JPH04262349A - Multi-valent heavy ion source and univalent heavy ion source - Google Patents

Multi-valent heavy ion source and univalent heavy ion source

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JPH04262349A
JPH04262349A JP2220191A JP2220191A JPH04262349A JP H04262349 A JPH04262349 A JP H04262349A JP 2220191 A JP2220191 A JP 2220191A JP 2220191 A JP2220191 A JP 2220191A JP H04262349 A JPH04262349 A JP H04262349A
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Japan
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ions
plasma
heavy
monovalent
arc discharge
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Withdrawn
Application number
JP2220191A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Inoue
憲一 井上
Akira Kobayashi
明 小林
Yutaka Kawada
豊 川田
Takuya Kusaka
卓也 日下
Kiyotaka Ishibashi
清隆 石橋
Kojin Furukawa
古川 行人
Toshimoto Suzuki
鈴木 敏司
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication of JPH04262349A publication Critical patent/JPH04262349A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide a one-valent heavy ion source and a multi-valent heavy ion source for large current application. CONSTITUTION:An arc discharge electrode 2, gas introducing means 14, and magnetic field generating device 4 are furnished in a vacuum chamber 1, and the rare gas plasma produced is conveyed to a gap between flat plate electrodes 3 in parallel with one another. A magnetic field perpendicularly intersecting the electric field is impressed between these flat plate electrodes 3 by another mag. field generating device 5. A sputtering cathode 3a is bombarded with rare gas ions to make sputtering of the heavy ionmetal material. Plasma electrons make parallel advance magnetron motion, and plasma including univalent heavy ions is conveyed quickly to a cylindrical cavity 16. Using a solenoid coil 17, an axially directed magnetic field is impressed to this cylindrical cavity 16 to which microwaves are introduced to excite a vibration in the TEz210 mode. The plasma electrons makes cyclotron motion while absorbing the electric field energy due to ECR by the axially directed magnetic field and quadripolar high frequency electric field. Thereby multi-valent heavy-metal ions are produced in a large quantity.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】この発明は、半導体製造プロセス
、材料の表面改質などにおいてイオンビーム源として用
いられる、多価重イオン源および1価重イオン源に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multivalent heavy ion source and a monovalent heavy ion source used as ion beam sources in semiconductor manufacturing processes, surface modification of materials, and the like.

【0002】0002

【従来の技術】近年、目的とする元素(粒子)をイオン
化する装置であるイオン源を備えたイオン注入装置等の
イオンビーム応用装置の需要が拡大し、工業用の装置が
実用化されている。しかし、金属表面改質などのより広
い分野への適用が期待される、高融点の重金属のイオン
を用いた大電流用のイオンビーム応用装置については、
その実用化が困難な状況にある。これは、一般にイオン
の質量数Mが大きくなると、装置の加速部や質量分離部
の小型化が困難になることがその理由のひとつになって
いる。例えば、イオン注入装置における電磁石を用いた
質量分離部を例にとれば、利用すべきイオンの分離に必
要な磁界の強さは、イオン価数をqとすると、(M/q
)1/2 に比例するので、M/qが小さい軽イオンに
比べて重イオンでは電磁石自体を大型化する必要がある
ためである。
[Background Art] In recent years, the demand for ion beam application equipment such as ion implantation equipment equipped with an ion source, which is a device for ionizing target elements (particles), has increased, and industrial equipment has been put into practical use. . However, regarding ion beam application equipment for large currents using heavy metal ions with high melting points, which is expected to be applied to wider fields such as metal surface modification,
It is difficult to put it into practical use. One of the reasons for this is that, in general, as the mass number M of ions increases, it becomes difficult to downsize the accelerator section and mass separation section of the device. For example, in the case of a mass separation unit using an electromagnet in an ion implanter, the strength of the magnetic field required to separate the ions to be used is (M/q
) 1/2, so the electromagnet itself needs to be larger for heavy ions than for light ions with a small M/q.

【0003】そこで、重元素でもM/qを小さくできる
方法は、電離度をあげた多価イオンを利用することであ
る。多価イオンを用いると、加速電圧以上の高エネルギ
ーのイオンビームが得られ、装置の小型化にもつながる
ことから、多価重イオン源が望まれている。しかし、従
来、大電流用の多価重イオン源は見当たらない。
[0003] Therefore, a method for reducing M/q even with heavy elements is to use multiply charged ions with increased degree of ionization. When multiply charged ions are used, an ion beam with high energy higher than the accelerating voltage can be obtained and the device can be made smaller, so a multicharged heavy ion source is desired. However, conventionally, no multivalent heavy ion source for large currents has been found.

【0004】なお、従来の多価イオン源としては、その
構成説明図の図6に示すようなものが知られている(石
川順三:イオン源工学,p.469 ,アイオニクス社
)。この従来の多価イオン源は、マイクロ波放電型多価
イオン源と称されるものであって、図6に示すように、
真空に排気するための真空ポンプを備えた真空チャンバ
内に、1価イオン生成室51、第2電離室52、および
第3電離室53を備えている。そして、1価イオン生成
室51に目的とするイオンの原料としてのガスをガス導
入口54から導入して比較的高いガス圧とし、周波数1
6 GHzのマイクロ波をマイクロ波導入口55から導
入するとともに、磁場発生コイル56によりECR(電
子サイクロトロン共鳴)条件を満たす磁束密度を与えて
高密度プラズマを生成する。 この1価イオン生成室51で生成されたプラズマがゆる
い磁場勾配により第2電離室52へ流し込まれる。
[0004] As a conventional multivalent ion source, the one shown in FIG. 6, an explanatory diagram of its configuration, is known (Junzo Ishikawa: Ion Source Engineering, p. 469, Ionics Co., Ltd.). This conventional multivalent ion source is called a microwave discharge type multivalent ion source, and as shown in FIG.
A monovalent ion generation chamber 51, a second ionization chamber 52, and a third ionization chamber 53 are provided in a vacuum chamber equipped with a vacuum pump for evacuation. Then, a gas as a raw material for target ions is introduced into the monovalent ion generation chamber 51 from the gas inlet 54 to a relatively high gas pressure, and the frequency is 1.
A 6 GHz microwave is introduced from the microwave inlet 55, and a magnetic field generating coil 56 provides a magnetic flux density that satisfies ECR (electron cyclotron resonance) conditions to generate high-density plasma. The plasma generated in this singly charged ion generation chamber 51 is flowed into the second ionization chamber 52 by a gentle magnetic field gradient.

【0005】第2電離室52において、磁場発生コイル
57と多極磁場配位された永久磁石58とによりイオン
を閉じ込めるとともに、1価イオン生成室51のそれよ
り低い周波数8GHzのマイクロ波をマイクロ波導入口
59から導入してECR吸収によりプラズマ電子を加熱
して多価電離にあずかる電子を得ることによって、多価
イオンを生成させる。そして、外部に磁場発生コイル6
0が配置された第3電離室53においてさらにECR吸
収による電離を行った後、目的とする多価イオンをイオ
ンビーム61として引き出し電極62により引き出すよ
うにしている。
In the second ionization chamber 52, ions are confined by a magnetic field generation coil 57 and a permanent magnet 58 arranged in a multipolar magnetic field, and a microwave with a frequency of 8 GHz lower than that in the singly charged ion generation chamber 51 is guided. Multivalent ions are generated by introducing plasma electrons through the inlet 59 and heating them by ECR absorption to obtain electrons that participate in multivalent ionization. Then, a magnetic field generating coil 6 is provided externally.
After further ionization by ECR absorption in the third ionization chamber 53 where 0 is placed, the target multiply charged ions are extracted as an ion beam 61 by an extraction electrode 62.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記紹介し
た従来の多価イオン源では、1価イオン生成室51で生
成された1価イオンを含むプラズマを、ミラー磁場によ
るゆるい磁場勾配を用いた拡散を利用して多価イオンを
得るための電離室52,53へ輸送する構成のものであ
るため、電離室52,53へのイオン供給が制約されて
大電流が得られにくいという欠点がある。そこで、本発
明者らは、上記従来の多価イオン源の欠点に鑑みて大電
流が得られる多価重イオン源の研究を重ねた結果、本願
発明の多価重イオン源を創案するとともに、大電流が得
られる1価重イオン源をも創案したのである。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the conventional multivalent ion source introduced above, plasma containing monovalent ions generated in the monovalent ion generation chamber 51 is diffused using a gentle magnetic field gradient caused by a mirror magnetic field. Since it is configured to transport to the ionization chambers 52 and 53 for obtaining multivalent ions using the ions, there is a drawback that the supply of ions to the ionization chambers 52 and 53 is restricted and it is difficult to obtain a large current. Therefore, in view of the drawbacks of the conventional multivalent ion sources, the present inventors have repeatedly researched multivalent heavy ion sources that can obtain large currents, and have devised the multivalent heavy ion source of the present invention. He also devised a singly charged heavy ion source that could generate large currents.

【0007】すなわち、この発明は、大電流が得られる
、多価重イオン源および1価重イオン源の提供を目的と
する。
That is, an object of the present invention is to provide a multiply charged heavy ion source and a singly charged heavy ion source that can obtain a large current.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願の請求項1の発明による多価重イオン源は、
所定圧力に真空引きされる真空チャンバ内においてアー
ク放電により希ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と
、前記真空チャンバ内に直流電圧が印加される平行平板
電極を有し、前記プラズマ中の希ガスイオンによるスパ
ッタリングに基づいて目的とする重イオンを1価の形で
生成し輸送する1価重イオン生成輸送部と、所定圧力に
真空引きされ、かつ前記平行平板電極の間隙空間に連通
する円筒状空洞を有し、前記1価重イオンを電離して多
価重イオンを生成させる多価重イオン生成部と、前記多
価重イオンを引き出すための引き出し電極とを備えた多
価重イオン源であって、前記プラズマ生成部は、陰極と
これに対向配置された陽極を有しパルス的にアーク放電
を行うアーク放電電極と、このアーク放電電極の間隙空
間にアーク放電に同期して希ガスを導入するガス導入手
段と、アーク放電電極間の電場に直交する方向の磁場を
発生する手段とを有し、アーク放電により生成された希
ガスプラズマを電磁力により前記平行平板電極間隙空間
に輸送すべくなしてあり、前記1価重イオン生成輸送部
は、前記平行平板電極が、少なくともその表面が目的と
する重イオンの元素材料で形成されたスパッタリング陰
極とこれに対向配置された陽極とにより構成されており
、この平行平板電極間の電場に直交する方向の磁場を発
生する手段を有し、前記アーク放電電極間隙空間からの
プラズマの希ガスイオンが前記電場によって前記スパッ
タリング陰極を衝撃することにより前記元素材料をスパ
ッタし、プラズマの電子を前記直交電磁場によってスパ
ッタリング陰極面に沿って前記円筒状空洞方向へ並進マ
グネトロン運動させることにより、スパッタされた元素
材料をイオン化してこの1価の重イオンを含むプラズマ
を前記円筒状空洞へ輸送すべくなしてあり、前記多価重
イオン生成部は、前記円筒状空洞内に軸方向の磁場を発
生する手段と、前記円筒状空洞にマイクロ波を導入する
マイクロ波導入手段とを有し、円筒状空洞がTEn10
 モード(nは2以上の整数)で励振するようにその形
状寸法が定められており、前記マイクロ波の周波数と軸
上磁場の強さとの関係が、前記TEn10 モードにお
ける2・n重極高周波電場による電子サイクロトロン共
鳴条件を満たすように設定されており、前記軸方向磁場
と2・n重極高周波電場とによって前記引き出し電極方
向にプラズマの電子をサイクロトロン運動させることに
より、1価重イオンを電離して多価重イオンを生成すべ
くなしてあることを特徴とするものである。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, a multiply charged heavy ion source according to the invention of claim 1 of the present application has the following features:
It has a plasma generation unit that converts rare gas into plasma by arc discharge in a vacuum chamber that is evacuated to a predetermined pressure, and a parallel plate electrode to which a DC voltage is applied in the vacuum chamber, and the rare gas ions in the plasma. a monovalent heavy ion generation and transport section that generates and transports target heavy ions in a monovalent form based on sputtering; and a cylindrical cavity that is evacuated to a predetermined pressure and communicates with the gap space of the parallel plate electrodes. A multiply charged heavy ion source comprising: a multiply charged heavy ion generating section for ionizing the monovalent heavy ions to produce multiply charged heavy ions; and an extraction electrode for extracting the multiply charged heavy ions. The plasma generation section includes an arc discharge electrode that has a cathode and an anode placed opposite thereto and performs arc discharge in a pulsed manner, and a rare gas introduced into the gap space between the arc discharge electrodes in synchronization with the arc discharge. and a means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the arc discharge electrodes, in order to transport the rare gas plasma generated by the arc discharge to the gap space between the parallel plate electrodes by electromagnetic force. In the monovalent heavy ion generation/transport unit, the parallel plate electrode is constituted by a sputtering cathode whose surface is at least formed of a target heavy ion element material, and an anode disposed opposite thereto. and has means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the parallel plate electrodes, and rare gas ions of the plasma from the arc discharge electrode gap impact the sputtering cathode with the electric field, thereby causing the sputtering cathode to ionizing the sputtered elemental material to contain the monovalent heavy ions by sputtering the elemental material and causing the electrons of the plasma to undergo translational magnetron motion along the sputtering cathode surface toward the cylindrical cavity by the orthogonal electromagnetic field; The multiply charged heavy ion generating section is configured to transport plasma to the cylindrical cavity, and the multiply charged heavy ion generating section includes means for generating an axial magnetic field within the cylindrical cavity, and a microwave for introducing microwaves into the cylindrical cavity. wave introduction means, and the cylindrical cavity is TEn10
Its shape and dimensions are determined so as to excite it in a mode (n is an integer of 2 or more), and the relationship between the frequency of the microwave and the strength of the axial magnetic field is determined by the 2·n multipole high-frequency electric field in the TEn10 mode. The electron cyclotron resonance condition is set to satisfy the electron cyclotron resonance condition of It is characterized in that it is designed to generate multivalent heavy ions.

【0009】また、本願の請求項2の発明による1価重
イオン源は、所定圧力に真空引きされる真空チャンバ内
においてアーク放電により希ガスをプラズマ化するプラ
ズマ生成部と、前記真空チャンバ内に直流電圧が印加さ
れる平行平板電極を有し、前記プラズマ中の希ガスイオ
ンによるスパッタリングに基づいて目的とする1価の重
イオンを生成し輸送する1価重イオン生成輸送部と、前
記1価重イオンを引き出すための引き出し電極とを備え
た1価重イオン源であって、前記プラズマ生成部は、陰
極とこれに対向配置された陽極を有しパルス的にアーク
放電を行うアーク放電電極と、このアーク放電電極の間
隙空間にアーク放電に同期して希ガスを導入するガス導
入手段と、アーク放電電極間の電場に直交する方向の磁
場を発生する手段とを有し、アーク放電により生成され
た希ガスプラズマを電磁力により前記平行平板電極の間
隙空間に輸送すべくなしてあり、前記1価重イオン生成
輸送部は、前記平行平板電極が、少なくともその表面が
目的とする重イオンの元素材料で形成されたスパッタリ
ング陰極とこれに対向配置された陽極とにより構成され
ており、この平行平板電極間の電場に直交する方向の磁
場を発生する手段を有し、前記アーク放電電極間隙空間
からのプラズマの希ガスイオンが前記電場によって前記
スパッタリング陰極を衝撃することにより前記元素材料
をスパッタし、プラズマの電子を前記直交電磁場によっ
てスパッタリング陰極面に沿って前記引き出し電極方向
へ並進マグネトロン運動させることにより、スパッタさ
れた元素材料をイオン化してこの1価の重イオンを含む
プラズマを前記引き出し電極方向へ輸送すべくなしてあ
ることを特徴とするものである。
Further, the monovalent heavy ion source according to the invention of claim 2 of the present application includes a plasma generation section that converts rare gas into plasma by arc discharge in a vacuum chamber that is evacuated to a predetermined pressure, and a a monovalent heavy ion generation/transport unit having parallel plate electrodes to which a DC voltage is applied, and generating and transporting target monovalent heavy ions based on sputtering with rare gas ions in the plasma; A monovalent heavy ion source is provided with an extraction electrode for extracting heavy ions, and the plasma generation section includes an arc discharge electrode that has a cathode and an anode placed opposite thereto and performs arc discharge in a pulsed manner. , gas introducing means for introducing a rare gas into the gap space between the arc discharge electrodes in synchronization with the arc discharge, and means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the arc discharge electrodes, which is generated by the arc discharge. The generated rare gas plasma is transported to the gap space of the parallel plate electrodes by electromagnetic force, and the monovalent heavy ion generation/transport section is configured such that at least the surface of the parallel plate electrodes is capable of transporting target heavy ions. It is composed of a sputtering cathode made of an elemental material and an anode placed opposite to the sputtering cathode, and has means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the parallel plate electrodes, and has a means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the parallel plate electrodes. sputtering the elemental material by bombarding the sputtering cathode with rare gas ions of the plasma by the electric field, and causing electrons of the plasma to undergo translational magnetron movement along the sputtering cathode surface toward the extraction electrode by the orthogonal electromagnetic field. The device is characterized in that the sputtered elemental material is ionized and plasma containing monovalent heavy ions is transported toward the extraction electrode.

【0010】0010

【作用】請求項1の発明による上記構成の多価重イオン
源では、まず、プラズマ生成部において、パルス的に行
われるアーク放電に同期してガス導入手段により希ガス
が導入されると、このとき低圧力(高真空)の真空チャ
ンバ内の放電空間は高圧力(低真空)状態となり、高密
度の希ガスプラズマが生成される。この希ガスプラズマ
が、アーク放電電極間の電場に直交する方向の磁場が印
加されているので、1価重イオン生成輸送部の平行平板
電極の間隙空間に、アーク電流に作用する電磁力によっ
て速やかに輸送される。また、このことにより、希ガス
プラズマの中性粒子との散乱による真空チャンバ壁面へ
の拡散消滅を最小限にすることが可能となる。
[Operation] In the multi-charged heavy ion source having the above structure according to the invention of claim 1, first, in the plasma generating section, when a rare gas is introduced by the gas introduction means in synchronization with the arc discharge performed in a pulsed manner, At this time, the discharge space in the low pressure (high vacuum) vacuum chamber becomes a high pressure (low vacuum) state, and a high density rare gas plasma is generated. Since this rare gas plasma is applied with a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the arc discharge electrodes, the electromagnetic force acting on the arc current quickly moves the rare gas plasma into the gap between the parallel plate electrodes of the monovalent heavy ion generation and transport section. transported to. Moreover, this makes it possible to minimize the diffusion and disappearance of rare gas plasma onto the vacuum chamber wall surface due to scattering with neutral particles.

【0011】1価重イオン生成輸送部では、その平行平
板電極間に直交電磁場が印加されているので、アーク放
電電極の間隙空間から導かれたプラズマの電子が、平行
平板電極を構成するスパッタリング陰極面に沿って多価
重イオン生成部の円筒状空洞の方向へ並進マグネトロン
運動する。プラズマ電子の並進マグネトロン運動により
、電子に拘束されている希ガスイオンも同方向へ移動し
はじめ、プラズマ塊自体が加速されることになる。
In the monovalent heavy ion generation/transport section, an orthogonal electromagnetic field is applied between the parallel plate electrodes, so that the plasma electrons led from the gap between the arc discharge electrodes reach the sputtering cathode constituting the parallel plate electrodes. A translational magnetron moves along the surface in the direction of the cylindrical cavity of the multiply charged heavy ion generating section. Due to the translational magnetron motion of the plasma electrons, the rare gas ions bound by the electrons also begin to move in the same direction, accelerating the plasma mass itself.

【0012】このプラズマの移動に伴ってプラズマ中の
希ガスイオンが電場によってスパッタリング陰極に斜め
方向から入射してこれを衝撃し、目的とする重イオンの
元素材料がスパッタされる。希ガスイオンを用いている
ので、高いスパッタ率でもって上記元素材料がスパッタ
されることになる。スパッタされた元素材料が上記並進
マグネトロン運動する電子の衝突を受けて電離され、1
価の重イオンが生成される。生成され1価の重イオンを
含むプラズマが電子の並進マグネトロン運動によって加
速されて、大量の1価重イオンが速やかに円筒状空洞へ
輸送される。
[0012] As the plasma moves, rare gas ions in the plasma obliquely enter the sputtering cathode due to the electric field and impact the cathode, thereby sputtering the target heavy ion elemental material. Since rare gas ions are used, the above elemental materials are sputtered at a high sputtering rate. The sputtered elemental material is ionized by the collision of the electrons moving in the translational magnetron, and 1
Heavy valence ions are produced. The generated plasma containing monovalent heavy ions is accelerated by the translational magnetron motion of electrons, and a large amount of monovalent heavy ions are rapidly transported into the cylindrical cavity.

【0013】そして、多価重イオン生成部では、低圧力
に真空引きされ、マイクロ波が導入されてTEn10 
モード(nは2以上の整数)で励振する円筒状空洞に、
その軸方向に磁場を印加し、上記マイクロ波の周波数f
と軸上磁場の強さBとの関係が、TEn10 モードに
おける2・n重極高周波電場によるECR条件:f( 
GHz)=n×27.992×B(Tesla )の関
係を満たすように設定されている。したがって、円筒状
空洞において、プラズマ電子は、円筒状空洞の軸(ビー
ム軸)方向の磁場と、円筒状空洞の軸方向に垂直に分布
する上記2・n重極高周波電場とにより、ECRによっ
て電界エネルギーを吸収しながら半径がしだいに大きく
なるら旋軌道を描いて引き出し電極方向にサイクロトロ
ン運動する。これにより、電子は重イオン生成輸送空間
から導かれた1価重イオンに衝突してこれを電離させ、
次々と電子とともに多価重イオンが生成される。
[0013] Then, the multiply charged heavy ion generation section is evacuated to a low pressure, and microwaves are introduced to generate TEn10.
In a cylindrical cavity excited by a mode (n is an integer of 2 or more),
A magnetic field is applied in the axial direction, and the frequency f of the microwave is
The relationship between B and the strength B of the axial magnetic field is as follows:
GHz)=n×27.992×B(Tesla). Therefore, in the cylindrical cavity, plasma electrons are exposed to an electric field due to ECR due to the magnetic field in the axis (beam axis) direction of the cylindrical cavity and the above-mentioned 2·n heavy pole high frequency electric field distributed perpendicularly to the axial direction of the cylindrical cavity. The cyclotron moves in the direction of the extraction electrode, drawing a spiral trajectory whose radius gradually increases while absorbing energy. As a result, the electrons collide with monovalent heavy ions guided from the heavy ion production and transport space and ionize them.
Multivalent heavy ions are generated one after another along with electrons.

【0014】また、上記TEn10 モードでの高周波
電場(n=2では4重極電場、nがより大きい値になる
とカプス配位電場となる。)は、イオンに対して強い集
束力を生みイオンが円筒状空洞壁に近づきにくくするよ
うに作用するので、生成された多価重イオンの損失を少
なくすることができる。
Furthermore, the high-frequency electric field in the TEn10 mode (when n=2, it becomes a quadrupole electric field, and when n becomes a larger value, it becomes a caps coordination electric field) produces a strong focusing force on the ions, so that the ions Since it acts to make it difficult to approach the cylindrical cavity wall, the loss of generated multiply charged heavy ions can be reduced.

【0015】請求項2の発明による上記構成の1価重イ
オン源では、直交電磁場が印加された平行平板電極にお
いて、プラズマの電子が直交電磁場によってスパッタリ
ング陰極面に沿って引き出し電極方向へ並進マグネトロ
ン運動することにより、生成された1価の重イオンを含
むプラズマ塊自体が加速され引き出し電極に向かって速
やかに輸送される。これにより、引き出し電極に対して
1価重イオンが初速度をもつことになるので、引き出し
電極における空間電荷制限が緩和されて1価重イオンに
よる大きな電流を得ることが可能となる。
In the monovalent heavy ion source having the above configuration according to the second aspect of the invention, in the parallel plate electrodes to which an orthogonal electromagnetic field is applied, electrons of the plasma undergo translational magnetron movement along the sputtering cathode surface in the direction of the extraction electrode due to the orthogonal electromagnetic field. As a result, the generated plasma mass containing monovalent heavy ions is accelerated and rapidly transported toward the extraction electrode. As a result, the monovalent heavy ions have an initial velocity with respect to the extraction electrode, so the space charge restriction on the extraction electrode is relaxed, and it becomes possible to obtain a large current due to the monovalent heavy ions.

【0016】[0016]

【実施例】以下、実施例に基づいて本願発明を説明する
。 〔第1実施例〕図1は請求項1の発明の一実施例による
多価重イオン源の全体構成説明図、図2は図1に示す多
価重イオン源のプラズマ生成部の磁場発生装置の構成説
明図、図3は図1に示す多価重イオン源の1価重イオン
生成輸送部におけるプラズマ電子の並進マグネトロン運
動を説明するための図、図4は図1に示す多価重イオン
源の多価重イオン生成部におけるプラズマ電子のサイク
ロトロン運動を説明するための図である。
[Examples] The present invention will be explained below based on Examples. [First Embodiment] FIG. 1 is an explanatory diagram of the overall configuration of a multicharged heavy ion source according to an embodiment of the invention as claimed in claim 1, and FIG. 2 is a magnetic field generation device of the plasma generation section of the multicharged heavy ion source shown in FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the translational magnetron motion of plasma electrons in the singly charged heavy ion generation and transport section of the multiply charged heavy ion source shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a diagram for explaining the structure of the multiply charged heavy ion FIG. 3 is a diagram for explaining the cyclotron movement of plasma electrons in the multiply charged heavy ion generation section of the source.

【0017】図1において、1は所定圧力に真空引きさ
れる真空チャンバであり、この真空チャンバ1内には、
その中心軸(ビーム軸)に沿って、放電用陰極2aとこ
れに対向する放電用陽極2bとにより構成される一対の
アーク放電電極2と、スパッタリング陰極3aと対向す
る陽極3bとにより構成される一対の平行平板電極3と
が順次配設されている。さらに、真空チャンバ1内には
、アーク放電電極2間の電場に直交する図に示す方向の
磁場を発生する手段としての後述する筒状の第1の磁場
発生装置4がアーク放電電極2を取り囲むように配設さ
れるとともに、平行平板電極3間の電場に直交する図に
示す方向の磁場を発生する手段としての筒状の第2の磁
場発生装置5が平行平板電極3を取り囲むように配設さ
れている。1a及び1bは、真空チャンバ1の排気口で
ある。
In FIG. 1, 1 is a vacuum chamber that is evacuated to a predetermined pressure, and inside this vacuum chamber 1,
Along the central axis (beam axis), a pair of arc discharge electrodes 2 are composed of a discharge cathode 2a and a discharge anode 2b facing the discharge cathode 2a, and an anode 3b facing the sputtering cathode 3a. A pair of parallel plate electrodes 3 are sequentially arranged. Further, inside the vacuum chamber 1, a cylindrical first magnetic field generator 4, which will be described later, surrounds the arc discharge electrode 2 and serves as a means for generating a magnetic field in the direction shown in the figure perpendicular to the electric field between the arc discharge electrodes 2. A cylindrical second magnetic field generating device 5 as a means for generating a magnetic field in the direction shown in the figure perpendicular to the electric field between the parallel plate electrodes 3 is arranged so as to surround the parallel plate electrodes 3. It is set up. 1a and 1b are exhaust ports of the vacuum chamber 1.

【0018】6は、図に示すように、パルス的(間欠的
)に開閉制御されるスイッチ7、アーク放電用直流電源
8及びカソードフィラメント用直流電源9とが順に直列
接続されたアーク電源装置である。上記アーク放電電極
2は、その陽極2bがスイッチ6aを介してアーク放電
用直流電源8の正極端子に接続され、陰極2aがアーク
放電用直流電源8の負極端子に接続されている。さらに
、この陰極2aに取り付けられたカソードフィラメント
10がカソードフィラメント用直流電源9の負極端子に
接続されている。
As shown in the figure, 6 is an arc power supply device in which a switch 7 that is controlled to open and close in a pulsed (intermittent) manner, a DC power supply 8 for arc discharge, and a DC power supply 9 for cathode filament are connected in series. be. The arc discharge electrode 2 has its anode 2b connected to the positive terminal of the DC power source 8 for arc discharge via the switch 6a, and its cathode 2a connected to the negative terminal of the DC power source 8 for arc discharge. Further, a cathode filament 10 attached to this cathode 2a is connected to a negative terminal of a DC power source 9 for cathode filament.

【0019】放電用陰極2aにはアーク放電電極2の間
隙空間に連通する口先を持つ絶縁が施されたガスノズル
11が嵌め込まれており、このガスノズル11は、希ガ
スのガス供給管12に設けられてスイッチ7と同期して
開閉制御される高速開閉バルブ13に接続されている。 この実施例では、ガス導入手段14は高速開閉バルブ1
3とガスノズル11により構成されている。真空チャン
バ1に配置されたアーク放電電極2,第1の磁場発生装
置4、アーク電源装置6及びガス導入手段14は、プラ
ズマ生成部を構成している。
An insulated gas nozzle 11 having a tip that communicates with the gap space of the arc discharge electrode 2 is fitted into the discharge cathode 2a, and this gas nozzle 11 is installed in a rare gas supply pipe 12. It is connected to a high-speed opening/closing valve 13 which is controlled to open and close in synchronization with the switch 7. In this embodiment, the gas introduction means 14 is the high-speed opening/closing valve 1
3 and a gas nozzle 11. The arc discharge electrode 2, the first magnetic field generator 4, the arc power supply device 6, and the gas introduction means 14 arranged in the vacuum chamber 1 constitute a plasma generation section.

【0020】上記スパッタリング陰極3aと陽極3bと
によりなる平行平板電極3は、電場印加用直流電源15
に接続されている。スパッタリング陰極3aは、この実
施例では、Cu(銅)でなる電極本体の表面に、目的と
する重イオンの元素材料としてのPt(白金)をコーテ
ィングしてなるものである。真空チャンバ1に配置され
た平行平板電極3、電場印加用直流電源15及び第2の
磁場発生装置5は、1価重イオン生成輸送部を構成して
いる。
The parallel plate electrode 3 consisting of the sputtering cathode 3a and anode 3b is connected to a DC power source 15 for applying an electric field.
It is connected to the. In this embodiment, the sputtering cathode 3a is formed by coating the surface of an electrode body made of Cu (copper) with Pt (platinum) as an elemental material for the target heavy ions. The parallel plate electrode 3 arranged in the vacuum chamber 1, the DC power source 15 for applying an electric field, and the second magnetic field generator 5 constitute a monovalent heavy ion generation and transport section.

【0021】そして、図に示すように、真空チャンバ1
のイオン引き出し側の位置には、小孔を介して平行平板
電極3の間隙空間に連通し他方側にイオン引き出し孔1
6aを有し、所定圧力に真空引きされるとともに、マイ
クロ波が導入されてTEn10 モード(nは2以上の
整数)で励振する銅製の円筒状空洞16が、その中心軸
を真空チャンバ1のそれに一致させた状態で配設されて
いる。
Then, as shown in the figure, the vacuum chamber 1
The position on the ion extraction side is connected to the gap space of the parallel plate electrode 3 through a small hole, and the ion extraction hole 1 is connected to the other side.
A cylindrical cavity 16 made of copper is evacuated to a predetermined pressure and excited in TEn10 mode (n is an integer of 2 or more) with its central axis aligned with that of the vacuum chamber 1. They are placed in a consistent manner.

【0022】断面がほぼ円形の円筒状空洞16の外周ま
わりには、円筒状空洞16内に図に示す軸方向の磁場を
発生するソレノイドコイル17が配置されており、さら
に、ソレノイドコイル17と円筒状空洞16とを覆うよ
うにして、磁束の一部が通過するヨーク18が配置され
ている。この実施例では、ソレノイドコイル17及びヨ
ーク18は、円筒状空洞16内にその軸方向の磁場を発
生する手段を構成している。
A solenoid coil 17 is disposed around the outer periphery of the cylindrical cavity 16, which has a substantially circular cross section, and which generates a magnetic field in the axial direction shown in the figure within the cylindrical cavity 16. A yoke 18 through which a portion of the magnetic flux passes is disposed so as to cover the shaped cavity 16. In this embodiment, the solenoid coil 17 and yoke 18 constitute means for generating a magnetic field in the cylindrical cavity 16 in its axial direction.

【0023】19はマイクロ波発生器であり、このマイ
クロ波発生器19で発生したマイクロ波がマイクロ波導
入手段としての同軸ケーブル20及びカプラー(結合器
)21を伝搬して円筒状空洞16に導入されるようにな
っている。 なお、この実施例では、円筒状空洞16はTE210 
モードで励振するようにその直径が約12cmにされて
おり、マイクロ波の周波数f=2.45 GHzと軸上
磁場の強さBとの関係が、TE210 モードにおける
4重極高周波電場による電子サイクロトロン共鳴条件を
満たすように、磁場強さBの値は、約0.044 Te
sla になるように設定されている。
Reference numeral 19 denotes a microwave generator, and the microwaves generated by the microwave generator 19 are introduced into the cylindrical cavity 16 by propagating through a coaxial cable 20 and a coupler (coupler) 21 as microwave introduction means. It is now possible to do so. Note that in this embodiment, the cylindrical cavity 16 is made of TE210
Its diameter is approximately 12 cm so that it can be excited in the TE210 mode. To satisfy the resonance condition, the value of the magnetic field strength B is approximately 0.044 Te
It is set to be sla.

【0024】円筒状空洞16、ソレノイドコイル17、
ヨーク18、マイクロ波を導入する同軸ケーブル20及
びカプラー(結合器)21は、多価重イオン生成部を構
成している。22は円筒状空洞13内を所定圧力に真空
引きするための排気口、23は引き出し電極、24はイ
オン引き出し用電源である。
[0024] Cylindrical cavity 16, solenoid coil 17,
The yoke 18, the coaxial cable 20 for introducing microwaves, and the coupler 21 constitute a multiply charged heavy ion generation section. 22 is an exhaust port for evacuating the inside of the cylindrical cavity 13 to a predetermined pressure, 23 is an extraction electrode, and 24 is an ion extraction power source.

【0025】なお上記した第1の磁場発生装置4は、図
2に示すように、永久磁石41a,41b同士、ヨーク
42a,42b同士が対向するようにこれらを連結・一
体化して断面ほぼ4角形の筒状をなし、この対向配置さ
れた一方のヨーク42aの内周壁に永久磁石43aを固
着し、他方のヨーク42bの内周壁に先の永久磁石43
aに対し異なる磁極を対向させた状態で永久磁石43b
を固着したものである。第1の磁場発生装置4は、一方
の永久磁石43bから他方の永久磁石43aに向かう磁
力線の方向が、アーク放電用の両極2a,2b間の電場
に直交する図に矢印で示す方向(図1においては、紙面
手前から紙面奥の方向)になるように、アーク放電電極
2に対して配置されている。
As shown in FIG. 2, the above-described first magnetic field generator 4 has a substantially rectangular cross section by connecting and integrating the permanent magnets 41a and 41b and the yokes 42a and 42b so that they face each other. A permanent magnet 43a is fixed to the inner peripheral wall of one of the opposing yokes 42a, and a permanent magnet 43a is fixed to the inner peripheral wall of the other yoke 42b.
Permanent magnet 43b with different magnetic poles facing a
is fixed. The first magnetic field generator 4 is configured such that the direction of magnetic lines of force from one permanent magnet 43b to the other permanent magnet 43a is in the direction shown by the arrow in the figure (Fig. 1 In , they are arranged with respect to the arc discharge electrode 2 from the front of the page to the back of the page.

【0026】上記第2の磁場発生装置5の構成は、上記
第1のそれと同構成であるから、その説明は省略する。 なお、第2の磁場発生装置5では、その磁場の強さは、
後述するプラズマ電子の並進マグネトロン運動を起こさ
せるように設定してある。
The configuration of the second magnetic field generating device 5 is the same as that of the first one, so a description thereof will be omitted. In addition, in the second magnetic field generator 5, the strength of the magnetic field is
It is set to cause translational magnetron motion of plasma electrons, which will be described later.

【0027】上記のように構成される多価重イオン源の
動作を、図1、図3及び図4を参照しながら以下に説明
する。真空チャンバ1および円筒状空洞16は、10−
6Torr以下の低圧力に真空引きされている。まず、
プラズマ生成部において、スイッチ7がオン動作するこ
とにより、アーク放電電極2の両極2a,2b間にアー
ク放電用直流電源8による直流電圧が印加されるととも
に、高速開閉バルブ13がオン動作しアーク放電電極2
の間隙空間に、この実施例ではXe(キセノン),Kr
(クリプトン)等の希ガスのうちXeガスが導入される
。これにより、この間隙空間は10−3〜10−2To
rr程度の高圧力(低真空)状態となり、アーク放電に
よってXeガスがプラズマ化され高密度のXeガスプラ
ズマが生成される。
The operation of the multiply charged heavy ion source configured as described above will be explained below with reference to FIGS. 1, 3 and 4. The vacuum chamber 1 and the cylindrical cavity 16 are 10-
It is evacuated to a low pressure of 6 Torr or less. first,
In the plasma generation section, when the switch 7 is turned on, a DC voltage is applied between the poles 2a and 2b of the arc discharge electrode 2 by the DC power source 8 for arc discharge, and the high-speed switching valve 13 is turned on, causing arc discharge. Electrode 2
In this example, Xe (xenon), Kr
Among rare gases such as (krypton), Xe gas is introduced. As a result, this gap space is 10-3 to 10-2To
A high pressure (low vacuum) state of about rr is reached, and the Xe gas is turned into plasma by arc discharge to generate high-density Xe gas plasma.

【0028】このXeガスプラズマが、アーク放電電極
2の両極2a,2b間の電場に直交する図に示す方向の
磁場が第1の磁場発生装置4により印加されているので
、平行平板電極3の間隙空間に向けて、アーク電流に作
用する電磁力によってXeガスの拡散よりも速く速やか
に輸送される。また、このことにより、Xeガスプラズ
マの中性粒子との散乱による真空チャンバ1壁面への拡
散消滅を最小限にすることが可能となる。
Since the first magnetic field generator 4 is applying a magnetic field in the direction shown in the figure perpendicular to the electric field between the poles 2a and 2b of the arc discharge electrode 2, this Xe gas plasma is generated by the parallel plate electrode 3. The electromagnetic force acting on the arc current rapidly transports the Xe gas toward the gap space, faster than the diffusion of the Xe gas. Moreover, this makes it possible to minimize the diffusion and extinction of the Xe gas plasma toward the wall surface of the vacuum chamber 1 due to scattering with neutral particles.

【0029】1価重イオン生成輸送部においては、平行
平板電極3間に直流電源15により10〜 100kV
の直流電圧を印加するとともに、この電場に直交する図
に示す方向の磁場が第2の磁場発生装置5により印加さ
れている。 その結果、アーク放電電極2の間隙空間から導かれたX
eガスプラズマが平行平板電極3の間隙空間に到達する
と、プラズマの電子は、上記の直交電磁場によってスパ
ッタリング陰極3a面に沿って多価重イオン生成部の円
筒状空洞16の方向へ並進マグネトロン運動を始める。
In the monovalent heavy ion generation and transport section, a DC power source 15 applies a voltage of 10 to 100 kV between the parallel plate electrodes 3.
At the same time, a second magnetic field generator 5 applies a magnetic field in the direction shown in the figure perpendicular to this electric field. As a result, X led from the gap space of the arc discharge electrode 2
When the e-gas plasma reaches the gap space of the parallel plate electrode 3, the electrons of the plasma undergo a translational magnetron movement along the sputtering cathode 3a surface in the direction of the cylindrical cavity 16 of the multiply charged heavy ion generation section by the above-mentioned orthogonal electromagnetic field. start.

【0030】一般に、平行平板電極間の直交電磁場にお
いて、電子は、曲率一定の円弧を描いて陰極に戻り、反
発され再び同様の円弧を描くといういわゆるマグネトロ
ン運動をする。しかし、この場合、図3に示すように、
プラズマの黒丸印●で示す電子に拘束されている白丸印
○で示すXeイオンも全体として円筒状空洞16方向へ
並進運動しなければならないから、電子は、図に示すよ
うに、はじめは縮んだ楕円状軌道を描き、イオン集団が
加速されるに従ってその軌跡がしだいに通常のマグネト
ロン運動軌跡に近づいていくことになる。このような、
プラズマの電子のマグネトロン運動により、プラズマ塊
が加速されることになる。
Generally, in orthogonal electromagnetic fields between parallel plate electrodes, electrons return to the cathode in a circular arc with a constant curvature, are repelled, and trace a similar circular arc again, which is a so-called magnetron motion. However, in this case, as shown in Figure 3,
The Xe ions shown by white circles ○, which are restrained by the plasma electrons shown by black circles ●, must also move in translation in the 16 directions of the cylindrical cavity, so the electrons initially contract as shown in the figure. The ions draw an elliptical trajectory, and as the ion population accelerates, its trajectory gradually approaches the trajectory of normal magnetron motion. like this,
The magnetron motion of plasma electrons causes the plasma mass to be accelerated.

【0031】このプラズマの移動に伴って、円筒状空洞
16方向への速度成分を持つプラズマ中のXeイオンは
、電場によってスパッタリング陰極3aに斜め方向から
入射してこれを衝撃し、図3において二重丸印◎で示す
Pt原子がスパッタされ、これと入れ替わることになる
。この場合、希ガスイオンであるXeイオンを用いてい
るので、高いスパッタ率でもってPt原子をスパッタし
得る。
As the plasma moves, the Xe ions in the plasma, which have a velocity component in the direction of the cylindrical cavity 16, obliquely enter the sputtering cathode 3a due to the electric field and impact it. The Pt atoms indicated by the heavy circle ◎ are sputtered and replaced with them. In this case, since Xe ions, which are rare gas ions, are used, Pt atoms can be sputtered at a high sputtering rate.

【0032】このスパッタされたPt原子が上記並進マ
グネトロン運動する電子の衝突を受けて電離され、1価
のPtイオンがプラズマ中にトラップ(捕捉)される。 そして、生成した1価のPtイオンを含むプラズマ塊自
体が電子の並進マグネトロン運動により加速されるので
、大量の1価Ptイオンが円筒状空洞16内へ速やかに
運び込まれる。
The sputtered Pt atoms are ionized by collision with the electrons moving in the translational magnetron, and monovalent Pt ions are trapped in the plasma. Then, since the plasma mass itself containing the generated monovalent Pt ions is accelerated by the translational magnetron motion of the electrons, a large amount of monovalent Pt ions are quickly carried into the cylindrical cavity 16.

【0033】そして、導入されたマイクロ波が閉じ込め
られてTE210 モードで励振している円筒状空洞1
6では、プラズマ電子eは、図1及び図4に示すように
、ソレノイドコイル17により印加される円筒状空洞1
6の軸(ビーム軸)方向の磁場と、円筒状空洞16の軸
方向に垂直に(垂直な面内に)分布する4重極高周波電
場Eとにより、ECRによって電界エネルギーを吸収し
ながら半径がしだいに大きくなるら旋軌道を描いて引き
出し電極23方向にサイクロトロン運動する。
[0033] Then, the introduced microwave is confined and excited in the TE210 mode in the cylindrical cavity 1.
6, plasma electrons e are applied to the cylindrical cavity 1 by a solenoid coil 17, as shown in FIGS.
6 and a quadrupole high frequency electric field E distributed perpendicularly to the axial direction (in a perpendicular plane) of the cylindrical cavity 16, the radius increases while absorbing electric field energy by ECR. The cyclotron moves in the direction of the extraction electrode 23 while drawing a spiral trajectory that gradually becomes larger.

【0034】サイクロトロン運動する電子eは平行平板
電極3の間隙空間から導かれた1価のPtイオンに衝突
してこれを電離させ、次々と電子とともに多価Ptイオ
ンが生成される。この多価Ptイオンがイオンビームと
して引き出し電極23によって引き出される。この場合
、上記TE210 モードでの4重極高周波電場Eがイ
オンに対して強い集束力を生みイオンが円筒状空洞16
壁に近づきにくくするように作用するので、生成された
多価Ptイオンの損失をも少なくすることができる。
The cyclotron-moving electrons collide with the monovalent Pt ions introduced from the gap between the parallel plate electrodes 3 and ionize them, so that multivalent Pt ions are successively generated together with the electrons. These multivalent Pt ions are extracted by an extraction electrode 23 as an ion beam. In this case, the quadrupole high frequency electric field E in the TE210 mode generates a strong focusing force on the ions, and the ions are forced into the cylindrical cavity 16.
Since it acts to make it difficult to approach the wall, it is possible to reduce the loss of generated multivalent Pt ions.

【0035】上記のように、アーク放電により生成され
た希ガスプラズマであるXeガスプラズマが電磁力によ
って平行平板電極3の間隙空間に速やかに輸送され、直
交電磁場が印加された平行平板電極3において、希ガス
イオンであるXeイオンが電場によってスパッタリング
陰極3aを衝撃することにより目的とする重イオンの元
素材料としてのPt原子が高スパッタ率でもってスパッ
タされ、プラズマの電子が直交電磁場によってスパッタ
リング陰極3a面に沿って並進マグネトロン運動するこ
とにより、生成された1価のPtイオンを含むプラズマ
塊自体が加速されて大量の1価Ptイオンが円筒状空洞
16へ速やかに輸送される。そして、軸方向磁場が印加
されるとともにマイクロ波が導入されてTE210 モ
ードで励振する円筒状空洞16において、プラズマの電
子が軸方向の磁場と4重極高周波電場とによりECRに
よる電界エネルギーを吸収しながらサイクロトロン運動
することにより、1価Ptイオンが電離され多価Ptイ
オンが効率的に生成されて、多価Ptイオンによる大き
な電流(イオン電流)を得ることができる。
As described above, the Xe gas plasma, which is a rare gas plasma generated by arc discharge, is quickly transported by electromagnetic force to the gap space between the parallel plate electrodes 3, and the parallel plate electrode 3 receives an orthogonal electromagnetic field. When Xe ions, which are rare gas ions, bombard the sputtering cathode 3a with an electric field, Pt atoms, which are the elemental material for the target heavy ions, are sputtered at a high sputtering rate, and the electrons of the plasma are sent to the sputtering cathode 3a by an orthogonal electromagnetic field. By the translational magnetron motion along the surface, the generated plasma mass containing monovalent Pt ions is accelerated, and a large amount of monovalent Pt ions are rapidly transported to the cylindrical cavity 16. Then, in the cylindrical cavity 16 where an axial magnetic field is applied and microwaves are introduced to excite it in the TE210 mode, the plasma electrons absorb the electric field energy due to ECR by the axial magnetic field and the quadrupole high frequency electric field. However, by the cyclotron movement, monovalent Pt ions are ionized and multivalent Pt ions are efficiently generated, and a large current (ion current) due to the multivalent Pt ions can be obtained.

【0036】〔第2実施例〕図5は請求項2の発明の一
実施例による1価重イオン源の構成説明図である。図5
においては、図1と同一構成部分は同一符号で示してい
る。図5に示すように、真空チャンバ1のイオン引き出
し側の位置に、図に示すように、イオン引き出し用電源
34に接続された引き出し電極33が設けられている。 他の構成は上述した図1と同様である。
[Second Embodiment] FIG. 5 is an explanatory diagram of the configuration of a monovalent heavy ion source according to an embodiment of the invention of claim 2. Figure 5
1, the same components as in FIG. 1 are indicated by the same reference numerals. As shown in FIG. 5, an extraction electrode 33 connected to an ion extraction power source 34 is provided at a position on the ion extraction side of the vacuum chamber 1, as shown in the figure. The other configurations are the same as those in FIG. 1 described above.

【0037】上記構成の1価重イオン源では、直交電磁
場が印加された平行平板電極3において、プラズマの電
子が直交電磁場によってスパッタリング陰極3a面に沿
って引き出し電極33方向へ並進マグネトロン運動する
ことにより、生成された1価の重イオンである1価Pt
イオンを含むプラズマ塊自体が加速され引き出し電極3
3に向かって速やかに輸送される。これにより、引き出
し電極33に対して1価Ptイオンが初速度をもつこと
になるので、引き出し電極33における空間電荷制限が
緩和されて1価Ptイオンによる大きな電流を得ること
ができる。
In the monovalent heavy ion source configured as described above, electrons of the plasma are caused by translational magnetron movement in the direction of the extraction electrode 33 along the surface of the sputtering cathode 3a by the orthogonal electromagnetic field at the parallel plate electrodes 3 to which an orthogonal electromagnetic field is applied. , monovalent Pt, which is a monovalent heavy ion produced
The plasma mass itself containing ions is accelerated and the extraction electrode 3
3 will be promptly transported. As a result, the monovalent Pt ions have an initial velocity with respect to the extraction electrode 33, so the space charge restriction on the extraction electrode 33 is relaxed, and a large current can be obtained by the monovalent Pt ions.

【0038】なお、スパッタリング陰極3aとしては、
上記第1及び第2実施例では、Cuでなる電極本体の表
面に、目的とする重イオンの元素材料としてのPtをコ
ーティングして形成したものを例示したが、当然ながら
、全体を目的とする重イオンの元素材料、例えば高融点
の重金属のひとつであるタングステンで形成するように
してもよい。
Note that the sputtering cathode 3a is as follows:
In the first and second embodiments above, the surface of the electrode body made of Cu is coated with Pt as the elemental material for the target heavy ions, but it goes without saying that the overall target It may also be formed from a heavy ion elemental material, such as tungsten, which is one of the heavy metals with a high melting point.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上述べたように、請求項1の発明によ
る多価重イオン源では、パルス的に行われるアーク放電
電極のアーク放電に同期してガス導入手段によって希ガ
スが導入され、瞬間的な高圧力(低真空)状態で希ガス
のプラズマ化が行われるので、高密度の希ガスプラズマ
を生成することができる。この生成された希ガスプラズ
マが磁場発生手段による電磁力によって平行平板電極の
間隙空間に速やかに輸送されるので、希ガスプラズマの
真空チャンバ壁面への拡散消滅を極めて少なくすること
ができる。そして、スパッタリング陰極を有する直交電
磁場が印加された平行平板電極を設けてあるので、希ガ
スイオンが電場によってスパッタリング陰極を衝撃する
ことにより、目的とする重イオンの元素材料を高スパッ
タ率でもってスパッタすることができる。また、プラズ
マの電子が直交電磁場によってスパッタリング陰極面に
沿って並進マグネトロン運動することにより、生成され
た1価の重イオンを含むプラズマ塊自体が加速され、大
量の1価重イオンを円筒状空洞へ速やかに輸送すること
ができる。この円筒状空洞は軸方向の磁場が印加される
とともにマイクロ波が導入されてTEn10 モード(
nは2以上の整数)で励振するようにされているので、
プラズマの電子が軸方向の磁場と2・n重極高周波電場
とによりECRによる電界エネルギーを吸収しながらサ
イクロトロン運動することにより、1価重イオンが電離
されて多価重イオンを効率的に生成することができる。 したがって、この多価重イオン源によれば、多価重イオ
ンによる大電流を得ることができる。
As described above, in the multivalent heavy ion source according to the invention of claim 1, the rare gas is introduced by the gas introduction means in synchronization with the arc discharge of the arc discharge electrode, which is performed in a pulsed manner. Since the rare gas is turned into plasma under a high pressure (low vacuum) state, a high-density rare gas plasma can be generated. Since the generated rare gas plasma is quickly transported to the gap space between the parallel plate electrodes by the electromagnetic force of the magnetic field generating means, diffusion and extinction of the rare gas plasma to the wall surface of the vacuum chamber can be extremely reduced. Since a parallel plate electrode with a sputtering cathode and an orthogonal electromagnetic field applied thereto is provided, rare gas ions bombard the sputtering cathode with an electric field, thereby sputtering the target heavy ion elemental material with a high sputtering rate. can do. In addition, by the translational magnetron motion of plasma electrons along the sputtering cathode surface by the orthogonal electromagnetic field, the plasma mass itself containing the generated monovalent heavy ions is accelerated, and a large amount of monovalent heavy ions are sent into the cylindrical cavity. It can be transported quickly. An axial magnetic field is applied to this cylindrical cavity, and microwaves are introduced into the TEn10 mode (
n is an integer greater than or equal to 2), so
Monovalent heavy ions are ionized and multivalent heavy ions are efficiently generated by the cyclotron movement of electrons in the plasma while absorbing the electric field energy from ECR by the axial magnetic field and the 2·n multipole high-frequency electric field. be able to. Therefore, with this multiply charged heavy ion source, it is possible to obtain a large current due to multiply charged heavy ions.

【0040】請求項2の発明による1価重イオンによれ
ば、直交電磁場が印加された平行平板電極においてプラ
ズマの電子が直交電磁場によってスパッタリング陰極面
に沿って引き出し電極方向へ並進マグネトロン運動する
ことにより、生成された1価の重イオンを含むプラズマ
塊自体が加速され引き出し電極に向かって速やかに輸送
されるので、引き出し電極に対して1価重イオンが初速
度をもつことになり、引き出し電極における空間電荷制
限が緩和されて1価重イオンによる大電流を得ることが
できる。すなわち、本願発明によれば、大電流が得られ
る多価重イオン源および1価重イオン源を提供できる。
According to the monovalent heavy ions according to the second aspect of the present invention, electrons in the plasma are caused by translational magnetron movement along the sputtering cathode surface toward the extraction electrode by the orthogonal electromagnetic field in the parallel plate electrodes to which the orthogonal electromagnetic field is applied. , the generated plasma mass containing monovalent heavy ions is accelerated and quickly transported toward the extraction electrode, so the monovalent heavy ions have an initial velocity with respect to the extraction electrode, and the The space charge limitation is relaxed, and a large current can be obtained by singly charged heavy ions. That is, according to the present invention, it is possible to provide a multiply charged heavy ion source and a singly charged heavy ion source that can obtain a large current.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】請求項1の発明の一実施例による多価重イオン
源の全体構成説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of the overall configuration of a multiply charged heavy ion source according to an embodiment of the invention of claim 1.

【図2】図1に示す多価重イオン源のプラズマ生成部の
磁場発生装置の構成説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the configuration of a magnetic field generator of the plasma generation section of the multivalent heavy ion source shown in FIG. 1;

【図3】図1に示す多価重イオン源の1価重イオン生成
輸送部におけるプラズマ電子の並進マグネトロン運動を
説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining translational magnetron motion of plasma electrons in the singly charged heavy ion generation and transport section of the multivalent heavy ion source shown in FIG. 1;

【図4】図1に示す多価重イオン源の多価重イオン生成
部におけるプラズマ電子のサイクロトロン運動を説明す
るための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining cyclotron motion of plasma electrons in the multiply charged heavy ion generation section of the multiply charged heavy ion source shown in FIG. 1;

【図5】請求項2の発明の一実施例による1価重イオン
源の構成説明図である。
FIG. 5 is a configuration explanatory diagram of a monovalent heavy ion source according to an embodiment of the invention of claim 2;

【図6】従来の多価イオン源の構成説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of the configuration of a conventional multivalent ion source.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…真空チャンバ  1a,1b…排気口  2…アー
ク放電電極  2a…放電用陰極 2b…放電用陽極  3…平行平板電極  3a…スパ
ッタリング陰極  3b…陽極 4…第1の磁場発生装置  41a,41b,43a,
43b…永久磁石 42a,42b…ヨーク  5…第2の磁場発生装置 
 6…アーク電源装置 7…スイッチ  8…アーク放電用直流電源  10…
カソードフィラメント 11…ガスノズル  12…ガス供給管  13…高速
開閉バルブ  14…ガス導入手段 15…電場印加用直流電源  16…円筒状空洞  1
7…ソレノイドコイル 18…ヨーク  19…マイクロ波発生器  20…同
軸ケーブル  21…カプラー 22…排気口  23,33…引き出し電極  24,
34…イオン引き出し用電源
1... Vacuum chamber 1a, 1b... Exhaust port 2... Arc discharge electrode 2a... Cathode for discharge 2b... Anode for discharge 3... Parallel plate electrode 3a... Sputtering cathode 3b... Anode 4... First magnetic field generator 41a, 41b, 43a ,
43b...Permanent magnets 42a, 42b...Yoke 5...Second magnetic field generator
6... Arc power supply device 7... Switch 8... DC power supply for arc discharge 10...
Cathode filament 11...Gas nozzle 12...Gas supply pipe 13...High speed opening/closing valve 14...Gas introduction means 15...DC power source for applying electric field 16...Cylindrical cavity 1
7... Solenoid coil 18... Yoke 19... Microwave generator 20... Coaxial cable 21... Coupler 22... Exhaust port 23, 33... Extraction electrode 24,
34…Ion extraction power supply

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  所定圧力に真空引きされる真空チャン
バ内においてアーク放電により希ガスをプラズマ化する
プラズマ生成部と、前記真空チャンバ内に直流電圧が印
加される平行平板電極を有し、前記プラズマ中の希ガス
イオンによるスパッタリングに基づいて目的とする重イ
オンを1価の形で生成し輸送する1価重イオン生成輸送
部と、所定圧力に真空引きされ、かつ前記平行平板電極
の間隙空間に連通する円筒状空洞を有し、前記1価重イ
オンを電離して多価重イオンを生成させる多価重イオン
生成部と、前記多価重イオンを引き出すための引き出し
電極とを備えた多価重イオン源であって、前記プラズマ
生成部は、陰極とこれに対向配置された陽極を有しパル
ス的にアーク放電を行うアーク放電電極と、このアーク
放電電極の間隙空間にアーク放電に同期して希ガスを導
入するガス導入手段と、アーク放電電極間の電場に直交
する方向の磁場を発生する手段とを有し、アーク放電に
より生成された希ガスプラズマを電磁力により前記平行
平板電極間隙空間に輸送すべくなしてあり、前記1価重
イオン生成輸送部は、前記平行平板電極が、少なくとも
その表面が目的とする重イオンの元素材料で形成された
スパッタリング陰極とこれに対向配置された陽極とによ
り構成されており、この平行平板電極間の電場に直交す
る方向の磁場を発生する手段を有し、前記アーク放電電
極間隙空間からのプラズマの希ガスイオンが前記電場に
よって前記スパッタリング陰極を衝撃することにより前
記元素材料をスパッタし、プラズマの電子を前記直交電
磁場によってスパッタリング陰極面に沿って前記円筒状
空洞方向へ並進マグネトロン運動させることにより、ス
パッタされた元素材料をイオン化してこの1価の重イオ
ンを含むプラズマを前記円筒状空洞へ輸送すべくなして
あり、前記多価重イオン生成部は、前記円筒状空洞内に
軸方向の磁場を発生する手段と、前記円筒状空洞にマイ
クロ波を導入するマイクロ波導入手段とを有し、円筒状
空洞がTEn10 モード(nは2以上の整数)で励振
するようにその形状寸法が定められており、前記マイク
ロ波の周波数と軸上磁場の強さとの関係が、前記TEn
10 モードにおける2・n重極高周波電場による電子
サイクロトロン共鳴条件を満たすように設定されており
、前記軸方向磁場と2・n重極高周波電場とによって前
記引き出し電極方向にプラズマの電子をサイクロトロン
運動させることにより、1価重イオンを電離して多価重
イオンを生成すべくなしてあることを特徴とする多価重
イオン源。
1. A plasma generation unit that converts rare gas into plasma by arc discharge in a vacuum chamber that is evacuated to a predetermined pressure, and a parallel plate electrode to which a DC voltage is applied in the vacuum chamber. A monovalent heavy ion generation/transport unit generates and transports target heavy ions in a monovalent form based on sputtering by rare gas ions in the ion, and a monovalent heavy ion generation/transport unit is evacuated to a predetermined pressure and is placed in the gap space between the parallel plate electrodes. A multivalent heavy ion generating section having a communicating cylindrical cavity and ionizing the monovalent heavy ions to generate multivalent heavy ions, and an extraction electrode for extracting the multivalent heavy ions. The plasma generation section is a heavy ion source, and includes an arc discharge electrode that has a cathode and an anode placed opposite thereto and performs arc discharge in a pulsed manner, and a gap space between the arc discharge electrode that is synchronized with the arc discharge. and a means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the arc discharge electrodes. The monovalent heavy ion generation/transport unit is configured to transport the monovalent heavy ions into space, and the parallel plate electrode is arranged to face a sputtering cathode, at least the surface of which is formed of an elemental material for the target heavy ions. and an anode, and has means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the parallel plate electrodes, and the rare gas ions of the plasma from the arc discharging electrode gap space are directed to the sputtering cathode by the electric field. The elemental material is sputtered by bombardment, and the orthogonal electromagnetic field causes electrons of the plasma to undergo translational magnetron movement along the sputtering cathode surface in the direction of the cylindrical cavity, thereby ionizing the sputtered elemental material to form this monovalent material. is configured to transport a plasma containing heavy ions to the cylindrical cavity, and the multiply charged heavy ion generating section includes means for generating an axial magnetic field within the cylindrical cavity, and a means for generating a magnetic field in the axial direction within the cylindrical cavity. The shape and dimensions of the cylindrical cavity are determined so that the cylindrical cavity is excited in the TEn10 mode (n is an integer of 2 or more), and the frequency of the microwave and the axial magnetic field are determined. The relationship between the strength of TEn
It is set to satisfy the electron cyclotron resonance condition by a 2·n high-frequency electric field in the 10 mode, and the electrons of the plasma are caused to undergo cyclotron movement in the direction of the extraction electrode by the axial magnetic field and the 2·n high-frequency electric field. A multiply charged heavy ion source characterized in that it is configured to generate multiply charged heavy ions by ionizing monovalent heavy ions.
【請求項2】  所定圧力に真空引きされる真空チャン
バ内においてアーク放電により希ガスをプラズマ化する
プラズマ生成部と、前記真空チャンバ内に直流電圧が印
加される平行平板電極を有し、前記プラズマ中の希ガス
イオンによるスパッタリングに基づいて目的とする1価
の重イオンを生成し輸送する1価重イオン生成輸送部と
、前記1価重イオンを引き出すための引き出し電極とを
備えた1価重イオン源であって、前記プラズマ生成部は
、陰極とこれに対向配置された陽極を有しパルス的にア
ーク放電を行うアーク放電電極と、このアーク放電電極
の間隙空間にアーク放電に同期して希ガスを導入するガ
ス導入手段と、アーク放電電極間の電場に直交する方向
の磁場を発生する手段とを有し、アーク放電により生成
された希ガスプラズマを電磁力により前記平行平板電極
の間隙空間に輸送すべくなしてあり、前記1価重イオン
生成輸送部は、前記平行平板電極が、少なくともその表
面が目的とする重イオンの元素材料で形成されたスパッ
タリング陰極とこれに対向配置された陽極とにより構成
されており、この平行平板電極間の電場に直交する方向
の磁場を発生する手段を有し、前記アーク放電電極間隙
空間からのプラズマの希ガスイオンが前記電場によって
前記スパッタリング陰極を衝撃することにより前記元素
材料をスパッタし、プラズマの電子を前記直交電磁場に
よってスパッタリング陰極面に沿って前記引き出し電極
方向へ並進マグネトロン運動させることにより、スパッ
タされた元素材料をイオン化してこの1価の重イオンを
含むプラズマを前記引き出し電極方向へ輸送すべくなし
てあることを特徴とする1価重イオン源。
2. A plasma generation unit that converts rare gas into plasma by arc discharge in a vacuum chamber that is evacuated to a predetermined pressure, and a parallel plate electrode to which a DC voltage is applied in the vacuum chamber; A monovalent heavy ion comprising a monovalent heavy ion generation/transport unit that generates and transports target monovalent heavy ions based on sputtering with rare gas ions in the monovalent heavy ion, and an extraction electrode for extracting the monovalent heavy ions. In the ion source, the plasma generation section includes an arc discharge electrode that has a cathode and an anode placed opposite to the cathode and performs arc discharge in a pulsed manner, and a gap space between the arc discharge electrode that is arranged in synchronization with the arc discharge. It has a gas introducing means for introducing a rare gas and a means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the arc discharge electrodes, and the rare gas plasma generated by the arc discharge is applied to the gap between the parallel plate electrodes by electromagnetic force. The monovalent heavy ion generation/transport unit is configured to transport the monovalent heavy ions into space, and the parallel plate electrode is arranged to face a sputtering cathode, at least the surface of which is formed of an elemental material for the target heavy ions. and an anode, and has means for generating a magnetic field in a direction perpendicular to the electric field between the parallel plate electrodes, and the rare gas ions of the plasma from the arc discharging electrode gap space are directed to the sputtering cathode by the electric field. The elemental material is sputtered by bombardment, and the orthogonal electromagnetic field causes the electrons of the plasma to undergo translational magnetron movement along the sputtering cathode surface toward the extraction electrode, thereby ionizing the sputtered elemental material and converting it into monovalent ions. A monovalent heavy ion source, characterized in that it is configured to transport plasma containing heavy ions toward the extraction electrode.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011526724A (en) * 2008-07-02 2011-10-13 コミッサリア ア レネルジ アトミック エ オ エネルジ アルテルナティヴ Electron cyclotron resonance ion generator

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