JPH08111198A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 カソードとしてコイル状のフィラメントを搭
載し、フィラメントを直流電源により加熱するようにし
たイオン源において、イオンを効率良く引き出し、イオ
ン電流値を増加させ、しかもイオン源の損傷を極力軽減
できるようにすること。 【構成】 本発明によるイオン源は、アークチャンバー
内に生成されるプラズマの密度の高い部位と整合させて
アークチャンバー内からイオンを引き出す開口を設け、
またアークチャンバー内からイオンを引き出す開口が所
定のイオンビームラインの軸線上に一致するように位置
決め、装着したことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン注入装置やイオ
ンビーム照射装置に用いられ得るイオン源に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】

従来の技術の構成の説明 従来の量産用の200kV イオン注入装置で使用されている
直流放電型のイオン源の一例を図３及び図４に示す。図
３はその外観と電気配線を示し、また図４にはイオン源
のトッププレートを外してアークチャンバー内部を示
す。図３及び図４において１はアークチャンバーの側壁
であり、Ｍｏ（モリブデン）等の高融点金属で構成され
ている。２はアークチャンバースリット（以下トッププ
レートと記載する）であり、アークチャンバーの側壁１
にはめ込まれて固定されている。３はリペラー用エンド
キャップであり、４はフィラメント用エンドキャップで
あり、アークチャンバー側壁１とトッププレート２とさ
らに図中には示されていないがトッププレート２に向い
合って底板が取り付けられており、これらの面で画定さ
れている角型の容器の底と蓋として両側に取り付けられ
ている。５はガス供給管であり、その一端はアークチャ
ンバーの側壁１に取付けられ、他端は図示されていない
が、イオン源の取付けフランジから真空シールされて大
気側に取り出され、バルブや流量調整弁を介して材料ガ
ス容器に連結されている。また、図４において６はアー
クチャンバー内部に設けられたタングステン等の高融点
金属から成るフィラメントであり、１〜２巻回程度のス
パイラル形状をしている。フィラメント６の両端は図示
したようにフィラメント用エンドキャップ４に取り付け
られたボルト・ナット構造のフィラメント用碍子７の貫
通孔を通って金属製のフィラメントクランプ８に接続さ
れている。すなわち各フィラメントクランプ８には縦に
割れ目が設けられており、この割れ目にフィラメント６
の端部を差込むことによりフィラメントクランプ８にフ
ィラメント６を固定している。また各フィラメントクラ
ンプ８は、図示されていないがイオン源の取付けフラン
ジに設けられた導入端子に接続され、各導入端子はケー
ブルを介してフィラメント電源９に接続されている。ア
ークチャンバー内部でフィラメント６に対向した位置に
は反射電極（以下、リペラーと記載する）10が設置され
ており、このリペラー10は、リペラー用エンドキャップ
３に取り付けられた、フィラメント碍子７と同様の構造
をもつリペラー用碍子11にナット12で固定されている。
このリペラー10はリペラー用碍子11によってリペラー用
エンドキャップ３から電気的に絶縁されているため、電
位的には浮遊電位となっている。このように構成された
アークチャンバーユニットを上下から挟んで図面には全
体を示してないがコの字型の電磁石のヨークが設けら
れ、このヨークにはコイルが巻回され、その両端は図示
されていない直流電源の正極、負極端子に接続されてい
る。なお図３には上側の磁極端13と下側の磁極端14のみ
を示す。また、このアークチャンバーユニットはアーク
チャンバー固定台15にアークチャンバーの縦方向の中心
線と固定台15の縦方向の中心線を合せて取付けられてい
る。

【０００３】つぎにトッププレート２のアークスリット
の軸線上に配列される電極群について説明する。16は加
速・減速電極であり、この加速・減速電極16はトッププ
レート２と間隔をおいて位置決めされ、イオン源を収納
する図示してない真空容器（モジュールチャンバー）の
側壁から10kV程度の耐電圧を有する真空シールの電流導
入端子に取付けられ、そして加速・ 減速電源17に接続さ
れている。加速・減速電極16の前方には引出し電極18が
配置され、前述のモジュールチャンバーの内壁に固定さ
れ、また電位的に図示されていないが、高電圧ターミナ
ルの電位に接地されている。加速・減速電極16及び引出
し電極18の各々の穴の中心はアークスリットの中心と一
直線の軸上に揃うようにされている。

【０００４】イオン源の電源の結線については図３に示
すように、引出し電源19は通常20〜50kVの出力電圧をも
ち、極性は正（プラス）である。この引出し電源19の負
（マイナス）側は引出し電源19に接続され、正（プラ
ス）の出力側はアークチャンバーの側壁１と同じ電位に
接続されている。加速・ 減速電源17の正（プラス）側は
高電圧ターミナル電位に接地され、 負（マイナス）の出
力側は加速・減速電極17に接続されている。20はアーク
電源であり、このアーク電源20の負（マイナス）側は引
出し電源19の出力側（プラス）の電位に接地され、一方
の正の出力側はアークチャンバーの側壁１の電位に接続
されている。フィラメント電源９の負（マイナス）側は
アーク電源20の正（プラス）側の電位に接地されてい
る。

【０００５】従来の技術の作用及び動作の説明 従来のイオン源の作用及び動作を図３及び図４に基いて
説明する。フィラメント電源９の出力端子からの電流は
フィラメントクランプ８を介してフィラメント６に通電
される。ジュール加熱によりフィラメント６は高温に熱
せられ、フィラメント６の表面温度が1000〜2000℃に達
すると、電子が放出され。この時、フィラメント電源９
に対しアーク電源20による構成要素１、２、３、４から
成るアークチャンバーの電位は100〜200vプラスに昇圧
されている。これにより、フィラメント６から放出され
た熱電子はアークチャンバー内壁に向って加速される
が、上側の磁極端13と下側の磁極端14との間に形成され
た磁場によって、アークチャンバー内には磁力線が上下
に存在するため、熱電子は磁力線に巻き付き旋回運動を
する。一方、リペラー10は電位的に浮遊電位であること
から、放出された電子はリペラー10に達すると、リペラ
ー10は負の電位にチャージアップする。従って、アーク
チャンバー内には上側にフィラメント６が存在し、下側
にリペラー10が存在するので、電位的にはアークチャン
バー内に上下の空間で電位が下がる。上記で説明したよ
うにアークチャンバー内の空間には水平面内には磁力線
によって電子を中心方向に束縛し、上下には電界によっ
て電子を束縛することで電子をアークチャンバー内に効
率良く閉じ込めることができる。この状態でガス供給管
５から所望のイオンの元素を含んだ化合物のガスを導入
することにより、アーク電源20の電位差によって加速さ
れた熱電子が衝突し、材料ガスの電子は解離し、さらに
電離がアーク放電の段階に発展しイオンが形成される。
一方、イオンは、熱電子が上記で述べた磁場と電場によ
ってフィラメント６の軸上に沿って閉じこめられている
ため、クーロン力によりイオンはフィラメント６から放
出される熱電子流の回りに引寄せられ、アークチャンバ
ー内をマクロ的に見渡すと電位的には中性となりプラズ
マＰとなる。この時、リペラー10の表面は電子によって
負にチャージアップしているか、発生したイオンがリペ
ラー10の表面に引寄せられ、電位的に少し持上がり、ア
ーク電源20のマイナス電位とプラス電位の何処かの電位
に落ち着く。このアークチャンバー内に形成されたプラ
ズマは、加速・減速電源17と引出し電源19とにより加速
・減速電極16とアークスリットとの間に形成される強電
界の働きで、アークチャンバーユニット内部で形成され
たプラズマのうちイオンのみがアークスリットの矩形穴
2aから引き出されてイオンビームとなり、加速・減速電
極16及び引出し電極18の穴を、引出し電源19から出力さ
れた電圧とイオンの価数との積のエネルギーを持って通
過する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来のコ
イル状のフィラメントとリペラー電極とを有するイオン
源でしかもフィラメントの加熱に直流電源を使用してい
る場合には、フィラメント６の左右（横方向）において
一方がマイナス側、他方がプラス側となり、フィラメン
ト６の横方向でアーク電源20の正極に対し、電位が異な
ることになる。例えば、図４において左側のフィラメン
トクランプ８にフィラメント電源９のマイナス側が接続
され、右側のフィラメントクランプ８にプラス側が接続
され、フィラメント電源９が約５Ｖ出力し、一方、アー
ク電源20が160V出力されていると、左側のフィラメント
の電位はアーク電圧に対し、−160Vだが、右側のフィラ
メントは−155V（−160V＋5V）となる。このことからア
ークチャンバー内でプラズマが形成された場合、熱電子
の放出量やプラズマは−160Vの電位差である左側のフィ
ラメント電極に向かって加速され、衝突し、さらに、そ
の表面から電子が放出することになる。またフィラメン
ト６の曲率が最大である部分は抵抗値も高くなり、この
部分の温度がフィラメントの他の部分より高くなり、熱
電子の放出量が多くなる。以上のことからフィラメント
６の左側近辺に熱電子柱が形成され、それをイオンが包
むように集りプラズマが形成される。従って、プラズマ
の密度の空間分布は点線で示すようにフィラメント６の
左付近に濃いプラズマが形成される。一方、図面から明
らかなように、トッププレート２の中心に開けられた穴
とプラズマの生成位置がずれ、その結果、イオンが効率
的に引出されずビーム電流は減少する。また引出された
イオンも出射角が水平面でトッププレート２及び加速・
減速電極16の穴さらには引出し電極18の穴の中心を結ぶ
軸線上からずれるため、加速減速・電極16に衝突して２
次電子を発生させ、こうして発生した２次電子は引出し
電圧によって加速され、トッププレート２の表面に衝突
し、熱的な損傷を与えることになる。そこで、本発明
は、このような従来のイオン源に伴う問題点を解決し、
イオンを本来のイオンビームの軸線上に沿って引き出す
ように構成して、イオンを効率良く引き出し、イオン電
流値を増加させ、しかもイオン源の損傷を極力軽減でき
るようにしたイオン源を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、 カソードとしてコイル状のフィラメントを搭載
し、フィラメントを直流電源により加熱するようにした
イオン源において、本発明は、アークチャンバー内に生
成されるプラズマの密度の高い部位の位置とアークチャ
ンバー内からイオンを引き出す開口の位置とを相互に整
列させて構成し、またアークチャンバー内からイオンを
引き出す開口が所定のイオンビームラインの軸線上に一
致するように位置決め、装着したことを特徴としてい
る。好ましくは、イオンを引き出す開口はコイル状のフ
ィラメントの曲率が最大となる箇所に対応して位置決め
され得る。代わりに、コイル状のフィラメントの曲率が
最大となる箇所はイオンを引き出す開口に対応して位置
決めされ得る。

【０００８】

【作用】このように構成した本発明のイオン源において
は、イオン引き出し用の開口の位置をアークチャンバー
内のプラズマの生成位置に合わせてプラズマ密度の高い
部分に一致させるように構成すると共にイオン引き出し
用の開口が所定のビームラインの軸線上にくるようにア
ークチャンバーを位置決めしているので、密度の濃いプ
ラズマから加速・減速電極及び引出し電極の穴を通りビ
ームラインの軸線に沿って多量のイオンビームが引出さ
れることになり、従ってビーム電流は増加し、加速・減
速電極に衝突するイオンを極力低減することができ、そ
れにより加速・減速電極での２次電子の発生に伴う熱的
損失を抑えることができるようになる。

【０００９】

【実施例】

実施例の構成の説明 以下添付図面の図１及び図２を参照して本発明の一実施
例について説明する。図１において21はＭｏ等の高融点
金属で構成されるアークチャンバーの側壁であり、22は
アークチャンバースリットを備えたトッププレートであ
り、アークチャンバーの側壁21にはめ込まれて固定され
ている。アークチャンバーの側壁21の上下端部にはそれ
ぞれリペラー用エンドキャップ23及びフィラメント用エ
ンドキャップ24が嵌合されており、トッププレート22に
向い合った側には底板（図示してない）が取り付けられ
ている。、これらの面部材によって角型の容器すなわち
アークチャンバーが画定されている。アークチャンバー
の側壁21の一方には、図示してないがバルブや流量調整
弁を介して材料ガス容器に連結されるガス供給管25が取
り付けられている。また、図２に示すようにアークチャ
ンバー内部には、タングステン等の高融点金属から成
り、１〜２巻回程度のスパイラル形状をしているフィラ
メント26が設けられおり、このフィラメント26の両端は
それぞれ図示したようにフィラメント用エンドキャップ
24に取り付けられたボルト・ナット構造のフィラメント
用碍子27の貫通孔を通って金属製のフィラメントクラン
プ28に接続されている。各フィラメントクランプ28は、
図示されていないがイオン源の取付けフランジに設けら
れた導入端子に接続され、各導入端子はケーブルを介し
てフィラメント電源29に接続されている。アークチャン
バー内部でフィラメント26に対向した位置には反射電極
を成すリペラー30が設置されており、このリペラー30
は、リペラー用エンドキャップ23に取り付けられた、フ
ィラメント碍子27と同様の構造をもつリペラー用碍子31
にナット32で固定され、そしてリペラー用碍子31によっ
てリペラー用エンドキャップ23から電気的に絶縁されて
いるため、電位的には浮遊電位となっている。このよう
に構成されたアークチャンバー組立体の上下には直流電
源によって励磁されるコの字型の電磁石の磁極端33、34
が示されている。また符号35はアークチャンバー組立体
を固定支持する固定台である。アークチャンバー組立体
のトッププレート22のイオン引き出し用開口22a の前方
には加速・減速電極36が配置され、この加速・減速電極
36は加速・ 減速電源37に接続されている。また加速・減
速電極36の前方には引出し電極38が配置され、引出し電
源39に接続されている。これらの電極はイオンビームＢ
を通す孔を備えており、各孔はイオンビームＢの軸線に
沿って整列して配列されている。なお符号40はアーク電
源であり、各電源は図１に示すように結線されている。
以上の構成は図３及び図４に示す従来のイオン源の場合
と実質的に同じであるが、本発明では図２に示すように
トッププレート22の開口部はフィラメント26の曲率が最
大の箇所すなわち生成されるプラズマＰの密度の高い位
置と整合するようにトッププレート22の中央部ではなく
片側へ偏心させて設けられている。また、アークチャン
バー組立体は、トッププレート22の開口部が加速・減速
電極36及び引出し電極38の孔を通るイオンビームＢの軸
線上に整列するように側方にずらして固定台35に取付け
られている。

【００１０】実施例の作用、動作の説明 図２に示すようにフィラメントに対してトッププレート
のイオン引き出し用の開口の位置を偏心させて設けた図
示したイオン源の動作及び作用について説明する。従来
の技術の項で記載したようにコイル状のフィラメントを
搭載した直流放電型のイオン源ではプラズマがコイル状
のフィラメントの中心で点灯せず、コイル状のフィラメ
ントの曲率が最大の箇所で点灯することが認められてい
る。そこで本発明では曲率が最大の箇所かフィラメント
電源29のマイナス側に接続されているフィラメント端側
にトッププレート22のイオン引き出し用の開口22a を位
置決めしているので、このイオン引き出し用の開口は、
熱電子の放出量が多く、プラズマ密度の高いプラズマが
形成される領域に対向することになる。その結果このプ
ラズマ密度の高い部分からイオン引き出し用の開口22a
を介してイオンが引出されることになる。

【００１１】他の実施例の説明、他の用途への転用例の
説明 図示実施例ではトッププレートのイオン引き出し用の開
口の位置をフィラメントの曲率が最大になる位置に整合
して設けているが、フィラメントの曲率の最大になる部
位を、トッププレートのイオン引き出し用の開口に整合
したアークチャンバー内の位置に配置するようにするこ
ともできる。

【００１２】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によるイ
オン源においては、アークチャンバーのトッププレート
におけるイオンを引出すための開口の位置とフィラメン
トの熱電子の放出量の分布において最大の箇所（すなわ
ちフィラメントの曲率が最大でかつフィラメントの電位
とアソード電位の差が最大となる部分）の位置とを整合
させて構成したことによって、プラズマ密度の高いプラ
ズマからイオンを引出すことができ、それにより、イオ
ン電流値を最大に得ることができる。また本発明による
イオン源ではアークチャンバー内に生成されるプラズマ
の密度の高い領域と引出されるイオンビームの軸線とが
整列しているため、加速によるレンズ効果によって加速
・減速電極の孔及び引出し電極の孔をこれらの電極の表
面にほとんど衝突することなく通過させることができ、
その結果、これら両電極のイオン衝撃による損傷を低減
することができ、それにより加速・減速電極やイオン源
のトッププレートの寿命を延すことが可能となる効果が
もたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるイオン源の一実施例を示す概略
斜視図。

【図２】 図１に示すイオン源のトッププレートを取り
外して内部を示す概略図。

【図３】 従来のコイル状フィラメントを搭載している
イオン源の一例を示す概略斜視図。

【図４】 図３のイオン源のトッププレートを取り外し
たときのイオン源の内部を示す概略図。

【符号の説明】

21：アークチャンバーの側壁 22：トッププレート 23：リペラー用エンドキャップ 24：フィラメント用エンドキャップ 25：ガス供給管 26：フィラメント 27：フィラメント用碍子 28：フィラメントクランプ 29：フィラメント電源 30：リペラー 31：リペラー用碍子 32：ナット 33：磁極端 34：磁極端 35：固定台 36：加速・減速電極 37：加速・減速電源 38：引出し電極 39：引出し電源 40：アーク電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カソードとしてコイル状のフィラメントを
   搭載し、フィラメントを直流電源により加熱するように
   したイオン源において、アークチャンバー内に生成され
   るプラズマの密度の高い部位の位置とアークチャンバー
   内からイオンを引き出す開口の位置とを相互に整列させ
   て構成し、またアークチャンバー内からイオンを引き出
   す開口が所定のイオンビームラインの軸線上に一致する
   ように位置決め、装着したことを特徴とするイオン源。
2. 【請求項２】イオンを引き出す開口をコイル状のフィラ
   メントの曲率が最大となる箇所に対応して位置決めした
   請求項１に記載のイオン源。
3. 【請求項３】コイル状のフィラメントの曲率が最大とな
   る箇所をイオンを引き出す開口に対応して位置決めした
   請求項１に記載のイオン源。