JPH06231709A - パルス状イオンビーム発生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルス状イオンビーム発生の信頼性、安定性
が高く、また連続運転が可能なイオンビームの発生方法
を提供する。 【構成】 本発明のパルス状イオンビームの発生方法
は、カソード14とトリガー電極16との間にアークを発生
させることにより、カソード14とアノード21との間に真
空アーク放電を生じさせ、これにより生じたプラズマか
らイオンを引き出してイオンビームを発生させる方法に
おいて、アーク電流をイオンビームの発生に必要な定常
アーク電流値Ｉ_anとアーク放電を維持するのに必要な放
電維持アーク電流値Ｉ_amとの間で変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に表面改質分野で使
用される金属イオンビームの発生方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入は、主に半導体製造における
ドーピイング処理技術として発達してきたが、近年、イ
オン注入技術を材料の表面改質に適用しようとする機運
が高まり、種々の研究開発が進められて来ている。表面
改質をイオン注入により行うには、ビーム電流の大きい
イオンビームの発生が必要であり、また多様な改質目的
に対応するために注入イオン種の多様性も要求される。
かかる要求を満足するイオンビーム発生装置として、特
開昭６３−２７６８５８号公報に開示されているよう
に、パルス状イオンビーム発生装置がある。この装置に
よると、固体金属カソードとアノードとの間にパルス状
アーク電流を供給してパルス状の真空アーク放電を生じ
させ、これにより生じたプラズマからイオンを引き出し
加速してパルス状のイオンビームを得ている。

【０００３】この場合、イオンビームの1 パルス毎にア
ーク放電の起動、停止を行っており、アーク放電の起動
はカソードに絶縁物を介して設けられたトリガー用電極
にパルス毎にカソードに対して高電圧のトリガパルスを
印加してスパーク( アーク)を発生させることにより行
っている。尚、アーク放電の停止はアーク電流をゼロに
することにより行われる。このように、トリガパルス毎
に真空アーク放電を発生・停止させ、これによりプラズ
マ及びイオンビームのパルス化を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように、パルス毎にトリガー電極とカソード間にアーク
を発生させ、このアークによりアノードとカソード間に
アーク放電を生じさせ、アーク電力の供給・停止を繰り
返すことによりイオンビームをパルス化する方法では、
パルス毎に確実にアーク放電を発生させることが困難で
あり、パルスの欠け落ちが生じ、信頼性・安定性が劣
る。更に、アーク放電を繰り返すうちにカソードから蒸
発した金属がトリガー電極とカソード間の絶縁物に付着
して絶縁性を低下させ、ついにはアーク放電が不可能に
なり、連続運転を行うことが困難で、生産性が低い、と
いう問題がある。

【０００５】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、イオンビーム発生の信頼性、安定性が高く、また連
続運転が可能なパルス状イオンビームの発生方法を提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のパルス状イオン
ビームの発生方法は、カソードとトリガー電極との間に
アークを発生させることにより、カソードとアノードと
の間に真空アーク放電を生じさせ、これにより生じたプ
ラズマからイオンを引き出してイオンビームを発生させ
る方法において、アーク電流をイオンビームの発生に必
要な定常アーク電流値とアーク放電を維持するのに必要
な放電維持アーク電流値との間で反復的に変化させる。

【０００７】

【作用】トリガー電極とカソード間で発生した最初のア
ークにより、一旦アノードとカソード間にアーク放電が
開始した後は、カソードとアノードには常にアーク放電
を維持するのに必要な放電維持アーク電流が流されるの
で、以後アーク放電が持続する。このため、アーク放電
の繰り返しに伴う弊害を防止することができ、またアー
ク発生法として種々のタイプのものが選択可能になる。
例えば、トリガー電極とカソードとの機械的接触・離反
により簡単確実にアークを発生させることができる。ま
た、トリガー電極は、通常、カソードから離れた位置に
あるため、トリガー電極とカソードとの絶縁性は常に確
保されており、トリガー電極の絶縁不良によるアーク放
電の停止のおそれはない。

【０００８】アーク電流が放電維持アーク電流値にある
場合、プラズマ密度は非常に小さく、イオンビームは発
生しないが、定常アーク電流値に変化させることによ
り、電流の変化に応じてプラズマ密度が急速に大きくな
り、プラズマ中のイオンが引き出し電極により引き出さ
れてイオンビームが発生するようになる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明を実施するためのイオンビーム
発生装置の機械的構成の一例を示す概念図であり、該装
置は石英等の絶縁材で形成された円筒部材1 を備えてお
り、その一端開口部には該開口部を閉塞する基板2 が付
設され、他方の開口部には一対のリング状部材3 、4 が
絶縁部材5 を介して気密に連設されている。前記円筒部
材1 の内部は真空室6 とされ、該真空室6 に基板2 の中
心部に突設した電極基部7 と同心状に導電性、熱伝導性
に優れた内筒8 及び外筒9 が配設され、内筒8 及び外筒
9 の基部に形成されたフランジ部は、前記基板2 の周縁
部と前記円筒部材1 の端部との間に絶縁部材10、11を介
して気密に連設されている。

【００１０】前記電極基部7 の先端部には所期のイオン
を得るための固体金属からなるカソード14が一部埋設さ
れ、該カソード14の外周縁部にはリング状絶縁部材15が
付設されている。カソード14の近傍には空間を介してト
リガー電極16が支持部材17の先端に保持され、該支持部
材17の脚部は基板2 に貫通状に取付られた絶縁部材18に
よって支持されている。

【００１１】前記内筒8 の中央部には支持板を介してリ
ング状のアノード21が付設されており、一方、前記外筒
9 の中央部並びにリング状部材3 、4 には各々支持板を
介して3 枚の第1 グリット22、第2 グリット23、第3 グ
リット24が付設され、これらのグリットにより引き出し
電極25が構成されている。該装置のリング状部材4 は、
イオンビームの被照射対象物が収納される真空槽50( 本
発明構成外) に気密に接続され、真空槽50と真空室6 と
が連通状とされる。真空槽50には真空ポンプに配管され
た排気管が接続されており、排気管から真空槽50内のガ
スを排気することにより、真空槽50及び真空室6 が真空
状態にされる。

【００１２】図2 は前記イオンビーム発生装置の電気回
路ブロック図であり、カソード14とトリガー電極16との
間には10〜20kVのトリガーパルスを発生させるトリガー
電源31が接続され、カソード14とアノード21との間には
可変電流インバーター等のアーク電源32が接続され、該
アーク電源32には出力電流を制御するための電圧信号(
通常0 〜10V 程度) を出力するパルス電圧発生器33が接
続されている。

【００１３】前記アーク電源32の正側には抵抗34を介し
て第一グリット22が接続され、該第一グリット22とアノ
ード21との間には火花ギャップ機構35が設けられてい
る。前記第一グリット22はアノード21に対して低電位と
することにより、アノード21の開口より拡散してきたプ
ラズマからイオンを引き込むためのものである。また、
前記アーク電源32の正側と第3 グリット24との間には後
者を負側とする数十kVの加速電圧が加速電源36により常
時印加され、第一グリット22から第3 グリット24にかけ
て電位が大きく降下しており、これにより第1 グリット
22により引き込まれたイオンが第３グリット24側に加速
される。また、第2 グリット23と第３グリット24との間
には前者を負側とする抑制電源37が接続され、第2 グリ
ット23が第３グリット24に対して僅かに負電位とされ、
アノード21側への電子の逆流を防止している。

【００１４】本発明を実施するには、まず、イオンビー
ムを発生することなくアーク放電を維持するのに必要
な、好ましくは最低の放電維持アーク電流値Ｉ_amをアー
ク電源32から流すのに必要な制御電圧( Ｌ) およびイオ
ンビームを発生させるのに必要な定常アーク電流値Ｉ_an
を流すのに必要な制御電圧( Ｈ) を求め、パルス電圧発
生器33からＬを出力し、アーク電源32からＩ_amを流すよ
うにしておく。また、引き出し電極25に加速電圧、抑制
電圧を印加しておく。

【００１５】そして、図3 に示すように、トリガー電極
16にトリガーパルスを1 発印加すると、カソード14とア
ノード21との間にアーク放電が開始する。尚、放電を確
実にするためトリガーパルスを数発印加するようにして
もよい。この際、アーク電流はＩ_amに押さえられている
ため、プラズマ密度は極めて低く、イオンビームは発生
せず、ビーム電流はほとんど零である。この状態でパル
ス電圧発生器33よりＨを出力すると、充分なアーク放電
プラズマが形成され、加速電圧が印加された引き出し電
極25によりイオンビームが生成される。この状態ではビ
ーム電流はアーク電流に呼応して大きな値となってい
る。このようにパルス電圧発生器33からＬ、Ｈを周期的
に変化させることにより、実質的にパルス状のイオンビ
ームを形成することができる。

【００１６】図3 の具体的数値の一例を下記に示す。こ
の例はＴｉイオンビームを生成する場合のものである。 トリガー電極電圧 （Ｖt ）： ２０ ｋＶ 定常アーク電流値 （Ｉ_an）： 160 〜180 Ａ 放電維持アーク電流値（Ｉ_am）： 60 〜 80 Ａ 加速電圧 （Ｖ_a ）： ７０ ｋＶ 定常イオンビーム電流（Ｉ_i ）： 500 ｍＡ パルス幅 （Ｔp ) ： １ ｍｓ パルス周波数 ： １０ Ｈｚ 叙上のイオンビーム発生装置では、トリガー電極はカソ
ードの近傍に固定したものを説明した。かかる例によっ
ても、従来に比して電極構造の簡単化を図ることができ
るが、本発明によれば、アーク発生手段を自由に選択す
ることができ、例えば、図１中に二点鎖線で示したよう
に、トリガー電極16を支持する支持部材17の脚部を基板
2 に貫通状に取付られた絶縁部材18に気密かつ軸方向及
び周方向に可回動に支持することにより、トリガー電極
16の先端をカソード14の先端面に当接・離反することが
でき、かかる機械的操作によってアークを確実に発生さ
せることができる。また、アーク放電開始後、トリガー
電極16を内筒8 側に退避させることにより、電極がプラ
ズマにほとんど曝されないようになり、電極のより長寿
命化を図ることができる。この場合、図４に示すよう
に、トリガー電極16は短絡防止用の抵抗40を介してアノ
ード21に接続すればよく、図2 に示すトリガー電源31が
不要になり、電気回路の簡単化を図ることができる。

【００１７】本発明を実施するためのイオンビーム発生
装置は、叙上のものに限らず、必要に応じて電極基部7
や内筒8 、外筒9 のフランジ部等に冷却流体を流すため
の流路を形成してもよく、またアノード21の開口から第
1 グリット22側にプラズマが流出するのを促進するため
のマグネットコイルを円筒部材1 の外周部の同心状に設
けてもよい。

【００１８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のパルス状イ
オンビームの発生方法は、アーク電流をイオンビームの
発生に必要な定常アーク電流値とアーク放電を維持する
のに必要な放電維持アーク電流値との間で変化させるの
で、一旦アノードとカソード間にアーク放電が開始した
後は、アーク放電が持続し、従来のようにパルス毎にア
ーク放電を発生させる必要がなく、イオンビームの信頼
性、安定性が高い。また、アーク放電の開始に必要なカ
ソードとトリガー電極間のアーク発生についても、パル
ス毎に行う必要がないため、従来のようにトリガー電極
の絶縁不良のおそれがなく、連続運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するためのイオンビーム発生装置
の断面説明図である。

【図２】本発明を実施するためのイオンビーム発生装置
の電気回路ブロック図である。

【図３】本発明実施例のタイムチャートである。

【図４】本発明を実施するためのイオンビーム発生装置
の他の電気回路ブロック図である。

【符号の説明】

14 カソード 16 トリガー電極 21 アノード 25 引き出し電極 31 トリガー電源 32 アーク電源 33 パルス電圧発生器 36 加速電源 37 抑制電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宗政 淳 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所西神総合研究地区内 (72)発明者 犬石 典之 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所西神総合研究地区内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カソードとトリガー電極との間にアーク
   を発生させることにより、カソードとアノードとの間に
   真空アーク放電を生じさせ、これにより生じたプラズマ
   からイオンを引き出してイオンビームを発生させる方法
   において、 アーク電流をイオンビームの発生に必要な定常アーク電
   流値とアーク放電を維持するのに必要な放電維持アーク
   電流値との間で反復的に変化させることを特徴とするパ
   ルス状イオンビーム発生方法。