JPH09320500A - イオン源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で低い放電電圧により、効率よく
所望量の大電流のイオンビームが引き出せるようにす
る。 【解決手段】 プラズマ生成室２を形成する筐体１の側
壁外周に設けられ，プラズマ生成室２の壁面近傍に強磁
場のラインカスプ磁場を形成してプラズマをプラズマ生
成室２の中央部に閉じ込めるマグネット１３と、プラズ
マ生成室２に設けられたタングステンフィラメント（熱
電子放出材）７と、プラズマ生成室２のラインカスプ磁
場内の位置に設けられ，プラズマ生成室２の陰極６との
間に直流放電が生じる陽極１４とを備え、かつ、筐体１
をフロート電位又は陰極６の電位にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ生成室に
より直流放電でプラズマを生成し、このプラズマからイ
オンビームを引出すイオン源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のイオン源装置は、アルゴ
ンガスなどの希ガスのイオンビームの引出しを行うガス
ソースイオン源として有用であり、イオンビームミキシ
ング装置，イオンビームスパッタ装置，イオンビームア
シスト蒸着装置などに用いられる。

【０００３】そして、この種のイオン源装置としては、
従来、冷陰極式のサドルフィールド型やマグネトロン型
のイオン源装置，熱陰極電子衝撃式のカウフマン型やバ
ケット型のイオン源装置がある。

【０００４】これらのイオン源装置は、薄膜の加工，成
膜等を行うため、通常、１ｍＴｏｒｒ前後の真空中の直
流放電で生成したプラズマから、電界加速に基づく数百
〜数千ｅＶのイオンエネルギーで例えば数十〜数百ｍＡ
のアルゴンイオンビームを引き出す。

【０００５】そして、生産性向上等の面からは大電流，
大面積のイオンビームが得られることが望ましい。

【０００６】つぎに、従来のマグネトロン型，カウフマ
ン型及びバケット型のイオン源装置について説明する。

【０００７】なお、サドルフィールド型のイオン源装置
は小電流の細いイオンビームしか得られないため、説明
を省略する。

【０００８】マグネトロン型イオン装置 この装置は例えばナショナルテクニカルレポート（Nati
onal Technical Report ），Ｖｏｌ．３１ ＮＯ．５
Ｏｃｔ．１９８５ 松下電器産業株式会社（１９８５−
１０．）のＰ．４６の図１等に示されているように、プ
ラズマ生成室の陽極、陰極間に直流電界の磁界を直交さ
せたマグネトロン放電によりプラズマを生成してイオン
ビームを得る。

【０００９】この場合、構造が簡単で比較的大きい口径
の大電流のイオンビームが得られる利点があり、また、
マグネトロン放電によってプラズマを生成するため、プ
ラズマ生成時に大きく損耗する部材がなく、長時間の連
続運転が可能である。

【００１０】カウフマン型イオン源装置 この装置は例えば、ＡＩＡＡ ＪＯＵＲＮＡＬ Ｖｏ
Ｌ．１５，ＮＯ．５（１９７７．５）のＰ．７０３のＦ
ｉｇ．１，Ｐ．７０４のＦｉｇ．５等に示されているよ
うに、プラズマ生成室内に多数のマグネットを配置して
ラインカスプ磁場を発生し、この磁場によりプラズマを
閉じ込めてイオンビームを得る。

【００１１】その際、直流放電の陽極をラインカスプ磁
場中に置いてその表面に数十ガウス程度の強い磁場を形
成し、放電電圧程度のエネルギーを持った一次電子（プ
ライマリエレクトロン）を１８０°反転して陽極への電
子の直接の流入を防止することが行われる。

【００１２】また、陰極をタングステンフィラメントと
し、熱電子放出源と兼ねることも行われる。

【００１３】さらに、プラズマ生成室の周壁はフロート
電位又は陰極電位に設定される。

【００１４】なお、熱電子衝撃型のイオン源装置の場
合、フロート電位が陰極電位に近くなることが知られて
おり、陰極電位をフロート電位にしても、その特性には
ほとんど影響しない。

【００１５】そして、このカウフマン型イオン源装置の
場合、陽極に電子が直接流入しないため、プラズマの放
電の電力損失が少なく、イオンビームの引出し効率が向
上し、その上、大面積のイオンビームが得られる利点も
ある。

【００１６】バケット型イオン源装置 この装置は例えば、イオン源工学，アイオニクス株式会
社（１９８６年５月３１日出版）のＰ．４２０の図９−
３５等に示されているように、プラズマ生成室の周壁外
側に強磁界発生用のマグネットを配置し、その周壁に数
百〜２千ガウス程度の強磁界のラインカスプ磁場を形成
し、プラズマを高密度に閉じ込めてイオンビームを得
る。

【００１７】その際、陽極をプラズマ生成室の周壁によ
り形成して真空容器と兼ね、装置構造を簡素なものにす
ることが行われる。

【００１８】また、陰極をタングステンフィラメントに
より形成して熱電子放出源と兼用することも行われる。

【００１９】そして、プラズマ生成室に磁極や陽極がな
く、構造が簡素であり、プラズマからの熱輻射に対する
冷却も容易に行える。また、強磁界でプラズマを閉じ込
めるため、放電電力を大きくして大電流，大面積のイオ
ンビームを引き出すことができる利点がある。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のイオン源装
置の場合、マグネトロン型の装置にあっては、数百〜３
ｋＶ程度の高い放電電圧を必要とする問題点があり、こ
の結果、多価イオンが生じてイオンエネルギーをコント
ロールできなくなり、所望のイオンビームを引出すこと
が困難になる。

【００２１】つぎに、カウフマン型の装置の場合は、プ
ラズマ生成室（真空容器内）にマグネットを配置するた
め、構造が複雑であり、冷却手段等を設けにくく、プラ
ズマからの熱輻射で部材が高温となり易く、放電電力を
大きくして大電流のイオンビームを引き出すことができ
ない問題点がある。

【００２２】そして、ラインカスプ磁場が弱いため、プ
ラズマ生成室の周壁でのプラズマの電力損失が急増す
る。

【００２３】その上、陰極をフィラメント等の熱電子放
出材と兼用したときには、熱電子放出材であるフィラメ
ント等の損耗により、長時間連続運転が困難になる問題
点もある。

【００２４】つぎに、バケット型の装置の場合は、構造
上、プラズマ生成室の周壁の各磁極の位置では磁力線が
陽極に垂直になり、電子を磁場（磁界）で反発できない
ため、プラズマ生成室の周壁に電子が直接流入する個所
が生じ、プラズマの放電電力損失が大きくなる問題点が
ある。

【００２５】また、タングステンフィラメントを陰極に
兼用しているため、プラズマの放電電力を増すとフィラ
メント熱電子放出材の陽イオンによるスパッタ損耗が大
きくなり、フィラメントが長持ちせず、連続運転時間が
極めて短くなる。

【００２６】そして、この種イオン源装置においては、
生産性の向上等の面から、極力簡単な構成で一層大電流
のイオンビームが引き出せるようにすること及びその連
続運転時間の長時間化を図ることが望まれる。

【００２７】本発明は、簡単な構造で低い放電電圧によ
り効率よく所望量の大電流のイオンビームが引き出せる
ようにすることを課題とする。

【００２８】また、熱電子放出材（フィラメント）の損
耗を防止して長時間の連続運転を可能にすることも課題
とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明のイオン源装置の場合、プラズマ生成室を
形成する筐体の側壁外周に設けられ，プラズマ生成室の
壁面近傍に強磁場のラインカスプ磁場を形成してプラズ
マをプラズマ生成室の中央部に閉じ込める複数のマグネ
ットと、プラズマ生成室に設けられた熱電子放出材と、
プラズマ生成室のラインカスプ磁場内の位置に設けら
れ，プラズマ生成室の陰極との間に直流放電が生じる陽
極とを備え、かつ、筐体をフロート電位又は陰極の電位
にする。

【００３０】したがって、タングステンフィラメント等
の熱電子放出材の熱電子を利用した直流放電でプラズマ
が生成され、従来のマグネトロン型の装置のような高い
放電電圧を必要とせず、数十Ｖ程度の低い放電電圧でプ
ラズマの生成が行え、この結果、プラズマは１価イオン
が支配的になり、そのエネルギーコントロールが容易に
行える。

【００３１】また、放電電圧が低いため、熱電子放出材
の損耗が防止されて装置の連続運転時間を長くすること
ができる。

【００３２】さらに、プラズマ生成室の外側にマグネッ
トを配置してプラズマ生成室内の周壁近傍に強いカスプ
磁場を形成し、この強磁場中に陽極を設けるため、プラ
ズマ生成室内にマグネットを配置しない簡単な構造にな
るとともに、陽極及びプラズマ生成室の周壁への電子の
直接の流入が防止されて高密度のプラズマが効率よく生
成される。

【００３３】そのため、簡単な構造で低い放電電圧によ
り、効率よく所望の大電流，大面積のイオンビームが引
き出せるとともに、長時間の連続運転が可能になる。

【００３４】そして、陰極を熱電子放出材と別個独立の
冷陰極電極構造にすれば、熱電子放出材の陽イオンによ
るスパッタ損耗の低減も図れ、連続運転時間が飛躍的に
長くなる。

【００３５】

【実施の形態】本発明の実施の１形態につき、図１及び
図２を参照して説明する。図１は全体構造を示した切断
正面図であり、図中の１は上，下端に開口を有する非磁
性体金属円筒の筐体であり、内部にプラズマ生成室２を
形成する。３は絶縁体４を介して筐体１の上端開口部を
閉塞した非磁性体金属板の蓋体であり、アーク電源５の
正極（陽極）に接続されている。

【００３６】６はプラズマ生成室２の蓋体３の下側近傍
に設けられた陰極、７は陰極６の下方近傍に設けられた
熱電子放出材としてのタングステンフィラメントであ
り、両端が陰極６の貫通孔８ａ，８ｂ及び蓋板３を貫通
した絶縁体の電流導入端子９ａ，９ｂを通ってフィラメ
ント電源１０の正極，負極（陰極）に接続されている。

【００３７】なお、貫通孔８ａ，８ｂは必要に応じて絶
縁スリーブの嵌入等が施されて電気的絶縁が図られる。

【００３８】１１は一端がフィラメント電源１０の負極
に接続された低抵抗値の抵抗であり、他端が蓋体３を貫
通した絶縁体の接続端子１２を通って陰極６に接続され
るとともにアーク電源５の負極に接続されている。

【００３９】１３は筐体１の側壁外周に筐体１を囲むよ
うに等間隔に配設されたラインカスプ磁場発生用の上下
方向のストライプ状の複数（８個）のマグネット（永久
磁石）であり、図１の切断平面図を示した図２のよう
に、筐体１に面した磁極がＳ，Ｎに交互に異なり、プラ
ズマ生成室２の壁面近傍に隣り合うマグネット１３の
Ｎ，Ｓ間の磁力線に沿うラインカスプ磁場を形成する。

【００４０】１４は蓋体３のプラズマ生成室２側の面に
陰極６を囲む用に下方に突出して等間隔に取付けられた
上下方向のストライプ状の複数（４個）の陽極であり、
それぞれマグネット１３により発生した１つおきのライ
ンカプス磁場内に位置する。

【００４１】１５は筐体２の下端開口部に取付けられた
イオンビーム引出電極であり、例えば多孔電極（グリッ
ト）形状の電位の異なる第１電極１６，第２電極１７，
第３電極１８からなり、第３電極１８はアースされてい
る。

【００４２】１９はアーク電源５の負極とアースとの間
に設けられた加速電源であり、その正極はアーク電源５
の負極に接続されるとともに、高抵抗値の抵抗２０を介
して第１電極１６に接続されている。

【００４３】２１は正極がアースされた減速電源であ
り、その負極は第２電極１７に接続されている。

【００４４】そして、アルゴンイオンビームを引き出す
場合、プラズマ生成室２は真空に排気されてイオン化用
のアルゴンガスが導入される。

【００４５】また、タングステンフィラメント７はフィ
ラメント電源１０からの給電により熱電子を放出する。

【００４６】さらに、陽極１４と陰極６との間にアーク
電源５の電圧が印加され、この電圧印加に基づく両極１
４，６間の直流放電によりプラズマ生成室２にアルゴン
イオンのプラズマが生成される。

【００４７】このプラズマはマグネット１３が形成する
ラインカスプ磁場によりプラズマ生成室２の中央部に閉
じ込められて高密度化され、イオンビーム引出電極１５
のビーム引き出し作用によりアルゴンイオンビームが引
き出される。

【００４８】そして、フィラメント電源１０の負極が抵
抗１１を介して陰極６及びアーク電源５の負極に接続さ
れているため、タングステンフィラメント７の電位（フ
ィラメント電位）は他の電源により電位設定等すること
なく、熱電子放出効果を促進するように、陽極１４の電
位（陽極電位）より低く設定され、タングステンフィラ
メント７から十分な熱電子が効率よく放出される。

【００４９】なお、条件によっては抵抗１１を省き、フ
ィラメント電源１０の負極を陰極６及びアーク電源５の
負極に直接接続してもよい。

【００５０】そして、熱電子放出材であるタングステン
フィラメント７の熱電子放出により電子を得てプラズマ
を生成する構成であるため、従来のマグネトロン型の装
置のような数百Ｖ以上の高い放電電圧を必要とせず、陽
極１４，陰極６間の放電電圧は数十Ｖ程度の低電圧にす
ることができる。

【００５１】また、陰極６がタングステンフィラメント
７と別個独立にプラズマ生成室２内に設けられ、いわゆ
る冷陰極電極構造に形成されるため、スパッタ損耗を与
える陽イオンのタングステンフィラメント７への流入が
少ない。

【００５２】そのため、放電電力を増大してもタングス
テンフィラメント７の陽イオンによるスパッタ損耗が少
なく、タングステンフィラメント７が長持ちして装置の
長時間連続運転が行える。

【００５３】なお、陰極６の面積（陰極面積）を広くし
てもプラズマ電力損失の増加は、実験からは認められな
かった。

【００５４】また、冷陰極電極構造の陰極６とタングス
テンフィラメント７とを組合せた構成であり、低い放電
電圧でプラズマが生成されるため、このプラズマは１価
イオンが支配的になり、多価イオンが少なく、イオンエ
ネルギーのコントロールが電源調整等で容易に行える。

【００５５】つぎに、マグネット１３にサマリウムコバ
ルト等の強力なマグネットを用いることにより、容易に
プラズマ生成室２の周壁からその中心部側へ約３〜４ｃ
ｍ程度の範囲に、従来のカウフマン型の装置の場合と同
様の数十ガウス以上の強磁場のラインカスプ磁場が形成
される。

【００５６】そして、この強磁場のラインカスプ磁場に
より、プラズマが効率よくプラズマ生成室２の中央部に
閉じ込められて高密度化される。

【００５７】また、陽極１３がラインカスプ磁場中に配
置されるため、ラインカスプ磁場の電界に誘引されて陽
極１３に向かって飛行する一次電子（プライマリエレク
トロン）は、この磁界による回転力を受けて飛行方向が
反転する。

【００５８】そのため、陽極１３への電子の直接流入が
防止され、プラズマの放電の電力損失が少なくなり、イ
オンビームの引き出し効率が向上する。

【００５９】しかも、筐体１の内壁面に電子やプラズマ
が接触（衝突）して消失することもない。

【００６０】そして、電子が長時間にわたってプラズマ
生成室２を走行し、この長時間の電子の走行によりイオ
ン化ガスの電離効率が向上してプラズマの閉じ込め効率
が一層高くなり、大電流，大面積のイオンビームを引き
出すことができる。

【００６１】つぎに、図１の場合は絶縁体４等により筐
体１がフロート電位に設定されるため、プラズマ生成室
２の周壁がフロート電位になり、プラズマの電力損失が
減少する。

【００６２】なお、筐体１をフロート電位にする代わり
に、陰極電位にしても同様の効果が得られる。

【００６３】また、筐体１は装置の真空気密容器と兼用
せず、この容器と別個独立に設けてもよい。

【００６４】さらに、プラズマ生成室２内にマグネット
等を配置したりする必要がなく、構造が簡単であり、電
極部材の冷却手段等を設けることも容易に行える。

【００６５】したがって、簡単な構造で低い放電電圧に
より、効率よく所望の大電流，大面積のイオンビームを
引出すことができ、その上、長時間の連続運転も可能に
なり、従来装置より著しく性能が向上した新規なイオン
源装置を提供することができる。

【００６６】そして、従来のカウフマン型，バケット型
のイオン源装置及び図１のイオン源装置（以下本発明装
置という）につき、プラズマ生成室の口径（直径）を１
００ｍｍにしてイオンビームの引き出し効率，連続運転
寿命（フィラメント寿命）を実測したところ、つぎの表
１，表２の結果が得られた。

【００６７】

【表１】

【００６８】

【表２】

【００６９】なお、表１は各イオン源装置のタングステ
ンフィラメントを１ｍｍφ，放電電圧を５０Ｖ，動作真
空度を０．１５ｍＴｏｒｒとし、かつ、イオンビーム引
出電極を開口率４５％、３枚グリッド方式の多孔電極
（グリット）とした場合の結果を示す。

【００７０】また、表２は表１と同じ条件にし、かつ、
放電電圧を４０Ｖとした場合の結果を示す。

【００７１】そして、表１，表２から明らかなように、
本発明装置は電力効率よく高密度プラズマが生成されて
イオンビームが引き出せるとともに、例えば６００ｍＡ
のイオンビームを引き出すときの連続運転時間が（２４
時間×５日＝）１２０時間以上に飛躍的に長くなる。

【００７２】ところで、熱電子放出材はタングステンフ
ィラメント以外であってもよい。

【００７３】また、筐体１の形状，マグネット１３，陽
極１４の数や形状及びイオンビーム引出電極１５の構造
等は図１のものに限定されるものではない。

【００７４】そして、構造の一層の簡素化等を優先する
ときは、冷陰極電極構造にする代わりに、熱電子放出材
を陰極に兼用してもよい。

【００７５】

【発明の効果】本発明は、以下に記載する効果を奏す
る。まず、タングステンフィラメント等の熱電子放出材
の熱電子を利用した直流放電でプラズマを生成したた
め、従来のマグネトロン型の装置のような高い放電電圧
を必要とせず、この結果、１価イオンが支配的なプラズ
マを形成することができ、そのエネルギーコントロール
を容易に行うことができるとともに、熱電子放出材の損
耗を防止して装置の連続運転時間を長くすることができ
る。

【００７６】さらに、プラズマ生成室の側壁外周にマグ
ネットを配置してプラズマ生成室内の周壁近傍に強いカ
スプ磁場を形成し、この強磁場中に陽極を設けたため、
プラズマ生成室内にマグネットを配置しない簡単な構造
に形成することができるとともに、陽極及びプラズマ生
成室の周壁への電子の直接の流入を防止して高密度のプ
ラズマを効率よく生成することができる。

【００７７】そのため、簡単な構造で低い放電電圧によ
り、効率よく所望の大電流，大面積のイオンビームを引
き出すことができるとともに、長時間の連続運転が可能
になり、この種イオン源装置の性能を著しく向上するこ
とができる。

【００７８】つぎに、陽極との間で直流放電が生じる陰
極を熱電子放出材と別個の冷陰極電極構造にすると、熱
電子放出材の陽イオンによるスパッタ損耗が減少し、熱
電子放出材の損耗を一層少なくして連続運転時間を飛躍
的に長くすることができ、性能の一層の向上を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の１形態の構成説明用の切断正面
図である。

【図２】図１の装置の切断平面図である。

【符号の説明】

１ 筐体 ２ プラズマ生成室 ６ 陰極 ７ 熱電子放出材としてのタングステンフィラメント １３ マグネット １４ 陽極 １５ イオンビーム引出電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ生成室に直流放電のプラズマを
   生成し、ビーム引出電極により前記プラズマ生成室から
   イオンビームを引き出すイオン源装置において、 前記プラズマ生成室を形成する筐体の側壁外周に設けら
   れ，前記プラズマ生成室の壁面近傍に強磁場のラインカ
   スプ磁場を形成して前記プラズマを前記プラズマ生成室
   の中央部に閉じ込める複数のマグネットと、 前記プラズマ生成室に設けられた熱電子放出材と、 前記プラズマ生成室の前記ラインカスプ磁場内の位置に
   設けられ，前記プラズマ生成室の陰極との間に前記直流
   放電が生じる陽極とを備え、 かつ、前記筐体をフロート電位又は前記陰極の電位にし
   たことを特徴とするイオン源装置。
2. 【請求項２】 陰極を熱電子放出材と別個独立の冷陰極
   電極構造としたことを特徴とする請求項１記載のイオン
   源装置。