JPH04262349A - 多価重イオン源および１価重イオン源 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体製造プロセス
、材料の表面改質などにおいてイオンビーム源として用
いられる、多価重イオン源および１価重イオン源に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、目的とする元素（粒子）をイオン
化する装置であるイオン源を備えたイオン注入装置等の
イオンビーム応用装置の需要が拡大し、工業用の装置が
実用化されている。しかし、金属表面改質などのより広
い分野への適用が期待される、高融点の重金属のイオン
を用いた大電流用のイオンビーム応用装置については、
その実用化が困難な状況にある。これは、一般にイオン
の質量数Ｍが大きくなると、装置の加速部や質量分離部
の小型化が困難になることがその理由のひとつになって
いる。例えば、イオン注入装置における電磁石を用いた
質量分離部を例にとれば、利用すべきイオンの分離に必
要な磁界の強さは、イオン価数をｑとすると、（Ｍ／ｑ
）１／２　に比例するので、Ｍ／ｑが小さい軽イオンに
比べて重イオンでは電磁石自体を大型化する必要がある
ためである。

【０００３】そこで、重元素でもＭ／ｑを小さくできる
方法は、電離度をあげた多価イオンを利用することであ
る。多価イオンを用いると、加速電圧以上の高エネルギ
ーのイオンビームが得られ、装置の小型化にもつながる
ことから、多価重イオン源が望まれている。しかし、従
来、大電流用の多価重イオン源は見当たらない。

【０００４】なお、従来の多価イオン源としては、その
構成説明図の図６に示すようなものが知られている（石
川順三：イオン源工学，ｐ．４６９　，アイオニクス社
）。この従来の多価イオン源は、マイクロ波放電型多価
イオン源と称されるものであって、図６に示すように、
真空に排気するための真空ポンプを備えた真空チャンバ
内に、１価イオン生成室５１、第２電離室５２、および
第３電離室５３を備えている。そして、１価イオン生成
室５１に目的とするイオンの原料としてのガスをガス導
入口５４から導入して比較的高いガス圧とし、周波数１
６　ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波導入口５５から導
入するとともに、磁場発生コイル５６によりＥＣＲ（電
子サイクロトロン共鳴）条件を満たす磁束密度を与えて
高密度プラズマを生成する。 この１価イオン生成室５１で生成されたプラズマがゆる
い磁場勾配により第２電離室５２へ流し込まれる。

【０００５】第２電離室５２において、磁場発生コイル
５７と多極磁場配位された永久磁石５８とによりイオン
を閉じ込めるとともに、１価イオン生成室５１のそれよ
り低い周波数８ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波導入口
５９から導入してＥＣＲ吸収によりプラズマ電子を加熱
して多価電離にあずかる電子を得ることによって、多価
イオンを生成させる。そして、外部に磁場発生コイル６
０が配置された第３電離室５３においてさらにＥＣＲ吸
収による電離を行った後、目的とする多価イオンをイオ
ンビーム６１として引き出し電極６２により引き出すよ
うにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記紹介し
た従来の多価イオン源では、１価イオン生成室５１で生
成された１価イオンを含むプラズマを、ミラー磁場によ
るゆるい磁場勾配を用いた拡散を利用して多価イオンを
得るための電離室５２，５３へ輸送する構成のものであ
るため、電離室５２，５３へのイオン供給が制約されて
大電流が得られにくいという欠点がある。そこで、本発
明者らは、上記従来の多価イオン源の欠点に鑑みて大電
流が得られる多価重イオン源の研究を重ねた結果、本願
発明の多価重イオン源を創案するとともに、大電流が得
られる１価重イオン源をも創案したのである。

【０００７】すなわち、この発明は、大電流が得られる
、多価重イオン源および１価重イオン源の提供を目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願の請求項１の発明による多価重イオン源は、
所定圧力に真空引きされる真空チャンバ内においてアー
ク放電により希ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と
、前記真空チャンバ内に直流電圧が印加される平行平板
電極を有し、前記プラズマ中の希ガスイオンによるスパ
ッタリングに基づいて目的とする重イオンを１価の形で
生成し輸送する１価重イオン生成輸送部と、所定圧力に
真空引きされ、かつ前記平行平板電極の間隙空間に連通
する円筒状空洞を有し、前記１価重イオンを電離して多
価重イオンを生成させる多価重イオン生成部と、前記多
価重イオンを引き出すための引き出し電極とを備えた多
価重イオン源であって、前記プラズマ生成部は、陰極と
これに対向配置された陽極を有しパルス的にアーク放電
を行うアーク放電電極と、このアーク放電電極の間隙空
間にアーク放電に同期して希ガスを導入するガス導入手
段と、アーク放電電極間の電場に直交する方向の磁場を
発生する手段とを有し、アーク放電により生成された希
ガスプラズマを電磁力により前記平行平板電極間隙空間
に輸送すべくなしてあり、前記１価重イオン生成輸送部
は、前記平行平板電極が、少なくともその表面が目的と
する重イオンの元素材料で形成されたスパッタリング陰
極とこれに対向配置された陽極とにより構成されており
、この平行平板電極間の電場に直交する方向の磁場を発
生する手段を有し、前記アーク放電電極間隙空間からの
プラズマの希ガスイオンが前記電場によって前記スパッ
タリング陰極を衝撃することにより前記元素材料をスパ
ッタし、プラズマの電子を前記直交電磁場によってスパ
ッタリング陰極面に沿って前記円筒状空洞方向へ並進マ
グネトロン運動させることにより、スパッタされた元素
材料をイオン化してこの１価の重イオンを含むプラズマ
を前記円筒状空洞へ輸送すべくなしてあり、前記多価重
イオン生成部は、前記円筒状空洞内に軸方向の磁場を発
生する手段と、前記円筒状空洞にマイクロ波を導入する
マイクロ波導入手段とを有し、円筒状空洞がＴＥｎ１０
　モード（ｎは２以上の整数）で励振するようにその形
状寸法が定められており、前記マイクロ波の周波数と軸
上磁場の強さとの関係が、前記ＴＥｎ１０　モードにお
ける２・ｎ重極高周波電場による電子サイクロトロン共
鳴条件を満たすように設定されており、前記軸方向磁場
と２・ｎ重極高周波電場とによって前記引き出し電極方
向にプラズマの電子をサイクロトロン運動させることに
より、１価重イオンを電離して多価重イオンを生成すべ
くなしてあることを特徴とするものである。

【０００９】また、本願の請求項２の発明による１価重
イオン源は、所定圧力に真空引きされる真空チャンバ内
においてアーク放電により希ガスをプラズマ化するプラ
ズマ生成部と、前記真空チャンバ内に直流電圧が印加さ
れる平行平板電極を有し、前記プラズマ中の希ガスイオ
ンによるスパッタリングに基づいて目的とする１価の重
イオンを生成し輸送する１価重イオン生成輸送部と、前
記１価重イオンを引き出すための引き出し電極とを備え
た１価重イオン源であって、前記プラズマ生成部は、陰
極とこれに対向配置された陽極を有しパルス的にアーク
放電を行うアーク放電電極と、このアーク放電電極の間
隙空間にアーク放電に同期して希ガスを導入するガス導
入手段と、アーク放電電極間の電場に直交する方向の磁
場を発生する手段とを有し、アーク放電により生成され
た希ガスプラズマを電磁力により前記平行平板電極の間
隙空間に輸送すべくなしてあり、前記１価重イオン生成
輸送部は、前記平行平板電極が、少なくともその表面が
目的とする重イオンの元素材料で形成されたスパッタリ
ング陰極とこれに対向配置された陽極とにより構成され
ており、この平行平板電極間の電場に直交する方向の磁
場を発生する手段を有し、前記アーク放電電極間隙空間
からのプラズマの希ガスイオンが前記電場によって前記
スパッタリング陰極を衝撃することにより前記元素材料
をスパッタし、プラズマの電子を前記直交電磁場によっ
てスパッタリング陰極面に沿って前記引き出し電極方向
へ並進マグネトロン運動させることにより、スパッタさ
れた元素材料をイオン化してこの１価の重イオンを含む
プラズマを前記引き出し電極方向へ輸送すべくなしてあ
ることを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】請求項１の発明による上記構成の多価重イオン
源では、まず、プラズマ生成部において、パルス的に行
われるアーク放電に同期してガス導入手段により希ガス
が導入されると、このとき低圧力（高真空）の真空チャ
ンバ内の放電空間は高圧力（低真空）状態となり、高密
度の希ガスプラズマが生成される。この希ガスプラズマ
が、アーク放電電極間の電場に直交する方向の磁場が印
加されているので、１価重イオン生成輸送部の平行平板
電極の間隙空間に、アーク電流に作用する電磁力によっ
て速やかに輸送される。また、このことにより、希ガス
プラズマの中性粒子との散乱による真空チャンバ壁面へ
の拡散消滅を最小限にすることが可能となる。

【００１１】１価重イオン生成輸送部では、その平行平
板電極間に直交電磁場が印加されているので、アーク放
電電極の間隙空間から導かれたプラズマの電子が、平行
平板電極を構成するスパッタリング陰極面に沿って多価
重イオン生成部の円筒状空洞の方向へ並進マグネトロン
運動する。プラズマ電子の並進マグネトロン運動により
、電子に拘束されている希ガスイオンも同方向へ移動し
はじめ、プラズマ塊自体が加速されることになる。

【００１２】このプラズマの移動に伴ってプラズマ中の
希ガスイオンが電場によってスパッタリング陰極に斜め
方向から入射してこれを衝撃し、目的とする重イオンの
元素材料がスパッタされる。希ガスイオンを用いている
ので、高いスパッタ率でもって上記元素材料がスパッタ
されることになる。スパッタされた元素材料が上記並進
マグネトロン運動する電子の衝突を受けて電離され、１
価の重イオンが生成される。生成され１価の重イオンを
含むプラズマが電子の並進マグネトロン運動によって加
速されて、大量の１価重イオンが速やかに円筒状空洞へ
輸送される。

【００１３】そして、多価重イオン生成部では、低圧力
に真空引きされ、マイクロ波が導入されてＴＥｎ１０　
モード（ｎは２以上の整数）で励振する円筒状空洞に、
その軸方向に磁場を印加し、上記マイクロ波の周波数ｆ
と軸上磁場の強さＢとの関係が、ＴＥｎ１０　モードに
おける２・ｎ重極高周波電場によるＥＣＲ条件：ｆ（　
ＧＨｚ）＝ｎ×２７．９９２×Ｂ（Ｔｅｓｌａ　）の関
係を満たすように設定されている。したがって、円筒状
空洞において、プラズマ電子は、円筒状空洞の軸（ビー
ム軸）方向の磁場と、円筒状空洞の軸方向に垂直に分布
する上記２・ｎ重極高周波電場とにより、ＥＣＲによっ
て電界エネルギーを吸収しながら半径がしだいに大きく
なるら旋軌道を描いて引き出し電極方向にサイクロトロ
ン運動する。これにより、電子は重イオン生成輸送空間
から導かれた１価重イオンに衝突してこれを電離させ、
次々と電子とともに多価重イオンが生成される。

【００１４】また、上記ＴＥｎ１０　モードでの高周波
電場（ｎ＝２では４重極電場、ｎがより大きい値になる
とカプス配位電場となる。）は、イオンに対して強い集
束力を生みイオンが円筒状空洞壁に近づきにくくするよ
うに作用するので、生成された多価重イオンの損失を少
なくすることができる。

【００１５】請求項２の発明による上記構成の１価重イ
オン源では、直交電磁場が印加された平行平板電極にお
いて、プラズマの電子が直交電磁場によってスパッタリ
ング陰極面に沿って引き出し電極方向へ並進マグネトロ
ン運動することにより、生成された１価の重イオンを含
むプラズマ塊自体が加速され引き出し電極に向かって速
やかに輸送される。これにより、引き出し電極に対して
１価重イオンが初速度をもつことになるので、引き出し
電極における空間電荷制限が緩和されて１価重イオンに
よる大きな電流を得ることが可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、実施例に基づいて本願発明を説明する
。 〔第１実施例〕図１は請求項１の発明の一実施例による
多価重イオン源の全体構成説明図、図２は図１に示す多
価重イオン源のプラズマ生成部の磁場発生装置の構成説
明図、図３は図１に示す多価重イオン源の１価重イオン
生成輸送部におけるプラズマ電子の並進マグネトロン運
動を説明するための図、図４は図１に示す多価重イオン
源の多価重イオン生成部におけるプラズマ電子のサイク
ロトロン運動を説明するための図である。

【００１７】図１において、１は所定圧力に真空引きさ
れる真空チャンバであり、この真空チャンバ１内には、
その中心軸（ビーム軸）に沿って、放電用陰極２ａとこ
れに対向する放電用陽極２ｂとにより構成される一対の
アーク放電電極２と、スパッタリング陰極３ａと対向す
る陽極３ｂとにより構成される一対の平行平板電極３と
が順次配設されている。さらに、真空チャンバ１内には
、アーク放電電極２間の電場に直交する図に示す方向の
磁場を発生する手段としての後述する筒状の第１の磁場
発生装置４がアーク放電電極２を取り囲むように配設さ
れるとともに、平行平板電極３間の電場に直交する図に
示す方向の磁場を発生する手段としての筒状の第２の磁
場発生装置５が平行平板電極３を取り囲むように配設さ
れている。１ａ及び１ｂは、真空チャンバ１の排気口で
ある。

【００１８】６は、図に示すように、パルス的（間欠的
）に開閉制御されるスイッチ７、アーク放電用直流電源
８及びカソードフィラメント用直流電源９とが順に直列
接続されたアーク電源装置である。上記アーク放電電極
２は、その陽極２ｂがスイッチ６ａを介してアーク放電
用直流電源８の正極端子に接続され、陰極２ａがアーク
放電用直流電源８の負極端子に接続されている。さらに
、この陰極２ａに取り付けられたカソードフィラメント
１０がカソードフィラメント用直流電源９の負極端子に
接続されている。

【００１９】放電用陰極２ａにはアーク放電電極２の間
隙空間に連通する口先を持つ絶縁が施されたガスノズル
１１が嵌め込まれており、このガスノズル１１は、希ガ
スのガス供給管１２に設けられてスイッチ７と同期して
開閉制御される高速開閉バルブ１３に接続されている。 この実施例では、ガス導入手段１４は高速開閉バルブ１
３とガスノズル１１により構成されている。真空チャン
バ１に配置されたアーク放電電極２，第１の磁場発生装
置４、アーク電源装置６及びガス導入手段１４は、プラ
ズマ生成部を構成している。

【００２０】上記スパッタリング陰極３ａと陽極３ｂと
によりなる平行平板電極３は、電場印加用直流電源１５
に接続されている。スパッタリング陰極３ａは、この実
施例では、Ｃｕ（銅）でなる電極本体の表面に、目的と
する重イオンの元素材料としてのＰｔ（白金）をコーテ
ィングしてなるものである。真空チャンバ１に配置され
た平行平板電極３、電場印加用直流電源１５及び第２の
磁場発生装置５は、１価重イオン生成輸送部を構成して
いる。

【００２１】そして、図に示すように、真空チャンバ１
のイオン引き出し側の位置には、小孔を介して平行平板
電極３の間隙空間に連通し他方側にイオン引き出し孔１
６ａを有し、所定圧力に真空引きされるとともに、マイ
クロ波が導入されてＴＥｎ１０　モード（ｎは２以上の
整数）で励振する銅製の円筒状空洞１６が、その中心軸
を真空チャンバ１のそれに一致させた状態で配設されて
いる。

【００２２】断面がほぼ円形の円筒状空洞１６の外周ま
わりには、円筒状空洞１６内に図に示す軸方向の磁場を
発生するソレノイドコイル１７が配置されており、さら
に、ソレノイドコイル１７と円筒状空洞１６とを覆うよ
うにして、磁束の一部が通過するヨーク１８が配置され
ている。この実施例では、ソレノイドコイル１７及びヨ
ーク１８は、円筒状空洞１６内にその軸方向の磁場を発
生する手段を構成している。

【００２３】１９はマイクロ波発生器であり、このマイ
クロ波発生器１９で発生したマイクロ波がマイクロ波導
入手段としての同軸ケーブル２０及びカプラー（結合器
）２１を伝搬して円筒状空洞１６に導入されるようにな
っている。 なお、この実施例では、円筒状空洞１６はＴＥ２１０　
モードで励振するようにその直径が約１２ｃｍにされて
おり、マイクロ波の周波数ｆ＝２．４５　ＧＨｚと軸上
磁場の強さＢとの関係が、ＴＥ２１０　モードにおける
４重極高周波電場による電子サイクロトロン共鳴条件を
満たすように、磁場強さＢの値は、約０．０４４　Ｔｅ
ｓｌａ　になるように設定されている。

【００２４】円筒状空洞１６、ソレノイドコイル１７、
ヨーク１８、マイクロ波を導入する同軸ケーブル２０及
びカプラー（結合器）２１は、多価重イオン生成部を構
成している。２２は円筒状空洞１３内を所定圧力に真空
引きするための排気口、２３は引き出し電極、２４はイ
オン引き出し用電源である。

【００２５】なお上記した第１の磁場発生装置４は、図
２に示すように、永久磁石４１ａ，４１ｂ同士、ヨーク
４２ａ，４２ｂ同士が対向するようにこれらを連結・一
体化して断面ほぼ４角形の筒状をなし、この対向配置さ
れた一方のヨーク４２ａの内周壁に永久磁石４３ａを固
着し、他方のヨーク４２ｂの内周壁に先の永久磁石４３
ａに対し異なる磁極を対向させた状態で永久磁石４３ｂ
を固着したものである。第１の磁場発生装置４は、一方
の永久磁石４３ｂから他方の永久磁石４３ａに向かう磁
力線の方向が、アーク放電用の両極２ａ，２ｂ間の電場
に直交する図に矢印で示す方向（図１においては、紙面
手前から紙面奥の方向）になるように、アーク放電電極
２に対して配置されている。

【００２６】上記第２の磁場発生装置５の構成は、上記
第１のそれと同構成であるから、その説明は省略する。 なお、第２の磁場発生装置５では、その磁場の強さは、
後述するプラズマ電子の並進マグネトロン運動を起こさ
せるように設定してある。

【００２７】上記のように構成される多価重イオン源の
動作を、図１、図３及び図４を参照しながら以下に説明
する。真空チャンバ１および円筒状空洞１６は、１０−
６Ｔｏｒｒ以下の低圧力に真空引きされている。まず、
プラズマ生成部において、スイッチ７がオン動作するこ
とにより、アーク放電電極２の両極２ａ，２ｂ間にアー
ク放電用直流電源８による直流電圧が印加されるととも
に、高速開閉バルブ１３がオン動作しアーク放電電極２
の間隙空間に、この実施例ではＸｅ（キセノン），Ｋｒ
（クリプトン）等の希ガスのうちＸｅガスが導入される
。これにより、この間隙空間は１０−３〜１０−２Ｔｏ
ｒｒ程度の高圧力（低真空）状態となり、アーク放電に
よってＸｅガスがプラズマ化され高密度のＸｅガスプラ
ズマが生成される。

【００２８】このＸｅガスプラズマが、アーク放電電極
２の両極２ａ，２ｂ間の電場に直交する図に示す方向の
磁場が第１の磁場発生装置４により印加されているので
、平行平板電極３の間隙空間に向けて、アーク電流に作
用する電磁力によってＸｅガスの拡散よりも速く速やか
に輸送される。また、このことにより、Ｘｅガスプラズ
マの中性粒子との散乱による真空チャンバ１壁面への拡
散消滅を最小限にすることが可能となる。

【００２９】１価重イオン生成輸送部においては、平行
平板電極３間に直流電源１５により１０〜　１００ｋＶ
の直流電圧を印加するとともに、この電場に直交する図
に示す方向の磁場が第２の磁場発生装置５により印加さ
れている。 その結果、アーク放電電極２の間隙空間から導かれたＸ
ｅガスプラズマが平行平板電極３の間隙空間に到達する
と、プラズマの電子は、上記の直交電磁場によってスパ
ッタリング陰極３ａ面に沿って多価重イオン生成部の円
筒状空洞１６の方向へ並進マグネトロン運動を始める。

【００３０】一般に、平行平板電極間の直交電磁場にお
いて、電子は、曲率一定の円弧を描いて陰極に戻り、反
発され再び同様の円弧を描くといういわゆるマグネトロ
ン運動をする。しかし、この場合、図３に示すように、
プラズマの黒丸印●で示す電子に拘束されている白丸印
○で示すＸｅイオンも全体として円筒状空洞１６方向へ
並進運動しなければならないから、電子は、図に示すよ
うに、はじめは縮んだ楕円状軌道を描き、イオン集団が
加速されるに従ってその軌跡がしだいに通常のマグネト
ロン運動軌跡に近づいていくことになる。このような、
プラズマの電子のマグネトロン運動により、プラズマ塊
が加速されることになる。

【００３１】このプラズマの移動に伴って、円筒状空洞
１６方向への速度成分を持つプラズマ中のＸｅイオンは
、電場によってスパッタリング陰極３ａに斜め方向から
入射してこれを衝撃し、図３において二重丸印◎で示す
Ｐｔ原子がスパッタされ、これと入れ替わることになる
。この場合、希ガスイオンであるＸｅイオンを用いてい
るので、高いスパッタ率でもってＰｔ原子をスパッタし
得る。

【００３２】このスパッタされたＰｔ原子が上記並進マ
グネトロン運動する電子の衝突を受けて電離され、１価
のＰｔイオンがプラズマ中にトラップ（捕捉）される。 そして、生成した１価のＰｔイオンを含むプラズマ塊自
体が電子の並進マグネトロン運動により加速されるので
、大量の１価Ｐｔイオンが円筒状空洞１６内へ速やかに
運び込まれる。

【００３３】そして、導入されたマイクロ波が閉じ込め
られてＴＥ２１０　モードで励振している円筒状空洞１
６では、プラズマ電子ｅは、図１及び図４に示すように
、ソレノイドコイル１７により印加される円筒状空洞１
６の軸（ビーム軸）方向の磁場と、円筒状空洞１６の軸
方向に垂直に（垂直な面内に）分布する４重極高周波電
場Ｅとにより、ＥＣＲによって電界エネルギーを吸収し
ながら半径がしだいに大きくなるら旋軌道を描いて引き
出し電極２３方向にサイクロトロン運動する。

【００３４】サイクロトロン運動する電子ｅは平行平板
電極３の間隙空間から導かれた１価のＰｔイオンに衝突
してこれを電離させ、次々と電子とともに多価Ｐｔイオ
ンが生成される。この多価Ｐｔイオンがイオンビームと
して引き出し電極２３によって引き出される。この場合
、上記ＴＥ２１０　モードでの４重極高周波電場Ｅがイ
オンに対して強い集束力を生みイオンが円筒状空洞１６
壁に近づきにくくするように作用するので、生成された
多価Ｐｔイオンの損失をも少なくすることができる。

【００３５】上記のように、アーク放電により生成され
た希ガスプラズマであるＸｅガスプラズマが電磁力によ
って平行平板電極３の間隙空間に速やかに輸送され、直
交電磁場が印加された平行平板電極３において、希ガス
イオンであるＸｅイオンが電場によってスパッタリング
陰極３ａを衝撃することにより目的とする重イオンの元
素材料としてのＰｔ原子が高スパッタ率でもってスパッ
タされ、プラズマの電子が直交電磁場によってスパッタ
リング陰極３ａ面に沿って並進マグネトロン運動するこ
とにより、生成された１価のＰｔイオンを含むプラズマ
塊自体が加速されて大量の１価Ｐｔイオンが円筒状空洞
１６へ速やかに輸送される。そして、軸方向磁場が印加
されるとともにマイクロ波が導入されてＴＥ２１０　モ
ードで励振する円筒状空洞１６において、プラズマの電
子が軸方向の磁場と４重極高周波電場とによりＥＣＲに
よる電界エネルギーを吸収しながらサイクロトロン運動
することにより、１価Ｐｔイオンが電離され多価Ｐｔイ
オンが効率的に生成されて、多価Ｐｔイオンによる大き
な電流（イオン電流）を得ることができる。

【００３６】〔第２実施例〕図５は請求項２の発明の一
実施例による１価重イオン源の構成説明図である。図５
においては、図１と同一構成部分は同一符号で示してい
る。図５に示すように、真空チャンバ１のイオン引き出
し側の位置に、図に示すように、イオン引き出し用電源
３４に接続された引き出し電極３３が設けられている。 他の構成は上述した図１と同様である。

【００３７】上記構成の１価重イオン源では、直交電磁
場が印加された平行平板電極３において、プラズマの電
子が直交電磁場によってスパッタリング陰極３ａ面に沿
って引き出し電極３３方向へ並進マグネトロン運動する
ことにより、生成された１価の重イオンである１価Ｐｔ
イオンを含むプラズマ塊自体が加速され引き出し電極３
３に向かって速やかに輸送される。これにより、引き出
し電極３３に対して１価Ｐｔイオンが初速度をもつこと
になるので、引き出し電極３３における空間電荷制限が
緩和されて１価Ｐｔイオンによる大きな電流を得ること
ができる。

【００３８】なお、スパッタリング陰極３ａとしては、
上記第１及び第２実施例では、Ｃｕでなる電極本体の表
面に、目的とする重イオンの元素材料としてのＰｔをコ
ーティングして形成したものを例示したが、当然ながら
、全体を目的とする重イオンの元素材料、例えば高融点
の重金属のひとつであるタングステンで形成するように
してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１の発明によ
る多価重イオン源では、パルス的に行われるアーク放電
電極のアーク放電に同期してガス導入手段によって希ガ
スが導入され、瞬間的な高圧力（低真空）状態で希ガス
のプラズマ化が行われるので、高密度の希ガスプラズマ
を生成することができる。この生成された希ガスプラズ
マが磁場発生手段による電磁力によって平行平板電極の
間隙空間に速やかに輸送されるので、希ガスプラズマの
真空チャンバ壁面への拡散消滅を極めて少なくすること
ができる。そして、スパッタリング陰極を有する直交電
磁場が印加された平行平板電極を設けてあるので、希ガ
スイオンが電場によってスパッタリング陰極を衝撃する
ことにより、目的とする重イオンの元素材料を高スパッ
タ率でもってスパッタすることができる。また、プラズ
マの電子が直交電磁場によってスパッタリング陰極面に
沿って並進マグネトロン運動することにより、生成され
た１価の重イオンを含むプラズマ塊自体が加速され、大
量の１価重イオンを円筒状空洞へ速やかに輸送すること
ができる。この円筒状空洞は軸方向の磁場が印加される
とともにマイクロ波が導入されてＴＥｎ１０　モード（
ｎは２以上の整数）で励振するようにされているので、
プラズマの電子が軸方向の磁場と２・ｎ重極高周波電場
とによりＥＣＲによる電界エネルギーを吸収しながらサ
イクロトロン運動することにより、１価重イオンが電離
されて多価重イオンを効率的に生成することができる。 したがって、この多価重イオン源によれば、多価重イオ
ンによる大電流を得ることができる。

【００４０】請求項２の発明による１価重イオンによれ
ば、直交電磁場が印加された平行平板電極においてプラ
ズマの電子が直交電磁場によってスパッタリング陰極面
に沿って引き出し電極方向へ並進マグネトロン運動する
ことにより、生成された１価の重イオンを含むプラズマ
塊自体が加速され引き出し電極に向かって速やかに輸送
されるので、引き出し電極に対して１価重イオンが初速
度をもつことになり、引き出し電極における空間電荷制
限が緩和されて１価重イオンによる大電流を得ることが
できる。すなわち、本願発明によれば、大電流が得られ
る多価重イオン源および１価重イオン源を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明の一実施例による多価重イオン
源の全体構成説明図である。

【図２】図１に示す多価重イオン源のプラズマ生成部の
磁場発生装置の構成説明図である。

【図３】図１に示す多価重イオン源の１価重イオン生成
輸送部におけるプラズマ電子の並進マグネトロン運動を
説明するための図である。

【図４】図１に示す多価重イオン源の多価重イオン生成
部におけるプラズマ電子のサイクロトロン運動を説明す
るための図である。

【図５】請求項２の発明の一実施例による１価重イオン
源の構成説明図である。

【図６】従来の多価イオン源の構成説明図である。

【符号の説明】

１…真空チャンバ　　１ａ，１ｂ…排気口　　２…アー
ク放電電極　　２ａ…放電用陰極 ２ｂ…放電用陽極　　３…平行平板電極　　３ａ…スパ
ッタリング陰極　　３ｂ…陽極 ４…第１の磁場発生装置　　４１ａ，４１ｂ，４３ａ，
４３ｂ…永久磁石 ４２ａ，４２ｂ…ヨーク　　５…第２の磁場発生装置　
　６…アーク電源装置 ７…スイッチ　　８…アーク放電用直流電源　　１０…
カソードフィラメント １１…ガスノズル　　１２…ガス供給管　　１３…高速
開閉バルブ　　１４…ガス導入手段 １５…電場印加用直流電源　　１６…円筒状空洞　　１
７…ソレノイドコイル １８…ヨーク　　１９…マイクロ波発生器　　２０…同
軸ケーブル　　２１…カプラー ２２…排気口　　２３，３３…引き出し電極　　２４，
３４…イオン引き出し用電源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定圧力に真空引きされる真空チャン
   バ内においてアーク放電により希ガスをプラズマ化する
   プラズマ生成部と、前記真空チャンバ内に直流電圧が印
   加される平行平板電極を有し、前記プラズマ中の希ガス
   イオンによるスパッタリングに基づいて目的とする重イ
   オンを１価の形で生成し輸送する１価重イオン生成輸送
   部と、所定圧力に真空引きされ、かつ前記平行平板電極
   の間隙空間に連通する円筒状空洞を有し、前記１価重イ
   オンを電離して多価重イオンを生成させる多価重イオン
   生成部と、前記多価重イオンを引き出すための引き出し
   電極とを備えた多価重イオン源であって、前記プラズマ
   生成部は、陰極とこれに対向配置された陽極を有しパル
   ス的にアーク放電を行うアーク放電電極と、このアーク
   放電電極の間隙空間にアーク放電に同期して希ガスを導
   入するガス導入手段と、アーク放電電極間の電場に直交
   する方向の磁場を発生する手段とを有し、アーク放電に
   より生成された希ガスプラズマを電磁力により前記平行
   平板電極間隙空間に輸送すべくなしてあり、前記１価重
   イオン生成輸送部は、前記平行平板電極が、少なくとも
   その表面が目的とする重イオンの元素材料で形成された
   スパッタリング陰極とこれに対向配置された陽極とによ
   り構成されており、この平行平板電極間の電場に直交す
   る方向の磁場を発生する手段を有し、前記アーク放電電
   極間隙空間からのプラズマの希ガスイオンが前記電場に
   よって前記スパッタリング陰極を衝撃することにより前
   記元素材料をスパッタし、プラズマの電子を前記直交電
   磁場によってスパッタリング陰極面に沿って前記円筒状
   空洞方向へ並進マグネトロン運動させることにより、ス
   パッタされた元素材料をイオン化してこの１価の重イオ
   ンを含むプラズマを前記円筒状空洞へ輸送すべくなして
   あり、前記多価重イオン生成部は、前記円筒状空洞内に
   軸方向の磁場を発生する手段と、前記円筒状空洞にマイ
   クロ波を導入するマイクロ波導入手段とを有し、円筒状
   空洞がＴＥｎ１０　モード（ｎは２以上の整数）で励振
   するようにその形状寸法が定められており、前記マイク
   ロ波の周波数と軸上磁場の強さとの関係が、前記ＴＥｎ
   １０　モードにおける２・ｎ重極高周波電場による電子
   サイクロトロン共鳴条件を満たすように設定されており
   、前記軸方向磁場と２・ｎ重極高周波電場とによって前
   記引き出し電極方向にプラズマの電子をサイクロトロン
   運動させることにより、１価重イオンを電離して多価重
   イオンを生成すべくなしてあることを特徴とする多価重
   イオン源。
2. 【請求項２】　　所定圧力に真空引きされる真空チャン
   バ内においてアーク放電により希ガスをプラズマ化する
   プラズマ生成部と、前記真空チャンバ内に直流電圧が印
   加される平行平板電極を有し、前記プラズマ中の希ガス
   イオンによるスパッタリングに基づいて目的とする１価
   の重イオンを生成し輸送する１価重イオン生成輸送部と
   、前記１価重イオンを引き出すための引き出し電極とを
   備えた１価重イオン源であって、前記プラズマ生成部は
   、陰極とこれに対向配置された陽極を有しパルス的にア
   ーク放電を行うアーク放電電極と、このアーク放電電極
   の間隙空間にアーク放電に同期して希ガスを導入するガ
   ス導入手段と、アーク放電電極間の電場に直交する方向
   の磁場を発生する手段とを有し、アーク放電により生成
   された希ガスプラズマを電磁力により前記平行平板電極
   の間隙空間に輸送すべくなしてあり、前記１価重イオン
   生成輸送部は、前記平行平板電極が、少なくともその表
   面が目的とする重イオンの元素材料で形成されたスパッ
   タリング陰極とこれに対向配置された陽極とにより構成
   されており、この平行平板電極間の電場に直交する方向
   の磁場を発生する手段を有し、前記アーク放電電極間隙
   空間からのプラズマの希ガスイオンが前記電場によって
   前記スパッタリング陰極を衝撃することにより前記元素
   材料をスパッタし、プラズマの電子を前記直交電磁場に
   よってスパッタリング陰極面に沿って前記引き出し電極
   方向へ並進マグネトロン運動させることにより、スパッ
   タされた元素材料をイオン化してこの１価の重イオンを
   含むプラズマを前記引き出し電極方向へ輸送すべくなし
   てあることを特徴とする１価重イオン源。