(57)【要約】【課題】本発明は、固体を蒸発させる蒸発源に電子ビーム照射式を用いた場合には高密度イオンを小型のイオン源では効率的に生成することができない課題を解決し、高効率に高密度イオンを生成する金属イオン源を提供することを目的とする。また、第二の目的として、金属イオン源の小型軽量化を図り、イオン引き出し方向の選択を容易にする金属イオン源を提供することを目的とする。【解決手段】電離が行われるか否かが電子ビームのエネルギーの大きさに依存するという物理的特性を利用し、同一室内で、電離効率が低い高速の電子ビームが原料の蒸発に、放電により発生させた電離効率が高い低速電子が電離作用に、独立かつ同時に関与することが可能な蒸発兼プラズマ室を備えたイオン源の構造とした。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内で電子ビームを原料に照射して原料ガスを発生させ、当該原料ガスを放電により電離し得られたプラズマからイオンを引き出す金属イオン源において、
原料に照射する高速の電子ビームを室内に導入する電子ビーム導入口と、
プラズマ化のための放電電極と、
を備えた蒸発兼プラズマ室を設け、
高エネルギーかつ高速の電子ビームを発生させる電子ビーム発生室と、
前記蒸発兼プラズマ室底部において上方向に開口し前記原料ガスを放出するハースと、
を備えた電子ビーム蒸発器を設け、
前記放電電極を、
予め定められた前記高速の電子ビームの飛行経路と干渉しない位置に配設したこと、
を特徴とする金属イオン源。
【請求項２】
前記蒸発兼プラズマ室と前記電子ビーム発生室との間に排気抵抗を設け、
前記蒸発兼プラズマ室内を原料ガスで予め定められたガス圧に上昇させた際に、
前記電子ビーム発生室の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持する差動排気構造を備えること、
を特徴とする請求項１に記載する金属イオン源。
【請求項３】
前記放電電極として、
ＰＩＧ放電、電子衝撃アーク放電、アーク放電又はＲＦ放電のいずれの電極を選択することも可能であること、
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載する金属イオン源。
【請求項４】
前記蒸発兼プラズマ室に接続してイオン引き出し室を設け、
拡散したプラズマを前記イオン引き出し室に導入するイオン引き出し口を前記蒸発兼プラズマ室に設け、
イオン引き出し電極系部を前記イオン引き出し口に近接して前記イオン引き出し室に設け、
前記蒸発兼プラズマ室と前記イオン引き出し室との間に排気抵抗を設け、
前記蒸発兼プラズマ室内を原料ガスで予め定められたガス圧に上昇させた際に、
前記イオン引き出し電極系部の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持する差動排気構造を備えたこと、
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載する金属イオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを照射して金属その他の常温で固体の物質を蒸発させ、発生した原料ガスを電離して、イオンを生成し引き出す金属イオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、イオン源は、半導体基板に対するイオン注入装置、イオンビームエッチング装置、様々な部材にコーティングを施す薄膜形成装置などに活用されている。
【０００３】
金属などの固体を蒸発させる蒸発源として、加熱式と電子ビーム照射式とが知られ、蒸発ガスのイオン化は、蒸発した原料ガスに電子を衝突させ電離する方法が知られている。
【０００４】
蒸発源に電子ビーム照射式を用いているもののうち、特許文献１には、蒸発部に照射される電子ビームとその二次電子とによる蒸気の電子衝突電離によってプラズマを生じさせている先行技術が開示されている。蒸発部に照射される電子ビームを用いて電離作用を生じさせるためには、蒸発部のガス圧を高くし、かつ、照射する電子ビームの速度を低くして、電子の衝突断面積大きくする必要がある。ところが、電子ビームのエネルギーを低く設定すると蒸発部への経路上で原料ガスに衝突し蒸発部に到達する電子ビームによる蒸発効率が低下することになる。また、真空度を低く設定すると、電子銃で放電が生じ、電子ビームが形成できない問題があった。
【０００５】
これらから、蒸発のための電子と電離のための電子を同時に同一の真空度の環境で作用させることは難しいとの認識が従来から持たれていた。さらに、蒸発源近傍に放電電極を備えることは、蒸発部に導入する電子ビームを偏向させるための電磁場に影響を与え、電子ビームの指向性を損なうとの認識が持たれていた。
【０００６】
上記の問題を解決するために、本発明に係る発明者は固体イオン源の発明を行い、特許文献２に開示した。
【０００７】
上記固体イオン源においては、原料蒸発室とプラズマ室との間を、蒸気（原料ガス）がプラズマ室に拡散するための原料ガス拡散口を有する隔壁で区画すると共に、電子ビーム蒸発器の電子ビーム発生部に排気口を設け、排気を行うことにより原料蒸発室のガス圧が高くなっても電子ビーム発生部で放電が生じないようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０４−３０６５４０号公報
【特許文献２】特許４４４０３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
気体は、ガス圧が高い場所から真空度の高い場所へと拡散することは技術常識として知られている。
【００１０】
特許文献２の先行技術においては、第一に、原料蒸発室とプラズマ室との間を、原料ガス拡散口を有する隔壁で区画し排気抵抗を設けたことから、原料ガスのプラズマ室への導入には抵抗がある。プラズマ密度を高くすることを目的としてプラズマ室の原料ガスの密度を高くすると、電子ビーム発生部で真空度が低下して放電が起こり、イオン源の機能は停止する問題があった。
【００１１】
第二に、蒸発室とプラズマ室とを隔てて設けた際、特に蒸発源が偏向型電子ビーム照射式の場合には蒸発室に電子ビームが偏向する空間を確保する必要性から、固体イオン源の装置全体の小型軽量化を図ることが難しい問題があった。
【００１２】
第三に、プラズマ室内の底面部に上方を開口して蒸発面が水平になるように配設されたハース（原料皿）から蒸発した原料ガスは蒸発面から鉛直上方向に広がりつつ拡散することから、高い電流密度のイオンビームを得るためには、イオンの引き出し口を上部に設けてイオンビームの発射を上方に向けることが多く、水平方向へのイオンビームの発射の選択が制限される問題があった。
【００１３】
また、蒸発のための電子と電離のための電子を同時に同一の真空度の環境で効率的に作用させることが難しく高密度イオンを高効率に生成できないとの特許文献１に記載される先行技術が有する課題に関して解決されていない。
【００１４】
したがって、高密度イオンを大量に生成する装置、例えば各種部材にコーティングを施す薄膜形成装置への実用化において、電子ビーム照射式の固体を蒸発させる蒸発源の発展が遅れていた。
【００１５】
本発明は、固体を蒸発させる蒸発源に電子ビーム照射式を用いた場合には小型のイオン源では高密度イオンを効率的に生成することができないという根本的な課題を、電子ビームのエネルギーの大きさに従って電離度が顕著に変化するという物理的特性を利用することによって解決するとともに、上記に挙げたその他の課題の解決を図り、高効率に高密度イオンを生成する金属イオン源を提供することを目的とする。また、第二の目的として、金属イオン源の小型軽量化を図り、イオン引き出し方向の選択を容易にする金属イオン源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明の金属イオン源は、真空容器内で電子ビームを原料に照射して原料ガスを発生させ、当該原料ガスを放電により電離し得られたプラズマからイオンを引き出す金属イオン源において、原料に照射する高速の電子ビームを室内に導入する電子ビーム導入口と、プラズマ化のための放電電極と、を備えた蒸発兼プラズマ室を設け、高エネルギーかつ高速の電子ビームを発生させる電子ビーム発生室と、前記蒸発兼プラズマ室底部において上方向に開口し前記原料ガスを放出するハースと、を備えた電子ビーム蒸発器を設け、前記放電電極を、予め定められた前記高速の電子ビームの飛行経路と干渉しない位置に配設したこと、を特徴とする。
【００１７】
また、本発明の金属イオン源は、前記蒸発兼プラズマ室と前記電子ビーム発生室との間に排気抵抗を設け、前記蒸発兼プラズマ室内を原料ガスで予め定められたガス圧に上昇させた際に、前記電子ビーム発生室の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持する差動排気構造を備えること、を特徴とする。
【００１８】
また、本発明の金属イオン源は、前記放電電極として、ＰＩＧ放電、電子衝撃アーク放電、アーク放電又はＲＦ放電のいずれの電極を選択することも可能であること、を特徴とする。
【００１９】
また、本発明の金属イオン源は、前記蒸発兼プラズマ室に接続してイオン引き出し室を設け、拡散したプラズマを前記イオン引き出し室に導入するイオン引き出し口を前記蒸発兼プラズマ室に設け、イオン引き出し電極系部を前記イオン引き出し口に近接して前記イオン引き出し室に設け、前記蒸発兼プラズマ室と前記イオン引き出し室との間に排気抵抗を設け、前記蒸発兼プラズマ室内を原料ガスで予め定められたガス圧に上昇させた際に、前記イオン引き出し電極系部の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持する差動排気構造を備えたこと、を特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の金属イオン源によれば、電子ビームのエネルギーの大きさに従って電離度が顕著に変化するという物理的特性を利用し、同一室内で、電離効率が低い高速の電子ビームを原料の蒸発に、放電により発生させた電離効率が高い低速電子を電離作用に、独立かつ同時に関与させることによって、高密度の原料イオンを発生させることができる効果を奏する。
【００２１】
電子ビーム発生部により発生させた電子は、所定の真空度より低い真空環境下では発生直後に放電しビームにならない。本発明の金属イオン源によれば、電子ビーム蒸発器の電子ビーム発生室の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持する差動排気構造を備えることで、電子ビーム発生部で発生直後の電子の放電を防止し、高エネルギーで高速の電子ビームを生成することができる。高エネルギーで高速の電子ビームは、電離度が非常に低い物理的特性によりハースから発生した原料ガスに衝突する確率が低いため、原料に到達して加熱効率を向上させる効果を奏する。
【００２２】
また、前記差動排気構造は蒸発兼プラズマ室内の原料ガスのガス圧を高めることを可能とし、電離のための放電方法を各種選択できることを目的とする。
【００２３】
また、蒸発兼プラズマ室と電子ビーム発生室との間に排気抵抗を設けているので、蒸発兼プラズマ室の固体の原料ガス又はプラズマが電子ビーム発生室に拡散することを抑制できる。これにより、電子ビーム発生室の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持し、電子ビームを安定に発射できる効果を奏する。
【００２４】
本発明の金属イオン源によれば、原料によって異なる原料ガスの密度に応じて、放電方法を選択することができる効果を奏する。
【００２５】
本発明の金属イオン源によれば、イオン引き出し電極系部の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持する差動排気構造を備えることにより、原料ガス圧が高い蒸発兼プラズマ室から高密度のイオンを引き出すことが可能となる。同時に、電子ビーム発生室への原料ガス又は原料プラズマの拡散を抑制することができる効果を奏する。
【００２６】
また、高密度のイオンの進行方向を低真空の蒸発兼プラズマ室から高真空のイオン引き出し室に誘導し、引き出す方向を選択することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る金属イオン源１の装置例の平面方向の断面図である。
【図２】本発明に係る金属イオン源１の装置例、図１におけるＡ−Ａ’断面図である。
【図３】本発明に係る金属イオン源１の蒸発兼プラズマ室１０における原料ガスの拡散状態と電離に関する概念図である。
【図４】本発明に係る金属イオン源１のイオン発生原理図である。
【図５】電子エネルギーと電離全断面積に相当する電離能率との関係を示すグラフである。
【図６】プラズマを発生させる真空室内のガス圧と放電方法との適合性を示すグラフである。
【図７】本発明に係る金属イオン源１に使用可能な放電電極２０例及び配位例を示す図である。
【図８】鉛直上方向にイオン引き出し室３０を設けた実施例を示す立面方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明に係る金属イオン源１について、図を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係る金属イオン源１の装置の平面方向の断面図である。図２は、本発明に係る金属イオン源１の装置のＡ−Ａ’断面図である。
【００２９】
金属イオン源１は、少なくとも蒸発兼プラズマ室１０、電子ビーム蒸発器１１及びイオン引き出し室３０で構成される。金属イオン源１を動作させている際には、各々は所定の真空環境で維持される。
【００３０】
イオンを発生させるための蒸発兼プラズマ室１０は、放電電極２０を備える。蒸発兼プラズマ室１０底部には、電子ビーム蒸発器１１の上面に備えたハース１２が上方向に開口して、配設される。図１及び図２では、電子ビーム蒸発器１１は、偏向型電子ビーム照射式を例示した。また、放電電極２０は、電子衝撃アーク放電電極２０４（図１、図３、図４及び図８では単に放電電極２０として表している。）を例示して説明する。蒸発兼プラズマ室１０には、さらに電子ビーム導入口１４２、イオン引き出し口２５を備える。気体原料ガス供給口２８及びプラズマ拡散口２６を備えることも可能である。電子ビーム導入口１４２は、原料を加熱するための高速の電子ビームを蒸発兼プラズマ室１０に導入するために開口されたものである。イオン引き出し口２５からは、蒸発兼プラズマ室１０で生成されたプラズマから原料イオンをイオン引き出し室３０に送り出す。気体原料ガス供給口２８を設けた場合には、気体又は蒸発させた固体原料ガスを導入しイオン化することも可能となる。また、蒸気圧の低い原料をソースプラズマにする際、プラズマの発生を容易にするため、蒸発兼プラズマ室１０に放電支援ガスを混入しガス圧を高める場合にも用いる。プラズマ拡散口２６からは、原料ガス及びプラズマを引き出すことによって、プラズマ拡散口２６の外に置かれた被処理体にコーティングなどの表面処理を行うことも可能となる。
【００３１】
電子ビーム蒸発器１１は、電子ビーム発生室１４及びハース（原料皿）１２から構成され、蒸発兼プラズマ室１０内の底面部にハース１２が上方向に開口するように配設される。また、電子ビーム発生室１４は、電子ビーム発生部１４４、排気口ａ４１及び排気抵抗器１６から構成される。
【００３２】
電子ビーム発生室１４はハース１２の下側に配設され蒸発兼プラズマ室１０とは排気抵抗板１６２などの隔壁によって隔てられ、電子ビーム導入口１４２のみを介して蒸発兼プラズマ室１０と空間が接続されている。電子ビーム制御盤１４６からおよそ３ｋＶ程度以上の加速電圧を電子ビーム発生部１４４に印加し高速の電子ビームを発射させる。
【００３３】
ハース１２は上方向に開口して蒸発兼プラズマ室１０内の底面部に配設され、高速の電子ビームで加熱するための固体原料ＭＡを積載して、到達した高速の電子ビームによって原料ガスを放出する。ハース１２は、機械的に交換可能な構造にすることによって原料イオンの生成効率を向上させることができる。例えば、複数個のハース１２をターレット式のターンテーブルに積載し外部操作により回転させて交換できる方法があるが、その他のオートサンプルチェンジャでもよい。
【００３４】
排気口ａ４１は、真空ポンプａ４０に接続される。予備排気を行った後に本排気を行うことで効率よく短時間に所定の真空度に到達させることができる。電子ビーム発生部１４４は、所定の真空度より低い真空環境下では発生直後に放電しビームにならない。真空ポンプａ４０を用いることによって電子ビーム発生室１４の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持する。
【００３５】
蒸発兼プラズマ室１０では、蒸発した原料ガスは鉛直上方向に広がりつつ拡散しガス圧が高まっていくため、原料ガス又はプラズマが電子ビーム導入口１４２を介して電子ビーム発生室１４に拡散することを抑制する必要がある。排気抵抗器１６は、高速の電子ビームの飛行経路上に排気抵抗路１６４を用いて隘路部としたり、蒸発兼プラズマ室１０と電子ビーム発生室１４との間に排気抵抗板１６２を設けたりすることによって形成され、電子ビーム発生室１４を低いガス圧に保持することができる。すなわち、蒸発兼プラズマ室１０との間に差動排気構造が形成される。
【００３６】
放電電極２０は、蒸発兼プラズマ室１０の上面部又は側面部に沿って配設される。放電電極２０は、導線を介して蒸発兼プラズマ室１０外に備えられた放電電極制御盤２２によって電圧及び電流を制御されて放電が発生する。蒸発兼プラズマ室１０内への導線の導入は電流導入端子２４を介し蒸発兼プラズマ室１０を構成する部材とは絶縁して行われる。例えば、特許第５９６４４９４号に開示された電流導入端子２４を用いることにより電流導入端子２４における絶縁破壊を低コストかつ確実に防止することができる。
【００３７】
本発明の金属イオン源１においては、図１及び図２に示すように従来区画して別室としていた蒸発室とプラズマ室とを一体化して蒸発兼プラズマ室１０とした。そのため、蒸発のための高速の電子ビームと放電電極２０が接近し、場合によっては高速の電子ビームが放電電極２０に接触し破損する恐れが生じる。高速の電子ビームとの接触を防止するために、予め定められた前記高速の電子ビームの飛行経路と干渉しない位置に放電電極２０を配設した。例えば、図１では高速の電子ビームがハース１２に入射する軌跡を含む平面の垂直な方向に位置する蒸発兼プラズマ室１０内の側面部に電子衝撃アーク放電電極２０４を配設した。この方法は、熱電子が水平方向へ移動することを容易にする。
【００３８】
これにより、新たな利点が生じた。従来、電子衝撃アーク放電電極を用いる場合には、上面部に配設し鉛直方向に熱電子を加速運動させて、原料イオンを鉛直上方向に引き出していた。これは、蒸発室とプラズマ室とを別室にしている場合には蒸発した原料ガスが上方向に拡散しやすく原料ガス密度の高い部分が上下に延びる傾向にあり鉛直方向に運動する熱電子との衝突が起こりやすいことが理由であった。
【００３９】
しかしながら、蒸発室とプラズマ室とを一体化して蒸発兼プラズマ室１０を設けた本発明においては、蒸発し拡散を開始した直後の原料ガスの密度の高い部分の近傍で放電させることが可能となり、蒸発兼プラズマ室１０内の側面部に沿って電子衝撃アーク放電電極２０４を配設すれば水平方向に熱電子が加速運動するので、原料イオンを水平方向に引き出すことが容易になる。プラズマ中では電界は近傍で中和される。当該プラズマ化の状態の理解を容易にするために、図３には本発明に係る金属イオン源１の蒸発兼プラズマ室１０における原料ガスの拡散状態と電離に関する概念図を示した。
【００４０】
したがって、本実施の形態においては、図１に示したように電子衝撃アーク放電電極２０４に対向する側面部にイオン引き出し口２５を配設した。イオン引き出し室３０は、イオン引き出し口２５が配設された側面部に接続して配設される。イオン引き出し室３０には、イオン引き出し電極系部３２、排気口ｂ４３及びイオンドリフト部３３が備えられる。
【００４１】
イオン引き出し電極系部３２は、陽極、陰極などの各種電極を適宜組み合わせて、蒸発兼プラズマ室１０で生成された原料イオンを誘導する。イオン引き出し電極系部３２は、導線を介してイオン引き出し室３０外に備えられたイオン引き出し電極制御盤３４と接続され、イオン引き出し電極制御盤３４によって原料イオンの引き出しを行うために必要な電位に保持される。イオン引き出し電極系部３２は、周知のイオン引き出し電極系部３２を用いることができる。図１、図３、図４及び図８において、電極はイオンの通路を示すために便宜上切断したものであり、電流導入端子２４から伸長する電極方向において、互いに接続される。イオン引き出し室３０に導入される導線は、電流導入端子２４により、イオン引き出し室３０の構成部材と絶縁される。例えば、特許第５９６４４９４号に開示された電流導入端子２４を用いることにより電流導入端子２４における絶縁破壊を低コストかつ確実に防止することができる。
【００４２】
排気口ｂ４３は、真空ポンプｂ４２に接続される。予備排気を行った後に本排気を行うことにより効率よく短時間に所定の真空度に到達させることができる。真空ポンプｂ４２を用いてイオン引き出し室３０の真空度を１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持することにより、差動排気構造が形成され原料ガス圧が高い蒸発兼プラズマ室１０から高密度のイオンを引き出すことが可能となる。
【００４３】
イオンドリフト部３３では、イオン引き出し電極系部３２からイオンドリフト部３３へ拡散した未電離、或いは再結合した中性原料ガスが、イオンドリフト部３３に配設したガス吸着部材（不図示）によって吸着される。ガス吸着部材は、液体窒素などの冷却媒体で冷却された例えば金属板で形成される。中性原料ガスが、ガス吸着部材に吸着されることにより、イオン被処理体の表面に中性原料ガスの被膜が形成されることはなく、引き出したイオンをビームとして確実に被処理体表面に注入することができる。
【００４４】
図４は、本発明に係る金属イオン源１のイオン発生原理図である。高速の電子ビームの生成、原料への照射、原料ガスの発生、放電電極２０による放電、放電による熱電子の発生及び加速運動、原料ガスと熱電子の衝突による電離、原料イオンの引き出しまでを模式化して表した。理解を容易にするため、図１とは異なり高速の電子ビームがハース１２に入射する軌跡を含む平面の延長上に放電電極２０を配置した。
【００４５】
電子ビーム制御盤１４６によりおよそ３ｋＶ以上の加速電圧を印加して高速の電子ビームを発射させる。電子ビーム発生部１４４で放電を発生させないためには、電子ビーム発生室１４の真空度をおよそ１×１０−２Ｐａ以下の高真空に保持する必要がある。
【００４６】
電子ビーム発生部１４４から発射された高速の電子ビームは図示しない永久磁石等で形成された磁場又は電磁場により発生するローレンツ力によって偏向されてハース１２に誘導される。途中、蒸発兼プラズマ室１０と電子ビーム発生室１４との間に差動排気構造を構成するために隘路を設けた排気抵抗器１６内（図４の排気抵抗器拡大図を参照）を飛行して、高エネルギー及び高速を維持したまま電子ビーム導入口１４２から蒸発兼プラズマ室１０へと導入され、ハース１２に到達する。
【００４７】
特許文献１のイオン源では、ハースに照射される電子ビームとその二次電子とによる蒸気の電子衝突電離によってプラズマを生じさせていることで、ハースに到達する電子ビームによる蒸発効率が低下するが、本発明において、高速の電子ビームは原料を加熱し原料ガスを発生することに専ら作用させることができる。以下に図５のグラフを用いて説明する。
【００４８】
図５は、電子エネルギーと電離全断面積に相当する電離能率との関係を示すグラフである。グラフからは、１ｋｅＶ以上のエネルギーを有する電子は、電離全断面積に相当する電離能率が、０．５ｃｍ−１．Ｔｏｒｒ−１未満と非常に低いことが分かる。したがって、加速電圧３ｋＶ以上に設定された高速の電子ビームは原料ガスとの間で電離作用を生じることが少なくなり、原料ガスの発生を効率よく持続することができるのである。
【００４９】
ハース１２に積載された原料は到達した高速の電子ビームによって蒸発し、発生した原料ガスは鉛直上方向に広がりつつ拡散する（図３）。ハース１２に積載される原料は、例えば、チタン、シリコン、ホウ素、炭素、マグネシウム、アルミニウム、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ニオブ、モリブデン、パラジウム、銀、インジウム、スズ、タンタル、タングステン、レニウム、イリジウム、白金、金、水銀、鉛、ビスマス、タリウム、ニッケル− クロム、鉄−クロム、鉄−ニッケル−クロム、白金−イリジウムなどの導電性物質に加えて、その他の合金を蒸発させることも可能である。
【００５０】
蒸発により発生させた原料ガスは、蒸発兼プラズマ室１０内の原料ガス拡散領域近傍に配置された放電電極２０から放出された電子に衝突することによって電離される（図３）。電離によって原料から放出された電子は、その後原料ガスに衝突し電離作用に加わることになる。電子と原料ガスの衝突する回数がネズミ算式に増加して放電が起こり、電離と中性化が平衡状態となりプラズマが安全に生成される。
【００５１】
図５のグラフによれば、１００ｅＶ付近を中心として数１０ｅＶ以上２００ｅＶ程度までのエネルギーを有する電子は、電離全断面積に相当する電離能率が、１ｃｍ−１．Ｔｏｒｒ−１以上と効率が良いことを示している。したがって、放電電極制御盤２２によって放電電極２０に印加される電圧は数１０Ｖから２００Ｖ程度の範囲で、安全な放電が発生し、持続する。
【００５２】
図６は、プラズマを発生させる真空室内のガス圧と放電方法との適合性を示すグラフである。放電電極２０が放電するためには、放電方法に応じた蒸発兼プラズマ室１０内のガス圧が要求される。蒸発兼プラズマ室１０内は、原料ガス発生前は、真空ポンプａ４０及び真空ポンプｂ４２によって電子ビーム発生室１４及びイオン引き出し室３０と同じ１×１０−２Ｐａ以下の高真空の状態にある。高速の電子ビームの加熱により原料ガスが発生し始めると蒸発兼プラズマ室１０内のガス圧は上昇し、放電が可能なガス圧に到達する。例えば、放電電極２０に電子衝撃アーク放電電極２０４を選択した場合には、図６のグラフからガス圧１×１０−１Ｐａ以上数Ｐａ以下程度に到達することが必要であることが分かる。
【００５３】
特許文献２の固体イオン源では、蒸発室とプラズマ室を分離して排気抵抗を設けていることからプラズマ室内の原料ガス圧を１×１０−１Ｐａ以上数Ｐａ以下程度まで高めることが容易ではなかった。そのために、ガス圧１×１０−３Ｐａ以上１×１０−１Ｐａ程度で放電可能なＰＩＧ放電の方法を用いることとしている。
【００５４】
本発明に係る金属イオン源１では、蒸発室とプラズマ室を一体化して蒸発兼プラズマ室１０としたことで、蒸発した原料ガスが鉛直上方向に広がりつつ拡散する密度の高い領域、すなわち、ガス圧が高い領域で直接放電することが可能となった。また、従来蒸発室において必要であったハース１２へ導入する電子ビームの飛行空間を確保する必要がなくなり、蒸発兼プラズマ室１０を小型化することで原料ガス圧を１×１０１Ｐａオーダまで高めることができるようになった。このように放電ガス圧を制御できることで、図６に示したＰＩＧ放電、電子衝撃アーク放電、アーク放電又はＲＦ放電のいずれの電極を選択することも可能となった。
【００５５】
図７は、本発明に係る金属イオン源１に使用可能な放電電極２０例及び配位例を示す図である。
【００５６】
ＰＩＧ放電は、対向する熱陰極と対陰極との間に円筒型または螺旋状の陽極を置き電子を軸方向に運動させる。対陰極近傍に移動した電子は対陰極の作る減速ポテンシャルで反射される。例えば、熱陰極と、熱陰極より数１０Ｖ高い電位を有する対陰極と、熱陰極より数１０Ｖ高い電位を有する陽極から成るＰＩＧ放電電極２０２において、熱陰極を加熱して熱電子を発生させると、熱電子が、前記の電極間を高速にタンデム運動し高周波放電が行われる。衝突の効果がない限り電子は軸方向を何回も往復するので、１０−３Ｐａの低圧（電離の平均自由行程が長い）でも放電を維持できる。対陰極をリング構造にすれば外部にプラズマを引き出すことができる。図７中に示したように陰極と陽極とを横方向に配置すると熱電子が水平方向にタンデム運動し原料イオンを水平方向に引き出すことが容易になる。
【００５７】
電子衝撃アーク放電は、電子アーク放電電極から放出された電子が陽極により加速され気体分子に非弾性衝突することにより、内部エネルギーが変化し気体粒子を衝突電離させる方法である。
【００５８】
アーク放電は、アーク放電電極２０６の材料の一部が蒸発し熱電子を放出する方法である。高温の陰極から十分な熱電子が供給され、放電電圧は低く、電流密度が大きい。イオンも電離に参加するので、放電維持電圧は低く、高密度かつ大電流の放電が得られる。陰極はイオン衝撃を受けて高温になるので、バリウム、ストロンチウム、カルシウムなどの酸化物陰極やタングステン、タンタルの陰極を用いることが多い。
【００５９】
ＲＦ放電は、イオンが電極に到達しないうちに電圧の極性が変化する周波数をＲＦ放電電極２０８に印加する方法である。イオンはトラップされるが、電子は速度が速く各極性に応じて電極に流入する。薄膜堆積やエッチングに最も良く使われるプラズマ装置では、２枚の平行平板に１３．５６ＭＨｚの無線通信などに用いられる周波数の高周波パワーを加えるものとなっている。プラズマを誘電体としたコンデンサの形をしているため容量結合プラズマ（ＣＣＰ）と呼ばれている。 これは、電界型放電であり、プラズマの密度はそれほど高くはないが 大口径化が用意であるという利点がある。また、アンテナ電流が作る磁界によって放電する磁界型放電の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）がある。
【００６０】
本発明に係る金属イオン源１の本質は、電子ビームのエネルギーの大きさに従って電離度が顕著に変化するという物理的特性を利用し、同一室内で、電離効率が低い高速の電子ビームを原料の蒸発に、放電により発生させた電離効率が高い低速電子を電離作用に、独立かつ同時に関与させて、高密度の原料イオンを発生させることにある。
【００６１】
従来、放電電極を蒸発のための電子ビームと同居させると、放電電極が生じる電磁場が前記電子ビームを偏向させる磁場に影響を及ぼし、制御を妨げるとされてきた。本発明に係る発明者は実験を重ね、高速の電子ビームが電離作用に及ぼす影響を抑制しつつハース１２に到達して、高効率に原料を蒸発させガス化する放電電極２０の配位条件を見出した。また同時に、電離用の放電電極２０を密度の高い原料ガスの環境下で放電させた場合、平均自由行程が短縮するので、高密度の原料イオンを生成できることが分かった。
【実施例１】
【００６２】
図８は、鉛直上方向にイオン引き出し室３０を設けた実施例を示す立面方向の断面図である。前述までの本発明に係る実施の形態においては、特に従来の偏向型電子ビーム照射式を採用した電子ビーム蒸発器では容易ではなかった水平方向に原料イオンを引き出す金属イオン源１の形態を例示したが、図８に示すように、図１及び図２の金属イオン源１の装置例を変形して蒸発兼プラズマ室１０の上面部にイオン引き出し口２５を設けイオン引き出し室３０を接続して原料イオンを鉛直上方向に引き出すことが可能であることは上記までの説明によって言うまでもない。
【００６３】
従来、イオン源に用いられてきた技術常識に関しては、特に本明細書においては記載していない。したがって、前述までの実施の形態及び実施例は本発明に係る金属イオン源の一部の例であって、当業者によって想到可能な変形例は本発明の技術範囲に属する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
イオン注入装置、イオンビームエッチング装置、薄膜製造装置等において、本発明に係る金属イオン源が使用される。特に、車、設備又は装置に高密度、大面積のコーティングを施す作業に有効に活用される。
【符号の説明】
【００６５】
１  金属イオン源
１０  蒸発兼プラズマ室
１１  電子ビーム蒸発器
１２  ハース
１４  電子ビーム発生室
１４２  電子ビーム導入口
１４４  電子ビーム発生部
１４６  電子ビーム制御盤
１６  排気抵抗器
１６２  排気抵抗板
１６４  排気抵抗路
２０  放電電極
２０２  ＰＩＧ放電電極
２０４  電子衝撃アーク放電電極
２０６  アーク放電電極
２０８  ＲＦ放電電極
２２  放電電極制御盤
２４  電流導入端子
２５  イオン引き出し口
２６  プラズマ拡散口
２８  気体原料ガス供給口
３０  イオン引き出し室
３２  イオン引き出し電極系部
３３  イオンドリフト部
３４  イオン引き出し電極制御盤
４０  真空ポンプａ
４１  排気口ａ
４２  真空ポンプｂ
４３  排気口ｂ
ＭＡ  原料
ＭＧ  原料ガスの拡散状態
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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