JPH07161323A

JPH07161323A - イオン源

Info

Publication number: JPH07161323A
Application number: JP5306816A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Naito; 勝男内藤
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1995-06-23
Anticipated expiration: 2015-08-21
Also published as: JP3079869B2

Abstract

(57)【要約】【構成】第１放電室７におけるアーク放電により生成
されたプラズマの電子を、第２放電室８での電離に利用
する。このとき、第１放電室７で得られたプラズマ電子
は、磁極５・５による磁界とアノード１２による電界と
の作用を受けて旋回しながら中間電極６とリペラー電極
１６との間を往復飛行して閉じ込められる。これによ
り、電離効率が高まり、イオンの収率が向上して多価イ
オンもより多く得られる。また、磁極５・５を真空チャ
ンバ１内に貫通させて磁極５・５の間隔を短くすること
により、磁極５・５を含む磁場発生器を大型化すること
なく強磁場を発生させる。強磁場の環境が与えられるこ
とで、高アーク放電を維持して多価イオンの発生を促
す。【効果】コンパクトでかつ多価イオンの収率を高めた
イオン源を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に高エネルギーイオ
ン注入装置に用いられ、多価イオンをより多く生成する
ようにしたイオン源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】イオン注入装置においては、近年、イオ
ン注入対象物の浅い位置のみならずかなり深い位置に不
純物を注入する要求も高まっており、これに応じて高エ
ネルギーイオン注入装置の開発が進められている。高エ
ネルギーイオン注入装置における加速器としては、高周
波型や静電型などがある。

【０００３】例えば、静電型の加速器では、１ＭＶとい
った高電圧の印加が必要となるため、加速電源などが大
型にならざるを得ず、加速器の大型化、ひいてはイオン
注入装置の大型化や高価格化を招くという問題点を有し
ている。このため、電源等の装置を大型化せずに、高エ
ネルギーイオン注入装置を構成することが望まれてい
る。

【０００４】このような要望に対し、例えば、多価イオ
ンを利用することが考えられる。イオン価数が多くなれ
ば、それに応じて加速エネルギーが小さくてすむ。例え
ば、加速エネルギーは、２価のイオンであれば１価イオ
ンの１／２でよく、３価のイオンであれば１価イオンの
１／３でよい。換言すれば、多価イオンを静電加速する
ことにより、１価イオンに対し、その価数倍のエネルギ
ーを有するイオンビームを得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】多価イオンを得るに
は、イオン源で発生する多価イオンを利用することが考
えられる。例えば、フリーマンイオン源では、Ｐ⁺⁺やＡ
ｓ⁺⁺をＰ⁺やＡｓ⁺に対して比較的高率（〜１０％）で
発生させることができる。しかしながら、Ｐ⁺⁺⁺やＢ⁺⁺
は、Ｐ⁺やＢ⁺に対して１〜２％の収率でしか得ること
ができない。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであって、多価イオンを高収率で得ることができる小
型のイオン源を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン源は、上
記の課題を解決するために、気体放電を生じさせてプラ
ズマを生成する第１放電室および第２放電室と、上記第
１放電室内に設けられて電子を放出するフィラメント
（陰極）と、上記第１放電室と上記第２放電室との間に
設けられ、上記両放電室を連通させる開口部を有すると
ともに、上記フィラメントより高電位に保たれる中間電
極と、上記第２放電室に設けられて上記フィラメントお
よび中間電極より高電位に保たれる陽極と、上記第２放
電室において上記陰極および中間電極の開口部と対向し
て設けられ、上記中間電極と同電位に保たれる反射電極
と、上記両放電室を収容して内部が真空に保たれる真空
容器と、上記真空容器を貫通するとともに上記両放電室
に対し上記陰極および反射電極を通過する方向に沿って
磁場を与える１対の磁極とを備えていることを特徴とし
ている。

【０００８】

【作用】上記の構成では、フィラメントと中間電極との
電位差により気体放電（アーク放電）が生じ、第１放電
室内のガスがプラズマ状態に変化する。このプラズマ中
の電子は、中間電極の開口部から第２放電室に導かれ
る。第２放電室では、中間電極と陽極との電位差により
プラズマ電子にエネルギーが与えられ、このプラズマ電
子が電離に利用される。

【０００９】中間電極の開口部と反射電極とが対向して
設けられているので、電子は、中間電極と同電位に保た
れている反射電極と中間電極との間で往復移動しながら
磁極により与えられた磁場により旋回運動する。このよ
うな運動により、第２放電室における電子の実効飛行距
離が長くなり、電子の閉じ込めが強められる。それゆ
え、この電子が電離に利用されると、電離が促されて多
くの多価イオンが発生する。

【００１０】さらに、より多くの多価イオンを生成する
には、放電電圧を高めることが必要になる。しかしなが
ら、第１および第２放電室に与える磁場を強めなけれ
ば、放電電圧を高電圧に維持することが困難になる。こ
れに対し、上記の構成では、磁極が真空容器内に貫通し
て設けられているので、磁極同士の距離を真空容器に制
限されずに短くすることができ、磁極を含めた大きな磁
場発生器を用いることなく強磁場の発生が容易になる。

【００１１】

【実施例】本発明の一実施例について図１ないし図４に
基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１２】本実施例に係るイオン源は、図３および図
４に示すように、真空容器としての真空チャンバ１を備
えている。この真空チャンバ１内には、アークチャンバ
２と、引出電極や接地電極等からなる引出電極系３と、
磁極５・５とが設けられている。アークチャンバ２は、
図示しないが、真空チャンバ１に対し絶縁して支持され
ている。また、アークチャンバ２と引出電極系３との間
には、引出電圧が印加されている。

【００１３】真空チャンバ１内の開口部１ａ付近には、
引出電極系３が取り付けられている。そしてこの引出電
極系３よりやや奥にアークチャンバ２が配されている。
アークチャンバ２は、引出電極系３側の側面に引出スリ
ット４を有している。この引出スリット４は、イオンを
引き出すための開口であり、長方形状をなして内側から
外側にかけて広がるように形成されている。したがっ
て、この引出スリット４から引き出されたイオンは、引
出電極系３により図中の矢印Ｉ方向に引き出される。

【００１４】一方、磁極５・５は、真空チャンバ１の膨
出して形成された隔壁を貫通し、かつ、その先端が真空
チャンバ１内においてアークチャンバ２に近接するよう
に固定されている。磁極５・５は、図示しないコイルが
巻回されており、アークチャンバ２内の磁界強度が３０
０〜１５００Ｇとなるように、図中の矢印Ｂ方向の磁界
をアークチャンバ２に印加するようになっている。

【００１５】図１および図２に示すように、アークチャ
ンバ２は、中間電極６により隔てられる第１放電室７と
第２放電室８とを有している。中間電極６は、中央部が
第２放電室８側に迫り出してノズル状に形成されたノズ
ル口６ａを有している。また、この中間電極６は、duoP
IGatron 構成における中間電極のような磁極にはなって
おらず、非磁性材料により構成されている。これは、ア
ークチャンバ２内の温度が１０００℃以上になることか
ら、磁場コイルをアークチャンバ２に巻き付けることが
困難であるし、中間電極６を磁性材料で構成するとキュ
リー点以上に熱せられて磁性を失うので磁極としての機
能が損なわれるからである。

【００１６】第１放電室７には、フィラメント９が設け
られている。陰極としてのフィラメント９は、アークチ
ャンバ２の両側壁を貫通して取り付けられているブッシ
ング１０・１０により第１放電室７内に引き入れられて
おり、中央部で一重または数重に巻かれている。また、
ブッシング１０・１０が設けられた側壁に隣接する側壁
の一方には、第１放電室７へガスを導入するガス導入口
１１が貫通して設けられている。

【００１７】第２放電室８は、外周壁がアノード（陽
極）１２により構成されており、このアノード１２に前
記の引出スリット４が設けられている。アノード１２と
中間電極６との間には、絶縁部材１３が介装されてい
る。また、第２放電室８において、中間電極６に対向す
る位置にある絶縁材料からなる側壁１４には、同じく絶
縁材料からなる取付部材１５により、リペラー電極（反
射電極）１６が取り付けられている。リペラー電極１６
は、中間電極６と対向する面が大きく平坦に形成されて
いる。

【００１８】上記のアークチャンバ２においては、フィ
ラメント９の中央部および中間電極６のノズル口６ａ
は、磁界の方向と平行な一直線上に並ぶように配されて
いる。また、フィラメント９およびノズル口６ａは、引
出スリット４寄りに設けられている。

【００１９】フィラメント９は、両端がフィラメント電
源１７に接続されており、このフィラメント電源１７に
より加熱電流が供給されるようになっている。また、フ
ィラメント９におけるフィラメント電源１７の正極が接
続される一端とアノード１２との間にはアーク電源１８
が接続されており、アノード１２がフィラメント９より
高い電位となるように設定されている。さらに、アーク
電源１８の正極側が、抵抗１９を介して中間電極６およ
びリペラー電極１６に接続されている。これにより、中
間電極６とリペラー電極１６とが同電位となるととも
に、両電極６・１６がフィラメント９より高電位かつア
ノード１２より低電位となるように設定されている。

【００２０】上記のように構成されるイオン源において
は、ガス導入口１１からアークチャンバ２内にガスが導
入されて、第１放電室７にガスが満たされる。この状態
で、フィラメント９は、フィラメント電源１７から加熱
電流が供給されることによって発熱して熱電子を第１放
電室７に放出する。これにより、アーク放電が起こり、
第１放電室７において、ガスのガス粒子と熱電子とが衝
突して不純物イオンや電子からなるプラズマが形成され
る。そして、このプラズマ中の電子は、中間電極６に引
き寄せられ、中間電極６のノズル口６ａで絞られて第２
放電室８に導かれる。上記の放電が生じると、フィラメ
ント９と中間電極６との間には、アーク電源１８の電圧
から抵抗１９の両端に生じる電圧を差し引いた電圧が第
１次放電電圧として印加され、通常この第１次放電電圧
は２０Ｖ〜１５０Ｖである。

【００２１】第２放電室８では、中間電極６とアノード
１２との間に、アーク電源１８により第２次放電電圧と
して通常１００Ｖ〜５００Ｖの電圧が印加され、この電
圧は上記の抵抗１９の両端に生じた電圧である。この状
態においては、第１放電室７からのプラズマ電子により
電離が促されてプラズマが生成される。このとき、プラ
ズマ電子は、プラズマ軸方向に印加されている磁極５・
５による磁界と、これと直交するアノード１２による電
界との作用を受けて、旋回しながら中間電極６とリペラ
ー電極１６との間を往復飛行する。

【００２２】このように、第１放電室７で得られたプラ
ズマ電子を磁界と電界とによって閉じ込めることで、電
離効率が高まり、イオンの収率が向上する。また、磁極
５・５を真空チャンバ１内に貫通させて磁極５・５の間
隔（ポールギャップ）を短くすることにより、磁極５・
５を含む磁場発生器を大型化することなく強磁場を発生
することができる。

【００２３】上記のように強磁場の環境が与えられるこ
とで、第２次放電電圧を高めてもアーク放電を維持する
ことができる。このようにして高アーク電圧で放電を行
なえば、多価イオンの発生が促される。本実施例によれ
ば、Ｐ⁺⁺⁺やＢ⁺⁺は、Ｐ⁺やＢ⁺に対して最大数１０％
までの高率で得られる。

【００２４】また、第２放電室８で高アーク電圧により
放電が行なわれるが、第１放電室７では低アーク電圧に
より放電が行なわれるので、フィラメント９が電子によ
りスパッタされるエネルギーが低く抑えられる。それゆ
え、放電室が１つの構成であるvernas型のイオン源など
に比べてフィラメント９の長寿命化を図ることができ
る。

【００２５】さらに、フィラメント９と中間電極６のノ
ズル口６ａが引出スリット４寄りに設けられているの
で、第２放電室８で生成されるプラズマ中の多価イオン
を容易に引き出すことができる。

【００２６】本実施例では、アーク電源１８の出力電圧
を抵抗１９の両端に生じる電位差によって分配して第１
次放電電圧と第２次放電電圧とを得る構成を示したが、
この構成の代わりに独立した２つの電源を用いて両放電
電圧を個別に得る構成であってもよい。

【００２７】

【発明の効果】本発明のイオン源は、以上のように、気
体放電を生じさせてプラズマを生成する第１放電室およ
び第２放電室と、上記第１放電室内に設けられて電子を
放出する陰極と、上記第１放電室と上記第２放電室との
間に設けられ、上記両放電室を連通させる開口部を有す
るとともに、上記陰極より高電位に保たれる中間電極
と、上記第２放電室に設けられて上記陰極および中間電
極より高電位に保たれる陽極と、上記第２放電室におい
て上記陰極および中間電極の開口部と対向して設けら
れ、上記中間電極と同電位に保たれる反射電極と、上記
両放電室を収容して内部が真空に保たれる真空容器と、
上記真空容器を貫通するとともに上記両放電室に対し上
記陰極および反射電極を通過する方向に沿って磁場を与
える１対の磁極とを備えている構成である。

【００２８】これにより、第１放電室での気体放電で生
成されたプラズマ中の電子を第２放電室での電離に利用
してプラズマの生成が行なわれる。また、第２放電室で
は、プラズマ電子が、中間電極と反射電極との間の往復
移動と磁極の磁場による旋回運動とによって閉じ込めら
れる。このため、第２放電室におけるプラズマ電子の実
効飛行距離が長くなって、イオンの生成が促進される。

【００２９】多価イオンの生成量を増大させるには、放
電電圧を高める必要があるが、これには強磁場の環境が
必要となる。上記の構成によれば、磁極が真空容器を貫
通して設けられるので、磁極間の間隔を短くすることが
でき、磁極を含む磁場発生器を大型化することなく強磁
場が得られる。それゆえ、一般的なフリーマンイオン源
と同程度の大きさでイオン源を構成することができる。

【００３０】したがって、本発明を採用すれば、コンパ
クトでかつ多価イオンの収率を高めたイオン源を提供す
ることができ、ひいては高エネルギー注入イオン装置の
小型化に寄与することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るイオン源におけるアー
クチャンバの構成を示す正面から見た縦断面図である。

【図２】上記アークチャンバの構成を示す側面から見た
縦断面図である。

【図３】上記イオン源内部の主要部分の構成を示す正面
図である。

【図４】上記イオン源内部の主要部分の構成を示す側面
図である。

【符号の説明】

１真空チャンバ（真空容器）５磁極６中間電極６ａノズル口（開口部）７第１放電室８第２放電室９フィラメント（陰極）１２アノード（陽極）１６リペラー電極（反射電極）１８アーク電源１９抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体放電を生じさせてプラズマを生成する
第１放電室および第２放電室と、上記第１放電室内に設けられて電子を放出する陰極と、上記第１放電室と上記第２放電室との間に設けられ、上
記両放電室を連通させる開口部を有するとともに、上記
陰極より高電位に保たれる中間電極と、上記第２放電室に設けられて上記陰極および中間電極よ
り高電位に保たれる陽極と、上記第２放電室において上記陰極および中間電極の開口
部と対向して設けられ、上記中間電極と同電位に保たれ
る反射電極と、上記両放電室を収容して内部が真空に保たれる真空容器
と、上記真空容器を貫通するとともに上記両放電室に対し上
記陰極および反射電極を通過する方向に沿って磁場を与
える１対の磁極とを備えていることを特徴とするイオン
源。