JPH04306540A - プラズマ源およびそれを用いたイオンビーム源 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属などを電子ビーム
加熱によって蒸発させ放電手段によってプラズマを効果
的に発生させる様にしたプラズマ源、及び、このプラズ
マ源を用いてイオンビームを取り出す様にしたイオンビ
ーム源に関する

【０００２】

【従来の技術】従来の金属イオンを得る方法の一つは、
ジャーナルオブバキュームサイエンスアンドテクノロジ
ー、Ａ６（１），（１９８８年）第９−１２頁（　Ｊ．
Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ６（１），Ｊａｎ
　／Ｆｅｂ　（１９８８）ＰＰ９−１２）において論じ
られているように、抵抗加熱るつぼによって生成した金
属蒸気に、電離用電子ビームを蒸気の周囲より蒸気進行
方向に垂直に照射して金属イオンを得るものである。

【０００３】また、他の方法は、アプライドフィジック
スレター４７巻１９８５年第３５８頁（Ａｐｐ１．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．，４７，３５８，１９８５）に記載さ
れている金属蒸気アーク法がある。これは、大電流アー
ク放電によりカソード材料である金属の蒸発と電離を一
度に生じさせる方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記の抵抗加熱るつぼ
＋電子ビームによる電離法には下記の問題点がある。 （１）抵抗加熱るつぼは、るつぼ全体を一様に加熱する
ので、るつぼ内壁は全て溶融した材料と接触する。この
ため、化学的に活性な材料はるつぼと反応してしまい、
るつぼの健全性を損なう事なく蒸発を維持する事ができ
ない。 （２）抵抗加熱るつぼの健全性維持のため、るつぼの温
度は高くできない。従って、タングステンやモリブデン
などの高融点材料の効率的な蒸発ができない。 （３）るつぼより発生した金属蒸気は、膨張のため密度
が低くなりながら上方に移動する。このとき、電子ビー
ムと蒸気が衝突する確率は蒸気密度に比例する。従って
、上記方法では、電離は密度が低下した蒸気に電子ビー
ムのシャワーを浴びせることによって行われるので、充
分な電離のためには大電流の電子ビームが必要になり、
電離効率が悪い。 （４）電子ビームのシャワーを蒸気に浴びせかけるため
には、フィラメント、グリッドなどの電極が必要になる
が、金属蒸気を発生させるとこれらの電極に金属蒸気が
付着するために、電気的絶縁が低下する。また蒸気の付
着によって、グリッドの目詰まりが生じたりする。これ
らを防ぐためには、これらのフィラメントやグリッドは
複雑な構造を取る必要がある。

【０００５】他方、前記の金属蒸気真空アーク法には下
記の問題点がある。 （１）カソードが蒸発する事によって金属蒸気を得る方
法であるので、カソードの寿命が短く、長時間の連続運
転に向かない。 （２）蒸発材料をカソード形状に加工する必要があるた
め、コストが高い。

【０００６】本発明の１目的は、上記問題点を解決し、
さらに、従来より１桁以上高いイオン電流（〜数十Ａ）
を広い面積（数百ｃｍ２　）にわたって均一に得るイオ
ンビーム源を提供することにある。本発明の他の目的は
、該イオンビーム源に用いるに適するプラズマ源を提供
するにある。

【０００７】

【問題を解決するための手段】本発明のプラズマ源は、
特許請求の範囲の請求項１ないし４に夫々記載の構成を
有する。本発明のイオンビーム源は特許請求の範囲の請
求項５ないし８に夫々記載の構成を有する。

【０００８】

【作用】　　電子ビームで照射される蒸発部では蒸気の
熱電離、および該電子ビームとその二次電子による蒸気
の電子衝突電離によってプラズマが生じ、また材料の蒸
発面から熱電子が出る。蒸発部を囲む形の放電電極に正
電位が印加されているのでプラズマ中の電子は該放電電
極へ引かれて加速され、最も密度の高い蒸発部領域の蒸
気と高い確率で衝突して蒸気を更に電離させる。放電電
極にはプラズマ中から電子が流入するのでプラズマ中の
電子の量が不足し、これは蒸発面からの熱電子により補
充される。この熱電子は、発生時には蒸発温度に対応す
るマックスウエル分布を持っているが、放電電極の正電
位によって高められたプラズマの空間電位によって加速
されて高エネルギー成分が多くなり、且つ熱電子は蒸発
面から蒸気中に向って発生するが故に蒸気密度の最も高
い領域に突入するので、効率良く蒸気を電離する。以上
の様な作用で、蒸発部を囲む放電電極内に高密度のプラ
ズマが発生する。

【０００９】放電電極に印加される正電位に高周波を重
畳するか、又は蒸発部にミリ波、マイクロ波、レーザー
等のビームを照射すれば、電子は振動しながら放電電極
に向って飛ぶから電子の動く距離が多くなり、蒸気と衝
突する確率がより高くなるので、より効率良く蒸気の電
離を生ぜしめることができる。また、放電電極の内面（
プラズマに面する面）に多数のフィン又は突起を設けて
電極面積を増大させれば、放電電流は大きくなり、より
効率良く蒸気の電離が生じる。

【００１０】プラズマ中のイオンは放電電極の正電位で
はね返される。放電電位にイオン取り出し口を設ければ
、そこから効率良くイオンが流出する。放電電極に印加
した正電位によって電子温度が高くなりプラズマからの
熱拡散によるイオン流出が促進される効果も働き、イオ
ンはプラズマ中より上記取出口を通って放電電極の外部
に取り出すことができる。

【００１１】プラズマ中の電子とイオンは、プラズマ中
に電界が強制的に与えられると、夫夫シースを形成して
その電界を中和する働きがある。従って、放電電極を蒸
発部を囲む形になし、それに正電位を印加することによ
り、プラズマ中の電子とイオンは放電電極内に均質に広
がり、該電極全面にシースを作って、与えられた電界を
中和しようとする。よって、この放電電極に設けたイオ
ン取り出し口を広い面積の口にしても、プラズマ密度が
均一なので、均質に広がったイオンビームが該取り出し
口から得られる。

【００１２】

【実施例】図２は、本発明の実施例に用いる放電電極の
一部破断外観図である。この放電電極１０は内部が空洞
になった四角形の箱型を成し、上部にイオンビームの出
口となる取り出し口１１が設けられている。このイオン
取り出し口の形状は図示した四角形である必要はなく、
丸型や三角でも自由に設定できる。この形状は、イオン
ビームの使途に応じて決めれば良く、本発明においては
何等制限事項ではない。この取り出し口１１に対向する
下部の所定位置には、るつぼを下部に設置する穴１２が
設けられている（図２には図示せず、図１、図３に図示
）。この箱型電極内面には多数のフィン１３が設けてあ
り、内面の表面積の大面積化が図られている。このフィ
ンは、フィンである必要性はなく、例えば単なる突起を
多数設けた構造でもよい。また、箱型電極の外形は四角
形の箱型に限らず、他の形状、例えば球殻状のものでも
よい。

【００１３】図１は、イオンビーム照射と真空蒸着を行
う装置としての１実施例に係わる構成図である。真空容
器２０内部には、蒸発材料（金属）２１と、この蒸発材
料２１を入れたるつぼ２２と、前述の如きイオン取り出
し口１１を有するフィン１３付き箱型放電電極１０と、
蒸発材料２１に電子ビームを照射する電子銃２３と、蒸
気とイオンビームを被蒸着物２５に対して遮断するシャ
ッター２４と、被蒸着物２５を設置する支持装置２６と
、イオン引き出し用グリッド３１とが設置されている。 また、基準電位（本実施例ではアース電位）に対して放
電電極１０に正電圧を印加する電源２７と、この放電電
極電圧に高周波を重畳する高周波電源２８と、イオン引
き出し用グリッド３１に接続されたイオン引き出し用電
源２９と、被蒸着物２５へのバイアス用電源３０と、グ
リッド３１に流れる電流を検出するモニター装置３２と
、モニター装置３２が検出した電流が最大になるように
電源２７，２８の印加電圧を制御する電源制御装置３３
とが備えられている。るつぽ２２は、箱型放電電極１０
中の下部に設けた穴１２の下に設けられており、アース
電位にされている。るつぼ２２と該電極１０との間には
電気絶縁物３４を設けてある。３５は、電子銃２３から
るつぼ２２中の材料２１へ向う電子ビーム３６を通すた
めに放電電極１０に設けた孔である。

【００１４】上記構成の作用、効果について以下説明す
る。

【００１５】（１）電子ビーム３６は磁場と電場の組み
合わせで高い集光性能が容易に得られるので、電子ビー
ム３６を高いエネルギー密度でるつぼ２２中の材料２１
の局部のみに集中し得る。このように、材料２１の局所
加熱と高温加熱が電子ビームによって行われる。それ故
に、るつぼ２２として水冷るつぼを用いる事によって、
材料２１が高融点材料であってもその蒸発が容易に行え
、また化学的に活性が高い材料であっても、局部溶融状
態にあるから、るつぼ２２の健全性を損なう事なく安定
した蒸発が可能になる。また、材料２１の供給が容易な
ので、長時間にわたって連続運転が可能である。

【００１６】（２）電子ビーム３６で材料２１を高温に
加熱して蒸発させると、蒸発部では、蒸気の熱電離、或
いは加熱用電子ビームとその二次電子（後方散乱電子、
オージェ電子を含む）による蒸気の電子衝突電離によっ
て、プラズマが発生する。この蒸発部でのプラズマの電
離度は、多くの材料で０．１％から３％の間にある。こ
の蒸発部でのプラズマの電子温度は１ｅＶ以下であり、
プラズマ空間電位も１Ｖ程度になる。また、材料２１の
表面は高温状態になるので、その表面より熱電子放出が
起こる。

【００１７】（３）上記の状態で放電電極１０に正電圧
を印加すると、プラズマ中の電子が電極１０へ引き寄せ
られ、このとき該電子は、電極１０の正電位によって加
速されるので、蒸気と衝突したときに蒸気を電離する能
力が増加する。この電子（これは熱電子および蒸気の電
離に因る電子などであるが主として熱電子である）の発
生位置は蒸発部なので、蒸気密度が最も高い蒸発部で電
子と蒸気の衝突による電離が効果的に生じる。

【００１８】（４）放電電極１０に正電圧を印加すると
、プラズマ中の電子が電極１０に流入する。これによっ
て、プラズマ中の電子の量がイオン量と比べて不足する
ようになる。この電子の不足は、るつぼ２２中の材料２
１の加熱部からの熱電子放出によって補充される。この
熱電子は、発生時は蒸発温度と同じ温度のマックスウェ
ル分布を持っているが、プラズマの空間電位によって加
速される。プラズマの空間電位は電極１０の正電位によ
って、通常の１Ｖ程度より数Ｖに引き上げられているた
め、上記マックスウェル分布が高エネルギー側にシフト
し、熱電子の高エネルギー成分の割合が増えるので、こ
の熱電子は充分に蒸気を電離する能力を有するようにな
る。熱電子は、蒸発面より蒸気中に向かって発生するの
で、蒸気密度が最も高い領域に突入する事になり、効率
よく蒸気を電離する。

【００１９】（５）放電電極１０に正電圧を印加すると
電子は電極に向かって加速される。これに対して電極１
０に高周波２８を重畳する（或いは蒸発部にミリ波ビー
ム、マイクロ波ビーム、レーザビームを照射する）と、
該高周波の電界（又は上記のビームの電界）によって電
子は振動するようになる。電子が蒸発部より電極１０に
向かって真っ直ぐに飛んでくるよりも、振動しながら飛
んでくる方が、実際に電子が動く距離が多くなる。つま
り蒸気と衝突して電離させる可能性が飛躍的に高くなる
。これによって、放電電極１０に正電位のみを印加した
場合よりも、正電位印加と電子振動を生じさせる放電法
を組み合わせた場合の方が、効率よく蒸気の電離が生じ
る。

【００２０】（６）放電電極１０に流入する単位面積当
たりの電子電流は、プラズマから熱拡散によって決まっ
た値になる。これは電子飽和電流と呼ばれる。従って、
同じ特性のプラズマに対して放電電流をより大きくする
ためには、放電電極１０の面積を大きくすれば良い。従
って、放電電極１０の内面（プラズマに面した面）に多
数のフィン１３を取り付けて電極面積を増大すると、大
規模な放電が生じ、効率よく蒸気の電離が生じる。

【００２１】（７）電離によって発生したイオンは、基
本的には蒸気と同じ方向に進もうとする。しかし、イオ
ンは電気的に正の電荷を持っているため他の電荷とクー
ロン衝突を生じ易く、従って、クーロン衝突を起こさな
い電気的に中性な蒸気と比べると衝突が多くなるので、
蒸気の進行方向と直角方向に進む成分が多くなる。これ
に対して、放電電極１０を箱型にして、その内部に蒸発
部がある様にすることにより、放電電極１０の正の電位
は、横方向に進むイオンをはね返す。そして、箱型電極
１０にイオン取り出し口１１を設けると、イオンは余り
損失される事なく効率よくイオン取り出し口１１より流
出する。また、さらに放電電極１０に印加した正電圧に
よって電子温度が高くなりプラズマからの熱拡散による
イオン流出が促進される効果も発生し、イオンは効率よ
くプラズマ中より外部に引き出す事が可能になる。

【００２２】（８）プラズマ中に電界が強制的に与えら
れると、プラズマ中の電子とイオンはそれぞれシースを
形成してその電界を中和する働きがある。従って、放電
電極１０を箱型にして蒸発面を取り囲み、この箱型電極
１０に正電圧を印加すると、プラズマ中の電子とイオン
は電極１０内部に均質に広がり、電極１０全面にシース
を作って、与えられた電圧を中和しようとし、その結果
、プラズマ密度は均一化する。従って、箱型電極１０に
広い面積のイオン取り出し口１１を設置しても、プラズ
マ密度が均一なので、均一に広がったイオンビームが取
り出せる。

【００２３】（９）イオン取り出し口１１から蒸気と共
に出たイオンは負電位をかけられたイオン引き出し用グ
リッドにより引かれ、シャッタ２４が非遮断位置にある
とき、蒸気とイオンは被蒸着物２５に向う。

【００２４】なお、図１に示した実施例では、イオン取
り出し口１１からイオンビームと同時に金属蒸気も取り
出されるが、図３に示すように箱型放電電極１０のイオ
ン取り出し口１１を蒸気の方向に垂直な方向に取れば、
イオンビームのみを取り出す事もできる。この場合、金
属蒸気は放電電極１０の内面に付着する。図３において
、図１と同様、イオン取り出し口１１に対向してイオン
ビーム引き出し用グリッド３１を設けてある。

【００２５】本発明は、金属の代りにセラミックスを電
子ビーム照射で加熱して蒸発させる場合においても、同
様に適用できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明のプラズマ源は、高い密度のプラ
ズマを簡単な構成で効率良く発生することが可能である
。また、このプラズマ源を用いた本発明のイオンビーム
源は、大電流（〜数十Ａ）、大面積（数百ｃｍ２　）の
イオン電流を、数百時間にわたって得ることができる。 従って、半導体製造装置のイオン源、真空蒸着装置のプ
ラズマ源、表面改質装置のイオン源、イオンビーム表面
分析装置のイオン源、イオン加速器のイオン源、高イオ
ン源の初段１価イオン源などに用いると、効率良くしか
も安定したイオンを得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオンビーム照射と真空蒸着を行う装置に適用
した本発明の１実施例の構成図、

【図２】本発明の１実施例に用いる放電電極の一部破断
外観図、

【図３】イオン取り出し口の位置を変更する事によりイ
オンビームのみを取り出す事ができる様にした実施例の
放電電極構造を示す図。

【符号の説明】

１０：放電電極　　　　　　　　　　　　　　１１：イ
オン取り出し口１２：るつぼ設置穴　　　　　　　　　
　１３：フィン２０：真空容器　　　　　　　　　　　
　　　２１：蒸発材料２２：るつぼ　　　　　　　　　
　　　　　　　２３：電子ビーム３６を照射する電子銃 ２４：蒸気およびイオンビームを遮断するシャッター２
５：被蒸着物　　　　　　　　　　　　　　２６：支持
装置２７：放電電極１０に正電圧を印加する電源２８：
放電電極電圧に高周波を重畳する高周波電源２９：イオ
ン引き出し用電源 ３０：被蒸着物へのバイアス用電源 ３１：イオン引き出し用グリッド ３２：モニター装置　　　　　　　　　　３３：電源制
御装置３４：絶縁物　　　　　　　　　　　　　　　　
３５：孔３６：電子ビーム

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電子ビーム照射により材料を加熱・蒸
   発させて蒸気を発生させる蒸発源と、該蒸発源を囲む形
   の比較的大面積の放電電極と、該放電電極に前記蒸発源
   の前記材料の蒸発面の電位に対して正電位を印加する電
   源とから成り、前記放電電極内にプラズマを発生させる
   様に構成したことを特徴とするプラズマ源。
2. 【請求項２】　　前記放電電極の内面に多数のフィン又
   は突起を設けた請求項１記載のプラズマ源。
3. 【請求項３】　　前記放電電極に印加する前記正電位に
   高周波を重畳する手段を有する請求項１又は２記載のプ
   ラズマ源。
4. 【請求項４】　　前記材料の蒸発部にミリ波ビーム、マ
   イクロ波ビーム又はレーザビームを照射する手段を有す
   る請求項１又は２記載のプラズマ源。
5. 【請求項５】　　請求項１，２，３又は４記載のプラズ
   マ源を備え、該プラズマ源の前記放電電極には、該放電
   電極内に発生したプラズマからイオンビームを取り出す
   ためのイオンビーム取り出し口を設けたことを特徴とす
   るイオンビーム源。
6. 【請求項６】　　前記イオンビーム取り出し口は蒸気の
   流れの方向に開口している請求項５記載のイオンビーム
   源。
7. 【請求項７】　　前記イオンビーム取り出し口は蒸気の
   流れの方向と直角方向に開口している請求項５記載のイ
   オンビーム源。
8. 【請求項８】　　前記イオンビーム取り出し口の近傍に
   は、イオンビーム引き出し用グリッド電極を設けた請求
   項５，６又は７記載のイオンビーム源。