対的に小さくする運転方法を採用しても良い。そのようにすれば、イオン源運転の初期には大きなフィラメント電流でプラズマ１６を確実に点火させることができると共に、その後にフィラメント電流を小さくすることによって、フィラメント６の寿命をより一層延ばすことができる。
【００７６】
対向反射電極８および背後反射電極１０の少なくとも一方に、好ましくは両方に、上記のようなタングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料を用いている場合は、上述したように、当該反射電極８、１０から放出される電子をもプラズマ１６の生成・維持に効果的に利用することが可能になるので、イオン源運転開始後のフィラメント電流をより一層小さくして、フィラメント６の寿命をより一層長く延ばすことが可能になる。
【００７７】
また、上記のような熱電子放射電流密度の大きい材料を用いている場合には、特に両反射電極８および１０に用いている場合には、プラズマ１６の点火後は、当該反射電極８、１０からの電子放出によってプラズマ１６を維持することができる場合もあり、その場合は、イオン源の運転の初期にのみフィラメント電流を流してフィラメント６を加熱し、その後はフィラメント電流をオフ（即ち０）にすることができる。そのようにすれば、フィラメント６の寿命を非常に延長することができる。
【００７８】
次に、上記バイアス電圧ＶB の制御によってイオンビーム１８の量を制御する実施例を説明する。
【００７９】
例えばイオン注入処理を行う場合に、注入条件の一つであるイオンドーズ量の変更には、通常はイオン源から引き出すイオンビームの量（即ちイオンビーム電流）を変化させることで行われる。
【００８０】
図１２に示したような従来のイオン源では、それから引き出すイオンビーム１８の量の調整は、フィラメント電源２４からフィラメント６に流すフィラメント電流を変化させてアーク電流を変化させることによって行っていた。
【００８１】
このときのアーク電流は、主に、フィラメント６から放出される熱電子ｅの量、即ちフィラメント６の温度によって決定されるが、真空中（プラズマ生成容器２内およびその周りは真空中である）に設置されたフィラメント６の温度を変化させるためには長い時間が必要となる。即ち、アーク電流およびイオンビーム電流を変化させるためには長い時間が必要である。例えば数十秒程度は必要である。その結果例えば、当該イオン源を用いたイオン注入処理において、注入条件の変更に長い時間を要することになり、全体の処理が遅くなってしまう。
【００８２】
これに対して、この発明に係るイオン源では、前記図４〜図６およびその説明からも分かるように、アーク電流を変化させなくても（即ち同一のアーク電流であっても）、バイアス電圧ＶB の大きさを制御（調整）することによって、引き出すイオンビーム１８の量（即ちイオンビーム電流）を制御することができる。
【００８３】
例えば、図４（アーク電流は１０００ｍＡで一定）において、アーク電圧ＶA が６０Ｖでバイアス電圧ＶB が印加されていない場合、ビーム電流は約１１０μＡ得られている。これに対して、バイアス電圧ＶB を印加し、かつその値を大きくするとビーム電流は次第に増大し、バイアス電圧ＶB を１２０Ｖにするとビーム電流は約１９０μＡにまで上昇している。
【００８４】
他のアーク電圧ＶA の場合、および図５、図６の場合も同様に、アーク電流を一定にしておいても、バイアス電圧ＶB の電圧制御によってビーム電流の大きさを制御することのできることが分かる。２価イオンのイオンビーム１８を引き出す場合も同様である（図３参照）。
【００８５】
しかもこの場合にビーム電流を変化させるのに要する時間は、バイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB の調整に要する時間で決まり、例えば数秒程度である。これは、前述した従来のアーク電流を変化させる方法による場合の数十秒程度に比べて、約１０倍も速い。このように、バイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB の大きさを制御する（この制御には、バイアス電圧ＶB をオン、オフさせることも含む）ことによって、イオン源から引き出すイオンビーム１８の量を高速で制御することができる。
【００８６】
次に、上記対向反射電極８の代わりに、もう一組のフィラメント６および背後反射電極１０を設けた実施例を説明する。
【００８７】
図１０に示すイオン源がそれであり、以下においては図１に示したイオン源との相違点を主体に説明する。それ以外の事項については、図１のイオン源における前記説明が適用される。
【００８８】
このイオン源では、図１に示した一組の（第１の）フィラメント６および背後反射電極１０の他に、上記対向反射電極８の代わりとして、もう一組の（第２の）フィラメント６および背後反射電極１０を設けている。即ち、二つの（第１および第２の）前述したようなフィラメント６を、プラズマ生成容器２内に相対向させて配置している。また、各フィラメント６の背後には、二つの（第１および第２の）前述したような背後反射電極１０を、相対向させて配置している。
【００８９】
二つのフィラメント６は、この例では、図１０中の点Ｐ、Ｑで互いに並列接続されている。従ってこの例では、二つのフィラメント６には、共通のフィラメント電源２４から加熱用のフィラメント電圧ＶF が印加され、かつ共通のアーク電源２６からアーク放電用のアーク電圧ＶA が印加される。但し、この例と違って、各フィラメント６にフィラメント電源２４およびアーク電源２６をそれぞれ設けても良い。
【００９０】
上記のようなフィラメント６および背後反射電極１０を二組有するイオン源は、前記特開平９−６３９８１号公報にも記載されているけれども、従来は、両背後反射電極１０は、図１２の従来例と同様、フィラメント６の一端（より具体的には、フィラメント電源２４の負極側端）に接続してフィラメント電位にしていた。
【００９１】
これに対して、この実施例では、図１の実施例の場合と同様、各背後反射電極１０を、各フィラメント６およびプラズマ生成容器２の両者から電気的に絶縁している。そして、この例では、両背後反射電極１０を導線３０で互いに電気的に接続して互いに同電位にしている。
【００９２】
更に、前記フィラメント電源２４およびアーク電源２６とは別の電源であって、両反射電極１０と前記プラズマ生成容器２との間に両反射電極１０側を負極にして直流のバイアス電圧ＶB を印加する直流の前記バイアス電源３２を設けている。
【００９３】
このイオン源における電位配置の一例を図１１に示す。フィラメント６および背後反射電極１０は、同じ電位のものが二つずつあると考えれば良い。
【００９４】
このイオン源においても、バイアス電源３２から両背後反射電極１０に前記のようなバイアス電圧ＶB を印加することによって、基本的には、図１に示したイオン源の場合と同様の作用効果を奏する。
【００９５】
即ち、要約して言えば、このイオン源の場合も、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメント６の長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧ＶA を小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメント６の長寿命化とを折衷させることもできる。折衷させる場合は、アーク電圧ＶA の下げ方を、フィラメント６の長寿命化を主眼にする場合よりも少なくすれば良い。
【００９６】
また、図１に示したイオン源の場合と同様の運転方法を採用することができ、それによって前述したような作用効果を奏することができる。
【００９７】
しかもこの図１０のイオン源は、図１のイオン源に比べて、フィラメント６および背後反射電極１０を二組設けているので、各フィラメント６から放出させる電子量を半分にして、各フィラメント６の寿命をより一層延長させることができるという特徴を有している。
【００９８】
なお、この図１０のイオン源の場合も、バイアス電源３２からのバイアス電圧ＶB は、この例のように両背後反射電極１０に印加するのが最も好ましいけれども、どちらか一方の背後反射電極１０だけにバイアス電圧ＶB を印加するようにしても良い。そのようにしても、バイアス電圧ＶB を印加した側の背後反射電極１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量を前述したように大きくすることができるので、多価イオンや１価イオンの生成効率を向上させてイオンビーム１８中に含まれる多価イオンあるいは１価イオンの割合を向上させる効果を奏する。また、アーク電圧ＶA を小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることもできる。
【００９９】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【０１００】
請求項１記載の発明によれば、対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイアス電源から印加するバイアス電圧によって、アーク電源およびフィラメント電源の出力電圧から独立して調整することができるので、当該反射電極で反射する電子のエネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によって調整することができる。しかも、アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きいバイアス電圧を印加するバイアス電源を設けたことによって、高いエネルギーの電子を多くプラズマの生成に利用することが可能になるので、プラズマ中のガス分子あるいはイオンの解離をより促進させて、イオンの生成効率を高めることが可能になる。
【０１０１】
その結果、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメントの長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメントの長寿命化とを折衷させることもできる。
【０１０２】
請求項２記載の発明によれば、対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方を、タングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料で構成することによって、当該反射電極から放出される電子をもプラズマの生成・維持に効果的に利用することが可能になるので、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメント電流をより低下させることができ、それによってフィラメントの寿命をより延ばすことが可能になる。
【０１０４】
請求項３記載の発明によれば、第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイアス電源から印加するバイアス電圧によって、アーク電源およびフィラメント電源の出力電圧から独立して調整することができるので、当該反射電極で反射する電子のエネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によって調整することができる。しかも、アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きいバイアス電圧を印加するバイアス電源を設けたことによって、高いエネルギーの電子を多くプラズマの生成に利用することが可能になるので、プラズマ中のガス分子あるいはイオンの解離をより促進させて、イオンの生成効率を高めることが可能になる。
【０１０５】
その結果、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメントの長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメントの長寿命化とを折衷させることもできる。
【０１０６】
しかも、フィラメントおよび背後反射電極を二組有しているので、請求項１記載の発明に比べて、各フィラメントから放出させる電子量を半分にして、各フィラメントの寿命をより一層延長させることができる。
【０１０７】
請求項４記載の発明によれば、第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方を、タングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料で構成することによって、当該反射電極から放出される電子をもプラズマの生成・維持に効果的に利用することが可能になるので、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメント電流をより低下させることができ、それによってフィラメントの寿命をより延ばすことが可能になる。
【０１０８】
請求項５、６記載の発明によれば、前記バイアス電圧をアーク電圧よりも２０Ｖ以上大きくすることによって、それぞれ請求項１、３記載の発明と同様の効果を奏する。即ち、高エネルギーの電子を多く利用することが可能になるので、上記イオンの生成効率向上やフィラメントの長寿命化等の効果を奏する。
【０１０９】
請求項７、８記載の発明によれば、イオン源運転の初期には大きなフィラメント電流でプラズマを確実に点火させることができると共に、その後にフィラメント電流を小さくすることによって、フィラメントの寿命をより一層延ばすことができる。
【０１１０】
請求項９、１０記載の発明によれば、バイアス電源から出力するバイアス電圧の大きさを制御することによって、イオン源から引き出すイオンビームの量を、フィラメント電流を変化させてアーク電流を変化させる場合に比べて、高速で変更することができる。
【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概略断面図である。
【図２】図１のイオン源における電位配置の一例を模式的に示す図である。
【図３】ホウ素の２価イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図である。
【図４】アーク電流が１０００ｍＡの時のホウ素の１価イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図である。
【図５】アーク電流が２０００ｍＡの時のホウ素の１価イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図である。
【図６】アーク電流が３０００ｍＡの時のホウ素の１価イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図である。
【図７】図１中のフィラメントを拡大して示す図である。
【図８】１０時間運転後の図７のフィラメントの直径の変化を測定した結果を示す図である。
【図９】タングステンの蒸発速度および熱電子放射電流密度の温度特性を示す図である。
【図１０】この発明に係るイオン源の他の例を示す概略断面図である。
【図１１】図１０のイオン源における電位配置の一例を模式的に示す図である。
【図１２】従来のイオン源の一例を示す概略断面図である。
【図１３】図１２のイオン源における電位配置の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
２ プラズマ生成容器
６ フィラメント
８ 対向反射電極
１０ 背後反射電極
１６ プラズマ
１８ イオンビーム
２０ 磁界発生器
２４ フィラメント電源
２６ アーク電源
３２ バイアス電源
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子放出用のフィラメントおよび当該電子反射用の反射電極を有しており、かつプラズマ生成容器内に磁界を印加する構成のイオン源に関し、より具体的には、イオンの生成効率の向上やフィラメントの長寿命化等を図る手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン源の従来例を図１２に示す。このイオン源は、バーナス型イオン源と呼ばれるものであり、同様の構造のものが、例えば特開平９−６３９８１号公報にも開示されている。
【０００３】
このイオン源は、例えば直方体状をしていて陽極を兼ねるプラズマ生成容器２を備えており、その内部にはプラズマ１６の生成用のガス（蒸気の場合も含む）が導入される。このプラズマ生成容器２の壁面（長辺壁）には、イオンビーム１８の引き出し用のイオン引出しスリット４が設けられている。この例では、イオンビーム１８は紙面の裏側へ向けて引き出される。
【０００４】
このプラズマ生成容器２の一方側（一方の短辺壁側）内には、電子ｅを放出するこの例ではＵ字状のフィラメント６が設けられている。このフィラメント６とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１２によって電気的に絶縁されている。
【０００５】
プラズマ生成容器２の他方側（即ちフィラメント６と相対向する短辺壁側）内には、フィラメント６と相対向させて、電子ｅを反射する対向反射電極８が設けられている。この対向反射電極８とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１３によって電気的に絶縁されている。この対向反射電極８は、従来は、どこにも接続せずに浮遊電位にする場合と、前記特開平９−６３９８１号公報にも記載されているように、導線２８でフィラメント６の一方端（より具体的には、フィラメント電源２４の負極側端）に接続してフィラメント電位にする場合とがある。
【０００６】
プラズマ生成容器２内であってフィラメント６の背後に位置する箇所には、即ちフィラメント６のＵ字状部とその背後のプラズマ生成容器２の壁面との間には、対向反射電極８に相対向させて、電子ｅを反射する背後反射電極１０が設けられている。この背後反射電極１０とプラズマ生成容器２との間は、絶縁物１２および１４によって電気的に絶縁されている。この反射電極１０は、従来は、フィラメント６の一端（より具体的には、フィラメント電源２４の負極側端）に接続してフィラメント電位にしていた。
【０００７】
プラズマ生成容器２内には、プラズマ１６の生成・維持用に、プラズマ生成容器２の外部に設けられた磁界発生器２０から、フィラメント６と対向反射電極８とを結ぶ軸に沿う磁界２２が印加される。但し、磁界２２の向きは図示とは逆でも良い。磁界発生器２０は、例えば電磁石である。
【０００８】
フィラメント６には、それを加熱して電子（熱電子）ｅを放出させるために、直流のフィラメント電源２４から、直流のフィラメント電圧ＶF （例えば２〜４Ｖ程度）が印加される。
【０００９】
フィラメント６の一端とプラズマ生成容器２との間には、両者間でアーク放電を生じさせるために、フィラメント６を負極側にして、直流のアーク電源２６からアーク電圧ＶA （例えば４０〜１００Ｖ程度）が印加される。
【００１０】
このイオン源における電位配置の一例を図１３に示す。この例は、対向反射電極８を前記導線２８でフィラメント６の一端に接続した例であるが、対向反射電極８をどこにも接続せずに浮遊電位にしても、対向反射電極８の電位はこの例と同程度に、即ちフィラメント６の電位と同程度になる。これは、浮遊電位にしていても、対向反射電極８には、プラズマ１６中の軽くて移動度の高い電子がイオンよりも遙かに多く入射して、対向反射電極８は負電位に帯電するからである。
【００１１】
上記アーク放電によって、プラズマ生成容器２内に導入されたガスが電離されてプラズマ１６が作られる。そしてこのプラズマ１６から、電界の作用で、イオンビーム１８を引き出すことができる。なお、イオン引出しスリット４に対向する箇所（紙面の裏側）には、通常は、イオンビーム１８を引き出す引出し電極が設けられているが、ここではその図示を省略している。
【００１２】
上記プラズマ１６の生成過程を詳述すると、フィラメント６から放出された電子ｅは、上記アーク電圧ＶA （フィラメント電圧ＶF は上記のように小さいのでここではそれを無視して説明する）によってプラズマ生成容器２に向けて加速され、この電圧ＶA に相当するエネルギーをもってガス分子と衝突して、当該ガス分子を電離あるいはイオン化する。これによって、プラズマ１６が生成される。このプラズマ１６中のイオンや電子（これにはフィラメント６から放出された熱電子も含まれる）ｅは、上記磁界２２によって閉じ込められ、更にガス分子との衝突を繰り返すことによって、プラズマ１６を生成かつ維持する。
【００１３】
このプラズマ１６の電位は、図１３に示すように、プラズマ生成容器２の電位と両反射電極８、１０の電位との間の電位になり、プラズマ１６と両反射電極８、１０との間には電位差が生じており、この電位差によって、フィラメント６から放出されたりプラズマ１６中で生成されたりした電子ｅは、両反射電極８、１０でそれぞれ反射されて両反射電極８、１０間を往復運動するようになる。その結果、当該電子ｅとガス分子との衝突確率が高くなり、密度の高いプラズマ１６を生成することができ、ひいてはイオンビーム１８の引き出し量を多くすることができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなイオン源から、イオンビーム１８を構成するイオンとして、２価以上の多価イオンを引き出して利用したいという要望がある。これは、多価イオンの場合は、１価イオンに比べて、同じ加速電圧で価数倍（例えば２価イオンの場合は２倍）の加速エネルギーを得ることができるので、高エネルギー化が容易になる等の理由による。
【００１５】
しかしながら、上記のような従来のイオン源では、多価イオンの生成に対する配慮が成されていないので、分子イオンあるいは１価イオンに比べて、多価イオンの生成量が少なかった。即ち、プラズマ１６中の多価イオンの割合、ひいてはイオンビーム１８中に含まれる多価イオンの割合が高くなかった。従って、多価イオンを有効に利用することができなかった。
【００１６】
そこでこの発明は、上記のようなイオン源において、多価イオンの生成効率を向上させて、イオンビーム中に含まれる多価イオンの割合を向上させることを可能にすることを一つの目的としている。その他の目的は後述する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るイオン源の一つは、前記背後反射電極をフィラメントから電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして、前記アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きい直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けたことを特徴としている。
【００１８】
上記イオン源によれば、対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイアス電源から印加するバイアス電圧によって、アーク電源およびフィラメント電源の出力電圧から独立して調整することができる。従って、当該反射電極で反射する電子のエネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によって調整することができる。例えば、バイアス電圧を大きくするほど、反射される電子のエネルギーおよび量は大きくなる。
【００１９】
上記イオン源によれば、このような高いエネルギーの電子を多くプラズマの生成に利用することが可能になるので、プラズマ中の分子、原子あるいはイオンの解離（電離）をより促進させて、多価イオンをより多く生成することが可能になる。即ち、多価イオンの生成効率を向上させて、イオンビーム中に含まれる多価イオンの割合を向上させることが可能になる。
【００２０】
また、１価イオンのイオンビーム引き出しを行う場合にも、上記バイアス電圧の印加された反射電極で反射される高いエネルギーの電子を多くプラズマの生成に効率良く利用してイオンの生成効率を高めることができるので、１価イオンの生成効率を向上させて、１価イオンビームの引き出し量を多くすることも可能になる。
【００２１】
また、上記イオン源によれば、上述したように、バイアス電圧の印加された反射電極で反射される高いエネルギーの電子によってガスを効率良く電離させることができるので、アーク電圧を小さくしても、プラズマの生成効率の低下を抑えて、ビーム電流の減少を抑えることができる。従って、フィラメント電流ひいてはアーク電流を大きくせずに済む。その結果、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることも可能になる。
【００２２】
このように上記イオン源によれば、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメントの長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメントの長寿命化とを折衷させることもできる。
【００２３】
また、前記バイアス電圧をアーク電圧よりも２０Ｖ以上大きくしてイオンビームを引き出すというイオン源の運転方法を採用することによって、高エネルギーの電子を多く利用することが可能になるので、上記イオンの生成効率向上やフィラメントの長寿命化等の効果を奏する。
【００２４】
【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概略断面図である。図１２に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００２５】
このイオン源では、前記背後反射電極１０を、フィラメント６から電気的に絶縁している。即ち、ここでは背後反射電極１０を、プラズマ生成容器２およびフィラメント６の両者から電気的に絶縁している。
【００２６】
そして、この背後反射電極１０と前記対向反射電極８とを、導線３０で互いに電気的に接続して互いに同電位にしている。
【００２７】
更に、前記フィラメント電源２４およびアーク電源２６とは別の電源であって、前記対向反射電極８および背後反射電極１０と前記プラズマ生成容器２との間に両反射電極８、１０側を負極にして直流のバイアス電圧ＶB を印加する直流のバイアス電源３２を設けている。
【００２８】
まず、多価イオンの生成効率向上の観点から説明する。
【００２９】
このイオン源との比較のために、図１２に示した従来のイオン源の電位配置を再び説明すると、前述したように従来の電位配置は図１３に示すようなものであり、対向反射電極８および背後反射電極１０の電位はフィラメント６の電位に等しいかほぼ等しい。このような電位配置の場合、背後反射電極１０による電子ｅの反射はあまり効率が良くなく、フィラメント６から放出された電子ｅの内の何割かは、フィラメント６の近傍に設けられた背後反射電極１０に衝突してしまい、プラズマ１６の生成・維持に寄与しない。また、この背後反射電極１０は、アーク電圧ＶA に相当する電位とさほど変わらない電位しか有していないため、この背後反射電極１０で反射される電位ｅのエネルギーはあまり大きくない。
【００３０】
一方、対向反射電極８もアーク電圧ＶA に相当する電位とさほど変わらない電位しか有していないため、この対向反射電極８で反射される電子ｅのエネルギーはあまり大きくない。また、この対向反射電極８による電子ｅの反射もあまり効率が良くなく、プラズマ１６側に向かわずに拡散して、プラズマ生成容器２の壁面に衝突する電子ｅも多い。
【００３１】
このような理由から、従来のイオン源では、両反射電極８、１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量が小さいので、当該電子ｅによるプラズマ１６中の分子、原子あるいはやイオンの解離があまり進まず、多価イオンの生成量が少なかったものと考えられる。
【００３２】
これに対して、図１に示したイオン源では、フィラメント電源２４およびアーク電源２６とは別のバイアス電源３２を設けているので、このバイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB によって、対向反射電極８および背後反射電極１０の電位を、フィラメント電圧ＶF およびアーク電圧ＶA から独立して調整することができる。従って、両反射電極８、１０で反射する電子ｅのエネルギーや当該電子ｅの量を、このバイアス電圧ＶB の大きさによって調整することができる。例えば、バイアス電圧ＶB を大きくするほど、両反射電極８、１０で反射させる電子ｅの量は多くなる。また、両反射電極８、１０で反射された電子ｅのエネルギーも大きくなる。
【００３３】
図２に、このイオン源における電位配置の例を示す。バイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB によって、対向反射電極８および背後反射電極１０の電位を自由に調整することができ、従来例と違って、両反射電極８、１０の電位を、フィラメント６の電位よりも負の電位にすることも可能である。従って、上述したように、両反射電極８、１０で反射させる電子ｅのエネルギーおよび量をより大きくすることが可能である。
【００３４】
このイオン源によれば、上記のような高いエネルギーの電子ｅを多くプラズマ１６の生成・維持に利用することが可能になるので、プラズマ１６中の分子、原子あるいはイオンの解離（電離）をより促進させて、多価イオンをより多く生成することが可能になる。即ち、多価イオンの生成効率を向上させて、プラズマ１６中に含まれる多価イオンの割合を向上させることができる。従って、多価イオンを有効に利用することが可能になる。
【００３５】
特に、両反射電極８および１０の電位をフィラメント６の電位よりも負にすることによって、より高エネルギーの電子ｅをより多く利用することが可能になるので、多価イオンをより多く、より効率的に生成することが可能になる。
【００３６】
バイアス電圧ＶB によって両反射電極８、１０の電位をフィラメント６の電位よりもどの程度負にするのが好ましいかは、後述する図３の結果からも分かるように、例えば１０Ｖ以上、より好ましくは２０Ｖ以上負にするのが好ましい。
【００３７】
上記は、バイアス電圧ＶB の好ましい領域を両反射電極８、１０の電位で規定したものであるが、アーク電圧ＶA との関係でバイアス電圧ＶB の好ましい領域を規定しても良い。具体的には、バイアス電圧ＶB （より正確に言えばバイアス電圧ＶB の絶対値）をアーク電圧ＶA （より正確に言えばアーク電圧ＶA の絶対値）よりも１０Ｖ以上大きくする、即ちバイアス電圧ＶB とアーク電圧ＶA との差ΔＶ（＝｜ＶB ｜−｜ＶA ｜）を１０Ｖ以上にすることでも良い。これによっても、両反射電極８、１０で反射されたより高エネルギーの電子ｅをより多く利用することが可能になるので、多価イオンをより多く、より効果的に生成することが可能になる。
【００３８】
また、アーク電圧ＶA を多価イオン生成の場合よりも小さくする等して、１価イオンのイオンビーム１８の引き出しを行う場合にも、上記バイアス電圧ＶB の印加された反射電極８、１０で反射される高いエネルギーの電子ｅを多くプラズマ１６の生成に効率良く利用してイオンの生成効率を高めることができるので、１価イオンの生成効率を向上させて、１価イオンビーム１８の引き出し量を多くすることも可能になる。これは、後述する図４〜図６の結果からも裏付けられている。
【００３９】
以上要するに、このイオン源によれば、イオンの生成効率を高めることができるので、そのような効果を利用して、多価イオンをより多く引き出すことも、１価イオンをより多く引き出すことも、いずれも可能になるということである。
【００４０】
なお、バイアス電源３２からのバイアス電圧ＶB は、上記例のように対向反射電極８および背後反射電極１０の両方に印加するのが最も好ましいけれども、対向反射電極８または背後反射電極１０のどちらか一方だけにバイアス電圧ＶB を印加するようにしても良い。そのようにしても、バイアス電圧ＶB を印加した反射電極８または１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量を前述したように大きくすることができるので、多価イオンや１価イオンの生成効率を向上させてイオンビーム１８中に含まれる多価イオンあるいは１価イオンの割合を向上させる効果を奏する。反射電極８または１０の一方にバイアス電圧ＶB を印加する場合は、背後反射電極１０にバイアス電圧ＶB を印加する場合の方が、上述した作用によって多価イオンや１価イオンの生成効率を向上させる効果は大きい。しかし、対向反射電極８にバイアス電圧ＶB を印加しても、上述した作用から、従来のイオン源よりかは多価イオンあるいは１価イオンの生成効率を高めることができる。
【００４１】
上記のようなバイアス電圧ＶB が印加される対向反射電極８および背後反射電極１０には、電子ｅが反射されるのに比例して、プラズマ１６中のイオンが、プラズマ１６と両反射電極８、１０間の電位差に相当するエネルギーで入射衝突する。そのために両反射電極８、１０の温度は高温に上昇するので、両反射電極８、１０は、その高温に耐えられる高融点材料で構成しておくのが好ましい。例えば、元素周期表の４Ａ族（Ｔi 、Ｚr 、Ｈf ）、５Ａ族（Ｖ、Ｎb 、Ｔa ）、６Ａ族（Ｃr 、Ｍo 、Ｗ）の金属またはそれらの合金（例えばタングステン・イットリウム合金、タングステン・ジルコニウム合金等）で構成しておくのが好ましい。
【００４２】
次に、フィラメント６の長寿命化の観点から説明する。
【００４３】
従来から（例えば特許第２８６９５５８号参照）フィラメント６の寿命を長くするために、アーク電圧ＶA を小さくしてイオン源を運転する、即ちイオンビーム１８を引き出すことが提案されている。プラズマ１６中のイオン（正イオン。以下同じ）は、アーク電圧ＶA で加速されてフィラメント６に衝突するので、アーク電圧ＶA を小さくするとこのイオンによるスパッタリングによるフィラメント６の消耗を少なくすることができるからである。
【００４４】
ところが、従来のイオン源において単にアーク電圧ＶA を小さくしたのでは、前記説明（図１３参照）からも分かるように、フィラメント６から放出されたりプラズマ１６中で生成されたりした電子ｅのアーク電圧ＶA による加速エネルギーも小さくなるので、当該電子ｅによるガスの電離効率が下がり、プラズマ１６の生成効率が下がり、引き出し得るイオンビーム１８の量（即ちビーム電流）が減少してしまう。
【００４５】
フィラメント電源２４からフィラメント６に流すフィラメント電流を大きくすることによって、フィラメント６とプラズマ生成容器２間のアーク放電の電流（即ちアーク電流。これはアーク電源２６に流れる電流でもある）を大きくして対処するという考えもあるけれども、そのようにすると、フィラメント６の温度上昇が大きくなってフィラメント材料の蒸発量が多くなり、これが新たにフィラメント６の寿命を短くする原因になるので、必ずしもうまく行かない。
【００４６】
これに対してこのイオン源では、上述したように、両反射電極８、１０で反射する電子ｅのエネルギーや当該電子ｅの量を、バイアス電圧ＶB によって調整することができ、このバイアス電圧ＶB を大きくするほど反射される電子ｅのエネルギーおよび量は大きくなる。特に、前述したように、バイアス電圧ＶB によって両反射電極８および１０の電位をフィラメント６の電位よりも負にすることによって、あるいは両反射電極８、１０に印加するバイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ以上大きくすることによって、より高エネルギーの電子ｅをより多く利用することが可能になる。そして、この両反射電極８、１０で反射された高いエネルギーの電子ｅによってプラズマ生成容器２内のガスを効率良く電離させることができるので、アーク電圧ＶA を小さくしても、プラズマ１６の生成効率の低下を抑えて、イオンビーム１８のビーム電流の減少を抑えることができる。従って、フィラメント電流ひいてはアーク電流を大きくせずに済む。
【００４７】
これをより詳しく説明すると、プラズマ生成容器２内に導入されたガスを効率良く電離させてプラズマ１６を効率良く生成するためには、ガスの電離エネルギー以上のエネルギーを有する電子ｅを多く発生させる必要がある。従来はその電子ｅのエネルギーを決めていたのがアーク電圧ＶA である。従って、ガスの電離エネルギーに相当する電圧よりもアーク電圧ＶA を小さくすると、ガスの電離効率は急激に低下する。
【００４８】
これに対して、例えば上記のようにアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ（＝ΔＶ）以上大きいバイアス電圧ＶB を両反射電極８、１０に印加すると、アーク電圧ＶA によって加速された電子ｅだけでなく、両反射電極８、１０で反射された、アーク電圧ＶA に相当するエネルギーよりも高いエネルギーを有する電子ｅをガスの電離に利用することができる。これによって、電子ｅのエネルギー分布を、アーク電圧ＶA だけの場合よりもΔＶ相当ぶん高い方へシフトさせることができる。しかも、アーク電圧ＶA 相当のエネルギーを有する電子ｅとバイアス電圧ＶB 相当のエネルギーを有する電子とが混在することになるので、電子ｅのエネルギー分布におけるピーク付近のエネルギーの幅も広がる。従って、アーク電圧ＶA を小さくしても、ガスの電離に用いる電子ｅのエネルギーを、当該ガスの電離に適したエネルギー値付近に多く分布させることができる。このような作用によって、アーク電圧ＶA を小さくしても、ガスを効率良く電離させることができ、ビーム電流の減少を抑えることができる。
【００４９】
しかも、プラズマ１６中のイオンのスパッタによるフィラメント６の消耗は、前述したようにアーク電圧ＶA には依存するけれども、バイアス電圧ＶB には依存しない。つまり、バイアス電圧ＶB を大きくしてもフィラメント６の消耗を大きくすることにはならない。これは、両反射電極８、１０は、電子ｅを反射するのであって、フィラメント６をスパッタするイオンをフィラメント６に向けて加速する作用は奏しないからである。
【００５０】
従って、アーク電圧ＶA を小さくしても、アーク電流を大きくせずにビーム電流の減少を抑えることができる。その結果、アーク電圧ＶA を小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることが可能になる。
【００５１】
アーク電圧ＶA をより小さくしてフィラメント６の寿命をより延ばしたい等の場合は、バイアス電圧ＶB とアーク電圧ＶA との差ΔＶを前述した１０Ｖよりももっと大きくすれば良い。例えば後述するより具体的な実施例からも分かるように、バイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも２０Ｖ以上大きくすると、ビーム電流の減少抑制により顕著な効果を発揮する。バイアス電圧ＶB によって両反射電極８、１０の電位をフィラメント６の電位よりも負にする観点から言えば、例えば１０Ｖ以上、より好ましくは２０Ｖ以上負にするのが好ましい。
【００５２】
フィラメントの長寿命化の場合も、前記と同様に、バイアス電源３２からのバイアス電圧ＶB は、上記例のように対向反射電極８および背後反射電極１０の両方に印加するのが最も好ましいけれども、対向反射電極８または背後反射電極１０のどちらか一方だけにバイアス電圧ＶB を印加するようにしても良い。そのようにしても、バイアス電圧ＶB を印加した反射電極８または１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量を前述したように大きくすることができ、それによってイオンの生成効率を高めることができるからである。
【００５３】
フィラメントの長寿命化を図ることは、イオンビーム１８を構成するイオンとして、１価のイオンを引き出す場合に限られるものではなく、前述したような２価等の多価のイオンを引き出す場合にも可能である。多価イオンを生成する場合は、１価イオンの場合に比べて、一般的に、アーク電圧ＶA を大きくする必要があるけれども、その場合でも、上記のようなバイアス電圧ＶB を印加することによって、上述したようにより小さいアーク電圧ＶA で済むようになるので、多価イオン引き出しの場合もフィラメント６の長寿命化を図ることが可能になる。
【００５４】
以上要するに、このイオン源によれば、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメント６の長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧ＶA を小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメント６の長寿命化とを折衷させることもできる。折衷させる場合は、アーク電圧ＶA の下げ方を、フィラメント６の長寿命化を主眼にする場合よりも少なくすれば良い。
【００５５】
次に、多価イオンの生成効率を向上させる場合のより具体的な実施例を説明する。
【００５６】
図１に示したイオン源を用いて、プラズマ生成容器２内にフッ化ホウ素（ＢＦ3 ）ガスを導入して、イオンビーム１８としてホウ素イオンビームを引き出したときの、当該イオンビーム中に含まれるホウ素の２価イオン（Ｂ2+）のビーム電流が、前記バイアス電圧ＶB によって変化する状況を測定した結果を図３中に実施例として示す。このとき、アーク電圧ＶA は６０Ｖ、フィラメント電圧ＶF は約２Ｖにした。
【００５７】
また、同図中に、同じ条件で、図１２に示した従来のイオン源において、対向反射電極８を浮遊電位にした（即ち導線２８を接続していない）ときのＢ2+ビーム電流を測定した結果を従来例として示す。従来例では、バイアス電圧ＶB は印加しないので、測定点の横軸の値は示していない（示しようがない）。
【００５８】
実施例で、バイアス電圧ＶB が６０Ｖを超すとＢ2+ビーム電流が急増しており、７０Ｖ以上では従来例と明確な差があり、８０Ｖ以上で顕著な差のあることが分かる。即ち、この例の場合、アーク電圧ＶA が６０Ｖであるから、フィラメント６の電位は、プラズマ生成容器２の電位を基準に見て−６０Ｖ程度であり、上記バイアス電圧ＶB によって両反射電極８および１０の電位を−６０Ｖよりも負にすることによって、Ｂ2+ビーム電流の増大に効果のあることが分かる。より具体的には、Ｂ2+ビームを引き出す場合は、バイアス電圧ＶB は７０Ｖ以上が好ましく、８０Ｖ以上がより好ましいと言える。換言すれば、バイアス電圧ＶB によって両反射電極８、１０の電位をフィラメント６の電位よりも１０Ｖ以上負にするのが好ましく、２０Ｖ以上負にするのがより好ましい。そのようにすれば、従来例の１．５倍〜２倍程度のＢ2+ビーム電流を得ることができる。
【００５９】
バイアス電圧ＶB の上限については、図３からも分かるように１６０Ｖに近づくとＢ2+ビーム電流の増大が飽和しており、またバイアス電圧ＶB をあまり大きくすると両反射電極８および１０の電気絶縁が難しくなるので、当該電気絶縁の面から上限が自ずから決まってくる。
【００６０】
なお、図３においてバイアス電圧ＶB が６０Ｖより小さいときの測定点がないのは、バイアス電圧ＶB を６０Ｖより小さくすると、バイアス電源３２に大きな負荷電流が流れて測定が困難になったからである。これは、バイアス電圧ＶB を６０Ｖよりも小さくすると、両反射電極８および１０が電子ｅを反射するのとは反対に電子ｅを引き込んでしまうからであると考えられる。
【００６１】
上記実施例は、ホウ素の２価イオンの場合の例であるが、この発明は勿論、それ以外の多価イオンの生成、引き出しにも利用することができる。例えば、リン（Ｐ）の多価イオンの生成等にも利用することができる。
【００６２】
次に、フィラメント６の長寿命化を可能にする場合のより具体的な実施例を説明する。
【００６３】
図１に示したイオン源を用いて、上記実施例と同様に、プラズマ生成容器２内にフッ化ホウ素（ＢＦ3 ）ガスを導入して、イオンビーム１８としてホウ素イオンビームを引き出したときの、当該イオンビーム中に含まれるホウ素の１価イオン（Ｂ+ ）のビーム電流が、前記バイアス電圧ＶB によって変化する状況を測定した結果を図４〜図６に示す。このとき、アーク電圧ＶA は４５Ｖ、６０Ｖおよび７５Ｖの３種、フィラメント電圧ＶF は約２Ｖにした。図４はアーク電流が１０００ｍＡ、図５は同電流が２０００ｍＡ、図６は同電流が３０００ｍＡの場合の結果である。
【００６４】
各図において、各アーク電圧ＶA で最もバイアス電圧ＶB の低いときの測定点（即ち白抜きの測定点）が、バイアス電圧ＶB を印加しない場合、即ち両反射電極８、１０をフロート状態にした場合であり、その場合に両電極８、１０の電位が、アーク電圧ＶA よりも若干小さい値の電位になる、即ち図のバイアス電圧ＶB に相当する電位になる理由は、前述のとおりである。
【００６５】
図４において、アーク電圧ＶA が６０Ｖでバイアス電圧ＶB が印加されていない場合、ビーム電流は約１１０μＡ得られている。これに対して、アーク電圧ＶA が４５Ｖでバイアス電圧ＶB が印加されていない場合、ビーム電流は約６０μＡしか得られない。大幅に減少している。しかしながら、アーク電圧ＶA よりも大きいバイアス電圧ＶB を印加してその電圧を上げて行くとビーム電流は増大し、バイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ以上大きくすれば（バイアス電圧ＶB の値で言えば５５Ｖ以上にすれば）ビーム電流は明らかに増大しているのが分かる。バイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも２０Ｖ以上大きくすれば、ビーム電流はバイアス電圧無印加時に比べて顕著に増大している。
【００６６】
具体的には、アーク電圧ＶA を４５Ｖに下げてもバイアス電圧ＶB を６０〜６５Ｖにすれば、アーク電圧ＶA が６０Ｖでバイアス電圧無印加時とほぼ同程度のビーム電流が得られている。即ち、ビーム電流の減少を十分に抑えることができている。同様に、アーク電圧ＶA を６０Ｖに下げてもバイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ以上大きくすることによって（バイアス電圧ＶB の値で言えば７０Ｖ以上にすることによって）、アーク電圧ＶA が７５Ｖでバイアス電圧無印加時と同程度以上のビーム電流が得られている。
【００６７】
図５および図６のようにアーク電流を増大させてビーム電流全体を増大させた場合も、バイアス電圧ＶB をアーク電圧ＶA よりも１０Ｖ以上大きくする、より好ましくは２０Ｖ以上大きくすることによって、バイアス電圧無印加時に比べてビーム電流が明らかに増大している。即ち、アーク電圧ＶA を４５Ｖに下げても、ビーム電流の減少を抑えて、アーク電圧ＶA が６０Ｖでバイアス電圧無印加時のビーム電流に近づけることができている。同様に、アーク電圧ＶA を６０Ｖに下げても、アーク電圧ＶA が７５Ｖでバイアス電圧無印加時と同程度以上のビーム電流が得られている。
【００６８】
バイアス電圧ＶB とアーク電圧ＶA との差ΔＶの上限については、上記図４〜図６の測定結果からも分かるように、差をある程度大きくするとビーム電流の増大が飽和するので、８０Ｖ程度を上限と考えることができる。また、バイアス電圧ＶB 自体の大きさの上限は、上記と同様の理由から、１６０Ｖ程度が現実的である。
【００６９】
次に、図１に示したイオン源において、プラズマ生成用のガスとしてアルゴン（Ａr ）ガスを用いて、アーク電圧ＶA を５０Ｖと６０Ｖの２種とし、アーク電流が２５００ｍＡで１０時間連続してプラズマ１６を生成させた後のフィラメント６の消耗の状況（即ちフィラメント６の直径の減少量）を測定した結果を図８に示す。このとき、バイアス電圧ＶB は９０Ｖにした。また、図７に、フィラメント６の直径の測定点を示し、これは図８の横軸に対応している。
【００７０】
この図８から分かるように、アーク電圧ＶA を６０Ｖから５０Ｖに低下させると、フィラメント６の消耗は大幅に減っている。具体的には、フィラメント６の先端付近での直径の減少量は半分近くに減っている。従って、フィラメント６の寿命は大幅に延びる。これは、アーク電圧ＶA を６０Ｖから５０Ｖへと１０Ｖ低下させた場合の例であり、１０Ｖよりも更に低下させるとフィラメント６の寿命がより延びることは、この結果から容易に推測できよう。
【００７１】
また、この発明に係るイオン源によれば、前述したようにイオンの生成効率が向上することによって、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメント電流を小さくすることもできるので、それによってフィラメント６の温度を下げることができ、フィラメント６からの構成材料の蒸発速度を低下させることができ、これによってもフィラメント６の寿命を延長することができる。
【００７２】
これを詳述すると、図９に、フィラメント６の材料として一般的なタングステンの蒸発速度および熱電子放射電流密度の温度特性を示す。例えば、通常の運転状態に近いフィラメント温度２８００Ｋでの熱電子放射電流密度を半分にする温度は約２７２０Ｋであり、この場合のタングステンの蒸発速度は約４分の１（正確には１／４．３）となり、フィラメント６の寿命は４倍近くに延びる。即ち、フィラメント６の温度を約２８００Ｋから約２７２０Ｋに下げると、熱電子放射電流密度は約半分に下がるけれども、その場合のビーム電流の減少は上記バイアス電圧ＶB の印加によって抑えることができ、しかもフィラメント６の寿命は約４倍に延びるということである。
【００７３】
また、上記対向反射電極８および背後反射電極１０の温度は、前述したように、プラズマ１６からのイオンの入射衝突によって高温に上昇するので、対向反射電極８および背後反射電極１０の少なくとも一方を、好ましくは両方を、フィラメント６の一般的な構成材料であるタングステンよりも熱電子放射電流密度の高い材料で構成しておいても良い。そのようにすれば、当該反射電極８、１０から放出される電子をもプラズマ１６の生成・維持に効果的に利用することが可能になるので、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメント電流をより低下させることができ、それによってフィラメント６の寿命をより延ばすことができる。
【００７４】
上記のタングステン（約８．７×１０-4）よりも熱電子放射電流密度の大きい材料としては、例えば、タンタル（約９．９×１０-3）、モリブデン（約７．７×１０-3）、ニオブ（約１．２×１０-2）、ジルコニウム（約５．５×１０-2）、タングステン・イットリウム合金（約４．４）、タングステン・ジルコニウム合金（約０．２４）等が利用できる。各括弧内の数値は、当該材料の２０００Ｋにおける熱電子放射電流密度を示す（単位はＡ／ｃｍ2 ）。タングステンを基準にしたのは、熱電子放出材料としてはタングステンが一般的だからである。これらの材料の内でもタンタルは、融点も高く（約３２５０Ｋ）、熱電子放射電流密度も大きく、しかも価格も比較的安いので、好ましい材料の一つである。
【００７５】
また、上記のように、この発明に係るイオン源によれば、イオンの生成効率が向上することによってフィラメント電流を小さくすることができるので、フィラメント電流の大きさを、イオン源の運転の初期は相対的に大きくし、その後は相対的に小さくする運転方法を採用しても良い。そのようにすれば、イオン源運転の初期には大きなフィラメント電流でプラズマ１６を確実に点火させることができると共に、その後にフィラメント電流を小さくすることによって、フィラメント６の寿命をより一層延ばすことができる。
【００７６】
対向反射電極８および背後反射電極１０の少なくとも一方に、好ましくは両方に、上記のようなタングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料を用いている場合は、上述したように、当該反射電極８、１０から放出される電子をもプラズマ１６の生成・維持に効果的に利用することが可能になるので、イオン源運転開始後のフィラメント電流をより一層小さくして、フィラメント６の寿命をより一層長く延ばすことが可能になる。
【００７７】
また、上記のような熱電子放射電流密度の大きい材料を用いている場合には、特に両反射電極８および１０に用いている場合には、プラズマ１６の点火後は、当該反射電極８、１０からの電子放出によってプラズマ１６を維持することができる場合もあり、その場合は、イオン源の運転の初期にのみフィラメント電流を流してフィラメント６を加熱し、その後はフィラメント電流をオフ（即ち０）にすることができる。そのようにすれば、フィラメント６の寿命を非常に延長することができる。
【００７８】
次に、上記バイアス電圧ＶB の制御によってイオンビーム１８の量を制御する実施例を説明する。
【００７９】
例えばイオン注入処理を行う場合に、注入条件の一つであるイオンドーズ量の変更には、通常はイオン源から引き出すイオンビームの量（即ちイオンビーム電流）を変化させることで行われる。
【００８０】
図１２に示したような従来のイオン源では、それから引き出すイオンビーム１８の量の調整は、フィラメント電源２４からフィラメント６に流すフィラメント電流を変化させてアーク電流を変化させることによって行っていた。
【００８１】
このときのアーク電流は、主に、フィラメント６から放出される熱電子ｅの量、即ちフィラメント６の温度によって決定されるが、真空中（プラズマ生成容器２内およびその周りは真空中である）に設置されたフィラメント６の温度を変化させるためには長い時間が必要となる。即ち、アーク電流およびイオンビーム電流を変化させるためには長い時間が必要である。例えば数十秒程度は必要である。その結果例えば、当該イオン源を用いたイオン注入処理において、注入条件の変更に長い時間を要することになり、全体の処理が遅くなってしまう。
【００８２】
これに対して、この発明に係るイオン源では、前記図４〜図６およびその説明からも分かるように、アーク電流を変化させなくても（即ち同一のアーク電流であっても）、バイアス電圧ＶB の大きさを制御（調整）することによって、引き出すイオンビーム１８の量（即ちイオンビーム電流）を制御することができる。
【００８３】
例えば、図４（アーク電流は１０００ｍＡで一定）において、アーク電圧ＶA が６０Ｖでバイアス電圧ＶB が印加されていない場合、ビーム電流は約１１０μＡ得られている。これに対して、バイアス電圧ＶB を印加し、かつその値を大きくするとビーム電流は次第に増大し、バイアス電圧ＶB を１２０Ｖにするとビーム電流は約１９０μＡにまで上昇している。
【００８４】
他のアーク電圧ＶA の場合、および図５、図６の場合も同様に、アーク電流を一定にしておいても、バイアス電圧ＶB の電圧制御によってビーム電流の大きさを制御することのできることが分かる。２価イオンのイオンビーム１８を引き出す場合も同様である（図３参照）。
【００８５】
しかもこの場合にビーム電流を変化させるのに要する時間は、バイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB の調整に要する時間で決まり、例えば数秒程度である。これは、前述した従来のアーク電流を変化させる方法による場合の数十秒程度に比べて、約１０倍も速い。このように、バイアス電源３２から出力するバイアス電圧ＶB の大きさを制御する（この制御には、バイアス電圧ＶB をオン、オフさせることも含む）ことによって、イオン源から引き出すイオンビーム１８の量を高速で制御することができる。
【００８６】
次に、上記対向反射電極８の代わりに、もう一組のフィラメント６および背後反射電極１０を設けた実施例を説明する。
【００８７】
図１０に示すイオン源がそれであり、以下においては図１に示したイオン源との相違点を主体に説明する。それ以外の事項については、図１のイオン源における前記説明が適用される。
【００８８】
このイオン源では、図１に示した一組の（第１の）フィラメント６および背後反射電極１０の他に、上記対向反射電極８の代わりとして、もう一組の（第２の）フィラメント６および背後反射電極１０を設けている。即ち、二つの（第１および第２の）前述したようなフィラメント６を、プラズマ生成容器２内に相対向させて配置している。また、各フィラメント６の背後には、二つの（第１および第２の）前述したような背後反射電極１０を、相対向させて配置している。
【００８９】
二つのフィラメント６は、この例では、図１０中の点Ｐ、Ｑで互いに並列接続されている。従ってこの例では、二つのフィラメント６には、共通のフィラメント電源２４から加熱用のフィラメント電圧ＶF が印加され、かつ共通のアーク電源２６からアーク放電用のアーク電圧ＶA が印加される。但し、この例と違って、各フィラメント６にフィラメント電源２４およびアーク電源２６をそれぞれ設けても良い。
【００９０】
上記のようなフィラメント６および背後反射電極１０を二組有するイオン源は、前記特開平９−６３９８１号公報にも記載されているけれども、従来は、両背後反射電極１０は、図１２の従来例と同様、フィラメント６の一端（より具体的には、フィラメント電源２４の負極側端）に接続してフィラメント電位にしていた。
【００９１】
これに対して、この実施例では、図１の実施例の場合と同様、各背後反射電極１０を、各フィラメント６およびプラズマ生成容器２の両者から電気的に絶縁している。そして、この例では、両背後反射電極１０を導線３０で互いに電気的に接続して互いに同電位にしている。
【００９２】
更に、前記フィラメント電源２４およびアーク電源２６とは別の電源であって、両反射電極１０と前記プラズマ生成容器２との間に両反射電極１０側を負極にして直流のバイアス電圧ＶB を印加する直流の前記バイアス電源３２を設けている。
【００９３】
このイオン源における電位配置の一例を図１１に示す。フィラメント６および背後反射電極１０は、同じ電位のものが二つずつあると考えれば良い。
【００９４】
このイオン源においても、バイアス電源３２から両背後反射電極１０に前記のようなバイアス電圧ＶB を印加することによって、基本的には、図１に示したイオン源の場合と同様の作用効果を奏する。
【００９５】
即ち、要約して言えば、このイオン源の場合も、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメント６の長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧ＶA を小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメント６の長寿命化とを折衷させることもできる。折衷させる場合は、アーク電圧ＶA の下げ方を、フィラメント６の長寿命化を主眼にする場合よりも少なくすれば良い。
【００９６】
また、図１に示したイオン源の場合と同様の運転方法を採用することができ、それによって前述したような作用効果を奏することができる。
【００９７】
しかもこの図１０のイオン源は、図１のイオン源に比べて、フィラメント６および背後反射電極１０を二組設けているので、各フィラメント６から放出させる電子量を半分にして、各フィラメント６の寿命をより一層延長させることができるという特徴を有している。
【００９８】
なお、この図１０のイオン源の場合も、バイアス電源３２からのバイアス電圧ＶB は、この例のように両背後反射電極１０に印加するのが最も好ましいけれども、どちらか一方の背後反射電極１０だけにバイアス電圧ＶB を印加するようにしても良い。そのようにしても、バイアス電圧ＶB を印加した側の背後反射電極１０で反射される電子ｅのエネルギーおよび量を前述したように大きくすることができるので、多価イオンや１価イオンの生成効率を向上させてイオンビーム１８中に含まれる多価イオンあるいは１価イオンの割合を向上させる効果を奏する。また、アーク電圧ＶA を小さくしてフィラメント６の長寿命化を図ることもできる。
【００９９】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【０１００】
請求項１記載の発明によれば、対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイアス電源から印加するバイアス電圧によって、アーク電源およびフィラメント電源の出力電圧から独立して調整することができるので、当該反射電極で反射する電子のエネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によって調整することができる。しかも、アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きいバイアス電圧を印加するバイアス電源を設けたことによって、高いエネルギーの電子を多くプラズマの生成に利用することが可能になるので、プラズマ中のガス分子あるいはイオンの解離をより促進させて、イオンの生成効率を高めることが可能になる。
【０１０１】
その結果、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメントの長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメントの長寿命化とを折衷させることもできる。
【０１０２】
請求項２記載の発明によれば、対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方を、タングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料で構成することによって、当該反射電極から放出される電子をもプラズマの生成・維持に効果的に利用することが可能になるので、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメント電流をより低下させることができ、それによってフィラメントの寿命をより延ばすことが可能になる。
【０１０４】
請求項３記載の発明によれば、第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方の電位を、バイアス電源から印加するバイアス電圧によって、アーク電源およびフィラメント電源の出力電圧から独立して調整することができるので、当該反射電極で反射する電子のエネルギーや当該電子の量を、このバイアス電圧によって調整することができる。しかも、アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きいバイアス電圧を印加するバイアス電源を設けたことによって、高いエネルギーの電子を多くプラズマの生成に利用することが可能になるので、プラズマ中のガス分子あるいはイオンの解離をより促進させて、イオンの生成効率を高めることが可能になる。
【０１０５】
その結果、イオンの生成効率向上を主眼にすれば、多価イオンや１価イオンの生成効率を高めることができる。また、フィラメントの長寿命化を主眼にすれば、アーク電圧を小さくしてフィラメントの長寿命化を図ることもできる。これは１価イオン生成、多価イオン生成のいずれにおいてもできる。また、イオンの生成効率向上とフィラメントの長寿命化とを折衷させることもできる。
【０１０６】
しかも、フィラメントおよび背後反射電極を二組有しているので、請求項１記載の発明に比べて、各フィラメントから放出させる電子量を半分にして、各フィラメントの寿命をより一層延長させることができる。
【０１０７】
請求項４記載の発明によれば、第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方を、タングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料で構成することによって、当該反射電極から放出される電子をもプラズマの生成・維持に効果的に利用することが可能になるので、所定のアーク電流を生成するために必要なフィラメント電流をより低下させることができ、それによってフィラメントの寿命をより延ばすことが可能になる。
【０１０８】
請求項５、６記載の発明によれば、前記バイアス電圧をアーク電圧よりも２０Ｖ以上大きくすることによって、それぞれ請求項１、３記載の発明と同様の効果を奏する。即ち、高エネルギーの電子を多く利用することが可能になるので、上記イオンの生成効率向上やフィラメントの長寿命化等の効果を奏する。
【０１０９】
請求項７、８記載の発明によれば、イオン源運転の初期には大きなフィラメント電流でプラズマを確実に点火させることができると共に、その後にフィラメント電流を小さくすることによって、フィラメントの寿命をより一層延ばすことができる。
【０１１０】
請求項９、１０記載の発明によれば、バイアス電源から出力するバイアス電圧の大きさを制御することによって、イオン源から引き出すイオンビームの量を、フィラメント電流を変化させてアーク電流を変化させる場合に比べて、高速で変更することができる。
【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概略断面図である。
【図２】図１のイオン源における電位配置の一例を模式的に示す図である。
【図３】ホウ素の２価イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図である。
【図４】アーク電流が１０００ｍＡの時のホウ素の１価イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図である。
【図５】アーク電流が２０００ｍＡの時のホウ素の１価イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図である。
【図６】アーク電流が３０００ｍＡの時のホウ素の１価イオンビーム電流のバイアス電圧特性の一例を示す図である。
【図７】図１中のフィラメントを拡大して示す図である。
【図８】１０時間運転後の図７のフィラメントの直径の変化を測定した結果を示す図である。
【図９】タングステンの蒸発速度および熱電子放射電流密度の温度特性を示す図である。
【図１０】この発明に係るイオン源の他の例を示す概略断面図である。
【図１１】図１０のイオン源における電位配置の一例を模式的に示す図である。
【図１２】従来のイオン源の一例を示す概略断面図である。
【図１３】図１２のイオン源における電位配置の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
２ プラズマ生成容器
６ フィラメント
８ 対向反射電極
１０ 背後反射電極
１６ プラズマ
１８ イオンビーム
２０ 磁界発生器
２４ フィラメント電源
２６ アーク電源
３２ バイアス電源
Claims (10)
- 陽極を兼ねていてガスが導入され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プラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて電子を放出するフィラメントと、前記プラズマ生成容器の他方側内にフィラメントと相対向させて、かつプラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反射する対向反射電極と、前記プラズマ生成容器内のフィラメントの背後に対向反射電極に相対向させて、かつプラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反射する背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内にフィラメントと対向反射電極とを結ぶ軸に沿う磁界を発生させる磁界発生器と、前記フィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント電源と、前記フィラメントとプラズマ生成容器との間にフィラメント側を負極にして直流の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直流のアーク電源とを備えるイオン源において、
前記背後反射電極をフィラメントから電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして、前記アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きい直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けたことを特徴とするイオン源。 - 前記対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方を、タングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料で構成している請求項１記載のイオン源。
- 陽極を兼ねていてガスが導入されるプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて設けられていて電子をそれぞれ放出する第１および第２のフィラメントと、この第１および第２のフィラメントの背後にあってプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて配置されていて電子をそれぞれ反射する第１および第２の背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内に前記第１および第２のフィラメントを結ぶ軸に沿う磁界を発生させる磁界発生器と、前記第１および第２のフィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント電源と、前記第１および第２のフィラメントとプラズマ生成容器との間に両フィラメント側を負極にして直流のアーク電圧を印加して両フィラメントとプラズマ生成容器との間でアーク放電を生じさせる直流のアーク電源とを備えるイオン源において、
前記第１および第２の背後反射電極を前記第１および第２のフィラメントからそれぞれ電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして、前記アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きい直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けたことを特徴とするイオン源。 - 前記第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方を、タングステンよりも熱電子放射電流密度の大きい材料で構成している請求項３記載のイオン源。
- 陽極を兼ねていてガスが導入され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プラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて電子を放出するフィラメントと、前記プラズマ生成容器の他方側内にフィラメントと相対向させて、かつプラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反射する対向反射電極と、前記プラズマ生成容器内のフィラメントの背後に対向反射電極に相対向させて、かつプラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反射する背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内にフィラメントと対向反射電極とを結ぶ軸に沿う磁界を発生させる磁界発生器と、前記フィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント電源と、前記フィラメントとプラズマ生成容器との間にフィラメント側を負極にして直流の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直流のアーク電源とを備えるイオン源において、
前記背後反射電極をフィラメントから電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして直流のバイアス電圧を 印加する直流のバイアス電源を設けておき、前記バイアス電圧を前記アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きく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。 - 陽極を兼ねていてガスが導入されるプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて設けられていて電子をそれぞれ放出する第１および第２のフィラメントと、この第１および第２のフィラメントの背後にあってプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて配置されていて電子をそれぞれ反射する第１および第２の背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内に前記第１および第２のフィラメントを結ぶ軸に沿う磁界を発生させる磁界発生器と、前記第１および第２のフィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント電源と、前記第１および第２のフィラメントとプラズマ生成容器との間に両フィラメント側を負極にして直流のアーク電圧を印加して両フィラメントとプラズマ生成容器との間でアーク放電を生じさせる直流のアーク電源とを備えるイオン源において、
前記第１および第２の背後反射電極を前記第１および第２のフィラメントからそれぞれ電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けておき、前記バイアス電圧を前記アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きく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。 - 陽極を兼ねていてガスが導入され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プラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて電子を放出するフィラメントと、前記プラズマ生成容器の他方側内にフィラメントと相対向させて、かつプラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反射する対向反射電極と、前記プラズマ生成容器内のフィラメントの背後に対向反射電極に相対向させて、かつプラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反射する背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内にフィラメントと対向反射電極とを結ぶ軸に沿う磁界を発生させる磁界発生器と、前記フィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント電源と、前記フィラメントとプラズマ生成容器との間にフィラメント側を負極にして直流の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直流のアーク電源とを備えるイオン源において、
前記背後反射電極をフィラメントから電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けておき、かつ前記バイアス電圧を前記アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きくしておいて、前記フィラメント電源から前記フィラメントに流すフィラメント電流の大きさを、当該イオン源の運転の初期は相対的に大きくし、その後は相対的に小さくすることを特徴とするイオン源の運転方法。 - 陽極を兼ねていてガスが導入されるプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて設けられていて電子をそれぞれ放出する第１および第２のフィラメントと、この第１および第２のフィラメントの背後にあってプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて配置されていて電子をそれぞれ反射する第１および第２の背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内に前記第１および第２のフィラメントを結ぶ軸に沿う磁界を発生させる磁界発生器と、前記第１および第２のフィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント電源と、前記第１および第２のフィラメントとプラズマ生成容器との間に両フィラメント側を負極にして直流のアーク電圧を印加して両フィラメントとプラズマ生成容器との間でアーク放電を生じさせる直流のアーク電源とを備えるイオン源において、
前記第１および第２の背後反射電極を前記第１および第２のフィラメントからそれぞれ電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けておき 、かつ前記バイアス電圧を前記アーク電圧よりも２０Ｖ以上大きくしておいて、前記フィラメント電源から前記フィラメントに流すフィラメント電流の大きさを、当該イオン源の運転の初期は相対的に大きくし、その後は相対的に小さくすることを特徴とするイオン源の運転方法。 - 陽極を兼ねていてガスが導入され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プラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて電子を放出するフィラメントと、前記プラズマ生成容器の他方側内にフィラメントと相対向させて、かつプラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反射する対向反射電極と、前記プラズマ生成容器内のフィラメントの背後に対向反射電極に相対向させて、かつプラズマ生成容器から電気的に絶縁して配置されていて電子を反射する背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内にフィラメントと対向反射電極とを結ぶ軸に沿う磁界を発生させる磁界発生器と、前記フィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント電源と、前記フィラメントとプラズマ生成容器との間にフィラメント側を負極にして直流の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直流のアーク電源とを備えるイオン源において、
前記背後反射電極をフィラメントから電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記対向反射電極および背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けておき、前記バイアス電源から出力するバイアス電圧の大きさを制御して、当該イオン源から引き出すイオンビームの量を変更することを特徴とするイオン源の運転方法。 - 陽極を兼ねていてガスが導入されるプラズマ生成容器と、このプラズマ生成容器内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて設けられていて電子をそれぞれ放出する第１および第２のフィラメントと、この第１および第２のフィラメントの背後にあってプラズマ生成容器から電気的に絶縁して、かつ相対向させて配置されていて電子をそれぞれ反射する第１および第２の背後反射電極と、前記プラズマ生成容器内に前記第１および第２のフィラメントを結ぶ軸に沿う磁界を発生させる磁界発生器と、前記第１および第２のフィラメントを加熱して電子を放出させるフィラメント電源と、前記第１および第２のフィラメントとプラズマ生成容器との間に両フィラメント側を負極にして直流のアーク電圧を印加して両フィラメントとプラズマ生成容器との間でアーク放電を生じさせる直流のアーク電源とを備えるイオン源において、
前記第１および第２の背後反射電極を前記第１および第２のフィラメントからそれぞれ電気的に絶縁し、かつ前記フィラメント電源およびアーク電源とは別の電源であって、前記第１および第２の背後反射電極の少なくとも一方と前記プラズマ生成容器との間に当該反射電極側を負極にして直流のバイアス電圧を印加する直流のバイアス電源を設けておき、前記バイアス電源から出力するバイアス電圧の大きさを制御して、当該イオン源から引き出すイオンビームの量を変更することを特徴とするイオン源の運転方法。
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