JPH0636695A - 高周波イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高周波イオン源において高密度でしかも均一
性の良いプラズマを発生させ、それによって高電流密度
でしかも均一性の良いイオンビームを引き出すことがで
きるようにした高周波イオン源装置を提供する。 【構成】 この高周波イオン源２ｃは、容量結合型のも
のであり、そのプラズマ室４のそれぞれ電極を兼ねる側
壁４ａとフランジ４ｂ間に高周波電力を供給して高周波
放電を起こさせてプラズマ１０を発生させるものであ
る。そしてこのような高周波イオン源２ｃに、高周波電
源３０ａから整合回路３２ａを介して、１３．５６ＭＨ
ｚの２以上の整数倍の周波数の高周波電力を供給するよ
うにした。

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
置等に用いられるものであって、高周波放電によってプ
ラズマを発生させてイオンビームを引き出す高周波イオ
ン源とそれ用の高周波電源を含む高周波イオン源装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の高周波イオン源装置の従来例を
図３および図４にそれぞれ示す。

【０００３】図３は、いわゆる容量結合型の高周波イオ
ン源２ａを用いた例である。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
るためのプラズマ室４と、このプラズマ室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。

【０００４】プラズマ室４は、側壁４ａ、フランジ４ｂ
等によって囲まれており、この例ではこの側壁４ａおよ
びフランジ４ｂがそれぞれ電極（放電電極）を兼ねてお
り、両者間に整合回路３２を介して高周波電源３０が接
続されている。この高周波電源３０から出力する高周波
電力の周波数は通常は１３．５６ＭＨｚである。

【０００５】引出し電極系１２は、何枚かの多孔電極で
構成されているが、例えば、イオンビーム２０のエネル
ギーが５０ＫｅＶ程度以下の場合は図示のように３枚の
電極で構成され、５０ＫｅＶ程度以上の場合は４枚構成
にする場合もある。

【０００６】動作例を説明すると、プラズマ室４を引出
し電極系１２を介して真空排気しながら、プラズマ室４
にイオン化させるためのガス８を導入し、フランジ４ｂ
と側壁４ａ間に高周波電源３０から整合回路３２を介し
て高周波電力を供給すると、フランジ４ｂと側壁４ａ間
で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が発生する。プラズマ室４で発生したプラ
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】図４は、いわゆる誘導結合型の高周波イオ
ン源２ｂを用いた例である。図３の例との相違点を説明
すると、この例ではプラズマ室４の外側に高周波コイル
２４を巻き、これに高周波電源３０から整合回路３２を
介して高周波電力を供給し、それによってプラズマ室４
内で高周波放電を起こさせてプラズマ１０を発生させる
ようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような高周波イ
オン源２ａ、２ｂで、その引出し電極系１２に高電圧を
印加するためには、プラズマ室４内へガス導入時の引出
し電極系１２でのガス圧は、約１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下
でなければならず、そうしないと引出し電極系１２の電
極間で放電が発生してイオンビーム２０の引出しが困難
になる。

【０００９】一方、プラズマ室４は前述したように引出
し電極系１２を介して真空排気されるので、引出し電極
系１２でのガス圧を約１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下に維持し
ようとすると、引出し電極系１２でのコンダクタンスの
関係上、プラズマ室４内のガス圧は通常は１０^-4Ｔｏｒ
ｒ台になり、これよりもプラズマ室４内のガス圧を上げ
ることは、引出し電極系１２での放電をもたらすことか
ら困難である。

【００１０】ところが、高周波放電によるプラズマ発生
の場合、１０^-4Ｔｏｒｒ台で得られるプラズマ密度は低
い。そのため、上記のようなイオン源２ａ、２ｂにおい
ても、そのままでは、プラズマ１０の密度が低く、従っ
てイオンビーム２０の電流密度も低い。

【００１１】これの対策として、図３の容量結合型の高
周波イオン源２ａの場合、プラズマ室４の周りに空心コ
イル２２を付加することによって、これによる磁界との
相互作用でプラズマ１０の密度を増加させることができ
るが、磁界強度分布がプラズマ室４の半径方向でどうし
ても不均一になるため、均一性の良いプラズマ１０ひい
てはイオンビーム２０を得ることができない。

【００１２】また、図４の誘導結合型の高周波イオン源
２ｂの場合、高周波コイル２４に供給する高周波電力の
周波数を変化させてプラズマ密度を増加させる試みが成
されている。この場合、高周波コイル２４の表層での損
失の点で、１３．５６ＭＨｚよりも低周波側で効率が良
く、高密度プラズマが得られることが報告されている。
しかしこの場合も、上記容量結合型の高周波イオン源２
ａの場合と同様、高周波コイル２４による磁界強度分布
の点で、プラズマ１０ひいてはイオンビーム２０の均一
性に難がある。

【００１３】そこでこの発明は、高周波イオン源におい
て高密度でしかも均一性の良いプラズマを発生させ、そ
れによって高電流密度でしかも均一性の良いイオンビー
ムを引き出すことができるようにした高周波イオン源装
置を提供することを主たる目的とする。

【００１４】

【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装置は、電極間に高周波
電力を供給して高周波放電を発生させる容量結合型の高
周波イオン源に、高周波電源から、１３．５６ＭＨｚの
２以上の整数倍の周波数の高周波電力を供給するように
したことを特徴とする。

【００１５】

【作用】上記のように高周波イオン源に供給する高周波
電力の周波数を上げることによって、同一の高周波電力
に対して、プラズマ室内でより高密度のプラズマを発生
させることができるのが確かめられた。しかもこの場合
は容量結合型の高周波イオン源を用いており、しかもそ
れに空心コイルを付加する必要がないので、プラズマの
均一性も良好である。その結果、上記高周波イオン源か
ら高電流密度でしかも均一性の良いイオンビームを引き
出すことができる。

【００１６】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係るイオン源
装置を示す図である。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。

【００１７】この実施例における高周波イオン源２ｃ
は、そのプラズマ室４のそれぞれ電極を兼ねる側壁４ａ
とフランジ４ｂ間に高周波電力を供給して高周波放電を
発生させる、容量結合型のものであり、基本的な構成お
よび動作は図３に示した高周波イオン源２ａとほぼ同じ
である。但し空芯コイル２２は付加していない。

【００１８】プラズマ室４内には、この例では、導入さ
れたガス８をプラズマ室４内に均等に拡散させるための
ガス拡散板２６、および、側壁４ａにゴミが付着するの
を防止してメインテナンスを容易にするガラス筒２７が
設けられている。

【００１９】引出し電極系１２ａ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から成る。１８、１９は絶
縁物である。

【００２０】また、図３の例のように空芯コイル２２を
設ける代わりに、この例のように、プラズマ室４の周囲
に、プラズマ室４の側壁４ａに沿っていわゆるカスプ磁
界を発生させる、複数の磁石２８を設けるのが好まし
い。このようなカスプ磁界は、プラズマ分布に大きく影
響を与えることなく、しかも電子およびイオンの閉じ込
めによるプラズマの高密度化を若干ではあるが促進する
ことが可能だからである。

【００２１】そして、このような高周波イオン源２ｃの
フランジ４ｂと側壁４ａ間に、この例では高周波電源３
０ａから整合回路３２ａを介して、１３．５６ＭＨｚの
２以上の整数倍の周波数の、即ち２７．１２ＭＨｚ、４
０．６８ＭＨｚ、５２．２４ＭＨｚ・・・というような
周波数の高周波電力を供給するようにしている。なお電
源３４、３６および３８は、それぞれ、イオンビーム引
出し用の引出し電源、イオンビーム加速用の加速電源お
よび逆流電子抑制用の抑制電源である。

【００２２】上記のように高周波イオン源２ｃに供給す
る高周波電力の周波数を上げることによって、同一の高
周波電力に対して、プラズマ室４内でより高密度のプラ
ズマ１０を発生させることができる。しかもこの場合は
容量結合型の高周波イオン源を用いており、しかもそれ
に空芯コイルを付加する必要がないので、プラズマ１０
の均一性も良好である。その結果、上記高周波イオン源
２ｃから高電流密度でしかも均一性の良いイオンビーム
２０を引き出すことができる。

【００２３】例えば、上記のような高周波イオン源２ｃ
にガス８として水素ガスを導入してプラズマ室４内のガ
ス圧を４．９×１０^-4Ｔｏｒｒに保った時の、プラズマ
密度の周波数依存性およびプラズマ中の電子温度の測定
結果の一例を図２に示す。

【００２４】この例からも分かるように、高周波電力の
周波数の増加に伴い、プラズマ室４内のプラズマ密度の
増加が確認できた。また、プラズマ１０中の電子温度に
ついては周波数を増加させても大きな変化はなく、従っ
て他のガス種を使用した場合でも、周波数の変化による
プラズマ性質の変化は小さいものと考えられ、この点に
関しては従来例と同様に扱うことができるものと考えら
れる。

【００２５】なお、周波数の上限については、必ずしも
明確ではないが、電波法で使用可能な周波数が制限され
ていること、および数百ＭＨｚ台では表皮効果による導
体での損失が大きく使用が困難で、マイクロ波で使用さ
れている導波管を使用する必要があり電力導入の概念が
大きく異なることから、１３．５６ＭＨｚの７〜８倍が
上限と考えられる。

【００２６】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、上記の
ように高周波イオン源に供給する高周波電力の周波数を
上げることによって、同一の高周波電力に対して、プラ
ズマ室内でより高密度のプラズマを発生させることがで
きる。しかもこの場合は容量結合型の高周波イオン源を
用いており、しかもそれに空芯コイルを付加する必要が
ないので、プラズマの均一性も良好である。その結果、
高周波イオン源から高電流密度でしかも均一性の良いイ
オンビームを引き出すことができる。

【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装置
を示す図である。

【図２】水素ガスによるプラズマ密度の周波数依存性お
よびプラズマ中の電子温度の測定結果の一例を示す図で
ある。

【図３】従来の高周波イオン源装置の一例を示す概略図
である。

【図４】従来の高周波イオン源装置の他の例を示す概略
図である。

【符号の説明】

２ｃ 高周波イオン源 ４ プラズマ室 ４ａ 側壁 ４ｂ フランジ １０ プラズマ １２ａ 引出し電極系 ２０ イオンビーム ３０ａ 高周波電源 ３２ａ 整合回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極間に高周波電力を供給して高周波放
   電を発生させる容量結合型の高周波イオン源に、高周波
   電源から、１３．５６ＭＨｚの２以上の整数倍の周波数
   の高周波電力を供給するようにしたことを特徴とする高
   周波イオン源装置。