JPH06275223A - 高周波イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ密度ひいてはイオン電流密度の減少
を小さく抑えつつ、プラズマを安定化すると共に高周波
電極のスパッタリングを抑制することができる高周波イ
オン源を提供する。 【構成】 プラズマ生成容器４と高周波電極５との間
に、両者間で絶縁破壊が起こる前にオンする過電圧保護
素子３４とコイル３２とを互いに直列接続した回路を接
続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばイオン注入装
置、非質量分離型のイオンドーピング装置等に用いられ
るものであって、高周波電極を用いたいわゆる容量結合
型の高周波イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来の高周波イオン源の一例を
その電源と共に示す概略図である。この高周波イオン源
２ａは、高周波放電によってプラズマ１０を発生かつ保
持するためのプラズマ生成容器４と、このプラズマ生成
容器４内のプラズマ１０から電界の作用でイオンビーム
２０を引き出す引出し電極系１２とを備えている。

【０００３】このプラズマ生成容器４には、その背面部
に背面板を兼ねる高周波電極５が絶縁碍子６を介して取
り付けられている。この例では、プラズマ生成容器４が
一方の高周波電極を兼ねており、このプラズマ生成容器
４と高周波電極５間に整合回路２４を介して高周波電源
２２が接続されている。

【０００４】引出し電極系１２は、この例では４枚の多
孔電極、即ち引出し電極１４、加速電極１５、抑制電極
１６および接地電極１７で構成されている。

【０００５】引出し電極１４には引出し電源２６からイ
オンビーム引出し用の正電圧が、加速電極１５には加速
電源２８からイオンビーム加速用の正電圧が、抑制電極
１６には抑制電源３０から逆流電子抑制用の負電圧が、
それぞれ供給される。接地電極１５は接地されている。

【０００６】動作例を説明すると、プラズマ生成容器４
内を引出し電極系１２を介して真空排気しながら、プラ
ズマ生成容器４内にイオン化させるためのガス８を導入
し、プラズマ生成容器４と高周波電極５間に高周波電源
２２から高周波電力を供給すると、プラズマ生成容器４
内において高周波放電が起こりそれによってガス８が分
解されてプラズマ１０が作られる。このプラズマ１０中
のイオンは、高電圧を印加した引出し電極系１２によっ
てイオンビーム２０として引き出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記整合回路２４内に
は通常は直列にコンデンサが挿入されており、従って上
記イオン源２ａの場合、プラズマ生成容器４と高周波電
極５間は直流的には開放されている。即ち、プラズマ生
成容器４側は電源２６、２８を介して接地されているの
で問題はないとしても、高周波電極５は直流的には浮い
ている。

【０００８】ところが、上記プラズマ１０中の電子の方
がイオンよりも軽くて移動度（モビリティ）が大きいた
め、電子の方が高周波電極５に流入しやすく、そのた
め、イオンビーム２０の引き出し中に高周波電極５に負
の自己バイアス電圧が発生する。

【０００９】そうなると、プラズマ１０中のイオンがこ
の自己バイアス電圧によって高周波電極５に向けて加速
され、それによって高周波電極５がスパッタされて不純
物がプラズマ１０中に混入する等の問題が発生する。

【００１０】また、プラズマ１０中からイオンビーム２
０としてイオンを引き出すと、当該イオンは引出し電極
系１２の近傍から引き出されるからその反対側との間に
電位差が生じ、それによってプラズマ１０の電子がイオ
ンの引き出し方向と反対方向、即ち高周波電極５側に加
速され、この電子が高周波電極５に流入することによっ
て高周波電極５の電位が負側に益々大きくなる。

【００１１】そうなると、プラズマ生成容器４内には荷
電粒子が多数存在しているので、プラズマ生成容器４内
においてその壁面と高周波電極５との間で絶縁破壊が起
こって散発的な放電が発生するようになる。そうなる
と、高周波電源２２から見た負荷側のインピーダンスが
過渡的に急変するので、整合回路２４を設けていても、
高周波電源２２からプラズマ１０への高周波電力の供給
がうまく行われなくなり、そのためプラズマ１０が不安
定になり、ひいてはイオンビーム２０も不安定になると
いう問題が生じる。

【００１２】上記のような問題を解決するために、図４
に示すように、プラズマ生成容器４と高周波電極５間に
コイル３２を接続した高周波イオン源２ｂが提案されて
いる。

【００１３】このようにすれば、コイル３２によってプ
ラズマ生成容器４と高周波電極５間が直流的には短絡さ
れているので、高周波電極５に流入した電子はプラズマ
生成容器４および電源２６、２８を経由してアースへ逃
がされることになり、高周波電極５には上記のような自
己バイアス電圧は発生せず、従って高周波電極５のスパ
ッタリングは起こりにくくなる。また、プラズマ生成容
器４と高周波電極５間で絶縁破壊が起こりにくくなるの
で、プラズマ１０も安定化する。

【００１４】しかしながら、このようにして高周波電極
５の自己バイアスを無くすると、プラズマ１０の密度が
減少し、ひいてはイオンビーム２０のイオン電流密度が
減少するという新たな問題が発生する。これは、図３の
例では、高周波電極５の自己バイアス電圧に引かれたプ
ラズマ１０中のイオンが高周波電極５に衝突してそこか
ら二次電子を放出させ、これがプラズマ１０の密度を高
めるのに貢献していたのであるが、このような作用が図
４の例では期待できないからである。

【００１５】そこでこの発明は、プラズマ密度ひいては
イオン電流密度の減少を小さく抑えつつ、プラズマを安
定化すると共に高周波電極のスパッタリングを抑制する
ことができる高周波イオン源を提供することを主たる目
的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の高周波イオン源は、前述したようなプラ
ズマ生成容器と高周波電極間に、両者間で絶縁破壊が起
こる前にオンする過電圧保護素子とコイルとを互いに直
列接続した回路を接続したことを特徴とする。

【００１７】

【作用】上記構成によれば、高周波電極の自己バイアス
等による負電位が小さいときは過電圧保護素子はオフし
ているのでコイルの接続は切られており、高周波電極の
負電圧の大きさが過電圧保護素子がオンする電圧に達す
ると、過電圧保護素子がオンしてそれを介してコイルが
プラズマ生成容器と高周波電極間に接続され、両者間は
直流的に短絡された状態に近くなる。従って、高周波電
極の自己バイアス等による負電位の大きさを、過電圧保
護素子がオンする電圧以下に抑制することができる。

【００１８】その結果、プラズマ中のイオンによる高周
波電極のスパッタリングを抑制することができると共
に、プラズマ生成容器と高周波電極間で絶縁破壊が起こ
るのを防止してプラズマを安定化することができる。

【００１９】しかも、過電圧保護素子がオンする電圧ま
では高周波電極の負電位が大きくなれるので、プラズマ
中のイオンの衝突による高周波電極からの二次電子放出
が期待できる。その結果、上記のようなコイルを設けて
も、プラズマ密度ひいてはイオン電流密度の減少を小さ
く抑えることができる。

【００２０】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係る高周波イ
オン源をその電源と共に示す概略図である。図３および
図４の従来例と同一または相当する部分には同一符号を
付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明
する。

【００２１】この実施例の高周波イオン源２ｃにおいて
は、前述したようなプラズマ生成容器４と高周波電極５
との間に、過電圧保護素子３４とコイル３２とを互いに
直列接続した回路を接続している。

【００２２】この過電圧保護素子３４は、プラズマ生成
容器４と高周波電極５間で絶縁破壊が起こって放電が起
こる前に、即ち高周波電極５の自己バイアス等による負
電位の大きさがこのような絶縁破壊が起こる電圧に達す
る前にオンして（即ち急激に導通して）低抵抗になる特
性を有している。

【００２３】より具体的には、高周波電極５の負電位が
−１〜−２ＫＶ程度でプラズマ１０中のイオンによるス
パッタ率が最大になるので、過電圧保護素子３４がオン
する電圧は１ＫＶ以下にするのが好ましいと言える。

【００２４】この過電圧保護素子３４としては、例えば
ＳiＣ系バリスタ、ツェナダイオード等のダイオードバ
リスタ、あるいはＢaＴiＯ₃ 系バリスタ、ＺnＯ系バリ
スタ等のセラミックバリスタ等を用いることができる。
これらの内、ツェナダイオードのような非対称形のもの
は、勿論、それに逆バイアス電圧が印加されるように、
即ちそのアノードが高周波電極５側に、カソードがプラ
ズマ生成容器４側になるように接続する。

【００２５】このような高周波イオン源２ｃにおいて
は、高周波電極５の前述したような自己バイアス等によ
る負電位が小さいときは過電圧保護素子３４はオフして
いるのでコイル３２の接続は切られており、高周波電極
５の負電位の大きさが過電圧保護素子３４がオンする電
圧に達すると、過電圧保護素子３４がオンしてそれを介
してコイル３２がプラズマ生成容器４と高周波電極５間
に接続され、両者間は直流的に短絡された状態に近くな
る。従って、高周波電極５の自己バイアス等による負電
位の大きさを、過電圧保護素子３４がオンする電圧以下
に抑制することができる。

【００２６】その結果、プラズマ１０中のイオンによる
高周波電極５のスパッタリングを抑制することができ、
ひいては、スパッタリングによってプラズマ１０中に不
純物が混入する等の問題が発生するのを抑えることがで
きる。

【００２７】また、プラズマ生成容器４と高周波電極５
間で絶縁破壊が起こるのを防止することができるので、
高周波電源２２からプラズマ１０に安定して高周波電力
を供給することができ、それによってプラズマ１０、ひ
いてはイオンビーム２０を安定化することができる。

【００２８】しかも、過電圧保護素子３４がオンする電
圧までは高周波電極５の負電位が大きくなれるので、プ
ラズマ１０中のイオンの衝突による高周波電極５からの
二次電子放出が期待できる。その結果、上記のようなコ
イル３２を設けても、プラズマ密度ひいてはイオン電流
密度の減少を小さく抑えることができる。

【００２９】図２は、実施例および従来例の場合のイオ
ン電流密度の測定結果の例を示す図である。横軸は高周
波電源２２からプラズマ生成容器４と高周波電極５間に
供給する高周波電力であり、縦軸はイオンビーム２０の
イオン電流密度である。また、図中の実施例は図１の過
電圧保護素子３４としてオン電圧が１６５ＶのＺnＯ系
バリスタを用いたものであり、従来例１は図３のコイル
なしの場合であり、従来例２は図４のコイル付の場合で
ある。このときの運転条件は、ガス８が５％ＰＨ₃／Ｈ
₂ 、プラズマ生成容器４内のガス圧が約５×１０^-4Ｔｏ
ｒｒ、高周波電源２２の出力周波数が１３．５６ＭＨ
ｚ、イオンビーム２０のエネルギーが５０ＫｅＶであっ
た。

【００３０】図に示すように、実施例の場合は、図３の
コイルなしの従来例１にほぼ近いイオン電流密度を得る
ことができる。しかも実施例の場合は、前述したよう
に、プラズマを安定化すると共にスパッタリングを抑制
することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、プラズ
マ生成容器と高周波電極間に、両者間で絶縁破壊が起こ
る前にオンする過電圧保護素子とコイルとを互いに直列
接続した回路を接続したので、これによって高周波電極
の自己バイアス等による負電圧の大きさを、過電圧保護
素子がオンする電圧以下に抑制することができる。

【００３２】その結果、プラズマ中のイオンによる高周
波電極のスパッタリングを抑制することができると共
に、プラズマ生成容器と高周波電極間で絶縁破壊が起こ
るのを防止してプラズマを安定化することができる。

【００３３】しかも、過電圧保護素子がオンする電圧ま
では高周波電極の負電位が大きくなれるので、プラズマ
中のイオンの衝突による高周波電極からの二次電子放出
が期待できる。その結果、上記のようなコイルを設けて
も、プラズマ密度ひいてはイオン電流密度の減少を小さ
く抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る高周波イオン源をそ
の電源と共に示す概略図である。

【図２】実施例および従来例の場合のイオン電流密度の
測定結果の例を示す図である。

【図３】従来の高周波イオン源の一例をその電源と共に
示す概略図である。

【図４】従来の高周波イオン源の他の例をその電源と共
に示す概略図である。

【符号の説明】

２ａ〜２ｃ 高周波イオン源 ４ プラズマ生成容器 ５ 高周波電極 ６ 絶縁碍子 １０ プラズマ １２ 引出し電極系 ２０ イオンビーム ２２ 高周波電源 ２４ 整合回路 ３２ コイル ３４ 過電圧保護素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ生成容器とその背面部に絶縁碍
   子を介して取り付けられた高周波電極との間の高周波放
   電によってプラズマ生成容器内にプラズマを発生させる
   高周波イオン源において、前記プラズマ生成容器と高周
   波電極間に、両者間で絶縁破壊が起こる前にオンする過
   電圧保護素子とコイルとを互いに直列接続した回路を接
   続したことを特徴とする高周波イオン源。