JPH0589791A - フリーマンイオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 フィラメント６を収容する低アーク電圧放電
室２を形成すると共に、通過孔３ｂを上面壁３ｃに有し
た放電室隔壁３と、上記通過孔３ｂによって連通状態に
された主アーク室１を形成する主アーク室隔壁８とから
なっている。そして、上記放電室隔壁３と主アーク室隔
壁８とは、絶縁状態に接続されており、放電室隔壁３
は、抵抗器４を介してアーク電源５に接続されている。 【効果】 アーク放電の電子が放電室隔壁３から抵抗器
４を介してアーク電源５に流動するため、放電室隔壁３
の電圧が低下し、低アーク電圧放電室２におけるプラズ
マ中の不純物イオンのエネルギが低下することになる。
従って、スパッタ率を低下させてフィラメント６の消耗
速度を低下させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンビームのビーム
量を広範囲に制御性良く得ることができるフリーマンイ
オン源に関するものであり、詳細には、アーク放電時の
フィラメントへのスパッタ率を低減させることによって
フィラメントの更新間隔を増大させることができるフリ
ーマンイオン源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、フリーマンイオン源は、例えば図
４に示すように、正電圧が印加された放電室隔壁５１
と、放電室隔壁５１内のイオン引出孔５１ａの近傍に配
設され、負電圧が印加された直線状のフィラメント５２
と、放電室隔壁５１内に動作ガスを供給する動作ガス供
給手段５４とを有しており、フィラメント５２の軸心に
平行な外部磁界Ｂｓを付与しながら、放電室隔壁５１と
フィラメント５２との電位差によってアーク放電を生じ
させ、このアーク放電と動作ガスとでプラズマを発生さ
せるようになっている。

【０００３】この際、上記のアーク放電の電子は、フィ
ラメント５２を流れるフィラメント電流による回転磁界
と外部磁界Ｂｓとの合成磁界によって有効飛程長が決定
されるようになっており、この有効飛程長の増減は、電
子と動作ガスとの衝突確率の増減に密接な関連を有して
いる。即ち、例えば有効飛程長を増大させた場合には、
衝突確率が高められることによって放電室隔壁５１のイ
オン引出孔５１ａの近傍に高密度のプラズマを発生させ
ることが可能になり、ひいては、イオンビームのビーム
量を増大させることが可能になる。

【０００４】これにより、フリーマンイオン源は、フィ
ラメント電流が電子の放出量と合成磁界の強度とを変化
させるため、フィラメント電流によって電子と動作ガス
との衝突確率を広範囲に制御することができ、また、フ
ィラメント電流の制御によって動作を容易に安定化させ
ることができることから、不純物の注入量の広範囲な設
定と均一な注入とが望まれるイオン注入装置に多用され
るようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のフリーマンイオン源では、プラズマ中の正電荷を有
したイオンが負電圧のフィラメント５２をスパッタによ
り消耗させるため、フィラメント５２を例えば２０〜４
０時間毎に更新させる必要があるという問題がある。特
に、生産装置に使用されるフリーマンイオン源とって
は、フィラメント５２の更新が装置の停止による稼働率
の低下を招来することになるため、従来の更新間隔が大
きな問題になっており、一層の更新間隔の増大が望まれ
ている。

【０００６】そこで、フィラメント５２の消耗速度が、
放電室隔壁５１とフィラメント５２との電位差であるア
ーク電圧に依存するスパッタ率に関係していることに着
目し、アーク電圧を低下させることによってスパッタ率
を低減させる方法が考えられる。この方法の場合には、
フィラメント５２の消耗速度の低下により更新間隔を増
大させることが可能になるが、アーク電圧には下限が存
在しており、このアーク電圧を低下させることによるス
パッタ率の低減だけでは、フィラメント５２の更新間隔
を充分に増大させることができない。

【０００７】従って、本発明においては、フィラメント
５２の更新間隔を充分に増大させることができるフリー
マンイオン源を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のフリーマンイオ
ン源は、上記課題を解決するために、アーク電源の正極
側に接続された隔壁と、アーク電源の負極側に接続され
たフィラメントとの電位差によってアーク放電を生じさ
せてプラズマを生成するものであり、下記の特徴を有し
ている。

【０００９】即ち、フリーマンイオン源は、隔壁が、フ
ィラメントを収容する低アーク電圧放電室を形成すると
共に、通過孔を上面壁に有した放電室隔壁と、上記通過
孔によって連通状態にされた主アーク室を形成する主ア
ーク室隔壁とからなっている。そして、放電室隔壁と主
アーク室隔壁とは、絶縁状態に接続されており、放電室
隔壁は、抵抗器を介してアーク電源に接続されているこ
とを特徴としている。

【００１０】

【作用】上記の構成によれば、アーク放電によってプラ
ズマを生成させた際に、アーク放電の電子が放電室隔壁
から抵抗器を介してアーク電源に流動することになる。

【００１１】従って、アーク電源によって所定の正電圧
が印加されていた放電室隔壁は、アーク電源によって同
等の正電圧が印加されている主アーク室隔壁よりも電圧
が低下することになる。そして、この放電室隔壁の電圧
の低下は、放電室隔壁の上面壁を中間電極として働か
せ、低アーク電圧放電室におけるプラズマ中の不純物イ
オンのエネルギを低下させることになる。これにより、
フリーマンイオン源は、スパッタ率を低下させてフィラ
メントの消耗速度を低下させることができることから、
フィラメントの更新間隔を充分に増大させることが可能
になる。

【００１２】

【実施例】本発明の一実施例を図１ないし図３に基づい
て説明すれば、以下の通りである。

【００１３】本実施例に係るフリーマンイオン源は、図
１に示すように、外部磁界Ｂｓが付与された主アーク室
１と、同様に外部磁界Ｂｓが付与され、主アーク室１の
下側に配置された低アーク電圧放電室２とを有してい
る。低アーク電圧放電室２は、例えばタンタル等の導電
性を有した放電室隔壁３によって形成されており、この
放電室隔壁３は、数１０〜数１００Ω程度の所定の抵抗
値Ｒ₁ を有した抵抗器４を介してアーク電源５の正極側
に接続されている。

【００１４】また、放電室隔壁３の下面壁には、ガス導
入孔３ａが形成されており、このガス導入孔３ａには、
図示しない金属蒸気発生炉等を有する動作ガス供給手段
が接続されている。そして、上記の動作ガス供給手段
は、固体状の不純物を金属蒸気発生炉によって蒸発させ
た動作ガスやガスボンベに充填されていた気体状の不純
物からなる動作ガスを低アーク電圧放電室２に供給する
ようになっている。

【００１５】一方、放電室隔壁３の上面壁３ｃには、ス
リット状の通過孔３ｂが形成されている。この通過孔３
ｂの近傍には、例えばタングステン等からなるＵ字形状
のフィラメント６が低アーク電圧放電室２に設けられて
おり、このフィラメント６は、図２に示すように、軸心
方向が一致した一対の棒状部６ａ・６ｂと、これらの棒
状部６ａ・６ｂを接続する曲折部６ｃとからなってい
る。そして、上記の棒状部６ａ・６ｂは、通過孔３ｂの
長手方向に平行に配設されている。

【００１６】上記のフィラメント６は、図１に示すよう
に、フィラメント６のＵ字形状の中心線と通過孔３ｂの
長手方向の中心線とが平行であると共に、通過孔３ｂの
両端とフィラメント６の棒状部６ａ・６ｂとの間隔が同
等となるように配設されている。そして、フィラメント
６の一方の棒状部６ａには、上述のアーク電源５の負極
側が接続されており、フィラメント電流Ｉｆによって生
じる両棒状部６ａ・６ｂ間のフィラメント磁界Ｂｆが通
過孔３ｂ方向に向かうようになっている。

【００１７】上記のフィラメント６を内蔵した放電室隔
壁３の上方には、上述の主アーク室１が配設されてい
る。この主アーク室１は、主アーク室隔壁８によって形
成されており、この主アーク室隔壁８は、放電室隔壁３
に接続された例えば窒化ホウ素やアルミナ等からなる絶
縁隔壁部７・１３と、絶縁隔壁部７・１３間に設けられ
た導電性を有したアーク室隔壁部１２と、絶縁隔壁１３
の上面に設けられた導電性を有したターゲットカソード
となる上面隔壁１４とからなっている。上記のアーク室
隔壁部１２は、アーク電源５の正極側に接続されてい
る。また、上面隔壁１４は、抵抗器１５を介してアーク
電源５の正極側に接続されており、抵抗器１５は、上面
隔壁１４と引出電極９との間で放電を生起した際に、サ
ージ吸収体として働くようになっている。

【００１８】上記の上面隔壁１４には、スリット状のイ
オン取出孔１４ａが形成されており、このイオン取出孔
１４ａの上方には、負電圧が印加された引出電極９と、
減速電極となる接地電極１０とがこの順に配設されてい
る。そして、引出電極９および接地電極１０には、引出
電極孔９ａおよび接地電極孔１０ａがそれぞれ形成され
ており、引出電極９は、プラズマを生成した主アーク室
１から正電荷を有した不純物イオンを引き出し、イオン
ビーム１１として引出電極孔９ａおよび接地電極孔１０
ａを通過させるようになっている。

【００１９】上記の構成において、フリーマンイオン源
の動作について説明する。

【００２０】先ず、アーク電源５からフィラメント６に
フィラメント電流Ｉｆを流すと、フィラメント６が発熱
を開始することになる。この際、放電室隔壁３、主アー
ク室隔壁８のアーク室隔壁部１２および上面隔壁１４に
は、アーク電源５によって正電圧が印加されている一
方、フィラメント６には、アーク電源５によって負電圧
が印加されている。従って、発熱したフィラメント６
は、主アーク室隔壁８および放電室隔壁３との電位差に
よって電子を放出してアーク放電を生じさせることにな
る。

【００２１】この後、動作ガスが放電室隔壁３のガス導
入孔３ａを介して低アーク電圧放電室２に供給されるこ
とになり、動作ガスのガス粒子と電子とが衝突すること
によって、不純物イオンや電子からなるプラズマが生成
されることになる。

【００２２】上記のアーク放電によりフィラメント６か
ら放出された電子の一部は、アーク電源５によって正電
圧を印加された放電室隔壁３方向へ移動し、放電室隔壁
３および抵抗器４を介してアーク電源５に流動すること
になる。この際、放電室隔壁３からアーク電源５に流動
する電子は、抵抗器４の抵抗値Ｒ₁ とプラズマの抵抗値
Ｒｐ₁ とによって流動量が決定されることになり、放電
室隔壁３は、電子の流動により生じた電流Ｉ₁ と上述の
両抵抗値Ｒ₁ ・Ｒｐ₁ とによって、フィラメント６とア
ーク室隔壁部１２との電位差であるアーク電圧Ｖａより
も低い中間電圧（Ｖａ−Ｒ₁ ×Ｉ₁ ）を有することにな
る。

【００２３】そして、上記の中間電圧を有する放電室隔
壁３は、上面壁３ｃがフィラメント６に対して中間電極
として働くことになり、アーク電圧の例えば１／２〜１
／３程度の電位差を低アーク電圧放電室２に形成するこ
とになる。尚、低アーク電圧放電室２のガス圧は、主ア
ーク室１と低アーク電圧放電室２とが通過孔３ｂを介し
て連通されているのみのため、主アーク室１のガス圧よ
りも高くなっている。

【００２４】従って、低アーク電圧放電室２でのアーク
放電は、高いガス圧によって中間電圧でも維持されてい
る。

【００２５】これにより、低アーク電圧放電室２で生成
されたプラズマ中の不純物イオンのスパッタ率は、上記
の上面壁３ｃとフィラメント６との電位差に応じたエネ
ルギｅ（Ｖａ−Ｒ₁ ×Ｉ₁ ）でもってフィラメント６を
スパッタするため、アーク電圧に対応したエネルギを有
した不純物イオンのスパッタ率よりも低減されたものに
なる。そして、このスパッタ率の低減は、フィラメント
６の消耗速度を低下させることになり、ひいてはフィラ
メント６の更新間隔を増大させることになる。

【００２６】一方、アーク電源５からフィラメント６に
フィラメント電流Ｉｆを流すと、フィラメント６の周囲
には、図２および図３にも示すように、フィラメント磁
界Ｂｆが形成されることになる。このフィラメント磁界
Ｂｆは、平行する棒状部６ａ・６ｂの中心部において磁
界方向が一致しており、放電室隔壁３の通過孔３ｂ方向
に互いに強め合った状態になっている。

【００２７】従って、図１に示すように、フィラメント
６から放出された電子は、フィラメント磁界Ｂｆに沿っ
て放電室隔壁３の通過孔３ｂ方向に積極的に移動するこ
とになり、正電圧を有した上面壁３ｃとの衝突が防止さ
れ、効率良く通過孔３ｂを介して主アーク室１に導入さ
れることになる。

【００２８】上記の主アーク室１に移動された電子は、
電子と共に、低アーク電圧放電室２から通過孔３ｂを介
して移動した動作ガスのガス粒子と衝突することにな
り、この主アーク室１においてもプラズマを生成させる
ことになる。そして、このプラズマ中の正電荷を有した
不純物イオンは、負電圧が印加された引出電極９に引き
寄せられ、主アーク室隔壁８のイオン取出孔１３ａから
放出されてイオンビーム１１とされることになる。

【００２９】このように、本実施例のフリーマンイオン
源は、フィラメント６を有した低アーク電圧放電室２と
主アーク室１とを有し、アーク放電によってプラズマを
生成させた際に、放電室隔壁３の上面壁３ｃを中間電極
とすることによって、低アーク電圧放電室２の電位差を
アーク電圧の電位差よりも低下させ、低アーク電圧放電
室２におけるプラズマ中の不純物イオンのエネルギを低
下させるようになっている。これにより、このフリーマ
ンイオン源は、上面壁３ｃの中間電圧によって、スパッ
タ率を低下させてフィラメント６の消耗速度を低下させ
ることができることから、フィラメント６の更新間隔を
充分に増大させることが可能になっている。

【００３０】

【発明の効果】本発明のフリーマンイオン源は、以上の
ように、アーク電源の正極側に接続された隔壁と、アー
ク電源の負極側に接続されたフィラメントとの電位差に
よってアーク放電を生じさせてプラズマを生成するもの
であり、上記隔壁が、フィラメントを収容する低アーク
電圧放電室を形成すると共に、通過孔を上面壁に有した
放電室隔壁と、上記通過孔によって連通状態にされた主
アーク室を形成する主アーク室隔壁とからなっており、
上記放電室隔壁と主アーク室隔壁とが、絶縁状態に接続
されており、放電室隔壁が、抵抗器を介してアーク電源
に接続されている構成である。

【００３１】これにより、アーク放電の電子が放電室隔
壁から抵抗器を介してアーク電源に流動するため、放電
室隔壁の電圧が低下し、低アーク電圧放電室におけるプ
ラズマ中の不純物イオンのエネルギが低下することにな
ることから、フィラメントへのスパッタ率を低下させて
フィラメントの消耗速度を低下させることができ、結果
としてフィラメントの更新間隔を充分に増大させること
ができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のフリーマンイオン源の隔壁の状態を示
す説明図である。

【図２】フィラメントの周囲に生じる磁界の状態を示す
説明図である。

【図３】フィラメント磁界に沿って電子が移動する状態
を示す説明図である。

【図４】従来例を示すものであり、フリーマンイオン源
の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 主アーク室 ２ 低アーク電圧放電室 ３ 放電室隔壁 ３ａ ガス導入孔 ３ｂ 通過孔 ３ｃ 上面壁 ４ 抵抗器 ５ アーク電源 ６ フィラメント ６ａ 棒状部 ６ｂ 棒状部 ６ｃ 曲折部 ７ 絶縁隔壁部 ８ 主アーク室隔壁 ９ 引出電極 １０ 接地電極 １１ イオンビーム １２ アーク室隔壁部 １３ 絶縁隔壁部 １４ 上面隔壁 １５ 抵抗器 Ｂｆ フィラメント磁界 Ｂｓ 外部磁界

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アーク電源の正極側に接続された隔壁と、
   アーク電源の負極側に接続されたフィラメントとの電位
   差によってアーク放電を生じさせてプラズマを生成する
   フリーマンイオン源において、 上記隔壁は、フィラメントを収容する低アーク電圧放電
   室を形成すると共に、通過孔を上面壁に有した放電室隔
   壁と、上記通過孔によって連通状態にされた主アーク室
   を形成する主アーク室隔壁とからなっており、上記放電
   室隔壁と主アーク室隔壁とは、絶縁状態に接続されてお
   り、放電室隔壁は、抵抗器を介してアーク電源に接続さ
   れていることを特徴とするフリーマンイオン源。