JPH069041U - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 マグネトロン１とプラズマ生成室７を形成す
るプラズマチャンバ４との間には、マグネトロン１から
出力されたマイクロ波をプラズマ生成室７へと伝導する
ウェイブガイド３が設けられている。このウェイブガイ
ド３は、プラズマチャンバ４側端部近傍で、第１ウェイ
ブガイド３ａと第２ウェイブガイド３ｂとに分割されて
いる。 【効果】 第１ウェイブガイド３ａと第２ウェイブガイ
ド３ｂとの間で熱伝導効率の低下が生じ、この結果、プ
ラズマ生成室７からウェイブガイド３全体への熱伝導効
率が従来よりも低下する。したがって、プラズマ生成室
７を含む系が略熱平衡に達するまでの時間が従来よりも
短縮され、ビーム立ち上げ時のビーム電流安定待ち時間
が短縮される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、マイクロ波放電によりプラズマを発生させ、プラズマからイオンを 引き出してイオンビームを生成する、例えばイオン注入装置等に具備されるマイ クロ波型のイオン源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

近年、元素をイオン化し、イオンビームとして引き出すイオン源は、イオン注 入装置をはじめとして様々な分野に利用されている。このイオン源には、磁界中 のマイクロ波放電によりプラズマを発生させるマイクロ波型イオン源がある。上 記マイクロ波型イオン源は、図２に示すように、プラズマ生成室５６を形成する プラズマチャンバ５３と、マイクロ波を出力するマグネトロン５１と、マグネト ロン５１から出力されたマイクロ波をプラズマ生成室５６側へ伝える円柱状のウ ェイブガイド５２と、プラズマ生成室５６内に軸方向（ビーム引き出し方向）と 略平行な磁界を形成するソレノイドコイル５５ａ・５５ａを有したソースマグネ ット５５とを有している。

【０００３】 そして、このイオン源は、マグネトロン５１から出力されたマイクロ波をウェ イブガイド５２を介してプラズマ生成室５６に導入させ、上記ソースマグネット ５５の形成する磁界中において、プラズマ生成室５６内に導入されているイオン 種（ＢＦ₃ 等のガスイオン種や蒸気状の金属イオン種）をマイクロ波放電により プラズマ化するようになっている。また、イオン源は、プラズマチャンバ５３と 引出電極５７との間に電位差を生じさせてプラズマ生成室５６に強い外部電界を かけ、この外部電界によりイオン引出孔５４ａからイオンを引き出すことにより 、イオンビームを形成するようになっている。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

上記プラズマ生成室５６に接続されているウェイブガイド５２は、マイクロ波 が通過可能な高い誘電率を有する材質、例えばアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等の材質 から形成されている。このため、プラズマ生成室５６内の熱は、アルミナ等の熱 伝導度が高い材質から成るウェイブガイド５２に伝導されて逃げ易い。また、上 記ウェイブガイド５２は、プラズマチャンバ５３からマグネトロン５１まで延び る比較的大きな体積（質量）を有し、熱容量が大きいため、プラズマ生成室５６ とウェイブガイド５２とが熱平衡状態になるまでに長時間を要することになる。 また、略熱平衡状態に達した後も、プラズマ生成室５６内の温度は、ウェイブガ イド５２の温度変化の影響を受けるので、例えば１時間というように比較的長い 時間単位でプラズマ生成室５６内の温度変化をみると、その変化率はかなり大き くなっている。

【０００５】 プラズマ生成室５６内の温度が安定しない場合、生成されるプラズマも安定し ないので、このプラズマから引き出されるイオンビームの電流量の変化も大きく なり、安定したイオンビームを得ることができない。即ち、上記従来のイオン源 は、ビームの立ち上げ時において、プラズマ生成室５６を含む系が略熱平衡状態 に達し、比較的安定したイオンビームが得られるようになるまでに長時間を要す ると共に、ビーム立ち上げ後もプラズマ生成室５６内の温度変化が大きくビーム の安定度が低いという問題を有している。

【０００６】 本考案は、上記に鑑みなされたものであり、その目的は、ビーム立ち上げ時に おけるビーム電流の安定待ち時間の短縮を図れると共に、ビーム立ち上げ後のビ ームの安定度の向上を図れるイオン源を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案のイオン源は、上記の課題を解決するために、プラズマ生成室を形成す るプラズマチャンバと、一端がプラズマチャンバに接続され、マイクロ波発生手 段から出力されたマイクロ波をプラズマ生成室へと伝導するウェイブガイドとを 備えているイオン源において、上記ウェイブガイドがプラズマチャンバの近傍で 分割された複数の分割部から形成されていることを特徴としている。

【０００８】

【作用】

上記の構成によれば、一端がプラズマチャンバに接続されたウェイブガイドは 、プラズマチャンバの近傍で複数の分割部に分割されており、各分割部同士の間 の熱伝導効率（熱伝達速度）は、非分割部位よりも当然小さくなる。したがって 、本イオン源においては、プラズマ生成室からウェイブガイドへの熱伝導効率（ 熱伝達速度）が、従来の非分割のウェイブガイドを有するイオン源よりも低下し 、プラズマ生成室を含む系が略熱平衡に達するまでの時間が従来よりも短縮され る。したがって、本イオン源においては比較的安定したイオンビームが得られる ようになるまでの待ち時間が従来よりも短縮される。

【０００９】 また、上記の如くプラズマ生成室からウェイブガイドへの熱伝導効率が従来よ りも低下することにより、ウェイブガイドがプラズマ生成室内の温度変化に及ぼ す影響が少なくなってプラズマ生成室内の温度変化が低減されるので、プラズマ 生成室内で生成されるプラズマが安定し、このプラズマから引き出されるイオン ビームの安定度が向上する。

【００１０】

【実施例】

本考案の一実施例について図１に基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００１１】 本実施例のイオン源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotr on Resonance）条件の磁界中でマイクロ波放電を生じさせてプラズマを生成し、 このプラズマからイオンをビームとして引き出すマイクロ波型のイオン源（ＥＣ Ｒイオン源）であり、例えばイオン注入装置に搭載されるようになっている。

【００１２】 上記イオン源は、図１に示すように、例えば2.４５ＧＨｚのマイクロ波を出力 するマグネトロン（マイクロ波発生手段）１と、このマグネトロン１を作動させ るマグネトロン電源（マイクロ波発生手段）２とを有している。上記マグネトロ ン１には、マイクロ波が通過可能な高い誘電率を有する材質、例えばアルミナ（ Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等の材質で形成された円柱状のウェイブガイド３の一端が接続され ている。上記ウェイブガイド３の他端は、プラズマ生成室７を形成するプラズマ チャンバ４に接続されており、ウェイブガイド３は、マグネトロン１から出力さ れたマイクロ波をプラズマ生成室７へと伝導するようになっている。

【００１３】 上記ウェイブガイド３は、プラズマチャンバ４側端部近傍で、マグネトロン１ 側に接続された第１ウェイブガイド（分割部）３ａと、プラズマチャンバ４側に 接続された第２ウェイブガイド（分割部）３ｂとに２分割されている。ウェイブ ガイド３を切り離して成る第１ウェイブガイド３ａおよび第２ウェイブガイド３ ｂは接触しているものの、対向面は粗面であり、両者間の実質接触面積は非常に 小さい（両者間には微小な隙間が形成されている）。したがって、第２ウェイブ ガイド３ｂから第１ウェイブガイド３ａへの熱伝達速度は非常に遅くなる。

【００１４】 また、上記プラズマチャンバ４には、図示しない金属蒸気発生炉（ベーパライ ザ）や動作ガス導入管が接続され、固体状の金属イオン種を金属蒸気発生炉によ って蒸発させた動作ガスや、ガスボンベに充填されたＢＦ₃ 等のガスイオン種か らなる動作ガスが、プラズマ生成室７内に導入されるようになっている。

【００１５】 また、プラズマチャンバ４のウェイブガイド３側の内壁面には、ＢＮ等の材質 で形成されたウインドウ５が配設されており、このウインドウ５は、ウェイブガ イド３とプラズマ生成室７とを隔離するようになっていると共に、ウェイブガイ ド３に伝導されたマイクロ波をプラズマ生成室７に導入させるようになっている 。また、プラズマチャンバ４の他の内壁面には、ＢＦ₃ 等のガスに対して耐蝕性 を有した、例えばＢＮ等の材質で形成されたライナー１３…が設けられている。

【００１６】 上記のプラズマチャンバ４は、後述の引出電極８および減速電極９等と共に、 気密状態にされたイオン源チャンバ１２に内蔵されており、このイオン源チャン バ１２は、図示しない真空排気手段によって高真空状態にされるようになってい る。

【００１７】 また、プラズマチャンバ４の周囲には、ソレノイドコイル６ａ・６ｂを備えた ソースマグネット６が配設されており、このソースマグネット６は、プラズマ生 成室７内に、ビーム引き出し方向と平行な磁界を形成するようになっている。上 記ソレノイドコイル６ａ・６ｂには、図示しないソースマグネット電源が接続さ れており、ソースマグネット電源よりソースマグネット電流が供給されるように なっている。

【００１８】 また、プラズマチャンバ４のウインドウ５と対向する壁面には、外部にイオン を放出させるイオン引出スリット４ａが形成されている。このイオン引出スリッ ト４ａからイオンの放出方向には、ビーム通過孔８ａが形成された引出電極８お よびビーム通過孔９ａが形成された減速電極９がこの順に配設されている。

【００１９】 上記減速電極９は接地されて大地電位に、そして、引出電極８は減速電極９よ りも負電位になるように、減速電源１０より負電圧が印加されている。そして、 プラズマチャンバ４には、引出電源１１の正極端子が接続されており、この引出 電源１１より高電圧の引出電圧が印加されるようになっている。これにより、プ ラズマチャンバ４と引出電極８との間に所定の電位差が生じ、プラズマ生成室７ に強い外部電界が形成され、この外部電界により、プラズマ生成室７内のプラズ マからイオンが引き出され、イオンビームが形成されるようになっている。また 、上記のように、引出電極８を減速電極９よりも負電位にすることにより、引出 電極８よりも下流で発生した電子の逆流を防ぐことができるようになっている。

【００２０】 上記の構成において、イオン源の動作を以下に説明する。

【００２１】 先ず、イオン源チャンバ１２内が図示しない真空排気手段によって排気され、 高真空状態にされる。次に、プラズマ生成室７内に、ＢＦ₃ 等のガスイオン種や 蒸気状金属イオン種から成る動作ガスが導入される。この後、ソースマグネット ６によってプラズマ生成室７内にビーム引き出し方向と平行な磁界が形成される と共に、マグネトロン１が作動され、マイクロ波電力の出力が開始される。この マイクロ波電力は、ウェイブガイド３を介してプラズマ生成室７に導入されるこ とになる。そして、ＥＣＲ現象によるマイクロ波放電によって、プラズマ生成室 ７に導入されているイオン種がプラズマ化される。そして、引出電源１３が投入 されることにより、上記プラズマチャンバ４と引出電極８との間に所定の電位差 が生じ、プラズマ生成室７に強い外部電界が形成され、この外部電界により、プ ラズマ生成室７内のプラズマからイオンが引き出され、イオンビームが形成され るようになっている。

【００２２】 ところで、プラズマ生成室７の熱は、プラズマチャンバ４に接続されたアルミ ナ等の熱伝導度の高い材質から成るウェイブガイド３に伝導されるが、本実施例 のようにウェイブガイド３をプラズマチャンバ４側端部近傍で切り離した分割構 造にすることにより、第２ウェイブガイド３ｂと第１ウェイブガイド３ａとの間 で熱伝導効率の低下が生じ、プラズマ生成室７からウェイブガイド３の大部分を 占める第１ウェイブガイド３ａへ伝導される熱は少なくなる。

【００２３】 上記のように、プラズマ生成室７からウェイブガイド３全体への熱伝導効率（ 熱伝達速度）が従来よりも低下するので、プラズマ生成室７を含む系が略熱平衡 に達するまでの時間が従来よりも短縮され、イオン源において比較的安定したイ オンビームが得られるようになるまでの待ち時間（ビーム立ち上げ時のビーム電 流安定待ち時間）が短縮される。

【００２４】 また、上述のようにプラズマ生成室７からウェイブガイド３への熱伝導効率が 従来よりも低下することにより、ウェイブガイド３がプラズマ生成室７内の温度 変化に及ぼす影響も少なくなり、プラズマ生成室７内の温度変化が低減される。 この結果、プラズマ生成室７内で生成されるプラズマが安定し、このプラズマか ら引き出されるイオンビームの安定度が向上する。尚、従来のイオン源と本イオ ン源とのビーム安定度の違いは、例えば１時間というように比較的長い時間単位 でのプラズマ生成室内の温度変化をみれば明らかである。

【００２５】 尚、第２ウェイブガイド３ｂの体積（質量）が小さい程、プラズマ生成室７を 含む系が熱平衡状態に達し易く、また、プラズマ生成室７内の温度変化も少なく なるのは明らかであり、したがって、ウェイブガイド３の分割位置はできるだけ プラズマチャンバ４に近い方がよい。第２ウェイブガイド３ｂの厚さは、例えば １ｍｍ程度に設定することができる。

【００２６】 尚、本実施例では、ウェイブガイド３は、第１ウェイブガイド３ａと第２ウェ イブガイド３ｂとに２分割された構成になっているが、これに限定されない。即 ち、ウェイブガイドをプラズマチャンバ４の近傍でさらに複数に分割した構成に することもできる。

【００２７】

【考案の効果】

本考案のイオン源は、以上のように、プラズマ生成室を形成するプラズマチャ ンバと、一端が上記プラズマチャンバに接続され、マイクロ波発生手段から出力 されたマイクロ波をプラズマ生成室へと伝導するウェイブガイドとを備えている イオン源であって、上記ウェイブガイドは、プラズマチャンバの近傍で分割され た複数の分割部から形成されている構成である。

【００２８】 それゆえ、プラズマ生成室からウェイブガイドへの熱伝導効率が低下し、プラ ズマ生成室を含む系が略熱平衡に達するまでの時間が従来よりも短縮されるので 、比較的安定したイオンビームが得られるようになるまでの待ち時間が従来より も短縮される。また、プラズマ生成室からウェイブガイドへの熱伝導効率が従来 よりも低下することにより、ウェイブガイドがプラズマ生成室内の温度変化に及 ぼす影響が減少し、ビーム立ち上げ後のプラズマ生成室内の温度変化が低減され るので、プラズマ生成室内で生成されるプラズマが安定し、このプラズマから引 き出されるイオンビームの安定度が従来よりも向上する等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例を示すものであり、マイクロ
波型イオン源の要部の構成を示す概略の横断面図であ
る。

【図２】従来例を示すものであり、マイクロ波型イオン
源の要部の構成を示す概略の横断面図である。

【符号の説明】

１ マグネトロン（マイクロ波発生手段） ２ マグネトロン電源 （マイクロ波発生手段） ３ ウェイブガイド ３ａ 第１ウェイブガイド（分割部） ３ｂ 第２ウェイブガイド（分割部） ４ プラズマチャンバ ７ プラズマ生成室

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマ生成室を形成するプラズマチャン
   バと、一端が上記プラズマチャンバに接続され、マイク
   ロ波発生手段から出力されたマイクロ波をプラズマ生成
   室へと伝導するウェイブガイドとを備えているイオン源
   において、 上記ウェイブガイドは、プラズマチャンバの近傍で分割
   された複数の分割部から形成されていることを特徴とす
   るイオン源。