JPH05144397A - イオン源 - Google Patents

イオン源

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JPH05144397A
JPH05144397A JP3304992A JP30499291A JPH05144397A JP H05144397 A JPH05144397 A JP H05144397A JP 3304992 A JP3304992 A JP 3304992A JP 30499291 A JP30499291 A JP 30499291A JP H05144397 A JPH05144397 A JP H05144397A
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JP
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electron
plasma chamber
ion
source
plasma
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JP3304992A
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Takahisa Nagayama
貴久 永山
Naomitsu Fujishita
直光 藤下
Kazuhiko Noguchi
和彦 野口
Eishin Murakami
英信 村上
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0815—Methods of ionisation
    • H01J2237/082—Electron beam
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
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    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ室側から低エネルギーの電子ビーム
をイオン引き出し孔に効果的に照射することにより、イ
オン引き出し孔付近イオンの空間電荷を最適に中和して
多量の電子ビームを引き出すこと、及び電子源の寿命を
延ばすことを目的とする。 【構成】 プラズマ室１の後方に電子源17を設け、引き
出し電源18、電子加速電源21及びレンズ電源23を制御す
ることにより、電子源17から電子ビーム９を引き出して
加速し、電界レンズ22中高速で輸送し、プラズマ室１近
辺で減速させ、イオン引き出し孔３に集束させて照射す
る。電子ビーム９のクロスオーバーポイントにアパーチ
ャ24を設けてプラズマ室１から電子源17へのイオン化ガ
スの逆流を減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば不純物のドー
ピング、材料合成、表層改質あるいは新材料開発などに
使用されるイオン源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図７は、例えば昭和61年５月31日に発行
された「イオン源工学」(アイオニクス株式会社発行、
石川順三著)に示された従来のイオン源を示す断面図で
ある。同図において、１は内部でプラズマ２が生成され
るプラズマ室、３はプラズマ室１の一部に設けられてプ
ラズマ室１内のプラズマ２からイオンを引き出すための
開孔(以下、イオン引き出し孔と称す)、４はプラズマ室
１外部で、イオン引き出し孔３付近に設けられた引き出
し電極、５は引き出し電極４に対してプラズマ室１と反
対側に、引き出し電極４に対向して設けられ、接地され
た接地電極、６は正端子がプラズマ室１に接続され、負
端子が接地された加速電源、７は負端子が引き出し電極
４に接続され、正端子が接地された引き出し電源、そし
て８はプラズマ室１内のプラズマ２から引き出されるイ
オンビームである。
【０００３】次に、従来例の動作を説明する。プラズマ
室１の電位に対して負の電位が印加されている引き出し
電極４とプラズマ室１との間に生成される電界によっ
て、プラズマ室１に生成されたプラズマ２からイオンビ
ーム８が引き出される。このとき、イオン自らが持つ正
の空間電荷の発散のために、プラズマ２から引き出し得
るイオンビーム８のイオン電流Ｉsi(Ａ)は、下記の(１)
式で表される値に制限される(上記「イオン源工学」の
２頁に示されている)。
【０００４】 Ｉsi＝4.3×10-8・(2a／d)2・Ｍ-0.5・Ｖ1.5・γ … （１）
【０００５】上記(１)式において、ａは円形なイオン引
き出し孔３の半径(ｃｍ)、ｄはイオン引き出し孔３と引
き出し電極４との間の引き出し電極間隙(ｃｍ)、Ｖはイ
オン引き出し電極４とプラズマ室１との電位差(引き出
し電圧)(Ｖ)、そしてγは、引き出されたイオンビーム
８の通過領域において、電子の負の空間電荷によるによ
るイオンの正の空間電荷の中和がある場合に引き出し得
るイオン電流Ｉsiが緩和されるときの係数(空間電荷制
限緩和係数)を示し、１以上の値をとる。また、プラズ
マ２が供給できるイオン電流Ｉpiは下記の(２)式で表さ
れる。
【０００６】 Ｉpi＝3.0×10-13・ａ2・(Ｔe／Ｍ)0.5・ni … (２)
【０００７】上記(２)式において、Ｔeはプラズマ２の
電子温度(ｅＶ)、niはプラズマ密度(ｃｍ-3)を示す。Ｉ
si＝Ｉpiとなったときに、プラズマ２からイオンビーム
８の引き出しが最適に行われる(上記「イオン源工学」
の３頁に示されている)。
【０００８】ところが、上記(１)式において、引き出し
電圧Ｖは装置の使用条件(イオン注入用に使用する場合
は通常20〜50ｋＶ)によってきまり、電極間隙ｄは、引
き出し電極４とプラズマ室１との間で引き出し電圧Ｖに
より放電が起こらないような値までしか小さくすること
がでず(例えば、引き出し電圧Ｖが40ｋＶの場合には、
引き出し電極間隙ｄは１ｃｍ前後)、またイオン引き出
し孔３の大きさもイオン引き出しを適正に行うために電
極間隙ｄと同程度に押える必要があるため、電子による
イオンの空間電荷の中和がない場合(空間電荷緩和係数
γ＝１)には、引き出し得るイオン電流Ｉsiはこれらの
条件によって制限される。例えば、引き出し電圧Ｖ＝40
ｋＶ、引き出し電極間隙ｄ＝１ｃｍ、イオン引き出し孔
３の直径２a＝１ｃｍとし、イオン化ガスをＡrイオン化
ガス(Ｍ＝40)として上記(１)式に基づき計算すると、空
間電荷制限緩和係数γ＝１の場合には引き出し得るイオ
ン電流Ｉsiの最大値は54ｍＡに制限される。従って、何
等かの方法で十分大きいイオン電流Ｉpiが取り得るプラ
ズマ２が生成されても、電子によるイオンの空間電荷の
中和がない場合には、54ｍＡ以上のイオン電流Ｉsiを引
き出すことはできない。
【０００９】このような引き出し得るイオン電流Ｉsiの
制限を逃れるためには、電子によりイオン引き出し孔３
付近のイオンの空間電荷を中和して上記(１)式中の空間
電荷制限緩和係数γを１よりも大きな値にすることが必
要である。そのために、例えば図８に示すように引き出
し電極４側からイオン引き出し孔３に電子ビーム９を照
射する方法(上記「イオン源工学」の196頁に示されてい
る)がある。この場合、イオンの空間電荷の中和効果
は、照射される電子ビーム９の速度に反比例するので、
速度が小さいほど中和効果が大きくなる。即ち、照射さ
れる電子ビーム９のエネルギーが小さいほど、中和効果
は大きい。しかし、実際には、イオン引き出し電極４側
からの電子ビーム９は、プラズマ２からイオンを引き出
すための、引き出し電極４とプラズマ室１との間の引き
出し電圧Ｖによって形成される引き出し電界により加速
されて、高エネルギーの電子ビーム９がイオン引き出し
孔３に照射されるので、イオン引き出し孔３付近では、
電子の空間電荷によるイオンの空間電荷の中和効果は小
さい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来のイオン源では、
上記のように、引き出し電極４側から、高エネルギーの
電子ビームがイオン引き出し孔３に照射されていたの
で、イオン引き出し孔３付近のイオンの空間電荷を中和
して多量のイオン電流Ｉsiを引き出すためには大電流の
電子ビーム９をイオン引き出し孔３に照射する必要があ
った。しかし、照射された大電流の電子ビーム９は加速
電源６の電流となるため、加速電源６の負担が増加する
という問題点があった。さらに、例えば、引き出し電圧
Ｖが40ｋＶである場合、100ｍＡ程度のかなり大電流の
電子ビーム９がイオン引き出し孔３に照射されると、少
なくとも４ｋＷの高電力がイオン源に流入されることに
なり、イオン源が加熱されるので、冷却機構などがなけ
ればイオン源の溶融を招くという問題点があった。
【００１１】この発明は、このような問題点を解決する
ためになされたもので、プラズマ室内部を介して、低エ
ネルギーの電子ビームをイオン引き出し孔に照射するこ
とにより、加速電源の負担を軽減し、溶融することな
く、空間電荷を最適に中和して多量のイオンビームを引
き出すことができるイオン源を得ることを目的とする。
【００１２】また、プラズマ室内部を介して、低エネル
ギーの電子ビームを、自身の空間電荷による発散を防止
して、イオン引き出し孔に効果的に照射することによ
り、加速電源の負担を軽減し、溶融することなく、イオ
ン引き出し孔付近のイオンの空間電荷を最適に中和して
多量のイオンビームを引き出すことができるイオン源を
得ることを目的とする。
【００１３】また、プラズマ室内部を介して、低エネル
ギーの電子ビームを集束させてイオン引き出し孔に効果
的に照射することにより、加速電源の負担を軽減し、溶
融することなく、イオン引き出し孔付近のイオンの空間
電荷を最適に中和して多量のイオンビームを引き出すこ
とができるイオン源を得ることを目的とする。
【００１４】また、プラズマ室内部を介して、低エネル
ギーの電子ビームをイオン引き出し孔に照射することに
より、加速電源の負担を軽減し、溶融することなく、イ
オン引き出し孔付近のイオンの空間電荷を最適に中和し
て多量のイオンビームを引き出すことができると共に、
電子ビームを発生する電子源の真空度を高く保つことに
よって電子源の寿命を延ばすことができるイオン源を得
ることを目的とする。
【００１５】また、プラズマ室内部を介して、低エネル
ギーの電子ビームを、自身の空間電荷による発散を防止
し、かつ集束させてイオン引き出し孔に効果的に照射す
ることにより、加速電源の負担を軽減し、溶融すること
なく、イオン引き出し孔付近のイオンの空間電荷を最適
に中和することができると共に、電子ビームを発生する
電子源の真空度を高く保つことにより、電子源の寿命を
延ばすことができるイオン源を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】この発明に係るイオン源
は、内部でプラズマが生成され、このプラズマからイオ
ンビームが引き出されるためのイオン引き出し孔を有す
るプラズマ室、このプラズマ室内部を介して上記イオン
引き出し孔に電子ビームを照射する電子源、及び、上記
プラズマ室と上記電子源との間の電位差を制御する電源
を備えたものである。
【００１７】また、内部でプラズマが生成され、このプ
ラズマからイオンビームが引き出されるためのイオン引
き出し孔を有するプラズマ室、このプラズマ室内部を介
して上記イオン引き出し孔に電子ビームを照射する電子
源、上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられた電
極、上記プラズマ室と上記電子源との間の第１の電位差
を制御する第１の電源、及び、上記電極と上記電子源と
の間の、上記第１の電位差よりも大きい第２の電位差を
制御する第２の電源を備えたものである。
【００１８】また、内部でプラズマが生成され、このプ
ラズマからイオンビームが引き出されるためのイオン引
き出し孔を有するプラズマ室、このプラズマ室内部を介
して上記イオン引き出し孔に電子ビームを照射する電子
源、上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられ、上
記電子ビームを上記イオン引き出し孔付近に集束させる
電子レンズ、上記プラズマ室と上記電子源との間の第１
の電位差を制御する第１の電源、及び、上記電子レンズ
の電位を制御する第３の電源を備えたものである。
【００１９】また、内部でプラズマが生成され、このプ
ラズマからイオンビームが引き出されるためのイオン引
き出し孔を有するプラズマ室、このプラズマ室内部を介
して上記イオン引き出し孔に電子ビームを照射する電子
源、上記プラズマ室と上記電子源との間の電位差を制御
する電源、及び、上記プラズマ室と上記電子源との間に
設けられ、上記プラズマ室から上記電子源への気体の逆
流を減少させるためのアパーチャを備えたものである。
【００２０】また、内部でプラズマが生成され、このプ
ラズマからイオンビームが引き出されるためのイオン引
き出し孔を有するプラズマ室、このプラズマ室を介して
上記イオン引き出し孔に電子ビームを照射する電子源、
上記プラズマ室と上記電子源との間の第１の電位差を制
御する第１の電源、上記プラズマ室と上記電子源との間
に設けられ、上記電子ビームを加速し、上記イオン引き
出し孔付近に集束させる電子レンズ、この電子レンズの
電位を制御する第４の電源、及び、上記プラズマ室と上
記電子源との間に設けられ、上記プラズマ室から上記電
子源への気体の逆流を減少させるためのアパーチャを備
えたものである。
【００２１】また、上記アパーチャを上記電子ビームの
クロスオーバーポイントに設けたものである。
【００２２】
【作用】この発明においては、プラズマ室と電子源との
間の電位差により、上記電子源から電子ビームが引き出
されて上記プラズマ室内部を介してイオン引き出し孔に
照射される。そして、照射された上記電子ビームの空間
電荷により上記イオン引き出し孔付近のイオンの空間電
荷が中和され、上記プラズマ室内のプラズマから上記イ
オン引き出し孔を通してイオンビームが引き出される。
【００２３】また、プラズマ室及び電子源間に設けられ
た電極と上記電子源との間の第２の電位差により、上記
電子源から電子ビームが引き出され、加速して輸送され
る。その後、上記電子ビームは、上記プラズマ室及び上
記電子源間の第１の電位差と上記第２の電位差との差に
より上記プラズマ室付近で減速されて、上記プラズマ室
内部を介してイオン引き出し孔に照射される。そして、
照射された上記電子ビームの空間電荷により上記イオン
引き出し孔付近のイオンの空間電荷が中和され、上記プ
ラズマ室内のプラズマから上記イオン引き出し孔を通し
てイオンビームが引き出される。
【００２４】また、プラズマ室と電子源との間の第１の
電位差、及び上記プラズマ室と上記電子源との間に設け
られた電子レンズの電位により、上記電子源から電子ビ
ームが引き出され、上記プラズマ室内部を介してイオン
引き出し孔付近に集束して照射される。そして、照射さ
れた上記電子ビームの空間電荷により上記イオン引き出
し孔付近のイオンの空間電荷が中和され、上記プラズマ
室内のプラズマから上記イオン引き出し孔を通してイオ
ンビームが引き出される。
【００２５】また、プラズマ室と電子源との間の第１の
電位差により、上記電子源から電子ビームが引き出さ
れ、上記プラズマ室内部を介してイオン引き出し孔に照
射される。そして、照射された上記電子ビームの空間電
荷により上記イオン引き出し孔付近のイオンの空間電荷
が中和され、上記プラズマ室内のプラズマから上記イオ
ン引き出し孔を通してイオンビームが引き出される。ま
た、上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられたア
パーチャにより、上記プラズマ室から上記電子源への気
体の逆流が減少する。
【００２６】また、プラズマ室と電子源との間の第１の
電位差、及び上記プラズマ室と上記電子源との間に設け
られた電子レンズの電位により、上記電子源から電子ビ
ームが引き出され、加速して輸送される。その後、上記
電子ビームは、上記第１の電位差と上記電子レンズ電源
との差により上記プラズマ室付近で減速され、上記プラ
ズマ室内部を介してイオン引き出し孔付近に集束して照
射される。そして、照射された上記電子ビームの空間電
荷により上記イオン引き出し孔付近のイオンの空間電荷
が中和され、上記プラズマ室内のプラズマから上記イオ
ン引き出し孔を通してイオンビームが引き出される。ま
た、上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられたア
パーチャにより、上記プラズマ室から上記電子源への気
体の逆流が減少する。
【００２７】また、上記アパーチャを上記電子ビームの
クロスオーバーポイントに設けたことにより、上記プラ
ズマ室から上記電子源へ気体の逆流が最小限になる。
【００２８】
【実施例】以下、この発明の諸実施例を、例えばアンテ
ナ型マイクロ波イオン源に適用した場合を例にとり、図
について説明する。 実施例１．図１は、この発明の実施例１を示す断面図で
ある。同図において、１〜９は図７及び図８に示された
ものと同様であり、10はマイクロ波を発生するマイクロ
波源、11はマイクロ波源10に接続された同軸線、12はこ
の同軸線11に接続され、プラズマ室１を含有した外導
体、13は外導体12内の中心軸に設けられた中空なアンテ
ナ、14は外導体12内において、プラズマ室１以外の、外
導体12とアンテナ13との間に挿入された絶縁物、15は外
部からプラズマ室１に気体(イオン化ガス)を導入するた
めのガス導入間、16は外導体12外部の、プラズマ室１付
近に設けられたコイル、17は外導体12の外部に設けられ
てアンテナ13を介してプラズマ室１に電子ビーム９を照
射する電子源、そして18は、正端子が加速電源６の正端
子に接続され、負端子が電子源17に接続された電子引き
出し電源である。
【００２９】次に、この発明の実施例１の動作を説明す
る。マイクロ波源10で発生したマイクロ波は、同軸線11
を通って外導体12内に伝達され、外導体12の内壁とアン
テナ13との間にマイクロ波電界が生成される。予め排気
されて真空になっているプラズマ室１には、真空度が10
-1〜10-4Ｔorr程度になるように外部からガス導入管15
を介してイオン化ガスが送り込まれる。プラズマ室１に
送り込まれたイオン化ガスに、コイル16によって発生し
た磁束Ｂとマイクロ波電界とが作用して、外導体12とア
ンテナ13との間で放電が始まり、プラズマ２が生成され
る。そして、加速電源６と引き出し電源７とによって引
き出し電極４と外導体12との間の引き出し電圧が制御さ
れ、この引き出し電圧に基づいて引き出し電極４と外導
体1との間に形成される引き出し電界により、プラズマ
２からイオンビーム８がイオン引き出し電極４を通して
引き出される。
【００３０】一方、電子引き出し電源18によって、外導
体12と電子源17との間に電位差が与えられ、この電位差
により電子源17から電子ビーム９が引き出される。引き
出された電子ビーム９はアンテナ13及びプラズマ室１を
介してイオン引き出し孔３に照射され、これにより、イ
オン引き出し孔３付近のイオンの空間電荷が電子ビーム
９の空間電荷により中和される。そして、イオン引き出
し孔３に照射された電子ビーム９は、引き出し電極４と
外導体12との間の電位差によって形成される引き出し電
界によって反射され、外導体12を介して電子源17に対し
閉回路を構成する電子引き出し電源18に流れる。これに
より、実施例１では、引き出し電源18によって電子源17
と外導体12との電位差が低く制御されることにより、イ
オン引き出し孔３に照射される電子ビーム９はエネルギ
ーが低くなるので、装置が溶融することがない。また、
イオン引き出し孔３に照射された電子ビーム９は加速電
源６に流れないので、加速電源６に負担をかけることが
ない。
【００３１】実施例２．図２は、この発明の実施例２を
示す断面図である。同図において、２〜９、14、17及び
18は図１に示したものと同様であり、1Aは電子ビーム９
を通す開孔Ｐを所定位置例えば底部にもつプラズマ室、
12Aは電子源17から引き出された電子ビーム９をプラズ
マ室1Aの開孔Ｐに入射させるための通路Ｌをもつ外導
体、13Aは外導体12Aの中心軸19に設けられた、充填なア
ンテナである。実施例１では電子ビーム９を中心軸19に
沿って入射するが、本実施例では、電子ビーム９を中心
軸19以外から入射する。即ち、電子源17から引き出され
た電子ビーム９は、外導体12Aの通路Ｌ及びプラズマ室1
Aの開孔Ｐを通してプラズマ室1Aに入射してイオン引き
出し孔３に照射され、電子ビーム９の空間電荷によって
イオン引き出し孔３付近のイオンの空間電荷を中和す
る。そして、イオン引き出し孔３に照射された電子ビー
ム９は、引き出し電極４と外導体12との間の引き出し電
界によって反射され、外導体12を介して電子引き出し電
源18に流れる。これにより、本実施例では、上記実施例
１と同様の効果が得られると共に、更に、電子ビーム８
がアンテナ13Aを通過しないので、アンテナ13Aが中空で
ある必要がなく、アンテナ13Aの構造が簡単である。
【００３２】実施例３．図３は、この発明の実施例３を
示す断面図である。同図において、１〜９、12〜14、17
及び18は図１に示したものと同様であり、20は電子源17
とプラズマ室１との間に設けられた電子加速電極、そし
て21は正端子が電子加速電極20に接続され、負端子が電
子引き出し電源18の負端子に接続され、第１の電源とし
ての電子引き出し電源18よりも高い電位差を制御する第
２の電源としての電子加速電源である。電子加速電源21
によって、電子加速電極20と電子源17との間に電位差が
与えられ、この電位差により、電子源17から電子ビーム
９が引き出されて加速され、電子加速電極20中を高速で
輸送されて、アンテナ13に入射する。その後、電子ビー
ム９は、外導体12と電子加速電極20との電位差により減
速されて、イオン引き出し孔３に照射され、イオン引き
出し孔３付近のイオンの空間電荷を中和する。そして、
電子源17から引き出された電子ビーム９の一部は電子加
速電源21に流れ、残りの電子ビーム９はイオン引き出し
孔３に照射され、引き出し電極４と外導体12との間の引
き出し電界により反射されて、外導体12を介して電子引
き出し電源18に流れる。これにより、本実施例では、上
記実施例１と同様の効果が得られると共に、電子ビーム
９は、電子源17からプラズマ室付近まで高速で輸送され
るために、輸送中、電子ビーム９自身の空間電化による
発散が防止され、また、電子ビーム９はプラズマ室１付
近で減速するためにイオンの空間電荷により電子ビーム
９自身の空間電荷が中和されて、減速後も発散が防止さ
れるので、電子ビーム９をイオン引き出し孔３に効果的
に照射することができる。
【００３３】実施例４．図４は、この発明の実施例４を
示す断面図である。同図において、１〜９、12〜14、17
及び18は図１に示したものと同様であり、22は電子源17
とプラズマ室１との間に設けられた電子レンズ、例えば
レンズ電極22a〜22cから構成された電界レンズ、23は正
端子がレンズ電極22bに接続され、負端子が第１の電源
としての電子引き出し電源18の負端子とレンズ電極22a
及び22cとに接続された第３の電源としてのレンズ電源
である。なお、電界レンズ22は、レンズ電源23を図４の
ような極性に接続したことにより、加速モードで機能す
る。電子引き出し電源18によって、レンズ電極22a及び2
2cと電子源17との間に電位差が与えられ、この電位差に
より電子源17から電子ビーム９が引き出される。また子
レンズ電源23によってレンズ電極22bと電極22a及び22c
との電位差が制御されて、電子源17から引き出された電
子ビーム９はイオン引き出し孔３に集束して照射され
る。これにより、電子ビーム９の空間電荷によってイオ
ン引き出し孔３付近のイオンの空間電荷が中和される。
そして、照射された電子ビーム９は、外導体12を介して
電子引き出し電源18に流れる。通常、イオンビーム８の
イオン電流が最大になり、かつ引き出し電極４に流入す
る電流が小さくなるように、レンズ電極22bとレンズ電
極22a及び22cとの電位差をレンズ電源23によって制御す
る。これにより、本実施例では、上記実施例１と同様の
効果が得られると共に、更に、電子ビーム９はイオン引
き出し孔３付近に集束するので、電子ビーム９をイオン
引き出し孔に効果的に照射することができる。
【００３４】実施例５．図５は、この発明の実施例５を
示す断面図である。同図において、１〜９、12〜14、17
及び18は図１に示したものと同様であり、24はイオン引
き出し孔３に照射される電子ビーム９の通路例えばアン
テナ13内に挿入され、電子ビーム９が通過できる程度の
開孔をもつアパーチャである。電子源17として例えばフ
ィラメントを考えると、通常動作でのフィラメントの真
空度は10-4Ｔorr以下であることが望ましい。通常、プ
ラズマ室１は、真空度10-2〜10-4Ｔorrで使用されるた
め、プラズマ室１から電子源17へイオン化ガスが逆流す
ると、フィラメントの酸化などが生じて、フィラメント
の寿命が短くなる。ここでは、アパーチャ24を設置した
ことにより、プラズマ室１と電子源17との間のコンダク
タンスが小さくなり、プラズマ室１から電子源17へのイ
オン化ガスの逆流が減少する。これにより、本実施例で
は、上記実施例１と同様の効果が得られると共に、プラ
ズマ室１から電子源17へのイオン化ガスの逆流が減少す
るので、電子源17の真空度を高く保つことができ、従っ
て電子源17の寿命を延ばすことができる。
【００３５】実施例６．図６は、この発明の実施例６を
示す断面図であり、実施例１及び実施例３から実施例６
までが組み合わされている。同図において、１〜９、10
〜14、16〜18、21〜23は図１及び図３〜図５に示したも
のと同様である。なお、アパーチャ24は電子ビーム９の
クロスオーバーポイント(本実施例では、電極22c内部と
する)に設置されている。また、電界レンズ22は、レン
ズ電源23を図６のような極性に接続したことにより、減
速モードで機能する。また、第１の電源は、電子引き出
し電源18であり、第４の電源は電子加速電源21及びレン
ズ電源23から構成される。これにより、本実施例でも上
記実施例１及び上記実施例３から実施例５までと同様の
効果が得られる。また、本実施例では、電子ビーム９の
加速と集束との両方を電界レンズ22と電子加速電源21と
レンズ電源23とによって制御することができるので、装
置全体を小型にすることができる。更に、電子ビーム９
のクロスオーバーポイントでは、電子ビーム９の径が最
小になるためにアパーチャ24の径も最小になることか
ら、プラズマ室１から電子源17への気体の逆流を最小限
に押えて電子源17の真空度を高く保つことができるの
で、電子源17の寿命を最大限に延ばすことができる。
【００３６】実施例７．上記実施例１から実施例６まで
は、アンテナ型マイクロ波イオン源に電子源を設けて空
間電荷を中和する場合について説明したが、その他の型
のイオン源、例えば導波管型マイクロ波イオン源、フリ
ーマン型イオン源、PIG型イオン源などに利用しても同
様の効果が得られる。
【００３７】実施例８．上記実施例４では、３電極から
構成された電界レンズを用いているが、これ以外の電界
レンズを用いても同様の効果が得られる。
【００３８】実施例９．上記実施例４では、電界レンズ
を用いているが、磁界レンズを用いても同様の効果が得
られる。
【００３９】実施例１０．上記実施例６では、３電極か
ら構成された電界レンズを用いているが、これ以外の電
界レンズを組み合わせて用いても同様の効果が得られ
る。
【００４０】
【発明の効果】この発明は、以上説明したとおり、内部
でプラズマが生成され、このプラズマからイオンビーム
が引き出されるためのイオン引き出し孔を有するプラズ
マ室、このプラズマ室内部を介して上記イオン引き出し
孔に電子ビームを照射する電子源、及び、上記プラズマ
室と上記電子源との間の電位差を制御する電源を備えた
ことによって、プラズマ室内部を介して、低エネルギー
の電子ビームをイオン引き出し孔に照射することによ
り、加速電源の負担を軽減し、溶融することなく、空間
電荷を最適に中和して多量のイオンビームを引き出すこ
とができるという効果を奏する。
【００４１】また、内部でプラズマが生成され、このプ
ラズマからイオンビームが引き出されるためのイオン引
き出し孔を有するプラズマ室、このプラズマ室内部を介
して上記イオン引き出し孔に電子ビームを照射する電子
源、上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられた電
極、上記プラズマ室と上記電子源との間の第１の電位差
を制御する第１の電源、及び、上記電極と上記電子源と
の間の、上記第１の電位差よりも大きい第２の電位差を
制御する第２の電源を備えたことによって、プラズマ室
内部を介して、低エネルギーの電子ビームを、自身の空
間電荷による発散を防止して、イオン引き出し孔に効果
的に照射することにより、加速電源の負担を軽減し、溶
融することなく、イオン引き出し孔付近のイオンの空間
電荷を最適に中和して多量のイオンビームを引き出すこ
とができるという効果を奏する。
【００４２】また、内部でプラズマが生成され、このプ
ラズマからイオンビームが引き出されるためのイオン引
き出し孔を有するプラズマ室、このプラズマ室内部を介
して上記イオン引き出し孔に電子ビームを照射する電子
源、上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられ、上
記電子ビームを上記イオン引き出し孔付近に集束させる
電子レンズ、上記プラズマ室と上記電子源との間の第１
の電位差を制御する第１の電源、及び、上記電子レンズ
の電位を制御する第３の電源を備えたことによって、プ
ラズマ室内部を介して、低エネルギーの電子ビームを集
束させてイオン引き出し孔に効果的に照射することによ
り、加速電源の負担を軽減し、溶融することなく、イオ
ン引き出し孔付近のイオンの空間電荷を最適に中和して
多量のイオンビームを引き出すことができるという効果
を奏する。
【００４３】また、内部でプラズマが生成され、このプ
ラズマからイオンビームが引き出されるためのイオン引
き出し孔を有するプラズマ室、このプラズマ室内部を介
して上記イオン引き出し孔に電子ビームを照射する電子
源、上記プラズマ室と上記電子源との間の電位差を制御
する電源、及び、上記プラズマ室と上記電子源との間に
設けられ、上記プラズマ室から上記電子源への気体の逆
流を減少させるためのアパーチャを備えたことによっ
て、プラズマ室内部を介して、低エネルギーの電子ビー
ムをイオン引き出し孔に照射することにより、加速電源
の負担を軽減し、溶融することなく、イオン引き出し孔
付近のイオンの空間電荷を最適に中和して多量のイオン
ビームを引き出すことができると共に、電子ビームを発
生する電子源の真空度を高く保つことによって電子源の
寿命を延ばすことができるという効果を奏する。
【００４４】また、内部でプラズマが生成され、このプ
ラズマからイオンビームが引き出されるためのイオン引
き出し孔を有するプラズマ室、このプラズマ室を介して
上記イオン引き出し孔に電子ビームを照射する電子源、
上記プラズマ室と上記電子源との間の第１の電位差を制
御する第１の電源、上記プラズマ室と上記電子源との間
に設けられ、上記電子ビームを加速し、上記イオン引き
出し孔付近に集束させる電子レンズ、この電子レンズの
電位を制御する第４の電源、及び、上記プラズマ室と上
記電子源との間に設けられ、上記プラズマ室から上記電
子源への気体の逆流を減少させるためのアパーチャを備
えたことによって、プラズマ室内部を介して、低エネル
ギーの電子ビームを、自身の空間電荷による発散を防止
し、かつ集束させてイオン引き出し孔に効果的に照射す
ることにより、加速電源の負担を軽減し、溶融すること
なく、イオン引き出し孔付近のイオンの空間電荷を最適
に中和することができると共に、電子ビームを発生する
電子源の真空度を高く保つことにより、電子源の寿命を
延ばすことができるという効果を奏する。
【００４５】また、上記アパーチャを上記電子ビームの
クロスオーバーポイントに設けたことにより、上記電子
源の真空度を最大限に高く保つことができ、これによ
り、電源の寿命を更に延ばすことができるという効果を
奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１を示す断面図である。
【図２】この発明の実施例２を示す断面図である。
【図３】この発明の実施例３を示す断面図である。
【図４】この発明の実施例４を示す断面図である。
【図５】この発明の実施例５を示す断面図である。
【図６】この発明の実施例６を示す断面図である。
【図７】従来のイオン源を示す断面図である。
【図８】従来のイオン源における電子ビームの入射を示
す断面図である。
【符号の説明】
１、1A プラズマ室 ２ プラズマ ３ イオン引き出し孔 ８ イオンビーム ９ 電子ビーム 17 電子源 18 電子引き出し電源 20 電極 21 電子加速電源 22 電界レンズ 23 レンズ電源 24 アパーチャ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成４年２月２０日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００３】次に、従来例の動作を説明する。プラズマ
室１の電位に対して負の電位が印加されている引き出し
電極４とプラズマ室１との間に生成される電界によっ
て、プラズマ室１に生成されたプラズマ２からイオンビ
ーム８が引き出される。このとき、イオン自らが持つ正
の空間電荷のために、プラズマ２から引き出し得るイオ
ンビーム８のイオン電流Ｉsi(Ａ)は、下記の(１)式で表
される値に制限される(上記「イオン源工学」の２頁に
示されている)。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】ところが、上記(１)式において、引き出し
電圧Ｖは装置の使用条件(イオン注入用に使用する場合
は通常20〜50ｋＶ)によってきまり、電極間隙ｄは、引
き出し電極４とプラズマ室１との間で引き出し電圧Ｖに
より放電が起こらないような値までしか小さくすること
ができず(例えば、引き出し電圧Ｖが40ｋＶの場合に
は、引き出し電極間隙ｄは１ｃｍ前後)、またイオン引
き出し孔３の大きさもイオン引き出しを適正に行うため
に電極間隙ｄと同程度に押える必要があるため、電子に
よるイオンの空間電荷の中和がない場合(空間電荷緩和
係数γ＝１)には、引き出し得るイオン電流Ｉsiはこれ
らの条件によって制限される。例えば、引き出し電圧Ｖ
＝40ｋＶ、引き出し電極間隙ｄ＝１ｃｍ、イオン引き出
し孔３の直径２a＝１ｃｍとし、イオン化ガスをＡrイオ
ン化ガス(Ｍ＝40)として上記(１)式に基づき計算する
と、空間電荷制限緩和係数γ＝１の場合には引き出し得
るイオン電流Ｉsiの最大値は54ｍＡに制限される。従っ
て、何等かの方法で十分大きいイオン電流Ｉpiが取り得
るプラズマ２が生成されても、電子によるイオンの空間
電荷の中和がない場合には、54ｍＡ以上のイオン電流Ｉ
siを引き出すことはできない。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２８】
【実施例】以下、この発明の諸実施例を、例えばアンテ
ナ型マイクロ波イオン源に適用した場合を例にとり、図
について説明する。 実施例１．図１は、この発明の実施例１を示す断面図で
ある。同図において、１〜９は図７及び図８に示された
ものと同様であり、10はマイクロ波を発生するマイクロ
波源、11はマイクロ波源10に接続された同軸線、12はこ
の同軸線11に接続され、プラズマ室１を含有した外導
体、13は外導体12内の中心軸に設けられた中空なアンテ
ナ、14は外導体12内において、プラズマ室１以外の、外
導体12とアンテナ13との間に挿入された絶縁物、15は外
部からプラズマ室１に気体(イオン化ガス)を導入するた
めのガス導入管、16は外導体12外部の、プラズマ室１付
近に設けられたコイル、17は外導体12の外部に設けられ
てアンテナ13を介してプラズマ室１に電子ビーム９を照
射する電子源、そして18は、正端子が加速電源６の正端
子に接続され、負端子が電子源17に接続された電子引き
出し電源である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３０】一方、電子引き出し電源18によって、外導
体12と電子源17との間に電位差が与えられ、この電位差
により電子源17から電子ビーム９が引き出される。引き
出された電子ビーム９はアンテナ13及びプラズマ室１を
介してイオン引き出し孔３に照射され、これにより、イ
オン引き出し孔３付近のイオンの空間電荷が電子ビーム
９の空間電荷により中和される。そして、イオン引き出
し孔３に照射された電子ビーム９は、引き出し電極４と
外導体12との間の電位差によって形成される引き出し電
界によって反射され、外導体12を介して電子源17に対し
閉回路を構成する電子引き出し電源18に流れる。これに
より、実施例１では、引き出し電源18によって電子源17
と外導体12との電位差が引き出し電圧と比較して低く制
御されることにより、イオン引き出し孔３に照射される
電子ビーム９はエネルギーが低くなるので、装置が溶融
することがない。また、イオン引き出し孔３に照射され
た電子ビーム９は加速電源６に流れないので、加速電源
６に負担をかけることがない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３４】実施例５．図５は、この発明の実施例５を
示す断面図である。同図において、１〜９、12〜14、17
及び18は図１に示したものと同様であり、24はイオン引
き出し孔３に照射される電子ビーム９の通路例えばアン
テナ13内に挿入され、電子ビーム９が通過できる程度の
開孔をもつアパーチャである。電子源17として例えばフ
ィラメントを考えると、通常動作でのフィラメントの真
空度は10-4Ｔorr以下であることが望ましい。通常、プ
ラズマ室１は、真空度10-2〜10-4Ｔorrで使用されるた
め、プラズマ室１から電子源17へイオン化ガスが逆流す
ると、フィラメントのスパッタによる劣化などが生じ
て、フィラメントの寿命が短くなる。ここでは、アパー
チャ24を設置したことにより、プラズマ室１と電子源17
との間のコンダクタンスが小さくなり、プラズマ室１か
ら電子源17へのイオン化ガスの逆流が減少する。これに
より、本実施例では、上記実施例１と同様の効果が得ら
れると共に、プラズマ室１から電子源17へのイオン化ガ
スの逆流が減少するので、電子源17の真空度を高く保つ
ことができ、従って電子源17の寿命を延ばすことができ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 英信 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機 株式会社生産技術研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内部でプラズマが生成され、このプラズ
    マからイオンビームが引き出されるためのイオン引き出
    し孔を有するプラズマ室、 このプラズマ室内部を介して上記イオン引き出し孔に電
    子ビームを照射する電子源、及び、 上記プラズマ室と上記電子源との間の電位差を制御する
    電源を備えたことを特徴とするイオン源。
  2. 【請求項２】 内部でプラズマが生成され、このプラズ
    マからイオンビームが引き出されるためのイオン引き出
    し孔を有するプラズマ室、 このプラズマ室内部を介して上記イオン引き出し孔に電
    子ビームを照射する電子源、 上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられた電極、 上記プラズマ室と上記電子源との間の第１の電位差を制
    御する第１の電源、及び、 上記電極と上記電子源との間の、上記第１の電位差より
    も大きい第２の電位差を制御する第２の電源を備えたこ
    とを特徴とするイオン源。
  3. 【請求項３】 内部でプラズマが生成され、このプラズ
    マからイオンビームが引き出されるためのイオン引き出
    し孔を有するプラズマ室、 このプラズマ室内部を介して上記イオン引き出し孔に電
    子ビームを照射する電子源、 上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられ、上記電
    子ビームを上記イオン引き出し孔付近に集束させる電子
    レンズ、 上記プラズマ室と上記電子源との間の第１の電位差を制
    御する第１の電源、及び、 上記電子レンズの電位を制御する第３の電源を備えたこ
    とを特徴とするイオン源。
  4. 【請求項４】 内部でプラズマが生成され、このプラズ
    マからイオンビームが引き出されるためのイオン引き出
    し孔を有するプラズマ室、 このプラズマ室内部を介して上記イオン引き出し孔に電
    子ビームを照射する電子源、 上記プラズマ室と上記電子源との間の電位差を制御する
    電源、及び、 上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられ、上記プ
    ラズマ室から上記電子源への気体の逆流を減少させるた
    めのアパーチャを備えたことを特徴とするイオン源。
  5. 【請求項５】 内部でプラズマが生成され、このプラズ
    マからイオンビームが引き出されるためのイオン引き出
    し孔を有するプラズマ室、 このプラズマ室内部を介して上記イオン引き出し孔に電
    子ビームを照射する電子源、 上記プラズマ室と上記電子源との間の第１の電位差を制
    御する第１の電源、 上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられ、上記電
    子ビームを加速し、上記イオン引き出し孔付近に集束さ
    せる電子レンズ、 この電子レンズの電位を制御する第４の電源、及び、 上記プラズマ室と上記電子源との間に設けられ、上記プ
    ラズマ室から上記電子源への気体の逆流を減少させるた
    めのアパーチャを備えたことを特徴とするイオン源。
  6. 【請求項６】 上記アパーチャを上記電子ビームのクロ
    スオーバーポイントに設けたことを特徴とする請求項第
    ５項記載のイオン源。
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