JPH04126340A - 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〕 本発明はイオンビームスパッタリング、イオンアシスト
、イオン注入、イオンミリングなどの表面処理技術およ
び超微細加工技術に用いるイオン源の構造に関するもの
である。

〔従来の技術とその課題〕

近年、先端技術の発展にともない、イオン源を用いた各
種材料表面の改質ならびに微細加工技術が注目され、盛
んに研究がなされている。これら技術の産業化を考えた
場合、作業効率の面から大口径でしかも大量のイオンを
均一に照射できるイオン源が必要となる。

現在の主流を占めるイオン源は電子源としてフィラメン
トを用いているものが多い。フィラメントを用いた場合
、イオンビームのもととなるプラズマを発生させるため
に必要な電子の供給量が少ない。その結果得られるイオ
ンの電流量が少なく、さらに活性なガスを使用するとフ
ィラメントの寿命が著しく低下する等の課題がある。

そこで、本発明は上記課題を解決して、大口径で均一な
大イオン電流が得られ、さらに活性ガスにも安定なイ、
オン源を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的のため、本発明のイオン源においては、プラズ
マを発生する中空陰極型のプラズマビーム源と、このプ
ラズマビーム源に対して正の電位を印加するアノードと
、真空槽壁に固定するイオン源本体と、イオン源本体内
に設置しかつ正の電位を印加する陽極と、イオン源本体
の外部あるいは内部に設置する磁場形成機構と、真空槽
壁とイオン源本体との接続部付近に設ける引出し電極と
を備える。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例におけるイオ
ン源の構造を示し、第１図（ａ）は縦断面図、第１図（
ｂ）は横断面図である。

プラズマビーム源１および円筒状のアノード２を、ガス
導入口１７を有するイオン源本体乙にネジ止めなどの機
械的な方法でそれぞれ絶縁して取り付ける。イオン源本
体乙の内部には、プラズマ８を発生させるために正の電
位を印加する円筒状の陽極４をイオン源本体６とは絶縁
して設ける。

さらにイオン源本体３の外部には、プラズマ８をイオン
源本体乙の内部に閉じこめるカスプ磁場１６を形成する
ための磁場形成機構として永久磁石５をイオン源本体乙
の周囲に、極性が交互に逆になるように配置する。また
、イオン源本体乙のプラズマビーム源１と反対側には、
イオンビーム９を引き出すために負の電圧を印加する多
数の穴を有する加速電極６と、プラズマ８を閉じこめる
ためのフローティング電位である多数の穴を有する遮蔽
電極１８とを、ネジ止めなどの機械的な方法でそれぞれ
絶縁して取り付ける。遮蔽電極１８と加速電極６とで、
イオンビーム９をイオン源本体６から引き出すための引
出し電極１９を構成している。なお、図には示していな
いが本発明のイオン源はフランジ構造を有しているため
、各種の真空装置の真空槽壁２０に容易に取り付けるこ
とができる。

第２図は第１図におけるプラズマビーム源１の構成を示
す断面図である。

プラズマビーム源１は、水冷ボックス１１を貫通してガ
ス導入ノミイブを兼ねるタンタル製のパイプからなる補
助陰極１０、円板状の六ホウ化ランタンからなる主陰極
１２、タングステン製の円板からなる熱板１５、および
内部にり／グ状の永久磁石を有する陽電極１３ならびに
小型集束コイル電極１４などから構成されている。

プラズマビーム源１の起動時には、補助陰極１０と陽電
極１３との間で、補助陰極１０を通して導入したアルゴ
ン、水素などのガスを媒体として放電させる。補助陰極
１０から放出される熱電子は、陽電極１３により加速さ
れ、陽電極１３中の永久磁石、ならびに小型集束コイル
電極１４により形成される磁界の作用で高密度の電子ビ
ームとして集束し、陽電極１６と小型集束コイル１４の
中心部の穴を通過して、さらに前方へ向かって拡散する
。このとき電子ビームは補助陰極１０を通して導入した
アルゴン、水素など、のガス分子と衝突して分子を電離
させ、電気的に正のイオン、負の電子、中性の分子が混
在したプラズマを発生させ、全体としてはプラズマビー
ムの状態となる。

この初期の放電により主陰極１２が高温に加熱されると
、大量の熱電子が主陰極１２から放出されるようになり
、非常に高密度で大電流の放電が発生する。

このプラズマビーム源１は、極めて高い熱電子放射効率
を有する六ホウ化ランタンを主陰極１２に用いることに
より、高密度の電子ビームを得るものであり、比較的低
い加速電圧で大電流が得られる特徴を有している。

また、陽電極１３と小型集束コイル１４とのそれぞれの
中心部には、プラズマビームを通すための小径の穴が貫
通させであるため、補助陰極１゜から導入したアルゴン
ガスなどがこれらの穴を通過するときに大きな抵抗を受
ける。このため、プラズマビーム源１の内部はプラズマ
ビーム源１の外部よりも高圧に保つことができ、プラズ
マビーム源１の内部の圧力をプラズマビーム源１の外部
の圧力より数１０から数１０００倍高くすることが可能
となる。したがって、第１図（ａ）においてガス導入口
１７を通してイオン源本体３内に活性なガスを導入して
も、この活性なガスがイオン源本体６内よりも圧力の高
いプラズマビーム源１の内部に拡散していくことはない
ので、プラズマビーム源１が侵食されることはない。す
なわち、プラズマビーム源１は活性なガスに対しても安
定に作動できる。

さて、次に以上の構成に基づくイオン源において、イオ
ンビームな引き出す方法を第１図と第２図とを交互に参
照して説明する。

プラズマビーム源１で形成されたプラズマは、陽電極１
３ならびに小型集束コイル１４の中心部にある小径の穴
を通って、電位的にプラズマビーム源１よりも高い正の
電位を印加しである円筒状のアノード２に入り、プラズ
マビーム源１とアノード２との間で高密度で大電流の放
電を生じるが、アノード２の形状が中心部に穴のあいた
円筒となっているために、この穴を通ってプラズマ中の
多量の電子７がイオン源本体６内に進入してくる。

イオン源本体６内には、アノード２よりもさらに高い正
の電位を印加する円筒状の陽極４を設けるとともに、第
１図（ｂ）に示すようなカスプ磁場１６が多数の永久磁
石５によって形成されている。

イオン源本体３内に進入してきた電子７は陽極４に入ろ
うとするが、電子は磁力線を横切ることが困難である。

このため、イオン源本体３内に進入してきた多量の電子
７は、カスプ磁場１６と遮蔽電極１８とによりイオン源
本体３内に閉じこめられる。この結果、進入してきた多
量の電子７は、イオン源本体６内に存在するプラズマビ
ーム源１から導入されアノード２の中心部の穴を通過し
てきたガス分子と衝突を繰り返し電離を促進する。

あるいはガス導入口１７からガスを導入した場合には、
イオン源本体３内に進入してきた電子７は、このガス分
子ならびに前述のプラズマビーム源１から導入し、アノ
ード２中心部の穴を通過してきたガス分子との衝突を繰
り返して電離を促進し、イオン源本体６内に高密度でか
つイオン源本体乙の径方向に均一な分布のプラズマ８を
形成する。

このとき加速電極６に負の電圧を印加することによって
、プラズマ８の中からイオンのみを引き出すことができ
る。

前述したように、永久磁石５により形成するカスプ磁場
１６と遮蔽電極１８とにより、イオン源本体３内に多量
の電子７を閉じ込め、ガス分子との衝突電離を促進して
いるため、プラズマ８は高密度で径方向に均一な分布と
なる。このため、引き出すイオンビーム９も大電流で径
方向の均一性に優れたものとなるので、本発明のイオン
源においては大面積でかつ均一な大電流のイオンビーム
を得ることが容易である。

なお、第１図ではパケットタイプのイオン源での実施例
を示したが、第３図に示すカウフマンタイプのイオン源
構成でも大電流のイオンビーム９を得ることは可能であ
る。

第３図は磁場形成機構としてコイル２１を用いている。

この場合にはコイル２１の中心軸方向の磁界２２が形成
される。イオン源本体３内に進入してきた多量の電子７
は、中心軸方向の磁界２２に沿って螺旋運動を行ないな
がらイオン源本体３内のガス分子と衝突電離を繰り返し
、イオン源本体３内に高密度のプラズマ８を形成する。

これにより第１図で説明した場合と同様なイオンビーム
９を得ることができる。

また、第１図では磁場形成機構としての永久磁石５をイ
オン源本体乙の外部に設ける実施例を示したが、永久磁
石５はイオン源本体３の内部に設けても何ら問題ない。

さらに第３図に示す実施例では、磁場形成機構としての
コイル２１をイオン源乙の外部に設ける実施例で説明し
たが、コイル２１はイオン源乙の内部に配置しても良い
。

さらに、イオンを中性粒子にして利用する場合には、イ
オンの正電荷を中和するために電子を放出するニュート
ラライザ−を加速電極６のイオンビーム９を引き出す側
に設ければ良い。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明のイオン源では
、大面積でかつ均一に照射可能な大電流のイオンビーム
を得ることが可能であり、しかも活性なガスに対して安
定に作動できる。このため、イオンビームスパッタリン
グ、イオンアシスト、イオン注入、イオンミリングなど
の表面処理および超微細加工の分野において、大面積の
被加工物に対しても高速かつ均一な処理を、反応を要す
る処理も含めて、施すことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明におけるイオン源の構造
を示し、第１図（ａ）は縦断面図、第１図（ｂ）は横断
面図、第２図は本発明のイオン源に用いるプラズマビー
ム源の構成を示す断面図、第３図は本発明のイオン源に
おける他の実施例を示す断面図である。 １・・・・・・プラズマビーム源、 ２・・・・・・アノード、 ３・・・・・・イオン源本体、 ４・・・・・・陽極、 １９・・・・・・引出し電極、 ２０・・・・・・真空槽壁、 ５・・・・・・磁場形成機構（永久磁石）、２１・・・
・・・磁場形成機構（コイル）。 第２Ｗ！Ｉ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. プラズマを発生する中空陰極型のプラズマビーム源と、
   このプラズマビーム源に対して正の電位を印加するアノ
   ードと、真空槽壁に固定するイオン源本体と、このイオ
   ン源本体内に設置しかつ正の電位を印加する陽極と、前
   記イオン源本体の外部あるいは内部に設置する磁場形成
   機構と、前記真空槽壁とイオン源本体との接続部付近に
   設ける引出し電極とを備えたことを特徴とするイオン源
   。