JPH02148539A - イオン源 - 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】 （ト）技術分野 この発明は、マイクロ波と磁界を用いてプラズマを生成
するイオン源において、より高密度のプラズマを生成で
きるようにしたものに関する。

マイクロ波と磁界とを用いてプラズマを生成するものは
Ｅ　ＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｃｔｒｏｎ　Ｒ
ｅ５ｏｎａｎｃｅ）型といわれる。軸方向の静磁場Ｂが
あり、これに対する電子のサイクロトロン周波数ｑＢ／
２πｍが、マイクロ波の周波数にほぼ等しくなるように
しである。

電子は磁力線のまわりを回転する。これをサイクロトロ
ン運動という。マイクロ波の周波数と同じ周期を持つの
で、これと同期して加速される。

加速されたものは回転半径が大きくなり、速度も大きく
なる。

このように、高速の運動をする電子が、ガス分子に衝突
すると、これを正イオン、電子或は中性活性種へと励起
する。二次電子が出るので、これが同様な作用をするか
ら、速やかにプラズマ状態になる。

電子を生ずるため熱陰極を用いるイオン源は古くから用
いられているが、反応性ガスを導入すると、フィラメン
トが切れてしまう。

ＥＣＲ型イオン源はフィラメントがないので、反応性の
強いガスに対しても長寿命である。

ＥＣＲ型イオン源は、反応性イオンビームエツヂングや
ＥＣＲ（：ＶＤ（薄膜形成）に使われる。

（イ）従来技術 第２図に従来例に係るイオン源を示す。

イオン源チャンバ１は円筒形の容器であり、真空に引く
事ができる。これは、円筒の外周に沿つてコイル２を有
する。コイル２により軸方向の磁場を生ずる。

マイクロ波発振器６に於て、マイクロ波が発生する。こ
れは、導波管４、スリースタブチューナー５、導波管４
を通り、誘電体３を経て、イオン源チャンバ１の中に入
る。

イオン源チャンバ１には、ガス導入系１７よりイオン化
すべきガスが導入される。このガス分子が、マイクロ波
と磁場の作用によりプラズマに励起される。

イオン源チャンバ１の他の端面には引出電極系７がある
。これは、加速電極と減速電極とを重ね合わせたもので
ある。いずれも多孔板の電極である。これにより、イオ
ンビームとして引出される。

イオン源チャンバ１の左方には、試料（図示せず）を保
持する真空チャンバ（図示せず）があり、イオンビーム
は試料に当って、エツチング作用或は薄膜形成作用を行
なう。

イオン源チャンバ１内にはプラズマが充満している。つ
まり、正イオン、電子の集合である。その他にガス分子
（基底状態）や中性活性種などがある。

磁場の作用により、荷電粒子はサイクロトロン運動する
が、熱運動、散乱により、正イオン、電子はチャンバ１
内のどこへでも飛んでゆく事ができる。

一方の端面のみからイオンを引出している。イオンとし
て引出される前に壁面に当って中性化するものもある。

マイクロ波のパワーのうち、イオンとして取出されるエ
ネルギーは１００〜５０Ｗ程度である。残りは、熱にな
って散逸する。

（つ）　発明が解決しようとする問題点マイクロ波発振
器からイオン源チャンバマチ、導波管によって、マイク
ロ波を伝送する。導波管の寸法が大きいので、嵩高い設
備になってしまう。

イオン源チャンバの大きさは、マイクロ波の周波数が決
まると、はぼ決まってしまう。これｔ＝大きい導波管が
つながるので、全体としての設備の寸法は大きい。また
、途中にスリースタブチューナーを介装して、マツチン
グをとらなければならない。

例えば、マイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚとすると
、これに対して標準的に用いられる導波管の内のりの寸
法は５４．６ｍｍＸ　１０９．２＋＋ｍである。導波管
両端のフランジは、１０６．５ｍｍ　Ｘ　１６１ｍ＋ｘ
である。

これは、２．４５ＧＨｚ近傍のマイクロ波のＴＥ１ｏモ
ードだけを通すように設計でれた導波管である。矩形の
長辺が短辺の２倍になっている。

ハーフサイズの導波管は、内のりが２７ｍｍ　Ｘ　９６
ｍｒｖ。

フランジ寸法が６０ｍｒｕ　Ｘ　１３０＋＋＋＋ｍであ
って、前述のものの約半分である。

いずれにしても、導波管は直線でなければならないし、
嵩高いものであるので、設備を肥大化きせる。

導波管を使うので、イオン源の設備をする上で、種々の
制約が生ずる。これは導波管が細長い剛体であるからで
ある。

マイクロ波であるから、同軸線によって伝送する事がで
きる。この場合は、内線、絶縁被覆、外線エリなり、内
線と外線には電流が流れる。絶縁被覆の中に生ずる電場
は軸に直角で放射状である。

磁場は軸を中心とする同心円を描く。電場、磁場ともに
進行方向に直角である。ＴＥＭモードという。

同軸線であれば、直線状に保たなくてはならないという
事もなく、可撓性があるので曲げる事ができる。

しかし、同軸線には、電流が流れ、電流の作用によって
電場、磁場を維持してゆくのであるから、当然、ジュー
ル熱損失が伴う。

これは、周波数に比例するので、高い周波数になればな
るほど損失が大きくなる。

２．４５ＧＨｚの程度では、同軸線で伝送できるマイク
ロ波パワーはせいぜい１００　Ｗ程度である。

第２図に示す従来例に於て、マイクロ波発振器６で発生
しているマイクロ波パワーは、１．０〜１．５ｋＷであ
るのが普通である。これが減衰してイオン源チャンバに
入るが、入ったパワーはやはり１　ｋＷ程度あるものと
考えられる。

１００　Ｗ程度のマイクロ波では殆ど役に立たない。

であるから、同軸線でマイクロ波を伝送する、というの
は有効な方法ではない。

もうひとつ、第２図のイオン源には問題がある。

それは、マイクロ波の利用効率が低いという事である。

これは、イオン源チャンバ１が軸方向に長いことによる
。いったんプラズマになっても、引出される前に、再結
合し中性化するガス分子が多いからである。

このように、導波管が嵩高い事による設置上の制約、マ
イクロ波利用効率の低さ、これらが第２図のイオン源の
問題である。

に）構　成 本発明のイオン源に於ては、ふたつの工夫がなされる。

ひとつは、イオン源チャンバの側壁に直接にマグネトロ
ンを取付け、ここからマイクロ波を発生させイオン源チ
ャンバの中へ供給することである。

マイクロ波発振器が外部にあって、導波管又は同軸線で
伝送するというのではない。イオン源チャンバに直付け
しである。このため伝送路が不要である。

もうひとつは、イオン源チャンバの空間の一部を誘電体
によって占有させ、ガスが存在する空間を狭くしている
、という事である。軸方向にガス存在空間を狭くし、引
出電極などは小さくしない。

すると、プラズマ存在空間Ｖを、実効的な引出電極の面
積Ｓで割った実行奥行きｌが短かくなり、プラズマが引
出されやすくなる。つまりマイクロ波の利用効率が高ま
る。

第１図は本発明のイオン源の一例を示す縦断面図である
。

イオン源チャンバ１は円筒形状である。この中にマイク
ロ波の定在波が存在する事になる。空胴共振器として作
用する。これは第２図のものと変わらない。ただし、一
方の端面からマイクロ波が入ってくるというのではなく
、端面が盲板になっている。

そのかわり、マグネトロン８がイオン源チャンバ１の円
筒面に取付けられている。マグネトロン８はマイクロ波
を生じ、高周波ドーム１２から電波として放射するよう
になっている。マグネトロンの接地側は、イオン源チャ
ンバ１壁に接続されている。

このマイクロ波の管内波長をλｇとすると、マグネトロ
ン８の高周波ドーム１２は、イオン源チャンバ１の端面
からλｇ／４の地点に位置するようにするのがよい。

これは、マイクロ波の定在波が生じに時、その腹の部分
に高周波ドーム１２が位置する、という事である。こう
すると、結合効率が高くなる。

マグネトロン８の外周は、強磁性体よりなる磁気シール
ド９によって覆われている。これは、マグネトロンの内
部に生ずる磁場が外部へ漏れないため、という目的と、
外部磁場がマグネトロンの動作を妨害しないという目的
のためである。

高周波ドーム１２はアンテナとなり、マイクロ波を放射
する。これと空胴共振モードとはＥ結合（静電結合：電
場と結合する）であっても、Ｈ結合（電磁結合：磁場と
結合する）であってもよい。

イオン源チャンバ１には、その内部に長手方向の大部分
を占有するよう誘電体１０を挿入している。

イオン源チャンバ１の軸方向の長さをＬとする。

誘電体１０の外径が、イオン源チャンバ１の内径シーは
ぼ等しくシ、であるので、ぴったり嵌まる。誘電体１０
の軸方向の長さをｑとする。残りの（Ｌ−ｑ）＝ｄの部
分がプラズマ生成空間１３である。

奥行がｄであるプラズマ生成空間１３には、ガス導入系
（図示せず）があって、ガスが導入される。

プラズマ生成空間１３の周囲には、軸方向の磁場を生ず
るコイル２が設けである。

コイル２は内周は開いているが、外周と両端面とは磁気
シールド９′によって覆われている。磁気シールド９′
は強磁性体よりなる。これは、マグネトロン８に対して
磁気的な相互作用を及ぼさないためである。

さらに、イオン源チャンバ１の円周壁の半ばには、整合
器兼モード変換器１１が設けである。

これは、３つのスタブを出入れするようにしｋものであ
る。スタブはλｇ／８ずつ離れている。スタブを出し入
れして、チャンバ内に存在しうるモードを指定するわけ
である。

これは、マグネトロン８に対向する壁に３つのスタブを
設けたものであるが、円周方向にさらにいくつか設ける
ようにしてもよい。

モー・ドといっても軸方向のモードである。面内方向の
モードは決まっていて、例えばＴＦＩ：１１モードであ
る。ＴＥｌｌｍと書いた軸方向のモード次数ｍを指定す
る。

イオン源チャンバ１の出口側には、引出電極系７があり
、プラズマからイオンビームを引出す。

これは、多孔板の電極であり、加速電極と減速電極とを
重ね合わせたものである。

（２）作　用 マグネトロン８に於て、マイクロ波が生じる。

マグネトロンは空冷又は水冷すれば、２　ｋＷ程度の出
力のものを使う事ができる。このマイクロ波は高周波ド
ーム１２から、イオン源チャンバ１の中へ給電される。

高周波ドーム１２は、たとえばＥ結合（静電結合）とし
、チャンバの端面からλｇ／４の位置にあるので、効率
良く給電できる。

空胴共振器であるイオン源チャンバ１には、ある定まっ
たモードのマイクロ波のみが存在する。

高周波ドームから出たマイクロ波は、空胴共振モードに
変換される。

空胴共振モードに適合するよう整合器兼モード変換器１
１のスタブを調整する。

マイクロ波は、誘電体１０とプラズマ生成空間１３にわ
たって存在する。両者の誘電率が異なるので波長が異な
る。

界面１４で誘電率の差異により一部が反射する。

しかし、プラズマ生成空間１３の奥行きｄがλｇ／２よ
り小さければ、ここに独自の定在波が存在しえない。こ
のため、反射波は安定なモードを作る事ができない。

つまり、界面１４での反射はあまり問題にならないとい
う事である。

誘電体１０が大きな体積を占める。プラズマ生成空間１
３は狭い。狭いといっても、直径方向の寸法は同じであ
る。このため、プラズマ生成空間の単位体積あたりのマ
イクロ波供給エネルギーＱは大きくなる。

より詳しく説明する。マイクロ波の全エネルギーをＷと
し、イオン源チャンバの断面積をＳとする。単位面積あ
たりのマイクロ波供給量はＷ／Ｓである。

従来の第２図のものでは、単位体積あたりのマイクロ波
供給エネルギーＱ２は、チャンバの長さをＬとして、 である。Ｌが大きいので、Ｑ２は小さい。

ところが本発明では、単位体積あたりのマイクロ波供給
エネルギーＱ１は である。ＱｌがＱ２より大きいのは明らかである。

プラズマの生成は、単位体積あたりのマイクロ液供給エ
ネルギーＱにほぼ比例する。従って、本発明のイオン源
は、より高密度のプラズマを生成する事ができる。

高密度のプラズマが生成できるので、引出電極系でイオ
ンビームを引出した場合、イオンビーム電流はより強い
ものになる。つまり、高密度のイオンビームが得られる
ので、試料（図示せず）に照射した時、イオン処理の能
率が高くなる。

ただし、マイクロ波の単位面積当りエネルギーＷ／Ｓが
同じなのであるから、軸方向にＱｌ、Ｑ２を積分したＱ
ｌｄ　１Ｑ２Ｌは同一である。だから、イオンビーム電
流は同じ、と考えられるかも知れない。

しかしそうではない。引出電極系７によって、引出しう
るのは、近傍の一部のプラズマだけである。

引出電極系７から離れた部分のプラズマは、再結合し消
滅する事が多い。つまり、イオンビームの大小を決定す
るものは、軸方向のプラズマの積分値ではなく、引出電
極系近傍のプラズマ密度なのである。

本発明は、誘電体１０を挿入する事によりプラズマ生成
空間１３を狭まくし、プラズマの高密度化を達成してい
る。

誘電体１０は、単に充填材としての作用の他に、いくつ
かの作用がある。

マグネトロン８の高周波ドーム１２は、誘電体１０で囲
まれている。反応性のガスに接触しない。

このため高周波ドーム１２は反応性ガスによって腐蝕さ
れない。

整合器兼モード変換器１１のスタブも、誘電体１０によ
って保護されている。このため反応性ガスによって腐蝕
されない。

さらに、プラズマと接触する部分は加熱されるので、冷
却の必要がある。誘電体１０によって、高周波ドーム１
２、スタブがプラズマから遮断されているので、これら
は激しく加熱きれるという事がない。冷却の必要もない
。

導波管のようなものがイオン源チャンバから延長してい
ないので、このイオン源は全体として小型になり、据付
は場所の制約などが少なくなる。

これは、マグネトロン８を直付けしたからである。マグ
ネトロンは１．５ｋＷ〜２　ｋＷの大きい出力のものを
使う事もできる。

しかし、先に述ぺなように、本発明では、プラズマ生成
空間の奥行きｄが小さいので、単位体積あたりのマイク
ロ波供給エネルギーＱ１が大きくなる。そこで、マイク
ロ波パワーＷをより小さくする事ができる。

よりパワーの小きい、例えば５００　Ｗのマグネトロン
であれば、寸法は１００朋Ｘ　１００ｍｍ　Ｘ　１００
朋程度である。極めて小さい。第２図の導波管４、スリ
ースタブチューナー５、マイクロ波発振器６を合わせた
ものが、マグネトロン８で置換えられるのであるから、
これは著しい小型化ということができる。

もちろん、マグネトロン８には、電力を供給するための
コードが接続しである。コードは導波管に比べれば細い
し、自在に曲るので、据付、設置上の制約にはならない
。

（２）効　果 導波管、スリースタブチューナー　マイクロ波発振器な
どがイオン源チャンバの外側に接続されていないので、
全体的に小型になっている。据付設置上の制約が少なく
なる。狭い空間であっても据付ける事ができる。

プラズマ生成空間が奥行きの浅い空間になっているので
、単位体積あたりのマイクロ波供給エネルギーが大きく
、高密度プラズマを生成できる。

この結果、高出力のイオンビームを得る事ができる。イ
オン処理能力が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例にかかるイオン源の縦断面図。 第２図は従来例にかかるイオン源の縦断面図。 １・・・・・・イオン源チャンバ ２・・・・・・コイル ３・・・・・・誘電体 ４・・・・・・導波管 ５・・・・・・スリースタブチューナー６・・・・・・
マイクロ波発振器 ７・・・・・・引出電極系 ８・・・・・・マクネトロン ９．９・・・・・・磁気シールド １０・・・・・・誘電体 １１・・・・・・整合蓋兼モード変換器１２・・・・・
・高周波ドーム １３・・・・・・プラズマ生成空間 １４・・・・・・界面 １７・・・・・・ガス導入系 発 明 者 笹 村 義 孝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マイクロ波および磁界を用いてプラズマを生成せしめる
   イオン源であつて、真空に引く事ができ一端が開放され
   他端が閉じられた円筒形状のイオン源チャンバ１と、イ
   オン源チャンバ１の内径とほぼ同じ外径を持ち長さがイ
   オン源チャンバ１より小さくイオン源チャンバ１の閉じ
   られた端部の方へ挿入された誘電体１０と、イオン源チ
   ャンバ１の壁面に取付けられマイクロ波を発生するマグ
   ネトロン８と、マグネトロン８で生じたマイクロ波を放
   射するためイオン源チャンバ１の内部であつて誘電体１
   ０の部分に挿入されている高周波ドーム１２と、イオン
   源チャンバ１の壁面に取付けられイオン源チャンバ１の
   内部であつて誘電体１０の部分に出入可能に挿入されて
   いる複数のスタブよりなる整合器兼モード変換器１１と
   、イオン源チャンバ１の内部であつて誘電体１０の存在
   しないプラズマ生成空間１３の周囲に設けられ軸方向の
   磁場を生ずるコイル２と、マグネトロン８の外周を囲む
   磁気シールド９と、コイル２の外周を囲む磁気シールド
   ９′と、イオン源チャンバ１のプラズマ生成空間１３の
   外側に設けられプラズマからイオンを引出すための引出
   電極系７とよりなる事を特徴とするイオン源。