JPH01197950A - ホローカソード型イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマプロセッシング、イオン注入、分析
用イオン源として使用されるホローカソード型イオン源
に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、ホローカソード型イオン源は、電極構造が簡単
であるにもかかわらず、生成されるプラズマが比較的高
密度で、長時間安定であり、それにより、使用寿命が長
く、安定したイオンビームが得られる等の利点を有し、
種々の形式のものが提案されている。本出願人は先に、
特願昭５１−２７８７６７号において、円筒状ホローカ
ソードの前面および背面に、それぞれイオン引出用スリ
ットとキャリヤガス導入口を設け、イオン引出用スリッ
トの前方にイオンビーム引出電極を配置し、このイオン
ビーム引出電極とイオン引出用スリットとの間に、イオ
ン引出用スリットから連続してのびるスリットを備えた
浮遊電極を挿置し、さらにこの浮遊電極とイオンビーム
引出電極との間に、浮遊電極のスリットに連通するスリ
ットを備えたアノードを挿置し、円筒状ホローカソード
内にキャリヤガス導入口を介してアルゴンガスその他の
キャリヤガスを導入し、このキャリヤガスを、イオン引
出用スリットおよびそれに連なる浮遊電極およびアノー
ドのスリットを介して排出させる際に、これらスリット
内部に適当な放電電圧を印加することにより放電を生じ
させてプラズマを発生させ、こうしてスリット内部に圧
縮された比較的高密度のプラズマが得られるようにしだ
ホローカソード型イオン源を提案した。

また、本出願人は特願昭６２−５４１１０号において、
円筒状ホローカソードの両端それぞれ絶縁体を介してア
ノードを設け、一方のアノードにイオン引出し孔を、ま
た他方のアノード電極に試料ガス導入口および金属蒸気
導入口をそれぞれ設け、ホローカソード内に導入された
ガスまたは金属蒸気をアノードとホローカソードとの間
の放電によって電離させ、生成されたイオンを一方のア
ノードに設けたイオン引出し孔からホローカソードの軸
線方向に引出すようにしたホローカソード型イオン源を
提案すると共に、ホローカソードを間接的に冷却してこ
のホローカソード型イオン源を冷陰極放電形態で作動さ
せることも提案した。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、この種のホローカソード型イオン源では、ホ
ローカソード内部の真空度が悪いと引出電極とアノード
との間で放電が生じ易いため引出部に高電圧を印加する
ことができない。ホローカソード内部の真空度を良くし
て高い引出電圧を印加できるようにするためにはホロー
カッ−Ｆ内に導入されるガスを減少させる必要がある。

しかし導入されるガスを減少させると、ホローカソード
内部のガス圧が下がり、電子の平均自由行程が大きくな
り、ホローカソードの径が小さいと電子がガスや金属原
子に衝突する確率よりホローカソード表面に到達する確
率が高くなる。その結果導入ガス量を減らすと、ホロー
カソード内部での放電の維持が困難になる。従って上述
の先に提案したホローカソード型イオン源はガス効率が
まだ実質的に十分でない。

また、上述の先に提案したホローカソード型イオン源で
は、カソードを間接的に冷却しているため放電電流の増
加および長時間運転と共にカソードからの熱電子放出が
増加し、放電が不安定となる。

本発明は、このような課題を解決して高い放電電圧を維
持でき、イオン化率の良いホローカソード型イオン源を
提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 上記の課題を解決するために、本発明の第１の発明によ
るホローカソード型イオン源は、一端側より放電維持用
ガスおよび金属蒸気のうち少なくとも放電維持用ガスを
導入し、放電によってイオンを生成し、他端側よりイオ
ンを流出させる径の大きなホローカソード本体と、該ホ
ローカソード本体の他端側に絶縁体を介して設けられ、
ホローカソード本体より流出したイオンをホローカソー
ド本体の軸線方向に引き出すイオン引出口を有するアノ
ードと、上記ホローカソード本体の周囲に設けられ、ホ
ローカソード本体を冷却する冷却手段とを備えることを
特徴としている。

また、本発明の第２の発明によるホローカソード型イオ
ン源は、一端側より放電維持用ガスおよび金属蒸気のう
ち少なくとも放電維持用ガスを導入し、放電によってイ
オンを生成し、他端側よりイオンを流出させる径の大き
なホローカソード本体と、該ホローカソード本体の他端
側に多段の絶縁体を介して設けられ、ホローカソード本
体より流出したイオンをホローカソード本体の軸線方向
に引き出すイオン引出口を有するアノードと、上記ホロ
ーカソード本体の周囲に設けられ、ホローカソード本体
を冷却する冷却手段と、上記多段の絶縁体の間にそれぞ
れ配設され、上記ホローカソード本体の他端側とアノー
ドとの間に浮遊する、上記ホローカソード本体より流出
したイオンをホローカソード本体の軸線方向に流して上
記アノードのイオン引出口に導くイオン通路を有する多
段浮遊電極とを備えることを特徴としている６さらに、
本発明の第３の発明によるイオン源は、一端側より放電
維持用ガスおよび金属蒸気のうち少なくとも放電維持用
ガスを導入し、放電によってイオンを生成し、他端側よ
りイオンを流出させる径の大きなホローカソード本体と
、該ホローカソード本体の他端側に多段の絶縁体を介し
て設けられ、ホローカソード本体より流出したイオンを
ホローカソード本体の軸線方向に引き出すイオン引出口
を有するアノードと、上記ホローカソード本体の周囲に
設けられ、ホローカソード本体を冷却する冷却手段と、
上記多段の絶縁体の間にそれぞれ配設され、上記ホロー
カソード本体の他端側とアノードとの間に浮遊する、上
記ホローカソード本体より流出したイオンをホローカソ
ード本体の軸線方向に流して上記アノードのイオン引出
口に導くイオン通路を有する多段浮遊電極と、上記ホロ
ーカソード本体、アノードおよび多段浮遊電極の組立体
に外部によりホローカソード本体の軸線方向に磁場を掛
ける磁場印加手段とを備えることを特徴としている。

〔作　用〕

このように構成した本発明の第１の発明によるホローカ
ソード型イオン源においては、ホローカソードの表面積
すなわちその径を大きくすることにより、ホローカソー
ド内に導入されるガス量を減らしても放電を維持するこ
とができる。すなわちホローカソード表面積が大きくな
るとホローカソード表面からの電子の放出量が多くなり
、放電維持が容易となる。またホローカソードの表面積
の増大により金属原子の量が多くなり、その結果金属イ
オンが増加する。

また、ホローカソードを直接冷却することによって、ホ
ローカソードの温度上昇の抑制作用が向上し、それによ
り、ホローがソードからの電子放出が抑えられ、カソー
ドスパッタに必要な高い放電電圧を維持できるようにな
る。

また本発明の第２の発明において、径の大きなホローカ
ソード本体の他端側とアノードとの間に挿置されたプラ
ズマ密度を高めさせる多段浮遊電極は、引出部における
放電維持用ガスを流れ難くし、またアノードおよび多段
浮遊電極の部分でプラズマを絞ぼるように働き、これに
よりプラズマ電離が高くなり、イオン化率が大きくなる
。

さらに本発明の第３の発明においては、外部磁場を印加
することによって、放電路内のプラズマがさらに絞り込
まれ、その結果イオン化率を上げることができる。

（実施例） 以下本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例によるホローカソート型イ
オン源を概略的に示し、１はニッケル、モリブデン、タ
ングステン等から成るホローカソード本体でその両端に
は同じ材料から成る上部および下部フランジ２．３がそ
れぞれ一体的に設けられ、カソードの一部を成している
。上部フランジ２には環状絶縁体４を介して上部アノー
ド５が取付けられ、この上部アノード５はそのほぼ中央
すなわちホローカソード本体１の軸線の通る部位にイオ
ン引出口５ａを備えている。また下部フランジ３には環
状絶縁体６を介して下部アノード７が取付けられ、この
下部アノード７には放電維持用ガス導入ロアａおよび金
属蒸気導入ロアｂが設けられている。ホローカソード本
体１の外周には円筒状のシールド部材８が取付けられ、
このシールド部材８上に、純水等の冷却液を流す冷却液
導入パイプ９が螺旋状に巻かれている。

このように構成した図示イオン源の動作において、放電
維持用ガス導入ロアａからアルゴンガス等の放電維持用
ガスがまた金属蒸気導入ロアｂからイオン化すべき金属
蒸気（例えばＮａ）がホローカソード本体ｌ内に導入さ
れ、ホローカソード本体ｌと上部アノード５および下部
アノード７との間に電圧を印加して放電を開始させる。

それにより金属蒸気導入ロアｂから導入された金属蒸気
および放電維持用導入ロアａから導入されたガスは、上
部、下部アノード２．３とホローカソード本体１との間
の放電によって電離される。この場合、ホローカソード
本体１内の真空度を良くして高い放電電圧を維持できる
ようにするため、金属蒸気導入ロアｂから導入される金
属蒸気の量は相対的に少なくされ、その結果電子の平均
自由行程が長くなり、ガスや金属元素と衝突せずにカソ
ード表面に到達する確率が高くなるが、ホローカソード
本体１の径を大きく取っているため電子はカソード表面
に到達する前にガスや金属元素と衝突し、その結果放電
は維持され得る。こうして生成された金属イオンは、上
部アノード電極５に設けたイオン引出口５ａから引出さ
れる。

なお、第１図の実施例において当然ホローカソード本体
１を構成している金属はイオン化するため金属蒸気導入
ロアｂから導入される金属蒸気と同じものにされる。

第２図には、本発明の別の実施例によるホローカソード
型イオン源を示し、このイオン源はニッケル、モリブデ
ン、タングステン等から成るホローカソード本体１０を
有し、このホローカソード本体１０は上端にホローカソ
ード本体１０と同じ材料から成るフランジ１１を備えま
たその下端にはホローカソード本体１０と同じ材料から
成る端板１２で閉じられている。カソード端板１２には
放電維持用ガス導入口１２ａおよび金属蒸気導入口１２
ｂが設けられている。ホローカソード本体ｌＯのフラン
ジ１１上には環状絶縁体１３．１４．１５を介して三つ
の上部浮遊電極１６％１７．１８が設けられている。ホ
ローカソード本体１０のフランジ１１のすぐ上に位置す
る上部浮ａ電［１８は、図示したように、フランジ１１
の内縁に沿った先細状の開口１５ａを備え、またその上
の二つの上部浮遊電極１７．１８は上部浮遊電極１６に
おける先細状の開口１６ａと同軸にそれぞれ開口１７ａ
　、　１８ａを備えている。

最上方の上部浮遊電極１８上には環状絶縁体１９を介し
てアノード２０が取付けられ、このアノード２゜はその
ほぼ中央にイオン引出口２０ａを僅え、このイオン引出
口２０ａは三つの上部浮遊電極１６．１７．１８におけ
る各開口を通ってホローカソード本体１０内部に連通し
ている。

またカソード端部１２お下側には環状絶縁体２１を介し
て下部浮遊電極２２が取付けられ、この下部浮遊層８ｉ
２２にはカソード端板１２に設けられた放電維持用ガス
導入口１２ａおよび金属蒸気導入口＋２ｂと連通ずる放
電維持用ガス導入口２２ａおよび金属蒸気導入口２２ｂ
が設けられている。

ホローカソード本体１の外周には第１図の実施例の場合
と同様に円筒状のシールド部材２３が取付けられ、この
シールド部材２３上に、純水等の冷却液を流す冷却液導
入パイプ２４が螺旋状に巻かれている。

第２図の実施例の装置の動作において、ホローカソード
本体ｌＯ内には、その下部の放電維持用ガス導入口１２
ａおよび金属蒸気導入口１２ｂからそれぞれアルゴンガ
ス等のキャリヤガスおよびイオン化すべき金属蒸気が導
入され、放電の点火は、まず最初に上部浮遊電極とアノ
ード２０とを同電位にし、ホローカソード本体！Ｏとア
ノード２０との間に電圧を印加して放電を開始させる。

次に、ホローカソード本体ｌＯ側から順番に上部浮遊電
極とアノード２０との接続を切り離し、全ての上部浮遊
電極をアノード２０から切り離した時、放電はホローカ
ソード本体ｌＯとアノード２０のイオン引出口２０ａの
内面との間で維持され、生成されたプラズマは、ホロー
カソード本体１の内部の圧力と外部圧力との差により自
然に流出する。この場合、上部浮遊電極における開口は
細く絞られているので、ガスを流れ難くし、高いプラズ
マ密度が得られる。これによりイオン化率が向上され、
濃いイオンビームが得られる。

第３図には第２図の実施例による装置に外部磁場を印加
してイオン化率をさらに向上させるようにした実施例を
示し、第２図の装置の構成部分と対応する部分は第２図
と同じ符号で示す。

第３図の実施例において、ホローカソード本体１０、上
部浮遊型ｖｉ１１ｉ〜１８およびアノード２０から成る
組立体の外側にはこの組立体に対して外部からイオン引
出方向に磁場を掛ける磁場印加手段２５が設けられ、こ
の磁場印加手段２５は適当な電極コイルまたは永久磁石
から成り得る。磁場印加手段２５によって印加される磁
場の磁束密度は第３図の上側および左側にグラフで示す
ように上部浮遊電極１６〜１８の開口部に沿って高くな
るようにされている。これにより、放電電圧が上がり、
スパッタ率が高くなると共に、放電路内のプラズマは絞
り込まれ、イオン化率を一層上げることができる。

ところで第２図および第３図に示す実施例では多段浮遊
電極として三段の浮遊電極を用いているが、浮遊電極の
数は必要に応じて任意に設定することができる。また浮
遊電極の開口およびイオン引出口の断面形状は円形であ
るが、使用目的により他の任意の断面形状に構成するこ
とも可能である。

また第１図の実施例においてホローカソード本体の両側
にアノードを設けているが、第２図または第３図の実施
例のように上側にのみアノードを設けた構造にすること
もできる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、第１の発明によれば、ホロー
カソードの表面積すなわちその径を大きくシシかもホロ
ーカソードを直接冷却しているので、ホローカソード内
に導入されるガス量を減らしても放電を維持することが
できると共にホローカソードの温度上昇の抑制作用が向
上し、その結実装置内の真空度を良くでき、カソードス
パッタに必要な高い放電電圧を維持できると共にイオン
引出部に高電圧を印加することができるようになる。

また、径の大きなホローカソード本体の他端側とアノー
ドとの間にプラズマ密度を高めさせる多段浮遊電極を挿
置した第２の発明によれば、引出部における放電維持用
ガスを流れ難くでき、しかもアノードおよび多段浮遊電
極の部分で放電を起こさせることにより、プラズマ電離
が高くなり、イオン化率が大きくなり、濃いイオンビー
ムを得ることができる。

さらに、第３の発明によれば、ホローカソード本体、ア
ノードおよび多段浮遊電極の組立体に外部からイオン引
出方向に磁場を掛ける磁場印加手段を設けているので、
放電電圧が高くなり、スパッタ率が上昇すると共に、放
電路内のプラズマが絞り込まれ、その結果イオン化率を
上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のホローカソード型イオン源の一実施
例を概略的に示す縦断面図、第２図は、本発明の第２の
実施例を概略的に示す縦断面図、第３図は本発明の第３
の実施例を概略的に示す縦断面図である。 図中

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一端側より放電維持用ガスおよび金属蒸気のうち少
   なくとも放電維持用ガスを導入し、放電によってイオン
   を生成し、他端側よりイオンを流出させる径の大きなホ
   ローカソード本体と、該ホローカソード本体の他端側に
   絶縁体を介して設けられ、ホローカソード本体より流出
   したイオンをホローカソード本体の軸線方向に引き出す
   イオン引出口を有するアノードと、上記ホローカソード
   本体の周囲に設けられ、ホローカソード本体を冷却する
   冷却手段とを備えたホローカソード型イオン源。 ２、一端側より放電維持用ガスおよび金属蒸気のうち少
   なくとも放電維持用ガスを導入し、放電によってイオン
   を生成し、他端側よりイオンを流出させる径の大きなホ
   ローカソード本体と、該ホローカソード本体の他端側に
   多段の絶縁体を介して設けられ、ホローカソード本体よ
   り流出したイオンをホローカソード本体の軸線方向に引
   き出すイオン引出口を有するアノードと、上記ホローカ
   ソード本体の周囲に設けられ、ホローカソード本体を冷
   却する冷却手段と、上記多段の絶縁体の間にそれぞれ配
   設され、上記ホローカソード本体の他端側とアノードと
   の間に浮遊する、上記ホローカソード本体より流出した
   イオンをホローカソード本体の軸線方向に流して上記ア
   ノードのイオン引出口に導くイオン通路を有する多段浮
   遊電極とを備えたホローカソード型イオン源。 ３、一端側より放電維持用ガスおよび金属蒸気のうち少
   なくとも放電維持用ガスを導入し、放電によってイオン
   を生成し、他端側よりイオンを流出させる径の大きなホ
   ローカソード本体と、該ホローカソード本体の他端側に
   多段の絶縁体を介して設けられ、ホローカソード本体よ
   り流出したイオンをホローカソード本体の軸線方向に引
   き出すイオン引出口を有するアノードと、上記ホローカ
   ソード本体の周囲に設けられ、ホローカソード本体を冷
   却する冷却手段と、上記多段の絶縁体の間にそれぞれ配
   設され、上記ホローカソード本体の他端側とアノードと
   の間に浮遊する、上記ホローカソード本体より流出した
   イオンをホローカソード本体の軸線方向に流して上記ア
   ノードのイオン引出口に導くイオン通路を有する多段浮
   遊電極と、上記ホローカソード本体、アノードおよび多
   段浮遊電極の組立体に外部によりホローカソード本体の
   軸線方向に磁場を掛ける磁場印加手段とを備えたホロー
   カソード型イオン源。