JPH07169428A - イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高周波電圧印加に基づく高周波放電のプラズ
マ生成により供給量の制限なく電子を放出してイオン化
ガスのプラズマを生成し、イオンビームを引き出す。 【構成】 ガス導入口３０が形成され，高周波電圧の印
加に基づく高周波放電により副プラズマ３８を生成する
絶縁体の副筐体２８と、この副筐体２８に連設された主
筐体３６と、副筐体２８の蓋板３４と、この蓋板３４に
形成された電子放出孔３５と、副筐体２８内の電極３３
を主筐体３６より低電位に保持し，電子放出孔３５から
主筐体３６内に供給された電子を利用した直流放電によ
り主プラズマ３９を生成するアーク電源１２と、主プラ
ズマ３９からイオンビームを引き出すイオンビーム引出
し電極群７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子放出源から電子を
供給し，直流放電によりイオン化ガスをプラズマ化して
イオンビームを生成するイオン源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、イオンビームスパッタリング，イ
オンビームミキシング，イオンアシスト等に用いられる
代表的なイオン源装置として、カウフマン型イオン源装
置及びバケット型イオン源装置等がある。

【０００３】（従来例１）従来のカウフマン型イオン源
装置は、図２に示す構成になっており、同図において、
１はステンレス等の非磁性体の金属製の筐体、２は筐体
１により形成されたプラズマ生成室、３は生成室２に設
けられたフィラメントであり、タングステンＷ，ホウ化
ランタンＬａＢ₆ 等からなる。４はフィラメント３の加
熱用のフィラメント電源、５は生成室２に設けられた円
筒状のアノードである。

【０００４】６は生成室２へのガス導入口、７はイオン
ビーム引出し電極群であり、第１電極８，第２電極９，
第３電極１０から構成されている。１１は筐体１の外側
に設けられた円筒状の磁場発生用の永久磁石又は電磁石
である。

【０００５】１２はアーク電源であり、陽極がアノード
５に，陰極が抵抗１３を介して筐体１に接続され、アノ
ード５にアノード電圧を印加する。１４は加速電源であ
り、陽極がアーク電源１２の陰極に接続され、筐体１と
同電位の第１電極８にアノード電圧より低い正の加速電
圧を印加する。１５は第２電極９に負の電圧を印加する
減速電源である。

【０００６】そして、フィラメント３はカソードとして
の熱電子放出源であり、フィラメント電源４の抵抗加熱
により高温に保持されて熱電子ｅ’を放出し、例えばタ
ングステンでは２４００℃，ホウ化ランタンでは１３０
０℃程度に加熱される。

【０００７】一方、ガス導入口６からイオン化ガス，例
えばアルゴン（Ａｒ）等の希ガス或いは酸素ガス等の反
応性ガスがプラズマ生成室２に導入される。

【０００８】そして、フィラメント３とアノード５間の
放電により、導入されたイオン化ガスのプラズマ１６が
生成され、電極群７のビーム引出し作用により、プラズ
マ中のイオンがイオンビームとなってスパッタ室等に引
き出される。

【０００９】このとき、磁石１１の磁場により、プラズ
マ１６の生成効率の向上或いはプラズマ１６の閉じ込め
の向上が図られる。

【００１０】（従来例２）従来のバケット型イオン源装
置は、図３に示す構成になっており、図２の構成と異な
る点はつぎのとおりである。図２のアノード５がなく、
アーク電源１２の陽極が筐体１に直接接続され、筐体１
がアノードとなり、加速電源１４の陽極が筐体１に絶縁
体１７を介した電極群７の第１電極８に直接或いは抵抗
を介して接続され、永久磁石１１が複数個の環状体から
構成され、筐体１の内部にカスプ磁場を形成するように
配置されている点である。そして、作用は図２の場合と
ほぼ同様である。

【００１１】（従来例３）従来のホローカソード型イオ
ン源装置は、図４に示す構成になっており、図３と異な
る点はつぎのとおりである。フィラメント３がなく、筐
体１の左側開口部に絶縁体１８を介して非磁性体の金属
からなるカソード筐体１９が装着され、該筐体１９の左
側開口部に絶縁体２０を介して非磁性体の金属製の蓋板
２１が装着され、カソード室２２が形成されている。

【００１２】カソード室２２にはホローカソード２３が
設けられ、蓋板２１に一体に形成された筒状体２４の外
周にヒータコイル２５が巻回され、筒状体２４の内面に
熱電子放出材２６が設けられ、ホローカソード２３が構
成され、ヒータコイル２５が電源４で加熱され、熱電子
放出材２６が筒状体２４を介して加熱される。

【００１３】蓋板２１には筒状体２４内側へのガス導入
口２７が設けられている。アーク電源１２の陰極は、蓋
板２１，筒状体２４に接続されるとともに、抵抗１３を
介してカソード筐体１９及び第１電極８に接続されてい
る。

【００１４】そして、生成室２に導入口６からイオン化
ガスが導入されるとともに、筒状体２４の内側に導入口
２７からアルゴン等のホロー放電用の希ガスが導入さ
れ、電源印加によりアノードを形成する筐体１とホロー
カソード２３との間で放電が生じ、筒状体２４の内側空
間において希ガスのホロー放電が発生し、ホロー放電に
基づく熱電子放出により熱電子放出材２６から熱電子
ｅ’が放出され、この熱電子ｅ’がアノード電圧により
生成室２に導入される。

【００１５】そのため、筐体１とホローカソード２３と
の間の放電により生成室２にプラズマ１６が生成され、
カソード２３から供給される熱電子ｅ’により放電が持
続し、図３の場合と同様、ガス導入口６からのイオン化
ガスが電離され、電極群７を介してイオンビームが引き
出される。

【００１６】（従来例４）一方、特開昭６２−９２８３
４号公報（Ｈ０１Ｊ ２７／０８）には、プラズマ生成
により電離した電子を放出する電子源を備えたイオン源
装置が記載されている。

【００１７】このイオン源装置は、電子発生室とプラズ
マ発生室（前記生成室２に相当）とを備える。そして、
電子発生室の高周波放電によりこの発生室内にプラズマ
が生成される。

【００１８】さらに、電子発生室とプラズマ発生室との
間に両室の筐体から電気的に絶縁された電子引出し電極
が設けられ、電子発生室の筐体と電子引出し電極との間
に、電子発生室に対して電子引出し電極が正電位になる
極性の直流電圧（電子引出し電圧）Ｖ₁ が印加される。

【００１９】この直流電圧Ｖ₁ の印加により、電子引出
し電極を用いた電子銃の作用で電子発生室から電子のみ
が加速されて引き出され、電子引出し電極を介してプラ
ズマ発生室に供給される。

【００２０】そして、プラズマ発生室により、引き出さ
れた電子を利用した直流放電（アーク放電）を発生して
プラズマが生成され、このプラズマからビーム引出し電
極を介してイオンビームが引き出される。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の図２，図３
のイオン源装置は、電子放出源としてのフィラメント３
が生成室２に設けられ、このフィラメント３を高温に維
持し、熱電子放出現象を利用してプラズマ１６の生成に
必要な熱電子ｅ’を生成するため、フィラメント３は、
高温加熱により材料が蒸発し、その上、イオン衝撃によ
るスパッタリング等の過酷な条件に晒される。

【００２２】そのため、フィラメント３の消耗が激し
く、イオン化ガスがアルゴンの場合、タンダクステンで
５０時間，ホウ化ランタンで１００時間程度しか使用で
きない問題点があり、しかも、イオン化ガスが反応性ガ
ス，例えば酸素の場合には、フィラメント３が急激に酸
化して極めて短時間に消耗する問題点がある。

【００２３】つぎに、図４のイオン源装置は、熱電子放
出のホロー放電が、イオン化ガスが供給されるプラズマ
生成室２とは別個のカソード室２２で希ガスを用いて行
われ、図２，図３の装置に比して長時間の使用が可能に
なるが、熱電子放出材２６が高温下でのイオン衝撃によ
るスパッタリングを受けるため、イオン化ガスがアルゴ
ン等の希ガスの場合でも１００〜２００時間しか使用で
きない問題点がある。

【００２４】しかも、カソード室２２内に生成室２のイ
オン化ガスが若干流入するため、イオン化ガスが酸素等
の場合には、希ガスのときより短時間で熱電子放出材２
６が消耗する問題点がある。

【００２５】その上、筒状体２４内のホロー放電用の希
ガスが、プラズマ生成室２内のイオン化ガスと混り合う
ため、生成されるプラズマ１６がイオン化ガスとホロー
放電用の希ガスとの混合プラズマになり、イオン化ガス
のみのプラズマ生成を行うことができず、所望のイオン
ビームが得られない問題点がある。

【００２６】つぎに、前記公報に記載のイオン源装置
は、熱電子放出でなくプラズマ生成で必要な電子を発生
するため、電子放出源が前記のフィラメント３やホロー
カソード２５等の消耗材料を用いることなく形成され、
長時間の使用が可能であり、しかも、イオン化ガスのみ
のプラズマ生成により所望のイオンビームが得られる。

【００２７】しかし、いわゆる電子銃方式で電子発生室
から電子のみを引き出してプラズマ発生室に供給するた
め、電子発生室とプラズマ発生室との間に両室の筐体か
ら電気的に絶縁された電子引出し電極を設け、電子発生
室の筐体と電子引出し電極との間に電子加速用の直流電
圧Ｖ₁ を印加しなければならず、構成が複雑化するのは
勿論、つぎに説明するように、プラズマ発生室の電子供
給量が制限されて減少し、イオンビームの発生効率が悪
くその量が少ない問題点がある。

【００２８】すなわち、電子発生室の筐体と電子引出し
電極との間の直流電圧Ｖ₁ の印加により、電子発生室の
プラズマと電子引出し電極との間に電子のみの空間電荷
層が形成され、この層によって電子の引き出し量が制限
されるため、プラズマ発生室に供給される電子の量が制
限されて減少し、イオンビームの発生量が少ない。

【００２９】本発明は、とくにマイクロ波放電等より安
価な高周波放電のプラズマ生成方式により、消耗性材料
の熱電子放出現象を利用することなく、しかも、電子加
速用の電極等を設けない簡単な構成で電子供給量（引き
出し量）の制限なく、イオン化ガスのプラズマを生成す
るようにし、電子放出源の材料消耗を皆無にして長時間
の使用を可能にするとともに、イオン化ガスのみのプラ
ズマ生成を可能にし、良質のイオンビームを効率よく形
成できるようにすることを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明のイオン源装置は、電離用のガス導入口が
形成され，高周波電圧の印加に基づく高周波放電により
電子放出用の副プラズマを生成する絶縁体の副筐体と、
副筐体に連設された主筐体と、副筐体の主筐体側に副筐
体に一体に形成された蓋板と、蓋板に形成された電子放
出孔と、副筐体内の電極を主筐体より低電位に保持し，
電子放出孔から主筐体内に電子を供給し，直流放電によ
り主筐体内に主プラズマを生成する直流電源と、主プラ
ズマからイオンビームを引き出すイオンビーム引出し電
極とを備える。

【００３１】

【作用】前記のように構成された本発明のイオン源装置
の場合、高周波電圧の印加に基づく副筐体内の高周波放
電により電子放出用の副プラズマが生成され、このプラ
ズマ生成で電離した電子が、イオン化ガスのプラズマ生
成に必要な電子として、蓋板の電子放出孔を通って主筐
体内に供給される。

【００３２】さらに、供給された電子を利用した直流放
電により主筐体内に主プラズマが生成され、イオンビー
ム引出し電極により主プラズマからイオンビームが引き
出される。

【００３３】そして、蓋板は副筐体に一体に絶縁体で形
成され、直流電源により副筐体内の高周波電極が主筐体
より低電位になり、主，副プラズマの電位差により電子
が主筐体内に供給される。

【００３４】このとき、電子放出孔付近の主，副プラズ
マの境界面では両プラズマのダブルシースが形成され、
副プラズマ側から主プラズマ側に電子が放出され、主プ
ラズマ側から副プラズマ側にイオンが流入するため、前
記公報の電子銃方式で問題となる電子のみの空間電荷層
の形成がなく、電子が供給量の制限なく効率よく主プラ
ズマ中に放出される。

【００３５】したがって、従来のように消耗の激しいフ
ィラメント等の熱電子放出材を用いる必要がなく、電子
放出源が極めて長寿命になり、長時間の使用が可能にな
る。また、副プラズマの生成に用いるガスに、主プラズ
マ室のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合は、主プ
ラズマが所望のガスのみで生成されて良質のイオンビー
ムが形成される。

【００３６】しかも、電子供給量の制限なく主プラズマ
が生成されるため、効率よく多量のイオンビームが形成
される。そして、高周波電圧の印加に基づいてプラズマ
生成の高周波放電を発生するため、マイクロ波給電等に
基づいて高周波放電を発生する場合に比して電源が安価
に形成される。

【００３７】

【実施例】バケット型のイオン源装置に適用した１実施
例について、図１を参照して説明する。同図において、
図２ないし図４と同一符号は同一もしくは相当するもの
を示し、２８は耐熱ガラス（絶縁体）により形成された
副筐体であり、副プラズマ室２９を形成する。

【００３８】３０は副筐体２８に形成された電離用のガ
ス導入口、３１は高周波電源であり、副筐体２８の外周
に設けられた一方の円筒状の高周波電極と，副筐体２８
内に位置した他方の板状の高周波電極３３との間に放電
用の高周波電圧を印加する。

【００３９】３４は副筐体２８の右側開口部に副筐体２
８に一体に形成された蓋板、３５は蓋板３４に形成され
た電子放出孔、３６は図３の筐体１に相当する非磁性体
の金属製の主筐体であり、蓋板３４を介して副筐体２８
に連設され、主プラズマ室３７を形成する。

【００４０】そして、アーク電源１２の陽極が主筐体３
６に接続され、その陰極が高周波電極３３及び第１電極
８に接続され、これらの電極３３，８が主筐体３６より
低電位に固定されている。

【００４１】この状態で高周波電源３１からＭＨｚオー
ダーの高周波電圧が出力され、この電圧が電極３２，３
３間に印加されると、副プラズマ室２９に高周波放電が
発生し、導入口３０から副プラズマ室２９に導入された
希ガス等の電子放出用のガスが電離され、副プラズマ３
８が生成される。

【００４２】この副プラズマ３８の生成に伴って電離生
成された電子ｅは、４０〜１２０Ｖ程度のアノード電圧
により放出孔３５から主プラズマ室３７に引き出されて
供給される。

【００４３】つぎに、主プラズマ室３７では、供給され
た電子ｅを利用した直流放電に基づき、導入口６からの
希ガス等のイオン化ガスが電離されて主プラズマ３９が
生成され、電子ｅの供給により放電は持続する。

【００４４】このとき、磁石１１のカスプ磁場により主
プラズマ３９が効率よく閉じ込められ、かつ、電極群７
の近傍に大面積にわたって均一で安定した主プラズマ３
９が生成される。

【００４５】そして、電極群７のビーム引出し作用によ
り、主プラズマ３９からイオンがイオンビームとなって
スパッタ室等に引き出される。ところで、電子放出孔３
５が形成された蓋板３４は副筐体２８と同一電位であ
り、電子加速機能はない。

【００４６】そして、アーク電源１２により放電電極３
３が主筐体３６より低電位に固定され、副プラズマ３８
が主プラズマ３９より低電位になるため、電子ｅは主，
副プラズマ３９，３８の電位差にしたがって主プラズマ
室３７に供給されることになる。

【００４７】このとき、電子放出孔３５付近の主，副プ
ラズマ３９，３８の境界面では両プラズマ３８，３９の
ダブルシースが形成され、副プラズマ３８側から主プラ
ズマ３９側に電子ｅが放出され、主プラズマ３９側から
副プラズマ３８側にイオンが流入するため、前記公報の
電子銃方式で問題となる電子のみの空間電荷層の形成が
なく、電子ｅが供給量の制限なく効率よく主プラズマ３
９中に供給されて放出される。

【００４８】そして、副プラズマ室２９の高周波放電
は、マイクロ波発生器より安価な高周波電源３１を用い
るため、装置が低価格に形成される。

【００４９】なお、副プラズマ室２９に導入されるガス
は、希ガス以外のガスを用いても何ら影響はなく、主プ
ラズマ室３７のイオン化ガスと同一のガスを副プラズマ
室２９に導入することができる。

【００５０】また、副プラズマ室２９の外側に磁場発生
用の永久磁石又は電磁コイルを設け、副プラズマ３８を
高密度化することが好ましい。さらに、本実施例をカウ
フマン型イオン源装置にも適用し得るのは勿論である。

【００５１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、以下に記載する効果を奏する。電子放出源
としての副筐体２８内において、高周波放電により電子
放出用の副プラズマ３８が生成され、この生成により主
筐体３６内のプラズマ生成に必要な電子が形成され、こ
の電子が主筐体３６内に供給されるため、従来のよう
に、フィラメント，熱電子放出材等の消耗性材料を高温
に加熱して維持し、熱電子放出現象を利用する場合に比
し、材料の消耗がなく、電子放出源が極めて長寿命にな
り、数百時間以上の長時間の連続運転を可能にすること
ができる。

【００５２】そして、副プラズマ生成に用いる電離用の
ガスに、希ガス以外のガスを用いることができ、その種
類に制約がないため、この電離用のガスに主筐体３６内
のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合、主筐体３６
内の主プラズマ３９が所望のイオン化ガスのみのプラズ
マとなり、良質のイオンビームを形成することができ
る。

【００５３】さらに、イオンビームの生成に酸素等の反
応性ガスを用いた場合でも、酸化消耗するものがなく、
プラズマの生成を安定に長期間維持することができる。

【００５４】しかも、直流電源（アーク電源）１２によ
り副筐体２８内の高周波電極３３が主筐体３６より低電
位に保持され、副筐体２８内の副プラズマ３８が主筐体
３６内の主プラズマ３９より低電位になり、電子放出孔
３５を介した副筐体２８側から主筐体３６側への電子の
供給が、両筐体２８，３６間の電極電圧により、電子を
加速して引き出す電子銃方式でなく、主，副プラズマ３
９，３８の電位差にしたがって行われる。

【００５５】このとき、電子放出孔３５付近の両プラズ
マ３９，３８の境界面に両プラズマ３９，３８のダブル
シースが形成され、前記電子銃方式で問題となる電子の
みの空間電荷層の形成がなく、電子加速用（引出用）の
電極等を用いない簡単な構成で電子を供給量の制限なく
効率よく主プラズマ３９中に放出し、効率よく多量のイ
オンビームを形成することができる。

【００５６】さらに、副筐体２８内の高周波放電にマイ
クロ波発生器より安価な高周波電源３１を用いるため、
装置が低価格に形成される。

【００５７】したがって、マイクロ波放電等より安価な
高周波放電のプラズマ生成方式により、消耗性材料の熱
電子放出現象を利用することなく、しかも、電子加速用
の電極等を設けない簡単な構成で電子供給量（引き出し
量）の制限なく、イオン化ガスのプラズマを生成し、電
子放出源の材料消耗を皆無にして長時間の使用を可能に
するとともに、イオン化ガスのみのプラズマ生成を可能
にし、良質のイオンビームを効率よく形成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成図である。

【図２】従来装置の１例の構成図である。

【図３】従来装置の他の例の構成図である。

【図４】従来装置のさらに他の例の構成図である。

【符号の説明】

７ イオンビーム引出し電極群 １２ アーク電源 ２８ 副筐体 ３０ ガス導入口 ３２，３３ 高周波電極 ３４ 蓋板 ３５ 電子放出孔 ３６ 主筐体 ３８ 副プラズマ ３９ 主プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野川 修一 京都市右京区梅津高畝町47番地 日新電機 株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電離用のガス導入口が形成され，高周波
   電圧の印加に基づく高周波放電により電子放出用の副プ
   ラズマを生成する絶縁体の副筐体と、 前記副筐体に連設された主筐体と、 前記副筐体の前記主筐体側に前記副筐体に一体に形成さ
   れた蓋板と、 前記蓋板に形成された電子放出孔と、 前記副筐体内の電極を前記主筐体より低電位に保持し，
   前記電子放出孔から前記主筐体内に電子を供給し，直流
   放電により前記主筐体内に主プラズマを生成する直流電
   源と、 前記主プラズマからイオンビームを引き出すイオンビー
   ム引出し電極とを備えたことを特徴とするイオン源装
   置。