JP5317038B2 - イオン源及び反射電極構造体 - Google Patents

Description

本発明は、イオン源に関し、特にイオン源におけるプラズマ生成容器内に設けられて電子を放出する陰極に対向配置されて電子を陰極側に反射する反射電極の構造体に関するものである。

近年、イオン源におけるプラズマ生成容器内においては、陰極により原料ガスをプラズマ化して、当該プラズマにより被スパッタ材料をスパッタリングすることによって、イオンビーム内に所望のイオン種を含有させることが考えられている。

具体的には特許文献１に示すように、安定したイオン種の発生が可能となるように、反射電極の先端部に設けられた被スパッタ材料を交換可能に保持している。その詳細な構成は、筒状をなす反射電極と当該反射電極先端部に収容される被スパッタ部材（スラグ）とを備えている。また、反射電極先端部の内側周面に内側に突出する段部を設け、被スパッタ部材の外側周面に前記段部に係止する係止部を設けている。そして、前記反射電極の段部に前記被スパッタ部材の係止部が係止した状態で被スパッタ部材を上部から反射電極内側周面に形成されたねじ部に螺合するねじ付きブロックを螺合させることによって、反射電極内に被スパッタ部材を固定するように構成されている。

しかしながら、被スパッタ部材の外側周面を反射電極により固定する構造であり、プラズマ生成容器という限られた空間内に配置することを考えると、反射電極のサイズが制約される。そうすると、反射電極の内側に収容される被スパッタ部材のサイズも制約されてしまい、被スパッタ面の面積を大きくすることが難しいという問題がある。

また、被スパッタ部材の外側周面に反射電極が配置される構成であり、反射電極が大型化してしまうという問題もある。さらに、円筒内側周面にねじ付きブロックを螺合させるためのねじ部が設けられており、反射電極の構造が複雑になるだけでなく、単一部材から削り出して製作する場合等において材料コスト及び加工コストが増大する恐れがある。

その上、陰極から射出される電子に対して、反射電極が被スパッタ部材の外周に配置される構成となり、陰極の電子が放出される部分に対向する部材が被スパッタ部材となってしまい、電子の反射効率が低下し、プラズマの生成効率が低下してしまうという問題がある。

さらに、ＬＳＩの微細化に伴い、高濃度且つ活性化した不純物層を浅く形成する技術が必要とされている。非特許文献１には、Ｇａイオン注入によりプリアモルファス化を行うと、熱処理条件に拠らずＧｅ注入を行った場合と比較して、２０％以上低抵抗のｐ＋拡散層を形成できることが報告されている。このため、基板にＧａイオンを注入する装置の要求が出てきている。

ここで、特許文献２には、有機金属ガス（例えば、ガス状のトリエチルガリウム［Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３］）と、不活性ガスを混合させて、ガリウムイオンを含むイオンビームを発生させるイオン源が記載されている。

しかしながら、有機金属ガスはそれ自身が強い反応性を持つ場合が多く、更には当該有機金属ガスをプラズマ化することによって発生する活性分子や活性原子が強い反応性を持つ場合が多く、このような有機金属ガスをプラズマ生成容器内にそのまま導入するイオン源においては、（１）プラズマ生成容器内のフィラメント、反射電極、絶縁物等の部品が変質作用を受け、それによってプラズマ発生量ひいてはイオンビーム発生量が変化し、また当該部品の寿命も短くなる、（２）プラズマ生成容器内に汚れが発生しやすく、この汚れによってフィラメントとプラズマ生成容器との間等で絶縁不良を起こし、イオン源の安定動作が妨げられる、（３）上記汚れを除去するために、当該イオン源のメンテナンスを頻繁に行わなければならない、また有機金属ガスと不活性ガスをイオン源ソースとするため構造が複雑であった。

特開２００２−１１７７８０号公報 特開２００１−３５４０１号公報

星岳志、外３名、「Ｇａ ＰＡＩによる極浅ｐｎ接合形成技術」、第４８回応用物理学関連連合講演会講演予稿集、社団法人応用物理学会、２００１年、ｐ．８８７

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、有機金属ガスを用いることなくガリウムイオンを含むイオンビームを発生させるとともに、被スパッタ面の面積を可及的に大きくすると同時に、被スパッタ部材の取り付け構造を簡単化するだけでなく、反射電極構造体をコンパクトにしつつ、陰極から射出される電子の反射効率を向上させることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るイオン源は、内部でプラズマが生成される容器であって、陽極を兼ねていて内部に原料ガスが導入されるとともに、イオン引出し口を有するプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器に設けられ、前記原料ガスをプラズマ化するための電子を放出する陰極と、前記プラズマ生成容器内において前記陰極に対向配置されて電子を陰極側に反射する反射電極構造体とを具備し、前記反射電極構造体が、前記プラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するものであり、被スパッタ面とその裏面とを貫通する貫通孔を有する被スパッタ部材と、前記被スパッタ部材の貫通孔に挿入されて前記被スパッタ部材を支持するとともに、前記貫通孔を介して被スパッタ面側に露出した反射電極面を有する電極本体とを備えており、前記被スパッタ部材の材質が、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はフッ化ガリウム（ＧａＦ_３）であることを特徴とする。

このようなものであれば、酸化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、砒化ガリウム又はフッ化ガリウムといったガリウム含有物質からなる被スパッタ部材が、プラズマに曝される。そしてこのプラズマ中のイオンやラジカル等による浸食や、当該プラズマ中のイオンによるスパッタリング等によって、被スパッタ部材から、ガリウムイオン等のガリウム粒子がプラズマ中に放出され、プラズマ中にガリウムイオンが含まれるようになる。その結果、ガリウムイオンを含むイオンビームを発生させることができる。このように、従来の有機金属ガス（例えば、ガス状のトリエチルガリウム［Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３］）をプラズマ生成容器内に導入するイオン源の問題点を一挙に解決することができる。

ここで被スパッタ部材が絶縁物でない場合、被スパッタ部材にフローティングポテンシャルが生じることになり、スパッタレートが十分に取れないという問題がある。本発明では、特に被スパッタ部材にＧａ_２Ｏ_３を用いた場合、Ｇａ_２Ｏ_３が絶縁物（１０００Ｖメガーでの測定値が２０００ＭΩ以上）であることから、被スパッタ部材にフローティングポテンシャルが生じずアースポテンシャルとすることができるので、スパッタレートを向上させることができる。

また、被スパッタ部材に貫通孔を設け、当該貫通孔に電極本体を挿入して支持するようにしているので、プラズマ生成容器内において反射電極の構成に関わらず被スパッタ部材の被スパッタ面を可及的に大きくすることができ、長期間安定したガリウムイオンの生成が可能となる。また、電極本体をコンパクトにできるだけでなく、電極本体に対して被スパッタ部材を簡単な構造により固定することができるようになり、被スパッタ部材の交換作業を容易にすることができる。さらに、被スパッタ部材の貫通孔を介して反射電極面が露出するように構成しているので、この反射電極面を陰極の電子が放出される部分に対向させることができ、陰極から射出された電子の反射効率を向上させることができる。これによりプラズマの生成効率を向上させることができる。

前記被スパッタ部材が、その被スパッタ面において前記貫通孔の開口部を拡径した座ぐり部を有するものであり、前記電極本体が、先端部に形成されて前記座ぐり部に係合する大径部を有するものであり、前記座ぐり部に前記大径部が係合した状態において、前記被スパッタ部材が前記電極本体に支持されるとともに、前記大径部の先端面が反射電極面となることが望ましい。これならば、被スパッタ部材と電極本体との位置決めを簡単に行うことができる。また、反射電極構造が鉛直下向きに設けられる場合には、その他の固定用部品を不要とすることができ、反射電極構造体を極めて簡単な構成とすることができる。

ガリウムイオンを含むイオンビームの生成工程において、被スパッタ部材の消耗が電極本体の消耗よりも大きいと考えられる。このことから、生成工程において消耗された結果、反射電極面が被スパッタ面よりも陰極側に位置することが生じ得る。この場合、被スパッタ面よりも前方に位置する反射電極面にプラズマ中のイオンが引き寄せられてしまう。この為、被スパッタ面にプラズマ中のイオンが衝突しにくくなり、イオンビーム生成効率が低下してしまうという問題がある。この問題を解決するためには、前記座ぐり部に前記係合部が係合した状態において、前記被スパッタ面が前記反射電極面よりも陰極側に位置するように構成されていることが望ましい。

被スパッタ部材及び電極本体を簡単な構成により固定するためには、前記電極本体の外側周面にねじ部が形成されており、前記被スパッタ部材の裏面からナット部材を前記ねじ部に螺合させることによって、前記大径部及び前記ナット部材により前記被スパッタ部材を挟持固定するものであることが望ましい。

被スパッタ部材の周方向の取り付け精度を考慮することなく、又は反射電極面の周方向に沿って被スパッタ部材から均一にイオンが放出されるようにするためには、前記被スパッタ部材が概略円板形状をなすものであり、前記貫通孔が前記被スパッタ部材の略中央部に形成されていることが望ましい。

前記被スパッタ部材の上面が、前記貫通孔を中心として環状に形成された凹状のテーパ面及び凹状の湾曲面を有することが望ましい。これならば、反射電極構造体により反射された電子をプラズマ生成容器のイオン引出し口近傍に集中させることができ、電離度を上昇させてイオンビーム電流を増大させることができる。

反射電極面における電子の反射効率を可及的に向上させるためには、前記陰極の電子放出部の中心と前記反射電極面の中心とが略同軸上に配置されていることが望ましい。

前記原料ガスが、フッ化リン（ＰＦ_３）又はフッ化ホウ素（ＢＦ_３）であることが望ましい。特に被スパッタ部材としてＧａ_２Ｏ_３を用いた場合には、原料ガスにＢＦ_３を用いることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、有機金属ガスを用いることなくガリウムイオンを含むイオンビームを発生させるとともに、被スパッタ面の面積を可及的に大きくすると同時に、被スパッタ部材の取り付け構造を簡単化するだけでなく、反射電極構造体をコンパクトにしつつ、陰極から射出される電子の反射効率を向上させることができる。

本発明に係るイオン源の一実施形態を示す模式的断面図である。 同実施形態の反射電極構造体の模式的斜視図である。 同実施形態の反射電極構造体の模式的断面図である。 同実施形態の被スパッタ部材の平面図である。 同実施形態のナット部材の平面図である。 ガリウムイオン及びリンイオンの質量数を示すマススペクトル図。 ガリウムイオン電流とビームエネルギーとの関係を示す図。 変形実施形態に係る反射電極構造体の模式的斜視図である。 変形実施形態に係る反射電極構造体の模式的断面図である。 変形実施形態に係る反射電極構造体の模式的断面図である。 反射電極構造体の変形例を示す図である。 反射電極構造体の変形例を示す図である。

以下に本発明に係るイオン源の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係るイオン源１００は、図１に示すように、ガリウムイオンを含むイオンビームＩＢを発生させるものであり、プラズマ生成容器２と、このプラズマ生成容器２に設けられた熱陰極３と、プラズマ生成容器２内において前記熱陰極３に対向配置された反射電極構造体４とを備えている。

以下、各部２〜４について説明する。

プラズマ生成容器２は、内部でプラズマが生成される例えば直方体形状をなす容器であって、アーク放電の陽極を兼ねていて、内部に原料ガスであるイオン化ガスを導入するためのガス導入口２１と、内部で生成されたガリウムイオンを外部に引き出すためのイオン引出し口２２とを有する。なお、ガス導入口２１及びイオン引出し口２２は、プラズマ生成容器２の壁面に形成されている。

プラズマ生成容器２内には、ガス導入口２１を通じて、例えばフッ素を含むイオン化ガスが導入される。ガス導入口２１の位置は、図１に示すように、例えばイオン引出し口２２の対向位置に設けられている。なお、ガス導入口２１の位置は、プラズマ生成容器２内に原料ガスが導入される位置であれば、これに限定されない。フッ素を含むイオン化ガスを用いるのは、フッ素は化学作用が非常に強くて他の物質との反応性が強いので、フッ素を含むイオン化ガスを電離させたプラズマによって、後述する被スパッタ部材４１から、ガリウムイオンを放出させる作用が強いからである。

フッ素を含むイオン化ガスは、例えば、フッ化リン（ＰＦ_３）又はフッ化ホウ素（ＢＦ_３）のフッ化物又はフッ素（Ｆ_２）を含むガスである。このフッ素を含むイオン化ガスは、例えばフッ化物ガスそのもの又はフッ素そのものを用いても良いし、それらを適当なガス（例えばヘリウムガス）で希釈したガスであっても良い。

プラズマ生成容器２内の一方側（図１において上側）には、プラズマ生成容器２から電気的に絶縁して、プラズマ生成容器２内に熱電子を放出する熱陰極３が設けられている。

本実施形態の熱陰極３は、図１に示すように、傍熱型と言われるものであり、加熱されることによって熱電子を放出する陰極部材３１と、当該陰極部材３１を加熱するフィラメント３２とを有している。

フィラメント３２には、それを加熱する加熱電源１１が接続されている。フィラメント３２と陰極部材３１との間には、フィラメント３２から放出された熱電子を陰極部材３１に向けて加速して、当該熱電子の衝撃を利用して陰極部材３１を加熱する直流のボンバード電源１２が、陰極部材３１を正極側にして接続されている。陰極部材３１とプラズマ生成容器２との間には、直流のアーク電源１３が接続されている。このアーク電源１３は、陰極部材３１とプラズマ生成容器２との間にアーク電圧Ｖ_Ａを印加して、両者の間でアーク放電を生じさせて、プラズマ生成容器２内に導入されたイオン化ガスを電離させてプラズマを生成するためのものであり、その正極側がプラズマ生成容器２に接続されている。

プラズマ生成容器２内の他方側（熱陰極３とは反対側であり図１において下側）に、熱陰極３に対向されて、プラズマ生成容器２内の電子（主として、熱陰極３から放出された熱電子。以下同様）を反射して熱陰極３側に向かわせる反射電極構造体４が設けられている。

反射電極構造体４は、絶縁体（本実施形態では間隙）を介してプラズマ生成容器２から電気的に絶縁されている。具体的に反射電極構造体４は、図２及び図３に示すように、プラズマによりスパッタリングされてガリウムイオンを放出する被スパッタ部材４１と、被スパッタ部材４１を支持するとともに、電子を反射させる反射電極面４２Ｘを有する電極本体４２とを備える。

なお、電極本体４２には、直流のバイアス電源１４から、プラズマ生成容器２の電位を基準にして負のバイアス電圧Ｖ_Ｂが印加される（図１参照）。このバイアス電圧Ｖ_Ｂの大きさは、電極本体４２（反射電極面４２Ｘ）による電子の反射作用やプラズマ中のイオンによる被スパッタ部材４１（被スパッタ面４１Ａ）をスパッタリングする作用等の兼ね合いで決定される。このような観点からバイアス電圧Ｖ_Ｂは、例えば、４０Ｖ〜１５０Ｖ程度が好ましい。その内でも、イオン化ガスがフッ化ホウ素（ＢＦ_３）を含むガスである場合は、バイアス電圧Ｖ_Ｂは６０Ｖ〜１２０Ｖ程度がより好ましい。

被スパッタ部材４１は、プラズマに曝されることによってガリウムイオンを放出するものであり、本実施形態では、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）又はフッ化ガリウム（ＧａＦ_３）等の固形状のガリウム含有物質からなる。ここで、被スパッタ部材４１に酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）を用いた場合には、被スパッタ部材４１にフローティングポテンシャルが生じることを防止して、被スパッタ部材４１をアースポテンシャルとすることができる。これにより、スパッタレートを向上させることができる。

具体的に被スパッタ部材４１は、図２〜図４に示すように、概略円板形状であり、その略中央部に、スパッタリングされる面である被スパッタ面４１Ａとその裏面とを貫通する貫通孔４１１が形成されている。この貫通孔４１１は、本実施形態では、後述する電極本体４２の断面形状と略同一の丸孔であるが、その他の形状であっても良い。

そして、被スパッタ部材４１は、被スパッタ面４１Ａにおいて貫通孔４１１の被スパッタ面４１Ａ側の開口部を拡径した座ぐり部４１２を有している。座ぐり部４１２は、貫通孔４１１と同心円状に形成されている。つまり、本実施形態の被スパッタ部材４１は回転体形状をなすものである。

電極本体４２は、図２及び図３に示すように、概略円柱形状をなすものであり、貫通孔４１１に挿脱自在な外径を有する小径部４２１と、当該小径部４２１よりも外径が大きく貫通孔４１１に挿入不可であり、且つ座ぐり部４１２に係合する大径部４２２とを有する。

この大径部４２２の中心軸方向断面形状（本実施形態では円形状）は、座ぐり部４１２の中心軸方向断面形状（本実施形態では円形状）と略同一であり、大径部４２２が座ぐり部４１２にがたなく又は若干のがたつきを持って嵌る。このように、被スパッタ部材４１及び電極本体４２が回転体形状をなすことから、電極本体４２及び被スパッタ部材４１の径方向における相対位置に関係なく、貫通孔４１１に電極本体４２を挿入することができ、座ぐり部４１２に大径部４２２を嵌めることができる。これにより組み立て作業及び被スパッタ部材４１の交換作業を簡単化することができる。

なお、電極本体４２は、例えば等断面円形状をなす素材から切削加工により形成される。電極本体４２の材質としては、例えばチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）又はカーボン（Ｃ）等の高融点材料、又はそれらの合金を用いることができる。

また、大径部４２２の先端面（図２、図３においては上面）が反射電極面４２Ｘとなる。これにより、電極本体４２及び被スパッタ部材４１を接続した状態で、反射電極面４２Ｘが被スパッタ面４１Ａ側に露出するように構成している。つまり、大径部４２２を座ぐり部４１２に嵌合させた状態で、反射電極面４２Ｘが被スパッタ面４１Ａ側から視認されるように構成されている。これにより熱陰極３からの電子に直接電場を作用させることができ、電子の反射効率を向上させることができる。

さらに、大径部４２２の軸方向長さが座ぐり部４１２の軸方向長さよりも短く構成されており、座ぐり部４１２に大径部４２２が係合した状態において、被スパッタ面４１Ａが反射電極面４２Ｘよりも陰極３側に位置するように構成されている。このような構成により、イオンビーム生成工程において、反射電極面４２Ｘが被スパッタ面４１Ａよりも陰極３側に位置することによるスパッタリング効率の低下を防止して、イオンビーム生成効率の低下を防止することができる。これにより長期間安定したイオンビームＩＢの供給が可能となる。

さらに電極本体４２の大径部４２２以外の一部又は全部（つまり小径部４２１の軸方向における一部又は全部）の外側周面にねじ部４２１ｎが形成されている（図３参照）。そして、被スパッタ部材４１の裏面からナット部材４３を当該ねじ部４２１ｎに螺合させることによって、大径部４２２及びナット部材４３により被スパッタ部材４１を挟持固定するものである。これにより、被スパッタ部材４１が電極本体４２から抜け落ちることを防止している。このとき、大径部４２２及びナット部材４３により被スパッタ部材４１を挟持固定できる範囲にねじ部４２１ｎが形成されていれば良く、本実施形態では座ぐり部４１２に大径部４２２が係合した状態において、ナット部材４３の螺合が可能な範囲にねじ部４２１ｎが形成されている。

ナット部材４３は、図５に示すように、概略円環形状をなすものであり、例えばチタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）又はカーボン（Ｃ）等の高融点材料からなる。またナット部材４３は、製造工程及び製造コストの問題から円環形状となりがちであるが、締め付け作業を容易にするため、少なくとも対向する辺４３Ｌ、４３Ｍを有するように削られている。これによりユーザが手によってナット部材４３を締め付け易く構成している。

そして、このように構成された反射電極構造体４は、プラズマ生成容器２の外部に設けられたクランプ等の把持機構５に把持されて、陰極３の電子放出部３ａの中心と反射電極面４２Ｘの中心とが略同軸（中心軸Ｃ）上に位置するように配置される（図１参照）。このとき、把持機構５は、反射電極構造体４を把持した状態で反射電極面４２Ｘの中心が陰極３の電子放出部３ａの中心と略同軸Ｃ上となるように、プラズマ生成容器２に対して位置決めされている。なお、把持機構５は、反射電極構造体４の電極本体４２のうち被スパッタ部材４１が接続されていない端部側を把持する。この構成によれば、反射電極面４２Ｘの中心及び陰極３の電子放出部３ａの中心とが略同軸（中心軸Ｃ）にあり、電子の反射効率を向上させることができる。また、本実施形態では把持機構５により把持された反射電極構造体４とプラズマ生成容器２との間には間隙が形成され、当該間隙が絶縁体となり、プラズマ生成容器２に対して反射電極構造体４を電気的に絶縁する構成としている。

なお、イオン引出し口２２は、その中心線Ｃに沿って形成された長いスリット形状をなすものである。また、イオン引出し口２２がその中心線Ｃに沿って形成されているので、イオンビーム生成効率を向上させることができる。

その他、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、熱陰極３と反射電極構造体４（具体的には電極本体４２）とを結ぶ線（中心線Ｃ）に沿う磁界を発生させる磁石６が設けられている。この磁石６は、例えば電磁石であるが、永久磁石でもよい。磁界の向きは、図１とは逆向きであっても良い。

上記のような反射電極構造体４及び磁界の存在によって、プラズマ生成容器２内の電子は、磁界の方向を軸として磁界中で旋回しながら熱陰極３と反射電極構造体４との間を往復運動するようになり、その結果、当該電子とイオン化ガスのガス分子との衝突確率が高くなってイオンがガスの分離効率が高まるので、プラズマの生成効率が高まる。より具体的には、熱陰極３と反射電極構造体４との間において密度の高いプラズマを生成することができる。

イオン引出し口２２の出口近傍には、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らプラズマから）イオンビームＩＢを引き出す引出し電極系７が設けられている。この引出し電極系７は、図１では１枚の電極で構成されているが、それに限られるものではなく、複数枚の電極で構成されていても良い。

このイオン源１００においては、酸化ガリウムからなる被スパッタ部材４１は、フッ素を含むイオン化ガスを電離させて生成されたプラズマに曝される。そして、このプラズマ中のフッ素イオン、フッ素ラジカル等により侵食や、当該プラズマ中のフッ素イオン等のイオンによるスパッタリング等によって、被スパッタ部材４１からガリウムイオン等のガリウム粒子がプラズマ中に放出され、プラズマ中にガリウムイオンが含まれるようになる。その結果、当該ガリウムイオンを含むイオンビームＩＢが生成される。

ここで、図６に、被スパッタ部材４１の材質を酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）とし、イオン化ガス（スパッタリング）をフッ化リン（ＰＦ_３）とした場合のマススペクトルを示す。ガリウムイオンの質量数には、６９ＡＭＵと７１ＡＭＵとがあり、それぞれの存在比は約６０％と約４０％である。ＰＦ_２イオンの質量数が６９ＡＭＵであり、ガリウムイオンとＰＦ_２イオンとのクロスコンタミを避けるために、質量数７１ＡＭＵのガリウムイオンを選択することが望ましい。また、リンイオンの質量数は３１ＡＭＵであり、図４から、ガリウムイオンとリンイオンビーム電流は、ほぼ同じ程度に出ていることが分かる。

次に、図７を参照して、各ビームエネルギーにおけるガリウムイオンビーム電流を示す。
Ｈａｌｏ注入におけるガリウムイオンの必要イオン注入量は、１×１０^１３［ｃｍ^−２］程度であり、以下に示すように、十分に実用的なビーム電流が出ていることが分かる。

Ｄ＝Ｉ×ｔ÷ｅ÷Ｓから、ｔ＝ｅ×Ｄ×Ｓ÷Ｉである。
ここで、Ｄ＝注入量＝５×１０^１３［ｃｍ^−２］、Ｉ＝イオンビーム電流＝５×１０^−４［Ａ］（５００［μＡ］）、ｅ＝電気素量＝１．６×１０^−１９［Ｃ］、Ｓ＝ウエハ面積＝１５^２π≒７０６．９［ｃｍ^２］であり、
このとき、ｔ＝１１．３［ｓｅｃ］となる。なお、ここではイオン注入量として現在考えられる最大値（５×１０^１３［ｃｍ^−２］）を選択した。

ウエハの載せ換え時間として例えば２秒を加えても、２７０枚／時間のスループットを得ることができる。これは、イオン注入装置としては十分なスループットと言える。

このように構成した本実施形態に係るイオン源１００によれば、被スパッタ部材に酸化ガリウム等のガリウム含有物質を用いることで、従来の有機金属ガス（例えば、ガス状のトリエチルガリウム［Ｇａ（Ｃ_２Ｈ_５）_３］）をプラズマ生成容器内に導入するイオン源の問題点を一挙に解決することができる。

また、被スパッタ部材４１に貫通孔４１１を設け、当該貫通孔４１１に電極本体４２を挿入して支持するようにしているので、プラズマ生成容器２内において電極本体４２の構造に制約されることなく被スパッタ部材４１の被スパッタ面４１Ａを可及的に大きくすることができ、長期間安定したガリウムイオンを生成することができる。また、電極本体４２をコンパクトにできるだけでなく、電極本体４２に対して被スパッタ部材４１を簡単な構造により固定することができるようになり、被スパッタ部材４１の交換作業を容易にすることができる。さらに、被スパッタ部材４１の貫通孔４１１を介して反射電極面４２Ｘが露出するように構成しているので、この反射電極面４２Ｘを陰極３の電子が放出される部分に対向させることができ、陰極３から射出された電子の反射効率を向上させることができる。これによりプラズマの生成効率が向上し、ひいてはガリウムイオンビームＩＢの生成効率を向上させることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば前記実施形態の被スパッタ部材の被スパッタ面４１Ａは全体が平面であったが、図８及び図９に示すように、貫通孔４１１を中心として環状に形成された凹状のテーパ面を有するものであっても良い。また、図１０に示すように、貫通孔４１１を中心として環状に形成された凹状の湾曲面を有するものであっても良い。このように被スパッタ面４１Ａを凹状のテーパ面又は湾曲面とすることによって、反射電極構造体４により反射された電子をプラズマ生成容器２のイオン引出し口２２近傍に集中させることができ、電離度を上昇させてガリウムイオンビーム電流を増大させることができる。

例えば、反射電極構造体４における被スパッタ部材４１及び電極本体４２の接続構造としては、前記実施形態に限られず、下記の通り種々の方法が考えられる。

図１１（Ａ）に示すように、反射電極構造体４が鉛直下向きを向いて取り付けられる場合（前記実施形態において熱陰極３及び反射電極構造体４を逆に配置）にはナット部材４３を用いる必要が無い。なお、このとき電極本体４２にねじ部４２１ｎを設ける必要もない。これにより構造を一層簡単にすることができ、部品点数を削減することができる。

また、図１１（Ｂ）に示すように、被スパッタ部材４１の貫通孔４１１の内側周面にねじ部４１１ｎを形成するとともに、電極本体４２の先端部にねじ部４２ｎを形成し、それらを螺合させることによって、被スパッタ部材４１と電極本体４２とを接続するようにしても良い。なお、このとき、電極本体４２において挿入側先端面が反射電極面４２Ｘとなる。

さらに、図１１（Ｃ）に示すように、被スパッタ部材４１の貫通孔４１１を下方に行くに従って拡開するテーパ状とし、電極本体４２の先端部を先端に行くに従って縮径するテーパ状として、貫通孔４１１に電極本体４２のテーパ部を嵌め合わせる構成としても良い。このとき、電極本体４２において挿入側先端面が反射電極面４２Ｘとなる。これにより、ねじ部を形成する必要が無いので構造を一層簡単にすることができ、部品点数を削減することもできる。なお、いずれか一方をテーパ状として、被スパッタ部材４１の貫通孔４１１に電極本体４２の先端部を挿入した状態で引っ掛かるように構成しても良い。

その上、図１１（Ｄ）に示すように、電極本体４２の中間部に被スパッタ部材４１を下方から支える支持部４２３を設け、電極本体４２の先端部が被スパッタ部材４１の貫通孔４１１に挿入された状態で、被スパッタ部材４１が下に抜け落ちないように支持部４２３により支持する構成としても良い。このとき、電極本体４２において挿入側先端面が反射電極面４２Ｘとなる。これにより、電極本体４２及び被スパッタ部材４１にねじ部を形成する必要がなく、構成を簡単にすることができる。

ナット部材４３の構成に関して言うと、図１２（Ａ）に示すように、大径部４２２との関係で被スパッタ部材４１を挟持固定した状態において、被スパッタ部材４１の下面全面を覆うような構成としても良い。これならば、被スパッタ部材４１が破損してもその破片が落下することを防止でき、スパッタリングによるイオン発生効率の低下を防止することができる。このとき、被スパッタ部材４１の落下をさらに防止するためには、ナット部材４３が、被スパッタ部材４１の外周を覆うような皿状をなすものであっても良い。

ナット部材４３を用いない構成においては、前記図１２（Ｂ）に示す支持部４２３を被スパッタ部材４１の下面全面を覆うような構成としても良いし、支持部を被スパッタ部材４１の外周を覆うような皿状としても良い。このとき、電極本体４２を一体形成すると製造コストがかかることが懸念されるため、電極本体４２の本体部材と、支持部を構成する支持部材と製作し、支持部材の孔に本体部材を圧入することによって構成することが考えられる。

また、前記実施形態の熱陰極は、傍熱型であったが、その他、直熱型であっても良い。

さらに、反射電極構造体を把持機構により固定するものの他、プラズマ生成容器に絶縁物を介して固定するようにしても良い。

その上、被スパッタ部材の形状は概略円板状に限られず、その他種々の形状であっても良い。また、電極本体の断面形状も被スパッタ部材に形成された貫通孔に挿入可能な形状であれば断面円形状に限定されない。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・イオン源
２ ・・・プラズマ生成容器
２２ ・・・イオン引出し口
３ ・・・陰極（熱陰極）
３ａ ・・・電子放出部
４ ・・・反射電極構造体
４１ ・・・被スパッタ部材
４１Ａ ・・・被スパッタ面
４１１ ・・・貫通孔
４１２ ・・・座ぐり部
４２ ・・・電極本体
４２Ｘ ・・・反射電極面
４２２ ・・・大径部
４２１ｎ・・・ねじ部
４３ ・・・ナット部材

Claims (9)

1. 内部でプラズマが生成される容器であって、陽極を兼ねていて内部に原料ガスが導入されるとともに、イオン引出し口を有するプラズマ生成容器と、
   前記プラズマ生成容器に設けられ、前記原料ガスをプラズマ化するための電子を放出する陰極と、
   前記プラズマ生成容器内において前記陰極に対向配置されて電子を陰極側に反射する反射電極構造体とを具備し、
   前記反射電極構造体が、前記プラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するものであり、被スパッタ面とその裏面とを貫通する貫通孔を有する被スパッタ部材と、前記被スパッタ部材の貫通孔に挿入されて前記被スパッタ部材を支持するとともに、前記貫通孔を介して被スパッタ面側に露出した反射電極面を有する電極本体とを備えており、
   前記被スパッタ部材の材質が、酸化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、砒化ガリウム又はフッ化ガリウムであるイオン源。
2. 前記被スパッタ部材が、その被スパッタ面において前記貫通孔の開口部を拡径した座ぐり部を有するものであり、
   前記電極本体が、先端部に形成されて前記座ぐり部に係合する大径部を有するものであり、
   前記座ぐり部に前記大径部が係合した状態において、前記被スパッタ部材が前記電極本体に支持されるとともに、前記大径部の先端面が反射電極面となる請求項１記載のイオン源。
3. 前記座ぐり部に前記係合部が係合した状態において、前記被スパッタ面が前記反射電極面よりも陰極側に位置するように構成されている請求項２記載のイオン源。
4. 前記電極本体の外側周面にねじ部が形成されており、前記被スパッタ部材の裏面からナット部材を前記ねじ部に螺合させることによって、前記大径部及び前記ナット部材により前記被スパッタ部材を挟持固定するものである請求項２又は３記載のイオン源。
5. 前記被スパッタ部材が概略円板形状をなすものであり、前記貫通孔が前記被スパッタ部材の略中央部に形成されている請求項１乃至４の何れか一項に記載のイオン源。
6. 前記被スパッタ部材の上面が、前記貫通孔を中心として環状に形成された凹状のテーパ面及び凹状の湾曲面を有する請求項１乃至４の何れか一項に記載のイオン源。
7. 前記陰極の電子放出部の中心と前記反射電極面の中心とが略同軸上に配置されている請求項１乃至５の何れか一項に記載のイオン源。
8. 前記原料ガスが、フッ化リン又はフッ化ホウ素である請求項１乃至７の何れか一項に記載のイオン源。
9. イオン源におけるプラズマ生成容器内に設けられ、原料ガスをプラズマ化させるための電子を放出する陰極に対向配置されて電子を陰極側に反射する反射電極構造体であって、
   プラズマによりスパッタリングされて所定のイオンを放出するものであり、被スパッタ面とその裏面とを貫通する貫通孔を有する被スパッタ部材と、
   前記被スパッタ部材の貫通孔に挿入されて前記被スパッタ部材を支持するとともに、前記貫通孔を介して被スパッタ面側に露出した反射電極面を有する電極本体とを備えており、
   前記被スパッタ部材の材質が、酸化ガリウム、窒化ガリウム、リン化ガリウム、砒化ガリウム又はフッ化ガリウムである反射電極構造体。