JPH06349434A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 プラズマチャンバ４のプラズマスリット１
が、絶縁スペーサ１１によってプラズマチャンバ４の他
の部位と絶縁されていると共に、スリット印加電源１５
により、上記プラズマスリット１とプラズマチャンバ４
の他の部位との間には電位差Ｖ_s が生じている構成であ
る。 【効果】 イオン源の運転中、プラズマスリット１のイ
オン引出口１ａ付近に堆積した付着物が、プラズマチャ
ンバ４内で生成されたプラズマ中の正イオンによるスパ
ッタリングによって除去されるので、イオン引出口１ａ
付近に堆積する付着物は、従来と比較して大幅に減少
し、イオン源の長寿命化が図れる。イオン引出口１ａが
付着物で塞がれて開口面積が変化することもなく、引き
出し電流量の時間的な変化が少ない安定なイオンビーム
が長時間にわたって得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばイオン注入装置
等に供され、プラズマを生成してそのプラズマからイオ
ンを引き出すイオン源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、元素をプラズマ化し、プラズマ中
のイオンをイオンビームとして引き出すイオン源は、イ
オン注入装置をはじめとして様々な分野に利用されてい
る。このイオン源には、磁界中のマイクロ波放電により
プラズマを発生させるマイクロ波型のイオン源がある。

【０００３】このマイクロ波型のイオン源は、図３に示
すように、マグネトロンから出力されるマイクロ波電力
を伝達するウェーブガイド５６と、固体イオン源物質を
蒸発させてチャンバ内に導入するためのベーパライザ６
０と、ガスイオン源物質やアルゴンガス等のキャリアガ
スをチャンバ内に導入するためのガス導入管６１とが接
続されたプラズマチャンバ５４を有している。

【０００４】上記プラズマチャンバ５４の導波管５６側
の壁面には、マイクロ波電力をチャンバ内に導入するた
めの窒化ボロン（ＢＮ）等からなるマイクロ波導入窓部
材５５が設けられている。

【０００５】また、上記プラズマチャンバ５４の周囲に
は、チャンバ内にビーム引き出し方向と略平行な磁界を
形成するソースマグネット５９が配設されている。

【０００６】そして、このイオン源は、マグネトロンか
ら出力されたマイクロ波電力をウェーブガイド５６およ
びマイクロ波導入窓部材５５を介してプラズマチャンバ
５４内に導入させ、上記ソースマグネット５９の形成す
る磁界中において、チャンバ内に導入されているＢＦ₃
等のガスイオン種をマイクロ波放電によりプラズマ化さ
せるようになっている。

【０００７】このプラズマチャンバ５４のマイクロ波導
入窓部材５５と対向する壁面には、例えばスリット状の
イオン引出口６２ａが穿設されたプラズマスリット６２
が形成されており、プラズマチャンバ５４の外部には、
上記プラズマスリット６２と対向して配置された引出電
極５７が設けられている。

【０００８】そして、イオン源は、プラズマチャンバ５
４と引出電極５７との間に、プラズマチャンバ５４が引
出電極５７より正となる電位差を生じさせて強い外部電
界をかけ、この外部電界によりプラズマスリット６２の
イオン引出口６２ａからイオンを引き出すことにより、
イオンビームを形成するようになっている。

【０００９】ところで、プラズマチャンバ５４内に、例
えばＢＦ₃ ガスを使用してプラズマを生成すると、プラ
ズマ形成物質によってチャンバ内壁がスパッタリングさ
れ、その結果発生する物質がマイクロ波導入窓部材５５
やチャンバ内壁に付着することになる。もし、上記マイ
クロ波導入窓部材５５に導電性物質が付着すると、マイ
クロ波が反射されてプラズマチャンバ５４内にマイクロ
波電力が供給されなくなってしまうといった不都合が生
じるので、通常、スパッタリングによって生成される物
質が絶縁物となるように、プラズマチャンバ５４の内壁
は、窒化ボロン（ＢＮ）等からなるライナー５３にて形
成され、プラズマスリット６２の内側にもＢＮ等からな
るシールド部材５２が貼着されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成におい
て、プラズマチャンバ５４内に、例えばＢＦ₃ ガスを使
用してプラズマを生成すると、上述のように、プラズマ
チャンバ５４の内壁を形成するライナー５３やシールド
部材５２がスパッタリングされることになるが、その結
果発生する物質が、図４に示すように、プラズマスリッ
ト６２のイオン引出口６２ａ付近にも付着する。

【００１１】上記の付着物質７０がＢやＢＮ等の高融点
物質の場合、イオン源使用時間とともにその付着量が増
大して、やがてイオン引出口６２ａを塞いでしまい、イ
オン引出口６２ａの面積が減少することになり、ひいて
はイオン源から引き出せるイオン電流量の低下を引き起
こすといった不都合が生じる。

【００１２】従来のイオン源では、上記の現象によって
その使用時間が制約され、寿命が短いものとなってい
る。また、引き出し電流量が時間とともに低下するた
め、従来のイオン源により得られるイオンビームは、安
定性が悪いものとなっている。

【００１３】本発明は、上記に鑑みなされたものであ
り、その目的は、長寿命化が図れると共に、長時間安定
なイオンビームが得られるイオン源を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン源は、プ
ラズマを生成するプラズマチャンバを備え、上記プラズ
マチャンバに形成されたイオン引出口からプラズマ中の
イオンを引き出すことによってイオンビームを形成する
ものであって、上記の課題を解決するために、以下の手
段が講じられていることを特徴としている。

【００１５】即ち、上記イオン源は、上記プラズマチャ
ンバのイオン引出口付近がプラズマチャンバの他の部位
と絶縁されていると共に、上記イオン引出口付近とその
他の部位との間に電位差を生じさせる電位差発生手段
（例えば、両者間に接続される電源）を有している。

【００１６】

【作用】上記の構成によれば、プラズマチャンバのイオ
ン引出口付近が他の部位と絶縁され、これらの間には電
位差発生手段によって電位差が生じている。例えば、イ
オン引出口付近がプラズマチャンバの他の部位よりも負
電位になっていれば、イオン引出口付近とその他の部位
との間に生じる電界により、プラズマチャンバ内のプラ
ズマ中の荷電粒子が、イオン引出口付近へと引き込ま
れ、イオン引出口付近に堆積した付着物が荷電粒子によ
ってスパッタリングされる現象が起こる。

【００１７】このように、イオン源の運転中、イオン引
出口付近に堆積した付着物が、スパッタリングによって
除去されるので、イオン引出口付近に堆積する付着物
は、従来と比較して大幅に減少し、イオン引出口が付着
物により覆われることによってイオン源の使用が不可能
となるといった事態が回避され、イオン源の寿命が従来
よりも延長する。

【００１８】また、イオン源を長時間運転しても、イオ
ン引出口が付着物の堆積によって塞がらないので、イオ
ン引出口の面積が変化することもなく、引き出し電流量
の時間的な変化が少ない安定なイオンビームが長時間に
わたって得られる。

【００１９】

【実施例】本発明の一実施例について図１および図２に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００２０】本実施例のイオン源は、電子サイクロトロ
ン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）条件
の磁界中でマイクロ波放電を生じさせてプラズマを生成
し、このプラズマからイオンをビームとして引き出すマ
イクロ波型のイオン源（ＥＣＲイオン源）であり、例え
ばイオン注入装置に搭載されるようになっている。

【００２１】上記イオン源は、例えば2.４５ＧＨｚのマ
イクロ波を出力するマグネトロン（図示せず）と、この
マグネトロンを作動させるマグネトロン電源（図示せ
ず）とを有しており、上記マグネトロンは、図１に示す
ように、ウェーブガイド６を介してプラズマチャンバ４
に接続されている。

【００２２】上記プラズマチャンバ４のウェーブガイド
６側の壁面には、マイクロ波電力をチャンバ内に導入す
るためのマイクロ波導入窓部材５が設けられている。こ
のマイクロ波導入窓部材５は、例えばＢＮ等のように、
マイクロ波が通過可能な比較的高い誘電率を有し、且
つ、耐腐食性が高く、高温にも強い高融点物質により形
成されている。

【００２３】上記プラズマチャンバ４には、固体イオン
源物質を蒸発させてチャンバ内に導入するためのベーパ
ライザ１０と、ＢＦ₃ 等のガスイオン源物質やＡｒ等の
キャリアガスをチャンバ内に導入するためのガス導入管
１２とがそれぞれ接続されている。

【００２４】上記プラズマチャンバ４の外壁部は、ステ
ンレス等の金属により形成されていると共に、その内側
が絶縁性の高いＢＮからなるＢＮライナー３によって被
われている。

【００２５】上記プラズマチャンバ４のマイクロ波導入
窓部材５と対向する壁面には、スリット状のイオン引出
口１ａが穿設されたプラズマスリット１が形成されてお
り、このプラズマスリット１の内側にもＢＮからなるＢ
Ｎシールド２が設けられている。また、上記プラズマス
リット１は、ＢＮからなる絶縁スペーサ１１によってプ
ラズマチャンバ４の他の部位と絶縁されている。そし
て、上記プラズマスリット１がプラズマチャンバ４の他
の部位よりも電圧Ｖ_s （0.５〜1.５ｋＶ程度）だけ負電
位になるように、電位差発生手段としてのスリット印加
電源１５の負極端子がプラズマスリット１に、その正極
端子がプラズマスリット１の他の部位にそれぞれ接続さ
れている。

【００２６】上記プラズマスリット１からイオンの引き
出し方向には、ビーム通過孔７ａが形成された引出電極
７およびビーム通過孔８ａが形成された減速電極８がこ
の順に配設されている。

【００２７】上記減速電極９は接地されて大地電位に、
そして、引出電極８は減速電極９よりも負電位になるよ
うに、減速電源１３より負の電圧Ｖ_d が印加されてい
る。そして、上記プラズマチャンバ４には、引出電源１
４の正極端子が接続されており、この引出電源１４より
高電圧の引出電圧Ｖ_e が印加されるようになっている。
これにより、プラズマチャンバ４（プラズマチャンバ４
のプラズマスリット１）と引出電極７との間に所定の電
位差が生じて強い外部電界が形成され、この外部電界に
より、プラズマチャンバ４内で生成されたプラズマ中の
正イオンが、プラズマスリット１のイオン引出口１ａか
ら引き出され、イオンビームが形成されるようになって
いる。上記のように、引出電極７を減速電極８よりも負
電位にすることにより、引出電極７よりも下流で発生し
た電子の逆流（電子がプラズマチャンバ４内に流れ込む
現象）を防ぐことができるようになっている。

【００２８】上記の引出電極７および減速電極８は、上
記プラズマチャンバ４と共に、高真空状態にされた真空
チャンバ（図示せず）内に設けられている。

【００２９】また、上記プラズマチャンバ４の周囲に
は、ソレノイドコイルを備えたソースマグネット９が配
設されており、このソースマグネット９は、プラズマチ
ャンバ４内に、ビーム引き出し方向と略平行な磁界を形
成するようになっている。上記ソレノイドコイルには、
図示しないソースマグネット電源が接続されており、ソ
ースマグネット電源よりソースマグネット電流が供給さ
れるようになっている。

【００３０】上記の構成において、イオン源の動作につ
いて説明する。

【００３１】先ず、プラズマチャンバ４内にＢＦ₃ 等の
イオン源物質が導入されると共に、ソースマグネット９
のソレノイドコイルにソースマグネット電源よりソース
マグネット電流が供給され、プラズマチャンバ４内にビ
ーム引き出し方向と略平行な磁界が形成される。また、
マグネトロンが作動され、マイクロ波電力の出力が開始
されることになる。

【００３２】上記マイクロ波電力は、ウェーブガイド６
を介してマイクロ波導入窓部材５に到達し、このマイク
ロ波導入窓部材５を通過してプラズマチャンバ４内に導
入されることになる。そして、ＥＣＲ現象によるマイク
ロ波放電によって、プラズマチャンバ４内に導入されて
いるイオン源物質がプラズマ化される。

【００３３】上記プラズマチャンバ４のプラズマスリッ
ト１と引出電極７との間には、減速電源１３、引出電源
１４、およびスリット印加電源１５により、（Ｖ_e ＋Ｖ
_d −Ｖ_s ）の電位差が生じており、この電位差によって
形成される強い外部電界によってプラズマチャンバ４内
のプラズマ中から正イオンが引き出され、イオンビーム
が形成される。

【００３４】ここで、イオン源物質としてＢＦ₃ を使用
してプラズマを生成すると、プラズマ形成物質によって
チャンバ内壁のＢＮライナー３がスパッタリングされ、
その結果発生するＢやＢＮ等の高融点物質が、図２に示
すように、プラズマスリット１の内側部分にも付着する
ことになる。しかしながら、本実施例では、プラズマス
リット１がプラズマチャンバ電位よりも電圧Ｖ_s だけ負
電位になっているため、これらの間に生じる電界によ
り、プラズマチャンバ４内のプラズマ中の正イオンが、
プラズマスリット１へと引き込まれ、プラズマスリット
１に堆積した付着物２０が正イオンによってスパッタリ
ングされる現象が起こる。これにより、イオン源の運転
中、プラズマスリット１へ付着した付着物２０が除去さ
れる。

【００３５】以上のように、本実施例のイオン源は、プ
ラズマを生成するプラズマチャンバ４を備え、上記プラ
ズマチャンバ４におけるプラズマスリット１のイオン引
出口１ａからプラズマ中のイオンを引き出すことによっ
てイオンビームを形成するものであって、上記プラズマ
チャンバ４のプラズマスリット１が、絶縁スペーサ１１
によってプラズマチャンバ４の他の部位と絶縁されてい
ると共に、スリット印加電源１５により、上記プラズマ
スリット１とプラズマチャンバ４の他の部位との間には
電位差Ｖ_s が生じている構成である。

【００３６】このため、イオン源の運転中、プラズマス
リット１に堆積した付着物２０が、プラズマ中の正イオ
ンによってスパッタリングされることによって除去され
るので、プラズマスリット１に堆積する付着物２０は、
従来と比較して大幅に減少し、プラズマスリット１のイ
オン引出口１ａが付着物２０によって覆われることによ
ってイオン源の使用が不可能となるといった事態が回避
され、イオン源の寿命が従来よりも延長する。

【００３７】また、イオン源を長時間運転しても、プラ
ズマスリット１のイオン引出口１ａが付着物２０の堆積
によって塞がらないので、イオン引出口１ａの面積が変
化することもなく、引き出し電流量の時間的な変化が少
ない安定なイオンビームが長時間にわたって得られる。

【００３８】尚、プラズマスリット１のイオン引出口１
ａ付近のスパッタリング効率をよくするために、図２に
示すように、ＢＮシールド２のイオン引出口１ａのため
の開口部は、イオン引出口１ａのサイズよりも大きくす
ることが望ましい。

【００３９】また、スリット印加電源１５の印加電圧Ｖ
_s （プラズマスリット１の電位とプラズマチャンバ電位
との差）は、付着物２０が堆積する速度とスパッタリン
グによって付着物２０が削り取られる速度とがほぼ平衡
となるように設定することが望ましい。この電圧Ｖ
_s は、生成プラズマおよびプラズマチャンバ４の内壁の
材質によって決まるものであり、通常、0.１〜2.０ｋＶ
程度、上記実施例では0.５〜1.５ｋＶ程度である。

【００４０】また、上記実施例では、プラズマスリット
１をプラズマチャンバ４の他の部位よりもＶ_s だけ負電
位にして、プラズマスリット１が正イオンによってスパ
ッタリングされるようにしているが、これに限定される
ものではない。即ち、プラズマスリット１をプラズマチ
ャンバ４の他の部位よりも正電位にして、プラズマスリ
ット１がプラズマ中の負イオンや電子によってスパッタ
リングされるようにしてもよい。

【００４１】また、上記実施例は、本発明をＥＣＲイオ
ン源に適用した例を示したものであり、その他のイオン
源にも適用できる。上記実施例は、あくまでも、本発明
の技術内容を明らかにするものであって、そのような具
体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではな
く、本発明の精神と特許請求の範囲内で、いろいろと変
更して実施することができるものである。

【００４２】

【発明の効果】本発明のイオン源は、以上のように、プ
ラズマを生成するプラズマチャンバを備え、上記プラズ
マチャンバに形成されたイオン引出口からプラズマ中の
イオンを引き出すことによってイオンビームを形成する
ものであって、上記プラズマチャンバのイオン引出口付
近がプラズマチャンバの他の部位と絶縁されていると共
に、上記イオン引出口付近とその他の部位との間に電位
差を生じさせる電位差発生手段を有している構成であ
る。

【００４３】それゆえ、イオン源の運転中、イオン引出
口付近に堆積した付着物が、プラズマチャンバ内で生成
されたプラズマ中の荷電粒子によるスパッタリングによ
って除去されるので、イオン引出口付近に堆積する付着
物は、従来と比較して大幅に減少し、イオン引出口が付
着物により覆われることによってイオン源の使用が不可
能となるといった事態が回避され、イオン源の寿命が従
来よりも延長するという効果を奏する。また、イオン源
を長時間運転しても、イオン引出口が付着物の堆積によ
って塞がらないので、イオン引出口の面積が変化するこ
ともなく、引き出し電流量の時間的な変化が少ない安定
なイオンビームが長時間にわたって得られるという効果
も併せて奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すものであり、イオン源
の概略の横断面図である。

【図２】上記イオン源におけるプラズマスリット付近の
拡大横断面図である。

【図３】従来例を示すものであり、イオン源の概略の横
断面図である。

【図４】上記イオン源におけるプラズマスリット付近の
拡大横断面図である。

【符号の説明】

１ プラズマスリット １ａ イオン引出口 ２ ＢＮシールド ３ ＢＮライナー ４ プラズマチャンバ ５ マイクロ波導入窓部材 ７ 引出電極 ８ 減速電極 １１ 絶縁スペーサ １３ 減速電源 １４ 引出電源 １５ スリット印加電源（電位差発生手段） ２０ 付着物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマを生成するプラズマチャンバを備
   え、上記プラズマチャンバに形成されたイオン引出口か
   らプラズマ中のイオンを引き出すことによってイオンビ
   ームを形成するイオン源において、 上記プラズマチャンバのイオン引出口付近がプラズマチ
   ャンバの他の部位と絶縁されていると共に、上記イオン
   引出口付近とその他の部位との間に電位差を生じさせる
   電位差発生手段を有していることを特徴とするイオン
   源。