JPH08138596A

JPH08138596A - イオンビーム発生装置

Info

Publication number: JPH08138596A
Application number: JP6280580A
Authority: JP
Inventors: Moritake Tanba; 護武丹波
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 1994-11-15
Filing date: 1994-11-15
Publication date: 1996-05-31
Anticipated expiration: 2018-11-05
Also published as: JP3463896B2

Abstract

(57)【要約】【目的】多価電離イオンの割合が高いイオンビームを
連続して発生することができ、かつ装置の運転を停止す
ることなく異種金属のイオンビームを切り換えて発生で
きるイオンビーム発生装置を提供する。【構成】仕切り板２１で第１チャンバー２２と第２チ
ャンバー２３に区分された真空容器２４と、仕切り板を
貫通する開口孔２５を有し正に印加されるアノード２６
と、第１チャンバー内の開口孔の軸線Ｚに直交して移動
可能に設けられ負に印加される複数のカソード２７と、
真空容器内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入部２
９と、真空容器内に発生するプラズマを少なくとも一時
的に封じ込める磁場を発生させる磁場発生装置３０とを
備える。この装置は、複数のカソード２７を、第１チャ
ンバー内の開口孔の軸線Ｚ上にアノードと対向して位置
するように切り換えるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオンビーム発生装置
に係わり、更に詳しくは、多価電離イオンの割合が高い
イオンビームを連続して発生するイオンビーム発生装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空アーク放電によりカソードを構成す
る物質を気化し、かつイオン化して金属プラズマを形成
し、この金属プラズマからイオンビームを抽出する装置
が既に開示されている（例えば特開昭６３−２７６８５
８号公報）。このイオンビーム発生装置は、図４に例示
するように、真空室１、カソード２、アノード３、アノ
ード保持部材４、トリガー電極５、コイル６、イオン抽
出電極７、等から構成され、カソード２と同心状に配置
したトリガー電極５の間に微小放電を起こさせ、これに
よってカソード２とアノード３の間にアーク放電を発生
させ、このアーク放電によりカソード２の一部を気化さ
せてプラズマ８を形成し、コイル６により形成された磁
場によりプラズマ８をアノード３の開口部を通過させ、
更にイオン抽出電極７によりアノード３を通過したプラ
ズマ８からイオンビーム９を抽出するようになってい
た。

【０００３】しかし、かかるイオンビーム発生装置で
は、真空アーク放電によって形成した金属プラズマ８か
らイオンビーム９を直接引き出しているため、イオンビ
ーム中の多価電離イオンの割合が非常に低く、このため
イオンビームに所定のエネルギーを付与するためのイオ
ン抽出系の電源容量を大きくしなければならないという
問題点があった。また、この装置は、数ミリ秒の短時間
のパルス波でしかイオンビームを発生できない問題点が
あった。更に、この装置は、構造が複雑である問題点が
あった。

【０００４】かかる問題点を解決するために、本願発明
の発明者等は、マイクロ波を真空チャンバー内に導入す
ることにより、多価電離イオンの割合を高めることがで
きるイオンビーム装置を創案し、出願した（特開平５−
１０１７９９号公報）。このイオンビーム装置は、図５
に例示するように、カソード１０、真空チャンバー１
１、マイクロ波導入部１２、アーク電源１３、マルチカ
スプ磁場を形成する磁石１４、イオン抽出電極１５等を
備えており、真空チャンバー１１内を真空にし、マイク
ロ波導入部１２よりマイクロ波を導入してマイクロ波プ
ラズマを発生させ、アーク電源１３を作動させてマイク
ロ波プラズマをトリガーとしてカソード１０とマイクロ
波プラズマ間に真空アーク放電を発生させて、カソード
物質の金属プラズマ１６を形成し、不活性ガスの導入を
停止して真空度を更に下げて金属プラズマ１６のみの真
空アーク放電プラズマを真空チャンバー１１内に残し、
磁石１４により金属プラズマ１６を一時的に封じ込め
て、マイクロ波により多価電離イオンの割合を増加さ
せ、イオン抽出電極１５によってイオンのみを抽出し、
多価電離イオンの割合の高いイオンビーム１７を形成す
るようになっていた。

【０００５】すなわち、マイクロ波の印加によって、プ
ラズマ中の電子のエネルギーを増幅し、これにより、電
子とイオン、又は電子と中性粒子との衝突による多価電
離イオンの形成を促進し、金属プラズマ中の多価電離イ
オンの割合を高める装置であり、図４の装置に比較し
て、多価電離イオンの割合を高め、かつ数秒以上の比較
的長い時間連続してイオンビームを発生させることがで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかるイオン
ビーム発生装置では、異種金属のイオンビームを切り換
えて発生させることができない問題点があった。すなわ
ち、金属イオンの発生源であるカソード材料を変更する
には、装置の運転を停止し、装置を大気開放し、カソー
ドを別の材料のものに交換する必要があり、変更に時間
がかかる問題点があった。そのため、例えば基板の表面
に複数の金属を成膜する場合や、基板の内部に複数の金
属イオンを打ち込む場合等に、基板に与える温度変化や
雰囲気変化が激しく、良質な基板を製造できない問題点
があった。

【０００７】また、装置を一旦停止すると、同一状態の
イオンビームの再現が困難であり、調整に時間がかかっ
たり、調整中の不安定なイオンビームを基板に照射して
しまうおそれがある、等の問題点があった。

【０００８】本発明は、かかる種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、多価電離イオンの割合が高いイオンビームを連続し
て発生することができ、かつ装置の運転を停止すること
なく異種金属のイオンビームを切り換えて発生できるイ
オンビーム発生装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、仕切り
板で第１チャンバーと第２チャンバーに区分された真空
容器と、前記仕切り板を貫通する開口孔を有し正に印加
されるアノードと、第１チャンバー内の前記開口孔の軸
線Ｚに直交して移動可能に設けられかつ負に印加される
複数のカソードと、真空容器内にマイクロ波を導入する
マイクロ波導入装置と、真空容器内に発生するプラズマ
を少なくとも一時的に封じ込める磁場を発生させる磁場
発生装置とを備え、前記複数のカソードは、第１チャン
バー内の前記開口孔の軸線Ｚ上にアノードと対向して位
置するように切り換えられるようになっている、ことを
特徴とするイオンビーム発生装置が提供される。

【００１０】本発明の好ましい実施例によれば、前記複
数のカソードを同一半径Ｒで周方向に支持するカソード
支持円板と、該カソード支持円板の外縁部に一端が固定
され他端が第１チャンバーに固定され、かつ内部が大気
開放された中空円筒形の可撓性ベローと、前記カソード
支持円板を軸線Ｚに直交する平面に保持しかつ軸線Ｚを
中心に同一半径Ｒで揺動させる揺動装置とを更に備え
る。また、前記揺動装置は、前記軸線Ｚに平行なカソー
ド支持円板の中心線を中心に回転可能に支持された先端
部と、前記軸線Ｚを中心に回転可能に第１チャンバーに
支持された末端部と、先端部と末端部を連結する斜め部
と、を有し、末端部が軸線Ｚを中心に回転されるように
なっている。

【００１１】また、本発明の別の実施例によれば、前記
複数のカソードを前記開口孔の軸線Ｚに直交する方向に
間隔を隔てて支持し、前記軸線Ｚに直交する軸線を有す
る中空円筒形のカソード支持部材と、カソード支持部材
の両端に一端が固定され他端が第１チャンバーに固定さ
れ、かつ内部が大気開放された中空円筒形の一対の可撓
性ベローと、前記カソード支持部材をその軸線方向に移
動するシフト機構とを更に備えている。

【００１２】前記複数のカソードは、それぞれ半導体又
は導体からなる。また、前記第１チャンバーと第２チャ
ンバーは、それぞれ独立に真空排気され、これにより、
第２チャンバーの真空度が第１チャンバーより高くなる
ように差動排気される、ことが好ましい。

【００１３】

【作用】上記本発明の構成によれば、マイクロ波導入装
置によりマイクロ波を真空チャンバー内に導入してチャ
ンバー内にプラズマを発生させ、該プラズマとカソード
間に真空アーク放電を発生させてカソード物質の金属プ
ラズマを形成し、磁場発生装置による磁場により金属プ
ラズマを一時的に封じ込め、かつマイクロ波により金属
プラズマを加熱して多価電離イオンの割合を増加させ、
イオン抽出電極により金属プラズマからイオンを抽出す
ることにより、多価電離イオンの割合が高いイオンビー
ムを前記開口孔を通して発生させることができる。

【００１４】また、複数のカソードは、第１チャンバー
内の前記開口孔の軸線Ｚに直交して移動可能に設けられ
ており、かつ前記開口孔の軸線Ｚ上にアノードと対向し
て位置するように切り換えられるようになっているの
で、装置の運転を停止することなくカソードを切り換
え、異種金属のイオンビームを切り換えて発生すること
ができる。

【００１５】従って、装置を運転したままで、装置を大
気開放することなく、カソードを別の材料のものに短時
間に変更することができ、基板に与える温度変化や雰囲
気変化がほとんどなく、良質な基板を製造することがで
きる。また、装置を運転したままのため、容易に同一状
態のイオンビームを再現でき、調整に時間がかからず、
不安定なイオンビームを基板に照射するおそれもない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明によるイオンビーム発生
装置の全体構成図である。この図において、本発明のイ
オンビーム発生装置２０は、仕切り板２１で第１チャン
バー２２と第２チャンバー２３に区分された真空容器２
４と、仕切り板２１を貫通する開口孔２５を有し、かつ
正（プラス）に印加されるアノード２６と、第１チャン
バー２２内の開口孔２５の軸線Ｚに直交して移動可能に
設けられ、負（マイナス）に印加される複数のカソード
２７と、真空容器２４内にマイクロ波を導入するマイク
ロ波装置（導入部２９と図示しないマイクロ波発生装置
からなる）と、真空容器２４、すなわちチャンバー２
２、２３内に発生するプラズマを少なくとも一時的に封
じ込める磁場を発生させる磁場発生装置３０とを備えて
いる。

【００１７】第１チャンバー２２と第２チャンバー２３
は、図示しない真空装置によりそれぞれ独立に真空排気
される。この構成により、アークプラズマ３２の発生時
にカソードが蒸発して金属イオンが発生する第１チャン
バー２２よりも第２チャンバー２３の真空度をより高く
（圧力が低く）なるように差動排気することができる。

【００１８】マイクロ波導入部２９は、図示のように、
第２チャンバー２３の側面に設けてもよく或いは軸線Ｚ
に沿って設けてもよい。磁場発生装置３０は、図５と同
様に、マルチカスプ磁場を形成するための複数の永久磁
石３０ａと、その両側に設けられたミラー磁場を形成す
るための空心コイル３０ｂ、３０ｃとからなり、これら
の２つの磁場により、真空容器２４、すなわちチャンバ
ー２２、２３内にプラズマ閉じ込め空間を形成するよう
になっている。なお、磁場発生装置３０は、かかる構成
に限定されず、例えば、特開平５−１０１７９９号に開
示したような種々の構成のものであってもよい。マイク
ロ波導入部２９から導入するマイクロ波と磁場発生装置
３０による磁場とは、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣ
Ｒ）条件を満たすように設定する。かかる構成により、
マイクロ波によるマイクロ波プラズマの発生、及び金属
プラズマの加熱にＥＣＲを利用することができる。な
お、図１において、４１は、カソード２７を負（マイナ
ス）に印加するアーク電源、４２ａ、４２ｂはイオンビ
ーム抽出電源である。

【００１９】上述した装置は以下のように使用される。
すなわち、真空チャンバー２２、２３内を真空（例えば
１０^-2〜１０^-4Torr) に保持し、アノード２６とカソー
ド２７との間に真空アーク放電３１を発生させてカソー
ド物質の金属プラズマを形成し、磁場発生装置３０によ
る磁場により金属プラズマを一時的に封じ込め、かつマ
イクロ波により金属プラズマを加熱して多価電離イオン
の割合を増加させ、イオンビーム抽出電極系４３をイオ
ン抽出電極として金属プラズマからイオンを抽出し、こ
れによりイオンビーム４４を発生させる。このイオンビ
ーム４４は、別の装置に導入し、金属プラズマの分離、
金属膜形成、基板内部への異種金属の打ち込み、Ｘ線ソ
ース、レーザ源、等の用途に利用することができる。

【００２０】図２（Ａ）は、図１の部分拡大図であり、
図２（Ｂ）はそのＡ−Ａ矢視図である。この図におい
て、複数のカソード２７は、第１チャンバー２２内の開
口孔２５の軸線Ｚ上にアノード２６（図１参照）と対向
して位置するように切り換えられるようになっている。
すなわち、図２の実施例において、本発明の装置は更
に、複数のカソード２７を同一半径Ｒで周方向に支持す
るカソード支持円板３３と、第１チャンバー２２に設け
られた開口２２ａにより内部が大気開放された中空円筒
形の可撓性ベロー３４と、カソード支持円板３３を軸線
Ｚを中心に同一半径Ｒで揺動させる揺動装置３５とを備
えている。可撓性ベロー３４の一端は、カソード支持円
板３３の外縁部３３ａに固定され、他端は開口２２ａを
囲む部分の第１チャンバー２２に固定されている。この
構成により、第１チャンバー２２内を真空に保持したま
ま、ベロー３４の内部を大気開放することができる。

【００２１】揺動装置３５は、カソード支持円板３３を
軸線Ｚに直交する平面に保持するようになっている。す
なわち、図２の実施例において、揺動装置３５は、前記
軸線Ｚに平行なカソード支持円板３３の中心線を中心に
軸受３６ａにより回転可能に支持された先端部３５ａ
と、軸受３６ｂにより軸線Ｚを中心に回転可能に第１チ
ャンバー２２に支持された末端部３５ｂと、先端部３５
ａと末端部３５ｂを剛に連結する斜め部３５ｃとを有す
る。また、末端部３５ｂは、軸線Ｚを中心に図示しない
駆動手段により回転できるようになっている。かかる構
成により、末端部３５ｂを軸線Ｚを中心に適当な角度回
転することにより、カソード支持円板３３の中心を軸線
Ｚを中心に同一半径Ｒで回転させ、カソード支持円板３
３を軸線Ｚを中心に同一半径Ｒで揺動させて、複数のカ
ソード２７を開口孔２５の軸線Ｚ上にアノード２６と対
向して位置するように切り換えることができる。

【００２２】更に、図２において、カソード２７は、ア
ノード２６（図１参照）に対向する平面２７ａをもった
軸線Ｚと同心の切頭円錐形部分２７ｂを有している。ま
た、各カソード２７は、絶縁支持部材４０により、カソ
ード支持円板３３との間を電気的に絶縁されている。絶
縁支持部材４０は、カソード材料と反応しないように、
水酸基（ＯＨ）を含まない絶縁材料、例えばボロンナイ
トライド（ＢＮ）からなるのがよい。また、カソード２
７には、半導体又は導体、例えば銅、チタン、タンタ
ル、鉄、等を用いることができる。かかる構成により、
軸線Ｚ上にアノード２６と対向して位置するカソード２
７に、アーク電源４１（図１参照）を結線してカソード
２７を負（マイナス）に印加することができ、カソード
２７の平面２７ａとアノード２６との間に真空アーク放
電３１（図１参照）を起こさせることができる。

【００２３】図３は、本発明の第２実施例を示す部分斜
視図である。この図において、第１チャンバー２２は２
つの中空円筒形がＴ形に連結された形状（二点鎖線で示
す）をしており、一方の円筒形の端面２２ａが第２チャ
ンバー２３にヒンジ２３ａにより水平に分割し、内部を
点検できるようになっている。また、図２の実施例と同
様に、複数のカソード２７は、第１チャンバー２２内の
開口孔２５の軸線Ｚ上にアノード２６（図１）と対向し
て位置するように切り換えられるようになっている。

【００２４】すなわち、図２の実施例において、本発明
の装置は更に、複数のカソード２７を開口孔２５の軸線
Ｚに直交する方向に間隔を隔てて支持し、軸線Ｚに直交
する軸線Ｙを有する中空円筒形のカソード支持部材３７
と、第１チャンバー２２に設けられた開口２２ｂにより
内部が大気開放された中空円筒形の一対の可撓性ベロー
３８と、カソード支持部材３７をその軸線Ｙの方向に移
動するシフト機構３９とを備えている。シフト機構３９
は、例えば直動シリンダであり、シリンダのロッド先端
がカソード支持部材３７の内面に連結されている。ま
た、一対の可撓性ベロー３８は、カソード支持部材３７
の両端３７ａに一端が固定され、他端が第１チャンバー
２２の開口２２ｂを囲む部分に固定されている。その他
の構成は、図２の実施例と同様である。

【００２５】かかる構成により、第１チャンバー２２内
を真空に保持したまま、ベロー３８の内部を大気開放す
ることができる。また、シフト機構３９により、カソー
ド支持部材３７をその軸線Ｙの方向に移動することによ
り、複数のカソード２７を開口孔２５の軸線Ｚ上にアノ
ード２６と対向して位置するように切り換えることがで
きる。また、開口２２ｂを通してベロー３８の内側の各
カソード２７へアーク電源４１を結線してカソード２７
を負（マイナス）に印加することができ、アノード２６
との間に真空アーク放電３１を起こさせることができ
る。

【００２６】上述したように本発明のイオンビーム発生
装置によれば、アノードとカソード間に真空アーク放電
３１を発生させてカソード物質の金属プラズマを形成
し、磁場発生装置３０による磁場により金属プラズマを
一時的に封じ込め、かつマイクロ波により金属プラズマ
を加熱して多価電離イオンの割合を増加させ、イオンビ
ーム抽出電極系４３をイオン抽出電極として金属プラズ
マからイオンを抽出することにより、多価電離イオンの
割合が高いイオンビーム４４を発生させることができ
る。

【００２７】また、複数のカソード２７は、第１チャン
バー２２内の開口孔２５の軸線Ｚに直交して移動可能に
設けられており、かつ開口孔２５の軸線Ｚ上にアノード
２６と対向して位置するように切り換えられるようにな
っているので、装置の運転を停止することなくカソード
２７を切り換え、異種金属のアークプラズマ３２を切り
換えて発生することができる。

【００２８】従って、装置を運転したままで、装置を大
気開放することなく、カソード２７を別の材料のものに
短時間に変更することができ、基板に与える温度変化や
雰囲気変化がほとんどなく、良質な基板を製造すること
ができる。また、装置を運転したままのため、容易に同
一状態のイオンビームを再現でき、調整に時間がかから
ず、不安定なイオンビームを基板に照射するおそれもな
い。

【００２９】更に、本発明は、アノード２６を含む仕切
板２１を除去し、マイクロ波導入部２９からのマイクロ
波を導入し、プラズマを発生させ、このプラズマと本発
明によって構成されるカソード２７との間に真空アーク
放電を発生させることも可能である。なお、本発明は上
述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々変更できることは勿論である。

【００３０】

【発明の効果】上述したように、本発明のイオンビーム
発生装置は、多価電離イオンの割合が高いイオンビーム
を連続して発生することができ、かつ装置の運転を停止
することなく異種金属のイオンビームを切り換えて発生
できる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるイオンビーム発生装置の全体構成
図である。

【図２】図１の部分拡大図である。

【図３】本発明の第２実施例を示す部分斜視図である。

【図４】従来のイオンビーム発生装置の部分構成図であ
る。

【図５】本発明者等による別のイオンビーム発生装置の
全体構成図である。

【符号の説明】

１、１１真空チャンバー２、１０、２７カソード３、２６アノード４アノード保持部材５トリガー電極６、１４コイル（磁石）７、１５イオン抽出電極８プラズマ９、１７、３２イオンビーム１２マイクロ波導入部１３アーク電源１６金属プラズマ２０イオンビーム発生装置２１仕切り板２２第１チャンバー２３第２チャンバー２４真空容器２５開口孔２９マイクロ波導入部３０磁場発生装置３１真空アーク放電３２アークプラズマ３３カソード支持円板３４、３８可撓性ベロー３５揺動装置３６ａ、３６ｂ軸受３７カソード支持部材３９シフト機構４１アーク電源４２加速電源４３イオンビーム抽出電極系４４イオンビームＹ、Ｚ軸線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】仕切り板で第１チャンバーと第２チャン
バーに区分された真空容器と、前記仕切り板を貫通する
開口孔を有し正に印加されるアノードと、第１チャンバ
ー内の前記開口孔の軸線Ｚに直交して移動可能に設けら
れかつ負に印加される複数のカソードと、真空容器内に
マイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、真空容器
内に発生するプラズマを少なくとも一時的に封じ込める
磁場を発生させる磁場発生装置とを備え、前記複数のカソードは、第１チャンバー内の前記開口孔
の軸線Ｚ上にアノードと対向して位置するように切り換
えられるようになっている、ことを特徴とするイオンビ
ーム発生装置。
【請求項２】前記複数のカソードを同一半径Ｒで周方
向に支持するカソード支持円板と、該カソード支持円板
の外縁部に一端が固定され他端が第１チャンバーに固定
され、かつ内部が大気開放された中空円筒形の可撓性ベ
ローと、前記カソード支持円板を軸線Ｚに直交する平面
に保持しかつ軸線Ｚを中心に同一半径Ｒで揺動させる揺
動装置と、を更に備えたことを特徴とする請求項１に記
載のイオンビーム発生装置。
【請求項３】前記揺動装置は、前記軸線Ｚに平行なカ
ソード支持円板の中心線を中心に回転可能に支持された
先端部と、前記軸線Ｚを中心に回転可能に第１チャンバ
ーに支持された末端部と、先端部と末端部を連結する斜
め部と、を有し、末端部が軸線Ｚを中心に回転されるよ
うになっている、ことを特徴とする請求項２に記載のイ
オンビーム発生装置。
【請求項４】前記複数のカソードを前記開口孔の軸線
Ｚに直交する方向に間隔を隔てて支持し、前記軸線Ｚに
直交する軸線を有する中空円筒形のカソード支持部材
と、カソード支持部材の両端に一端が固定され他端が第
１チャンバーに固定され、かつ内部が大気開放された中
空円筒形の一対の可撓性ベローと、前記カソード支持部
材をその軸線方向に移動するシフト機構とを更に備え
た、ことを特徴とする請求項１に記載のイオンビーム発
生装置。
【請求項５】前記複数のカソードは、それぞれ半導体
又は導体からなる、ことを特徴とする請求項１乃至４に
記載のイオンビーム発生装置。
【請求項６】前記第１チャンバーと第２チャンバー
は、それぞれ独立に真空排気され、これにより、第２チ
ャンバーの真空度が第１チャンバーより高くなるように
差動排気される、ことを特徴とする請求項１乃至４に記
載のイオンビーム発生装置。