JPH10275566A

JPH10275566A - イオン源

Info

Publication number: JPH10275566A
Application number: JP9095110A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Hamamoto; 成顕濱本
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 1998-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】径方向引き出しＤｕｏ−ＰＩＧａｔｒｏｎ型
イオン源において同じ投入パワーでより大きいイオンビ
ーム電流を引き出すこと。【解決手段】第１放電室の中間電極と反対側の壁面近
くに第２反射電極を取り付けフィラメント電位よりさら
に低い電位を与える。これによって電子を中間電極の方
へ追いやり第２放電室に入る電子数を増やす。電子流入
量が増えるので励起されるプラズマが増えイオンビーム
量も増える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオン注入装置、イ
オン加速器などのイオン源の部分に用いられるふたつの
プラズマ室をもつイオン源の改良に関する。本発明が対
象にするイオン源はＤｕｏ−ＰＩ−Ｇａｔｏｒｏｎと呼
ばれるものである。これは通常のイオン源のように１段
階のプラズマ化によってガスをプラズマにするのではな
くて、２段階のイオン化によって所望のガスをイオン化
する装置である。ふたつのプラズマ室があってそれぞれ
においてガスが電子によってプラズマ化される。プラズ
マ生成室、プラズマ室或いは放電室と呼ぶがここでは、
放電室という言葉を用いて表現することにする。

【０００２】第１放電室はガスを導入しフィラメントか
ら出る熱電子によってこれをプラズマ化する空間であ
る。第２放電室は第１放電室からのプラズマによって所
望のガスをプラズマにする空間である。第１放電室と第
２放電室の間にあるのが中間電極である。さらに第２放
電室の端部には反射電極がある。中間電極と反射電極に
よって挟まれた空間においてガスがプラズマ化される。
プラズマは電極の作用によってイオンビームとして側方
に引き出される。

【０００３】

【従来の技術】ＤｕｏＰＩＧａｔｒｏｎ型イオン源はふ
たつの放電室、カソード、中間電極、アノード、電子反
射電極をもち、中間電極によってプラズマを圧縮する事
によって二段の放電を行う。放電室がふたつあるのでＤ
ＵＯの名がある。また中間電極−アノード−電子反射電
極をＰＩＧ構造とすることによって電離効率を上げてい
る。ＰＩＧというはペニングイオンゲージのことで真空
計の１種である。ペニングイオンゲージとおなじ構造の
放電室を持つのでこの名前が付けられる。このタイプの
イオン源はカソード−中間電極間（第１放電室）に生成
するプラズマの密度が比較的低く、カソードのスパッタ
リングが押さえられる。

【０００４】ために高い放電電圧を必要とする多価イオ
ン源としても有効である。むしろ多価のイオンを生成す
るのに最適のイオン源であるといえる。ありふれたイオ
ン源ではなく、もともと本発明者が考案したものであ
る。これまでに製作されたこのタイプのイオン源を詳し
く説明する。図１は本発明者が先に創作した（特願平７
−２０７６３３号）このタイプのイオン源の縦断面図で
ある。図２はその側面図を示す。

【０００５】このイオン源は、第１放電室１と第２放電
室２を絶縁物３を介して直列につないだものである。第
１放電室１は真空に引くことのできる空間をもち内部に
フィラメント４が設けられる。フィラメント４は絶縁物
治具５、６によって第１放電室１に絶縁支持される。フ
ィラメント電源７がフィラメントに電力を与える。これ
によってフィラメントは１００Ａ〜２００Ａの電流が流
れ発熱して熱電子を生ずる。ガス入口８からアルゴン、
ネオンなどの不活性ガス又はイオン化させたい活性ガス
が導入される。フィラメント４と第２放電室２の壁面と
の間には、主放電電源１０（Ｖ₁ ）が接続される。これ
は例えば１２０Ｖである。これがために第２放電室２の
壁がアノードになり、フィラメント４がカソードにな
る。

【０００６】第１放電室１の壁は副放電電源１１（Ｖ
₂ ）によって第２放電室２の壁面と接続される。Ｖ₂ は
Ｖ₁ より小さい（Ｖ₁ ＞Ｖ₂ ）。Ｖ₂ は例えば８０Ｖと
する。するとフィラメント４（カソード）と第１放電室
１の電位差は（Ｖ₁ −Ｖ₂ ）になり、第１放電室１がフ
ィラメント４より高い電位になる。フィラメント４が熱
せられ熱電子が発生し、これがアルゴンやＢＦ₃ などの
ガス分子に衝突しこれをイオン化する。第１放電室１の
内部にアルゴンなどのプラズマが生ずる。

【０００７】活性ガスの場合は、一段目にＡｒ、二段目
に活性ガスを入れる場合もあるし、活性ガスを直接二段
目に入れることもある。また固体オーブン等で金属蒸気
を二段目に導入する場合は、一段目にＡｒを導入する。
２段階で所望のプラズマを作ろうとするので”Ｄｕｏ”
なのである。第１放電室は電子群を生成するために必要
である。第１段階で生成した電子を第２段階の電離に利
用して所望の元素のプラズマを生成するのである。

【０００８】第１放電室１の出口にはじょうごの形状を
した中間電極９が設けられる。中間電極９は第１放電室
１の壁面と同電位である。つまり中間電極９の電位はア
ノード２とカソード４の中間である。だから中間電極と
よぶのである。中間電極９はじょうごのような形状なの
で電子を絞って圧縮する作用がある。

【０００９】やはり本発明者になる特願平５−３０６８
１６号は副放電電源の代わりに抵抗がつないである。電
流は主放電電源１０、抵抗、中間電極９、フィラメント
４と流れるから、中間電極９はアノード２より低くくカ
ソード４より高くなる。その点では同じである。しかし
副放電電源を設けると中間電極にイオンを衝突させ二次
電子を発生させてプラズマ生成効率を上げるという積極
的な作用がある。

【００１０】説明を正確にするために、図１に於てフィ
ラメントの方向にｘ軸を、電子の進行方向にｚ軸をと
る。アルゴンガスなどはｙ軸方向の入口から第１放電室
１にはいる。電子はｚ方向に進んで第２放電室２に出て
行くのである。プラズマ発生のガスは第１放電室から第
２放電室に流れるが、第２放電室のプラズマ形成はこの
流れてくるガスを利用する。また金属蒸気をイオン化す
るために、第１放電室に不活性ガスを導入し電子を供給
する。

【００１１】さて第２放電室２であるがここで所望のガ
スのプラズマが生成される。ガスはｙ方向に第２放電室
２に導入されそのイオンビームは同じｙ方向に第２放電
室２から出て行く。第１放電室からの電子の流れがｚ方
向であるからここで流れの方向が直交する。

【００１２】第２放電室２のｚ方向の端部には蓋１４が
取り付けられる。蓋１４の中央部には穴があって絶縁物
１５、１６を介して反射電極１７が固定される。反射電
極１７の端部のネジがボルト１８によって固定される。

【００１３】第１放電室１から流れてきた電子のｚ方向
の流れを止めるのが、第２放電室２の端部に設けられた
反射電極１７である。反射電極１７はアノード２に対し
て負にバイアスしても良いが、ここではフローティング
電位になっている。フローティングであってもイオンよ
りも電子が衝突する確率が高いので負に帯電する。第２
放電室２（アノード）よりも負電位になるから電子を反
射する事ができる。第１放電室１からやってきた電子
や、第２放電室で新たに発生した電子が中間電極９と反
射電極１７の負電位によってｚ方向に往復運動を行い、
第２放電室２の中間部近傍に閉じこめられる。電子を反
射するから反射電極１７と名付けている。

【００１４】金属蒸気２０などプラズマの原料となるガ
スがｙ方向の入口２１から第２放電室２の内部に導入さ
れる。これが最終的なイオンビームの材料であって、第
１放電室のアルゴンなどは電子を多数発生するためのも
のである。イオンビームとすべきものの種類によって導
入するガスが異なる。ボロンを不純物としてドープした
い場合はＢＦ₃ などのガスを導き入れる。Ｐのイオンビ
ームを得たい場合はＰの蒸気を導入する。第２放電室２
の前方には薄い金属板を重ねた熱遮蔽板２２がある。第
２放電室２が高温になるがその熱が固体オーブンに達し
て固体オーブンの温度制御性を悪くするのを防ぐためで
ある。第１放電室１から中間電極９を経て第２放電室２
に導入された電子が、ガス分子又は金属蒸気に衝突す
る。中性であった分子はイオンと電子になる。つまりプ
ラズマが生成される。

【００１５】イオンは正の電荷を持つから、中間電極９
や反射電極１７に衝突することもある。かなりの運動エ
ネルギーをもって衝突するから、二次電子がさらに放出
される。電子の密度が増え電子が分子やイオンに衝突す
るからさらに分子やイオンが電離される。イオンが二
度、三度と電離されることもある。するとＰ⁺⁺、Ｐ⁺⁺⁺
というような多価イオンが生成される。同じ加速電圧で
あっても２価のイオンは２倍のエネルギーをもち試料中
に奥深く打ち込まれる。だから多価イオンに電離させる
と注入深さを増やすことができ有効である。

【００１６】第２放電室２のｙ方向の壁には細いスリッ
ト状の出口がある。その前方にはやはりスリットをもつ
電子抑制電極２３、接地電極２４がある。接地電極２４
と第２放電室２の壁の間には加速電源２６によって数十
ｋＶの電圧が掛かっている。これによって正イオンは加
速される。電子抑制電極２３には抑制電源２７によって
負電圧が掛かっている。これは対象物にイオンビームが
衝突した時に生ずる二次電子が第２放電室の方に戻らな
いようにする。

【００１７】さらに第１放電室１、第２放電室２のｚ方
向の延長状に磁石２８、２９が向き合うように設置され
る。これはｚ方向に直流磁場（軸方向磁場）を発生させ
る。ｚ方向磁場があるとイオンや電子はｘｙ平面で回転
運動をする。回転運動の周期はプラズマ周波数というが
これは電荷に比例し質量に反比例する。エネルギーには
よらない。この回転運動をラーモア運動という。回転の
半径はエネルギーの平方根に比例する。この磁場によっ
てプラズマが第２放電室２の空間の中央部に閉じこめら
れる。もしもｚ方向の磁場がないと電子がアノードであ
る第２放電室２の壁に衝突してすぐに消滅してしまうの
で高密度の電子を得ることができない。磁場によってプ
ラズマを中央部に閉じこめているから衝突の確率が増え
高密度の電子、高密度のイオンを生成することができ
る。

【００１８】高密度の電子が存在するから一価イオンだ
けでなく二価、三価のイオン（例えばＢ⁺⁺、Ｐ⁺⁺⁺ ）を
も生成することができる。通常のフィラメントイオン源
では高密度プラズマを生成するとイオンがカソードであ
るフィラメントに激しく衝突しスパッタリングするから
フィラメントが痩せすぐに切れてしまう。

【００１９】ところがこのイオン源は２段階の励起にな
っており、フィラメントが存在しない第２放電室におい
て目的となるガスがプラズマ化され多価イオンになる。
フィラメントが存在する第１放電室は低密度のプラズマ
があり、これによるフィラメントのスパッタリングは僅
かである。高密度プラズマがフィラメントに触れないの
でフィラメントがこれによって焼損することがない。多
価イオンをもやすやすと生成するほどの高密度のプラズ
マからフィラメントを切り放しているのがこのイオン源
の優れた点である。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】それでは第１放電室は
何のためにあるのか？不活性ガスを導いてここで熱電子
によってプラズマにするがそれは電子密度を上げるため
である。電子を中間電極を通して第２放電室に供給する
のが第１放電室の役割である。そうであればより多くの
電子を第２放電室に与えることができる方が良い。縦磁
場のために電子は第１放電室のｘｙ方向の側面に衝突す
る確率は少ない。しかし縦磁場はｚ方向の閉じこめ効果
はない。

【００２１】ところが第１放電室で生じた電子数Ｑのす
べてが第２放電室に導入されるわけでない。電子はラー
モア運動して、一部は第１放電室の天井にあたる部分に
衝突する。フィラメントよりも第１放電室の壁が高電位
であるから電子が衝突する確率はかなり高い。すると電
流が流れて電子は消滅する。フィラメントから折角熱電
子となって放出され、あるいはプラズマによって電子が
生成されてもチャンバ壁に当たって消滅してしまうと無
駄になる。こうして一部の電子数Ｒが損失になる。その
差のＳ（＝Ｑ−Ｒ）だけが第２放電室に到着する。

【００２２】しかし第１放電室で生じた電子はできるだ
け沢山第２放電室に取り出せるようにしたいものであ
る。第１放電室で生じた電子が壁に当たって消滅するの
を防ぎ、第２放電室により多くの電子を導入できるよう
なイオン源を提供することが本発明の目的である。

【００２３】このタイプのイオン源では第１放電室で生
成した熱電子およびプラズマ電子を中間電極から第２放
電室へ電子を引き出すことによって主プラズマを生成す
るわけであるが、第１放電室で生成した電子の全てが中
間電極側に供給されるわけではなく、かなりの電子が第
１放電室の壁面に衝突して消滅する。ビーム量を多くし
たいという場合など、より多くの電子を第２放電室側に
供給しなければならない。これは放電電流を増やし、第
１放電室のプラズマ密度を上げることによって電子供給
量を増加させるしか他に方法がない。しかしそうしても
壁面による損失があるのでさほど電子密度が増えない。

【００２４】

【課題を解決するための手段】第一放電室の中間電極の
反対側に新たに第２の反射電極を設け、フィラメントの
電位よりさらに低い電位を与える。第１放電室の壁面の
一部を、フィラメント（カソード）よりも負電位にする
ことによって電子衝突を防ぎ、電子を中間電極の方へ押
し出すことができる。より有効に電子を第２放電室へと
導くことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】第１放電室で生成した電子は第２
の反射電極３１により中間電極側に押し出されるのでこ
の電極が無い場合に比べ、壁面での電子の消滅を押さえ
ることができる。より効率的に第２放電室に電子を供給
する事ができるようになる。従来例に比べて同じ放電電
流であっても、より大きな引出電流を得ることができ
る。結果的にイオン源のビーム量を増大させることがで
きる。

【００２６】

【実施例】本発明のイオン源は、直列につながれる第１
放電室１と第２放電室２とよりなる。両者は絶縁物３を
介してつながっている。電子を供給するためのフィラメ
ント４は絶縁物５、６によって第１放電室１の内部に固
定されている。フィラメント電源７がフィラメントに電
流を流しこれを発熱させ熱電子を発生させる。ガス入口
８からアルゴンやネオンのような不活性ガスまたは所望
の活性ガスが供給される。熱電子によってこれが電離さ
れアルゴン等のプラズマが生じる。ここでは図示を略し
ているが、図２に示したような磁石２８、２９があって
第１放電室１にも第２放電室２にもｚ方向の磁場が掛か
っている。プラズマは磁場によって第１放電室１に閉じ
こめられる。

【００２７】第１放電室１の出口には狭い開口をもつ中
間電極９がある。これは第１放電室１の壁面と同じ電位
である。だから正イオンは中間電極９を殆ど通過できな
い。第１放電室１の中間電極９と反対側の壁面には、蓋
３０があって、これに第２反射電極３１が固定される。
これが本発明の新規な特徴である。第２反射電極３１は
絶縁物３２、３３とボルト３４によって蓋３０に固定さ
れる。第２反射電極３１には、電子反射電源３５によっ
てフィラメント４よりもさらに低い電圧（Ｖ₄）が印加
される。フィラメント４よりも負電位にバイアスされる
から電子を静電力で排除し中間電極９の方へ押しやる。
つまり電子が第１放電室壁面に衝突しにくくなり損失Ｒ
が減少する。同じフィラメント電力であっても、図１の
ものよりも高密度の電子を生成する事ができる。第１放
電室１の電子は中間電極９のノズルから第２放電室２に
入る。

【００２８】第２放電室２の構造は図１、図２において
説明したものと同じである。第２放電室２壁面は正電位
にあり、アノードとして機能する。フィラメント４がカ
ソードである。中間電極９と第１放電室１の壁面は中間
的な電位にある。その電位を与えるものが主放電電源１
０（Ｖ₁ ）と副放電電源１１（Ｖ₂ ）である。アノード
２に対してフィラメント４は−Ｖ₁ の電位、中間電極９
は−Ｖ₁ ＋Ｖ₂ の電位である。第２放電室２の側方（ｙ
方向）のガス入口２１より所望のガス（例えばＢＦ₃ 、
Ｐ₄ ）が導入される。その反対側が出口になっている。
ｚ方向の端部には第１反射電極１７がある。これは絶縁
物１４、１５、１６によってアノード２から絶縁され
る。浮遊電位（フローティング）になっているが電子の
衝突の確率が高いので負に自己バイアスされる。負に帯
電するから以後電子を反射する事ができる。

【００２９】中間電極９のノズル形の入口から入った電
子は磁場の作用でサイクロトロン（ラーモア運動）運動
して中間電極９と、第１反射電極１７の間を往復する。
第２放電室２（アノード）よりも、第１反射電極１７、
中間電極９の電位は低いので、電子は両者によって反射
される。一部はアノード２に当たって消滅する。激しい
ラーモア運動によってガス分子に衝撃を与えてこれを電
離する。ガス分子は何度も電離作用をうけて多価イオン
になるものもある（Ｂ⁺⁺、Ｐ⁺⁺、Ｐ⁺⁺⁺ ）。アノード２
よりＶ₂ だけ中間電極９の電位は低いから、電離され正
イオンになったものの一部は中間電極９に衝突する。こ
の衝突によって二次電子を発生する。これによって電子
の数が増える。増強された電子によってガスはさらに電
離される。正イオンはｙ方向に並べた電子抑制電極２
３、接地電極２４を経て外部に引き出される。

【００３０】本発明は、第１放電室１のｚ方向の壁面
に、フィラメントよりもさらに負電位の第２反射電極３
１を設けた点に特徴がある。これによって第１放電室に
生じた電子が壁面に当たって消滅するのを防止し、より
高密度の電子を第２放電室２へと供給できるようにな
る。同じフィラメント電力、放電電力であっても、生成
できる電子数が多いので、生成するイオンビームを増強
することができる。つまりパワーをより有効に利用する
ことができる。

【００３１】

【発明の効果】第１放電室で生成した電子は第２反射電
極により中間電極側に押し出される。第１放電室壁面で
の電子の消滅を押さえることができる。第２反射電極が
無い場合に比べ、より効率的に第２放電室に電子を供給
することが可能となる。従って第２反射電極がない場合
に比べて同じ放電電流で、より大きな引き出し電流を得
る事ができる。結果的にイオン源のビーム量を増大させ
ることができる。

【００３２】放電室がふたつになっており、第１放電室
はフィラメント電流と不活性ガスプラズマにより電子を
生成するだけで、第２放電室で所望ガスのプラズマを生
成するようにしている。第２放電室のプラズマ密度を高
めて多価イオンを生成することもできる。第２放電室で
イオンが高密度に生成されても狭い中間電極を逆流する
ことはなくフィラメントをスパッタリングしない。高密
度の正イオンからフィラメントが分離保護されているか
らフィラメント寿命が長い。多価イオンの生成に最適の
イオン源である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明者がかつて発明したＤｕｏ−ＰＩＧａｔ
ｒｏｎ型イオン源の縦断面図。

【図２】同じイオン源の側面図。

【図３】本発明の実施例にかかるＤｕｏ−ＰＩＧａｔｒ
ｏｎ形イオン源の縦断面図。

【符号の説明】

１第１放電室２第２放電室３絶縁物４フィラメント５絶縁物治具６絶縁物治具７フィラメント電源８ガス入口９中間電極１０主放電電源１１副放電電源１２シールド１３中間電極出口１４蓋１５絶縁物１６絶縁物１７反射電極１８ボルト１９プラズマ２０金属蒸気２１蒸気入口２２熱遮蔽板２３電子抑制電極２４接地電極２６加速電源２７抑制電源２８磁石２９磁石３０蓋３１第２反射電極３２絶縁物３３絶縁物３４ボルト３５電子反射電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不活性ガスを導入してこれをプラズマと
する第１放電室と、第１放電室の内部に設けられ熱電子
を発生するフィラメントと、第１放電室に絶縁物を介し
て接続され所望のガスの入口とイオンビームの出口を有
する第２放電室と、第１放電室の出口に設けられ第２放
電室に通ずる開口を有する中間電極と、第２放電室を正
にフィラメントを負にバイアスする主放電電源と、第２
放電室を正に中間電極を負にバイアスする副放電電源
と、第２放電室の中間電極と反対側の壁に設けられ浮遊
電位または第２放電室より低い電位にバイアスされる第
１反射電極と、第１放電室と第２放電室に縦方向の磁場
を与える磁石と、第１放電室の中間電極と反対側の壁に
設けられフィラメントより負の電位を与えられた第２反
射電極とを含むことを特徴とするイオン源。