JPS593814B2 - 固体イオン源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 最近、二次イオン分析計、イオンインプランテーション
、およびイオンビーム蒸着法その他の分野において、ガ
ス成分によるイオン種のほかに固体成分によるイオン種
が利用されはじめて来だ。

一例として二次イオン分析計への応用について考えると
、従来は、一次イオンとしてガス成分元素のＡｒ＋、０
２＋、Ｎ２＋・・・・・・・・・などが主に利用されて
いた。

理由は、特にこれらのイオンが分析において特長がある
わけではなく、ガス成分であるためイオン化が容易であ
ることにある。

しかし一次イオンとしてエレクトロネガティブな元素（
例えば〇−など）または不活性イオン（例えばＡｒなど
）を利用した場合には、元素によりイオン化率が１桁か
ら４桁の範囲で変化し、特に半導体工業において重要な
元素と考えられるＡｕ 、Ａｓ 、Ｔｅなどの二次イ
オン化率が低く、これらの元素の分析限界を高くしてい
ることがわかり、二次イオン分析法の一つの問題点とし
て指摘されている。

第１図に、一次イオンとして、エレクトロネガティブな
０−イオンを用いた場合の各元素の相対イオン化率を示
す。

同図より、イオン化率が元素により大幅に変化している
ことがわかる。

すなわちＡｌ ｔＭｇ 、Ｃｒ ｔＲｅＷなど、比
較的酸素に活性な元素のイオン化率は高く、Ｓ。

Ａｓ ｙ ｃａ ｔ Ｐ ｔ ｔ Ａｕのような
比較的不活性な元素のイオン化率は低くでている。

一方一次イオンとしてエレクトロポジイティブなイオン
を利用すると元素と相対イオン化率の関係は、第１図に
示したエレクトロネガティブなイオンを用いた場合と全
く異なった傾向を示すことが知られている。

第２図は、一次イオンとしてエレクトロポジイティブな
Ｃｓ＋イオンを利用した場合の各元素の相対二次イオン
化率を示したものである。

同図より、エレクトロネガティブなイオン（０−）を用
いた場合に極端に低いイオン化率を示していたＳ、Ａｓ
。

（：ｄ 、Ｔｅ 、Ａｕなどの元素のイオン化率がそ
れぞれ３桁程度増加し、０−イオンを用いた場合のＣｒ
、Ａｔ、Ｍｇ 、Ｃｒなどと比較的近い値を示し
ていることがわかる。

一方エレクトロポジイティブな元素にはガス状のものは
存在せず、これらの元素は固体を形成しており、イオン
源として効率よくイオン化することが困難であった。

したがって従来、エレクトロポジイティブなイオンを引
き出すだめの強力でしかも安定なイオン源は存在しなか
った。

エレクトロポジイティブなイオン源とじて＋ 利用されていたものにＣｓイオン源があるが、Ｃｓは、
蒸発温度が低く、熱的にイオン化することが容易である
ために使われていた。

しかし問題点として材料の安定供給が困難なため、二次
イオン分析計のようなビームの安定化を必要とする場合
には問題であり、実用化が阻まれていた。

本発明は、上記のような従来の問題点を除去した新しい
固体イオン源に関するものである。

以後実施例について説明する。

第３図に、従来のデュオプラズマトロン形イオン銃の構
成を示す。

装置は、ガス導入部１、ホローカソード２、シールド電
極３、中間電極４、中間電極４とアノード６より成る空
間に磁場を供給するだめのマグネット５、二次イオン引
出し電極８より構成されている。

またイオン銃の駆動電源１３は、保護抵抗１５および放
電安定化抵抗１６を通してホローカソード２、中間電極
４、アノード６に接続されている。

また二次イオン加速電源１４は、アノード６と引出し電
極８０間に接続されている。

動作原理は、はじめにガス導入部１を閉じ、イオン銃全
体の排気を行い、次に必要なイオン種に相当するガスを
導入し、アノード６または中間電極４の作る空間の真空
度を１０’ 〜１Ｏ−２Ｔｏｒｒに保つ。

次に放電電源１３により、アノード６または中間電極４
とホローカソード２の空間に放電を起こさせ、ガスの電
離状態すなわちプラズマを生成させる。

アノード６と引出電極８の作る空間は、アノード孔の差
動排気効果により、〜１Ｏ−５Ｔｏｒｒの真空に保たれ
ている。

この状態では、アノード孔より、拡散によりプラズマが
吹き出しており、引出し電場が印加されると正または負
イオンが取り出される。

ホローカソードの動作は、先ず放電によりホロー中に強
力なプラズマが生成され、中間電極４に向って電子ビー
ムが放出される。

それによりアノード６と中間電極４の作る空間に電離塵
の高いプラズマが生成される。

マグネット５による磁場は、アノード６と中間電極４の
空間に軸方向に生成され、この空間のプラズマ密度を高
くする（ピンチ効果）役割をはたす。

次に本発明の実施例について記す。

第４図に、イオン銃の構成図を示す。

大部分の構成は従来法と同様であり、ここでは新しい部
分のみ説明する。

本発明と従来法との本質的な差は、ホローカソード２中
に新しく、イオン源材料１１をそう人することにあり、
本実施例においてはイオン源材料の保持のためのメツシ
ュ（金線）１２を具備させたことにある。

７は、絶縁体であり、イオン源と引出し電極の高圧絶縁
の役割を演じている。

イオン源材料１１としては、用途に応じてＮａＣ１。

Ｃａｏ １ Ｃｓ Ｏｔ Ｎａ ＯＨｔ ＫＣｔｔ Ｍ
ｇＯ＊ Ｃｓ Ｃｔなどを用いる。

第５図は、本発明のイオン源の構成と電源回路を示す。

電源回路は、従来法と全く同様であり、説明を省略する
。

以下実施例について説明する。イオン源材料１１として
はＮａＣ１結晶を用いた。

用いたＮａＣｔ 結晶のサイズは、５ｍｍＸ５皿×１０
ｍｍｔであり、ＮａＣ１の支え１２としては、０．４ｍ
ｍφの金線をスペース占有率５０受の網状に組んだもの
、又はホローカソード２中に設けた段差を利用した。

いずれの場合も試料は良好に支えられた。

動作原理は、従来法とほぼ同様であり、先ずホローカソ
ード２中にＮ ａ Ｃｔ 結晶をそう人し、ガス導入部
１を閉じ、イオン源部を〜１Ｏ−６Ｔ□ｒ７まで排気し
、次にＡｒ ガスをガス導入部１から導入し、イオン源
室を１Ｏ−１Ｔｏｒｒに保ち、放電電源１３より約３０
０Ｖの電圧を供給し、Ａｒによるホロー放電を励起させ
る。

この状態では、＋ ＮａＣ１は、Ａｒによるイオン衝撃を受けると同時に加
熱効果を受け、スパッタまたは蒸発され、プラズマ中で
イオン化される。

その結果、Ａｒガス導入を遮断してもＮａＣｔ のみの
スパッタまたは蒸発粒子によりイオン化が持続する。

このようにして中間電極４とアノード空間に生成された
プラズマは、マグネット５から供給される磁場により、
高密度化され、より強力なイオン源となる。

生成されたプラズマは、アノード６の孔より拡散により
放出される。

この状態で、加速電源１４に正又は負の電圧を印加し、
正負両イオンを独立に引き出す。

第６図に一実施例を示す。

一次イオン源用材料１１としてＮａＣ１結晶を用い、放
電電圧として３００ｖの直流を印加して放電を持続した
。

なお最初の放電励起においてはＡｒ ガスをガス導入部
より導入したが、のちにガス導入を遮断し、ＮａＣ１の
スパッタ粒子（または蒸着粒子）のみによる放電を利用
した。

この場合にもイオン源は、安定に動作し、励起用Ａｒの
イオンの混入を少なくできることがわかった。

イオン源材料１１としてＣａＯなどを用いる場合には、
動作中宮にＡｒガスを導入しておく必要がある。

すなわち材料によってはＡｒ導入が必要不可欠である。

第６図に＋ は、ＮａおよびＣｔ−イオン電流の加速電圧依存性を示
したが、本実施例より、次のことが明らかになった。

（１）両者（Ｎａ＋およびＣｔ−イオン）とも従来のガ
ス成分イオン、例えばＡｒ＋、０２＋ イオンと同程度
のイオン電流が得られている。

（２Ｎａ＋イオン電流もＣｔ−イオン電流も挙動が類似
しており、Ｃｔ−イオン量は、Ｎａ＋イオンの４ 程度
になっている。

以上の結果より、従来困難とされていた固体成分元素イ
オンが比較的容易に得られるようになり、イオン注入法
や二次イオン分析計への応用や性能向上に有効であるこ
とが明らかになった。

最後に、本発明のイオン源を二次イオン分析計に応用し
てその効果を検討した結果を示す。

第１図に一次イオンとして、エレクトロポジイティブな
Ｎａイオンを本発明のイオン源からひきだし、試料室に
エレクトロネガティブな０２ ガスを導入し、各元素の
二次イオン化率を測定した結果を示す。

効果として、従来極端に低い値を示していたＳ 、Ａｓ
＄Ａｕなどの二次イオン化率が１０３〜１０４に増
加し、従来イオン化率の高かったＡｔ。

Ｓｉ、Ｍｇなどの値とほぼ同程度になることが明らかに
なった。

これにより、従来困難とされていた定量分析が得られた
質量スペクトル強度より直接見積ることが可能になった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一次イオンとしてＯ−イオンを用いた場合の
各元素のイオン化率を示す図、第２図は、一次イオンと
してＣｓ＋イオンを用いた場合の各元素のイオン化率を
示す図、第３図は、従来のデュオプラズマトロン形イオ
ン源の構成図、第４図は、本発明の実施例図、第５図は
、本発明の実施例図、第６図、第１図は、本発明の効果
を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ホローカソードを備えたデュオプラズマトロン形イ
   オン銃において、ホローカソード中にイオン源となる材
   料をそう人し、イオン銃を動作させることにより、上記
   イオン源材料をスパッタまたは蒸発させ且つイオン化さ
   せ、上記イオン源材料を構成している元素または分子イ
   オンを取り出すようにしたことを特徴とする固体イオン
   県。