JPH0822789A

JPH0822789A - マルチカスプ型マイクロ波イオン源

Info

Publication number: JPH0822789A
Application number: JP6179567A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Inai; 裕井内
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1994-07-06
Filing date: 1994-07-06
Publication date: 1996-01-23

Abstract

(57)【要約】【目的】極性が互いに反対向きになるように配置した
永久磁石によってチャンバの周囲を囲み、カスプ磁場を
発生させてプラズマを閉じ込めるようにしたイオン源に
は、閉じ込め不十分という欠点がある。つまり磁場強度
の弱くなるカスプ磁場の中間部において高エネルギーの
電子が逃げて、チャンバ壁に当りエネルギーを失うこと
がある。中間部の弱いカスプ磁場を越えて高速電子が壁
に逃げないようにしたイオン源を提供すること。【構成】カスプ磁場とチャンバ壁の間に、チャンバか
ら絶縁されたバイアス板を設け、これに負電圧を印加す
る。電子を電界の作用で押し返し、壁との接触を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオン注入、イオン
シャワー装置などのイオン源として用いられるマルチカ
スプ型マイクロ波イオン源の改良に関する。イオン源
は、原料として導入されたガスを直流放電、交流電界、
マイクロ波などによって励起し、プラズマとし、電極に
印加した電界の作用によりイオンビームとして引き出す
ものである。真空チャンバの外周には、永久磁石を極性
が互いに交代するように多数配置している。永久磁石の
作る磁場の作用により、荷電粒子をチャンバの内部に閉
じこめる。永久磁石の極性が交代しているので磁場の終
端が尖点（カスプ）になる。また永久磁石の磁界が打ち
消しあうので、遠くには届かない。永久磁石が多数有っ
て、カスプも多数発生するのでマルチカスプ型と呼ぶ。
マイクロ波というのは、マイクロ波をプラズマの励起に
使うからである。

【０００２】

【従来の技術】図１、図２により従来例に係るマルチカ
スプ型イオン源の概略を説明する。チャンバ１はこの例
では円筒形であり真空に引くことができる。原料ガス入
り口１０から導入された原料ガスは、導波管１１から窓
１２を経てチャンバ１に導入されるマイクロ波の作用に
よりプラズマになる。永久磁石２が、チャンバ１の外壁
に、互いに極性が反転するように設置されている。隣接
する永久磁石２の端面間に磁力線３が円弧状に発生す
る。磁力線の終端のカスプ５（尖点）では磁界が強力で
ある。隣接永久磁石の端面を結ぶ円弧状の磁力線をカス
プラインとも呼ぶ。

【０００３】チャンバ１の中央にはプラズマ４が閉じこ
められている。中央部には磁界の作用が及ばないので、
プラズマ中の電子や正イオンは自由な熱運動をすること
ができる。チャンバ１は正の高電位に保たれ、前方の開
口１３に続いて設けられる電極１４、１５の作用によ
り、イオンビームとして引き出される。このようなマル
チカスプ型イオン源はその磁場の配置が、プラズマの電
子の閉じ込めに適している。ために、熱フィラメントを
利用する電子放出型のイオン源のチャンバに用いられ
る。さらに、ここに図示したように、マイクロ波励起の
イオン源のチャンバにも利用されるようになってきた。
これは永久磁石の性能が向上し、強力な磁界をチャンバ
の内部に形成することができるようになったからであ
る。マイクロ波励起のイオン源は、Ｗのフィラメントが
ないので、不純物が発生しにくい。また多価イオンの励
起に好適であるという利点がある。

【０００４】マイクロ波を励起源とするイオン源の場合
は、閉じこめ用の磁場を用いて、電子をより強力に励起
することができる。例えば、マイクロ波として、２．４
５ＧＨｚの周波数のものを導入すると、電子のサイクロ
トロン共鳴は、磁界が８７５ガウスで起こる。閉じこめ
用の永久磁石の磁界が強力であるので、８７５ガウスの
領域が、カスプの近傍に存在する。このためにカスプラ
インの近くで電子がマイクロ波を吸収し、エネルギーを
得て高密度のプラズマがカスプラインの近くに形成され
る。カスプの近くに、大いにプラズマが発生する領域が
存在し、プラズマの生成が大いに高進する。ここで正イ
オンと電子が発生する。運動エネルギーは電子に大量に
配分される。活性になった電子はチャンバの中央に飛
び、中央に存在する原料原子、分子に衝突し、これを新
たに励起する。だからチャンバの中央部でもプラズマの
生成が起こる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】マルチカスプ型イオン
源は、外周に配置した強力な永久磁石のために、カスプ
ラインの付近では非常に強力な磁場を持つ。永久磁石の
極性が交代するので、磁場の到達距離は短い。チャンバ
の中央部の磁界は極めて弱い。中心点では磁界の強さは
０である。ミラー比が極めて大きい。電子の磁場による
運動を考える。図３にこれを例示する。カスプラインの
近くで生成された電子はマイクロ波と、そのサイクロト
ロン運動が共鳴するために強いエネルギーを持つ。この
電子は磁力線３の周りを回転しチャンバ壁側あるいは中
央部に向かって少しづつ移動する。電子は螺旋運動６を
しており螺旋の軸の周りを回転する。カスプの近くで、
磁力線が円錐形をなし、電子は磁力線に直角になるよう
に運動する。円錐をなす螺旋運動をしていると、円錐の
広い方へ移動するようになる。極一部の電子は、円錐の
狭い方に移動しチャンバの壁面に衝突する。これはエネ
ルギーの損失である。

【０００６】しかし大部分は、磁力線円錐の広い方に移
動する。電子はチャンバの中央部に向かう。共鳴に近い
内は、電子がマイクロ波のエネルギーを吸収して速度を
速めながら進行する。回転半径が大きくなっていく。磁
力線の円錐が広がると共に磁力線が弱くなるから、共鳴
条件から外れる。電子のエネルギー蓄積は弱くなって行
く。やがて中性の原子、分子に衝突し、これをイオン化
する。これは有効にエネルギーが利用されている場合で
ある。しかし、そうでないこともある。カスプラインは
隣接磁石の端面を結ぶ曲線であるが、中間部の磁場が弱
い。図３において螺旋状に進行してきた電子が、磁場の
弱い中央部に至り、磁力線の拘束を逃れて、大きい円弧
７を描いてチャンバ１の内壁に衝突する事がある。また
ある電子８は、チャンバ１の中央部を越えて反対側の磁
力線の弱い中間部を抜けて、チャンバの壁面に到達す
る。

【０００７】いずれの場合も、マイクロ波からエネルギ
ーを得て高速化した電子が空しく失われるのである。マ
イクロ波のエネルギーが浪費される。プラズマの生成効
率も低くなる。チャンバの壁面が強く加熱されるので、
冷却を強力に行なう必要もある。このように壁面からの
電子損失は極めて望ましくないことである。本発明の目
的は、高速電子がチャンバの内壁に衝突しエネルギーを
失うことを防ぐようにしたマイクロ波イオン源を提供す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン源はカス
プ磁場とチャンバ内壁の間に、チャンバの内壁から電気
的に絶縁された金属板よりなるバイアス板を、カスプの
尖点を除くチャンバの内壁を覆うように設け、バイアス
板に負電位のバイアスをかけ、電子を追い返すようにし
たものである。

【０００９】

【作用】永久磁石の形成する磁場により、プラズマがチ
ャンバの中央に閉じこめられる。電子は速度が速いの
で、チャンバの外側に向けて走行し、永久磁石の端面近
くのカスプ磁場に捕獲される。カスプ磁場は尖点の近く
で極めて強いので、電子に及ぼすローレンツ力が大き
い。電子はここから半径の小さい螺旋運動を開始する。
マイクロ波との共鳴により、エネルギーを得て徐々に半
径を増加させながらチャンバの中央に移動する。中央に
近づくにつれて磁力線が弱くなる。ために図３に示すよ
うに、磁力線の作用から離脱し、チャンバの内壁に向け
て飛び始める。しかしチャンバの内壁は、バイアス板に
よってほぼ覆われている。このために、電子はその運動
エネルギ−がバイアス板に印加した電位に対して小さい
と、バイアス板により追い返されチャンバ壁に衝突しな
い。

【００１０】永久磁石は磁力により、電子を閉じ込める
ものであるが、本発明のバイアス板は静電力により電子
を排斥する。永久磁石間に形成される磁力線の尖点（カ
スプ）の近くに飛来した電子は、磁場に捕らえられ螺旋
運動してチャンバの中央へ戻る。磁力線の尖点以外の領
域、つまりカスプ磁場の中間点にやって来た電子は、磁
場を突き抜けることができる。しかし磁力線の背後にあ
る、バイアス板の静電力により押し返される。つまりど
こへ電子が飛行して来たとしても、磁場または電場の作
用によって中央部に押し返される。

【００１１】バイアス板はカスプ磁場の尖点を横切って
は行けない。なぜなら、プラズマの電位は、プラズマと
チャンバ内壁の接点、すなわちカスプ磁場の尖点の電位
で決められ、バイアス板の電位は、その電位に対して負
に印加されなければならないからである。このためにバ
イアス板は、尖点を避けて設ける。つまりチャンバ内壁
のカスプ磁場の中間点の辺りにバイアス板を設ける。だ
からバイアス板は空隙を持つ。

【００１２】高エネルギ−の電子を保持することができ
るので、中性イオンを電離するだけでなく、１価のイオ
ンをさらに電離させることもできる。多価のイオンを生
成することができるようになる。多価イオンの存在する
比率は、電子のエネルギーの大小や、電子密度による。
これはバイアス板にかけるバイアス電圧によって自在に
制御することができる。

【００１３】

【実施例】図４〜図６によって、本発明の実施例を説明
する。円筒形のチャンバ１は真空に引くことのできる空
間である。円筒胴部の外周には、永久磁石２が、軸方向
に平行でかつ磁極の方向が互いに反転するように並べら
れている。これにより、隣接永久磁石間を結ぶ磁力線３
が発生し、カスプ磁場ができる。永久磁石の端面近くで
磁力線の尖点（カスプ）５ができる。チャンバ１の端面
の中央には導波管１１があり、これからマイクロ波が窓
１２を通して、チャンバ１に導入される。原料ガスがマ
イクロ波により励起されて、プラズマに変化する。マイ
クロ波の入る導波管と反対側に、開口１３があって、こ
の先に電極１４、１５があって、電場の作用によりイオ
ンビームが引き出される。これらの構成は図１〜図３の
ものと共通である。

【００１４】本発明で新たに加わっているのは、チャン
バ１の内壁近くにおいて、カスプ磁場と内壁に囲まれる
ように、円弧状のバイアス板２０を設けたところであ
る。これはＴａ、Ｗなどの薄くて耐熱性のある金属の板
を曲げたものである。カスプ磁場の内部に、カスプ形状
に倣うように設ける。これはチャンバの壁面に対して負
電位とする。バイアス電源２１により、バイアス板２０
に負バイアスを与える。バイアス板２０は、チャンバの
内壁に対して絶縁体（図示せず）により支持される。当
然、バイアス板の数は、カスプ磁場の数に等しい。つま
り永久磁石の数に等しい。

【００１５】一例を述べる。図５のように円筒状のチャ
ンバの外周に８個の永久磁石を設ける。カスプ磁場が８
個できる。カスプライン上での磁場は約１０００ガウス
とする。マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚである。
ＥＣＲ共鳴条件に於ける磁場強度波８７５ガウスである
から、カスプラインの近くでＥＣＲ条件が満足され高密
度のプラズマが励起される。チャンバ内部を真空に引
き、アルゴンガスなどの原料ガスを導入し、圧力を１０
^-2Ｐａ〜１０^-1Ｐａに調節する。マイクロ波発振器（図
示しない）で発生したマイクロ波をチャンバに導入す
る。原料ガスをマイクロ波で励起する。プラズマが生成
される。永久磁石の磁場と、バイアス板の電界により、
プラズマを中央部に閉じこめる。マイクロ波のパワー、
バイアス電圧を調整して、プラズマ密度、イオン電流、
イオン価数を所望の値に制御する。

【００１６】図６により、バイアス板の作用を説明す
る。磁力線３に捕らえられた電子は螺旋２３を描いて、
中央に移動する。やがて螺旋運動から解放され中央へと
向かう（電子２４）。他のカスプに捕らえられた電子２
５も螺旋運動の末に中央よりの空間に戻る。電子２６は
長駆して遠くのカスプ磁場へと飛ぶ。しかしバイアス板
２０の静電圧により、減速される。減速された電子はそ
の近くのカスプ磁場によって再び捕捉される。この電子
２８はカスプ磁場の周りを回って再びチャンバの中央よ
りに押し出される。このように弱いカスプ磁場２７をた
とえ電子が通過してもその背後にあるバイアス板により
電子が追い返される。すなわち電子の閉じ込め時間を長
くできる。また、壁との衝突で電子がエネルギーを失う
ことが少ない。マイクロ波エネルギーをより有効に利用
できる。

【００１７】きわめてエネルギーの高い電子２９のみ
が、バイアス板に衝突してエネルギーを失うことがあ
る。バイアス電圧を増加すると、このような電子の数を
減らすことができる。しかし余りにバイアスを増やす
と、プラズマのもう一方の成分である正イオンが、バイ
アス板に衝突し、やはりエネルギー損失を招く。これは
正イオンによる損失である。この他に負バイアスを大き
くし過ぎると、次の困難がある。負電圧が大きいと、カ
スプライン付近も負電圧になる。すなわち、プラズマの
電位が負バイアスにより決定され、プラズマ電位とバイ
アス板の電位の電位差が大きくならない。このような理
由で、負バイアスにはある最適値がある。多くの場合、
負バイアスは、０〜−２００Ｖの程度である。

【００１８】次に、バイアス板の間隙の大きさについて
述べる。図７において永久磁石の側面から前に延長した
直線と、バイアス板の端の間隙ｘは、磁場中の電子の螺
旋運動のラーモア半径の数倍とする。例えば、磁束密度
を１０００ガウスと仮定する。１００ｅＶの電子のラー
モア半径は約０．３４ｍｍであるから、間隙ｘは３ｍｍ
以上必要である。この程度の間隙があると電子は、ここ
を通り抜けることができる。するとカスプラインの電位
と、プラズマの電位が等しくなり、カスプライン電位に
対してバイアス板を負電位に決めることができる。

【００１９】図８に示すように、正イオンが強いエネル
ギーを持ってバイアス板に当たると、これをスパッタリ
ングする。この現象を積極的に利用することもできる。
イオンビームにしたい金属によりバイアス板を製作す
る。正イオンはこれをスパッタリングするので、金属イ
オンが発生する。この金属のプラズマが形成される。つ
まりバイアス板のあるものは金属のイオン源として用い
ることができる。原料がガスであるものをプラズマにす
るのは簡単である。しかし融点の高い金属の場合、一旦
これを蒸発させてからプラズマにするのは難しい。しか
しこの発明のように、固体を直接に正イオンによってた
たき、スパッタリングさせ金属プラズマを発生させると
すると、構造が簡単な金属のイオン源を構成できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、マイクロ波により高エネルギ
ーにした電子が壁と衝突することによってエネルギーを
失うのを防ぐことができる。このために次の効果を奏す
ることができる。一つは高密度プラズマの生成が可能で
あるということである。もう一つは多価イオンの生成が
可能だということである。この他に、バイアス電圧を調
節することにより、プラズマ密度を自在に制御すること
ができる。さらにまた、多価イオンを生成した時は、多
価イオンの一価イオンに対する存在比を変えることがで
きる。またバイアス板にイオンが衝突しスパッタリング
し、この金属のイオンができることを利用し、金属のイ
オン源とすることもできる。これは金属原料を一旦蒸発
させる必要がないので、簡単な構造の金属イオン源にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例に係るマイクロ波利用マルチカスプ型イ
オン源の概略縦断側面図。

【図２】従来例に係るマルチカスプイオン源の縦断正面
図。

【図３】従来例に係るイオン源において、カスプ磁場の
弱いところから、電子が逃げて壁面にあたり、エネルギ
ー損失を起こすことを説明する図。

【図４】本発明の実施例に係るマルチカスプ型イオン源
の縦断側面図。

【図５】本発明の実施例に係るマルチカスプ型イオン源
の縦断正面図。

【図６】本発明のイオン源において、電子はバイアス板
の静電力により排除されて壁に当たらないということを
説明するための図。

【図７】カスプ磁場の端において、バイアス板が永久磁
石からどれだけの間隙を持つべきかを説明するための
図。

【図８】正イオンがバイアス板に衝突し、これをスパッ
タリングし、金属のイオンを生成することを説明するた
めの図。

【符号の説明】

１真空チャンバ２永久磁石３磁力線４プラズマ５カスプ６螺旋軌道１０原料ガス入口１１導波管１２窓１３開口１４電極１５電極２０バイアス板２１バイアス電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空チャンバと、チャンバの外周に極性
が互いに反対になるように設置されチャンバ内部にカス
プ磁場を発生する複数の永久磁石と、マイクロ波を導入
し、チャンバに導入された原料ガスをマイクロ波によっ
てプラズマにするマイクロ波プラズマ励起機構と、永久
磁石によってチャンバ内に形成されるカスプ磁場とチャ
ンバ内壁の間であってカスプの尖点を除いた位置に、チ
ャンバとは絶縁されて設けられた金属製のバイアス板
と、チャンバに対して負電圧をバイアス板に印加するバ
イアス電源とを含み、カスプ磁場を通り抜けた電子が、
バイアス板の電界によりチャンバの中央部へ押戻される
ようにしたことを特徴とするマルチカスプ型マイクロ波
イオン源。