JP4065708B2

JP4065708B2 - イオン源

Info

Publication number: JP4065708B2
Application number: JP2002109862A
Authority: JP
Inventors: 孝義関; 克己登木口
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-04-12
Also published as: JP2003308795A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン源に係り、特に、イオン注入装置に好適なイオン源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロ波イオン源としては、特開平９−２４５９９７号公報に示すような同軸型のイオン源や、特開平９−３５６５１号公報に示す導波管を用いたイオン源がある。
【０００３】
上記同軸型のイオン源では、アンテナをプラズマ室へ突き出した形であるため、アンテナ先端付近で発生したイオンしか引き出すことができない。このため、大電流化が難しいことや、大電力のマイクロ波を導入するとアンテナが加熱されやすいといった問題がある。
【０００４】
従って、１００ｍＡ以上の大電流を引き出すには、主に導波管を用いたイオン源が用いられる。
【０００５】
放電室内に絶縁物の無いタイプのイオン源では、例えば酸素イオン（Ｏ⁺ ）を引き出す場合、本発明者等が執筆した「真空，第４２巻，７号，（１９９９）ｐ６７０−６７５」に記載のように、８０％以上が酸素の一価イオン（Ｏ⁺ ）であると発表されている。しかし、窒素（Ｎ₂）などの一価イオンの得にくいガス種では、「マテリアルズサイエンスアンドエンジニアリングＡ１１６（１９８９）Ｐ２２１−２２５」に記載のように、窒素の一価イオン（Ｎ⁺ ）と分子イオン（Ｎ₂ ⁺）がほぼ同じ割合で生成されていた。
【０００６】
これを解決するためにはプラズマの閉じ込めをよくし、電離に有効な電子を長い時間閉じ込め、高密度のプラズマを生成する必要がある。特開平９−35651 号公報では高密度のプラズマを得るため、放電室を導波管の直径に比べ十分に大きい寸法とし、その内壁を十分に厚い絶縁物で覆い、プラズマの生成される領域を限定し、マイクロ波は絶縁物を通して引き出し電極部分までの放電室全体に分布できるようにしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような放電室内部を絶縁物で覆う方法では、金属表面での電子の衝突が減ることにより、イオン化に有効な電子の減少が抑制され、電子の寿命が延び、イオン化に有効に利用されるため、窒素（Ｎ₂ ）など、一価イオンの生成比率の低いガス種の生成比率が改善され、大電流化が期待できる。
【０００８】
一方、マイクロ波は導波管などの金属で囲まれた通路を通って伝播し、その断面形状や内部を満たすものの誘電率によって多くの伝播モードが存在する。内部に複数の誘電率の物が存在するとマイクロ波は不安定になりやすい。
【０００９】
上記従来例では、放電室内に絶縁物とプラズマの両方が存在するため不安定となり、安定したプラズマの維持や引き出しが難しい問題がある。また、断面形状が小さくなれば低次モード（１次モード）しか発生できなくなり、逆に大きくなれば高次のモードも発生可能となる。
【００１０】
従来例では放電室が十分に大きいため高次モードも発生し、中心部分で電界の弱い分布も発生することからプラズマが不安定になりやすく、大電流引き出しもできないという問題がある。プラズマを安定に発生させるにはモードが変化せず、一定となる必要がある。このため低次モードのみの発生が有効である。
【００１１】
しかし、低次モードでは導波管と放電室がほぼ同じ直径となり、小型で高密度が得やすいが、マイクロ波が十分に放電室内部まで入り込めず、引き出し電極部で高密度なプラズマができないため大電流引き出しができないという問題もある。
【００１２】
さらに放電室内の絶縁物材としては高温に強い材質で、主にボロンナイトライド（ＢＮ）で構成される。ＢＮは吸湿性が強く、取り付け初期にはＢＮ内のガスや水分を除去するため数時間を要する問題もある。
【００１３】
本発明の目的は、放電室内に絶縁物を取り付けたイオン源において、小型で高密度プラズマが生成可能なイオン源を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のイオン源は、マイクロ波発振器と、断面が矩形から円形に変換する導波管と、断面が円筒形状の放電室と、該放電室の外周に配置されたコイルと、少なくとも１個の穴の開いたイオン引き出し電極とを備えたイオン源において、
前記放電室の内径を９２mm以下とし、内壁を前記放電室の管内波長の１／４以下の厚さの絶縁物で覆い、前記イオン引き出し電極のプラズマ側を金属面とし、かつ、その金属面を前記放電室と同じ電位としたことを特徴とする。
【００１５】
マイクロ波イオン源では、主に２.４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる。この場合、１次モードのみを発生するための放電室直径は９２mm以下である。内壁を覆う絶縁物は、マイクロ波の伝播の妨げにならないよう放電室の管内波長の１／４以下が適当である。２.４５ＧＨｚで放電室直径が９２mmの場合の管内波長の１／４は約５cmであるが、更に薄いほうがより効果的である。但し、プラズマによる劣化等が考えられるので交換が容易で、ある程度強度も必要である。
【００１６】
従って、前記絶縁物を３mmから１０mm程度の厚さとしている。また、放電室内はすべて絶縁物ではなく、引き出し電極のプラズマ側を金属面としている。
【００１７】
すべてが絶縁物であるとプラズマの流れが無く、マイクロ波の導入部分のみで高密度のプラズマが発生するだけで、引き出し電極部では薄いプラズマとなってしまう。一部分が金属であれば電子やイオンはその金属面に向かって移動する。
【００１８】
従って、引き出し電極付近でも高密度のプラズマが生成可能で、電離に有効な電子も長い間プラズマ中を移動するため電離が促進され、一価イオンの比率も向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。図１は本発明の円筒形状の放電室内に絶縁筒を入れた場合の全体構成の断面を示す図である。
【００２０】
以下では、窒素ビームを引き出す場合について説明するが、必ずしも窒素のみに限定するものではなく、Ｏ₂ ，ＢＦ₃ やその他のイオン種にも適用可能である。
【００２１】
イオン源は、プラズマ１５を発生する放電室４を有し、この放電室４の内壁にボロンナイトライド（ＢＮ）の絶縁筒１を取り付けている。絶縁筒１の厚さは、ここでは５mmとした。ＢＮのほかにアルミナ等も利用可能であり、特に限定するものではない。
【００２２】
更に、放電室４の一方の面には、真空封止とマイクロ波導入とを行う導入窓３と、該導入窓３を逆流電子の熱から守る保護板２を取り付けている。さらに導入窓３には、矩形断面から円形断面に変換する変換導波管９を取り付けている。放電室４のもう一方の面には、イオンビーム１４を引き出すための穴のあいた引き出し電極１０が取り付けられ、絶縁物７で支えられた減速電極１１と、絶縁物８で支えられた接地電極１２により、イオンビーム１４を引き出す。放電室４の周りには、コイル５，６が位置が自在に変えられるように配置されている。引き出し電極１０には、例えば６０ｋＶの直流電圧が印加され、減速電極１１には−２ｋＶが印加される。接地電極１２は０Ｖである。引き出し電極１０，減速電極１１の印加電圧については使用する条件によって変更してもかまわない。
【００２３】
導入窓３は、マイクロ波の伝播の妨げにならないように誘電率のできるだけ低い材料で、かつ、真空封止が可能な材料例えば石英ガラスなどである。保護板２はマイクロ波を通し、熱に強い材料で、絶縁筒１と同様にＢＮを用いた。このほかには窒化アルミやアルミナも利用可能である。引き出し電極１０，減速電極１１，接地電極１２は、熱衝撃性に強い材質でモリブデン等で構成され、複数個の穴のあいたものを用いるが、１個のスリット状や楕円形状などでもかまわない。
【００２４】
引き出し電極１０のプラズマ１５側は絶縁物を取り付けず、電極表面が見えるようにし、放電室４に取り付け、電位を固定している。金属表面は引き出し電極１０の穴の総面積の２倍以上であればよく、構造が簡単なように全面金属とした。矩形断面から円形断面に変換する変換導波管９は、図では矩形断面を円形断面に段階的に変化させて変換を行うステップ型の変換器を用いているが、テーパ状の変換導波管を用いても性能には問題ない。
【００２５】
本イオン源は、図示していないが放電室４に導入した窒素ガスにマイクロ波とコイル５，６により発生した磁場によってプラズマ１５が発生し、プラズマ中のイオンや電子は引き出し電極１０の金属面に向かって流れる。このように電子は長い距離を移動するためその間電離が行われ、従って一価イオンが増加する。
【００２６】
図２は、ボロンナイトライド（ＢＮ）製の絶縁筒１を取り付けた場合の窒素イオンビームを引き出したときのマイクロ波電力に対する窒素イオン（Ｎ⁺）の割合を測定した結果を示す図である。
【００２７】
マイクロ波イオン源の場合、プラズマ１５の電離がマイクロ波による電子のら旋運動によって行われるため、マイクロ波電力の影響が極めて大きい。このためマイクロ波電力の依存性について調べたものである。引き出し電極１０には本試験ではＤＣ４０ｋＶ、減速電極１１にはＤＣ−２.４ｋＶを印加している。放電室４には窒素ガス（Ｎ₂ ）を導入した。電極に印加した電圧及び導入したガスは本試験で用いたものであり、特に限定するものではない。横軸がマイクロ波電力で縦軸が引き出し電流に対するＮ⁺ の割合を示している。ＢＮ製の絶縁筒１を取り付けたことにより、窒素の一価イオンＮ⁺の生成比率が改善されている。
【００２８】
さらに酸素ガス（Ｏ₂ ）を用いてイオンビームを引き出した場合の生成される酸素の一価イオン（Ｏ⁺ ）について、マイクロ波電力に対する生成比率を測定した結果を図３に示す。試験条件は、窒素ビーム引き出し試験同様、引き出し電極１０にはＤＣ４０ｋＶ、減速電極１１にはＤＣ−２.４ｋＶを印加しているが、特に限定するものではない。酸素イオン（Ｏ⁺ ）でも９４％と高い生成比率が得られている。
【００２９】
また図４はボロンナイトライド（ＢＮ）製の絶縁筒１を取り付けた場合について、窒素イオンビームを引き出したときのマイクロ波電力と引き出し電流の依存性について測定した結果を示す。引き出し電極１０及び減速電極１１に印加した電圧は上記同様ＤＣ４０ｋＶとＤＣ−２.４ｋＶである。横軸がマイクロ波電力で縦軸が引き出し電流を示す。引き出し電流は、イオン源から引き出された全イオン電流を示し、一価イオン（Ｎ⁺ ）や分子イオン（Ｎ₂ ⁺）を含むものである。
【００３０】
例えばマイクロ波電力４００ワット(Ｗ)を見ると、引き出し電流が１５０ｍＡ得られているので、一価イオン（Ｎ⁺ ）は図２より０.７８の割合で生成されているからＮ⁺ の電流は１１７ミリアンペア（ｍＡ）となる。
【００３１】
本試験によれば前記実施例により一価イオン（Ｎ⁺ ）の電流値が増加するとともに、引き出し電流も増加する効果が確認される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、放電室内に絶縁物を取り付けたイオン源において、小型で高密度プラズマが生成可能で、一価イオンの生成比率の低いガス種において、一価イオンの生成比率を改善し、大電流のイオンビーム引き出しを行うことができる効果がある。また絶縁物を極力少なくすることで立ち上げ時間が短縮できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である放電室内部に絶縁筒を取り付けたイオン源を示す図である。
【図２】窒素ビームのマイクロ波電力と窒素イオン（Ｎ⁺ ）比率の依存性を測定した結果を示す特性図である。
【図３】酸素ビームのマイクロ波電力と酸素イオン（Ｏ⁺ ）比率の依存性を測定した結果を示す特性図である。
【図４】窒素ビームのマイクロ波電力と引き出し電流の依存性を測定した結果を示す特性図である。
【符号の説明】
１…絶縁筒、２…保護板、３…導入窓、４…放電室、５，６…コイル、７，８…絶縁物、９…変換導波管、１０…引き出し電極、１１…減速電極、１２…接地電極、１４…イオンビーム、１５…プラズマ。

Claims

マイクロ波発信器と、
断面が矩形から円形に変換する導波管と、
断面が円筒形状の放電室と、
該放電室の外周に配置されたコイルと、
少なくとも１個の穴の開いたイオン引き出し電極とを備えたイオン源において、
前記放電室の内径を９２mm以下とし、
内壁を放電室の管内波長の１／４以下の厚さの絶縁物で覆い、
前記引き出し電極は、プラズマ側に金属面が見えるように、前記放電室に取り付けられ、前記金属面は前記引き出し電極に設けられた穴の総面積の２倍以上の大きさを有することを特徴とするイオン源。
前記放電室内の絶縁物の厚さを３mmから１０mmにしたことを特徴とする請求項１記載のイオン源。