JP4440304B2 - 固体イオン源 - Google Patents

Description

本発明は、金属その他の常温で固体の物質を蒸発させ、それを電離し、イオンビームを生成する固体イオン源に関する。

従来から、イオン注入装置、イオンビームエッチング装置、薄膜製造装置等においては、イオン源が使用される。このイオン源のうち、特に金属その他の常温で固体の物質を蒸発させ、それを電離し、イオンビームを生成する装置を通常「金属イオン源」と呼称している。従来の金属イオン源の代表例として、蒸発源に抵抗加熱式坩堝を用い、ソースプラズマ生成にアーク放電を用いたものが知られている。
特開平４−２０２７６７号公報 特開平４−３０６５４０号公報 特公平８−９７７７号公報

上記のイオン源では、以下の点が問題となる。
（1）アーク放電に必要なガス圧、例えば０．８×１０^−１Ｐａを得るため、融点が６６０℃のアルミニュウムでは坩堝の温度を約１６００℃に昇温する必要がある。従って、これよりも融点が高い原料では、坩堝の耐久性を考慮すると、必要なガス圧を得ることが難しくなる。
（２）放電ガス圧が高いため、イオン引き出し穴を経てビームドリフト部へ漏洩した原料ガスがイオン被注入物の表面で固化して被覆膜となるおそれがある。この被覆膜が、ビームイオンのターゲット表面層への到達を阻害する。

そこで、本発明は、高融点の原料でもイオンビームを生成でき、さらにイオン被注入物の表面での原料ガスの固化による被膜形成を防止できる固体イオン源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の固体イオン源は、内部が排気された真空容器と、真空容器内に設けられ、固体原料を装荷した電子ビーム蒸発源を有する原料蒸発室と、真空容器内に設けられ、熱陰極、対陰極、および陽極からなる３電極を備え、これら３電極が直流電源に接続され、原料蒸発室で発生させた原料ガスを導入し、３電極間で高周波の放電を起こしてプラズマを生成するプラズマ室と、真空容器内に設けられたイオン引き出し電極部とを具備し、原料蒸発室とプラズマ室とを、蒸気導入口を有する隔壁で区画すると共に、原料蒸発室に排気口を設け、排気口から排気することで原料蒸発室のガス圧をプラズマ室のガス圧よりも低くした固体イオン源。

原料蒸発室内に配置される電子ビーム（ＥＢ）蒸発源は、電磁界などで容易に位置制御、走査制御を行なう事ができるため、加熱材料面を最適な電子ビーム電流密度での制御ができる、電子ビームの電力密度を大きくできるのでタングステン、モリブデン、タンタル等の高融点金属からＳｉＯ_２、ＡＬ_２O_３等の誘電体まであらゆる材料を蒸発させることができる、１台の蒸発源を用いて複数の固体原料からのイオン種を含む混合イオンビームを生成できる、複数の固体原料の切り換えが簡単かつ迅速に行える、等の利点を有する。

特に偏向型電子ビーム蒸発源は、電子銃部での放電を防止するため、高真空下（例えば４×１０^−１Ｐａ以下、望ましくは７×１０^−２Ｐａ以下）でなければ作動させることができない。一方、アーク放電は、高真空下では着火、または、安定して放電を持続することができず、通常は１０Ｐａ程度の圧力下で用いられる。従って、単に従来装置の抵抗過熱式坩堝を電子ビーム蒸発源に置き換えただけでは、アーク放電は発生せず、従ってイオンビームは得られない。

この点に鑑み、本発明では、熱陰極、対陰極、および陽極からなる３電極を使用し、３電極間で高周波放電を生じさせるようにしている。この電極系は、各電極を同軸に配置すると共に、熱陰極と対陰極との間に陽極を配置した構成を有する。この電極間では、熱電子が３電極間を高速でタンデム運動を行い、高周波放電を起こすことにより、スワムと呼ばれるプラズマが生成される。このプラズマは、アーク放電によるプラズマと異なり、電子ビーム蒸発源の作動に必要となる１０^−１Ｐａを下回る高真空下でも安定して発生し持続することができる。

通常のＰＩＧ放電は、熱陰極と対陰極を同電位にして使用するが、本発明のように高真空下に配置した場合、スワムが熱陰極と対陰極との間の空間に閉じ込められ、イオン引き出し電極部に到達するイオン量が減る。その対策として、本発明では、対陰極に熱陰極よりも高い正電位を印加（例えば熱陰極よりも数十ボルト程度高くする）し、陽極に対陰極よりも高い正電位を印加（例えば対陰極よりも例えば数百ボルト程度高くする）している。この電位配位であれば、スワムが双極性拡散によりイオン引き出し電極部側に膨張して、イオン引き出し電極部の電界領域に達する。（以下、この放電形態を、「変形ＰＩＧ放電」と呼ぶ。）これによりイオン加速電極にイオン加速電圧が印加されると、イオンがソースプラズマから引き出され、イオンビームが形成される。この変形ＰＩＧ放電では、アーク放電の約１／１００程度の低ガス圧（１０^−２Ｐａ程度）でも十分に着火可能であるので、電子ビーム蒸発源の作動に必要とされる高真空下でも安定な放電を持続することができる。

プラズマ室内に、上記３電極と、ＲＦ電極またはマイクロウェーブ入力部の何れか一方とを併設することにより、二種類の放電を重畳させると、ソースプラズマの電離度が上がるので、イオンビームの電流密度を増加させることが可能となる。

一般にイオンビームの電流密度は、ソースプラズマのイオン密度に比例する。従って、電離度一定であればビーム電流を増すためにプラズマ室内のガス圧は高いことが望ましい。その一方で、ガス圧が高すぎると、既述のとおり電子ビーム蒸発源の電子銃で放電が生じるので、電子ビーム蒸発源周辺は、ガス圧をできるだけ低くすることが望まれる。

この要請に応えるべく、本発明では、原料蒸発室とプラズマ室とを、蒸気導入口を有する隔壁で区画すると共に、原料蒸発室に排気口を設けることにした。排気口から排気することにより、プラズマ室のガス圧を高くする一方で、原料蒸発室を低ガス圧に保持することが可能となる。原料蒸発室で発生した蒸発ガスは、蒸気導入口を通ってプラズマ室に移動する。原料蒸発室とプラズマ室は、蒸気導入口を介して連通しているが、蒸気導入口の排気抵抗を高めることで、原料蒸発室をプラズマ生成室の１／１０程度のガス圧に保持することが可能となる。

また、プラズマ室内に、対陰極のイオン引き出し電極部側で対陰極と対向し、かつ対陰極よりも高い（例えば数１０〜２００Ｖ程度高い）正電位を有する第２陽極を設ける放電形式によっても同様の効果が得られる。この場合、変形ＰＩＧ放電が第一段階の放電となり、この放電で生成されたプラズマが対陰極のポテンシャル障壁を超えて拡散したものをシードプラズマとして用い、第２陽極の正電位を上げると対陰極との間で第二段階の放電であるアーク放電が誘発される。第一段階の放電で電離されなかった励起状態の中性ガス原子も容易に電離され、放電電流を急増させる。定常状態ではこれらの放電現象が重畳して行われるため、電離度の高いソースプラズマが形成可能となる。第２陽極は、熱陰極の原料蒸発室側で熱陰極と対向させてもよい。

また、プラズマ室の外周に磁場を形成すれば、半径方向でプラズマの閉じ込めを行なうことができる。また、イオンと電子がラーマー運動をするようになり衝突電離の頻度が上がる結果、プラズマ中のイオン密度が上がりイオンビームの密度を大きくすることになる。この種の磁場としては、空芯コイルで形成した磁場の他、永久磁石を用いたマルチカスプ磁場やミラー磁場を採用することができる。

イオン引き出し電極部を経たイオンビームには、未電離あるいは再結合した中性原料ガスが混入している。この中性原料ガスがイオンビームの被注入物の表面に漂着して付着すると、固化して薄膜を形成する。エネルギーが数１０ｋｅＶのイオンは、薄膜の厚さがサブミクロンでも膜内で停止し、被注入物の表面に達しない。そこで、本発明では、イオン引き出し電極部の後方に、中性ガスを吸着するガス吸着部材を配した。このガス吸着部材としては、例えば液体窒素などの冷媒で冷却した金属材料を使用することができる。

蒸気圧の低いタングステンやタンタル等のビーム原料を放電によりプラズマにするため、これら高融点原料を低Ｚ（原子番号）の元素との化合物にしたり、あるいは低Ｚの放電支援ガスを混入したりして、ガス圧を上げて放電を起こりやすくする手法がある。この手法を本発明のイオン源に適用した場合、イオンビームに低Ｚの不純物元素が混入する。これを解消するため、本発明では、イオン引き出し電極部の後方に、イオン偏向磁石と低Ｚイオン消滅部材を設けた。イオン偏向磁石が形成するビームに直交する磁力線により、低Ｚイオンはタングステン等などの高Ｚイオンに比べて質量の平行根に逆比例してラーマー半径が小さくなるので結果として磁力線とビーム軸に直交する方向に向かってビーム軸から外れていく。そこで、低Ｚイオン消滅部材を、例えば液体窒素などの冷媒で冷却した金属材料で形成しておけば、不純物である低Ｚイオンを低Ｚイオン消滅部材に吸着させ、高融点原料のイオンビームは少々偏向しながらもドリフトさせることができる。ビーム偏向の補正はイオンビームドリフト部にベローを入れる、又は、被イオン注入物を可動とするなどにより実施できる。

なお、変形ＰＩＧ放電電極系の熱陰極は棒状、円筒状あるいは円錐状に形成することができる。この場合、熱陰極の先端部は陽極の内側に挿入するのがよい。変形ＰＩＧ放電電極系の各電極は、タングステン、タンタル、あるいはレニュウム製の線条あるいは薄板で形成し、それらを通電過熱により昇温させるのが望ましい。

本発明により高融点の固体原料のイオンビームも生成可能となると、常温で固体もしくは気体を問わず、あらゆる元素のイオンビームを形成することが可能となる。また、化合物原料や放電支援ガスを用いる場合を除くと、イオン種偏向磁石を用いる必要がないため、大面積イオンビームの形成やイオン種混合イオンビームの形成も可能なイオン源を構成することができる。

また、未電離の原料ガスが被イオン注入物に付着して被膜を生成する事態を防止できるので、イオン注入の物理的化学的応用の途が格段に広がった。あらゆる元素のイオン種を任意の含有比で含む高密度大面積イオンビームの有用性は、イオン注入の非熱平衡処理の特色と相俟って、工学的方法論や分子動力学、ナノテクの進展につれ益々広い分野で認識されはじめている。具体的な課題としては、次世代半導体不揮発性メモリー開発、スピトロニクスの研究、バイオ絡みの有機無機重合処理、触媒製造などの化学合成、非熱平衡材料表面ドライプロセス、マイクロマシンなどナノテクでの新規な活用が予想される。

図１に、本発明にかかる固体イオン源の概略構成を示す。

図示のように、この固体イオン源は、真空容器８の内部に、原料蒸発室３、プラズマ室４、イオン引き出し電極部５、およびイオンビームドリフト部６を各々配置し、かつ各々順に上方へと重ねた構成を有する。原料蒸発室３以外は横置きとすることもできる。真空容器８全体は、主排気口２１から排気することで、装置稼動前に概ね１０^−４Ｐａ台にまで排気する。また、真空容器８は接地される。

原料蒸発室３には電子ビーム蒸発源１が配置される。図示例の電子ビーム蒸発源１は、偏向型を例示しており、電子ビームをローレンツ力でハース（原料皿）に載せた固体原料２に誘導し、蒸発させる。電子ビーム発生部とハース部とを独立して排気できる大型の電子ビーム蒸発源を使用することもでき、その場合、原料蒸発室３に電子ビーム発生室を付帯させる。

電子ビーム蒸発源１は、電子銃での放電を防止するため、低ガス圧下でなければ安定して作動させることができない。例えば、加速電圧１０ｋV、最大電力注入量が３ｋWの蒸発源では、雰囲気ガス圧を３×10^−１Ｐａ以下にする必要がある。この高真空度を実現するため、原料蒸発室３には、主排気口２１とは別に、原料蒸発室排気口２２が設けられ、かつ原料蒸発室３とプラズマ室４とは、蒸気導入口１１ａを有する隔壁１１ｂで区画されている。稼動中に原料蒸発部排気口２２から排気することで、原料蒸発室３の雰囲気ガス圧をプラズマ室４のガス圧よりも低くすることができる。なお、蒸気導入口１１ａは極力排気抵抗を高めた構造にするのが望ましい。また、蒸気導入口１１ａは、蒸発ガスの付着固化を防止するため、適当な加熱源に接続して昇温させておく方がよい。

電子ビーム蒸発源１は、ヒーター加熱式坩堝に比べ、あらゆる物質を蒸発できる、加熱時間が短い、ハースが水冷されるのでハース材料の蒸発ガスへの混入が少ない、複数回転式ハースや複数同時稼動形式のものがあり、複数種類の原料２の切り換えが迅速に行なえる、原料ガスの混合比を選択的に変えることが出来る、などの利点を有する。電子ビーム蒸発源１を固体原料２の蒸発に採用することにより、固体の高融点原料から気体の原料まで全ての元素のイオンビーム生成を行なうことができる。

電子ビーム蒸発源１で発生した原料ガスは、蒸気導入口１１ａを経てプラズマ室４に入る。プラズマ室４内には、変形ＰＩＧ電極系７が配置される。この電極系７は、熱陰極７ａと、熱陰極７ａよりも例えば数十Ｖ高い正のバイアス電位を印加した対陰極７ｃと、両陰極７ａ、７ｃ間に配置され、熱陰極７ａよりも例えば数１００V高い正電位を印加した陽極７ｂとからなり、これら３電極は同軸上に配置されている。各電極７ａ〜７ｃは真空容器８の外部の加熱用電源に接続されていて通電加熱が可能である。各電極７ａ〜７ｃは、高温に加熱したイオン反射板９で覆われている。プラズマ室４の外周の真空容器８の外側には、各電極７ａ〜７ｃ間の電界に対して直交成分を持つ磁場を発生する空心コイル１０ａ、１０ｂが配置され、これら空心コイルが発生する磁界でプラズマ室４の内部に磁場が形成される。この磁場によりプラズマが半径方向に閉じ込められるので、イオン密度をより一層高めることができる。なお、図１では、プラズマ室４の外周に二つの空芯コイル１０ａ、１０ｂを配置した場合を例示しているが、この空芯コイルの何れか一方または双方は、必要なければ省略することもできる。

熱陰極７ａを加熱して熱電子を発生させると、熱電子が３電極間を高速でタンデム運動して高周波放電が行われ、スワムと呼ばれるプラズマが発生する。特に対陰極７ｃの電位を熱陰極７ａよりも数１０V高くした電位配位（以下、「変形ＰＩＧ電位」と呼ぶ）にすると、スワムが双極性拡散によりイオン引き出し電極部５の方向へ膨張する。この膨張により、静電電極系のイオン引き出し電極部５によってイオンがプラズマから引き出される。イオン引き出し電極５は、プラズマ電極１２、イオン加速電極１３およびイオン減速電極１４からなる。イオン引き出し電極で加速されたイオンは、ビームとなってイオンビームドリフト部６に導入され、後述のガス吸着部材１５および低Zイオン消滅部材１７の近傍を通過して図示しない被イオン注入物に注入される。

この変形ＰＩＧ電極は、アーク放電の約１／１００程度の低ガス圧（１０^−２Ｐａ程度）でも十分に着火可能であるので、電子ビーム蒸発源の作動に必要とされる高真空下でも活発な放電を行い、ソースプラズマを生成することができる。

図示例において、陽極７ｂおよび対陰極７ｃは何れも図２ａに示すように、円筒形をなし、例えば陽極７ｂとして直径×長さ６０mm×２０mmのものが、対陰極７ｃとして４５mm×１０mmのものが使用される。熱陰極７ａは、１mmφのタングステン線で円錐螺旋形に形成されている。陽極７ｂと熱陰極７ａおよび対陰極７ｃとの間の電極隙間は、それぞれ１５mmとする。熱陰極７a、陽極７ｂ、および対陰極７ｃとしては、図２ｂに示すように、電気抵抗値を大きくする目的で円筒状で且つ軸方向に交互に変位させた形状、図２ｃに示すような螺旋円筒状に形成することもできる。熱陰極７ａは、図２ｄに示すような丸棒状に形成することもできる。

この電極構成で原料ガスをプラズマ室４に２〜５×１０^−２Ｐａの範囲のガス圧で導入し、熱陰極７ａを２０００℃程度に加熱したところ、これ以外の電極７ｂ、７ｃを通電加熱せず、かつ空心コイル１０ａに通電しない状態でも容易に放電が開始された。もちろん熱陰極７ａ以外の電極７ｂ、７ｃを通電加熱し、あるいは空心コイル１０ａ、１０ｂに通電して磁場を形成した状態で放電させれば、さらにイオン密度を上げることができる。なお、上記のガス圧は例示にすぎず、放電ガス圧は、ガスの種類、電極の幾何形状と寸法、各電極への印加電圧、磁場の強さなどにより変動する。

なお、原料ガスが常温で気体の元素の場合は、プラズマ室４に気体供給口１８ａを設け、この供給口１８ａから直接気体原料をプラズマ室４に供給して電離させることもできる。図１中の符号１８ｂは、プラズマ室４のガス圧を測定するためのプラズマ室真空測定口である。

プラズマ室４でのイオン密度を増加させるには、ガス圧を上げる他、タンデム運動をする熱電子密度を増大させて電離率そのものを増加させてもよい。例えば、プラズマ室４の熱陰極７ａを、タングステン、タンタル、チタン合金、或いは、トリエテッドタングステン、レニュウム、チタン合金などの材料を、０．１〜０．２mm厚さの薄板、又は、図２dに示したような直径２mm程度の丸棒などとし、真空容器の外部に備えた低電圧高電流電源、例えば、１０Ｖ／３００Ａ、ＡＣに接続して通電加熱すると、陽極７ｂ電圧の増加とともにプラズマ室４のイオン密度は陽極（放電）電流の顕著且つ単純な増大として現れ、イオンビーム電流も収束性が損なわれることなく極めて効果的に単調増大することが判明した。陽極電圧を上げ過ぎるとイオン温度が上昇し、イオンビームの収束性が悪化する場合があった。

イオン密度の増加は、プラズマ室４の周囲を空心コイル１０ａ、１０ｂで発生した磁場で囲う他、プラズマ室４を、永久磁石を用いたマルチカスプ磁場、或いは、ミラー磁場で囲むことによっても行なうことができる。

なお、磁場の強さには最適値があり、これが強すぎるとプラズマの空間分布が不均一となり、イオンビームの収束性に影響を与える。上記の電極寸法の実施例では、電極中心部での磁場の強さの最適値は約１００〜３００Oeであった。イオンビームの収束性を損なわないようにしながら、ガス圧、イオン種、イオン加速電圧、外部磁場の強さ、放電電圧など、稼動条件に応じた調整を行なうことにより、ビーム電流の増大を図ることができる。

ところで固体原料２の蒸気圧によっては、プラズマ室４のガス圧を高く取れる場合がある。この場合、図１に示す変形ＰＩＧ放電と低ガス圧アーク放電とを併用した２段階放電を行なうことにより、ソースプラズマの電離度を増加させることができる。図３は、その一例を示すもので、図１に示すイオン源と異なる点は、プラズマ室４内に、対陰極７ｃと対峙し、かつ対陰極７ｃよりも例えば数１０〜２００Ｖ程度高い正電位を有する第２陽極７ｄを設けた点にある。第２陽極７ｄの電位は陽極７ｂよりも低くする。

この構成においては、３電極７ａ〜７ｃによる変形ＰＩＧ放電が第一段階の放電となる。この放電で生成されたプラズマが対陰極７ｃを超えてイオン引き出し領域に拡散すると、これをシードプラズマとして第２陽極７ｄと対陰極との間でアーク放電（第二段階の放電）を起こすことができる。これにより、電子ビーム蒸発源１の電子銃の内部で放電が発生しない程度の低ガス圧下でも電離度の非常に高い高密度のソースプラズマが形成できた。第２陽極７ｄは熱陰極７ａの下方に設けても良い。

図４は、図３に示す電極構成において、第一段階放電と第二段階放電における放電電圧対放電電流特性を測定したものである。陽極７ｂの印加電圧のみを徐々に上げた時の同電極電圧即ち放電電圧を横軸に、同電極電流即ち放電電流を縦軸にとったものが図４のA曲線であり第一段階放電の電圧電流特性を示している。第一放電電流が飽和した状態で、第２陽極７ｄの電圧を徐々に上げると、第二段階放電が着火すると同時に同図の点線Ｂが示すように陽極７ｂの電圧が急降下し同電極電流即ち第二段階放電電流が流れはじめ、電圧とともにＣ曲線に示すように放電電流は急上昇する。このように放電電圧が低く高電離度のプラズマは収束性のよいイオンビームを得るためのソースプラズマとしての条件を充足するものであり、新規の放電形式が出来たことになる。

プラズマ電極１２とイオン加速電極１３との間隙には最適値がある。例えば、多孔式イオン引き出し電極の単位孔として、プラズマ電極１２とイオン加速電極１３に同軸状に各直径５．０mmと４．５mmのイオン引き出し孔をそれぞれ設け、イオン減速電極１４のビーム通過孔を５mm、前２電極の間隙を３mm、イオン加速電極１３とイオン減速電極１４との間隙を２mm、イオン減速電圧を１．５ｋｖ一定にした場合、イオン引き出し電圧約６ｋＶで５ｍAｃｍ^−２のイオンビームを形成することができた。引き出し電圧の増加とともにビームは収束性を増したが、２５ｋＶで過収束状態となった。また、最大加速電圧約３５ｋVでイオン引き出し電極間の放電が起こった。

この際、イオン加速電極１３とプラズマ電極１２の間隙はイオンビームの収束性及び収束距離に強い影響を及ぼすことが明らかになった。そこで、本発明では、イオン加速電極１３とプラズマ電極１２との間に、両電極間の間隙調整を行なう調整機構２０を設けた。この調整機構２０は、ベロー２０ａ等で電極間の空間を密閉しかつ伸縮可能に構成すると共に、シリンダやボールねじ等の電極間隙調整器２０ｂで電極間の間隙を外部から調整可能としたものである。

以上の説明では、プラズマ室４の３電極７ａ、７ｂ、７ｃの断面幾何形状を軸対称の円形としたが、各電極７ａ、７ｂ、７ｃを、例えば短辺５０mm程度、長辺１ｍ程度の矩形状とし、その表面を軸方向に沿って配置しても、同様に電子のタンデム運動による放電を行なうことができる。この場合、それに対応してプラズマ室４を囲む磁場も大きな矩形とし、電子ビーム蒸発源１も３〜５台と増設し、さらに、イオン引き出し電極部５の各イオン引き出し口の寸法も対応する大きさにする。これにより、シート状イオンビームの形成が可能な大面積金属イオン源が構成される。真空容器を大容量の作動排気により排気する構成とすると、長尺の金属や高分子材料への連続イオン注入などの工業利用に供することが可能となる。

イオン引き出し電極部５のイオン引き出し口からイオンビームドリフト部６へ拡散した未電離、或いは再結合した中性原料ガス２３は、イオンビームドリフト部６に配置したガス吸着部材１５に吸着される。ガス吸着部材１５は、液体窒素などの冷却媒体で冷却された例えば金属板で形成される。中性原料ガス２３がガス吸着部材１５に吸着されることにより、イオンビーム被注入物の表面に中性原料ガス２３の被膜が形成されることはなく、イオンビームを確実にターゲット表面に注入することができる。

蒸気圧の低い原料をソースプラズマにする際、プラズマを発生させやすくするため、プラズマ室４に放電支援ガスを混入してガス圧を上げる場合がある。この場合、イオンビームにも支援ガスが混入することになる。そこで、放電支援ガスを水素やヘリウムなどの低原子番号元素に限定し、図1に示したように、イオンビームドリフト部６にイオン偏向磁石１６とその下流に低Zイオン消滅部材１７を設け、イオンビームに直交する磁場を発生させると低Z原料イオン２４は高Ｚイオンよりも偏向の度合いが強いためビーム軸から容易に外れる。その低Zイオンを低Zイオン消滅部材１７に吸着させ、固体原料のイオンビーム２５は少々偏向しつつも被注入物に注入させることができる。なお、イオン偏向磁場の強さをゆっくりと変化させると、原料イオンの注入線量の均一化効果もある。

複数の固体原料を複数のハースで同時に蒸発させる型式の電子ビーム蒸発源、又は、複数の電子ビーム蒸発源を原料蒸発室３に併設し、電極構造を上記のように大きくすると、複数固体原料イオン種から成る大面積イオンビームが形成できる。

図５は、固体イオン源の他の構成例を示している。

この構成のイオン源では、プラズマ室４内に上記３電極７ａ〜７ｃに加えて、ＲＦ電極２７が配置されている。真空容器８内に設置した電子ビーム蒸発源１により固体原料２を気化し、その原料ガスをＲＦ電極２７での高周波放電により電離してソースプラズマを生成し、イオン引き出し電極５によりイオンビームを引き出すようにしている。

特に図示例では、ＲＦ放電により生成したプラズマ領域内に、上記の変形ＰＩＧ放電用電極系７が配置されている。すなわち、真空容器８内に設置した電子ビーム蒸発源１の直ぐ上部にＲＦ出力コイル２７と変形ＰＩＧ放電電極系７の熟陰極７ａを配置する。その上部に陽極７ｂを、更にその上部に対陰極７ｃを配置した構成である。各電極の幾何形状はイオンビームの断面形状に対応して定められ、円形、或いは矩形などにする。また、熱陰極をタングステンやタンタルなどの細線でソレノイド、或いは円錐状とし、その先端部を陽極７ｂの中心部に配置する。一方、変形ＰＩＧ電極系７の外周に空心コイル１０ａ、１０ｂを配置する。その結果、ＲＦ放電や変形ＰＩＧ放電中の電子がマグネトロン運動を行い、電難度を増大させる。また、変形ＰＩＧ放電電極系７の上部空間に拡散したソースプラズマに対して多条式、或いは、多孔式のイオン引き出し電極部５を設け、ビームの大面積化を図る。電子ビーム蒸発源１を真空度１０^−３Ｐａ程度で作動させるとイオン引き出し電圧を１０〜２５ｋＶｄｃ程度印加でき、イオン種弁別磁場なしで高純度の直流イオンビームが得られる。なお、図中の符号２６はシャッターであり、符号１９はのぞき窓である。

この構成においても、複数のハーネス内の固体を同時に蒸発させる型式の電子ビーム蒸発源を用いると、複数イオン種を含むイオンビーム源を形成することができる。また、室温で気体の元素のイオンビームを得るには、イオン源の外部よりイオン化原料ガスを放電部に直接微量導入すればよい。固体原料と気体原料の混合イオン種ビームを生成することもできる。上述のＲＦ電極２７に代えて、プラズマ室４のプラズマ領域内にＭＷ（マイクロウェーブ）入力部を設置してもよい。このＭＷ入力部は、導波管の他、アンテナで構成することもできる。また、変形ＰＩＧ放電電極系７を省略し、ＲＦ電場、またはＭＷ場のみの構成でもイオン源として利用できる。以上の構成により課題は解決できる。

ビーム断面積の拡大は、円形断面なら直径３０cm程度のイオンビームが形成可能である。矩形断面の場合は、電子ビーム蒸発源１を複数個用い、変形ＰＩＧ放電電極系の各電極７ａ〜７ｃ、及び磁場コイルを矩形にすると１ｍ超え幅のシ−ト状イオンビームも形成できる。

図５に示す構成においては、ＲＦ電極２７に代えて、アーク放電電極を設置することもできる。因みに、ＲＦ放電、または、アーク放電はガス圧が１００Ｐａより高い領域で放電が容易となるが、電子ビーム発生部とハース部及びプラズマ室とを差動排気できる構造の直進型電子銃を用いた電子ビーム蒸発源１を使用すると、電子銃の放電を避けながらプラズマ室４の蒸発ガス圧を増加させることができる。

以上の構成から、各種材料表面にあらゆる元素のイオン注入を行うことができる。従って、多種多様の表面直接改質、各種被覆加工（例えばＰＶＤ、ＣＶＤ、湿・乾メッキ、溶射等）、界面物性制御を目的とする前処理（例えば炭化、窒化、酸化等）等を通じて、材料表面と作用原子との親和性改善、接着性向上、界面の熱的・電気的・機械的諸物性改善、傾斜機能性付与、加工時間短縮等の効果を図ることが可能となる。

本発明にかかる固体イオン源の概略構成を示す断面図である。 電極の構成例を示す斜視図である。 電極の構成例を示す斜視図である。 電極の構成例を示す斜視図である。 電極の構成例を示す斜視図である。 本発明の他の構成例を示す断面図である。 プラズマ室における放電電圧Ｖと放電電流Ｉの測定結果を示す図である。 本発明にかかるイオン源の他の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１ 電子ビーム蒸発源
２ 固体原料
３ 原料蒸発室
４ プラズマ室
５ イオン引き出し電極部
６ イオンビームドリフト部
７ 変形ＰＩＧ電極系
７ａ 熱陰極
７ｂ 陽極
７ｃ 対陰極
７ｄ 第２陽極
８ 真空容器
９ イオン反射板
１０ａ 空心コイル
１０ｂ 空心コイル
１１ａ 蒸気導入口
１１ｂ 隔壁
１２ プラズマ電極
１３ イオン加速電極
１４ イオン減速電極
１５ ガス吸着部材
１６ イオン偏向磁石
１７ 低Zイオン消滅部材
１８ａ 気体供給口
１８ｂ 放電室真空測定口
１９ 覗き窓
２０ａ ベロー、
２０ｂ 電極間隙調整器
２１ 主排気口
２２ 原料蒸発室排気口
２３ 拡散ガス粒子
２４ 放電維持低Zガスイオン
２５ 高速金属イオンビーム
２６ シャッター
２７ ＲＦ電極

Claims (7)

1. 内部が排気された真空容器と、
   真空容器内に設けられ、固体原料を装荷した電子ビーム蒸発源を有する原料蒸発室と、
   真空容器内に設けられ、熱陰極、対陰極、および陽極からなる３電極を備え、これら３電極が直流電源に接続され、原料蒸発室で発生させた原料ガスを導入し、３電極間で高周波の放電を起こしてプラズマを生成するプラズマ室と、
   真空容器内に設けられたイオン引き出し電極部と
   を具備し、原料蒸発室とプラズマ室とを、蒸気導入口を有する隔壁で区画すると共に、原料蒸発室に排気口を設け、排気口から排気することで原料蒸発室のガス圧をプラズマ室のガス圧よりも低くした固体イオン源。
2. プラズマ室内に、上記３電極と、ＲＦ電極、または、マイクロウェーブ入力部の何れか一方とを併設した請求項１記載の固体イオン源。
3. 対陰極に熱陰極よりも高い正電位を印加し、陽極に対陰極よりも高い正電位を印加した請求項１記載の固体イオン源。
4. プラズマ室内に、対陰極のイオン引き出し電極部側で対陰極と対向し、あるいは熱陰極の原料蒸発室側で熱陰極と対向し、かつ対陰極よりも高い正電位を有する第２陽極を配置した請求項３記載の固体イオン源。
5. プラズマ室の外周に磁場を形成した請求項１記載の固体イオン源。
6. イオン引き出し電極部の後方に、中性ガスを吸着するガス吸着部材を配した請求項１記載の固体イオン源。
7. イオン引き出し電極部の後方に、イオン偏向磁石と低Ｚイオン消滅部材を設けた請求項１記載の固体イオン源。

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