JPH04144048A - 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】 【Ｍ集土の利用分野】

この発明は磁場と電場の作用による質量分離機構を備え
た面イオン型のイオン源に関する。

【　　従　　来　　の　　技　　術　　】イオン源は真
空容器に導入されたガスをプラズマ化しイオンビームと
して取り出すものである。 半導体、液晶用ＴＦＴ　１太陽電池などへの不純物導入
、あるいはイオンビームによるエツチング、スパッタに
よる加工、さらにはイオンによるデポジンロン、改質な
どの分野に於いて用いられる。 イオンビームの直径が狭いものも使われるが、これは物
体の加工や処理というより物性の測定に用いられること
が多い。イオンビームか細い場合は、質量分離機構を比
較的簡単に設けることができる。これは磁石によってイ
オンの経路を彎曲させることにより質量の違うイオンを
区別するものである。 と−ころが物質に何らかの処理を施すものの場合は、イ
オンビームが広いほうが良い。同時に多くの対象物を処
理できるからである。 このような場合、イオンを質量分離するのは容易でない
。もちろん磁石によって質量分離できるはずであるが、
イオンビームのエネルギーが高く、イオンビームの直径
が大きいので現実には質量分離がなされていないという
のが実情である。 イオンビームのエネルギーは８０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ
程度あってかなり大きい。また面ビーム型の場合イオン
ビームの直径が大きい。このビームを曲げようとすると
、強い磁束密度を持った巨大な磁石が必要である。磁石
の直径はイオンビームの直径より当然大きくなくてはな
らない。またビームの曲がりに沿う円弧状の形状を持た
なければならない。 このような巨大で強力な磁石を作るのは容易でない。こ
の磁石をイオン源のビーム出口に設置するというのも難
しいことである。 こういうわけで従来広い拡がりを持つビームを発生する
イオン源は質量分離機構を備えていなかった。

【発明が解決しようとする課題、】

面ビームイオン源は、対象物の加工、改質、不純物ドー
ピングなどに用いられる。対象物に照射されるイオンは
特定の１種類のイオンであることが望ましい。質量分離
機構がないと、意図したイオン以外のイオンも照射され
ることになり望ましくない。 ところがビーム径が広くイオンエネルギーが高いので一
対の大きい磁石によってビームの経路を曲げるというよ
うな機構では質量分離のための構成が大きくなりすぎて
実用的でない。 イオン源の寸法を殆ど増加させることなく、ビーム径の
広いイオン源に質量分離機構を設けるようにすることが
本発明の目的である。

【課題を解決するための手段】

本発明のイオン源は、真空に引くことができ原料ガスを
導入し放電によってこれを励起しプラズマとするイオン
源チャンバと、イオン源チャンバからイオンビームを引
き出し加速するためにイオン源チャンバの出口に設けら
れイオン通し穴が’？と直角な方向に穿たれた多孔電極
板よりなるプラズマ電極、引出電極、加速電極、接地電
極とをこの順に存し、引出電極、加速電極、接地電極の
イオン通し穴は面と直角な同一軸線上にあり、プラズマ
電極は軸ずれ駆動系によって面に平行な方向に移動でき
るようにしてあり、引出電極の全てのイオン通し穴に、
対向磁石を同一の方向に設け、プラズマ電極を平行移動
することによりプラズマ電極、引出電極のイオン通し穴
を通過したイオンのうち所望の質量のイオンのみがそれ
より後方の加速電極の通し穴を通過することができるよ
うにした事を特徴とする。

【　　作　　用　　】

本発明のイオン源に於いては、プラズマ電極のイオン通
し穴とその他の電極のイオン通し穴が一致しない。この
軸ずれの量は軸ずれ駆動系によって自在に調整できる。 軸ずれによってイオンビームが一方向に曲げられる。さ
らに本発明に於いては引出電極のイオン通し穴の全てに
対向磁石を同一方向に設ける。これによってイオンビー
ムが同一の方向に曲げられる。引出電極、加速電極、接
地電極のイオン通し穴は電極板に対して直角な方向に一
直線上に並んでいる。 このため引出電極のイオン通し穴の終端を面にほぼ直角
に出たイオンビームのみがこれに続く加速電極、接地電
極のイオン通し穴を通過することができる。つまり電極
穴の軸ずれによるイオンビームの曲がりと対向磁石によ
るイオンビームの曲がりとが打ち消しあうようなイオン
ビームのみがこれらの４重の電極のイオン通し穴を通り
抜けることができるのである。 引出電極のイオン通し穴の終端で経路が面に対して直角
でないものは、加速電極の板面に衝突してしまい、イオ
ンとして外部へ取り出されない。 引出電極のイオン通し穴の終端で経路が面に対して直角
になるもののみが加速電極、接地電極のイオン通し穴を
通り抜は所望のターゲットに照射される。 プラズマ電極と引出電極の間には引き出し電圧がかかっ
ている。両者ともに穴の無い平板であれば電気力線は板
面に直角である。しかしイオン通し穴があるので穴の近
傍で電気力線が彎曲する。 もしもプラズマ電極と引出電極に軸ずれがなければこの
電気力線の歪みは単にイオンビームを幾分収束させる作
用があるだけである。プラズマ電極と引出電極の間には
軸ずれがあるのでイオン通し穴の廻りの電気力線が対応
する穴と穴とを結ぶように彎曲する。イオンビームは電
気力線に沿うように電界によって曲げられる。 電荷が同しであれば質量の小さいものがより良く曲げら
れ、質量の大きいものはまがりにくい。 次にイオンビームは引出電極の対向磁石によっても曲げ
られる。運動エネルギーが一定であるので質量の大きい
イオンはど曲げの曲率半径が大きい。前述の電極の軸ず
れによるイオンビームの曲げと、磁石によるイオンビー
ムの曲げとが打ち消し合えば、引出電極のイオン通し穴
を出るイオンビームの方向は引出電極の面に対して直角
になり引き続き、加速電極、接地電極のイオン通し穴を
通過できる。軸ずれによる曲げの曲率半径の質量依存性
はないのに対し、磁石による曲げの曲率半径の質量依存
性があるので、軸ズレ量を制御することにより、ある質
量のイオンのみを電極穴を通過させる事ができる。従っ
てこれにより質量分離作用が生ずることになる。 イオンのエネルギーは加速電極より後では＋００ｋｅＶ
程度になるが、プラズマ電極では１　ｋｅＶ以下である
のでこれを曲げる電界、磁界ともに小さくて良い。

【　　実　　施　　例　　】

第１図は本発明の実施例に係るイオン源の概略構成図。 第２図は電極板の通し穴近傍のみの断面図である。但し
、第２図に於いてプラズマ電極１、加速電極３、接地電
極４はＸＺ断面図で引出電極またけはｙｚ断面図である
。これは引出電極について磁石の断面を明示するためで
ある。 イオン源は真空に引くことのできるチャンバ１１に、原
Ｐガスを導入し、放電によってガスをプラズマ化し、電
極板の作用によってイオンビームとして引き出すもので
ある。 放電はアーク放電、グロー放電、マイクロ波放電などで
ある。チャンバの外周壁にはカスプ磁場形成用磁石が取
り付けであることもある。 ここではアーク放電によりイオン化するパケット型イオ
ン源を示す。チャンバ１工の中央部に、フィラメント１
２を設けている。チャンバ１１の壁面にはカスブ磁場を
作るための多数の磁石１３が設けられる。フィラメント
１２はフィラメント電源１４により通電加熱される。チ
ャンバ１１とフィラメント１２の間に、アーク電源１５
によりアーク放電を起こさせることによって、原料ガス
導入口１８から導入された原料ガスをプラズマ化する。 ４枚の電極板がチャンバ１１の出口に取り付けられてい
る。これらは多数のイオン通し穴を穿った電極板である
。このうち３枚の電極板のイオン通し穴は板面と直角な
方向に一直線上に揃っているものとする。 ４枚の電極板は、チャンバに近い方からプラズマ電極１
、引出電極２、加速電極３、接地電極４である。これら
に同一配置に並ぶ多数のイオン通し穴６．７．８．９が
穿たれている。引出電極２、加速電極３、接地電極４の
イオン通し穴７．８９は同一直線上にある。しかしプラ
ズマ電極１は軸ずれ駆動系５によって一方向に動きうる
ちのとしている。 板面の方向をｘｙＸ方向しこれと直角な方向を２方向と
する。つまりＸ方向に引出電極２、加速電極３、接地電
極４のイオン通し穴７．８．９が一直線上に並んでいる
。Ｚ軸方向に直進するイオンのみがこれら電極板の通し
穴を通り抜けることができるのである。 引出電極２の通し穴７には対向磁石２０．２１が設けら
れる。これはすべての引出電極のイオン通し穴７に同一
方向に設ける。これによりＸ方向に磁場Ｂが生ずる。プ
ラズマ電極１は先に述べたようにＸ方向に平行移動でき
る。 プラズマ電極１を適当量すらしておくと穴の近傍の電気
力線がそれにつれてまがる。イオンは電気力線の曲がり
の影響を受ける。さらに引出電極２でもイオンは磁石の
磁界によって曲がる。この曲がりがプラズマ電極による
曲がりを打ち消すようにしである。従っである質量のイ
オンはプラズマ電極で曲がり、引出電極でそれを正確に
打つ消すように曲がり、加速電極３、接地電極４のイオ
ン通し穴８．９を面に直角な方向に通過しうる。 これより質量の小さいイオンビームは破線で示すように
プラズマ電極１で曲がり過ぎるので、引出電極２ではこ
れを補償できず、加速電極３の壁面にあたりここを通過
できない。これより質量の大きいイオンビームは反対の
事情にあり同様に電極系を通過できない。結局ある適当
な質量のイオンビームのみが電極系のイオン通し穴を通
過できるのである。 この図では電極とイオン通し穴とを大きく書いであるが
実際は電極間距離は電極の厚みよりもずっと大きいイオ
ン通し穴の直径はさらに小さいので、イオン通し穴がす
こしずれていてもイオンビームはこれらを連続して通過
できない。たとえば電極間の距離は１０〜３０ＩＩＩ１
１で、イオン通し大の直径は２〜５ａｍ程度である。

【　　発　　明　　の　　効　　果　　】従来面ビーム
型のイオン源は質量分離機構を持つものがなかったが、
本発明の構造によって質量分離を行う事ができる。イオ
ンビーム照射の際に不純物イオンが混入するのを防ぐ事
ができる。 大面積を持つイオンビームの全体を彎曲させるのではな
く、引出電極の通し穴を通るイオンビームごとに対向磁
石を設け、プラズマ電極を軸ずれさせることによって質
量分離している。 イオンエネルギーの低い時に質量分離するので電場、磁
場ともに小さいもので良い。引出電極の近傍でのエネル
ギーは１　ｋｅＶ以下である。１００ｅＶ程度のことも
あるので、小さい電場、磁場によって質量分離できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はイオン源の全体概略図。 第２図は電極板の通し穴部分のみの断面図。 第３図は引出電極の通し穴部分のみの平面図。 工・・−ψ・−プラズマ２！極 ２　・　・　・　・　１１　　φ引　　出　　電　　極
３　・　Φ　・　・　・　・加　　速　　電　　極４　
＠　＠　−・　・　・接　　地　　電　　極５・・・・
・φ軸ずれ駆動系 ６・・Φ・・・プラズマ電極の通し穴 ７・・１１ΦΦ・引出電極の通し穴 ８Ｉ・拳・豐・加速電極の通し穴 ９番ΦΦ・・・接地電極の通し穴 １１１１・チャンバ １２＃壷１１１１＃フイラメント ２０．２１・・永久磁石 発明者　　　　　　　　　　　丹　上　正　安中　　里
　　　　　宏 特許出願人　　　　　　　　日新電機株式会社第 図 第 図 イオン通し穴７

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空に引くことができ原料ガスを導入し放電によってこ
   れを励起しプラズマとするイオン源チャンバと、イオン
   源チャンバからイオンビームを引き出し加速するために
   イオン源チャンバの出口に設けられイオン通し穴が面と
   直角な方向に穿たれた多孔電極板よりなるプラズマ電極
   、引出電極、加速電極、接地電極とをこの順に有し、引
   出電極、加速電極、接地電極のイオン通し穴は面と直角
   な同一軸線上にあり、プラズマ電極は軸ずれ駆動系によ
   って面に平行な方向に移動できるようにしてあり、引出
   電極の全てのイオン通し穴に、対向磁石を同一の方向に
   設け、プラズマ電極を平行移動することによりプラズマ
   電極、引出電極のイオン通し穴を通過したイオンのうち
   所望の質量のイオンのみがそれより後方の加速電極の通
   し穴を通過することができるようにした事を特徴とする
   イオン源。