JPH0752635B2 - イオン源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電子放出源から電子を供給し、直流放電によ
りイオン化ガスをプラズマ化してイオンビームを生成す
るイオン源装置に関する。

［従来の技術］ 従来、イオンビームスパッタリング，イオンビームミキ
シング，イオンアシスト等に用いられる代表的なイオン
源装置として、カウフマン型イオン源装置及びバケット
型イオン源装置等がある。

（従来例１） 従来のカウフマン型イオン源装置は、第５図に示す構成
になっており、同図において、１はステンレス等の非磁
性体の金属製の筐体、２は筐体１により形成されたプラ
ズマ生成室、３は生成室２に設けられたフィラメントで
あり、タングステンW,ホウ化ランタンNaB₆等からなる。
４はフィラメント３の加熱用のフィラメント電源、５は
生成室２に設けられた円筒状のアノードである。

６は生成室２へガス導入口、７はイオンビーム引出し電
極群であり、第１電極8,第２電極9,第３電極10から構成
されている。11は筐体１の外側に設けられた円筒状の磁
場発生用の永久磁石又は電磁石である。

12はアーク電源であり、陽極がアノード５に，陰極が抵
抗13を介して筐体１に接続され，アノード５にアノード
電圧を印加する。14は加速電源であり、陽極がアーク電
源12の陰極に接続され、筐体１と同電位の第１電極８に
アノード電圧より低い正の加速電圧を印加する。15は第
２電極９の負の電圧を印加する減速電源である。

そして、フィラメント３はカソードとしての熱電子放出
源であり、フィラメント電源４の抵抗加熱により高温に
保持されて熱電子ｅ′を放出し、例えばタングステンで
は2400℃，ホウ化ランタンでは1300℃程度に加熱され
る。

一方、ガス導入口６からイオン化ガス，例えばアルゴン
（Ar）等の希ガス或いは酸素ガス等の反応性ガスがプラ
ズマ生成室２に導入される。

そして、フィラメント３のアノード５間の放電により、
導入されたイオン化ガスのプラズマ16が生成され、電極
群７のビーム引出し作用により、プラズマ中のイオンが
イオンビームとなってスパッタ室等に引き出される。

このとき、磁石11の磁場により、プラズマ16の生成効率
の向上或いはプラズマ16の閉じ込め向上が図られる。

（従来例２） 従来のバケット型イオン源装置は、第６図に示す構成に
なっており、第５図の構成と異なる点はつぎのとおりで
ある。

第５図のアノード５がなく、アーク電源12の陽極が筐体
１に直接接続され、筐体１がアノードとなり、加速電源
14の陽極が筐体１に絶縁体17を介した電極群７の第１電
極８に直接或いは抵抗を介して接続され、永久磁石11が
複数個の環状体から構成され、筐体１の内部にカスプ磁
場を形成するように配置されている点である。

そして、作用は第５図の場合とほぼ同様である。

（従来例３） 従来のホローカソード型イオン源装置は、第７図に示す
構成になっており、第６図と異なる点はつぎのとおりで
ある。

フィラメント３がなく、筐体１の左側開口部に絶縁体18
を介して非磁性体の金属からなるカソード筐体19が装着
され、該筐体19の左側開口部に絶縁体20を介して非磁性
体の金属製の蓋板21が装着され、カソード室22が形成さ
れている。

カソード室22にはホローカソード23が設けられ、蓋板21
に一体に形成された筒状体24の外周にヒータコイル25が
巻回され、筒状体24の内面に熱電子放出材26が設けら
れ、ホローカソード23が構成され、ヒータコイル25が電
源４で加熱され、熱電子放出材26が筒状体24を介して加
熱される。

蓋板21には筒状体24内側へのガス導入口27が設けられて
いる。

アーク電源12の陰極は蓋板21,筒状体24に接続されると
ともに、抵抗13を介してカソード筐体19及び第１電極８
に接続されている。

そして、生成室２に導入口６からイオン化ガスが導入さ
れるとともに、筒状体24の内側に導入口27からアルゴン
等のホロー放電用の希ガスが導入され、電源印加により
アノードを形成する筐体１とホローカソード23との間で
放電が生じ、筒状体24の内側空間において希ガスのホロ
ー放電が発生し、ホロー放電に基づく熱電子放出により
熱電子放出材26から熱電子ｅ′が放出され、この熱電子
ｅ′がアノード電圧により生成室２に導入される。

そのため、筐体１とホローカソード23との間の放電によ
り生成室２にプラズマ16が生成され、カソード23から供
給される熱電子ｅ′により放電が持続し、第６図の場合
と同様、カス導入口６からのイオン化ガスが電離され、
電極群７を介してイオンビームが引き出される。

（従来例４） 一方、特開昭62−93834号公報（HO1J 27/08）には、プ
ラズマ生成により電離した電子を放出する電子源を備え
たイオン源装置が記載されている。

このイオン源装置は、電子発生室とプラズマ発生室（前
記生成室２に相当）とを備える。

そして、電子発生室の高周波放電によりこの発生室内に
プラズマが生成される。

さらに、電子発生室とプラズマ発生室との間に両室の筐
体から電気的に絶縁された電子引き出し電極が設けら
れ、電子発生室の筐体と電子引き出し電極との間に、電
子発生室に対して電子引出し電極が正電位になる極正の
直流電圧（電子引出し電圧）V₁が印加される。

この直流電圧V₁の印加により、電子引出し電極を用いた
電子銃の作用で電子発生室から電子のみが加速されて引
き出され、電子引出し電極を介してプラズマ発生室に供
給される。

そして、プラズマ発生室により、引き出された電子を利
用した直流放電（アーク放電）を発生してプラズマが生
成され、このプラズマからビーム引出し電極を介してイ
オンビームが引き出される。

［発明が解決しようとする課題］ 前記従来の第５図，第６図のイオン源装置は、電子放出
源としてのフィラメント３が生成室２に設けられ、この
フィラメント３を高温に維持し、熱電子放出現象を利用
してプラズマ16の生成に必要な熱電子ｅ′を生成するた
め、フィラメント３は、高温加熱により材料が蒸発し、
その上、イオン衝撃によるスパッタリング等の過酷な条
件に晒される。

そのため、フィラメント３の消耗が激しく、イオン化ガ
スがアルゴンの場合、タングステンで50時間，ホウ化ラ
ンタンで100時間程度しか使用できない問題点があり、
しかも、イオン化ガスが反応性ガス，例えば酸素の場合
には、フィラメント３が急激に酸化して極めて短時間に
消耗する問題点がある。

つぎに、第７図のイオン源装置は、熱電子放出のホロー
放電が、イオン化ガスが供給されるプラズマ生成室２と
は別個のカソード室22で希ガスを用いて行われ、第５
図，第６図の装置に比して長時間の使用が可能となる
が、熱電子放出材26が高温下でのイオン衝撃によるスパ
ッタリングを受けるため、イオン化ガスがアルゴン等の
希ガスの場合でも100〜200時間しか使用できない問題点
がある。

しかも、カソード室22内に生成室２のイオン化ガスが若
干流入するため、イオン化ガスが酸素等の場合には、希
ガスのときより短時間で熱電子放出材26が消耗する問題
点がある。

その上、筒状体24内のホロー放電用の希ガスが、プラズ
マ生成室２内のイオン化ガスと混り合うため、生成され
るプラズマ16かイオン化ガスとホロー放電用の希ガスと
の混合プラズマになり、イオン化ガスのみのプラズマ生
成を行うことができず、所望のイオンビームが得られな
い問題点がある。

つぎに、前記公報に記載のイオン源装置は、熱電子放出
でなくプラズマ生成で必要な電子を発生するため、電子
放出源が前記のフィラメント３やホローカソード25等の
消耗材料を用いることなく形成され、長時間の使用が可
能であり、しかも、イオン化ガスのみのプラズマ生成に
より所望のイオンビームが得られる。

しかし、いわゆる電子銃方式で電子発生室から電子のみ
を引き出してプラズマ発生室に供給するため、電子発生
室とプラズマ発生室との間に両室の筐体から電気的に絶
縁された電子引出し電極を設け、電子発生室の筐体と電
子引出し電極との間に電子加速用の直流電圧V₁を印加し
なければならず、構成が複雑化するのは勿論、つぎに説
明するように、プラズマ発生室の電子供給量が制限され
て減少し、イオンビームの発生効率が悪くその量が少な
い問題点がある。

すなわち、電子発生室の筐体と電子引出し電極との間の
直流電圧V₁の印加により、電子発生室のプラズマと電子
引出し電極との間に電子のみの空間電荷層が形成され、
この層によって電子の引き出し量が制限されるため、プ
ラズマ発生室に供給される電子の量が制限されて減少
し、イオンビームの発生量が少ない。

本発明は、プラズマ生成方式により、消耗性材料の熱電
子放出減少を利用することなく、しかも、電子加速用の
電極等を設けない簡単な構成で電子供給量（引き出し
量）の制限なく、イオン化ガスのプラズマを生成するよ
うにし、電子放出源の材料消耗を皆無にして長時間の使
用を可能にするとともに、イオン化ガスのみのプラズマ
生成を可能にし、良質のイオンビームを効率よく形成で
きるようにすることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明のイオン源装置
は、電離用のガス導入口が形成され，高周波放電により
電子放出用の副プラズマを生成する副筐体と、 副筐体に絶縁体を介して連設された主筐体と、 副筐体の主筐体側に形成された、 副筐体と同電位の蓋板と、 蓋板に形成された電子放出孔と、 副筐体を主筐体より低電位にし，電子放出孔から主筐体
内に電子を供給し，直流放電により主筐体内に主プラズ
マを生成する直流電源と、 主プラズムからイオンビームを引き出すイオンビーム引
出し電極とを備える。

［作用］ 前記のように構成された本発明のイオン源装置の場合、
副筐体内に高周波放電により電子放出用の副プラズマが
生成され、このプラズマ生成で電離した電子が、イオン
化ガスのプラズマ生成に必要な電子として、蓋板の電子
放出孔を通って主筐体内に供給される。

さらに、供給された電子を利用した直流放電により主筐
体内に主プラズマが生成され、イオンビーム引出し電極
により主プラズマからイオンビームが引き出される。

そして、蓋板は副筐体と同電位に形成され、直流電源に
より蓋板を含む副筐体側全体が主筐体より低電位に固定
され、副プラズマが主プラズマより低電位になり、主，
副プラズマの電位差により電子が主筐体内に供給され
る。

このとき、電子放出孔付近の主，副プラズマの境界面で
は両プラズマのダブルシースが形成され、副プラズマ側
から主プラズマ側に電子が放出され、主プラズマ側から
副プラズマ側にイオンが流入するため、前記公報の電子
銃方式で問題となる電子のみの空間電荷層の形成がな
く、電子が供給量の制限なく効率よく主プラズマ中に放
出される。

したがって、従来のように消耗の激しいフィラメント等
の熱電子放出材を用いる必要がなく、電子放出源が極め
て長寿命になり、長時間の使用が可能になる。

また、副プラズマの生成に用いるガスに、主プラズマ室
のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合は、主プラズ
マが所望のガスのみで生成されて良質のイオンビームが
形成される。

しかも、電子供給量の制限なく主プラズマが生成される
ため、効率よく多量のイオンビームが形成される。

［実施例］ 実施例について第１図ないし第４図を参照して説明す
る。

それらの図面において、第５図ないし第７図と同一符号
は同一もしくは相当するものを示す。

（実施例１） 実施例１をバケット型イオン源装置に適用した第１図に
より説明する。

同図は高周波放電としてマイクロ波放電を利用したもの
であり、同図において、28は非磁性体の金属製の副筐体
であり、左，右側に蓋板29,30が一体に形成され、副プ
ラズマ室31を形成する。

32は左側の蓋板29の開口部に絶縁体33を介して接続され
た導波管、34は蓋板29に形成された電離用のガス導入
口、35は副筐体28の外周に設けられた磁場発生用の電磁
コイルであり、電子サイクロトロン共鳴ECR条件以上の
磁場を副プリズマ室31に発生する。

36は右側の蓋板30に形成された電子放出孔、37は第７図
の筐体１に相当する非磁性体の金属製の主筐体であり、
蓋板30に絶縁体18を介して連設され、主プリズム室38を
形成する。

そして、アーク電源12の陽極12の陽極が主筐体37に接続
され、その陰極が副筐体28及び第１電極８に接続され、
蓋板29,30を含む副筐体28全体が主筐体37より低電医に
固定されている。

また、副プラズマ室31は、マイクロ波放電を引起し易い
ように、マイクロ波空洞共振器の条件で寸法，形状が設
定され、例えば2.45GHzのマイクロ波のTE₁₁₁のモードの
ときは、内径10cm,長さ8.7cmに設定される。

そして、導波管32により副プラズマ室31にマイクロ波が
導入されると、副プラズマ室31でマイクロ波放電が発生
し、導入口34から副プラズマ室31に導入された希ガス等
の電子放出用のガスが電離され、副プラズマ39が生成さ
れる。

この副プラズマ39の生成に伴って電離生成された電子ｅ
は、40〜120V程度のアノード電圧により放出孔36から主
プラズマ室38に引き出されて供給される。

このとき、電磁コイル35のECR条件以上の磁場に基づき
副プラズマ39が高密度プラズマになり、電子ｅが極めて
効率よく主プラズマ室38に供給される。

つぎに、主プラズマ38では、供給された電子ｅを利用し
た直流放電に基づき、導入口６からの希ガス等のイオン
化ガスが電離されて主プラズマ40が生成され、電子ｅの
供給により放電は持続する。

このとき、磁石11のカスプ磁場により主プラズマ40が効
率よく閉じ込められ、かつ、電極群７の近傍に大面積に
わたって均一で安定した主プラズマ40が生成される。

そして、電極群７のビーム引出し作用により、主プラズ
マ40からイオンがイオンビームとなってスパッタ室等が
引き出される。

ところで、電子放出孔36が形成された蓋板30は副筐体28
と同一電位であり、電子加速機能はない。

そして、アーク電源12により副筐体28全体が主筐体37よ
り低電位に固定され、副プラズマ39が主プラズマ40より
低電位になるため、電子ｅは主，副プラズマ39,40の電
位差にしたがって主プラズマ室38に供給されることにな
る。

このとき、電子放出孔36付近の主，副プラズマ39,40の
境界面では両プラズマ39,40のダブルシースが形成さ
れ、副プラズマ39側から主プラズマ40側に電子ｅが放出
され、主プラズマ40側から副プラズマ39側にイオンが流
入するため、前記公報の電子銃方式で問題となる電子の
みの空間電荷層の形成がなく、電子ｅが供給量の制限な
く効率よく主プラズマ40中に供給されて放出される。

なお、副プラズマ室31に導入されるガスは、希ガス以外
のガスを用いても何ら影響はなく、主プラズマ室38のイ
オン化ガスと同一のガスを副プラズマ室31に導入するこ
とができる。

また、電磁コイル35の代わりに永久磁石を用いてもよ
い。

（実施例２） 実施例２を第２図について説明する。

同図は、第１図における副プラズマ室31へのマイクロ波
の導入を、同軸ケーブル41とアンテナ42を用いて行うも
のであり、副筐体28の左，右側には蓋板29,30に相当す
る磁性体又は非磁性体の蓋板43,44が設けられ、右側の
蓋板44は電子放出孔36が形成されている。

そして、副プラズマ室31に設けられたアンテナ42は左側
の蓋板43を貫通して同軸ケーブル41に接続され、その先
端部は、マイクロ波放電を引き起こし易いように副プラ
ズマ室31の壁面に近接して設けられている。

また、副筐体28の外周に永久磁石11が設けられ、副プラ
ズマ室31内にECR条件以上の磁場を発生する。

そして、ケーブル41,アンテナ42を介して副プラズマ室3
1にマイクロ波が導入されると、副プラズマ室31がマイ
クロ波空洞共振器条件で形成されていない場合でも、ア
ンテナ42の先端部と副プラズマ室31の壁面との間の高電
界によりマイクロ波放電が容易に発生する。

さらに、このマイクロ波放電の発生により、導入口34か
ら副プラズマ室31に導入されたガスが電離されて副プラ
スマ39が生成され、実施例１と同様にして電子放出孔36
から主プラズマ室38に電子ｅが供給される。

この場合、同軸ケーブル41とアンテナ42を用いているた
め、第１図のように副プラズマ室31がマイクロ波空洞共
振器条件の制約を受けず、副プラズマ室31を小形に形成
することができる。

なお、アンテナ42を複数個にして電子放出量の増大を図
ることができる。

また、磁石11は電磁石でもよく、さらに、蓋板43,44を
磁性材料で構成して磁石11を小形化することも可能であ
る。

（実施例３） 第２図の副プラズマ39の生成手段Ａを、カウフマン型イ
オン源装置に適用した実施例３を第３図に示す。

この第３図においては、アーク電源12の陽極アノード５
に接続されてその陰極が生成手段Ａの副筐体28に接続さ
れ、副筐体28全体が主筐体37より低電位になる。

そして、この実施例の場合も実施例1,2の場合と同様に
して電子が主プラズマ室38に供給される。

この第３図に示すイオン源装置において、2.45GHz,20W
のマイクロ波を使用して実験した結果、直流放電電流は
2Aとなり、電極群７が引出し口径2.5cmφと多孔式電極
の場合、ビーム電流100mAでアルゴンイオンビームが安
定に引出された。

（実施例４） 第２図の副プラズマ39の生成手段Ａを２個バケット型イ
オン源装置に適用した実施例４を第４図に示す。

この場合、２個の生成手段A,すなわち２個の副プラズマ
室31から主プラズマ室38に電子ｅが供給されるため、供
給電子量が増加して大型のイオン源装置に有効である。

なお、生成手段Ａを３個以上用いてもよく、また、第１
図の副プラズマの39の生成手段Ｂを、カウフマン型イオ
ン源装置に１個又は複数個適用し得ることは勿論であ
る。

また、複数個の生成手段A,Bを用いる場合、マイクロ波
電力を個々に制御し、各生成手段A,Bからの放出電子量
を調整することが好ましい。

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように構成されているため、以
下に記載する効果を奏する。

電子放出源としての副プラズマ室31において高周波放電
により電子放出用の副プラズマ39が生成され、この生成
により主プラズマ室38のプラズマ生成に必要な電子が形
成され、この電子が主プラズマ室38に供給されるため、
従来のように、フィラメント，熱電子放出材等の消耗性
材料を高温に加熱して維持し、熱電子放出現象を利用す
る場合に比し、材料の消耗がなく、電子放出源が極めて
長寿命になり、数百時間以上の長時間の連続運転を可能
にすることができる。

そして、副プラズマ室31の副プラズマ生成に用いる電離
用のガスに、希ガス以外のガスを用いることができ、そ
の種類に制約がないため、この電離用ガスに主プラズマ
室38のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合、主プラ
ズマ室38の主プラズマ40が所望のイオン化ガスのみのプ
ラズマとなり、良質のイオンビームを形成することがで
きる。

さらに、イオンビームの生成に酸素等の反応性ガスを用
いた場合でも、酸化消耗するものがなく、プラズマの生
成を安定に長時間維持することができる。

しかも、蓋板30,44は副筐体28と同電位に形成され、直
流電源（アーク電源12）により蓋板30,44を含む副筐体2
8全体が主筐体37より低電位になり、電子放出孔36を介
した副筐体28側から主筐体37側への電子の供給が、両筐
体28,37間の電極電圧により電子を加速して引き出す電
子銃方式でなく、主，副プラズマ40,37の電位差にした
がって行われる。

このとき、電子放出孔36付近の両プラズマ40,39の境界
面に両プラズマ40,39のダブルシースが形成され、前記
電子銃方式で問題となる電子のみの空間電荷層の形成が
なく、電子加速用（引出用）の電極等を用いない簡単な
構成で電子を供給量の制限なく効率よく主プラズマ中に
放出し、効率よく多量のイオンビームを形成することが
できる。

したがって、プラズマ生成方式により、消耗性材料の熱
電子放出現象を利用することなく、しかも、電子加速用
の電極等を設けない簡単な電子供給量（引き出し量）の
制限なく、イオン化ガスのプラズマを生成し、電子放出
源の材料消耗を皆無にして長時間の使用を可能にすると
ともに、イオン化ガスのみのプラズマ生成を可能にし、
良質のイオンビームを効率よく形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はそれぞれ本発明の各実施例の構成
図、第５図ないし第７図はそれぞれ従来装置の構成図で
ある。 ７……イオンビーム引出し電極群、12……アーク電源、
18……絶縁体、28……副筐体、34……ガス導入口、36…
…電子放出孔、37……主筐体、39……副プラズマ、40…
…主プラズマ。

フロントページの続き (72)発明者 野川 修一 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−93834（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電離用のガス導入口が形成され，高周波放
   電により電子放出用の副プラズマを生成する副筐体と、 前記副筐体に絶縁体を介して連設された主筐体と、 前記副筐体の前記主筐体側に形成された，前記副筐体と
   同電位の蓋板と、 前記蓋板に形成された電子放出孔と、 前記副筐体を前記主筐体より低電位にし，前記電子放出
   孔から前記主筐体内に電子を供給し，直流放電により前
   記主筐体内に主プラズマを生成する直流電流と、 前記主プラズマからイオンビームを引き出すイオンビー
   ム引出し電極と を備えたことを特徴とするイオン源装置。