JPH077641B2 - イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ア）技術分野 この発明は、マイクロ波と磁界を用いてプラズマを生成
するイオン源において、より高密度のプラズマを生成で
きるようにしたものに関する。

マイクロ波と磁界とを用いてプラズマを生成するものは
ECR（Electron Cyclotron Resonance）型といわれる。
軸方向の静磁場Ｂがあり、これに対する電子のサイクロ
トロン周波数qB/2πｍが、マイクロ波の周波数にほぼ等
しくなるようにしてある。

電子は磁力線のまわりを回転する。これをサイクロトロ
ン運動という。マイクロ波の周波数と同じ周期を持つの
で、これと同期して加速される。加速されたものは回転
半径が大きくなり、速度も大きくなる。

このように、高速の運動をする電子が、ガス分子に衝突
すると、これを正イオン、電子或は中性活性種へと励起
する。二次電子が出るので、これが同様な作用をするか
ら、速やかにプラズマ状態になる。

電子を生ずるため熱陰極を用いるイオン源は古くから用
いられているが、反応性ガスを導入すると、フイラメン
トが切れてしまう。

ECR型イオン源はフイラメントがないので、反応性の強
いガスに対しても長寿命である。

ECR型イオン源は、反応性イオンビームエツチングやECR
CVD（薄膜形成）に使われる。

（イ）従来技術 第２図に従来例に係るイオン源を示す。

イオン源チヤンバ１は円筒形の容器であり、真空に引く
事ができる。これは、円筒の外周に沿つてコイル２を有
する。コイル２により軸方向の磁場を生ずる。

マイクロ波発振器６に於て、マイクロ波が発生する。こ
れは、導波管４、スリースタブチューナー５、導波管４
を通り、誘電体３を経て、イオン源チヤンバ１の中に入
る。

イオン源チヤンバ１には、ガス導入系17よりイオン化す
べきガスが導入される。このガス分子が、マイクロ波と
磁場の作用によりプラズマに励起される。

イオン源チヤンバ１の他の端面には引出電極系７があ
る。これは、加速電極と減速電極とを重ね合わせたもの
である。いずれも多孔板の電極である。これにより、イ
オンビームとして引出される。

イオン源チヤンバ１の左方には、試料（図示せず）を保
持する真空チヤンバ（図示せず）があり、イオンビーム
は試料に当つて、エツチング作用或は薄膜形成作用を行
なう。

イオン源チヤンバ１内にはプラズマが充満している。つ
まり、正イオン、電子の集合である。その他にガス分子
（基底状態）や中性活性種などがある。

磁場の作用により、荷電粒子はサイクロトロン運動する
が、熱運動、散乱により、正イオン、電子はチヤンバ１
内のどこへでも飛んでゆく事ができる。

一方の端面のみからイオンを引出している。イオンとし
て引出される前に壁面に当つて中性化するものもある。
マイクロ波のパワーのうち、イオンとして取出されるエ
ネルギーは100〜50W程度である。残りは、熱になつて散
逸する。

（ウ）発明が解決しようとする問題点 マイクロ波発振器からイオン源チヤンバまで、導波管に
よつて、マイクロ波を伝送する。導波管の寸法が大きい
ので、嵩高い設備になつてしまう。

イオン源チヤンバの大きさは、マイクロ波の周波数が決
まると、ほぼ決まつてしまう。これに大きい導波管がつ
ながるので、全体としての設備の寸法は大きい。また、
途中にスリースタブチューナーを介装して、マツチング
をとらなければならない。

例えば、マイクロ波の周波数を2.45GHzとすると、これ
に対して標準的に用いられる導波管の内のりの寸法は5
4.6mm×109.2mmである。導波管両端のフランジは、106.
5mm×161mmである。

これは、2.45GHz近傍のマイクロ波のTE₁₀モードだけを
通すように設計された導波管である。矩形の長辺が短辺
の２倍になつている。

ハーフサイズの導波管は、内のりが27mm×96mm、フラン
ジ寸法が60mm×130mmであつて、前述のものの約半分で
ある。

いずれにしても、導波管は直線でなければならないし、
嵩高いものであるので、設備を肥大化させる。

導波管を使うので、イオン源の設備をする上で、種々の
制約が生ずる。これは導波管が細長い剛体であるからで
ある。

マイクロ波であるから、同軸線によつて伝送する事がで
きる。この場合は、内線、絶縁被覆、外線よりなり、内
線と外線には電流が流れる。絶縁被覆の中に生ずる電場
は軸に直角で放射状である。磁場は軸を中心とする同心
円を描く。電場、磁場ともに進行方向に直角である。TE
Mモードという。

同軸線であれば、直線状に保たなくてはならないという
事もなく、可撓性があるので曲げる事ができる。

しかし、同軸線には、電流が流れ、電流の作用によつて
電場、磁場を維持してゆくのであるから、当然、ジュー
ル熱損失が伴う。

これは、周波数に比例するので、高い周波数になればな
るほど損失が大きくなる。

2.45GHzの程度では、同軸線で伝送できるマイクロ波パ
ラーはせいぜい100W程度である。

第２図に示す従来例に於て、マイクロ波発振器６で発生
しているマイクロ波パワーは、1.0〜1.5kWであるのが普
通である。これが減衰してイオン源チヤンバに入るが、
入つたパワーはやはり1kW程度あるものと考えられる。

100W程度のマイクロ波では殆ど役に立たない。であるか
ら、同軸線でマイクロ波を伝送する、というのは有効な
方法ではない。

もうひとつ、第２図のイオン源には問題がある。それ
は、マイクロ波の利用効率が低いという事である。これ
は、イオン源チヤンバ１が軸方向に長いことによる。い
つたんプラズマになつても、引出される前に、再結合し
中性化するガス分子が多いからである。

このように、導波管が嵩高い事による設置上の制約、マ
イクロ波利用効率の低さ、これらが第２図のイオン源の
問題である。

（エ）構成 本発明のイオン源に於ては、ふたつの工夫がなされる。

ひとつは、イオン源チヤンバの側壁に直接にマグネトロ
ンを取付け、ここからマイクロ波を発生させイオン源チ
ヤンバの中へ供給することである。マイクロ波発振器が
外部にあつて、導波管又は同軸線で伝送するというので
はない。イオン源チヤンバに直付けしてある。このため
伝送路が不要である。

もうひとつは、イオン源チヤンバの空間の一部を誘電体
によつて占有させ、ガスが存在する空間を狭くしてい
る、という事である。軸方向にガス存在空間を狭くし、
引出電極などは小さくしない。すると、プラズマ存在空
間Ｖを、実効的な引出電極の面積Ｓで割つた実行奥行き
ｌが短かくなり、プラズマが引出されやすくなる。つま
りマイクロ波の利用効率が高まる。

第１図は本発明のイオン源の一例を示す縦断面図であ
る。

イオン源チヤンバ１は円筒形状である。この中にマイク
ロ波の定在波が存在する事になる。空胴共振器として作
用する。これは第２図のものと変わらない。ただし、一
方の端面からマイクロ波が入つてくるというのではな
く、端面が盲板になつている。

そのかわり、マグネトロン８がイオン源チヤンバ１の円
筒面に取付けられている。マグネトロン８はマイクロ波
を生じ、高周波ドーム12から電波として放射するように
なつている。マグネトロンの接地側は、イオン源チヤン
バ１壁に接続されている。

このマイクロ波の管内波長をλg/とすると、マグネトロ
ン８の高周波ドーム12は、イオン源チヤンバ１の端面か
らλg/4の地点に位置するようにするのがよい。

これは、マイクロ波の定在波が生じた時、その腹の部分
に高周波ドーム12が位置する、という事である。こうす
ると、結合効率が高くなる。

マグネトロン８の外周は、強磁性体よりなる磁気シール
ド９によつて覆われている。これは、マグネトロンの内
部に生ずる磁場が外部へ漏れないため、という目的と、
外部磁場がマグネトロンの動作を妨害しないという目的
のためである。

高周波ドーム12はアンテナとなり、マイクロ波を放射す
る。これと空胴共振モードとはＥ結合（静電結合：電場
と結合する）であつても、Ｈ結合（電磁結合：磁場と結
合する）であつてもよい。

イオン源チヤンバ１には、その内部に長手方向の大部分
を占有するよう誘電体10を挿入している。

イオン源チヤンバ１の軸方向の長さをＬとする。誘電体
10の外径が、イオン源チヤンバ１の内径にほぼ等しくし
てあるので、ぴつたり嵌まる。誘電体10の軸方向の長さ
をｑとする。残りの（Ｌ−ｑ）＝ｄの部分がプラズマ生
成空間13である。

奥行がｄであるプラズマ生成空間13には、ガス導入系
（図示せず）があつて、ガスが導入される。

プラズマ生成空間13の周囲には、軸方向の磁場を生ずる
コイル２が設けてある。

コイル２は内周は開いているが、外周と両端面とは磁気
シールド９′によつて覆われている。磁気シールド９′
は強磁性体よりなる。これは、マグネトロン８に対して
磁気的な相互作用を及ぼさないためである。

さらに、イオン源チヤンバ１の円周壁の半ばには、整合
器兼モード変換器11が設けてある。

これは、３つのスタブを出入れするようにしたものであ
る。スタブはλg/8ずつ離れている。スタブを出し入れ
して、チヤンバ内に存在しうるモードを指定するわけで
ある。

これは、マグネトロン８に対向する壁に３つのスタブを
設けたものであるが、円周方向にさらにいくつか設ける
ようにしてもよい。

モードといつても軸方向のモードである。面内方向のモ
ードは決まつていて、例えばTE₁₁モードである。TE_11m
と書いた軸方向のモード次数ｍを指定する。

イオン源チヤンバ１の出口側には、引出電極系７があ
り、プラズマからイオンビームを引出す。これは、多孔
板の電極であり、加速電極と減速電極とを重ね合わせた
ものである。

（オ）作用 マグネトロン８に於て、マイクロ波が生じる。マグネト
ロンは空冷又は水冷すれば、2kW程度の出力のものを使
う事ができる。このマイクロ波は高周波ドーム12から、
イオン源チヤンバ１の中へ給電される。

高周波ドーム12は、たとえばＥ結合（静電結合）とし、
チヤンバの端面からλg/4の位置にあるので、効率良く
給電できる。

空胴共振器であるイオン源チヤンバ１には、ある定まつ
たモードのマイクロ波のみが存在する。高周波ドームか
ら出たマイクロ波は、空胴共振モードに変換される。

空胴共振モードに適合するよう整合器兼モード変換器11
のスタブを調整する。

マイクロ波は、誘電体10とプラズマ生成空間13にわたつ
て存在する。両者の誘電率が異なるので波長が異なる。

界面14で誘電率の差異により一部が反射する。しかし、
プラズマ生成空間13の奥行きｄがλg/2より小さけれ
ば、ここに独自の定在波が存在しえない。このため、反
射波は安定なモードを作る事ができない。

つまり、界面14での反射はあまり問題にならないという
事である。

誘電体10が大きな体積を占める。プラズマ生成空間13は
狭い。狭いといつても、直径方向の寸法は同じである。
このため、プラズマ生成空間の単位体積あたりのマイク
ロ波供給エネルギーＱは大きくなる。

より詳しく説明する。マイクロ波の全エネルギーをＷと
し、イオン源チヤンバの断面積をＳとする。単位面積あ
たりのマイクロ波供給量はW/Sである。

従来の第２図のものでは、単位体積あたりのマイクロ波
供給エネルギーQ₂は、チヤンバの長さをＬとして、 である。Ｌが大きいので、Q₂は小さい。

ところが本発明では、単位体積あたりのマイクロ波供給
エネルギーQ₁は である。Q₁がQ₂より大きいのは明らかである。

プラズマの生成は、単位体積あたりのマイクロ波供給エ
ネルギーＱにほぼ比例する。従つて、本発明のイオン源
は、より高密度のプラズマを生成する事ができる。

高密度のプラズマが生成できるので、引出電極系でイオ
ンビームを引出した場合、イオンビーム電流はより強い
ものになる。つまり、高密度のイオンビームが得られる
ので、試料（図示せず）に照射した時、イオン処理の能
率が高くなる。

ただし、マイクロ波の単位面積当りエネルギーW/Sが同
じなのであるから、軸方向にQ₁、Q₂を積分したQ₁d、Q₂L
は同一である。だから、イオンビーム電流は同じ、と考
えられるかも知れない。しかしそうではない。引出電極
系７によつて、引出しうるのは、近傍の一部のプラズマ
だけである。引出電極系７から離れた部分のプラズマ
は、再結合し消滅する事が多い。つまり、イオンビーム
の大小を決定するものは、軸方向のプラズマの積分値で
はなく、引出電極系近傍のプラズマ密度なのである。

本発明は、誘電体10を挿入する事によりプラズマ生成空
間13を狭まくし、プラズマの高密度化を達成している。

誘電体10は、単に充填材としての作用の他に、いくつか
の作用がある。

マグネトロン８の高周波ドーム12は、誘電体10で囲まれ
ている。反応性のガスに接触しない。このため高周波ド
ーム12は反応性ガスによつて腐蝕されない。

整合器兼モード変換器11のスタブも、誘電体10によつて
保護されている。このため反応性ガスによつて腐蝕され
ない。

さらに、プラズマと接触する部分は加熱されるので、冷
却の必要がある。誘電体10によつて、高周波ドーム12、
スタブがプラズマから遮断されているので、これらは激
しく加熱されるという事がない。冷却の必要もない。

導波管のようなものがイオン源チヤンバから延長してい
ないので、このイオン源は全体として小型になり、据付
け場所の制約などが少なくなる。

これは、マグネトロン８を直付けしたからである。マグ
ネトロンは1.5kW〜2kWの大きい出力のものを使う事もで
きる。

しかし、先に述べたように、本発明では、プラズマ生成
空間の奥行きｄが小さいので、単位体積あたりのマイク
ロ波供給エネルギーQ₁が大きくなる。そこで、マイクロ
波パワーＷをより小さくする事ができる。

よりパワーの小さい、例えば500Wのマグネトロンであれ
ば、寸法は100mm×100mm×100mm程度である。極めて小
さい。第２図の導波管４、スリースタブチューナー５、
マイクロ波発振器６を合わせたものが、マグネトロン８
で置換えられるのであるから、これは著しい小型化とい
うことができる。

もちろん、マグネトロン８には、電力を供給するための
コードが接続してある。コードは導波管に比べれば細い
し、自在に曲るので、据付、設置上の制約にはならな
い。（カ）効果 導波管、スリースタブチューナー、マイクロ波発振器な
どがイオン源チヤンバの外側に接続されていないので、
全体的に小型になつている。据付設置上の制約が少なく
なる。狭い空間であつても据付ける事ができる。

プラズマ生成空間が奥行きの浅い空間になつているの
で、単位体積あたりのマイクロ波供給エネルギーが大き
く、高密度プラズマを生成できる。この結果、高出力の
イオンビームを得る事ができる。イオン処理能力が向上
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例にかかるイオン源の縦断面図。 第２図は従来例にかかるイオン源の縦断面図。 １……イオン源チヤンバ ２……コイル ３……誘電体 ４……導波管 ５……スリースタブチューナー ６……マイクロ波発振器 ７……引出電極系 ８……マグネトロン 9,9′……磁気シールド 10……誘電体 11……整合器兼モード変換器 12……高周波ドーム 13……プラズマ生成空間 14……界面 17……ガス導入系

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波および磁界を用いてプラズマを
   生成せしめるイオン源であつて、真空に引く事ができ一
   端が開放され他端が閉じられた円筒形状のイオン源チヤ
   ンバ１と、イオン源チヤンバ１の内径とほぼ同じ外径を
   持ち長さがイオン源チヤンバ１より小さくイオン源チヤ
   ンバ１の閉じられた端部の方へ挿入された誘電体10と、
   イオン源チヤンバ１の壁面に取付けられマイクロ波を発
   生するマグネトロン８と、マグネトロン８で生じたマイ
   クロ波を放射するためイオン源チヤンバ１の内部であつ
   て誘電体10の部分に挿入されている高周波ドーム12と、
   イオン源チヤンバ１の壁面に取付けられイオン源チヤン
   バ１の内部であつて誘電体10の部分に出入可能に挿入さ
   れている複数のスタブよりなる整合器兼モード変換器11
   と、イオン源チヤンバ１の内部であつて誘電体10の存在
   しないプラズマ生成空間13の周囲に設けられ軸方向の磁
   場を生ずるコイル２と、マグネトロン８の外周を囲む磁
   気シールド９と、コイル２の外周を囲む磁気シールド
   ９′と、イオン源チヤンバ１のプラズマ生成空間13の外
   側に設けられプラズマからイオンを引出すための引出電
   極系７とよりなる事を特徴とするイオン源。