JPH076722A - イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放電電圧を増加することなく、かつ、装置を
大型化せずに、電子放出性能を向上する。 【構成】 内部に副プラズマ室１１を形成し，マイクロ
波放電のプラズマ生成により電子を発生する電子放出源
としてのマイクロ波プラズマカソード２０と、カソード
２０の蓋板１３に形成された電子放出孔１４から電子が
供給され直流放電により生成した主プラズマ２３を閉じ
込める主プラズマ室２と、主プラズマ室２のカソード２
０に対向する位置に設けられ主プラズマ２３からイオン
ビームを引き出す引出電極４とを備えたイオン源装置に
おいて、副プラズマ室１１内に電子放出材料２４，２
６，２７を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子放出源にマイクロ
波プラズマカソード（以下ＭＰカソードという）を用い
たイオン源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般にＩＢＳ（Ｉｏｎ Ｂｅａｍ
Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）装置，ＩＶＤ（Ｉｏｎ Ｖａ
ｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置等の薄膜製造装
置に用いられるイオン源としては、大電流，大面積イオ
ンビームを比較的容易に得られるカウフマン型或いはバ
ケット型イオン源が用いられていたが、これらのイオン
源は、電子放出源としてＷフィラメント等の電子放出材
料を使用しているため、酸素等の活性ガスイオンビーム
を必要とする場合には、電子放出材料の劣化が著しく連
続運転に耐えなかった。

【０００３】そこで、ＭＰカソード型イオン源が用いら
れ、このＭＰカソード型イオン源は、Ｗフィラメント等
の電子放出材料を使用しないため、前記活性ガスイオン
ビームを必要とする場合にも長時間の連続運転が可能で
あり、前記薄膜製造装置のアシストイオン源或いはミキ
シングイオン源として効果が得られている。

【０００４】つぎに、このＭＰカソード型イオン源装置
について説明する。従来のこの種ＭＰカソード型イオン
源装置の構成を示した図５において、１は非磁性体金属
材料の主筐体、２は主筐体１により形成された主プラズ
マ室、３は主筐体１の両側に形成された開口部、４は一
方の開口部３に取り付けられたイオンビーム引出電極で
あり、電位の異なる第１電極５，第２電極６，第３電極
７から構成されている。８は主筐体１のフランジ及び各
電極５，６，７間に介在された絶縁体、９は主筐体１の
外側に設けられた円筒状の磁場，即ちカスプ磁場発生用
の永久磁石又は電磁石である。

【０００５】１０は非磁性金属材料からなる副筐体、１
１は副筐体１０により形成された副プラズマ室、１２，
１３は副筐体１０の両側の磁性体又は非磁性金属材料の
蓋板、１４は蓋板１３の中央の電子放出孔、１５は副筐
体１０と主筐体１間の絶縁体、１６は副プラズマ室１１
へのガスの導入口である。

【０００６】１７はマイクロ波導入用の同軸ケーブル、
１８は同軸ケーブル１７の先端のアンテナ、１９は副筐
体１０の外側に設けられた環状の永久磁石又は電磁石で
あり、副プラズマ室１１に電子サイクロトロン共鳴（Ｅ
ＣＲ）条件以上の磁場を発生する。２０は副筐体１０，
副プラズマ室１１，蓋板１２，１３，電子放出孔１４，
導入口１６，同軸ケーブル１７，アンテナ１８，磁石１
９からなるＭＰカソードである。

【０００７】２１は主プラズマ室２に電子を導入して直
流放電を発生させる放電電源であり、主筐体１，副筐体
１０間に、副筐体１０をカソード電位，主筐体１をアノ
ード電位とする直流電圧が印加される。

【０００８】そして、副筐体１０はカソード電位に保持
され、アンテナ１８の先端部がマイクロ波放電を引き起
し易いように副プラズマ室１１の壁面に近接して設けら
れている。つぎに、導入口１６からガスを供給し、副プ
ラズマ室１１に同軸ケーブル１７，アンテナ１８を介し
てマイクロ波が導入されると、副プラズマ室１１がマイ
クロ波空洞共振器条件で形成されていない場合でも、ア
ンテナ１８の先端部と副プラズマ室１１の壁面との間の
高電界によりマイクロ波放電が容易に発生し、導入口１
６からのガスが電離されて副プラズマ２２が生成され
る。

【０００９】そして、主プラズマ室２が副プラズマ室１
１より高い電位にバイアスされているため、副プラズマ
２２の生成で電離された電子が電子放出孔１４を通って
主プラズマ室２に放出され、主プラズマ室２では、供給
された電子により直流放電が持続し、主プラズマ室２内
の希ガス等のイオン化ガスが電離されて主プラズマ２３
が生成される。つぎに、引出電極３のビーム引出し作用
により、生成された主プラズマ２３からイオンがイオン
ビームとなってスパッタ室等に導出される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、最近、前記
ＭＰカソード型イオン源装置の量産機対応への要求が高
まり、イオン源の大電流化，特にスパッタ用イオン源等
の不活性ガスイオン源の大電流化及び長寿命化が望まれ
ており、そのためＭＰカソード２０の電子放出量の増大
が望まれている。

【００１１】この電子放出量は、主プラズマ２３，副プ
ラズマ２２間の電位差及び副プラズマ２２のプラズマ密
度にほぼ比例して増減する。両プラズマ２２，２３間の
電位差を上げる場合、放電電流２１の電圧を上げること
により可能であるが、アルゴン等スパッタ能率の高いガ
スを用いる場合には、放電電圧の増加により主プラズマ
２３にさらされるカソード電位部分，例えば蓋板１３の
損耗が増大し、さらにカソード電位面のスパッタによ
り、主プラズマ２３へ不純物が混入するなどの問題点が
ある。

【００１２】さらに、副プラズマ２２のプラズマ密度を
上げる場合、投入するマイクロ波電力を増加することで
可能であるが、マイクロ波導入のための同軸ケーブル，
同軸フィードスルー等の許容電力から上限が決まってお
り、大電流化するためには装置が大型化するという問題
点がある。

【００１３】本発明は、前記の点に留意し、放電電圧を
増加することなく、かつ、装置を大型化せずに、電子放
出性能を向上するイオン源装置を提供することを目的と
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のイオン源装置は、内部に副プラズマ室を形
成し，マイクロ波放電のプラズマ生成により電子を発生
する電子放出源としてのマイクロ波プラズマカソード
と、カソードの蓋板に形成された電子放出孔から電子が
供給され直流放電により生成した主プラズマを閉じ込め
る主プラズマ室と、主プラズマ室のカソードに対向する
位置に設けられ主プラズマからイオンビームを引き出す
引出電極とを備えたイオン源装置において、副プラズマ
室内に電子放出材料を配置したものである。

【００１５】

【作用】前記のように構成された本発明のイオン源装置
は、副プラズマ室内に電子放出材料を配置するようにし
たため、電子放出材料は、副プラズマによる加熱或いは
主プラズマからの高速イオンの入射の効果により、電子
を放出して副プラズマ室内へ供給する。この供給電子が
直流電界により加速され、中性ガスに衝突して電離し、
副プラズマ室内での直流放電効率が促進され、結果とし
て副プラズマ密度が増大し、ＭＰカソードからの電子放
出能力が向上する。従って、マイクロ波電力や放電電圧
を増加させることなく、副プラズマ密度が増大される。

【００１６】

【実施例】実施例について図１ないし図５を参照して説
明する。それらの図において、図５と同一符号は同一も
しくは相当するものを示す。まず、実施例１を示した図
１において、２４は副プラズマ室１１内に配設された熱
フィラメントからなる電子放出材料であり、副プラズマ
室１１と電気的に絶縁され、タングステンワイヤ等から
なる。２５は電子放出材料２４の加熱用電源であり、一
端が電子放出材料２４の一端に接続され、他端が電子放
出材料２４の他端，蓋板１２，放電電源２１の負側に接
続されている。

【００１７】そして、マイクロ波放電による副プラズマ
２２の生成と同時に、電子放出材料２４の通電加熱によ
り副プラズマ室１１内へ熱電子が供給され、この供給電
子が直流電界により加速され、中性ガスと衝突電離し、
副プラズマ室１１内での直流放電効率が促進され、結果
として副プラズマ２２の密度が増大し、ＭＰカソード２
０からの電子放出能力が向上する。

【００１８】つぎに実施例２を示した図２において、図
１と異なる点は、副プラズマ室１１内の側壁に、アンテ
ナ１８に近接するように板状または円筒状の電子放出材
料２６を配置し、放電電源２１の負側に電子放出材料２
６を接続した点であり、マイクロ波プラズマはアンテナ
１８の近傍でより高密度になるため、電子放出材料２６
は副プラズマ２２の生成により効果的に加熱され、電子
を副プラズマ室１１内へ供給する。そして、前記と同様
に電子放出性能が向上する。

【００１９】つぎに実施例３を示した図３において、図
２と異なる点は、副プラズマ室１１内の電子放出孔１４
の正面の位置に、アンテナ１８に近接するように電子放
出材料２７を配置した点であり、主プラズマ２３からの
高速イオンが電子放出材料２７に直接入射しやすく、こ
の結果により電子放出材料２７からの電子の放出が促進
され、さらに電子放出孔１４の近傍のプラズマに電子が
供給されやすく、ＭＰカソード２０からの電子放出量の
増大が効果的に行われる。

【００２０】つぎに実施例４を示した図４において、図
３と異なる点は、図３と同様の位置に電子放出材料２７
を絶縁体２８を介して配置し、バイアス電源２９の負側
に接続して副プラズマ室１１よりもさらに低い電位にし
た点である。そして、バイアス電源２９の正側は蓋板１
２及び放電電源２１の負側に接続されている。

【００２１】そして、電子放出材料２７が副プラズマ室
１１に対して低電圧にバイアスされているため、電子放
出，放電効率はさらに増大する。なお、前記実施例２〜
４では、副プラズマ室１１内の一部に電子放出材料２
６，２７を配置したが、副プラズマ室１１の内面全体に
電子放出材料を形成するようにしてもよい。

【００２２】また、副プラズマ室１１内に電子放出材料
２６，２７を配置する際、壁面との接触面積を少なくし
たり、熱伝達率の低い材料を介在させる等の方法によ
り、電子放出材料２６，２７を熱的に絶縁し、効果的な
加熱を行うようにしてもよい。さらに、従来の熱フィラ
メント式の電子源では、通電加熱の必要性から電子放出
材料が細線化され、連続運転に堪えないが、本発明で
は、電子放出材料のボリュームを十分大きくとることが
できるので、数倍以上の連続運転が可能になる。

【００２３】

【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、つぎに記載する効果を奏する。本発明のイ
オン源装置は、副プラズマ室１１内に電子放出材料２
４，２６，２７を配置するようにしたため、電子放出材
料２４，２６，２７は、副プラズマ２２による加熱或い
は主プラズマ２３からの高速イオンの入射の効果により
電子を放出して副プラズマ室１１内へ供給し、この供給
電子が直流電界により加速され、中性ガスと衝突して電
離し、副プラズマ室１１内での直流放電効率を促進する
ことができ、結果として副プラズマ２２の密度が増大
し、ＭＰカソード２０からの電子放出能力を向上するこ
とができ、マイクロ波電力や放電電圧を増加させること
なく、副プラズマ２２の密度を増大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の切断正面図である。

【図２】本発明の実施例２の切断正面図である。

【図３】本発明の実施例３の切断正面図である。

【図４】本発明の実施例４の切断正面図である。

【図５】従来例の切断正面図である。

【符号の説明】

２ 主プラズマ室 ４ 引出電極 １１ 副プラズマ室 １３ 蓋板 １４ 電子放出孔 ２０ マイクロ波プラズマカソード ２３ 主プラズマ ２４ 電子放出材料 ２６ 電子放出材料 ２７ 電子放出材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松原 克夫 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】 内部に副プラズマ室を形成し，マイクロ
   波放電のプラズマ生成により電子を発生する電子放出源
   としてのマイクロ波プラズマカソードと、該カソードの
   蓋板に形成された電子放出孔から前記電子が供給され直
   流放電により生成した主プラズマを閉じ込める主プラズ
   マ室と、該主プラズマ室の前記カソードに対向する位置
   に設けられ前記主プラズマからイオンビームを引き出す
   引出電極とを備えたイオン源装置において、 前記副プラズマ室内に電子放出材料を配置したイオン源
   装置。