JPH09259781A - イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カスプ磁場による主プラズマの閉じ込め効率
を向上し、大電流のイオンビームを引き出し得るように
する。 【解決手段】 主プラズマ２６を生成，維持する直流放
電の陽極電極２９を主筐体１１から電気的に絶縁してカ
スプ磁場内に配置し、かつ、主筐体１１をフロート電位
又は直流放電の陰極電位にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ間の電位
差を利用した電子の供給とこの電子の直流放電とによ
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、この種イオン源装置は、電子の直
流放電を利用してイオン化ガスをプラズマ化するため、
極めて安定かつ大電流・大面積のイオンビームを生成で
きる等の優れた特徴を有する。

【０００３】さらに、電子放出源のプラズマをマイクロ
波放電，高周波放電により生成する場合は、熱電子放出
材等の消耗性材料を用いないため、導入ガスの種類にか
かわらず極めて長寿命であり、数百時間以上の長時間の
連続運転が可能になる。

【０００４】そのため、イオンビームスパッタリング
（ＩＢＳ），Ｉｏｎ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ（ＩＶＤ）等の薄膜形成，イオン注入等の表面改質の
ような種々の基板処理に極めて好適である。

【０００５】そして、電子放出源のプラズマをマイクロ
波放電により生成するこの種イオン源装置の代表的なも
のとしては、例えば特公平７−５２６３５号公報（Ｈ０
１Ｊ３７／００）に記載のいわゆるマイクロ波プラズマ
カソード型イオン源装置（ＭＰカソード型イオン源装
置）がある。

【０００６】このＭＰカソード型イオン源装置はいわゆ
る横置きの場合、図３に示すように構成され、同図にお
いて、１は非磁性体金属円筒の副筐体、２は副筐体１に
より形成された副プラズマ室、３，４は副筐体１の左，
右両端の強磁性体金属材料からなる蓋板、５は左端の蓋
板３に形成された副プラズマ室２へのガスの導入口であ
る。

【０００７】６は蓋板３から外方に引き出されたマイク
ロ波導入用の同軸ケーブル、７は副プラズマ室２内に位
置した同軸ケーブル６の先端のアンテナ、８は副筐体１
の側壁外周に設けられた環状の永久磁石又は電磁石であ
り、左端がＮ極，右端がＳ極に設定され、蓋板３，４と
ともに磁気回路を形成し、副プラズマ室２内のアンテナ
７の近傍に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件以上
の磁界（磁場）を発生する。

【０００８】９は右端の蓋板４の中央に形成された電子
放出孔、１０は副筐体１，副プラズマ室２，蓋板３，
４，導入口５，同軸ケーブル６，アンテナ７，磁石８か
らなるＭＰカソードである。

【０００９】１１は絶縁体１２を介して副筐体１に連結
された非磁性体金属円筒の主筐体であり、左，右端に開
口部１３を有する。１４は主筐体１１により形成された
主プラズマ室、１５は主筐体１１の右端の開口部１３に
取り付けられたイオンビーム引出し電極であり、電位の
異なる例えばメッシュ状の第１電極１６，第２電極１
７，第３電極１８から構成されている。１９は主筐体１
１のフランジ及び各電極１６，１７，１８間に介在した
絶縁体、２０は主筐体１１の側壁外周に一定の間隔で環
状に配置されたカスプ磁界形成用の左右方向（軸方向）
のストライプ状の永久磁石又は電磁石であり、図中のＡ
−Ａ’線断面を示した図４のように、主筐体１１に面し
た磁極が磁石２０毎にＮ，Ｓに交互に異なる。

【００１０】２１は放電電源であり、その陽極は主筐体
１１に接続され、陰極は蓋板３に接続されるとともに高
抵抗値の抵抗２２を介して第１の電極１６に接続され、
主筐体１１をアノード電位にして副筐体１及び蓋板３，
４をカソード電位にする。２３は陰極がアースされた加
速電源であり、その陽極は主筐体１１及び放電電源２１
の陽極に接続され、主筐体１１に電位を与える。２４は
第２電極１７に負の電圧を印加する減速電源である。

【００１１】そして、副筐体１が放電電源２１の陰極の
カソード電位に保持され、アンテナ７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２の壁面に
近接して設けられているため、導入口５からガスが供給
され、副プラズマ室２に同軸ケーブル６，アンテナ７を
介してマイクロ波が導入されると、副プラズマ室２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７の先端部と副プラズマ室２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５か
らのガスが電離されて副プラズマ２５が生成される。

【００１２】さらに、副筐体１が放電電源２１により主
筐体１１より低電位になり、主プラズマ室１４が副プラ
ズマ室２より高い電位にバイアスされるため、副プラズ
マ２５の生成で電離された電子は、副プラズマ２５と後
述の主プラズマ２６との間で形成されるシース部の電位
差（プラズマ電位差）で加速され、電子放出孔９を通っ
て主プラズマ室１４に供給される。

【００１３】この電子の供給に基づき、副筐体１側を陰
極電極，主筐体１１を陽極電極として、主プラズマ室１
４では直流放電が発生し，持続し、内部の希ガス等のイ
オン化ガスが電離されて主プラズマ２６が生成される。

【００１４】そして、引き出し電極１５のビーム引き出
し作用により、生成された主プラズマ２６からイオンが
イオンビーム２７となって引き出され、スパッタ室等に
導出される。

【００１５】このとき、主プラズマ２６のプラズマ密度
を高める程、装置出力としてのイオンビーム２７の引き
出し量，すなわちイオンビーム電流量が増大する。

【００１６】そして、各磁石２０の主筐体１１に面した
磁極がＮ，Ｓに交互に異なり、主プラズマ室１４内にお
いて、主筐体１１の壁面近傍に、図４に示した隣り合う
磁石２０のＮ，Ｓ間の磁力線に沿う強力なカスプ磁場
（ラインカスプ磁場，カスプ磁界等とも呼ばれる）２８
が生成され、この磁場２８により主プラズマ２６を主プ
ラズマ室１４の中央部分に閉じ込めてそのプラズマ密度
を高め、イオンビーム電流量の増大化を図っている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のこの種イオ
ン源装置の場合、主プラズマ室１４の直流放電が主筐体
１１を陽極電極として行われ、このとき、主筐体１１全
体が陽極電位になり、しかも、図４からも明らかなよう
に主筐体１１の磁力線が集中する各磁石２０の位置で
は、カスプ磁場２８による陽極電極のシールド効果が薄
れ、電子やプラズマが陽極電極に接触（衝突）する。

【００１８】そのため、電子が陽極電極である主筐体１
１にその壁面から直接流入して迅速に消失し、電子の衝
突によるガスの電離が減少してプラズマ生成効率が下が
り、この結果、主プラズマ２６の閉じ込め効率が低下し
てイオンビーム２７を大電流にすることができず、大電
流のイオンビームを引き出すことができない問題点があ
る。

【００１９】本発明は、カスプ磁場による主プラズマの
閉じ込め効率を向上し、大電流のイオンビームを引き出
し得るようにすることを課題とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明のイオン源装置においては、主プラズマを
生成，維持する直流放電の陽極電極を主筐体から電気的
に絶縁してカスプ磁場内に配置し、かつ、主筐体をフロ
ート電位又は直流放電の陰極電位にする。

【００２１】この場合、主筐体から電気的に絶縁された
直流放電の陽極電極は、カスプ磁場中に設けられて直流
放電により発生した電子及びプラズマとの接触が確実に
阻止される。

【００２２】しかも、主筐体が陽極電極の電位（陽極電
位）より低いフロート電位又は陰極電位になり、電子が
主筐体に接触して消滅することもない。

【００２３】したがって、電子の衝突による主筐体内の
ガスの電離が極めて効率よく行われ、主プラズマの生成
効率が向上して大電流のイオンビームの引出しが可能に
なる。

【００２４】また、簡単に陽極電極と主筐体との電気的
絶縁を図る場合は、主筐体をガラス，セラミックス等の
絶縁物部材で構成してフロート電位にすることが好まし
い。

【００２５】この場合は、主筐体自体が絶縁体であるた
め、陽極電極と主筐体との間に、陽極電極を主筐体から
絶縁する手段を設ける必要がなく、簡単に陽極電極と主
筐体との電気的絶縁が図られる。

【００２６】

【発明の実施の形態】発明の実施の１形態につき、図１
及び図２を参照して説明する。それらの図面において、
図３，図４と同一符号は同一もしくは相当するものを示
し、図１，図２のイオン源装置は主筐体１１と別個に磁
石２０の個数の金属棒等の導体棒の陽極電極２９を備え
る。

【００２７】そして、各陽極電極２９は蓋板４の周部を
ほぼ等間隔にＭＰカソード１０側から貫通して主プラズ
マ室１４内，すなわち主筐体１１内に水平に挿入され、
図１のＢ−Ｂ’線断面を示した図２のように、主筐体１
１の壁面近傍の各磁石２０間の磁力線で表わしたカスプ
磁場２８中にそれぞれ配置される。

【００２８】このとき、蓋板４の各陽極電極２９の貫通
部分と各陽極電極２９との間に、それぞれ絶縁体３０が
介在し、各陽極電極２９はＭＰカソード１０から電気的
に絶縁される。

【００２９】また、放電電源２１の陽極は主筐体１１か
ら切離されて各陽極電極２９に接続され、各陽極電極２
９はＭＰカソード１０を陰極とする直流放電の陽極電位
に保持される。

【００３０】さらに、蓋板４と主筐体１１とが絶縁体１
２により電気的に絶縁されているため、各陽極電極２９
は絶縁体１２，３０を介して主筐体１１から電気的に絶
縁され、主筐体１１は主，副プラズマ２６，２５間のプ
ラズマ電位差等にしたがって変化するフロート電位にな
る。

【００３１】そして、ＭＰカソード１０が形成する陰極
電極と各陽極電極２９との間の直流電圧により主プラズ
マ室１４内に直流放電が発生し、この直流放電により主
プラズマ室１４内のガスが電離されて電子及び主プラズ
マ２６が生成される。

【００３２】このとき、各陽極電極２９は磁石２０によ
って形成されたカスプ磁場２８中にあり、それぞれ表面
が電子やプラズマの直接流入を防止するのに十分な数十
ガウス程度の磁場で覆われる。

【００３３】そして、数十〜百数十ボルト程度のエネル
ギを有する電子（一次電子）が各陽極電極２９に向かっ
て飛行すると、それらの周囲の磁場により飛行方向が１
８０°反転され、各陽極電極２９への電子の直接流入が
阻止される。

【００３４】しかも、主筐体１１の内壁面に電子やプラ
ズマが接触（衝突）して消失することもない。

【００３５】この結果、電子が長時間にわたって主プラ
ズマ室１４内を走行し、この長時間の電子の走行により
主プラズマ室１４内のイオン化ガスの電離効率が向上し
て主プラズマ２６の閉じ込め効率が高くなり、従来より
著しく大電流のイオンビーム２７を引出すことができ
る。

【００３６】ところで、主筐体１１は例えば絶縁体１２
を省き、ＭＰカソード１０の陰極電位にしてもよい。

【００３７】また、図１，図２の場合は陽極電極２９を
磁石２０と同数設けたが、陽極電極２９の数及び形状等
はどのようであってもよい。

【００３８】さらに、副筐体１，主筐体１１等は円筒状
でなくてもよく、例えば矩形状であってもよく、副筐体
１，主筐体１１等を上下方向に配置したいわゆる縦置き
等の場合にも適用できるのは勿論である。

【００３９】つぎに、絶縁体３０により主筐体１１をフ
ロート電位とする代わりに、主筐体１１をガラス，セラ
ミックス等の絶縁物部材で構成してフロート電位にする
ようにしてもよく、この場合は、蓋板４及び第１電極１
６と主筐体１１との電気的な絶縁が絶縁体１２及び１９
等を介在させることなく簡単に図れる利点がある。

【００４０】なお、主筐体１１をセラミックスにより構
成した場合は耐熱性が高く、いわゆる熱対策が不要にな
る利点もある。

【００４１】そして、副プラズマ２５の生成を高周波放
電又はフィラメントの熱電子放出により行う場合にも適
用することができるのは勿論である。

【００４２】

【発明の効果】本発明は、以下に記載する効果を奏す
る。主筐体１１から電気的に絶縁された直流放電の陽極
電極２９をカスプ磁場２８中に設けるため、この電極２
９と直流放電により発生した電子及びプラズマとの接触
が確実に阻止される。

【００４３】しかも、主筐体１１を陽極電極２９の電位
（陽極電位）より低いフロート電位又は陰極電位にした
ため、電子が主筐体１１に接触して消滅することもな
い。

【００４４】したがって、主筐体１１内のガスの電離が
極めて効率よく行われ、主プラズマ２６の生成効率を向
上して大電流のイオンビーム２７を引出すことができ
る。

【００４５】また、主筐体１１をガラス，セラミックス
等の絶縁物部材で構成してフロート電位にした場合は、
主筐体１１自体が絶縁体であるため、絶縁体１２，１９
を別個に設ける必要がなく、簡単に陽極電極と絶縁体と
の電気的絶縁を図って大電流のイオンビーム２７を引出
すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオン源装置の実施の１形態の構成図
である。

【図２】図１のＢ−Ｂ’線断面図である。

【図３】従来装置の構成説明図である。

【図４】図３のＡ−Ａ’線断面図である。

【符号の説明】

１ 副筐体 ３，４ 蓋板 ９ 電子放出孔 １１ 主筐体 ２０ カスプ磁場生成用の永久磁石又は電磁石 ２５ 副プラズマ ２６ 主プラズマ ２７ イオンビーム ２８ カスプ磁場 ２９ 陽極電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子放出用の副プラズマを生成する副筐
   体に主筐体を連結し、前記副プラズマと前記主筐体内に
   形成される主プラズマの電位差により、前記副筐体の前
   記主筐体側の蓋板に形成された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プラズマを
   生成，維持し、前記主筐体の側壁外周に配置した永久磁
   石又は電磁石により前記主筐体内の壁面近傍にカスプ磁
   場を生成し、前記主プラズマを前記主筐体の中心部分に
   閉じ込めて高密度化し、前記主プラズマからイオンビー
   ムを引き出すイオン源装置において、 前記直流放電の陽極電極を前記主筐体から電気的に絶縁
   して前記カスプ磁場内に配置し、かつ、前記主筐体をフ
   ロート電位又は前記直流放電の陰極電位にしたことを特
   徴とするイオン源装置。
2. 【請求項２】 主筐体をガラス，セラミックス等の絶縁
   物部材で構成してフロート電位にしたことを特徴とする
   請求項１記載のイオン源装置。