JPH05314917A

JPH05314917A - マイクロ波放電型イオンビーム装置

Info

Publication number: JPH05314917A
Application number: JP4114719A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Nagayama; 貴久永山; Fumiharu Yabunaka; 文春藪中; Kazuhiko Noguchi; 和彦野口; Eishin Murakami; 英信村上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-05-07
Filing date: 1992-05-07
Publication date: 1993-11-26

Abstract

(57)【要約】【目的】ＥＣＲ共鳴磁界のスリット長手方向の一様性
を高め、質のよいイオンビームが得られるマイクロ波放
電型イオンビーム装置を得る。【構成】プラズマ室４に到達したマイクロ波１は、楕
円形のコイル１２によって発生した磁界と共に、原料ガ
スに作用してプラズマ１３を発生する。このプラズマ１
３は引出しスリット８とサプレッサー電極９間の電圧に
よってイオンビーム１０として引出される。楕円形コイ
ル１２によって発生する磁界は、引出しスリット８の長
手方向に一様となり、プラズマ密度を一様にしてイオン
ビーム１０の電流値を一様にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、イオンビームを発生
し、このイオンビームを利用して例えば不純物のドーピ
ング、材料合成、表層改質、あるいは新材料開発などに
使用されるマイクロ波放電型イオンビーム装置の改良に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えば文献；イオン源工学、アイ
オニクス株式会社（昭和６１年５月３１日）発行、石川
順三著に開示されたマイクロ波放電型イオンビーム装置
の構成を示す図である。同図において、１は図示せざる
マイクロ波発振器から出力されたマイクロ波、２はマイ
クロ波１を伝達するための方形導波管、３は方形導波管
２の出口部に配置された真空止め用誘電体、４はマイク
ロ波１を導入して原料ガスをイオン化するプラズマ室、
５はプラズマ室４に原料ガスを導入するためのガス導入
口、６はプラズマ室４の外周囲に設けられ、プラズマ室
４にイオンビームの引出し方向に平行な磁界を印加する
ための円形のコイルである。

【０００３】７はプラズマ室４のマイクロ波入射側に設
置され、プラズマ室４に効率良く磁界を印加するための
鉄リッジ、８はプラズマ室４のプラズマからイオンを引
出すための引出しスリット、９は引出しスリット８と所
定の間隔を置いて後方に設置されたサプレッサー電極、
１０はイオンビーム、１１はサプレッサー電極９の後方
に配置された接地電極である。

【０００４】次に、図８を参照して動作について説明す
る。方形導波管２を介し、真空止め用誘電体３を通って
プラズマ室４に到達したマイクロ波１は、円形のコイル
６によって発生された磁界と共にガス導入口５を介して
プラズマ室４に導入された原料ガスに作用し、原料ガス
を電離してプラズマを発生する。この際、最も効率的な
電離が行われるのは、印加される磁界強度がＥＣＲ共鳴
条件を満たす場合である。

【０００５】これは、最もよく用いられるマイクロ波の
周波数である２．４５GHz においては８７５Gauss であ
る。

【０００６】図８に示した装置においては、共鳴条件を
満たす磁界強度を小型のコイル６で得るために、プラズ
マ室４のマイクロ波入射側に鉄リッジ７を設置し、プラ
ズマ室４に効率よく磁界を印加してプラズマの生成を行
なっている。この装置では、上記のように生成されたプ
ラズマから、イオンが引出しスリット８を介して、引出
しスリット８とサプレッサー電極９との間に印加された
電位差（引出し電圧）によって引出され、イオンビーム
１０となる。

【０００７】ところで、イオンビーム１０の出射角ωは
プラズマ密度ｎ_iと引出し電圧Ｖ、及び引出しスリット
８とサプレッサー電極９間のギャップｄによってほぼ決
定され、次の値をとる。なお、ａは引出しスリット８の
短軸方向の半幅、Ｉは引出しスリット８から単位長当り
引き出されるイオン電流、Ｚはイオンの価数、Ｍはイオ
ンの質量数である。

【０００８】

【数１】

【数２】

【数３】

【０００９】引出しスリット８の長手方向に出射角のそ
ろった一様なイオンビーム１０を得るためには、例えば
電極群に構造的な軸の不整合がある場合、サプレッサー
電極９の発散レンズ効果により、イオンビームが静電的
に偏向されることやイオンビーム１０の発散角ωがギャ
ップｄに依存するために、引出しスリット８とサプレッ
サー電極９を精度良く構成する必要がある。更に、イオ
ン電流Ｉがプラズマ密度ｎ_iに比例するために、引出し
スリット８近辺のプラズマ密度を均一にする必要があ
る。

【００１０】一方、プラズマ密度は通常、ＥＣＲ共鳴条
件を満たす磁界強度を持つ領域では、それ以外の領域と
比較して、非常に大きい値をとる。従って、引出しスリ
ット８近辺のプラズマ密度を均一にするために、引出し
スリット８近辺の磁界強度を均一にすることが重要であ
る。しかし、無限に長いコイルでは内部の磁界強度は均
一になるが、有限の長さのコイルでは、図７に示すよう
になる。その磁界強度は、中央部の円形の弱磁場の点点
領域ではほぼ均一になるが、その外側の強磁場の一点鎖
線領域では周辺に行くにしたがって強くなる。そして、
引出しスリット８近辺はそれらの両領域にまたがるため
に、その近辺の磁界強度をほぼ均一にすることができな
い。このため、多段のコイルを設け、実効的にコイル長
を長くして磁界を均一化したり、図８に示されるように
鉄リッジ７を使った磁束の収束、均一化が図られてい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のマイクロ波放電
型イオンビーム装置は以上のように構成されているの
で、プラズマ室４の周辺に鉄リッジ７を置く場合には、
飽和磁束密度が高温になると急速に低下し、十分な磁界
強度が保てなくなるために、その温度を比較的低温に保
つ必要があった。

【００１２】このため、高密度のプラズマを生成するた
めにプラズマ室４を高温に保つ必要のあるマイクロ波放
電型イオンビーム装置（イオン化物質が常温で気体では
ないものの、イオンビームを引き出すイオン源等）への
鉄リッジの適用は難しいという問題点があった。

【００１３】一方、鉄リッジを用いない場合には、磁界
を均一化するために比較的長いコイル（もしくは複数の
コイル）を用いる必要があり、装置が大型化する問題点
があった。また、コンパクト化を図るために、磁束を収
束させて、コイルの巻数を減らすためには、鉄皮を円形
コイルの周辺に巻いて使うことが望ましい。しかし、鉄
皮を用いると中心部と周辺部との磁界強度の差が大きく
なるため、引出しスリット近辺の磁界をほぼ均一にでき
ず、鉄皮を用いる事ができないなどの問題点があった。

【００１４】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、高温動作にも耐えられるように
プラズマ室周辺に鉄片を用いることなく、小型の磁界生
成手段を用いて引出しスリット近辺の磁界をほぼ均一に
して、より質のよいイオンビームが得られるマイクロ波
放電型イオンビーム装置を得ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明のマイクロ波放
電型イオンビーム装置は、該装置において、プラズマ室
に磁界を印加する磁界生成手段として、コイルの径を、
矩形の開口の長軸方向に比べ、短軸方向を短くしたもの
である。

【００１６】また、コイルもしくは永久磁石によって発
生した磁束を強磁性体を用いて相対する異なった極性の
磁極に収束するようにしたものである。

【００１７】また、磁極間のギャップを、矩形の開口の
長軸方向での磁界分布がほぼ均一になるように、不均一
にしたものである。

【００１８】

【作用】この発明におけるマイクロ波放電型イオンビー
ム装置は、磁界を生成するコイルの径を矩形のスリット
の長軸方向に比べ、短軸方向を短く形成しているので、
コイル長が短いコイルで、中心と周辺部の磁界強度が異
なるようなコイルにおいても、スリット長軸方向の磁界
の均一性を保つことが出来、これによりスリット近辺の
プラズマ密度を一様に出来るので均一な電流値のイオン
ビームを引出せる。

【００１９】また、ＥＣＲ共鳴に必要な磁界を、矩形ス
リットの長軸方向に平行に配置された磁極からの漏れ磁
界を用いて得ているので、長軸方向の磁界の一様性を損
なうことなく、コイル単体の場合と比較して磁界が磁極
に収束されるために、コイルもしくは永久磁石が小さく
て済む。

【００２０】また、磁極を無限に長くとれないことから
生ずる磁界強度の変化を、磁極間のギャップを変化させ
ることにより吸収し、長軸方向により均一な磁界を生成
する。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
るが、図中同一又は相当部分には同一符号を付してあ
る。また、以下の説明で座標を用いる場合には、矩形の
引出しスリット８の中心を原点とし、その長軸方向をＹ
軸、その短軸方向をＸ軸、ビーム引出し方向をＺ軸とす
る。

【００２２】実施例１．図１（ａ）はマイクロ波放電型
イオンビーム装置のＹＺ断面を示し、図１（ｂ）は同じ
くＸＹ断面を示している。図１において、符号１〜５、
８〜１１の構成要素は、従来のものと同様の機能をもつ
もので、従来の技術の欄で説明済みなので、その説明は
省略する。１２は、楕円形状に厚さＬ₃に巻回され、片
側横断面が矩形のコイル、１３はプラズマ室４に発生し
たプラズマである。

【００２３】コイル１２は、プラズマ室４の外周囲に配
置され、その楕円形の孔の中心軸上が引出しスリット８
の中心に合わせられ、その孔の短軸（半径Ｌ₁）方向が
引出しスリット８の短軸方向に合わせられ、その長軸
（半径Ｌ₂）が引出しスリット８の長軸方向に合わせら
れている。即ち、コイル１２の径を、引出しスリット８
の長軸方向に比べ、短軸方向を短く（Ｌ₂＞Ｌ₁）した
ものである。

【００２４】次に図１を主に参照して実施例１の動作つ
いて説明する。方形導波管２を介し、真空止め用誘電体
３を通ってプラズマ室４に到達したマイクロ波１は、楕
円形のコイル１２によって発生された磁界と共に、ガス
導入口５を介してプラズマ室４に導入された原料ガスに
作用し、原料ガスを電離してプラズマ１３を発生する。
このように生成されたプラズマ１３から、イオンが引出
しスリット８とサプレッサー電極９との間に印加された
電位差（引出し電圧）によってプラズマ室４の後方部に
設けられた引出しスリット８を介して引き出され、イオ
ンビーム１０となる。

【００２５】この際、従来例でも述べたように、引出し
スリット８の長軸方向の発散角のそろったイオンビーム
１０を得るためには、引出しスリット８近辺の磁界強度
をほぼ均一にすることが重要である。そこで、楕円形状
のコイル１２を用いると、図２（ａ）にその磁界分布曲
線、図２（ｂ）に磁場領域をそれぞれ示すように、引出
しスリット８の長軸方向に長いほぼ均一な磁界の領域
（図２（ｂ）の点点の楕円領域）を形成出来るため、引
出しスリット８の近辺がこの領域内に収まり、ビームの
引出し方向に平行なその磁界の均一性が増す。なお、点
点の領域の外側の一点鎖線の領域は周辺にいくに従って
磁界が強くなる強磁場の領域である。

【００２６】実施例２．図３（ａ）は本実施例によるマ
イクロ波放電型イオンビーム装置の要部のＹＺ断面を示
し、図３（ｂ）はそのＸＹ断面を示している。図３にお
いて、１４は楕円形のコイル１２の表面を覆う鉄皮であ
り、引出しスリット８に対応するコイル１２の内周面全
周に渡ってコイル１２の表面が露出されてギャップが形
成されている。このギャップはビーム引出し方向（Ｚ軸
方向）に一定の幅を有している。１５はこのギャップ両
側の鉄皮１４の磁極であり、コイル１２の通電によって
相対する異なった極性となる。その他の構成は実施例１
と同様なので、その説明は省略する。

【００２７】引出しスリット８の長軸方向に長い楕円形
状のコイル１２を用いることにより、相対する２つの磁
極１５からの漏れ磁界を用いた磁界構成をとっても、引
出しスリット８の長軸方向の磁場強度が大きく変化する
ことはなく、引出しスリット８近辺の磁界がほぼ均一に
なる。これは、楕円形のコイル１２を用いると鉄皮１４
の相対する磁極１５も楕円形となるために、コイル１２
の通電により互いに相異なる極性に励磁された相対する
磁極１５からの漏れ磁界は、引出しスリット８の長軸方
向に長いほぼ均一な磁界となり、ビーム引出し方向にお
いて引出しスリット８の近辺でほぼ均一となるからであ
る。

【００２８】また、コイル１２の周囲に鉄皮１４を配置
することで、コイル１２の通電により発生した磁束を鉄
皮１４が収束し、強い磁界を形成出来る。このため、必
要な共鳴磁界を得られるコイル１２のアンペアターン
（コイル電流×巻数）が小さくて済み、コイル１２をコ
ンパクトに製作することが可能になる。

【００２９】実施例３．図４（ａ）は本実施例によるマ
イクロ波放電型イオンビーム装置の要部のＹＺ断面を示
し、図４（ｂ）はそのＸＹ断面を示している。図４にお
いて、１６は図３に示す磁極１５の代りとしてギャップ
幅即ち磁極間の距離が異なる磁極であり、その他の構成
は実施例２と同様である。

【００３０】楕円形のコイル１２においては、引出しス
リット８の中央部よりもその長軸方向端部の方の磁界が
若干強くなる。また、磁極からの漏れ磁界は、一般的な
使用条件では、磁極間の距離が長いほど漏れ磁界が弱く
なる。このため、長軸方向の磁界の変化を打ち消すよう
に磁極１６の間隔を長軸方向に対してコイル１２の端に
向かうに従って広げれば、長軸方向に長いほぼ均一な磁
界が形成され、引出しスリット８近辺の磁界がより一層
均一になる。

【００３１】実施例４．図５（ａ）は本実施例によるマ
イクロ波放電型イオンビーム装置の要部のＹＺ断面を示
し、図５（ｂ）はそのＸＹ断面を示している。図５にお
いて、１７は、図３に示す磁極１５の代りとして用いら
れ、相対するギャップ間隔は同じだが、引出しスリット
８の中央部に近づくに従って引出しスリット８との距離
が短かくされた相対するひょうたん形の磁極である。

【００３２】磁極１７と引出しスリット８との距離を変
化させることによって磁極１７からの漏れ磁界の強度を
変化させ、引出しスリット８の中央部にいくに従って磁
極１７からの漏れ磁界の強度を高めて、引出しスリット
８の端部の磁界強度とのバランスを取っている。これに
より、引出しスリット８近辺の磁界はほぼ均一なものと
なる。

【００３３】実施例５．図６は本実施例によるマイクロ
波放電型イオンビーム装置の要部の構成を示す斜視図で
ある。図６において、１８はプラズマ室４の左右両側に
一対にして設けられた永久磁石、１９は永久磁石１８の
前後の側面を覆うように永久磁石１８毎に一対にして設
けられたＬ字形の磁極片であり、互いに近づくように対
向して配置されたその端部間で引出しスリット８に対応
してギャップを形成している。

【００３４】本実施例は、磁極片１９によりギャップに
生成する漏れ磁界を永久磁石１８で生成した例である。
その漏れ磁界により引出しスリット８近辺の磁界はビー
ムの引出し方向に平行なほぼ均一なものとなる。これ
は、引出しスリット８の長軸方向に対して左右対称形に
磁界生成手段が構成され、楕円形のコイルに比べ引出し
スリット８の長軸方向に磁極片１９が存在しないためで
ある。また、長軸方向にプラズマ室４周辺の障害物が無
いため、イオンビーム装置の動作に必要な装置部分をこ
の部分に設置でき、設計の自由度が増す。

【００３５】ところで、図６に示す装置を変形して、更
に磁界の均一性を高めたい場合には、以下のように実施
すれば良い。磁極片１９のこの様な配置では上下の端部
の方の漏れ磁界が弱くなるので、図４とは逆に、上下端
部での磁極片１９間のギャップ幅を中央部と比較して小
さくなるように構成すればよい。

【００３６】また、図５のように磁極と引出しスリット
との距離を変化させることによって磁界強度を均一化す
る場合には、図５の場合とは逆に、引出しスリット８の
中央部と磁極片１９の磁極との距離が端部に比べて長く
なるように構成すればよい。

【００３７】また、上記実施例では、磁界の生成手段と
してコイルもしくは永久磁石のどちらか一方を用いて説
明したが、どちらを用いても上記実施例と同様の効果が
得られることは勿論言うまでもない。

【００３８】また、実施例１以外の実施例において、要
部以外の装置構成、動作についての説明は省略したが、
実施例１と同様である事は勿論言うまでもない。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば磁界を
生成するコイルの径を矩形の開口の長軸方向に比べ、短
軸方向を短くしたことにより、磁界を矩形の開口を有す
る引出し電極の長軸方向にほぼ均一に出来、質のよいイ
オンビームの引出しを行える効果がある。

【００４０】また、相対する異なった磁極の強磁性体の
磁極からの漏れ磁界を用いたことにより、コンパクトな
構造でＥＣＲ共鳴に必要な磁界をほぼ均一に生成できる
効果がある。

【００４１】また、磁極間ギャップを不均一に構成する
ことにより、より均一な磁界を生成でき、より質のよい
イオンビームを得ることが出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるマイクロ波放電型イ
オンビーム装置の構成を示す断面図である。

【図２】上記実施例１により発生する磁界を説明するた
めの図である。

【図３】この発明の実施例２による装置の要部の構成を
示す断面図である。

【図４】この発明の実施例３による装置の要部の構成を
示す断面図である。

【図５】この発明の実施例４による装置の要部の構成を
示す断面図である。

【図６】この発明の実施例５による装置の要部の構成を
示す斜視図である。

【図７】従来装置による磁界を説明するための図であ
る。

【図８】従来装置の構成を示す一部破断斜視図である。

【符号の説明】

１マイクロ波２方形導波管３真空止め用誘電体４プラズマ室５ガス導入口８引出しスリット（矩形の開口）９サプレッサー電極１０イオンビーム１２コイル１３プラズマ１４鉄皮１５，１６，１７磁極１８永久磁石１９磁極片

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１０月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】

【数１】

【数２】

【数３】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】また、コイルもしくは永久磁石によって発
生した磁束を強磁性体を用いて相対する異なった極性の
磁極に収束させ、この磁極間のもれ磁界をプラズマ室に
印加するように構成したものである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３７】また、上記実施例では、磁界の生成手段と
してコイルもしくは永久磁石のどちらか一方を用いて説
明したが、どちらを用いても上記実施例と同様の効果が
得られることは勿論言うまでもない。また、上記実施例
では、マイクロ波のプラズマ室への投入手段として、矩
形導波管を用いたタイプのマイクロ波イオン源について
説明したが、アンテナを用いてマイクロ波を投入するマ
イクロ波イオン源に対しても同様の効果が得られること
は勿論言うまでもない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村上英信兵庫県尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社生産技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波を発生して伝達するマイクロ
波生成手段と、このマイクロ波を入射して原料ガスをイ
オン化するプラズマ室と、イオンビームの引出し方向に
平行な磁界を上記プラズマ室に印加する磁界生成手段
と、上記プラズマ室に設けられ、プラズマからイオンを
引出すための矩形の開口を有するマイクロ波放電型イオ
ンビーム装置において、上記磁界生成手段として、磁界
を生成するコイルの径を、上記矩形の開口の長軸方向に
比べ、短軸方向に短くした事を特徴とするマイクロ波放
電型イオンビーム装置。
【請求項２】マイクロ波を発生して伝達するマイクロ
波生成手段と、このマイクロ波を入射して原料ガスをイ
オン化するプラズマ室と、イオンビームの引出し方向に
平行な磁界を上記プラズマ室に印加する磁界生成手段
と、上記プラズマ室に設けられ、プラズマからイオンを
引出すための矩形の開口を有するマイクロ波放電型イオ
ンビーム装置において、上記磁界生成手段として、相対
する異なった極性の強磁性体の磁極を有し、この磁極か
らの漏れ磁界を用いた事を特徴とするマイクロ波放電型
イオンビーム装置。
【請求項３】上記相対する磁極間のギャップを不均一
にした事を特徴とする請求項２記載のマイクロ波放電型
イオンビーム装置。