JPH05325810A - 高周波イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ室内に、ガスの種類に依存せずに均
一なかつ高密度のプラズマを作り、それによってガスの
種類に依存しない一様なかつ高電流密度のイオンビーム
を発生させることができるようにした高周波イオン源を
提供する。 【構成】 引出し電極系１２内の最プラズマ側のプラズ
マ電極１４と、それに向かい合う面であってプラズマ室
４の一部を構成する背面部４ｃと、プラズマ室４の側壁
４ａとを同電位とした。プラズマ室４の奥の部分にその
側壁４ａに沿って環状に、プラズマ室４に対して凹構造
の放電室３４を設けた。プラズマ電極１４とプラズマ室
４の背面部４ｃ間の距離Ｌを側壁４ａの深さＭに比べて
同等かまたは小さくした。そして、放電室３４を構成す
る容器３４ａとプラズマ室４の側壁４ａ等との間に高周
波電源２４から高周波電力を供給して、放電室３４にお
いて高周波放電を生じさせてプラズマ１０を発生させる
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばイオン注入装
置等に用いられるものであって、高周波（この明細書に
おいてはマイクロ波を含む）放電によってプラズマを発
生させ、このプラズマからイオンビームを引き出す高周
波イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の高周波イオン源の従来例を図２
に示す。この高周波イオン源は、高周波放電によってプ
ラズマ１０を発生させかつ保持するためのプラズマ室４
と、このプラズマ室４内のプラズマ１０から電界の作用
でイオンビーム２２を引き出すための引出し電極系１２
とを備えている。

【０００３】プラズマ室４は、側壁４ａ、それと絶縁物
６によって高周波的に絶縁されたフランジ４ｂおよび引
出し電極系１２の後述するプラズマ電極１４等によって
構成されており、側壁４ａとプラズマ電極１４とは同電
位にされている。

【０００４】プラズマ１０を発生させるには、プラズマ
室４を引出し電極系１２を介して真空排気しながら、プ
ラズマ室４にイオン化させるためのガス８を導入し、フ
ランジ４ｂを高周波電極としてそれと側壁４ａ間に高周
波電源２４から整合回路２６を介して高周波電力を供給
すると、フランジ４ｂと側壁４ａ間で高周波放電が起こ
りそれによってガス８が分解されてプラズマ１０が発生
する。プラズマ室４で発生したプラズマ１０中のイオン
は、高電圧を印加した引出し電極系１２によってイオン
ビーム２２として引き出される。この引出し電極系１２
は、イオンに付与するエネルギーが５０ｋｅＶ程度以下
の場合は、通常は図に示すように３枚の電極１４〜１６
で構成される。エネルギーが５０ｋｅＶ程度以上の場合
は、電極１４と１５との間に、高電圧が印加される電極
を更に設けて４枚構成にする場合もある。

【０００５】各電極１４〜１６は、多数のイオン引出し
孔１４ａ〜１６ａをそれぞれ有しており、これらの電極
は例えばプラズマ電極、抑制電極および接地電極とそれ
ぞれ呼ばれる。最もプラズマ１０側のプラズマ電極１４
には、イオンビーム２２の引き出しのための高電圧が加
速電源２８から印加される。抑制電極１５には、下流側
から電子が逆流するのを抑制するための負電圧が抑制電
源３０から印加される。接地電極１６は接地される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような高周波イ
オン源２においてプラズマ１０を発生させる場合、プラ
ズマ室４のガス圧は通常は１０^-4Ｔｏｒｒ台から１０^-3
Ｔｏｒｒ台である。このガス圧は、プラズマ１０の密度
を濃くしてイオンビーム２２の電流密度を大きくするた
めには高い方が好ましく、逆に、引出し電極系１２に高
電圧を印加するためには、その電極間での放電を避ける
ために、１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下に保持することが好ま
しい。

【０００７】プラズマ室４は前述したように引出し電極
系１２を介して真空排気されるので、引出し電極系１２
でのガス圧を高電圧を印加しても放電しない程度に（即
ち１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下に）維持しつつ、プラズマ室
４のガス圧をどの程度まで上げられるかは、引出し電極
系１２のコンダクタンスに依存する。そのため例えば、
上記のような多孔電極１４〜１６を用いた引出し電極系
１２では、イオン引出し孔１４ａ〜１６ａの直径、数お
よびガス８の種類によって異なるが、通常、多孔部（イ
オン引出し孔１４ａ〜１６ａが分布する領域）の直径が
２００ｍｍφ程度以上では、引出し電極系１２でのガス
圧を１×１０^-3Ｔｏｒｒ以下に維持しつつ、プラズマ室
４のガス圧を１０^-3Ｔｏｒｒ台に保持することは困難で
あり、１０^-4Ｔｏｒｒ台にせざるを得ない。

【０００８】高周波電界によるプラズマ発生の場合、例
えばプラズマＣＶＤでは通常は１０^-2Ｔｏｒｒ台以上の
ガス圧が使用されており、１０^-4Ｔｏｒｒ台で得られる
プラズマ密度は小さい。イオン源のソースプラズマにお
いても、図２に示すような、プラズマ室４の側壁４ａと
フランジ４ｂとで放電させるような簡素な容量結合型の
放電では、１０^-4Ｔｏｒｒ台で得られるプラズマ密度は
小さく、従って引き出されるイオンビーム２２の電流密
度も小さい。

【０００９】また、上記のような従来の高周波イオン源
２では、ガス８の種類に依存してプラズマ密度の均一性
が変化し、そのため引き出されるイオンビーム２２の電
流密度の分布も変化する。例えば、詳しくは後述する
が、ガス８が５％ＰＨ₃／Ｈ₂、５％Ｂ₂Ｈ₆／Ｈ₂、１０
０％Ｈ₂の場合を比べたとき、後者ほどプラズマ密度の
均一性は悪くなる。

【００１０】そこでこの発明は、プラズマ室内に、ガス
の種類に依存せずに均一なかつ高密度のプラズマを作
り、それによってガスの種類に依存しない一様なかつ高
電流密度のイオンビームを発生させることができるよう
にした高周波イオン源を提供することを主たる目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の高周波イオン源は、前記引出し電極系を
構成する電極の内の最もプラズマ側のプラズマ電極と、
このプラズマ電極に向かい合う面であって前記プラズマ
室の一部を構成する背面部と、前記プラズマ室の側壁と
を互いに電気的に接続して同電位とし、前記プラズマ室
の奥の部分にその側壁に沿って環状に、当該側壁および
それと同電位にされた部分から高周波的に絶縁されてい
てプラズマ室に対して凹構造の放電室を設け、かつ前記
プラズマ電極とそれと向かい合った背面部との間の距離
を前記プラズマ室の側壁の深さに比べて同等かまたは小
さくし、そして前記放電室を構成する容器とプラズマ室
の側壁およびそれと同電位にされた部分との間に高周波
電力を供給して当該放電室において高周波放電を生じさ
せてプラズマを発生させるようにしたことを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】プラズマ室および放電室を所要のガス圧にし
て、放電室を構成する容器とプラズマ室の側壁およびそ
れと同電位にされた部分との間に高周波電力を供給する
と、放電室において高周波放電が生じてプラズマが生成
される。

【００１３】このようにしてプラズマ室の奥の周辺部で
生成されたプラズマは、電界が入らないように構成され
たプラズマ室の中心部に向かって拡散することになり、
それによってプラズマ室内に、均一性がガスの種類に依
存しないプラズマを作ることができる。

【００１４】また、放電室は上記のような構造にするこ
とにより、いわゆるホローカソードと同様な働きをし、
そこにおける電子の活発な振動によって高密度のプラズ
マを作ることができ、これが次々とプラズマ室へ供給さ
れることになる。従って、プラズマ室のガス圧をあまり
高くしなくても、高密度のプラズマを作ることができ
る。

【００１５】

【実施例】図１は、この発明の一実施例に係る高周波イ
オン源およびそれ用の電源を示す図である。図２の従来
例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下
においては当該従来例との相違点を主に説明する。

【００１６】この実施例においては、前述したフランジ
４ｂの代わりに、引出し電極系１２のプラズマ電極１４
に向かう面であってプラズマ室４の一部を構成する背面
部４ｃを設けており、プラズマ室４のこの背面部４ｃ
と、側壁４ａと、プラズマ電極１４とを互いに電気的に
接続して同電位にしている。

【００１７】また、プラズマ室４の奥の部分に、その側
壁４ａに沿って環状に、プラズマ室４に対して凹構造の
放電室３４を設けている。この放電室３４を構成する容
器３４ａとプラズマ室４の側壁４ａおよび背面部４ｃと
は、絶縁物３６および３８によってそれぞれ高周波的に
絶縁されている。

【００１８】そして、放電室３４を構成する容器３４ａ
とプラズマ室４の側壁４ａおよびそれと同電位にされた
部分（即ち背面部４ｃおよびプラズマ電極１４）との間
に高周波電源２４から整合回路２６を介して高周波電力
を供給して、放電室３４において高周波放電を生じさせ
てプラズマ１０を発生させるようにしている。

【００１９】ガス８の導入は、この実施例では、環状の
放電室３４の１８０度対向位置に二つのガス導入口３９
を設けて、そこから放電室３４にガス８を導入するよう
にしている。ガス導入口３９をこのように二つ設けるの
は、放電室３４におけるガスの分布をより均一化するた
めであるが、勿論三つ以上でも良いし一つでも良い。ま
た、ここで取り上げている程度のガス圧（即ち１０^-4Ｔ
ｏｒｒ台〜１０^-3Ｔｏｒｒ台）においては、ガス８はど
こから導入しても均一に拡散するので、プラズマ室４に
導入しても良い。

【００２０】放電室３４の開口幅Ｗは、例えば２０〜６
０ｍｍ程度にすれば良い。これは、放電室３４はいわゆ
るホローカソードと同様の働きをするが、１０^-4Ｔｏｒ
ｒ台〜１０^-3Ｔｏｒｒ台のガス圧であれば、電子の走る
距離が比較的大きいので、上記程度の開口幅Ｗであれ
ば、電子の振動によって十分にプラズマ１０を発生させ
ることができるからである。

【００２１】放電室３４の深さＤは、例えば開口幅Ｗの
１〜３倍程度にすれば良い。これは、あまり浅いと電子
の振動が制限されてプラズマ１０が薄くなり、あまり深
いとプラズマ１０が外へ出にくくなるからである。

【００２２】またプラズマ電極１４とプラズマ室４の背
面部４ｃとの間の距離Ｌは、プラズマ室４の側壁４ａの
深さＭに比べて同等かまたは小さくしている。このよう
にすれば、放電室３４に供給した高周波電力による電界
がプラズマ室４に入るのを防止することができる。

【００２３】なお、プラズマ室４の側壁４ａ周辺には、
側壁４ａの内部に沿ったいわゆるカスプ磁界を発生させ
てプラズマ１０の閉じ込めおよび高周波放電を促進する
ために、磁石４０を配置しても良い。また、放電室３４
の周辺にも、同様の磁界を分布させるための磁石４２を
配置しても良い。

【００２４】動作例を説明すると、プラズマ室４を引出
し電極系１２を介して真空排気すると共にガス導入口３
９から所要のガス８を導入して、プラズマ室４を例えば
１０^-4Ｔｏｒｒ台に保持する。そして、放電室３４を構
成する容器３４ａとプラズマ室４の側壁４ａ等との間に
高周波電源２４から高周波電力を供給すると、放電室３
４において高周波放電が生じてプラズマ１０が生成され
る。

【００２５】このようにしてプラズマ室の奥の周辺部で
生成されたプラズマ１０は、電界が入り込まないように
構成された（前述した距離Ｌおよび深さＭの説明参照）
プラズマ室４の中心部（即ち電界のないドリフト部）に
向かって例えば矢印Ａで示すように拡散することにな
り、それによってプラズマ室４内に一様な密度のプラズ
マ１０を得ることができる。それ以降は従来例と同様に
して、このプラズマ１０から引出し電極系１２によって
イオンビーム２２を引き出すことができる。

【００２６】この場合、放電室３４は上記のような構造
にすることにより、いわゆるホローカソードと同様の働
きをし、そこにおける電子の活発な振動によって高密度
のプラズマ１０を作ることができ、これが次々とプラズ
マ室４へ供給されることになる。従って、プラズマ室４
のガス圧をあまり高くしなくても、例えば１０^-4Ｔｏｒ
ｒ台〜１０^-3Ｔｏｒｒ台の場合でも、高密度のプラズマ
１０を作ることができ、従って高電流密度のイオンビー
ム２２を発生させることができる。

【００２７】また、従来例の高周波イオン源２の場合
は、プラズマ室４全体が放電空間になっている等のため
に、放電状態がプラズマ室４に導入したガス８の種類に
依存する傾向にあり、そのためガス８の種類によってプ
ラズマ密度の一様性に変化を生じさせていたが、この発
明の高周波イオン源２ａの場合は、放電はプラズマ室４
の奥の周辺部でのみ生じ、プラズマ室４の内部のプラズ
マ１０は周辺部から拡散で供給されるのみであることか
ら、プラズマ室４におけるプラズマ１０の均一性はガス
８の種類に依存しなくなる。従って、ガス８の種類に依
存しない一様な電流密度のイオンビーム２２を発生させ
ることができる。

【００２８】実験結果の一例を説明すると、図２の構造
をした従来例の高周波イオン源２において、プラズマ室
４の内径を約５００ｍｍφ、同深さを約１２０ｍｍ、引
出し電極系１２の多孔部の直径を約４３０ｍｍφとし
て、引出し電極系１２から（より具体的にはその最下流
側の接地電極１６から）約３００ｍｍの位置で得られた
イオンビーム２２の電流密度の分布を測定した。その結
果、電流密度がイオンビーム２２の中心部のそれに対し
て１０％減少する位置は、ガス８が５％ＰＨ₃／Ｈ₂では
半径約１８０ｍｍ、５％Ｂ₂Ｈ₆／Ｈ₂では半径約１７０
ｍｍ、１００％Ｈ₂では約１００ｍｍであり、ガス種に
よって大きく違っていた。

【００２９】これに対して、図１の構造をしたこの実施
例の高周波イオン源２ａにおいて、引出し電極系１２は
従来例と同じにし、放電室３４の開口幅Ｗを４０ｍｍ、
同深さＤを６０ｍｍ、プラズマ室４の内径を約５００
φ、同深さＭを約１２０ｍｍ、プラズマ電極１４と背面
部４ｃ間の距離Ｌを約１００ｍｍとしたところ、上記３
種類のガス８に対して、イオンビーム２２の電流密度の
分布について差は見られず、１０％減少する位置はいず
れも半径約１８０ｍｍであった。

【００３０】また、同じ比較実験で得られたイオンビー
ム２２の電流密度は、動作条件により若干の差はある
が、実施例の高周波イオン源２ａによる方が従来例の高
周波イオン源２による場合に比べて１．５〜３倍程度の
値が得られた。

【００３１】ちなみにこの比較実験では、従来例の高周
波イオン源２および実施例の高周波イオン源２ａのどち
らの場合も、プラズマ室４の側壁４ａの周辺部に磁石４
０を配置し、側壁４ａ内に沿っていわゆるカスプ磁界が
生じるようにした。

【００３２】なお、引出し電極系１２の構成はこの発明
において特に重要ではなく、上記例以外の構成でも良
く、またそれを構成する各電極のイオン引出し孔も、多
数の小孔でも良いし複数のスリット状のもの等でも良
い。

【００３３】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、プラズ
マ室内に、ガスの種類に依存せずに均一なかつ高密度の
プラズマを作ることができ、その結果、ガスの種類に依
存しない一様なかつ高電流密度のイオンビームを発生さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例に係る高周波イオン源お
よびそれ用の電源を示す図である。

【図２】 従来の高周波イオン源およびそれ用の電源を
示す図である。

【符号の説明】

２ａ 高周波イオン源 ４ プラズマ室 ４ａ 側壁 ４ｃ 背面部 ８ ガス １０ プラズマ １２ 引出し電極系 １４ プラズマ電極 ２２ イオンビーム ２４ 高周波電源 ３４ 放電室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波放電によってプラズマを発生させ
   るイオン源であって、プラズマを保持するためのプラズ
   マ室と、このプラズマ室内のプラズマからイオンを引き
   出すためのものであって複数のイオン引出し孔をそれぞ
   れ有する複数枚の電極から成る引出し電極系とを備える
   高周波イオン源において、前記引出し電極系を構成する
   電極の内の最もプラズマ側のプラズマ電極と、このプラ
   ズマ電極に向かい合う面であって前記プラズマ室の一部
   を構成する背面部と、前記プラズマ室の側壁とを互いに
   電気的に接続して同電位とし、前記プラズマ室の奥の部
   分にその側壁に沿って環状に、当該側壁およびそれと同
   電位にされた部分から高周波的に絶縁されていてプラズ
   マ室に対して凹構造の放電室を設け、かつ前記プラズマ
   電極とそれと向かい合った背面部との間の距離を前記プ
   ラズマ室の側壁の深さに比べて同等かまたは小さくし、
   そして前記放電室を構成する容器とプラズマ室の側壁お
   よびそれと同電位にされた部分との間に高周波電力を供
   給して当該放電室において高周波放電を生じさせてプラ
   ズマを発生させるようにしたことを特徴とする高周波イ
   オン源。