JPH0648158U

JPH0648158U - 負イオンビ−ム発生装置

Info

Publication number: JPH0648158U
Application number: JP8977492U
Authority: JP
Inventors: 秀樹田中; 幸二松永; 正志小西; 均神戸
Original assignee: 日新電機株式会社
Priority date: 1992-12-02
Filing date: 1992-12-02
Publication date: 1994-06-28

Abstract

(57)【要約】【目的】正イオンを発生させこれをタ−ゲット電極３
にあてて負イオンを生じこれを電界の作用で軸線に沿っ
て引き出すこととした負イオンビ−ム発生装置は正イオ
ンがタ−ゲット電極３を通り抜けた後、逆流しタ−ゲッ
ト電極３の裏面に当たり二次電子を発生することがあ
り、これがブレ−クダウンを引き起こす。これを解決す
ること。【構成】プラズマ生成室５のプラズマ電極１の開口中
心と引出し電極２の開口中心を結ぶ軸線ｍｓと、タ−ゲ
ット電極３の開口中心と接地電極４の開口の中心を結ぶ
軸線ｔｎとがずれており、正イオンビ−ムがタ−ゲット
電極３の開口を通り難くしている。正イオンがタ−ゲッ
ト電極３の裏側に回らないからこれがタ−ゲット電極３
の裏面に当たり二次電子を発生するということが少な
い。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は負イオンビ−ム発生装置の改良に関する。負イオンを空間的に集中したビ−ムとして生成し外部に取り出すものである。イオンビ−ムを半導体に打ち込んだり、イオンビ−ムにより物質の性質を改良するという場合は、正イオンビ−ムを使うことが多い。

【０００２】正イオンビ−ムは原料を放電などによりプラズマに励起することにより比較的簡単に作ることができる。イオン化ポテンシャル分を上回るエネルギ−を中性の原子分子に与えれば容易に電離し、正イオンと電子が発生する。

【０００３】負イオンを生成するひとつの方法として、負イオンにしたい物質のタ−ゲットに例えばセシウムの正イオンビ−ムを衝突させてスパッタし、負イオンを発生させる。負イオンは電界の作用で加速されてビ−ムとなる。ビ−ムの軸線方向の電位は０ボルトまたは０ボルトの近傍から減少して負電位になりまた増加して０ボルトに戻る。このように正イオンをまず作りこれでタ−ゲットを叩いて負イオンを発生するという二段階の方法が用いられる場合もある。

【０００４】

【従来の技術】

図３は従来例に係る負イオンビ−ム発生装置の概略図である。軸線ｍｎ上にプラズマ電極１、引出し電極２、タ−ゲット電極３、接地電極４が直列に並んでいる。これらは少なくとも一つの開口１１、１２、１３、１４を持つ電極である。軸線ｍｎはこれらの開口の中心を通っている。これら電極の始点にプラズマ生成室５が設けられる。プラズマ生成室５やこれら電極間の経路は全て真空容器の内部にあって全体が真空に引かれている。しかしここでは簡単のため真空容器の図示を略した。プラズマ生成室５では固体原料の蒸気が導入されてこれが放電等によってプラズマとなる。ア−ク放電、マイクロ波放電、高周波放電など任意の放電形態を利用して励起することができる。放電形態に応じてプラズマ生成室５の内部には電極やヒ−タが設けられるがここでは図示を略す。

【０００５】固体原料の蒸気としては例えばセシウムの蒸気を用いる。セシウムはタ−ゲットの仕事関数を下げ、タ−ゲットをスパッタするのに有利であるからである。勿論セシウム以外の原料を使うこともできる。図３の下方には電位分布を対応させて書いてある。プラズマ電極１やプラズマ生成室５はこの例では接地してあり、０ボルトである。引出し電極２は負の高圧（−Ｖ_q ）にバイアスされている。タ −ゲット電極３は負イオンにしたい物質を内向き円錐状に加工したものである。これはより絶対値の小さい負電圧（−Ｖ_t ）にバイアスされている。この後にある接地電極は０ボルトになっている。

【０００６】このような負イオンビ−ム発生装置の作用は次のようである。プラズマ生成室５でセシウムの蒸気が正のイオンになるが、これがイオンビ−ム６となり、プラズマ電極１と引出し電極２の間の電界により加速される。正イオンビ−ムは、引出し電極２の開口１２を通り、タ−ゲット電極３に衝突する。内向き円錐のタ− ゲット電極３とするのは、セシウムイオンビ−ムの衝突の断面積を大きくするためである。タ−ゲット電極３の表面の原子がスパッタリングされる。プラズマ生成室５より濡れ出たセシウム蒸気（分子）が、タ−ゲット電極３の表面に付着して仕事関数を下げる。この状態のタ−ゲット電極３にスパッタ粒子が接触した時、タ−ゲット電極３中の自由電子がトンネル効果によりスパッタ粒子へ移動して負イオンとなる。

【０００７】負イオンは最初は運動エネルギ−を殆ど持たない。しかし負に帯電しており、電界の中にあるから電界によって加速されて軸線方向ｄに移動する。負イオンビ −ム８は、接地電極４の開口１４を通り外部に取り出される。これで負イオンビ −ム８が得られる。始め正イオンを走行させ途中で負イオンを作り同じ方向に走行させる。このため電位分布が両端で接地電位、中間の引出し電極２とタ−ゲット電極３で負電位になっている。

【０００８】正イオンのセシウムは大部分タ−ゲット電極３に衝突する。一部のセシウム正イオンはタ−ゲット電極３の開口を通り抜けるが、電界の作用で接地電極４より外側には出てゆかない。外部に出るのは負の荷電粒子のみである。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

正イオンビ−ム６は一部はタ−ゲット電極３の開口を通り抜ける。これが接地電極４を通り抜けることはないが、電界の作用で前方に向かう運動量を失い逆にタ−ゲット電極３に向かって進むようになる。逆流正イオンビ−ム７は、タ−ゲット電極３と接地電極４の間の電界により、反対向きに加速され、タ−ゲット電極３の裏面に衝突することがある。これはタ−ゲット電極３の前面に衝突したものと同様に、タ−ゲット電極３から二次電子９を発生させる。

【００１０】このような作用は前面に当たる正イオンと同様なのであるが、裏面に当たったものはより困難な問題を引き起こす。この二次電子が負の荷電粒子であるために、電界に乗って接地電極４の方へ走行することができる。二次電子が次々に生成されて、接地電極４へと流れる。

【００１１】このようなことが起こると、タ−ゲット電極３と接地電極４の間の耐圧が低下し、動作が不安定になる。さらに二次電子の放出が著しくなると、タ−ゲット電極３と接地電極４の間が短絡される。放電による短絡をブレ−クダウンという。これが起こるともはや、負イオンビ−ムの引き出しができなくなる。

【００１２】つまり、正イオンビ−ムがタ−ゲット電極３の裏面に当たることにより発生した二次電子が安定な負イオンビ−ム発生装置の運転を妨げる。たとえブレ−クダウンが起こらなくても、タ−ゲット電極３の裏面で発生した二次電子が電界の作用で接地電極４の開口を通り負イオンビ−ムと共に外部に出てくる。これは負イオンビ−ムではないので目的によっては望ましくない結果をもたらす。本考案はこのような難点を解決することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

プラズマ電極１と引出し電極２の中心軸線をｍｓとし、タ−ゲット電極３と接地電極４の中心軸線をｔｎとする。本考案ではこれらの軸線を少しずらす。中心軸線を互いにずらすことにより、正イオンがタ−ゲット電極３の開口を通り難くする。タ−ゲット電極３を通る正イオンが減少すると、これにより発生するタ− ゲット電極３の裏面で発生する二次電子の量も少なくなる。二次電子の量が少ないと前述のようなタ−ゲット電極３と接地電極４の間の短絡が軽減できる。中心軸線のずれの量Δは、正イオンビ−ムの半径方向の分布と、タ−ゲット電極３の外径の大きさによって決める。

【００１４】

【作用】

本考案の負イオンビ−ム発生装置は、プラズマ電極１、引出し電極２の中心をむすぶ軸線ｍｓと、タ−ゲット電極３、接地電極４の開口の中心を結ぶ軸線ｔｎがずれている。このために正イオンビ−ムがタ−ゲット電極３の開口を通り抜ける確率が減少する。タ−ゲット電極３の背後に存在する正イオンビ−ムが減少するので、これが逆流してタ−ゲット電極３の裏面に当たり二次電子を発生するという確率も低下する。従ってタ−ゲット電極３と接地電極４の間の耐圧低下や印加電圧の不安定という問題は起こり難い。

【００１５】イオンビ−ムは中心軸に最大密度を有する。中心で最大密度をもつので、従来の装置のように全ての電極の開口の中心が一直線上にある場合は、正イオンビ− ムがタ−ゲット電極３の開口を通って前方の接地電極４の近傍まで達するという確率が多かった。

【００１６】本考案では、プラズマ電極１と引出し電極２の中心軸線ｍｓと、タ−ゲット電極３と接地電極４の中心軸線ｔｎをずらせているので、正イオンの密度の高い部分はタ−ゲット電極３の開口を通ることができない。従ってタ−ゲット電極３を通過する正イオンの量を低減することができる。

【００１７】中心軸線のずれの量Δは、先述のように、タ−ゲット電極３の直前における径方向の正イオンビ−ムの分布と、タ−ゲット電極３の外径の大きさにより適宜決定すべきである。ずれの量Δはたとえ少しでも正イオンビ−ムの通過を妨げる上で効果がある。ずれの量Δの最大値はタ−ゲット電極３の外径Ｑである。従ってずれの量Δは０＜Δ＜Ｑであればよい。

【００１８】しかし、より効果のある部分を限定することができる。これはビ−ム形状などにも依存する。例えば、径方向の正イオンビ−ムの分布がガウシアンでその標準偏差がσであるとすると、Δ≧σであれば極めて効果的である。図２はΔ＝σの例を示したものである。

【００１９】しかしΔ≧σという条件は、σが大きい場合には実現し難いかもしれない。つまり正イオンビ−ムのタ−ゲット電極３直前での広がりが大きい場合である。上記の条件が満足されなくても（Δ＜σ）、Δがある程度大きければ、それなりに正イオンを遮断する上で効果的である。

【００２０】勿論タ−ゲット電極３の開口の直径Ｄ₃ が小さければ、正イオンがここを通り抜ける確率も小さい訳である。しかしこれが小さいとタ−ゲット電極３で発生した負イオンも開口を通り抜けることができないので、Ｄ₃ をあまり小さくはできない。Δの範囲は一般的には、先に延べたように０＜Δ＜Ｑである。

【００２１】

【実施例】

図１は本考案の実施例に係る負イオンビ−ム発生装置の概略構成図である。ほぼ直線状に、プラズマ電極１、引出し電極２、タ−ゲット電極３、接地電極４が並んでいる。プラズマ生成室５はこのイオンビ−ム系の始端にあって、導入された固体蒸気をプラズマにする装置である。これはア−ク放電、マイクロ波プラズマ放電、高周波放電など任意の放電によってなされうる。

【００２２】内部には放電形態に対応した電極があり、外部には電源がある。また金属蒸気を生成しこれをプラズマ生成室５に送給する蒸発源などをも備えるが、これらの図示を略した。例えば、セシウムの正イオンが使用される。セシウムの蒸気を導入しここでプラズマとする。セシウム蒸気（中性分子）は、プラズマ生成室５から出て、タ−ゲット電極３の表面に被膜を形成する。タ−ゲットの仕事関数が低下し、内部からトンネル効果で電子が出てき易くなる。プラズマ電極１はプラズマ生成室５内部のプラズマからセシウムなど正イオンをビ−ムとして取り出すものである。プラズマ生成室５とプラズマ電極１の電位は大地（０ボルト）でも僅かに＋Ｖ₁ でも良い。また僅かに−Ｖ₁ でも良い。

【００２３】プラズマ電極１の開口１１と、引出し電極２の開口１２の中心は同一直線ｍｓ上にある。プラズマ生成室５で生成した正イオンは、プラズマ電極１の開口１１を通り加速され、引出し電極２の開口１２を通ってタ−ゲット電極３の前面に至りここに衝突する。タ−ゲット電極３は、全体が負イオンにすべき物質によって作られることもある。それであると材料が大量に必要であるから、前面内円錐部の表面だけを負イオンにすべき材料で形成するということもある。その他の部分は例えばステンレスになっている。

【００２４】衝突によりタ−ゲット電極３を構成する物質がスパッタされる。タ−ゲット電極３の物質がトンネル効果で出てきた電子と結び付き負イオンになる。接地電極４から引出し電極２に向かう電界が存在するのでここで発生した負イオンは電界の作用で、開口１３を通り、加速されて接地電極４の開口１４を通過して外部に取り出される。

【００２５】タ−ゲット電極３の開口１３の中心と、接地電極４の開口１４の中心を結ぶ直線ｔｎは前記の軸線ｍｓとは一致していない。この例では互いに平行ではあるが Δだけずれている。この例ではΔ＝Ｄ₃ ／２である。Ｄ₃ はタ−ゲット電極３の開口径である。

【００２６】図３で説明したような正イオンビ−ムがタ−ゲット電極３の開口１３を通過し、接地電極４の手前で反転して戻りタ−ゲット電極３の裏面に衝突し二次電子を発生するという可能性が少ない。軸線ｍｓと軸線ｔｎがずれているので、正イオンビ−ム６が、タ−ゲット電極３の開口１３を通過するのが難しくなり、正イオンビ−ムの反転により二次電子が発生するという確率が低くなるのである。

【００２７】図１の下方に示すのは軸線方向の電位分布である。引出し電極２で絶対値の最も大きい負電圧−Ｖ_q になる。この電位差により正イオンビ−ムが引き出されてタ−ゲット電極３に衝突しこれをスパッタリングする。タ−ゲット電極３ではより絶対値の小さい負電圧−Ｖ_t である。接地電極４は０ボルトである。最初のプラズマ生成室５は０ボルトであるのが普通であるが、少しプラス電位＋Ｖ₁ でも良いし少しマイナス電位−Ｖ₁ でも良い。

【００２８】プラス電位の場合は正イオンビ−ムが接地電極４の開口１４より外部に出る。反対にプラズマ生成室５が少し負電圧にバイアスされると、正イオンは接地電極４からでないで、逆流するわけであるが、本考案ではもともと開口１３を通る正イオンが少ないので逆流による悪影響は少ない。

【００２９】図２も軸ずれの例を示すが、これは正イオンビ−ムの広がりが狭い場合で、ガウシアンとして標準偏差σとずれΔを均しくしている。また、このようなずれの量Δに加えて、軸線ｍｓと軸線ｔｎの方向を僅かにずらせるというふうにもできる。こうすると直進する正イオンビ−ムが開口１３を通過する確率がさらに減少する。

【００３０】

【考案の効果】

本考案においては、プラズマ生成室５のプラズマ電極１と引出し電極２の開口の中心を結ぶ軸線ｍｓと、タ−ゲット電極３と接地電極４の中心を結ぶ軸線ｔｎがずれているので、タ−ゲット電極３の開口を通る正イオンビ−ムが軸線が合致している場合に比較して減少する。すると逆流正イオンビ−ムも少なくなるので、タ−ゲット電極３の裏面に衝突して発生する二次電子を軽減できる。従って、操作性が良く、安定な負イオンビ−ム発生装置を提供することができる。優れた考案である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例に係る負イオンビ−ム発生装置
の概略構成図。

【図２】タ−ゲット電極３の近傍での軸線のずれとビ−
ム分布を示す説明図。

【図３】従来例にかかる負イオンビ−ム発生装置の概略
構成図。

【符号の説明】

１プラズマ電極２引出し電極３タ−ゲット電極４接地電極５プラズマ生成室６正イオンビ−ム７逆流正イオンビ−ム８負イオンビ−ム９二次電子１１プラズマ電極の開口１２引出し電極の開口１３タ−ゲット電極の開口１４接地電極の開口ｍｓプラズマ電極と引出し電極の開口の中心軸線ｔｎタ−ゲット電極と接地電極の開口の中心軸線 Δ 軸線のずれ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者神戸均京都府京都市右京区梅津高畝町47番地日新電機株式会社内

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】原料蒸気を導入し放電によって励起しプ
ラズマとするプラズマ生成室５と、プラズマ生成室５の
出口に設けられた開口１１を有するプラズマ電極１と、
プラズマ電極１の前方に設けられ負電圧が印加され開口
１２を有する引出し電極２と、引出し電極２の前方に設
けられ負イオンにすべき物質よりなり前記引出し電極２
よりも絶対値の小さい負電圧が印加されるべき開口１３
を有するタ−ゲット電極３と、前記タ−ゲット電極３に
続いて設けられ開口１４を有し接地電位に保持される接
地電極４とを含む。プラズマ電極１の開口１１の中心と
引出し電極２の開口１２の中心とを結ぶ軸線ｍｓと、タ
−ゲット電極３の開口１３の中心と接地電極４の開口１
４の中心を結ぶ軸線ｔｎとが一致していないことを特徴
とする負イオンビ−ム発生装置。
【請求項２】原料蒸気を導入し放電によって励起しプ
ラズマとするプラズマ生成室５と、プラズマ生成室５の
出口に設けられた開口１１を有するプラズマ電極１と、
プラズマ電極１の前方に設けられ負電圧が印加され開口
１２を有する引出し電極２と、引出し電極２の前方に設
けられ負イオンにすべき物質よりなり前記引出し電極２
よりも絶対値の小さい負電圧が印加されるべき開口１３
を有するタ−ゲット電極３と、前記タ−ゲット電極３に
続いて設けられ開口１４を有し接地電位に保持される接
地電極４とを含む。プラズマ電極１の開口１１の中心と
引出し電極２の開口１２の中心とを結ぶ軸線ｍｓと、タ
−ゲット電極３の開口１３の中心と接地電極４の開口１
４の中心を結ぶ軸線ｔｎとが一致しておらず、ずれ量Δ
が、タ−ゲット電極３の外径をＱとして、０＜Δ＜Ｑと
した事を特徴とする負イオンビ−ム発生装置。