(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマチャンバー内に形成される電子サイクロトロン共鳴領域において生成されたプラズマをミラー磁石とカプス磁石との合成磁界で該プラズマチャンバー内に閉じこめ、該プラズマを閉じこめた該プラズマチャンバーから、プラズマ電極と引き出し電極とによって形成される電場の作用によってイオンを引き出すＥＣＲイオン源において、
プラズマチャンバーの略中心軸線上に位置する孔部を有する略ドーナツ形状を備えていて、前記略ドーナツ形状の外周部位の前記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を、前記プラズマチャンバーの軸線方向に移動自在なプラズマ電極と、
前記プラズマ電極の孔部と同一軸線上に位置させた孔部を有する前記軸線方向に移動自在な引き出し電極と
を有し、
前記プラズマ電極の前記外周部位の前記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を、前記プラズマチャンバーの軸線方向に移動することにより、前記プラズマ電極と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離を変更する
ことを特徴とするＥＣＲイオン源。
【請求項２】
請求項１に記載のＥＣＲイオン源において、
前記プラズマ電極は、前記軸線方向に延長するアーム部を有し、
前記アーム部を介して、前記プラズマ電極の前記外周部位の前記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を、前記プラズマチャンバーの軸線方向に移動する
ことを特徴とするＥＣＲイオン源。
【請求項３】
プラズマチャンバーの略中心軸線上に位置する孔部を有する略ドーナツ形状を備えていて、前記略ドーナツ形状の外周部位の前記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を、前記プラズマチャンバーの軸線方向に移動自在なプラズマ電極と、前記プラズマ電極の孔部と同一軸線上に位置させた孔部を有する前記軸線方向に移動自在な引き出し電極とを有し、前記プラズマチャンバー内に形成される電子サイクロトロン共鳴領域において生成されたプラズマをミラー磁石とカプス磁石との合成磁界で前記プラズマチャンバー内に閉じこめ、該プラズマを閉じこめた前記プラズマチャンバーから、前記プラズマ電極と前記引き出し電極とによって形成される電場の作用によってイオンを引き出すＥＣＲイオン源におけるイオン価数の制御方法であって、
前記プラズマ電極の前記外周部位の前記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を前記プラズマチャンバーの軸線方向に移動して、前記プラズマ電極と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離を変更することにより、前記プラズマ電極から引き出されるイオンの価数を制御する
ことを特徴とするＥＣＲイオン源におけるイオン価数の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＣＲイオン源およびＥＣＲイオン源におけるイオン価数の制御方法に関し、さらに詳細には、多価イオンを生成するＥＣＲイオン源およびＥＣＲイオン源におけるイオン価数の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＥＣＲイオン源として、例えば、図１に示すようなＥＣＲイオン源が知られている。
【０００３】
このＥＣＲイオン源１００は、略円筒形状を備えた鉄ヨーク１０２と、鉄ヨーク１０２内において略円筒形状の軸線方向に左右に一対配設されたミラー磁界を発生させるミラー磁石としての略ドーナツ形状を備えたソレノイドコイル１０４ａ、１０４ｂと、ソレノイドコイル１０４ａとソレノイドコイル１０４ｂとの間に配設されるとともに隣接したＮ極とＳ極とが交互に配置されてカプス磁界を発生させるカプス磁石としての六極磁石１０６と、ソレノイドコイル１０４ａ、１０４ｂと六極磁石１０６とにより取り囲まれて配設された略円筒形状を備えた真空槽よりなりプラズマを発生させるプラズマチャンバー１０８（プラズマチャンバー１０８内においては、ソレノイドコイル１０４ａ、１０４ｂによるミラー磁界と六極磁石１０６によるカプス磁界とにより形成された合成磁場によりプラズマが閉じこめられる。なお、プラズマチャンバー１０８内においてプラズマは、ソレノイドコイル１０４ａ、１０４ｂにより軸線方向に閉じこめられ、六極磁石１０６により径方向に閉じこめられるものである。）と、プラズマチャンバー１０８内に、例えば、ＣＨ４やＨｅなどの材料ガスを供給するガス導入管１１０と、プラズマチャンバー１０８の略円筒形状の略中心軸線上に配設されるとともにマイクロ波をプラズマチャンバー１０８内に入射する導波管１１２と、プラズマチャンバー１０８内においてプラズマチャンバー１０８の略円筒形状の略中心軸線上に孔部１１４ａを位置させるように配置された略ドーナツ形状を備えていてイオンを軸線方向に引き出すプラズマ電極１１４と、プラズマ電極１１４の孔部１１４ａと同一軸線上に孔部１１６ａを位置させるように配置された略円筒形状を備えた引き出し電極１１６とを有して構成されている。
【０００４】
図２には、上記した従来のＥＣＲイオン源１００のプラズマチャンバー１０８とプラズマ電極１１４と引き出し電極１１６との構成を中心にして示す要部概略構成説明図である。
【０００５】
プラズマ電極１１４は、略ドーナツ形状の外周部位１１４ｂをプラズマチャンバー１０８の内壁面１０８ａに固定することにより、プラズマチャンバー１０８内に不動状態で固定的に配設されており、プラズマチャンバー１０８内に閉じこめられたプラズマと接している。
【０００６】
一方、引き出し電極１１６は、略円筒形状の軸線方向に移動自在となされており、任意の位置に可動することができる。なお、引き出し電極１１６の移動は、モーター（図示せず。）などを用いて自動的に制御するようにしてもよいし、あるいは、ユーザーが手動で適宜に位置決めするようにしてもよい。
【０００７】
プラズマチャンバー１０８内に閉じこめられたプラズマとプラズマ電極１１４と引き出し電極１１６との位置関係は、プラズマチャンバー１０８内に閉じこめられたプラズマと引き出し電極１１６との間にプラズマ電極１１４が存在することになる。
【０００８】
以上の構成において、プラズマチャンバー１０８内における、導波管１１２から入射されたマイクロ波の周期とソレノイドコイル１０４ａ、１０４ｂおよび六極磁石１０６によって形成される磁場によって回転運動する電子の周期（サイクロトロン周期）とが一致する場所たる電子サイクロトロン共鳴領域（ＥＣＲゾーン）において電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）が起こり、マイクロ波のエネルギーが電子の運動エネルギーに変換される。これは、電子サイクロトロン共鳴加熱と称される。
【０００９】
上記のようにして運動エネルギーの高くなった電子が原子やイオンに衝突して、それによって電離を行ってプラズマを生成する。この際に、電離を繰り返すことで、多価イオンが生成されることになる。
【００１０】
ここで、ＥＣＲイオン源１００のプラズマチャンバー１０８内において生成されたプラズマは、ソレノイドコイル１０４ａ、１０４ｂによるミラー磁界と六極磁石１０６によるカプス磁界とにより形成された合成磁場によって閉じこめられて密度を高めている。
【００１１】
そして、ＥＣＲイオン源１００においては、上記した合成磁場によって密度を高められたプラズマから、プラズマ電極１１４と引き出し電極１１６とによって形成される電場の作用によって、プラズマ電極１１４の孔部１１４ａおよび引き出し電極１１６の孔部１１６ａを通してプラズマチャンバー１０８の外部にイオンを引き出してイオンビームを発生する。
【００１２】
しかしながら、従来のＥＣＲイオン源においては、プラズマ電極１１４の孔部１１４ａおよび引き出し電極１１６の孔部１１６ａを通ってプラズマチャンバー１０８の外部に引き出されるイオンビームについては、そのイオンの価数を制御することができなかったため、イオンの価数に対するイオンビーム強度の制御などを行うことができないという問題点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、プラズマ電極から引き出されるイオンの価数を制御することを可能とし、イオンの価数に対するイオンビーム強度の制御を行うことができるようにしたＥＣＲイオン源およびＥＣＲイオン源におけるイオン価数の制御方法を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、プラズマチャンバー内に形成される電子サイクロトロン共鳴領域において生成されたプラズマをミラー磁石とカプス磁石との合成磁界で該プラズマチャンバー内に閉じこめ、該プラズマを閉じこめた該プラズマチャンバーから、プラズマ電極と引き出し電極とによって形成される電場の作用によってイオンを引き出すＥＣＲイオン源において、プラズマチャンバーの略中心軸線上に位置する孔部を有する略ドーナツ形状を備えていて、上記略ドーナツ形状の外周部位の上記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を、上記プラズマチャンバーの軸線方向に移動自在なプラズマ電極と、上記プラズマ電極の孔部と同一軸線上に位置させた孔部を有する上記軸線方向に移動自在な引き出し電極とを有し、上記プラズマ電極の上記外周部位の上記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を、上記プラズマチャンバーの軸線方向に移動することにより、上記プラズマ電極と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離を変更するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記プラズマ電極は、上記軸線方向に延長するアーム部を有し、上記アーム部を介して、上記プラズマ電極の上記外周部位の上記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を、上記プラズマチャンバーの軸線方向に移動するようにしたものである。
【００１６】
従って、本発明のうちの請求項１または請求項２に記載の発明によれば、プラズマ電極とプラズマチャンバー内に生成されて閉じこめらたプラズマの生成中心との間の距離を変化することができ、当該距離を変化させることによりプラズマ電極から引き出されるイオンの価数を可変することが可能となって、当該距離の変化に伴いイオンの価数に対するイオンビーム強度の制御を行うことができるものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、プラズマチャンバーの略中心軸線上に位置する孔部を有する略ドーナツ形状を備えていて、上記略ドーナツ形状の外周部位の上記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を、上記プラズマチャンバーの軸線方向に移動自在なプラズマ電極と、上記プラズマ電極の孔部と同一軸線上に位置させた孔部を有する上記軸線方向に移動自在な引き出し電極とを有し、上記プラズマチャンバー内に形成される電子サイクロトロン共鳴領域において生成されたプラズマをミラー磁石とカプス磁石との合成磁界で上記プラズマチャンバー内に閉じこめ、該プラズマを閉じこめた上記プラズマチャンバーから、上記プラズマ電極と上記引き出し電極とによって形成される電場の作用によってイオンを引き出すＥＣＲイオン源におけるイオン価数の制御方法であって、上記プラズマ電極の上記外周部位の上記プラズマチャンバーの内壁面に対する配設位置を上記プラズマチャンバーの軸線方向に移動して、上記プラズマ電極と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離を変更することにより、上記プラズマ電極から引き出されるイオンの価数を制御するようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明によるＥＣＲイオン源およびＥＣＲイオン源におけるイオン価数の制御方法の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。
【００１９】
図３には、本発明によるＥＣＲイオン源の図２に対応する要部概略構成説明図が示されている。
【００２０】
なお、本発明によるＥＣＲイオン源は、従来のＥＣＲイオン源とは図３に示す構成のみ異なり、他の構成は従来のＥＣＲイオン源の構成と同様である。従って、この「発明の実施の形態」においては、「従来の技術」の項で示した従来のＥＣＲイオン源に関する詳細な説明ならびに図１を援用することとし、従来のＥＣＲイオン源の構成と同様な構成に関する詳細な説明は省略する。
【００２１】
本発明によるＥＣＲイオン源においては、略ドーナツ形状を備えていてイオンを軸線方向に引き出すプラズマ電極１４を備えており、このプラズマ電極１４は、プラズマチャンバー１０８内においてプラズマチャンバー１０８の略円筒形状の略中心軸線上に孔部１４ａを位置させるようにして、プラズマチャンバー１０８内で軸線方向に移動自在に配設されている。
【００２２】
また、引き出し電極１１６は、プラズマ電極１４の孔部１４ａと同一軸線上に孔部１１６ａを位置させるように配置されている。
【００２３】
より詳細には、プラズマ電極１４は、プラズマチャンバー１０８の内壁面１０８ａに対して略ドーナツ形状の外周部位１４ｂが摺動自在となるように配設されており、プラズマチャンバー１０８内に閉じこめられたプラズマと接している。
【００２４】
ここで、プラズマ電極１４には、軸方向に延長するアーム部１５が形成されている。このアーム部１５を介して外部の力がプラズマ電極１４に作用して、プラズマ電極１４はプラズマチャンバー１０８内の内壁面１０８ａ上を軸線方向に摺動して移動する。
【００２５】
なお、アーム部１５に対する外部からの力の作用は、モーター（図示せず。）などを用いて自動的に制御するようにしてもよいし、あるいは、ユーザーが手動で適宜に行うようにしてもよい。
【００２６】
また、引き出し電極１１６は、従来のＥＣＲイオン源と同様に、略円筒形状の軸線方向に移動自在となされており、任意の位置に可動することができる。なお、引き出し電極１１６の移動は、モーター（図示せず。）などを用いて自動的に制御するようにしてもよいし、あるいは、ユーザーが手動で適宜に位置決めするようにしてもよい。
【００２７】
プラズマチャンバー１０８内に閉じこめられたプラズマとプラズマ電極１４と引き出し電極１１６との位置関係は、プラズマチャンバー１０８内に閉じこめられたプラズマと引き出し電極１１６との間にプラズマ電極１４が存在することになる。
【００２８】
以上の構成において、プラズマチャンバー１０８内における、導波管１１２から入射されたマイクロ波の周期とソレノイドコイル１０４ａ、１０４ｂおよび六極磁石１０６によって形成される磁場によって回転運動する電子のサイクロトロン周期とが一致する電子サイクロトロン共鳴領域において電子サイクロトロン共鳴が起こり、電子サイクロトロン共鳴加熱によりマイクロ波のエネルギーが電子の運動エネルギーに変換される。上記のようにして運動エネルギーの高くなった電子が原子やイオンに衝突して、それによって電離を行ってプラズマを生成し、こうした電離を繰り返すことでプラズマチャンバー１０８内に多価イオンが生成される。
【００２９】
ここで、プラズマチャンバー１０８内において生成されたプラズマは、ソレノイドコイル１０４ａ、１０４ｂによるミラー磁界と六極磁石１０６によるカプス磁界とにより形成された合成磁場によって閉じこめられて密度を高めている。
【００３０】
そして、上記した合成磁場によって密度を高められたプラズマから、プラズマ電極１４と引き出し電極１１６とによって形成される電場の作用によって、プラズマ電極１４の孔部１４ａおよび引き出し電極１１６の孔部１１６ａを通してプラズマチャンバー１０８の外部にイオンを引き出してイオンビームを発生する。
【００３１】
上記した本発明によるＥＣＲイオン源においては、アーム部１５を介してプラズマ電極１４をプラズマチャンバー１０８内で軸方向に移動して、プラズマ電極１４と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離を変更することにより、プラズマ電極１４から外部に引き出されるイオンの価数を制御することができるので、外部にイオンを引き出して発生するイオンビームに関して、イオンの価数に対するイオンビーム強度の制御を行うことが可能になる。
【００３２】
ここで、本発明によるＥＣＲイオン源は、本願発明者による研究の成果として、当該研究の結果解明された以下の点に着目してなされたものである。
【００３３】
即ち、プラズマ電極はイオンの引き出し口であり、そこでのプラズマの条件でイオンビームが決定される。
【００３４】
こうした観点から、現在までにいくつかビーム引き出しに着目した実験が行われてきたが、イオンの価数ごとのプラズマ電極位置依存性や、引き出し口でのイオン飽和電流密度の変化に着目して実験を行った例は全く知られていない。
【００３５】
ＥＣＲイオン源においては、電子サイクロトロン共鳴領域で電子にエネルギーが供給されてプラズマが生成されるので、イオン密度ｎｉと電子温度Ｔｅとが位置によって異なることが推測される。従って、プラズマ電極の位置を移動させると、引き出し口付近でのプラズマ状態が変化し、引き出されるイオンビーム強度が変化する可能性がある。さらに、プラズマ電極自体もプラズマに接しているため、プラズマの境界をつくっている。よって、プラズマ電極位置がプラズマ全体に影響を与えている可能性がある。
【００３６】
本発明は、こうした点に着目したものであり、プラズマ電極１４の位置を変えてイオンの価数に対するイオンビーム強度の違いを測定したところ、以下の実験結果に示すように、イオンの価数に対するイオンビーム強度の制御を行うことが可能であった。
【００３７】
実験は図４に示すように、引き出し口径１０ｍｍφのプラズマ電極１４の位置を変化させ（具体的には、配置位置Ａと配置位置Ｂと配置位置Ｃとに変化させた。）、引き出されるイオンビーム強度を測定した。なお、実験は、Ａｒビームについて行った。
【００３８】
図５は、上記した実験の結果を示すグラフであり、プラズマ電極１４の位置に対するイオンビームの強度の依存性を、７価、８価、９価および１１価のイオンについてそれぞれ示している（図５（ａ）は７価イオンについて示し、図５（ｂ）は８価イオンについて示し、図５（ｃ）は９価イオンについて示し、図５（ｄ）は１１価イオンについて示している。）。
【００３９】
なお、図５に示す実験結果の測定値は、イオンビーム強度が最大になるように各価数について個別に最適化を図ったものである。ただし、引き出し電圧は１３．５ｋＶで統一した。
【００４０】
この図５に示す実験結果より、イオンの価数により最適なプラズマ電極１４の位置があることがわかる。即ち、Ａｒの９価に対しては配設位置Ｂの位置が最適であり、それよりも高い価数のものは電子サイクロトロン共鳴領域よりも遠い位置に最適な位置が存在し、それよりも低い価数のものは電子サイクロトロン共鳴領域よりも近い位置に最適な位置が存在する。
【００４１】
つまり、プラズマ電極１４が電子サイクロトロン共鳴領域に近いほど、低い価数のイオンを引き出すのに適している。
【００４２】
なお、配設位置Ｃにおける８価のイオンビーム強度１．３ｅｍＡは、従来から用いられている配設位置Ａの１．５倍の値である。
【００４３】
即ち、上記したように、イオンの価数に応じて最適なプラズマ電極１４の位置が存在するものであり、プラズマ電極１４の位置、即ち、プラズマ電極１４と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離に応じてプラズマ電極から引き出されるイオンの価数が制御されるものと認められ、プラズマ電極１４の位置が電子サイクロトロン共鳴領域に近づくほど、低いイオン価数のイオンビーム強度を増強するのに有利になり、高いイオン価数に対してはその逆となる。
【００４４】
なお、上記した本発明のＥＣＲイオン源によるイオンビーム強度の増大に伴う実用上のメリットは、以下の通りである。
【００４５】
（１）ビーム強度が増大すれば、イオンビームの照射時間を短くすることができる。即ち、イオンプランテーションなどのような、工業的に製品を生産するために必要な時間を短縮することができる。また、照射時間を短縮することにより、ＥＣＲイオン源を作動する際のコストを低減することができる。
【００４６】
一方、実験などに用いる際においては、ビーム強度を増大することにより、同じ収量を得るための時間を短縮することができる。このため、単位時間当たりのの実験数を増加することができるようになる。
【００４７】
（２）イオンを同じエネルギーに加速する場合には、イオンの価数が高いほど装置規模を小型化することができ、ひいてはコスト低減を図ることができる。
【００４８】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（３）に示すように変形してもよい。
【００４９】
（１）上記した実施の形態においては、プラズマチャンバー１０８の内壁面１０８ａに対してプラズマ電極１４の外周部位１４ｂが摺動自在となるように配設することにより、プラズマ電極１４と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離を変更可能としたが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、プラズマチャンバー１０８の内壁面１０８ａに軸方向に延長する溝部を形成するとともに、プラズマ電極１４の外周部位１４ｂに当該溝部と嵌合する突出部を形成し、プラズマ電極１４の当該突出部がプラズマチャンバー１０８の内壁面１０８ａの当該溝部に沿って移動することにより、プラズマ電極１４と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離を変更可能とするようにしてもよい。また、その逆に、プラズマチャンバー１０８の内壁面１０８ａに軸方向に延長する突出部を形成するとともに、プラズマ電極１４の外周部位１４ｂに当該突出部と嵌合する切り欠き部を形成し、プラズマ電極１４の当該切り欠き部がプラズマチャンバー１０８の内壁面１０８ａの当該突出部に沿って移動することにより、プラズマ電極１４と電子サイクロトロン共鳴領域との間の距離を変更可能とするようにしてもよい。
【００５０】
（２）上記した実施の形態においては、アーム部１５を介してプラズマ電極１４をプラズマチャンバー１０８内で軸方向に移動するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、アーム部１５を用いることなしに、ギアやリンクなどの伝達機構を介してプラズマ電極１４をプラズマチャンバー１０８内で軸方向に移動するようにしもよい。
【００５１】
（３）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（２）に示す変形例は、適宜に組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、プラズマ電極から引き出されるイオンの価数を制御することが可能となり、イオンの価数に対するイオンビーム強度の制御を行うことができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＥＣＲイオン源を部分的に破断して示した概略断面構成説明図である。
【図２】従来のＥＣＲイオン源のプラズマチャンバーとプラズマ電極と引き出し電極との構成を中心にして示す要部概略構成説明図である。
【図３】本発明によるＥＣＲイオン源の図２に対応する要部概略構成説明図である。
【図４】本願発明者による実験の実験条件を示す説明図である。
【図５】本願発明者による実験の実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１４      プラズマ電極
１４ａ    孔部
１４ｂ    外周部位
１５      アーム部
１００      ＥＣＲイオン源
１０２      鉄ヨーク
１０４ａ、１０４ｂ      ソレノイドコイル
１０６      六極磁石
１０８      プラズマチャンバー
１０８ａ    内壁面
１１０      ガス導入管
１１２      導波管
１１４      プラズマ電極
１１４ａ    孔部
１１４ｂ    外周部位
１１６      引き出し電極
１１６ａ    孔部
【図１】
0003600875.tif 000002
【図２】
0003600875.tif 000003
【図３】
0003600875.tif 000004
【図４】
0003600875.tif 000005
【図５】
0003600875.tif 000006