JPH02109236A - イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、直流放電によりイオンビームを生成するイオ
ン源装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、イオンビームスパッタリング、イオンビームミキ
シング、イオンアシスト等に用いられる代表的なイオン
源装置として、カウフマン型イオン源装置及びパケット
型イオン源装置等がある。

（従来例１） 従来のカウフマン型イオン源装置は、第６図に示す構成
になっておシ、同図において、（１）はステンレス等の
非磁性体の金属製の筐体、（２）は筐体（１）により形
成されたプラズマ生成室、（３）は生成室（２）に設ケ
られたフィラメントであり、タングステン（Ｗ）　、ホ
ウ化ランタン（ＬａＢａ）等からなる。（４）はフィラ
メント（３）加熱用のフィラメント電源、（５）は生成
室（２）に設けられた円筒状のアノードである。

（６）は生成室（２）へのガス導入口、（７）はイオン
ビーム引出し電極群であり、第１電極（８）、第２電極
（９）。

第３電極００から構成されている。０υは筐体（１）の
外側に設けられた円筒状の磁場発生用の永久磁石又は電
磁石である。

＠はアーク電源であり、陽極がアノード（５）に。

陰極が抵抗０罎を介して筐体（１）に接続され、アノー
ド（５）にアノード電圧を印加する。（１４）は加速電
源であり、陽極がアーク電源０４の陰極に接続され、筐
体（１）と同電位の第１電極（８）にアノード電圧より
低い正の加速電子を印加する。θυは第２電極（田に負
の電圧を印加する減速電源である。

そして、フィラメント（３）はカソードとしての熱電子
放出源であシ、フィラメント電源（４）の抵抗加熱によ
り高温に保持きれて熱電子ｅ′を放出し、例えばタング
ステンでは２４００°Ｃ，ホウ化ランタンでは１３００
℃程度に加熱される。

一方、ガス導入口（６）からイオン化ガス、例えばアル
ゴン（Ａｒ）等の希ガス或いは酸素ガス等の反応性ガス
がプラズマ生成室（２）に導入される。

そして７フイラメント（３）とアノード（５）間の放電
により導入されたイオン化ガスのブヲズマ顛が生成され
、電極群（７）のビーム引出し作用により、プラズマ中
のイオンガスがイオンビームとなってスパッタ室等に導
出される。

このとき、磁石０υの磁場により、プラズマＯＱの生成
効率の向上或いはプラズマθＱの閉じ込めの向上が図ら
れる。

（従来例２） 従来のパケット型イオン源装置は、第７図に示す構成に
なっておシ、第６図の構成と異なる点はつぎのとおりで
ある。

第６図のアノード（５）がなく、アーク電源０２の陽極
が筐体（１）に直接接続され、筐体（１）がアノードと
なり、加速電源Ｑ４１の陽極が筐体（１）に絶縁体ａ力
を介した電極群（７）の第１電極（８）に直接或いは抵
抗を介して接続され、永久磁石０υが複数個の環状体か
ら構成され、筐体（１）の内部にカスプ磁場を形成する
ように配置されている点である。

そして、作用は第６図の場合とほぼ同様である。

（従来例３） 従来のホローカソード型イオン源装置は、第８図に示す
構成になっており、第７図と異なる点はつぎのとおりで
ある。

フィラメント（３）がなく、筐体（１）の左側開口部に
絶縁体Ｑ８）を介して非磁性体の金属からなるカソード
筐体（１９が装着され、該筐体０１の左側開口部に絶縁
体（イ）を介して非磁性体の金属製の蓋板Ｑυが装着さ
れ、カソード室（１）が形成されている。

カソード室＠にはホローカソード（ハ）が設けられ。

蓋板Ｑ１）に一体に形成された筒状体（ハ）の外周にヒ
ータコイル（ハ）が巻回され、筒状体（財）の内面に熱
電子放出材（イ）が設けられ、ホローカソードのが構成
され、ヒータコイル（ハ）が電源（４）で加熱され、熱
電子放出材（ホ）が筒状体（財）を介して加熱される。

蓋板Ｑ１）には筒状体（ハ）内側へのガス導入口に）が
設けられている。

アーク電源０暑の陰極が蓋板＠１）　、すなわち筒状体
（財）に接続されるとともに、抵抗０３を介してカソー
ド筐体Ｏ１及び第１［極（８）に接続されている。

そして、生成室（２）に導入口（６）からイオン化ガス
が導入きれるとともに、筒状体（ハ）の内側に導入口（
財）からアルゴン等のホロー放電用の希ガスが導入され
、電源の印加によりアノードを形成する筐体（１）とホ
ローカソードに）との間で放電が生じ、筒状体（財）の
内側空間において希ガスのホロー放電が発生し、ホロー
放電にもとすく熱電子放出により熱電、子放出材＠から
熱電子ｅ′が放出され、放出されだ熱電子ｅ′がアノー
ド電圧に°より生成室（２）に導入される。

そのため、筐体（１）とホローカソード（至）との間の
放電により生成室（２）　ＫプラズマａＱが生成され、
カソードに）から供給きれる熱電子ｅ′により放電が持
続され、第７図の場合と同様、ガス導入口（６）からの
イオン化ガスが電離され、電極群（７）を介してイオン
ビームが導出される。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の第６図、第７図に示すイオン源装置は。

電子放出源としてフィラメント（３）を高温に維持し。

熱電子放出現象を利用してプラズマ００の生成に必要な
熱電子ｅ′の放出を行うだめ、フィラメント（３）は、
高温加熱により材料が蒸発し、かつ、イオン衝撃による
スパッタリング等の過酷な条件に晒され、フイヲメンＩ
−（３）の消耗が激しく、イオン化ガスがアルゴンの場
合、タングステンで５０時間、ホウ化ランタンで１００
時間程度しか使用できない問題点があり、かつ、イオン
化ガスが反応性ガス。

例えば酸素の場合、フィラメント（３）が急激に酸化さ
れて短時間に消耗する問題点がある。

つぎに、第８図に示すイオン源装置は、熱電子放出のホ
ロー放電が１イオン化ガスの供給されるプラズマ生成室
（２）とは別個のカソード室（イ）で希ガスを用いて行
われ、第６図、第７図の装置に比し長時間の使用が可能
になるが、イオン化ガスがアルゴン等の希ガスの場合で
も、熱電子放出材（イ）が高温下でのイオン衝撃による
スパッタリングを受け、１００〜２００時間しか使用で
きない問題点がある。

しかも、カソード室器内に生成室（２）に導入されたイ
オン化ガスが着干流入するため、イオン化ガスが酸素等
の場合、希ガスのときより短時間で熱電子放出材（ハ）
が消耗する問題点がある。

さらに、筒状体（財）内のホロー放電用の希ガスが。

プラズマ生成室（２）内のイオン化ガスと混り合うため
、生成されるプラズマｏｏがイオン化ガスとホロー放電
用の希ガスとの混合プラズマになり、イオン化ガスのみ
のプラズマ生成を行うことができず。

所望のイオンビームが得られない問題点がある。

本発明は、前記の諸点に留意し、消耗性材料の熱電子放
出現象を利用することなくイオン化ガスのプラズマ生成
に必要な電子を生成し、電子放出源の材料消耗を皆無に
し、長時間の使用が可能であり２かつ、イオン化ガスの
みのプラズマを生成して良質のイオンビームを形成でき
るイオン源装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

前記課題を解決するために１本発明のイオン源装置け５
直流放電によりイオンビームを生成する主プラズマ室と
、高周波放電によりフ゛ヲズマを生成して前記直流放電
に必要な電子を前記主プラズマ室に供給する電子放出源
としての副プラズマ室とを備えたものである。

〔作　用〕

前記のように構成された本発明のイオン源装置は、副プ
ラズマ室において高周波放電によりプラズマが生成され
、主プラズマ室のプラズマ生成。

すなわちイオン化ガスのプラズマ生成に必要な電子が生
成され、主プラズマ室に供給されるため。

従来のように、高温に維持し材料の消耗の激しいフィラ
メント及び熱電子放出材を用いる必要がなく、電子放出
源が極めて長寿命になる。

さらに２副プラズマ室のプラズマ生成に用いるガスに、
主プラズマ室のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合
は、主プラズマ室のプラズマが所望のガスのみで生成さ
れ、良質のイオンビームが形成きれる。

〔実施例〕

実施例について第１図ないし第５図を参照して説明する
。

それらの図面において、第６図ないし第８図と同一記号
は同一のものを示す。

（実施例１） 実施例１をパケット型イオン源装置を示した第１図につ
いて説明する。

同図は高周波放電としてマイクロ波放電を利用したもの
であ夛、同図において、第８図の筐体（１）に相当する
非磁性体の金属製の主筐体に）により主プラズマ室翰が
形成され、主筐体（ハ）の左側開口部に絶縁体０樽を介
して装着された非磁性体の金属製の副筐体（イ）により
副プラズマ室０］）が形成され、主。

副プラズマ室翰、０υ間に電子放出孔口４が形成されて
いる。

副筐体（至）の左側開口部が絶縁体３３）で閉塞され。

絶縁体（３３１に接続された導波管（財）が、高周波と
してのマイクロ波を絶縁体（３３）を介して副デヲズマ
室０υに供給する。

副筐体（至）の外周に磁場発生用の電磁コイル（至）が
設けられ、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）条件以上
の磁場を副プラズマ室６］）に発生し、副筐体（至）に
ガス導入口（７）が形成されている。

アーク電源Ｏ■の陰極が副筐体（至）及び第１電１ｉｊ
ｉ（８）に接続されている。

副プラズマ室６υは、マイクロ波放電を引起し易いよう
に、マイクロ波空洞共摂器の条件で寸法。

形状が設定され１例えば２．４５　ＧＨ２のマイクロ波
のＴＥｍのモードのときは２内径ｌＯα、長さ８゜７Ｃ
ＰＨに設定される。

そして２導波管賄）により副プラズマ室０υにマイクロ
波が導入されると、副デヲズマ室０１）でマイクロ波放
電が発生し、導入口（７）から副デヲズマ室１３１）に
導入きれた希ガス等の重子放出用のガスが電離サレ、　
副ｙ”ラズマＧηが生成され、副プラズマＧ７）の生成
にともなって電離生成された電子ｅが、４０〜１２０Ｖ
程度のアノード電圧により放出孔０″Ａから主プラズマ
室に）に引き出されて供給される。

このとき、Ｉ！磁ココイルＣ５１ＥＣＲ条件以上の磁場
にもとすき、生成される副デフズマＣ３ηが高密度フ。

ヲズマとなり、電子ｅが極めて効率よく主プラズマ室翰
に供給される。

つぎに、主プラズマ室翰では、供給された電子ｅの直流
放電にもとすき、導入口（６）から導入されり希ガス等
のイオン化ガスが電離され、主プラズマ室が生成され、
電子ｅの供給により放電が持続される。

そして、電極群（７）のビーム引出し作用により。

生成された主プラズマμｓからイオンがイオンビームと
なってスパッタ室等に導出される。

一方、磁石αηのカスプ磁場により主プラズマ室が効率
よく閉じ込められ、かつ、電極群（７）の近傍に大面積
にわたって均一で安定した主プラズマＳ８ｉが生成され
る。

さらに、副プラズマ室０υに導入されるガスは。

希ガス以外のガスを用いても何ら影響はなく、主プラズ
マ室翰のイオン化ガスと同一のガスを副プラズマ室０υ
に導入することができる。

また、電磁コイル′３５１の代りに永久磁石を用いても
よい。

（実施例２） 実施例２を第２図について説明する。

同図は、第１図における副プラズマ室０ηへのマイクロ
波の導入を、同軸ケーブル（３９）とアンテナ包０）を
用いて行うものであり、副筐体（ト）の右側間１０部及
び左側開口部にそれぞれ磁性体又は非磁性体からなる蓋
板姐）、０２が装着され、右側の蓋板（４１）が絶縁体
０８）を介して主筐体（至）に装着され、右側の蓋板Ｉ
ｌｌに電子放出孔１３カが形成されている。

副プラズマ室０υに設けられたアンテナＨＢは、左側の
蓋板〔２を貫通して同軸ケーブル伯９）に接続され。

副プラズマ室ＯＴ）にガス導入口（至）が形成され、副
筐体（７）の外周に永久磁石０υが設けられ、副プラズ
マ室０υにＥＣＲ条件以」二の磁場を発生する。

なお、アンテナ顛の先端部は、マイクロ波放電を引き起
し易いように副プラズマ室０υの壁面に近接して設けら
れている。

そして、ケーブルリ９）、アンテナ顛を介して副プラズ
マ室０］）にマイクロ波が導入きれると、副プラズマ室
０１）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、アンテナ顛の先端部と副プラズマ室０υ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す
る。

そして、前記マイクロ波放電の発生にもとすき、導入口
（７）から副グラズマ室０υに導入されたガスが電離さ
れて副プラズマａηが生成され、放出孔Ｇカから主プラ
ズマ室（２）に電子ｅが供給される。

この場合、同軸ケープ／ｌ／ａ９）とアンテナけωを用
いているため、第１図のように副プラズマ室０］）がマ
イクロ波空洞共振器条件に制約されないため、副プラズ
マ室０υを小形に形成することができる。

なお、アンテナ顛の個数を増加することにより。

電子放出量の増大を図ることができる。

また、磁石αυは電磁石でもよく、さらに、蓋板Ｈｎ　
、　＠”２ｈを磁性材料で構成する場合は、磁石０］）
の小形化が可能である。

（実施例３） 第２図の副プラズマｔ３７）の生成手段（Ａ、、）　Ｑ
　、　カウフマン型イオン源装置に適用した実施例３を
第３図に示す。

第３図に示すイオン源装置において２２゜４５ＧＩ（ｚ
。

２０Ｗのマイクロ波を使用して実験した結果、マイクロ
波数＋［［流が２Ａとなり２電極群（７）が引出し口径
２．５儒φの多孔式電極の場合、ビーム電流１００ｍＡ
でアルゴンイオンビームが安定に引出された。

（実施例４） 第２図の副プラズマ３７）の生成手段（Ａ）を２個パケ
ット型イオン源装置に適用した実施例４を第４図に示す
。

この場合、２個の生成手段（Ａ）、すなわち２個の副プ
ラズマ室０υから主プラズマ室翰に電子ｅが供給される
だめ、供給電子量が増加し、大型のイオン源装置に有効
である。

なお、生成手段（Ａ、）を３個以上用いてもよく。

かつ、第１図の副プラズマＳ７）の生成手段（Ｂ）を４
カウフマン型イオン源装置に１個又は複数個適用し得る
ことは勿論である。

また、複数個の生成手段（Ａ）　、　（Ｂ）を用いる場
合、マイクロ波電力を個々に制御し、各生成手段（Ａ）
。

（）３）からの放出電子量を調整することができる。

（実施例５） 第５図に示す実施例５は、マイクロ波より低い高周波の
電力で高周波放電を発生する実施例を示す。

同図はパケット型イオン源装置の場合を示し。

副筐体（１）′が耐熱ガラスから構成され、副筐体中′
の電子放出孔３ｚが主プラズマ室翰に連通し、ＭＨｚオ
ーダの高周波電圧を出力する高周波電源（４３１に１対
の高周波型ＷＡ←荀、ケ均が接続きれ、板状の一方の電
ｆＭＩ４荀が副プラズマ室０υに設けられ、筒状の他方
の電極（４５１が副筐体（１）′の外周に設けられてい
る。

そして、高周波電源囮による画電極（４４１、１４５１
間の高周波電圧により高周波放電が発生し、マイクロ波
の場合と同様、副プラズマ室０］）に副プラズマ軽が生
成きれ、副プラズマ室０１）から主プラズマ室（イ）に
電子が放出されて供給される。

この場合、マイクロ波発生器より安価な高周波電源（４
３）を用いているため２装置が低価格となる。

また、副プラズマ室６υの外側に磁場発生用の永久磁石
又は電磁コイルを設け、副プラズマロを高密度化するこ
とができる。

さらに１本実施例をカウフマン型イオン源装置にも適用
ｉ〜得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明は１以上説明したように構成されているので、以
下に記載する効果を奏する。

電子放出源としての副プラズマ室０υにおいて高周波放
電により副プラズマ３１が生成され、主プラズマ室翰の
プラズマ生成に必要な電子ｅが生成され、主プラズマ室
翰に供給されるだめ、従来のように、フイラメンｌ−、
熱電子放出相等の消耗性材料を高温に加熱して維持し、
熱電子放出現象を利用する場合に比し、材料の消耗がな
く６電子放出源が極めて長寿命になり、数百時間以上の
長時間の連続運転を可能にすることができる。

さらに、副プラズマ室０υの副プラズマ６ηの生成に用
いるガスに、希ガス以外のガスを用いることができ、ガ
スの種類に制約がない。そのため、副プラズマ室６υの
ガスに主プラズマ室翰のイオン化ガスと同一のガスを用
いた場合、主プラズマ室翰の主プラズマｃ（８１が所望
のイオン化ガスのみのプラズマとなり、良質のイオンビ
ームを形成することができる。

その」二２酸素等の反応性ガスの場合でも、酸化消耗す
るものがなく、プラズマの生成と・安定に長期間維持す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図はそれぞれ本発明のイオン源装置の
各実施例の構成図、第６図ないし第８図はそれぞれ従来
のイオン源装置の構成図である。 翰・・・主プラズマ室、ｅ１）・・副プラズマ室、ｃ（
η・・・副プラズマ、（９）・・・主プラズマ、ｅ・・
を子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流放電によりイオンビームを生成する主プラズ
   マ室と、高周波放電によりプラズマを生成して前記直流
   放電に必要な電子を前記主プラズマ室に供給する電子放
   出源としての副プラズマ室とを備えたことを特徴とする
   イオン源装置。