JPH02250237A - イオン源装置 - 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、イオン源装置に関し、特に所望のイオンの材
料元素または化合物をプラズマ放電工程で解離およびイ
オン化して、イオン注入装置において使用できるように
する形式のイオン源装置に関するものである。

（従来の技術） イオンは、電気抽出分野の手段によってイオン源装置か
ら抽出されて、荷電粒子のビームを形成する。このビー
ムに所望のイオンが含まれており、続いてこれらのイオ
ンが質量電荷分離法によってビームから分離される。

それらのイオン源装置に共通する問題として、解離工程
を完全に制御することは困難であり、その結果、一般的
に出力電流中の所望イオンの割合が、可能と思われる割
合よりも相当に低くなる。この現象は、−価のほう素イ
オンをほう素化合物である原料ガスから得る場合に特に
顕著であるが、これは、幾つかのほう素化合物の分解が
特に難しいからである。従って、所望のイオン形態のほ
う素の総量が、気体中に存在しているほう素の総量より
も相当に少な（なる。

プラズマ解離イオン源装置は、帯電していないガス状材
料の電子衝撃によってプラズマを発生するものである。

一般的に使用されている電子衝撃イオン源装置は、−本
のロッド形のフィラメント陰極を円筒形の陽極内に、そ
のフィラメント陰極および円筒形陽極の軸線が互いに平
行になるようにして、設けた側部抽出形態陰極イオン源
装置の一種である。また、これらの軸線に平行な磁界を
外側に加えて、電！１１！子の運動を抑制している。イ
オン化する原料ガスは、陽極壁の貫通穴から入れられる
。

原料ガスをイオン化するため、陰極フィラメントと円筒
形陽極との間に電位差を発生させる。この電界を利用し
て、陰極フィラメントから熱イオン化によって放出され
た電子に半径方向速度を、従ってエネルギーを与える。

電子がイオン化できる十分なエネルギーを獲得できれば
、プラズマを生じるための衝突が発生する。

次に、プラズマ内に発生した正イオンが、陽極壁の細い
長手方向のスリットから抽出される。

正イオンの抽出は、陽電極に対して負に偏らせた電極を
プラズマの外側に、長手方向スリットの平面に一致させ
て、設けることによって行われる。この電極により、電
界が形成され、陽極がプラズマ境界と相互作用して、プ
ラズマから出る正イオンを加速する。

イオン源装置の効率は、電離電子の密度および温度に大
きく影響されることが、理論化されている。また、電離
電子は、中性ガス粒子と衝突する可能性を増加させるた
め、プラズマ内の比較的長い距離を移動させるようにし
なければならない、上記イオン源装置の場合、これはフ
ィラメントを加熱するために使用される電流によって生
じる磁界と、外側に加えられる磁界との複合効果によっ
て達成される。

さらに、十分なフィラメント電流では、荷電粒子の半径
方向流動速度が、フィラメント陰極からの半径方向距離
によって異なることも理論化されている。フィラメント
に近い荷電粒子は、正味流動速度でフィラメント陰極の
正側へ進むが、半径方向距離が大きくなると、フィラメ
ント軸線に対して円弧状に進む、このため、はとんどの
電子は、直接的半径方向流動機構によって陽極へ到達す
ることが妨害されて、長距離を移動させられる。しかし
、電子には、フィラメントの正側へ向かう固有の正味流
動性がある。陽極の軸方向端部に到達したこれらの電子
は、陽極によって補修されるため、プラズマから取り除
かれる結果、イオンの産出量が予想量以下になる。

前述したように、そのように産出量が低くなることは、
−価のほう素イオン　（Ｂ１）を得ようとする場合に特
に顕著である。はう素の一般的な原材料は、室温ではガ
ス状物質である三ふっ化はう素　（Ｂ　Ｆ　ｓ）であり
、はう素元素は、気化温度が高いために使用されない、
この原材料を使用して形成されたイオンビームの分析か
ら、所望のほう素イオンの存在が明らかとなるが、ＥＦ
”およびＢＦｉ”などのイオンも存在し、−価のほう素
イオンの割合は比較的低（、一般的に１５％以下である
。

ある従来装置では、この電子瀧れは、フィラメント陰極
の各端部に金属製の電子リフレクタを設置することによ
って、減少させている。これらの金属製リフレクタを使
用することにより、陰極／陽極電界を乱して、電子を再
度放電の中心に向けることができる。別の従来方法では
、フィラメントの各端部において磁界を増大させる。増
大した磁界は、リフレクタが機能する方法と同様にして
、電子を放電に跳ね返す作用をする。

本莞明と同じ譲受人に譲渡されており、参考として本説
明に含まれている米国特許第４、７６０．２６２号には
、プラズマ温度と、スリットに平行な方向における抽出
イオンビーム電流密度の均一性とを、円筒形陽極の各端
部にフィラメントから電気的に絶縁した電極を設けるこ
とによって増加させることができるイオン源装置が開示
されている。この発明の様々な実施例によれば、補助電
極を互いに短絡させてプラズマの各端部に同一の電位を
発生させたり、その他の接続方法によって、補助電極に
電位を加えている。

（発明か゛解決ＬＪ−ンと３）言Ｒ秀）そのような補助
電極を設けることは、従来のイオン源装置に対する大き
な改良であるが、本発明はさらにそれらのイオン源装置
の性能を高めることができる、特に絶縁体の性能の改良
、イオン化の促進、イオン源装置の寿命の延長およびビ
ーム純度の向上において優れた装置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および作用）本発明によれ
ば、上記目的は、補助電極と陽極との間の絶縁体を２部
材で構成して、それらの隣接した部材間に空間を形成す
ることにより、絶縁体表面に導電性被膜を形成するため
の通路長さを大幅に長くするようにして達成される。隙
間の大きさを最小にすることにより、放電室から絶縁体
壁までの受取り角度が最小になる。絶縁体部材と陽極と
の間、および絶縁体の分離部材間にさらに円筒形の隙間
を設けることによって、放電室から内側絶縁体表面まで
の見通し線が最小になり、これによって導電性被膜の形
成が抑制される。

さらに、本発明によれば、フィラメント絶縁体および補
助電極間に、短絡を解消する空間が形成されている。こ
れらの空間は、フィラメントを受けているフィラメント
絶縁体の端部の座ぐり穴と結合して、質量の小さいフィ
ラメント絶縁体端部を形成しており、このため、フィラ
メントの加熱による絶縁体の端部の温度が増加すること
から、はねかけられた物質の凝縮が抑止される。

また、本発明によれば、補助電極が、陽極の内径に対し
て極めて大きく、補助電極がほぼ放電領域の端部を形成
している。陽極壁ではなく、補助電極によって放電領域
の端部を形成することにより、プラズマから出る電子束
は、フィラメントに沿って流動しようとする電子と共に
、陽極壁によって捕集されるのではなく、プラズマ内へ
戻される。これにより、放電領域内の電子密度が増加す
るため、イオン化が促進する。

その他の改良として、補助電極絶縁体を陽極内に形成さ
れた座ぐり穴内に取り付けることにより、放電室から絶
縁体壁への材料受は入れ立体角を最小にすることができ
ると共に、見通し線をさらに遮蔽することができるよう
にしており、また陽極の補助電極に最も近接した縁部に
アールを付けることによって、補助電極と陽極との間に
散在するアークを抑制できるようにしている。

改良イオン源装置の性能を最適化するためには、材料の
適切な選択が重要であることもわかっている。このため
、所望のイオンビームと競合しないおよび／またはイオ
ン源装置にみられる局部的高温によって悪影響を受けな
い材料を使用することが重要であると考えられる。すな
わち、本発明の好適な実施例では、絶縁体が窒化はう素
からなり、また好ましくは、補助電極および陽極がモリ
ブデンからなる。窒化はう素および関連の反応生成物か
ら得られるイオンが、所望イオンの磁気硬直性と同じま
たはそれに近い場合、および／または抽出スリットにお
ける空間電荷が限界でない場合、絶縁体の材料としてア
ルミナを使用することもできる。

（実施例） 第１および第２図は、上記米国特許筒４．７６０゜２６
２号に記載されている形式のイオン源装置１０を示して
おり、はぼ円筒形の陽極１２と、フィラメント絶縁体１
６によって陽極構造内に支持されて軸方向に延在してい
る陰極フィラメント１４とを有している。好適な実施例
では、陽極はほぼ矩形のブロック体であり、円筒形の貫
通内孔２１と複数の座ぐり穴とが形成されている６公知
のように、所望のイオン原料のガス状元素または化合物
は、入口１８から陽極円筒部内へ送り込まれる。陰極お
よび陽極間のガス内で電子の放電を発生させ、それによ
ってガスを様々な中性および荷電粒子に解離させること
ができる振幅の直流電圧を、陽極と陰極との間に発生さ
せる。中性粒子は、ガス流の一部として出口スリット１
９から流出する。

荷電粒子は、正のものも負のものも陽極内の放電室２０
に入っている。スリット付近を流動している正の荷電粒
子は、陽極の外側の抽出電極（図示路）によって陽極か
ら抽出されて、公知の方法で加速されることにより、荷
電粒子のビームを形成する。

フィラメント絶縁体１６は、円筒形の補助電極２２内に
取り付けられており、これらの補助電極は、第２絶縁体
アセンブリ２４内に取り付けられている。陽極の両側に
設けられた絶縁体１６．２４および補助電極２２は同一
のものであり、ここでは一方のものについてのみ詳細に
説明する。

本発明によれば、絶縁体アセンブリ２４の各々は、２つ
の部材２６および２８で構成されている。

外側部材２６は、以下に詳細に説明するように、陽極の
端部に嵌込まれており、フィラメント１４と同軸的な円
筒部３０およびフランジ部３２を有している。内側絶縁
部材２８は、外側円筒部３０から内方へ離して設けられ
た円筒部３４と、外側部材２６のフランジ部３２に形成
された座ぐり穴に収容されたフランジ部３６とを有して
いる。

第２図に示されている電極および絶縁構造体は、イオン
源装置を設置したイオン注入装置内のイオン源装置取付
は構造体（図示路）によって陽極に対する軸方向位置が
維持されている。

外側絶縁体２６の回転方向位置は、陽極１２の端部に形
成された穴に嵌込まれて、絶縁体の外周部に形成された
軸方向スロットと係合するビン３８によって維持されて
いる。内側絶縁体２８の回転方向位置は、外側絶縁体の
フランジ部３２内に形成された穴に嵌込まれて、内側絶
縁体のフランジ部３６の外周部に形成されたスロットと
係合するビン４０によって維持されている。補助電極２
２の半径方向位置は、電極に形成された半径方向穴に嵌
込まれて、内側絶縁体２８の円筒部３４に形成された軸
方向スロットと係合するビン４１によって維持されてい
る。

補助電極２２は、電極の外周部に形成された環状溝に嵌
込まれて、内側絶縁体２８の外端部と係合するスナップ
リング４２によって、軸方向内方に空間２０内へ移動し
ないように保持されている。

第３図は、第２図の上方左側の４分の１の部分の拡大図
である。第３図において、絶縁体アセンブリ２４の外側
部材２６は、陽極１２に形成された第１座ぐり穴４４内
に締りばめされている。円筒部３０は、第２座ぐり穴４
６内に収容されているが、本発明によれば、環状空間４
８が、座ぐり穴の内径と円筒部の外径との間に形成され
ている。座ぐり穴４６の直径が陽極の内径２１よりも若
干大きいため、それら２つの直径間の接合部がアール５
２として形成されており、この値は重要ではないが、好
ましくは、座ぐり穴４６および内孔２１の半径間の差と
同じにする。

第３図に示すように、外側部材２６の面５４は座ぐり穴
４４の底部に当接しているが、環状の窪みが面５４に形
成されているため、円筒形の空間５６がフランジ部３２
と陽極１２との間に形成される。

内側絶縁体２８および外側絶縁体２６間の関係は、外側
絶縁体２６および陽極１２間の上記関係と同様であり、
フランジ部３６が絶縁体２６の端部に形成された座ぐり
穴内に締りばめされており、円筒部３４の外径および円
筒部３０の内径は、それらの円筒部間に環状の空間５８
が形成される関係に設定されている。空間５６と同様な
円筒形の空間６０が、フランジ部３２とフランジ部３６
との間に形成されている。絶縁体２６および２８の、陽
極の内部に面した円筒形端部は、それぞれ６２および６
３で示すように、アールが付けられている。

補助電極２２に設けられた大径部が、絶縁体２８の内端
部に形成された座ぐり穴６４内に、空間６５が電極と絶
縁体との間に形成されるようにして、収容されている。

補助電極は、それと絶縁体２４．２６．２８とによって
放電室の端部壁を形成できる大きさになっており、その
ため、放電室の端部に陽極部分がまったく存在していな
い。

本実施例では、放電室に面している陽極の表面積が端部
壁の面積の約５０％を占めているが、十分な性能を得る
ためには、この面積が端部壁の面積の少なくとも２５％
を占め、残りの部分を絶縁体で形成するようにすればよ
いと考えられる。

フィラメント絶縁体１６の外径は６６および６８におい
て段差が付けられている一方、補助電極２２の内径は７
０で小さくなっているため、第１環状空間７２および第
２環状空間７４が、絶縁体１６と補助電極２２との間に
形成されている。米国特許第４．７６０，２６２号に示
すように、絶縁体１６の内端部が座ぐりされて、絶縁体
とフィラメント１４との間に環状空間７６が形成されて
いる。

前述したように、好ましくは、絶縁体１６および２４は
窒化はう素で形成する一方、補助電極２２および陽極１
２はモリブデンで形成する。

本改良イオン源装置の全体的作用は、米国特許第４，７
６０，２６２号に記載されているイオン源装置を含めた
従来のイオン源装置とほぼ同じであるから、ここでは詳
細に説明しない、しかし、上記特許の場合と同様に、補
助電極２２は様々な方法で接続できることに注目された
い。すなわち、第２図は、電線７８で互いに接続した補
助電極を示している。第４図は、補助電極がフィラメン
ト１４の反対側の端部に接続しているところを示してい
る。第５図では、補助電極が電線８１で互いに接続して
いる一方、電源８２がフィラメントと補助電極との間に
電圧な印加いている。

第６図では、電圧源８３および電線８４．８５によって
フィラメント１４の一端部とその反対側の電極２２との
間に電圧が印加されている一方、電圧源８６および電線
８７．８８によってフィラメント１４の他端部とその反
対側の電極との間に等しい電圧が印加されている。

（発明の効果） 本発明のイオン源装置は補助電極と陽極との間の絶縁体
を２部材で構成し、この内側および外側の円筒絶縁体間
に環状空間を形成するので、補助電極と陽極間の電気的
絶縁他を改善できる。また補助電極が放置室の端部を形
成して放電領域内の電子密度が増加するようにするので
イオン化を促進させることができ、これらの構成により
、装置の寿命およびビームの純度を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るイオン源装置の側端面図、 第２図は第１図の２−２線に沿った断面図、第３図はイ
オン源装置の一部を拡大した部分１４・・・陰極フィラ
メント ２０・・・放電室 ２８・・・内側絶縁体 ３２、３６・・・フランジ部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒形の孔を有するハウジングと、このハウジン
   グ内に軸方向に延在している陰極と、前記ハウジング内
   に前記陰極を支持している第１絶縁体手段と、少なくと
   も一部分が前記陰極の一端部に近接している第１電極と
   、少なくとも一部分が前記陰極の他端部に近接している
   第２電極と、前記第１および第２電極に電位を与えるバ
   イヤス手段と、前記第１、第２電極を前記陰極から、お
   よび前記ハウジングから電気的に絶縁する第２絶縁体手
   段とを有しているイオン源装置において、 前記第２絶縁体手段の各々が、内側絶縁体 および外側絶縁体を有しており、前記内側および外側絶
   縁体は、少なくともそれらの一部分の間に空間を形成で
   きる相対位置に配置されるようにしたイオン源装置。
2. （２）前記第１絶縁体手段、前記第１、第２電極および
   前記第２絶縁体手段は、平行軸線上に配置されて、前記
   ハウジングの端部内に収容されており、前記第１絶縁体
   手段の各々は、前記陰極を包囲してそれと係合する細長
   い円筒部材を有しており、前記第１および第２電極の各
   々は、前記第１絶縁体手段を包囲する円筒形部材を有し
   ており、また前記内側および外側絶縁体の各々は、軸方
   向に延出した円筒部および半径方向に延出したフランジ
   部を備えたほぼ円筒形の部材を有しており、前記内側お
   よび外側絶縁体の空間は、前記内側絶縁体の円筒部およ
   び前記外側絶縁体の円筒部間の環状空間で形成されてい
   る請求項１に記載の装置。
3. （３）前記ハウジングの端部に座ぐり穴が形成されてお
   り、前記外側絶縁体が前記座ぐり穴内に収容されて、フ
   ランジ部が座ぐり穴の底部に接触している請求項２に記
   載の装置。
4. （４）ハウジングの各端部に、第１座ぐり穴と、第１座
   ぐり穴よりも大径の第２座ぐり穴とが形成されており、
   前記外側絶縁体が前記座ぐり穴内に収容されて、フラン
   ジ部の外径が第２座ぐり穴の直径と係合し、フランジ部
   の面が第２座ぐり穴の底部と係合し、円筒部が第１座ぐ
   り穴の直径内に、それに対して空間を保って、収容され
   ている請求項２に記載の装置。 ５）フランジ部の第２座ぐり穴の底部と接触している面
   の一部分に窪みを形成して、フランジ部と第２座ぐり穴
   の底部との間に円筒形の空間が形成されるようにした請
   求項４に記載の装置。 ６）前記外側絶縁体のフランジ部に座ぐり穴が形成され
   ており、前記内側絶縁体のフランジ部が前記座ぐり穴内
   に収容されて、フランジ部の外径が前記座ぐり穴の直径
   と係合し、前記フランジ部の面が座ぐり穴の底部と係合 し、前記面の一部分に窪みを形成して、フランジ部と座
   ぐり穴の底部との間に円筒形の空間を形成するようにし
   た請求項５に記載の装置。 ７）前記内側絶縁体に座ぐり穴が形成されており、前記
   第１、第２電極の前記座ぐり穴内に入っている部分の外
   径を座ぐり穴の直径よりも小さくして、前記電極の対応
   部分と前記内側絶縁体との間に環状空間を形成するよう
   にした請求項２に記載の装置。 ８）前記円筒形の孔と前記第１座ぐり穴との接合部にア
   ールが付けられている請求項４に記載の装置。 ９）前記アールが、前記円筒形の孔の半径および前記第
   １座ぐり穴の半径の差にほぼ等しい請求項８に記載の装
   置。 １０）プラズマ放電室を形成する円筒形の孔を有するハ
   ウジングと、前記放電室内に軸方向に延在している陰極
   と、前記ハウジング内に前記陰極を支持している第１絶
   縁体手段と、少なくとも一部分が前記陰極の一端部に近
   接している第１電極と、少なくとも一部分が前記陰極の
   他端部に近接している第２電極と、前記第１、第２電極
   に電位を与えるバイヤス手段と、前記第１、第２電極を
   前記陰極から、および前記ハウジングから電気的に絶縁
   する第２絶縁体手段とを有しているイオン源装置におい
   て、 前記第１、第２電極および前記第１、第２ 絶縁体手段が、前記プラズマ放電室の端部壁を形成する
   ようにしたイオン源装置。 １１）前記第１、第２電極が、前記第１絶縁体手段を包
   囲する円筒部材を有しており、前記電極の各々の前記放
   電室に面した端部の表面積が、前記端部壁の各々の表面
   積の少なくとも２５％を占めるようにした請求項１０に
   記載の装置。 １２）前記第１、第２絶縁体手段が窒化ほう素からなる
   請求項１ないし１１のいずれかに記載の装置。 １３）前記第１、第２絶縁体手段がアルミナからなる請
   求項１ないし１１のいずれかに記載の装置。 １４）前記第１、第２電極がモリブデンからなる請求項
   １ないし１１のいずれかに記載の装置。