JPS6130372B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はイオン源に関するものであり、特に所
望のイオンを含む化合物をプラズマ放電過程で解
離し、荷電粒子線とする型のイオン源に関するも
のである。その粒子線には所望のイオンが含まれ
ており、通常質量電荷分離技術（mass―charge
separation techniques）により分離される。本
発明の応用はこれに限定されるものではないが、
特にイオン打込み装置用の１価に帯電したホウ素
イオン作成に有効なものである。

プラズマイオン源は例えば1945年４月10日付の
米国特許第2373151号の第２図に記載されている
ようによく知られた技術である。従来のプラズマ
解離型イオン源における１つの問題点は解離過程
を完全に制御するための方法が知られていなかつ
たため、出力電流における所望のイオンの比率が
少なくとも可能であろと思われる値より通常非常
に低いということにある。例えば、１価に帯電し
たホウ素イオンをホウ素化合物である原料ガスか
ら取出そうとする場合、所望のイオンの形を有す
るホウ素の全量はガス中に存在するホウ素の全量
に比して非常に少ない。即ち、解離過程を完全に
制御するための方法が知られていなかつたため、
ガス中に存在する大部分のホウ素は利用できない
分子及び電気的に中性な形のまま残されてしま
う。

従つて、このようなイオン源をより有効かつ効
率よく使用するためには、イオン源の出力電流に
おける選択されたイオンの効率を選択し、最適化
できるよう解離過程を制御する必要が生ずる。

本発明に依れば、出力イオン電流における各種
のイオンの比率はイオン源のプラズマ温度の関数
であり、かつそのプラズマ温度を調整することに
より出力電流中の着目せるイオンの比率を所望の
値とすることが可能なことがわかつた。各種イオ
ンの比率の選択範囲を増加させるため、従来のプ
ラズマ解離型イオン源において得られる以上のプ
ラズマ温度を実現する各種の手段が付与される。

原料ガスのプラズマ解離に基づくイオン源はよ
く知られている。第１図に通常のイオン源１０の
一例を示すが、一般的に軸方向に伸びた抵抗加熱
フイラメント型陰極１４を有する（第４図参照）
例えばグラフアイトタンタル製の密閉円筒型陽極
１２により構成されている。イオン源１０は真空
容器中（図示されていない）に保持され、所望の
イオンを含むガス化合物は入力管１５とスリツト
状出口１６の間の陽極を通過する。陽極と陰極間
に直接電位差が印加され、その電位差により陽極
陰極間のガス中に放電が生ずる。その放電により
ガスは解離し、各種の中性及び帯電した粒子とな
る。中性粒子はスリツト１６を通るガス流の一部
として飛び出し、帯電した粒子はその電荷が正負
に依らず陽極１２中の空間を満たす。スリツト１
６にドリフトにより近づく正に帯電した粒子は陽
極１２から取り出され、イオン源の外部電界によ
り加速され荷電粒子線となる。所望の粒子が通常
の質量電荷分離技術によりこの粒子線から分離さ
れる。

荷電粒子数、即ち陽極１２中のプラズマ密度を
増加させるため、陽極１２付近及び内部に軸方向
の磁場（破線１９で示されている）をかける磁石
１８が必要となる。かかる軸方向の磁場は電子を
陰極から陽極に直接向かわせずむしろ陰極を軸と
して電子を回転させるためプラズマ電子の行程長
（path length）ひいてはプラズマ密度を増加させ
る傾向を有する。同時に、陰極１４に沿う電流に
より、電子の吸収される陽極軸端３０に向かい陽
極の軸方向にドリフトする電子を生ずる付加的な
磁場が存在する。この電子の軸方向のドリフトの
重要性につき以下で議論する。

前述したように、従来用いられてきたイオン源
の欠点はイオンビームにおける所望のイオンの比
率が完全に制御されず、その結果所望のイオンを
少量しか取り出せないという点にあつた。

例えば１価に帯電したホウ素イオン（“B⁺”）
作成の原料としては通常室温で気体である三フツ
化ホウ素が用いられる。（単体のホウ素は気化温
度が高いため原料には使用されていない。）この
原料を用い作成されるイオンビームの質量分析に
よれば、所望のホウ素イオンは存在するが、同時
にBF⁺，BF²⁺イオンの形のイオンも存在し、所
望の１価に帯電したホウ素イオンの全イオン電流
に対する比率（用いるイオン源にも依るが）は一
般的に15％以下である。即ち、イオン電流は多量
のホウ素は含むが、その大部分はフツ素原子を有
し利用できない形となつている。

本発明に基づき、イオンビームにおける各種イ
オンの比率はイオン源のプラズマ温度の関数であ
り、ビーム電流中の着目するイオンの比率をプラ
ズマ温度を制御選択することより従来不可能であ
つた値に最適化することが可能であることが見い
出された。この事実に関して以下に説明する。

プラズマ解離過程においては、ガス分子相互及
びプラズマ電子とガス粒子間に各種の衝突が起
る。両方の型の衝突ともガス分子の分裂
（fragmentation）を生ずるが、粒子のイオン化を
行うのは電子の衝突のみと考えられる。

イオン源からの出力ビームには解離過程で作成
されるあらゆる正のイオンが含まれている。しか
しながら筆者はビームにおけるこれら異なるイオ
ンの比率が種々の可能な衝突の統計的確率あるい
は発生率に依るものであり、即ち解離過程である
断片（fragments）が生成される確率及びこれら
の断片がイオン化されるに十分なエネルギーを有
する電子と衝突する確率に依存することを示し
た。いいかえればかかる確率は被衝突粒子の解離
及びイオン化エネルギーの関数であると同時に衝
突電子のエネルギーの関数である。従つて、ある
原料に対して各種の衝突の起こる確率ひいては原
料ガスの解離、イオン化の程度はプラズマ電子の
エネルギー分布即ちプラズマ温度（kT.ここでは
ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度）の関数とな
る。

この事実は第１図に示された型のイオン源から
のイオンビーム中の各イオンの比率をエレクトロ
ンボルト単位のプラズマ温度に対しプロツトした
第２，３図に示されている。第２図は原料が三フ
ツ化ボウ素に対するもので、第３図は三塩化ホウ
素に対するものである。これらのデータは数学的
に得られたものであり、計算の簡略化のため仮定
がなされており、幾分不確実さが存在すると考え
られる。しかしながら、図示した関係の一般的有
効性を支持する実験データは存在する。従つてこ
れらの図に基づき、イオンビーム中のあるイオン
を所望の比率とすることはプラズマ温度を図示さ
れた所望のプラズマ温度とすることによりそのイ
オンの可能な範囲の比率で実現することができ
る。従つて例えば第３図から原料ガス三塩化ウ素
から作成されるイオンビーム中の１価に帯電した
塩素イオンCl⁺の最大比率はプラズマ温度約
1.0eVで得られると決定される。同様に、１価に
帯電したホウ素イオン（B⁺）の比率を示す曲線は
両原料ともプラズマ温度約1.5eVから飽和しはじ
める（第２，３図）。

例え1.0eV以下という比較的低いプラズマ温度
では、軸方向の磁場の強度そしてあるいは陽極陰
極間の放電電圧を変化させることによりプラズマ
温度の調整が可能である。プラズマ温度は厳密に
独立変数ではなくプラズマ密度及び使用する原料
ガスに依存するため、試行錯誤的にプラズマ温度
を変化させる方法が用いられる。

第１図に示される型のイオン源からの出力電流
における所望のイオンの量を最大とするためもち
ろん従来から軸方向の磁場強度及び放電電圧を調
整することは行われてきた。しかしながら、筆者
の知る範囲ではこれらの調整がプラズマ温度の変
化を生じる、あるいはプラズマ温度を適宜調整す
ることによりイオンをある比率に選択できるとい
うことは認識されていなかつた。またこれらのパ
ラメータを調整することによつてのみ得られる最
大のプラズマ温度は比較的低く、従つて出力電流
における各イオンの比率に対する制御範囲は限ら
れたものであつた。故に本発明の重要性はプラズ
マ解離型イオン源において得られるプラズマ温度
の最大値を増加する技術の開発にある。

前述したように、プラズマ電子は陽極１２の軸
方向にドリフトする傾向がある。陽極軸端３０に
達する電子は陽極に吸収され、プラズマから離脱
する。最大のエネルギー従つて最高の速度を有す
る電子が最も速くドリフトするため、より大きな
エネルギーの電子ほど速くないプラズマから離脱
する。この結果、よりりエネルギーの大きな電子
が非常に多く陽極軸端に吸収されプラズラから離
脱する。このためプラズマ電子のエネルギー分布
が減少し、ひいてはプラズマ温度が減少する傾向
が生ずる。従つて、プラズマ温度を増加する一手
段として、陽極軸端における電子の吸収を減少さ
せる方法がある。

本発明の一具体例に基づけば、このことは磁場
の“ボトル（bottle）”特性を改善するため磁場
の形状を修整することによりなされる。この様子
は第４図に示されている。即ち磁場（破線３２で
示される）は陽極１２の中央付近に比して軸端３
０において集中あるいは圧縮されている。かかる
磁場の形状効果はよく知られているように中央の
低磁場領域から高磁場の軸端に向つてドリフトす
る電子を押戻すあるいは“反射”することであ
る。従つて第４図に示した本発明の具体例に用い
られている軸端で圧縮された磁場は陽極１２の軸
端へ向う電子ドリフトを軽減し、ひいては軸端に
おける電子の吸収を減少させる傾向を有する。前
述したようにかかる電子吸収の減少によりプラズ
マ温度は増加する。

陽極軸端の中央部に対する磁場強度比が大きい
ほどプラズマ温度の増加に対する磁場の“ボト
ル”の影響はより有効となる。この比率は“ミラ
ー（mirror）”比と呼ばれている。

第４図に示された圧縮された磁場の形状を形成
するための一手段として陽極１２の各軸端３０に
近接して例えば鋼鉄などの磁性材料の２枚のデイ
スク３４（第５図）を用いる方法がある。磁石１
８による磁場に対するデイスク３４の圧縮効果は
第５図の配置と第１図の従来法の配置を比較すれ
ば明白となる。第５図に示した配置における磁場
のミラー比は1.35であるのに比して、第１図の従
来法による配置のミラー比は1.17である。

ミラー比の増加に依るプラズマ温度の実際の増
加率は使用する原料に依存するため、一般的な関
係を求めることはできない。しかしながらかかる
増加の一例を以下に示す。

第１図の従来法によるイオン源１０において
は、出力ビーム中の１価に帯電したホウ素イオン
の最大比率は三フツ化ホウ素を原料ガスとした時
約15％、三塩化ホウ素を原料とした時約６％とな
る。これらホウ素の比率はプラズマ温度が三フツ
化ホウ素に対しては約1.0eV（第２図）、三塩化
ホウ素に対しては約0.8eV（第３図）に相当す
る。しかしながら第４，５図のイオン源を用いる
と、出力ビーム中の１価に帯電したホウ素イオン
の比率は三フツ化ホウ素原料に対して約25％三塩
化ホウ素原料に対して約10％な像加する。２種類
の原料におけるホウ素イオンの比率の増加はプラ
ズマ温度約0.1eVの増加に相当する。

ここで述べた型のイオン源のプラズマ温度を増
加させるため更に磁場のミラー比を改善する手段
として第５図の鋼鉄製デイスク３４をデイスク状
永久磁石（図示されていない）に置きかえる方法
がある。かかる永久磁石（外部磁石１８とり代え
てもよい）を適切に配置すれば、約15のミラー比
が可能と考えられる。かかる適切な配置の一例を
後に示す。

必要な磁場の形状を得るため永久磁石を陽極１
２に近接して置くと磁石が非常に高温で動作する
陽極からの放射により熱せられるため、デイスク
状磁石の配置には困難が伴う。従つて、永久磁石
の水冷といつた特別の注意をはらわなければ、磁
石の過熱及び磁気的性質の劣化が生ずる。

プラズマ温度を増加させるに有効と考えられる
別の手段は第６図に示すように、例えばタンタル
などの高融点金属シールド板３６を陽極１２の軸
端３０に近接させイラメント１４に直接マウント
する方法である。

フイラメント電位にあるシールド板３６により
陽極軸端３０が静電的に遮蔽され、その結果陽極
における電子の吸収率が減少する。従つて、第４
図に示す本発明の具体例の記述に関して述べたも
のと同様な理由によりプラズマ温度は上昇する。

前述してきた本発明の各具体例は得られるプラ
ズマ温度の最大値を上昇させる。かかる最大のプ
ラズマ温度は磁場の強度及び陽極陰極の放電電圧
を試行錯誤的方法により最適化することより得ら
れる。可能な最大値以下にプラズマ温度を設定す
るには最適の磁場強度及び放電電圧よりかなりず
れた条件下でも可能である。以上より本発明に基
づき動作プラズマ温度範囲のより広い、従つて出
力電流中で得られる各種イオンの比率範囲を増加
し得る型のイオン源を使用することが可能とな
る。

前述してきたように、従来法による第１図のイ
オン源を使用する場合、得られたプラズマ温度の
最大値は原料ガス三フツ化ホウ素に対して約
1.0eV、原料ガス三塩化ホウ素に対して約0.85eV
である。しかしながら、第２，３図からより高温
のプラズマが得られれば、出力電流中の１価に帯
電したホウ素イオンの比率は大幅に増加する。従
つて、本発明の重要な使用法の１つとして従来可
能であつた以上にイオン源のプラズマ温度を上昇
させる手段をイオン源に付与することによりイオ
ン源からの１価に帯電したホウ素イオンの比率上
昇の実現がある。特に本発明をある面から見ると
ミラー比が1.2以上である磁場を用いてプラズマ
温度の上昇そしてそれに対応して出力ビームにお
けるホウ素イオンの比率の増加が実現される。ま
た異なつた観点よりすれば原料ガス三フツ化ホウ
素に対してプラズマ温度1.0eV以上、原料ガス三
塩化ホウ素に対してプラズマ温度0.85eV以上と
することによりホウ素イオンの比率の増加が実現
される。

第５図の本発明の具体例に関して再度言及して
おく。当然のことながら磁性デイスクを除けばこ
のイオン源は第１図に示す従来法のイオン源と同
一のものである。第５図の本発明の具体的数値と
しては、陽極１２の長さ約7.5cm．直径約2.54cm
であり、磁石１８の直径約10cmで陽極１２の軸端
３０より約7.5cm離れている。デイスク３４の厚
さは約0.62cm、直径約3.75cmで陽極より約1.8cm離
れている。

鋼鉄製のデイスク３４のかわりに永久磁石のデ
イスクを用いる例においてはその永久磁石の寸法
及び陽極との距離はデイスク３４に対して前述し
た値と同一のものとする。

以上本発明を要約すると下記のようになる。

１ 所望の物質を含むガス化合物を解離し所望物
質のイオンを多数含む各種の粒子から成るプラ
ズマとするに十分な強度を有する電気放電を陽
極陰極間に発生する工程、該プラズマに磁場を
印加する工程、及び該陽極、該陰極付近から所
望の物質のイオンを含む粒子線の形で粒子を出
射させる工程から構成される所望の物質のイオ
ンを多数含む粒子線を形成する方法において、
その改善点が、 付加的手段がない場合に得られるプラズマの
最大温度以上に該プラズマの温度を上昇させる
ため該付加手段を配置することにある方法。

２ 前記第１項に記載された方法において、該電
気放電が軸方向に長い陽極と陰極間に形成さ
れ、そして該付加的手段配置工程が陽極の各軸
端で該磁場を圧縮するため、一対の磁性材料を
該陽極の該軸端に近接して配置することから成
る方法。

３ 前記第１項に記載された方法において、該電
気放電が軸方向に長い陽極と陰極間に形成さ
れ、そして該付加的手段配置工程が 該プラズマから陽極の各軸端を静電的に遮蔽
するため、一対の静電遮蔽材料を該陽極の該軸
端に近接して配置することから成る方法。

４ 所望のイオンの比率が制御可能な粒子線を形
成するため、所望のイオン物質を含むガス化合
物を解離しプラズマとする方法において、ガス
化合物を解離し所望のイオンを多数含む各種粒
子から成るプラズマとするに十分な強度を有す
る電気放電を該ガス化合物を通して陽極陰極間
に発生する工程、該プラズマに可変磁場を印加
する工程、プラズマ中の所望のイオンの比率が
最大値となるよう該磁場の強度を調整する工
程、そして該陽極、該陰極付近から所望の物質
のイオンを含む粒子線の形で粒子を出射する工
程から成り、その改善点が 磁場は該強度に維持しつつ、該プラズマにお
ける所望イオンの比率を該最大値以上の制御値
に増加させるよう該プラズマの温度を上昇させ
ることにある方法。

５ 前記第４項に記載された方法において、該電
気放電が軸方向に長い陽極と陰極間に形成さ
れ、該温度上昇工程が 陽極の各軸端で該磁場を圧縮するため、一対
の磁性材料を該陽極の該軸端に近接して配置す
ることから成る方法。

６ 前記第４項に記載された方法において、該電
気放電が軸方向に長い陽極と陰極間に形成さ
れ、該温度上昇工程が 該プラズマから陽極の各軸端を静電的に遮蔽
するため、一対の静電遮蔽材料を該陽極の該軸
端に近接して配置することから成る方法。

７ 前記第４項に記載された方法おいて、該温度
上昇工程が該磁場のミラー比を1.2以上の値に
増加させることから成る方法。

８ 所望の物質のイオンを多数含む粒子線を形成
する装置において、 陽極、 陰極、 該所望の物質を含むガス化合物を陽極陰極間
に導入する手段、 該ガス化合物を解離し、所望の物質のイオン
多数を含む各種粒子から成るプラズマとするに
十分な強度を有する電気放電を陽極陰極間に発
するための手段、 該プラズマに磁場を印加するための手段、 該プラズマの温度を上昇させるため該電気放
電発生手段、該磁場印加手段にある手段を追加
し、該温度上昇手段がない場合に該電気放電発
生手段、該磁場印加手段によりプラズマ中で得
られる最大温度以上にプラズマ温度を上昇させ
るための手段、そして 該陽極、該陰極付近から所望の均質のイオン
を含む粒子線の形で粒子を出射する手段 から成る装置。

９ 前記第８項に記載された装置において、該陽
極、該陰極が軸方向に長く、そして該温度上昇
手段が該磁場印加手段により生ずる磁場を陽極
の各軸端で圧接するため陽極の該軸端に近接し
配置される一対の磁性材料から成る装置。

10 前記第８項に記載された装置において、該陽
極、該陰極が軸方向に長く、そして、該温度上
昇手段が該プラズマから陽極の各軸端を静電的
に遮蔽するため該陽極の該軸端に近接して配置
される一対の静電遮蔽材料から成る装置。

11 前記第10項に記載された装置において、該温
度上昇手段が更に、 該磁場印加手段により生ずる磁場のミラー比
を1.2以上の値に増加するための手段から成る
装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法に依るイオン源の概念図、第２
図、第３図は第１図の型のイオン源からの出力電
流における各種イオンの比率のプラズマ温度に対
する変化を示す図、第２図は原料ガス三フツ化ホ
ウ素に対する図、第３図は原料ガス三塩化ホウ素
に対する図、第４図は第１図のイオン源の陽極の
断面図で、本発明の一具体例に基づく磁場の形状
を示した図、第５図は第１図と類似した図である
が、第４図に示した磁場の形状を作成するため従
来法のイオン源の修正を示した図、そして第６図
は第４図と類似した図であるが、本発明の別の具
体例に基づく陽極内部の修正を示した図である。 主要部分の符号の説明、陽極……１２、陰極…
…１４、ガス化合物を導入する手段……１５、粒
子を放出する手段……１６、磁場を印加する手段
（磁石）……１８、端……３０、部材……３４。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 特定の物質の選択されたイオンを含む粒子線
   を形成する装置であつて、 管状陽極、 前記陽極内に当該陽極の長手方向の軸に沿つて
   配設されている陰極、 前記陽極と陰極との間に前記特定の物質を含む
   ガス化合物を導入するための手段、 前記ガス化合物を前記選択されたイオンを含む
   各種の粒子から成るプラズマにするのに十分な強
   度を有する電気放電を前記陽極と陰極との間に発
   生する手段、 前記プラズマに磁場を印加するために前記陽極
   の外側に当該陽極の軸に沿つて配設されている一
   対の磁石、および 該陽極および陰極の付近から該選択されたイオ
   ンを含む粒子を放出する手段とからなる装置にお
   いて 該プラズマの温度を上昇させて、それによつて
   放出粒子中の選択されたイオンの割合を増加させ
   るために前記陽極の異なる端部にそれぞれ隣接し
   て一対の受動的磁気部材を配置したことを特徴と
   する装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
   て、 該磁気部材は陽極端部における磁場を収歛して
   当該磁場のミラー比を増加させるために前記陽極
   と磁石との間で該陽極軸に沿つて配されているこ
   とを特徴とする装置。 ３ 特許請求の範囲第２項に記載の装置において 該ミラー比が1.2以上であることを特徴とする
   装置。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
   て、 陽極内のプラズマから該陽極端部を静電的に遮
   蔽するために部材が陽極内に配置されていること
   を特徴とする装置。