JP4336780B2

JP4336780B2 - イオン源

Info

Publication number: JP4336780B2
Application number: JP2006105898A
Authority: JP
Inventors: 順三石川; 耕自松田; 秀樹藤田; 滋樹酒井
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd; Kyoto University NUC
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd; Kyoto University NUC
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: JP2007280782A

Description

この発明は、被照射物にイオンビームを照射してイオン注入、イオンドーピング（登録商標）等の処理を施すイオンビーム照射装置等に用いられるイオン源に関する。

生成プラズマ密度を高めるために、磁界および反射電極を用いるイオン源が従来から提案されている（例えば特許文献１参照）。

これを図１２を参照して説明すると、このイオン源は、バーナス型イオン源と呼ばれるものであり、原料ガス６が導入されるプラズマ生成容器２と、このプラズマ生成容器２内の一方側に設けられた電子放出用のＵ字状のフィラメント８と、プラズマ生成容器２内の他方側に設けられた電子反射用の反射電極１０と、プラズマ生成容器２の前方壁面に設けられたイオン引出し孔４とを備えている。イオン引出し孔４の前方近傍には、プラズマ生成容器２内で生成されたプラズマ１２からイオンビーム１６を引き出す引出し電極１４が設けられている。

フィラメント８にはその加熱用のフィラメント電源２０が接続されており、フィラメント８の一端とプラズマ生成容器２間には、フィラメント８を負極側にして、アーク放電用のアーク電源２２が接続されている。反射電極１０は、図示例のようにどこにも接続せずに浮遊電位にする場合と、フィラメント８の一端に接続してフィラメント電位にする場合がある。いずれの場合も、反射電極１０はプラズマ生成容器２に対して負電位になる。反射電極１０を浮遊電位にしても、反射電極１０は、主にフィラメント８から放出されたアーク電圧相当のエネルギーの高い電子で帯電するので負電位に帯電するからである。

プラズマ生成容器２の外部には、プラズマ生成容器２内において、フィラメント８と反射電極１０とを結ぶ線に沿う方向に磁界２４を発生させる電磁石（図示省略）が配置されている。磁界２４の向きは、図示とは逆でも良い。

このイオン源は、プラズマ１２の密度を高めるために、イオンビーム１６の引出し方向とは直角方向に磁界２４を加えて、フィラメント８から放出された電子をラーマー運動によって磁力線に拘束し、かつ、負電位の反射電極１０によって電子を反射して（換言すれば、押し返して。以下同様）、電子と原料ガス分子との衝突確率を高めて、プラズマ１２の生成効率を高めるようにしている。

特開２００１−１７６４０９号公報（段落００１６−００２１、図１）

上記イオン源においては、アーク電源２２の出力電圧および反射電極１０の上記負電位によって、プラズマ生成容器２内に、その中央付近で電位が高く、フィラメント８および反射電極１０付近で電位が低い電位分布が生じる。その等電位面２６の概略例を図１２中に示す。この電位分布によって、プラズマ生成容器２内に、特にイオン引出し孔４からフィラメント８付近にかけての領域に、イオンビーム１６の引出し方向と交差する方向の電界２８が生じる。反射電極１０付近についてもほぼ同様である。

そのために、プラズマ１２中のイオンは、イオンビーム１６の進行方向とは異なる方向の運動エネルギー成分を受ける。このエネルギー成分は、イオンビーム１６として引き出された後も残り、イオンビーム１６の発散要因となる。即ち、イオンビーム１６の平行性を低下させる要因となる。この問題は、イオンビーム１６を低エネルギー（例えば５ｋｅＶ程度以下）で引き出す場合により顕著になる。上記進行方向と異なる方向のエネルギー成分の影響が相対的に大きくなるからである。

平行性の悪いイオンビーム１６は、被照射物の処理に好ましくない結果をもたらす。例えば、被照射物の表面に半導体デバイスを形成する場合、被照射物の表面には、通常、半導体デバイスを構成する絶縁膜や導電膜等の凹凸が存在する。イオンビーム１６の平行性が悪いと、この凹凸の側部に、イオンビーム１６が入射しない陰の部分が生じてしまい、しかも陰の部分の大きさが被照射物の面内において互いに異なり、従って所望のイオン注入を行うことができなくなる。被照射物がより大型化およびその表面に形成される半導体デバイスがより微細化すると、この陰の問題はより深刻になる。

そこでこの発明は、平行性の良いイオンビームを引き出すことができるイオン源を提供することを主たる目的としている。

この発明に係る第１のイオン源は、一点で互いに直交する三つの軸をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸とすると、ｘ軸に沿う方向にイオンビームを引き出すイオン源であって、
陽極を兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、前記イオンビームの引出し方向を前方とすると前方部が開いているプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器の後方部内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状に広がっていて電子を放出する熱陰極と、
前記プラズマ生成容器の前方部内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記熱陰極の一端と実質的に同電位に保たれ、電子を反射すると共に前記プラズマからイオンを引き出す多孔状の反射電極と、
前記プラズマ生成容器内であって前記反射電極の後方近傍に設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記プラズマ生成容器と実質的に同電位に保たれる多孔状の制御電極と、
前記反射電極の前方近傍にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記反射電極よりも正電位に保たれて、反射電極を通過して来るイオンを減速して通過させる多孔状の減速電極と、
前記プラズマ生成容器内に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させる第１コイルと、
前記減速電極の前方に設けられていて、減速電極を通過して来るイオンを加速してイオンビームとして引き出す引出し電極系と、
前記引出し電極系を含む領域に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させると共に、前記第１コイルと協働して、前記減速電極と引出し電極系との間の領域に、ｘ軸に沿う方向においてイオンの進行方向に向けて減衰している磁界を発生させる第２コイルとを備えていることを特徴としている。

プラズマ生成容器に対して、熱陰極、反射電極、制御電極および減速電極を上記のように配置することによって、プラズマ生成容器内において発生する電界を、特にイオンの引出し口である前方部付近において発生する電界を、ｘ軸に対して平行に近づけることができる。しかも、第１コイルによって、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させることができる。このように、電界および磁界を、ｘ軸に対して平行に近づけることができるので、プラズマ生成容器内において、イオンビームの発散要因となる電界および磁界を減少させることができる。その結果、イオンビームの平行性を良くすることができる。

更に、上記第１コイルおよび第２コイルが協働して、減速電極と引出し電極系との間の領域に、ｘ軸に沿う方向においてイオンの進行方向に向けて減衰している磁界を発生させることによって、イオンが持つ磁気モーメントが保存される現象を利用して、イオンが持つ発散速度成分を減少させることができる。その結果、この理由からも、イオンビームの平行性を良くすることができる。

前記プラズマ生成容器は、絶縁物を介して、後方部にある第１部分とその前方にある第２部分とに分けられていて、第１部分は前記熱陰極の一端と実質的に同電位に保たれ、第２部分の後方部内に、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて第２部分と実質的に同電位に保たれる多孔状の第２制御電極が設けられていても良い。

前記熱陰極は、フィラメントでも良いし、傍熱型陰極でも良い。

この発明に係る第２のイオン源は、一点で互いに直交する三つの軸をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸とすると、ｘ軸に沿う方向にイオンビームを引き出すイオン源であって、
陽極を兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、前記イオンビームの引出し方向を前方とすると前方部が開いているプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器の前方部内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状に広がっていて、電子を放出すると共に前記プラズマからイオンを引き出す電極を兼ねる多孔状のフィラメントと、
前記プラズマ生成容器内であって前記フィラメントの後方近傍に設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記プラズマ生成容器と実質的に同電位に保たれる多孔状の制御電極と、
前記プラズマ生成容器の後方部内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて電子を反射する反射電極と、
前記フィラメントの前方近傍にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記フィラメントよりも正電位に保たれて、フィラメントを通過して来るイオンを減速して通過させる多孔状の減速電極と、
前記プラズマ生成容器内に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させる第１コイルと、
前記減速電極の前方に設けられていて、減速電極を通過して来るイオンを加速してイオンビームとして引き出す引出し電極系と、
前記引出し電極系を含む領域に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させると共に、前記第１コイルと協働して、前記減速電極と引出し電極系との間の領域に、ｘ軸に沿う方向においてイオンの進行方向に向けて減衰している磁界を発生させる第２コイルとを備えていることを特徴としている。

この第２のイオン源も、基本的には上記第１のイオン源と同様の作用によって、イオンビームの平行性を良くすることができる。

請求項１に記載の発明によれば、プラズマ生成容器内において発生する電界および磁界を、イオンビーム引出し方向に対して平行に近づけることができるので、イオンビームの発散要因となる電界および磁界を減少させて、イオンビームの平行性を良くすることができる。更に、イオンの進行方向に向けて減衰している磁界を発生させることによって、イオンが持つ発散速度成分を減少させることができるので、この理由からも、イオンビームの平行性を良くすることができる。上記両作用効果が相俟って、平行性の良いイオンビームを引き出すことができる。

請求項２に記載の発明によれば、熱陰極と第２制御電極とが互いに実質的に平行に配置されることになり、熱陰極から放出される電子をイオンビーム引出し方向に対して平行に近づけることができるので、イオンビーム引出し方向と直交する方向におけるプラズマの均一性を高めることが可能になる。その結果、イオンビームの均一性を良くすることができる、という更なる効果を奏する。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１の上記効果と同様の効果に加えて更に次のような効果を奏する。即ち、フィラメント付近のプラズマ密度の高い領域からイオンを引き出すことができるので、しかもフィラメントから放出された電子がイオンの空間電荷を中和してイオン飽和電流が大きく取れるので、イオンひいてはイオンビームをより多く引き出すことができる。更に、フィラメントと制御電極とが互いに実質的に平行に配置されることになり、フィラメントから放出される電子をイオンビーム引出し方向に対して平行に近づけることができるので、イオンビーム引出し方向と直交する方向におけるプラズマの均一性を高めることが可能になる。その結果、イオンビームの均一性を良くすることができる。

この明細書および図面においては、各構成要素の向き、イオンビームの進行方向等を表すために、一点で互いに直交する三つの軸、即ちｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を用いている。このｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は、一点で互いに直交する軸であれば良く、必ずしも図示例の方向に限られるものではない。例えば、ｘ軸を水平方向、垂直方向またはそれらから傾いた方向に取っても良い。

図１は、この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。このイオン源は、ｘ軸に沿う方向にイオンビーム９０を引き出すイオン源である。沿う方向とは、例えば、平行または実質的に平行な方向である。

このイオン源は、陽極を兼ねるものであって、原料ガス３４が導入され、内部でプラズマ４０を生成するためのプラズマ生成容器３０を備えている。プラズマ生成容器３０は、例えば、円筒状、角筒状等の筒状または箱状をしており、その前方部３２が開いている。この明細書では、イオンビーム９０の引出し方向を前方、その反対方向を後方と呼んでいる。このプラズマ生成容器３０内、後述するイオン輸送容器７４内およびイオンビーム９０の経路は、図示しない真空排気装置によって真空排気される。

プラズマ生成容器３０は、この実施形態では、絶縁物６１を介して、後方部にある第１部分３６とその前方にある第２部分３８とに分けられている。但しこのように構成することは必須ではない。第１部分３６は、後述するフィラメント４２の一端に電気的に接続されていて、それと実質的に同電位に保たれる。なお、この明細書において、「実質的に同電位」には、同電位の状態も含まれている。

熱陰極の一例として、プラズマ生成容器３０の後方部内に、絶縁物６０によってプラズマ生成容器３０（より具体的には、その第１部分３６）から電気的に絶縁されていて、電子を放出するフィラメント４２が設けられている。フィラメント４２は、例えば図３に示す例のように、ｙｚ平面に実質的に平行な面状に広がっている。フィラメント４２は、図３に示す例では、細い棒状のフィラメントをｙｚ平面に沿って多数回折り返した構造をしているが、細い板状のフィラメントをこれと同様に折り返した構造でも良い。あるいは、フィラメント４２は、例えば図３のフィラメント４２と同様の外形を有する平板状のもの等でも良い。

フィラメント４２には、それを加熱する例えば直流のフィラメント電源６８が接続されている。このフィラメント電源６８の出力電圧Ｖ₁は、例えば、１０Ｖ〜１５Ｖ程度であるが、それに限られるものではない。

フィラメント４２の一端とプラズマ生成容器３０（より具体的には、その第２部分３８）との間には、前者を負極側にして、両者４２、３０間でアーク放電を発生させる直流のアーク電源７０が接続されている。このアーク電源７０の出力電圧Ｖ₂は、例えば、４０Ｖ〜１２０Ｖ程度であるが、それに限られるものではない。この出力電圧Ｖ₂によって、フィラメント４２から放出された電子を加速して原料ガス分子に衝突させて原料ガス３４を電離させてプラズマ４０を生成する。

プラズマ生成容器３０の前方部３２内に、絶縁物６２によってプラズマ生成容器３０（より具体的には、その第２部分３８）から電気的に絶縁されていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしている多孔状の反射電極４８が設けられている。多孔状というのは、例えば、多数の小孔を有する板状またはメッシュ状等の意味である。後述する他の電極も同様である。この反射電極４８は、フィラメント４２の一端に電気的に接続されていて、それと実質的に同電位に保たれる。この反射電極４８は、プラズマ生成容器３０内の電子（主としてフィラメント４２から放出された電子）を反射すると共に、多孔状をしていて、プラズマ４０からイオン５２を引き出す働きをする。

プラズマ生成容器３０（より具体的には、その第２部分３８）内であって反射電極４８の後方近傍に、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしている多孔状の制御電極４６が設けられている。この制御電極４６は、プラズマ生成容器３０（より具体的には、その第２部分３８）に電気的に接続されていて、それと実質的に同電位に保たれる。

更にこの実施形態では、プラズマ生成容器３０の第２部分３８の後方部内に、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしている多孔状の第２制御電極４４が設けられている。この第２制御電極４４は、第２部分３８に電気的に接続されていて、それと実質的に同電位に保たれる。

反射電極４８の前方近傍に、絶縁物６２によってプラズマ生成容器３０（より具体的には、その第２部分３８）から電気的に絶縁されていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしている多孔状の減速電極５０が設けられている。この減速電極５０は、後述する減速電源７２によって反射電極４８よりも正電位に保たれて、反射電極４８を通過して来るイオン５２を減速させて通過させる。

減速電極５０と反射電極４８との間には、前者を正極側にして、減速電極５０を反射電極４８よりも正電位に保つ直流の減速電源７２が接続されている。この減速電源７２の出力電圧Ｖ₃は、例えば、前記出力電圧Ｖ₂よりも数十Ｖ程度高い電圧、より具体的には７０Ｖ〜１５０Ｖ程度であるが、それに限られるものではない。必要とするイオン５２のエネルギーに応じて決めれば良い。

プラズマ生成容器３０の外側周囲には、プラズマ生成容器３０内に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させる第１コイル５４が設けられている。この磁界の概略の様子を磁力線５８で示す。磁界の向きは図示とは逆でも良い。第１コイル５４は、この実施形態では、二つの互いに直列接続されたコイル５４ａ、５４ｂを有しており、両コイル５４ａ、５４ｂには、直流の励磁電源５６から、上記磁界を発生させる励磁電流が供給される。両コイル５４ａ、５４ｂは、例えば、ヘルムホルツコイルである。第１コイル５４は、このようなコイル５４ａ、５４ｂの代わりに、一つのソレノイドコイル等で構成しても良い。

減速電極５０の前方には、減速電極５０を通過して来るイオン５２を加速してイオンビーム９０として引き出す引出し電極系７６が設けられている。この実施形態では、減速電極５０の前方に、イオン５２を輸送するための、プラズマ生成容器３０よりも大きい筒状のイオン輸送容器７４が設けられており、このイオン輸送容器７４の前方部に引出し電極系７６が設けられている。減速電極５０、イオン輸送容器７４および引出し電極系７６の引出し電極７８は、互いに電気的に接続されていて実質的に同電位に保たれる。但し、このイオン輸送容器７４を特別に設けずに、他の真空容器（ビームライン容器等）内でイオン５２を輸送するようにしても良い。

引出し電極系７６は、この実施形態では、引出し電極７８、抑制電極７９および接地電極８０を有している。各電極７８〜８０は、この例では多孔状の電極であるが、スリット状のイオン引出し孔を有するものでも良い。引出し電極７８には直流の加速電源８２から、イオンビーム９０加速用の正の加速電圧Ｖ₄が印加される。抑制電極７９には直流の抑制電源８４から、逆流電子抑制用の負の抑制電圧Ｖ₅が印加される。接地電極８０は電気的に接地されている。電極７８、７９、８０間は、絶縁物６３、６４によって電気的に絶縁されている。但し、引出し電極系７６の構成は、この例のものに限られるものではない。

加速電圧Ｖ₄は、例えば、１ｋＶ〜４０ｋＶ程度であるが、これに限られるものではなく、必要とするイオンビーム９０のエネルギーに応じて決めれば良い。抑制電圧Ｖ₅は、例えば、１ｋＶ〜２ｋＶ程度であるが、これに限られるものではない。

引出し電極系７６の外側周囲付近には、引出し電極系７６を含む領域に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させると共に、第１コイル５４と協働して、減速電極５０と引出し電極系７６（より具体的には、その引出し電極７８）との間の領域に、ｘ軸に沿う方向においてイオン５２の進行方向に向けて減衰している磁界を発生させる第２コイル８６が設けられている。この第２コイル８６は第１コイル５４と同方向の磁界を発生させる。この磁界の概略の様子を、上記磁力線５８で示している。

第２コイル８６は、この実施形態では、直流の励磁電源８８ａ〜８８ｃによってそれぞれ励磁される三つのリング状のコイル８６ａ〜８６ｃを有しており、各コイル８６ａ〜８６ｃは互いに同方向の磁界を発生させる。第２コイル８６は、必ずしもこの実施形態のものに限られるものではないが、上記のような磁界を発生させる観点から、複数のコイルで構成し、かつ各コイルに励磁電流を独立して供給する直流の励磁電源をそれぞれ設けるのが好ましい。

このイオン源においては、前記所定の箇所を真空排気すると共に、プラズマ生成容器３０内に所望の原料ガス３４を導入し、かつ前記所定の箇所に電圧を印加すると、プラズマ生成容器３０内でアーク放電が生じて原料ガス３４が電離されてプラズマ４０が生成される。そしてこのプラズマ４０から、前記イオン５２が引き出され、それが磁力線５８に沿って引出し電極系７６まで輸送され、かつ引出し電極系７６によって加速されて、イオンビーム９０として引き出される。

このイオン源の動作時のｘ軸に沿う方向における電位分布の一例を図２に示す。この図において、フィラメント電源６８の出力電圧Ｖ₁は小さく、かつ説明に必要がないので無視している。後述する図５においても同様である。プラズマ生成容器３０内に生成されるプラズマ４０（図１参照）は、通常、プラズマ生成容器３０の電位よりも若干（例えば数十Ｖ程度）高いプラズマ電位Ｖ_pを有している。プラズマ４０と近接する第２制御電極４４、制御電極４６および反射電極４８等の近傍には、イオンシースが形成される。プラズマ生成容器３０と実質的に同電位である第２制御電極４４および制御電極４６の近傍で電位が低下しているのはそのためである。

減速電極５０を通して引き出されるイオン５２のエネルギーは、Ｖ_p−Ｖ₃［ｅＶ］となり、減速電源７２の出力電圧Ｖ₃を調整することによって、このイオン５２のエネルギーを非常に小さく（例えば１ｅＶ〜数ｅＶ程度に）することができる。そのように小さくする理由は後述する。

このイオン源においては、フィラメント４２、第２制御電極４４、制御電極４６、反射電極４８および減速電極５０を、ｙｚ平面に実質的に平行に配置しているので、プラズマ生成容器３０内等には、図２中に代表例を示すように、互いに実質的に平行かつｘ軸に対して実質的に直角方向の等電位面９２が形成される。従って、プラズマ生成容器３０内において発生する電界９４を、特にイオン５２の引出し口である前方部３２付近において発生する電界９４を、ｘ軸に対して平行に近づけることができる。しかも、第１コイル５４によって、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させることができる。このように、電界および磁界を、ｘ軸に対して平行に近づけることができるので、プラズマ生成容器３０内において、イオンビーム９０の発散要因となる電界および磁界を減少させることができる。その結果、イオンビーム９０の平行性を良くすることができる。これが第１の作用効果である。

更に、第１コイル５４および第２コイル８６が協働して、減速電極５０と引出し電極系７６との間の領域に、ｘ軸に沿う方向においてイオン５２の進行方向に向けて減衰している磁界を発生させることによって、以下に詳述するイオン５２が持つ磁気モーメントが保存される現象を利用して、イオン５２が持つ発散速度成分を減少させることができる。その結果、この理由からも、イオンビーム９０の平行性を良くすることができる。これが第２の作用効果である。

従って、このイオン源によれば、上記第１および第２の作用効果が相俟って、平行性の良いイオンビーム９０を引き出すことができる。また、後述する図１１も参照すれば分かるように、減速電極５０から引き出されるイオン５２を磁界によって広げて、減速電極５０よりも大面積のイオンビーム９０を引き出すことができる。従って、大型の被照射物にも容易に対応することができる。

上記磁気モーメントの保存について詳述すると、次の非特許文献１および２にも記載されているように、磁界（磁束密度）Ｂ［Ｔ］がイオンの進行方向に変化している場合、数１の条件が満たされているとき、数２で表されるイオンの磁気モーメントμは保存される。ここで、Ｍはイオンの質量数［ＡＭＵ］、Ｚは荷数、Ｕはエネルギー［ｅＶ］、Ｌは系の特性長（ここでは磁界を減衰させている空間のイオン進行方向の距離）［ｍ］、ｍはイオンの質量、ｖ_rはイオン速度の磁界に直交する成分である。

［数１］
ＢＬ≫１．５×１０^-4√（ＭＵ）／Ｚ

［数２］
μ＝ｍｖ_r ²／２Ｂ

上記磁気モーメントμが保存される性質を利用することによって、磁界が減衰する方向にイオンを輸送すれば、イオン速度の磁界に直交する成分ｖ_rが減少し、その分、磁界に平行な成分ｖ_xが増加する（換言すれば、ｖ_rがｖ_xに変換される）。このような性質をイオン源から引き出すイオンの平行化に用いることについては非特許文献１および２には記載されていないが、このイオン源ではこの性質に着目して、それをイオン５２が持つ発散速度成分を減少させることに利用している。従って、イオン５２がイオン輸送容器７４内の減衰磁界を通過している間に、ｘ軸に直交する方向の速度成分ｖ_x、即ち発散速度成分は減少する。

［非特許文献１］
石川順三著、アイオニクス叢書、「イオン源工学」、第一刷、アイオニクス株式会社、昭和６１年５月３１日、頁９４−９５
［非特許文献２］
執筆委員高木俊宜、電気学会大学講座、「電子・イオンビーム工学」、初版、社団法人電気学会、１９９５年３月１日、頁９９

上記第１コイル５４、第２コイル８６によって発生させる磁界およびその磁界中におけるイオン５２の軌道をシミュレーションした結果の例を次に説明する。

図６は、ｘｚ平面内の磁界のベクトル図である。このベクトルをつなぐと、図１に示した磁力線５８に相当するものになる。この例では、各コイル５４ａ、５４ｂ、８６ａ、８６ｂ、８６ｃの起磁力を、それぞれ、１０，０００Ａ、１０，０００Ａ、１，５００Ａ、１，２５０Ａ、２，２５０Ａとした。磁界は、第１コイル５４を構成するコイル５４ａ、５４ｂ間の領域でｘ軸に実質的に平行になり、コイル５４ｂとコイル８６ａ間の領域で発散して減衰し、コイル８６ｂの前後付近からコイル８６ｃにかけての領域で再びｘ軸に実質的に平行になっていることが分かる。

図６の例におけるｘ軸上の磁束密度の変化を図７に示す。ｘ＝０ｍにおける磁束密度Ｂ₀は約０．３７Ｔ、ｘ＝０．１ｍにおける磁束密度Ｂ₁は約０．０４Ｔであり、両地点間で、特にｘ＝０ｍからｘ＝０．０２ｍ間で、磁界は急激に減衰していることが分かる。

図６の磁界分布の場合に、コイル５４ａ、５４ｂの中間付近から、イオン５２を初期発散角θ₀＝６０度で放出したときのイオン５２の軌道を図９および図１１に示す。このときのイオン５２は、質量数１１のホウ素イオン¹¹Ｂ⁺、そのエネルギーＵは０．５ｅＶとした。

イオン５２は、図８に示すように、点Ｐから初期発散角θ₀＝６０度で円錐状に６方向に（図８では２方向のみ図示）放出した。なお、この初期発散角θ₀＝６０度というのは、上記減速電極５０から引き出されるイオン５２がそのような大きな発散角を持っているという意味ではなく、上記磁気モーメントの保存によって発散角が小さくなることを明確にするために、敢えて大きく誇張した例である。

上記の場合、上記数１に示す系の特性長Ｌを０．０２ｍと見ると、質量数Ｍは１１、イオンのエネルギーＵは０．５ｅＶ、荷数Ｚは１であるから、数１から次式が導かれる。

［数３］
Ｂ≫０．０１２［Ｔ］

また、同様に上記数１に示す系の特性長Ｌを０．１５ｍと見ると、質量数Ｍは１１、イオンのエネルギーＵは０．５ｅＶ、荷数Ｚは１であるから、数１から次式が導かれる。

［数４］
Ｂ≫０．００２３［Ｔ］

図７に示したように、ｘ＝０〜０．１５ｍにおいて磁束密度Ｂは十分に大きいので、この例では上記数３および数４の条件を満たしていることが分かる。この場合、仮にイオン５２のエネルギーＵが大きいと、数１の条件を満たすためには減衰領域の磁束密度Ｂは大きくなる。これを避けるために、この実施例のイオン源では減速電極５０を設けて、イオン５２を減速してそのエネルギーＵを小さくするようにしている。

従って、このイオン源においては、上記磁気モーメントμが保存されることになり、図９からも分かるように、イオン５２の発散角θはコイル５４ｂとコイル８６ａ間で急激に小さくなっている。具体的には、図１０に示すように、初期発散角θ₀＝６０度であったものが、ｘ＝０．１ｍの点における発散角θ₁は約１７度まで減少して、平行化されていることが分かる。実際は、上記減速電極５０から引き出されるイオン５２の初期発散角θ₀は６０度よりも遙かに小さいので、発散角θ₁が０度に極めて近くなるように平行化される。

なお、図９に示しているイオン５２は、一見するとｚ軸方向に上下運動をしているかのように見えるけれどもそうではなく、イオン５２は、その進行方向の軸を中心にしてラーマー直径を半径に持つ包絡円を描くように運動して、その進行方向（磁界Ｂの方向）とは一定の傾きを保って螺旋軌道を取る。そのピッチは磁界に逆比例する。図１１の場合も同様である。

図９では、イオン５２は、第２コイル８６を通過した後で発散しているけれども、これは図９の例では引出し電極系７６に加速電圧Ｖ₄を印加しておらず、イオン５２は０．５ｅＶのエネルギーしか有していないからであり、加速電圧Ｖ₄を印加すると例えば図１１に示す例のように、イオン５２はイオンビーム９０としてｘ軸に実質的に平行に引き出される。図１１は、加速電圧Ｖ₄を５ｋＶにした例であり、この場合のイオンビーム９０は、発散角が１．７×１０^-3度まで平行化されている。これよりも低い加速電圧Ｖ₄でも、即ち５ｋｅＶより低いエネルギーのイオンビーム９０でも、平行性を非常に良くすることができる。

また、図１１からも分かるように、減速電極５０から引き出されたイオン５２を磁界によって広げて、減速電極５０よりも大面積のイオンビーム９０を引き出すことができる。従って、大型の被照射物にも容易に対応することができる。

再び図１を参照して、この実施形態のように、プラズマ生成容器３０を第１部分３６と第２部分３８とに分けて、第２部分３８の後方部内に第２制御電極４４を設けると、フィラメント４２と第２制御電極４４とが互いに実質的に平行に配置されることになり、フィラメント４２から放出される電子をイオンビーム引出し方向に対して平行に近づけることができるので、イオンビーム引出し方向と直交する方向におけるプラズマ４０の均一性を高めることが可能になる。その結果、イオンビーム９０の均一性を良くすることができる。

熱陰極として、フィラメント４２の代わりに、ｙｚ平面に実質的に平行な例えば板状の陰極を、その背後からフィラメント等によって加熱する傍熱型陰極を用いても良い。

次に、この発明に係るイオン源の他の実施形態を、図４および図５を参照して説明する。図１および図２に示した上記実施形態と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては上記実施形態との相違点を主体に説明する。

図４に示すイオン源では、プラズマ生成容器３０は分割していない。このプラズマ生成容器３０の前方部３２内に、絶縁物６２によってプラズマ生成容器３０から電気的に絶縁されていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状に広がっている多孔状のフィラメント４２が設けられている。このフィラメント４２は、例えば、図３に示した例のように、細い棒状または細い板状のフィラメントをｙｚ平面に沿って多数回折り返した構造をしている。そのようなフィラメント４２は、多数の隙間４３を有しているので、これもこの明細書では多孔状の範疇に含めている。これ以外に、フィラメント４２は、多数の小孔を有する平板状のもの、またはメッシュ状のもの等でも良い。

このフィラメント４２は、上記フィラメント電源６８によって加熱されて電子を放出すると共に、多孔状をしていて上記プラズマ４０から上記イオン５２を引き出す働きをする。

このフィラメント４２の後方近傍および前方近傍には、上記制御電極４６および減速電極５０がそれぞれ設けられている。この場合、制御電極４６は、フィラメント４２との間でアーク放電を発生させる放電用陽極を兼ねている。減速電極５０は、フィラメント４２を通過して来るイオン５２を減速させて通過させる。

プラズマ生成容器３０の後方部内に、絶縁物６５によってプラズマ生成容器３０から電気的に絶縁されていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしている反射電極４９が設けられている。この反射電極４９は、上記反射電極４８と違ってイオン５２を通過させる必要はないので、単なる平板状のもの等でも良い。

この反射電極４９は、図４に示す例のように、フィラメント４２の一端に接続してフィラメント電位にしても良いし、どこにも接続せずに浮遊電位にしても良い。浮遊電位にしても負電位に帯電することは前述したとおりである。いずれの場合も、この反射電極４９は、プラズマ生成容器３０に対して負電位になり、プラズマ生成容器３０内の電子（主としてフィラメント４２からの電子）を反射させる働きをする。

各種電源６８、７０等、第１コイル５４、第２コイル８６、引出し電極系７６等については、上記実施形態と同様である。

この実施形態のイオン源の動作時のｘ軸に沿う方向における電位分布の一例を図５に示す。第２制御電極４４の部分を除いて、図２に示した電位分布と同様の電位分布をしている。

この実施形態のイオン源も、基本的には、上記実施形態のイオン源と同様の作用効果を奏する。即ち、このイオン源においては、反射電極４９、制御電極４６、フィラメント４２および減速電極５０を、ｙｚ平面に実質的に平行に配置しているので、プラズマ生成容器３０内には、図５中に代表例を示すように、互いに実質的に平行かつｘ軸に対して実質的に直角方向の等電位面９２が形成される。従って、プラズマ生成容器３０内において発生する電界９４を、特にイオン５２の引出し口である前方部３２付近において発生する電界９４を、ｘ軸に対して平行に近づけることができる。しかも、第１コイル５４によって、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させることができる。このように、電界および磁界を、ｘ軸に対して平行に近づけることができるので、プラズマ生成容器３０内において、イオンビーム９０の発散要因となる電界および磁界を減少させることができる。その結果、イオンビーム９０の平行性を良くすることができる。これが第１の作用効果である。

更に、第１コイル５４および第２コイル８６が協働して、減速電極５０と引出し電極系７６との間の領域に、ｘ軸に沿う方向においてイオン５２の進行方向に向けて減衰している磁界を発生させることによって、上述したイオン５２が持つ磁気モーメントが保存される現象を利用して、イオン５２が持つ発散速度成分を減少させることができる。その結果、この理由からも、イオンビーム９０の平行性を良くすることができる。これが第２の作用効果である。

従って、このイオン源によれば、上記第１および第２の作用効果が相俟って、平行性の良いイオンビーム９０を引き出すことができる。また、前述した図１１も参照すれば分かるように、減速電極５０から引き出されるイオン５２を磁界によって広げて、減速電極５０よりも大面積のイオンビーム９０を引き出すことができる。従って、大型の被照射物にも容易に対応することができる。

それに加えて、この実施形態のイオン源では、次のような更なる効果を奏する。即ち、プラズマ４０はフィラメント４２付近で密度が高く、そのプラズマ密度の高い領域からイオン５２を引き出すことができるので、しかもフィラメント４２から放出された電子がイオン５２の空間電荷を中和してイオン飽和電流が大きく取れるので、イオン５２ひいてはイオンビーム９０をより多く引き出すことができる。更に、フィラメント４２と制御電極４６とが互いに実質的に平行に配置されることになり、フィラメント４２から放出される電子をイオンビーム引出し方向に対して平行に近づけることができるので、イオンビーム引出し方向と直交する方向におけるプラズマ４０の均一性を高めることが可能になる。その結果、イオンビーム９０の均一性を良くすることができる。

この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。図１のイオン源の動作時のｘ軸に沿う方向における電位分布の一例を示す図である。フィラメントの一例を示す正面図である。この発明に係るイオン源の他の実施形態を示す断面図である。図４のイオン源の動作時のｘ軸に沿う方向における電位分布の一例を示す図である。図１および図４のイオン源におけるｘｚ平面内の磁界のベクトルをシミュレーションした結果の一例を示す図である。図６の例におけるｘ軸上の磁束密度の変化の様子を示す図である。イオンの初期発散角を示す図である。図６の磁界分布の場合にイオンを初期発散角６０度で放出したときのイオンの軌道をシミュレーションした結果の一例を示す図であり、この例では引出し電極系に加速電圧は印加していない。図９の例におけるイオンの発散角の変化の様子を示す図である。図６の磁界分布の場合にイオンを初期発散角６０度で放出したときのイオンの軌道をシミュレーションした結果の他の例を示す図であり、この例では引出し電極系に５ｋＶの加速電圧を印加している。従来のイオン源の一例を示す断面図である。

符号の説明

３０プラズマ生成容器
３２前方部
３６第１部分
３８第２部分
４０プラズマ
４２フィラメント（熱陰極）
４４第２制御電極
４６制御電極
４８、４９反射電極
５０減速電極
５２イオン
５４第１コイル
５８磁力線
７６引出し電極系
８６第２コイル
９０イオンビーム

Claims

一点で互いに直交する三つの軸をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸とすると、ｘ軸に沿う方向にイオンビームを引き出すイオン源であって、
陽極を兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、前記イオンビームの引出し方向を前方とすると前方部が開いているプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器の後方部内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状に広がっていて電子を放出する熱陰極と、
前記プラズマ生成容器の前方部内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記熱陰極の一端と実質的に同電位に保たれ、電子を反射すると共に前記プラズマからイオンを引き出す多孔状の反射電極と、
前記プラズマ生成容器内であって前記反射電極の後方近傍に設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記プラズマ生成容器と実質的に同電位に保たれる多孔状の制御電極と、
前記反射電極の前方近傍にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記反射電極よりも正電位に保たれて、反射電極を通過して来るイオンを減速して通過させる多孔状の減速電極と、
前記プラズマ生成容器内に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させる第１コイルと、
前記減速電極の前方に設けられていて、減速電極を通過して来るイオンを加速してイオンビームとして引き出す引出し電極系と、
前記引出し電極系を含む領域に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させると共に、前記第１コイルと協働して、前記減速電極と引出し電極系との間の領域に、ｘ軸に沿う方向においてイオンの進行方向に向けて減衰している磁界を発生させる第２コイルとを備えていることを特徴とするイオン源。
前記プラズマ生成容器は、絶縁物を介して、後方部にある第１部分とその前方にある第２部分とに分けられていて、第１部分は前記熱陰極の一端と実質的に同電位に保たれ、第２部分の後方部内に、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて第２部分と実質的に同電位に保たれる多孔状の第２制御電極が設けられている請求項１記載のイオン源。
前記熱陰極がフィラメントである請求項１または２記載のイオン源。
前記熱陰極が傍熱型陰極である請求項１または２記載のイオン源。
一点で互いに直交する三つの軸をｘ軸、ｙ軸およびｚ軸とすると、ｘ軸に沿う方向にイオンビームを引き出すイオン源であって、
陽極を兼ねていて内部でプラズマを生成するための容器であって、前記イオンビームの引出し方向を前方とすると前方部が開いているプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器の前方部内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状に広がっていて、電子を放出すると共に前記プラズマからイオンを引き出す電極を兼ねる多孔状のフィラメントと、
前記プラズマ生成容器内であって前記フィラメントの後方近傍に設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記プラズマ生成容器と実質的に同電位に保たれる多孔状の制御電極と、
前記プラズマ生成容器の後方部内にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて電子を反射する反射電極と、
前記フィラメントの前方近傍にプラズマ生成容器から電気的に絶縁して設けられていて、ｙｚ平面に実質的に平行な面状をしていて前記フィラメントよりも正電位に保たれて、フィラメントを通過して来るイオンを減速して通過させる多孔状の減速電極と、
前記プラズマ生成容器内に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させる第１コイルと、
前記減速電極の前方に設けられていて、減速電極を通過して来るイオンを加速してイオンビームとして引き出す引出し電極系と、
前記引出し電極系を含む領域に、ｘ軸に実質的に平行な磁界を発生させると共に、前記第１コイルと協働して、前記減速電極と引出し電極系との間の領域に、ｘ軸に沿う方向においてイオンの進行方向に向けて減衰している磁界を発生させる第２コイルとを備えていることを特徴とするイオン源。