JPH05174763A - 空間電荷中和装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大電流イオンビ−ムを発生するイオン源に於
いて正イオン同士のク−ロン斥力によるビ−ムの横方向
への拡散を防ぐこと。 【構成】 イオンビ−ムの一部を引き出し二次電子放出
板に当て、二次電子を飛び出させ、これによってイオン
ビ−ムの正電荷を中和させ、イオンビ−ムの拡散を防
ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオン注入装置、イ
オンビ−ムエッチング装置、イオン蒸着装置などイオン
ビ−ムを必要とする装置のイオン源の部分の改良に関す
る。イオン源は、真空に引くことのできるチャンバに原
料ガスを導入し、ア−ク放電、高周波放電、マイクロ波
放電などにより原料ガスをプラズマに励起し、引出し電
極系のイオン通し穴からイオンをビ−ムとして取り出す
ようにしたものである。イオン源の内部では、イオンと
電子とが均衡したプラズマであって、全体として電気的
中性を保っている。また、チャンバの外壁には多くの磁
石が設置されカスプ磁場をチャンバの内部に形成して、
プラズマをチャンバの中央部に閉じ込める。引出し電極
からイオンがビ−ムとして引き出されると、これは正イ
オンのみであり、電子が存在しない。このため電気的に
中性でない。正イオンの間のク−ロン斥力が直接に作用
しあうことになる。電子の雲によってク−ロン斥力がシ
−ルドされるという事はない。

【０００２】

【従来の技術】従来このような事はあまり問題にされな
かったようである。それにはいくつかの理由があろう。
イオンビ−ム電流が小さい場合は、イオン間の距離が大
きいのであまり問題ではない。従来はビ−ム電流の小さ
いものが多かった。しかし、イオン処理能力の増強のた
めビ−ム電流の大きいものが望まれるようになってきて
いる。また、イオンビ−ムとせずに同じ真空チャンバ内
で、被処理物にイオンを照射しようとする場合も問題は
ない。真空チャンバ内にはイオンの正電荷を中和できる
電子が多量に存在するからである。イオンビ−ムとする
場合であっても、引出し電極系と、被処理物との間にな
にも存在しなければ、被処理物にイオンが衝突する事に
よって発生する二次電子がイオンの正電荷を中和するこ
とができる。この場合は、イオンビ−ムが拡がってもか
まわないので、イオン間のク−ロン斥力による拡がりの
問題は生じない。図２は従来例に係るイオン源の概略図
である。真空チャンバ１の内部にはカソ−ドフィラメン
ト２があり、ガス導入口３から導入されたガスを電離す
る。カソ−ドフィラメント２にはフィラメント電源４が
電力を供給し、カソ−ドフィラメント２とチャンバ１の
間にはア−ク電源５が直流電圧を印加する。カソ−ドフ
ィラメント２が加熱され熱電子を生ずる。熱電子は電界
によって加速されガス分子に当たってこれを電離するの
である。チャンバ１の外壁には永久磁石６があってカス
プ磁場を形成してプラズマを閉じ込める。チャンバの内
壁に沿ってＴａ板よりなる輻射シ−ルドを設ける事もあ
るがここでは図示しない。チャンバ１の出口には、加速
電極（正電極）７、減速電極（負電極）８、接地電極９
の組み合わせになる引出し電極系１０が設けられる。こ
れらには、イオンを引き出すためのひとつ或は複数のイ
オン通し穴、１１、１２、１３が穿孔されている。引出
し電極を通ったあと、リミッタ１４を通り、質量分析器
１５に入ってここで質量分析される。

【０００３】従来は正イオン間のク−ロン斥力があまり
問題にされていなかったのである。しかし、イオンビ−
ムの密度が高くなると、ク−ロン斥力は重大な問題を生
ずる。イオン相互の静電界の作用を問題にしたものとし
て、空間電荷制限電流というものが知られている。これ
は進行方向の運動に関する考案であって本質的に一次元
の取り扱いである。進行方向と直角の方向へのク−ロン
斥力の作用はこれまであまり問題にされていなかったよ
うである。それにはそれなりの理由があり、これについ
ても説明した。イオンビ−ム電流が大きくなるとともに
正イオン間のク−ロン斥力による横方向への拡散が問題
になってくる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】イオン引出し電極系と
被処理物の間になにもなければ、二次電子（被処理物表
面で生じる）がイオンビ−ムを中和することもある。し
かし、単純に全てのイオンビ−ムを被処理物に当てるの
ではなく、特定の種類のイオンビ−ムを加速して当てる
必要がある。この場合、引出し電極と被処理物との間に
質量分析器と加速管とを設けることになる。このような
ものがあると、被処理物から二次電子が戻ってくるとい
う事はあり得ない。質量分析器の存在はもうひとつ新た
な問題を生ずる。質量分析器の入口に於いてイオンビ−
ムが拡がっていてはならないという事である。磁界、電
界の作用でイオンビ−ムを選択するものであるから、入
口でのイオンビ−ムに拡がりがあると、精確な質量分析
ができない。このような難点を解決するためには、イオ
ンビ−ム電流が大きい場合であってもイオンの正電荷を
中和できるようにすればよい。本発明は高密度の正イオ
ンを電子によって中和するようにした装置を提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の装置は、引出し
電極系に主イオンビ−ムの通し穴の他に副イオン通し穴
を穿ち、副イオン通し穴の前方に二次電子放出板を設け
たものである。イオンビ−ムは副イオン通し穴を通って
二次電子放出板に当たり、二次電子を放出する。この二
次電子が主たるイオンビ−ムに混合されるので、電気的
に正イオンビ−ムを中和することができる。つまり引出
し電極を出た後も電気的中性を保ちうるのである。こう
するとイオンのク−ロン斥力、ク−ロンポテンシャルは
高速の電子によって遮蔽されてしまうから、イオン間斥
力が消えてしまう。横方向への拡散の問題も解決され
る。二次電子放出板は通常の金属板であってよい。Ｃ
ｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｆｅ・・・など任意
である。スパッタ率の高いものが望ましい。しかし金属
でなくても二次電子を出すものは存在するから、誘電体
などを用いることもできる。１個のイオンが衝突したと
きに発生する二次電子の個数は材料にもよるし、イオン
の運動エネルギ−、イオンの種類にも依存する。また、
板に対するイオンの入射角にもよる。二次電子は、イオ
ンひとつ当たり１〜１０個程度出るようにする。イオン
の種類やエネルギ−は、イオンビ−ムの条件によって決
まるので自由に選べるパラメ−タではない。そこで二次
電子放出板の傾角を変えることによって、二次電子の発
生量を加減することができる。

【０００６】

【作用】イオン源チャンバの中のイオンの一部は、引出
し電極の副イオン通し穴を通ってチャンバの外へ出て、
さらに二次電子放出板に当たる。イオンのエネルギ−に
よって板面から二次電子が発生する。また、イオン自体
は散乱される。Ｘ線が出ることもある。二次電子放出板
は接地レベルに対して−１００Ｖ〜−５００Ｖ程度負に
バイアスしておくとよい。電子がバイアスによって押し
出されるので主イオンビ−ムと混合しやすくなる。主イ
オンビ−ムに電子が混ざるのでこれを電気的に中和する
事ができる。電子のエネルギ−は小さいけれども質量が
小さいので速度は大きい。イオンの速度よりずっと大き
いから、イオンのク−ロン引力によって引っぱられて、
イオンに接近し、ク−ロン力を遮蔽してしまう。する
と、イオン同士の斥力が消えてしまい、横方向には拡が
らなくなる。もしもこの前方に質量分析器がある場合、
電子とイオンは分離してしまう。しかし、電子はイオン
間のク−ロン斥力を質量分析器に入るまでの間だけ遮蔽
できるからそれでよいのである。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す。これは図２の
ものとほぼ同じであるが、引出し電極系に副イオン通し
穴を穿ちその前方に二次電子放出板を設けたものであ
る。真空チャンバ１は真空に引くことのできる空間であ
るが、内部にカソ−ドフィラメント２が設けられる。ガ
ス導入口３からイオン化すべき原料ガスを導入するよう
になっている。カソ−ドフィラメント２はフィラメント
電源４によって給電され発熱する。チャンバ１とカソ−
ドフィラメント２の間には、ア−ク電源５によって静電
圧が印加されている。カソ−ドフィラメント２から熱電
子が放出され、これが加速され、ガス分子に衝突するの
で、ガス分子がイオン化する。このようにして、電子密
度、イオン密度が増加しア−ク放電が起こる。ガスはプ
ラズマとなる。チャンバ１の外壁には多くの永久磁石６
があって、チャンバ内部にカスプ磁場を形成し、プラズ
マを閉じ込めている。チャンバ１の出口には、加速電極
（正電極）７、減速電極（負電極）８、接地電極９より
なる引出し電極系１０が設けられる。これら電極板、
７、８、９はイオンビ−ムを引き出す主イオン通し穴１
１、１２、１３が穿孔されている。主イオン通し穴１
１、１２、１３を通ったイオンビ−ムは、リミッタ１４
の穴を通り質量分析器１５に入る。ここで質量分析され
て、加速され、被処理物（図示せず）に照射される。こ
こでは質量分析器１５を通すのでこの孔は各ひとつであ
るが、質量分析器を通さない場合は主イオン通し穴は複
数個あることもある。各電極板７、８、９には主イオン
通し穴の他に副イオン通し穴１７、１８、１９が穿孔さ
れている。これもいくつあってもよいが、ビ−ムの進行
方向に並んでいることが必要である。副イオン通し穴１
７、１８、１９の前方には二次電子放出板１６が斜めに
設置される。この傾角は一定であってもよいが、可変と
することもできる。

【０００８】加速電極７には数ｋＶ〜数十ｋＶの加速電
圧を印加し、減速電極８には−０．５〜−３ｋＶ程度の
負電圧を印加する。接地電極９は０Ｖとする。こうする
と、正イオンは加速電極７の通し穴１１、１７を通り抜
けて外部に出てくる。通し穴１１を通り、加速電極７と
接地電極９との電位差によって加速されたイオンビ−ム
は、リミッタ１４、質量分析器１５へと進む。通し穴１
７を通り、加速電極７と接地電極９との間で加速された
イオンビ−ムは二次電子放出板１６に衝突し、二次電
子、Ｘ線などを叩き出す。二次電子はイオンのエネルギ
−より当然小さいエネルギ−を持つし、複数個の電子が
発生した場合は、エネルギ−は分割されるので小さくな
る。しかし質量が小さいので、なおかなりの速度を持
ち、主流をなすイオンビ−ムの方へク−ロン力によって
引き寄せられ、これのク−ロン力を遮蔽することができ
る。電気的に中和するには、二次電子を放出するための
イオンビ−ムの量Ｉ₂ と、主イオンビ−ムの量Ｉ₁ と、
ひとつのイオンによって放出される二次電子の個数ｎの
間に、 Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ＝ｎＩ₂ （１） の関係がなくてはならない。ｎはイオンビ−ムの加速電
圧、二次電子放出板の材料、イオンビ−ムの入射角に依
存する。ｎを変えるにはこれらのいずれを変えてもよい
のであるが、二次電子放出板は自由に変えるというわけ
にはゆかない。加速電圧は被処理物の物性、照射の目
的、イオンの種類によって決まるので、やはり自由変数
ではない。そこで、二次電子放出板の傾角だけが自由に
変えうるパラメ−タとなりうる。もしもｎを変えたいと
いう場合は、二次電子放出板１６の傾角を変える機構を
作り、これを操作するようにすればよい。次に正イオン
ビ−ムがどれだけ発散するのかということを考察する。
正イオンビ−ムは主イオン通し穴１１、１２、１３を通
過する。これの半径をｒとすると、イオンビ−ムは半径
ｒの円筒ビ−ムになる。イオン密度をＮとすると、ビ−
ムの最外周での電場の大きさはガウスの定理ｄｉｖＤ＝
ρから、これを円筒の積分に適用して、 ２πｒε₀ Ｅ＝πｒ² Ｎｑ （２） となる。ε₀ は真空の誘電率、Ｅは最外周での外向き電
場、ｑはイオンの電荷である。Ｅｑの力をイオンが受け
るので、半径方向に向かう加速度αはＥｑ／ｍである。

【０００９】通し穴１３を出た後、質量分析器に入るま
での走行時間ｔは、通し穴から質量分析器までの距離ｌ
をイオンの速度ｖで割ったもので ｔ＝ｌ／ｖ （３） となり、ｔ時間に於けるイオンの側方への偏奇をｓとす
ると、 ｓ＝αｔ² ／２＝ｒＮｑ² ｌ² ／（４ｍε₀ ｖ² ） （４） となるが、イオン電流をＩとすると Ｉ＝πｒ² Ｎｑｖ （５） である。加速電圧をＶとすると、 ｖ＝（２ｑＶ／ｍ）^1/2 （６） であり、結局偏奇ｓは ｓ＝ｌ² ｍ^1/2 Ｉ／（８・２^1/2 πｑ^1/2 ε₀ ｒＶ^3/2 ） （７） という事になる。ｓは加速電圧Ｖが小さく、イオン通し
穴半径ｒが小さく、イオン電流Ｉが大きく、飛程ｌが大
きいほど大きいということが分かる。イオンの質量数を
Ｍとすると、原子質量単位Ｍａを用いてｍ＝ＭＭａと書
ける。ＭＫＳ単位系を用いて、 ｓ＝３．２２×１０⁵ ｌ² ＩＭ^1/2 ／（ｒＶ^3/2 ） （８） と書ける。例えば、ｌ＝１００ｍｍ＝０．１ｍ、ｒ＝５
０ｍｍ＝０．０５ｍ、Ｖ＝１０ｋＶ＝１０⁴ Ｖ、Ｍ＝３
５、Ｉ＝１００ｍＡ＝０．１Ａと仮定すると、 ｓ＝０．０３８ｍ （９） となる。電流Ｉが大きく、飛程ｌが長いと、イオンの横
方向の偏奇ｓは無視できない大きさになる。本発明は二
次電子によって正イオン同士のク−ロン力を遮蔽し反発
力を消減させるから、イオンビ−ムの拡散を防ぐことが
できる。さらに二次電子放出板１６に負電圧のバイアス
を印加すると、電子は２つの二次電子放出板１６の中間
位置に閉じ込められる。つまり主イオンビ−ムの経路の
中心に於いて電子密度が高いという事になる。すると正
イオンに対して、経路の中心に向かうポテンシャルが発
生する。このため正イオンが収束するということにな
る。また、イオン電流が大きくなると二次電子の発生量
が多くなるので、電荷を中和する作用も自動的に大きく
なる。

【００１０】

【発明の効果】高密度のイオンビ−ムを発生するイオン
源に於いて、イオンの一部を用いて二次電子を発生さ
せ、この二次電子によって正イオンの電荷を中和させる
ようにしているから、本発明によれば、ビ−ム拡がりの
少ない高密度イオンビ−ムを生ずることができる。質量
分析器に入れる場合、質量分析の誤差が少なくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるイオン源の概略断面
図。

【図２】従来例にかかるイオン源の概略断面図。

【符号の説明】

１ チャンバ ２ カソ−ドフィラメント ３ ガス導入口 ４ フィラメント電源 ５ ア−ク電源 ６ 永久磁石 ７ 加速電極 ８ 減速電極 ９ 接地電極 １０ 引出し電極系 １１、１２、１３ イオン通し穴 １４ リミッタ １５ 質量分析器 １６ 二次電子放出板 １７、１８、１９ 副イオン通し穴

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空チャンバの中へガスを導入し放電に
   よってプラズマに励起し、引出し電極系に電圧を印加す
   る事により引出し電極系のイオン通し穴からイオンビ−
   ムを引き出すようにしたイオンビ−ム発生装置におい
   て、引出し電極系に主イオン通し穴の他に副イオン通し
   穴を穿孔し、副イオン通し穴の前方には二次電子放出板
   を斜めに取り付け副イオン通し穴から出たイオンが二次
   電子放出板に衝突して二次電子を発生するようにしてあ
   り、ここで発生した二次電子が主イオン通し穴を通った
   イオンビ−ムと混合されイオンの正電荷を中和するよう
   にした事を特徴とする空間電荷中和装置。