(57)【要約】【課題】三次元形状の基体に対しても均一なイオン注入が可能であり、長寿命で信頼性が高いイオン注入装置、及び、イオン注入方法を得る。【解決手段】基体１０が収納される真空容器１と、１内に１０に注入したい物質のガスを１のガス導入口５ａを介して供給する供給手段と、１内部を排気口６を介して真空排気する真空排気ポンプと、１内に収納され、該１と電気的に絶縁されると共に１０を保持する基体保持台１１と、前記供給手段により供給された１内にあるガスをアーク放電により１０の周囲に放電プラズマを生成するフィラメント９とフィラメント電源１６とアーク電源１７からなる放電プラズマ生成手段と、１０に高周波電圧が印加され、該放電プラズマ生成によって生成された放電プラズマにより１０に該供給手段から供給される１０に注入したい物質のイオンを注入させるための高周波電源４０を具備したイオン注入装置。【選択図】　　図１
2004091810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを注入すべき基体が収納される真空容器と、
前記真空容器内に前記基体に注入したい物質のガス或いは蒸気を供給する供給手段と、
前記真空容器内部を真空に排気する真空排気手段と、
前記真空容器内に収納され、該真空容器と電気的に絶縁されると共に前記基体を保持する基体保持手段と、
前記供給手段により供給された前記真空容器内にあるガス或いは蒸気をアーク放電により前記基体の周囲に放電プラズマを生成する放電プラズマ生成手段と、
前記基体に高周波電圧が印加され、前記放電プラズマ生成手段によって生成された放電プラズマにより前記基体に前記供給手段から供給される前記基体に注入したい物質のイオンを注入させるための高周波電圧発生手段と、
を具備したこと特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記高周波電圧発生手段並びに前記放電プラズマ生成手段の電源は、共通の高周波電源で共用したことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【請求項３】
前記高周波電圧発生手段は、周波数の異なる複数の高周波電圧をそれぞれ重畳するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン注入装置。
【請求項４】
前記高周波電圧発生手段は、前記基体に高周波電圧をパルス的に印加するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン注入装置。
【請求項５】
前記高周波電圧発生手段は、前記基体に印加する周波数の異なる複数の高周波電圧を発生する２つ以上の周波数の高周波電圧のうち、少なくとも一方又は少なくとも周波数の高い方の高周波電圧をパルス的に印加するようにしたことを特徴とする請求項３に記載のイオン注入装置。
【請求項６】
前記高周波電圧発生手段は、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源と、該各高周波電源の出力側に夫々接続された複数のインピーダンス整合器と、該インピーダンス整合器の少なくとも一方の出力側に接続され、所定の周波数をブロックするフィルター回路とからなり、該フィルター回路の出力と前記インピーダンス整合器の出力を畳重させるか、又は前記各フィルター回路の出力を畳重させるようにしたことを特徴とする請求項３又は請求項５に記載のイオン注入装置。
【請求項７】
前記基体に印加する高周波電源の周波数が、基体の周囲に生成される放電プラズマのイオンプラズマ周波数よりも高く、且つ、電子プラズマ周波数よりも低く設定したことを特徴とする請求項１、２、４のいずれか一つに記載のイオン注入装置。
【請求項８】
前記高周波電圧印加手段は、高周波電源と、該高周波電源の出力側に接続されるインピーダンス整合器と、該インピーダンス整合器の出力側に接続され、該インピーダンス整合器の出力を昇圧する高周波用昇圧トランスからなり、該高周波用昇圧トランスで昇圧された高電圧の高周波電圧を、前記基体に印加するようにしたことを特徴とする請求項１、２、３、６のいずれか一つに記載のイオン注入装置。
【請求項９】
前記高周波電圧印加手段は、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源と、該各高周波電源の出力側に夫々接続された複数のインピーダンス整合器と、該各インピーダンス整合器の出力が重畳された電圧を昇圧して前記基体に印加する高周波用昇圧トランスとから構成したことを特徴とする請求項３又は請求項５に記載のイオン注入装置。
【請求項１０】
前記高周波電圧発生手段は、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源と、該各高周波電源の出力側に夫々接続された複数のインピーダンス整合器と、該各インピーダンス整合器の出力側に接続され、該各インピーダンス整合器の出力電圧を夫々昇圧する複数の高周波用昇圧トランスと、前記高周波用昇圧トランスの少なくとも一方の出力部に設けた他の周波数をブロックするフィルター回路とからなり、前記フィルター回路の出力と前記高周波用昇圧トランスの出力を重畳させるか、又は前記各フィルター回路の出力を重畳させて前記基体に２つ以上の周波数の高周波電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項３、６、７のいずれか一つに記載のイオン注入装置。
【請求項１１】
真空容器内にイオンを注入すべき基体を該真空容器と電気的に絶縁して配設し、該真空容器内を真空状態とすると共に、該真空容器内に該基体に注入したい物質のガス或いは蒸気をガス又は蒸気が供給され、かつ該真空容器内であって該基体の周囲にプラズマを生成した状態で、
前記基体に高周波電圧を印加することにより該基体に負電圧を発生させ、該基体にイオン注入を行うようにしたイオン注入方法。
【請求項１２】
真空容器内にイオンを注入すべき基体を該真空容器と電気的に絶縁して配設し、該真空容器内を真空状態とすると共に、該真空容器内に基体に注入したい物質のガス或いは蒸気が供給され、かつ該真空容器内であって該基体の周囲にプラズマを生成した状態で、
前記基体に２つ以上の周波数の高周波電圧を印加することにより該基体に負電圧を発生させ、該基体にイオン注入を行うようにしたイオン注入方法。
【請求項１３】
前記基体に印加する高周波電圧又は前記基体に２つ以上の周波数の高周波電圧のうちの少なくとも一方をパルス的に印加するようにしたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のイオン注入方法。
【請求項１４】
前記基体に印加する高周波電源の周波数が、基体の周囲に生成されるプラズマのイオンプラズマ周波数よりも高く、且つ、電子プラズマ周波数よりも低い周波数でイオン注入を行うようにしたことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のイオン注入方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばピストン、ベアリングなどの自動車部品、ドリルなどの切削工具のような基体にイオンを注入するためのイオン注入装置及びイオン注入方法（表面改質方法または膜生成方法）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車部品、切削工具等の製造に際し、該工具等の基体にイオンを注入することによって、基体の耐磨耗性、耐熱性、硬度などを向上させる試みが行われている。例えばステンレス鋼からなる基体に、チタン又は窒素を注入すると基体の耐磨耗性や疲労寿命が大幅に改善されることが知られている。
【０００３】
基体にイオンを注入する方法として、注入したい物質の正イオンを含む放電プラズマ中に基体を保持して、数十から数百ｋＶの負のパルス電圧を印加する方法が提案されている（参考文献：Ｊ．Ｒ．Ｃｏｎｒａｄ，ｅｔ．ａｌ．，”Ｐｌａｓｍａ　ｓｏｕｒｃｅ　ｉｏｎ−ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ　６２（１１），１９８７，ｐｐ．４５９１−４５９６）。このイオン注入方式はＰＳＩＩ（Ｐｌａｓｍａ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｉｏｎ　Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）またはＰＩＩＩ（Ｐｌａｓｍａ　Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　Ｉｏｎ　Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）という略称で呼ばれている。
【０００４】
係る方法を、イオン源から引き出した注入イオンを質量分離用の偏向磁石を通した後に加速して基体に注入するという従来法と比較すると、次に列挙する特徴がある。
【０００５】
（ａ）　基体が三次元形状をしている場合であっても、基体の周囲を取り囲んでいるプラズマから基体表面にほぼ垂直にイオン注入が行え、一方向からしかイオン注入の行えない従来法で必要だった基体の駆動機構が不要で注入時間も短くて済む。
【０００６】
（ｂ）　長距離のビーム輸送が不要なので装置構成を単純・安価にできる。
【０００７】
以下、従来のＰＳＩＩ装置について、図１１〜図１４を参照しながら説明する。このＰＳＩＩ装置は、例えば米国特許４７６４３９４号明細書などに記載されたものと同様のものである。
【０００８】
図１１及び図１２は従来のＰＳＩＩ装置を説明するための図であって、図１１は真空容器を縦断面して示す図であり、図１２は真空容器を横断面して示す図であり、図１３はＰＳＩＩ装置の斜視図である。
【０００９】
図１１〜図１３において、真空容器１は、軸方向上端面に配設された上板２と、軸方向下端面に配設された底板３と、上板２と底板３の間に配設された円筒状の側板４とに囲まれた有底円筒形状の容器である。底板３には図示しないガス源から真空容器１内に放電ガスを導入するガス導入口５ａ及び図示しない真空排気ポンプにより真空容器１内を真空に排気するための真空排気口６が設置されていいる。上板２と底板３の外壁には、複数の角棒状の永久磁石７ａ，７ｂが互いに平行に配設されている。
【００１０】
なお、永久磁石７ａ，７ｂは、上板２及び底板３の外壁に直角な方向に着磁され、隣接する磁石７同士の極性が互いに異なって配設される。更に側板４の外壁にも、複数の永久磁石８が垂直方向に互いに平行であって、また隣接する磁石８の極性が互いに異なるように配設されている。
【００１１】
このように永久磁石７ａ，７ｂ，８を配設することにより真空容器１の内壁全面を覆う磁力線２０ａ，２０ｂ，２０ｃが形成される。また、真空容器１の上板２及び底板３及び側板４には、上板２及び底板３及び側板４を陽極とすることに対し、陰極となるフィラメント９が配設される。
【００１２】
更に、真空容器１内にはイオンを注入すべき基体（ターゲット）１０を保持するための金属製の基体保持台（ターゲット保持台）１１がブッシング１２を介して真空容器１とは電位的に絶縁されて配設されている。
【００１３】
真空容器１には、フィラメント９に通電するためのフィラメント電源（図示しない）と、上板２及び底板３及び側板４を陽極、フィラメント９を陰極とするアーク放電を起こすためのアーク電源（図示しない）からなる放電電源ユニット１３が接続されている。基体１０には高圧ケーブル１４及びブッシング１２を経由してパルス高電圧電源１５からパルス状の高電圧が印加されるようになっている。
【００１４】
次に、このような構成からなる従来のＰＳＩＩ装置の動作について説明する。即ち、ガス導入口５ａから基体１０に注入したい物質のガス（窒素、酸素など）を供給しておき、放電電源ユニット１３のフィラメント電源によってフィラメント９に通電して加熱し、発生する熱電子を真空排気口６を用いて予め真空状態にしておいた真空容器１内に充満させておく。その後、ガス導入口５ａから基体１０に注入したい物質のガス（窒素、酸素など）を供給し、放電電源ユニット１３のアーク電源によりフィラメント９と真空容器１との間にアーク放電を発生させて放電プラズマ２１を生成する。
【００１５】
そして、イオンを注入する基体１０を載せた基体保持台１１にはパルス高電圧電源１５が接続されており、プラズマの生成とは独立に真空容器１に対して、図１４に示すようにパルス幅τがおよそ数マイクロ秒（数μｓ）〜数十マイクロ秒（数十μｓ）、その大きさが数十から数百ｋＶ程度の負のパルス電圧が印加される。
【００１６】
この結果、基体１０に負のパルス電圧が印加され、これにより基体１０を取り囲んだプラズマ中にシースが成長し、電子が基体から遠ざけられ、逆にイオンが基体方向に加速されて、イオンが基体に注入されることになる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上述べた従来の技術では、基体が絶縁物の場合や、イオン注入により作成する膜が絶縁物の場合には、実際に注入に寄与するパルス幅が極端に短くなってしまうため、数十マイクロ秒のパルスを印加しても注入されるのは、最初の数十〜数百ナノ秒となる。その結果、処理時間が極端に長くなり、生産性が悪くなる。
【００１８】
また、パルスの立ち上がり時はイオンが加速されるため、十分なエネルギーを持つことができない。この結果、絶縁物では、特に低エネルギーのイオンが多く照射されることになり、表面改質等の効果が十分得られないという欠点がある。
【００１９】
一方、基体及び膜が導体の場合には、イオンが加速される時間よりも十分長いパルスをかけることができるが、パルス幅が長くなると、基体近傍でアークが発生しやすくなる。アークは基体や生成した膜に損傷を与えるため、運転はアークが発生しないような電圧まで下げる必要がある。その結果、十分な加速電圧が得られなくなり、表面改質等の効果が十分得られないということになる。
【００２０】
本発明では、三次元形状の基体に対しても均一なイオン注入が可能であり、基体が絶縁物の場合や、イオン注入により作成する膜が絶縁物の場合にも、十分処理性能が得られ、且つアークの発生しにくい信頼性の高い安価なイオン注入装置、及び、イオン注入方法を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、イオンを注入すべき基体が収納される真空容器と、前記真空容器内に前記基体に注入したい物質のガス或いは蒸気を供給する供給手段と、前記真空容器内部を真空に排気する真空排気手段と、前記真空容器内に収納され、該真空容器と電気的に絶縁されると共に前記基体を保持する基体保持手段と、前記供給手段により供給された前記真空容器内にあるガス或いは蒸気をアーク放電により前記基体の周囲に放電プラズマを生成する放電プラズマ生成手段と、前記基体に高周波電圧が印加され、前記放電プラズマ生成手段によって生成された放電プラズマにより前記基体に前記供給手段から供給される前記基体に注入したい物質のイオンを注入させるための高周波電圧発生手段とを具備したイオン注入装置である。
【００２２】
前記目的を達成するため、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高周波電圧発生手段並びに前記放電プラズマ生成手段の電源を、共通の高周波電源で共用したイオン注入装置である。
【００２３】
前記目的を達成するため、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の高周波電圧発生手段を、周波数の異なる複数の高周波電圧をそれぞれ重畳するようにしたイオン注入装置である。
【００２４】
前記目的を達成するため、請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の高周波電圧発生手段を、前記基体に高周波電圧をパルス的に印加するようにしたイオン注入装置である。
【００２５】
前記目的を達成するため、請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の高周波電圧発生手段として、前記基体に印加する周波数の異なる複数の高周波電圧を発生する２つ以上の周波数の高周波電圧のうち、少なくとも一方又は少なくとも周波数の高い方の高周波電圧をパルス的に印加するようにしたイオン注入装置である。
【００２６】
前記目的を達成するため、請求項６に記載の発明は、請求項３又は請求項５に記載の前記高周波電圧発生手段として、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源と、該各高周波電源の出力側に夫々接続された複数のインピーダンス整合器と、該インピーダンス整合器の少なくとも一方の出力側に接続され、所定の周波数をブロックするフィルター回路とからなり、該フィルター回路の出力と前記インピーダンス整合器の出力を畳重させるか、又は前記各フィルター回路の出力を畳重させるようにしたイオン注入装置である。
【００２７】
前記目的を達成するため、請求項７に記載の発明は、請求項１、２、４のいずれか一つに記載の基体に印加する高周波電源の周波数が、基体の周囲に生成される放電プラズマのイオンプラズマ周波数よりも高く、且つ、電子プラズマ周波数よりも低く設定したイオン注入装置である。
【００２８】
前記目的を達成するため、請求項８に記載の発明は、請求項１、２、３、６のいずれか一つに記載の高周波電圧印加手段として、高周波電源と、該高周波電源の出力側に接続されるインピーダンス整合器と、該インピーダンス整合器の出力側に接続され、該インピーダンス整合器の出力を昇圧する高周波用昇圧トランスからなり、該高周波用昇圧トランスで昇圧された高電圧の高周波電圧を、前記基体に印加するようにしたイオン注入装置である。
【００２９】
前記目的を達成するため、請求項９に記載の発明は、請求項３又は請求項５に記載の高周波電圧印加手段として、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源と、該各高周波電源の出力側に夫々接続された複数のインピーダンス整合器と、該各インピーダンス整合器の出力が重畳された電圧を昇圧して前記基体に印加する高周波用昇圧トランスとから構成したイオン注入装置である。
【００３０】
前記目的を達成するため、請求項１０に記載の発明は、請求項３、６、７のいずれか一つに記載の高周波電圧発生手段として、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源と、該各高周波電源の出力側に夫々接続された複数のインピーダンス整合器と、該各インピーダンス整合器の出力側に接続され、該各インピーダンス整合器の出力電圧を夫々昇圧する複数の高周波用昇圧トランスと、前記高周波用昇圧トランスの少なくとも一方の出力部に設けた他の周波数をブロックするフィルター回路とからなり、前記フィルター回路の出力と前記高周波用昇圧トランスの出力を重畳させるか、又は前記各フィルター回路の出力を重畳させて前記基体に２つ以上の周波数の高周波電圧を印加するようにしたイオン注入装置である。
【００３１】
前記目的を達成するため、請求項１１に記載の発明は、真空容器内にイオンを注入すべき基体を該真空容器と電気的に絶縁して配設し、該真空容器内を真空状態とすると共に、該真空容器内に該基体に注入したい物質のガス或いは蒸気をガス又は蒸気が供給され、かつ該真空容器内であって該基体の周囲にプラズマを生成した状態で、前記基体に高周波電圧を印加することにより該基体に負電圧を発生させ、該基体にイオン注入を行うようにしたイオン注入方法である。
【００３２】
前記目的を達成するため、請求項１２に記載の発明は、真空容器内にイオンを注入すべき基体を該真空容器と電気的に絶縁して配設し、該真空容器内を真空状態とすると共に、該真空容器内に基体に注入したい物質のガス或いは蒸気が供給され、かつ該真空容器内であって該基体の周囲にプラズマを生成した状態で、前記基体に２つ以上の周波数の高周波電圧を印加することにより該基体に負電圧を発生させ、該基体にイオン注入を行うようにしたイオン注入方法である。
【００３３】
前記目的を達成するため、請求項１３に記載の発明は、請求項１１又は１２に記載の基体に印加する高周波電圧又は前記基体に２つ以上の周波数の高周波電圧のうちの少なくとも一方をパルス的に印加するようにしたイオン注入方法である。
【００３４】
前記目的を達成するため、請求項１４に記載の発明は、請求項１１又は１２に記載の基体に印加する高周波電源の周波数が、基体の周囲に生成されるプラズマのイオンプラズマ周波数よりも高く、且つ、電子プラズマ周波数よりも低い周波数でイオン注入を行うようにしたイオン注入方法である。
【００３５】
尚、本発明においては、基体に印加する高周波電源の周波数を工業周波数帯に設定してイオン注入を行うようにするのが好適である。
【００３６】
請求項１又は請求項１１に対応する発明によれば、基体に高周波電圧を印加することにより、基体や生成される膜が絶縁体であっても、高周波の半周期ごとに基体表面の電荷が中和されるため、基体や生成される膜が絶縁体であっても、注入イオンに対しては実効的に直流とみなせる負バイアスを印加できることになる。この負バイアスの大きさは、基体表面積と高周波電源の反対側の極に繋がれる真空容器の内側の表面積の比できまり、後者が前者の数倍以上あれば、高周波電圧のピーク値（Ｐ−Ｐ値の半分）にほぼ等しい電圧が負バイアスとして基体に印加され、この負バイアスによってイオンが基体に加速注入される。
【００３７】
また、請求項１又は請求項１１に対応する発明によれば、高周波で繰り返す高周波電圧を印加するため、電子の運動の向きは高速繰り返しで変化しており、パルス幅が長くてもアークが発生しにくく、そのため、高い電圧を印加することができ十分な注入効果が得られ、従来の技術よりも高性能で高速処理の表面改質方法または膜生成方法を得ることが可能となる。
【００３８】
請求項２又は請求項１３に対応する発明によれば、高周波電圧をパルス的（バースト的）に印加することにより、任意のパルス幅のバイアス電圧を基体に印加することもできる。
【００３９】
請求項３又は請求項１２に対応する発明によれば、基体に周波数の異なる複数の高周波電圧をそれぞれ重畳して印加することにより、高周波側の高周波でプラズマを生成し、低周波側の高周波でバイアス電圧を発生させることができ、その結果、前述した高密度プラズマの生成と高電圧印加が同時に達成され、より高性能で高速なイオン注入処理を行うことができる。
【００４０】
ここで、請求項３又は請求項１２に示すように構成する理由は、次のような特徴を考慮したからである。すなわち、基体と真空容器との間で発生する高周波放電によりプラズマを生成することもでき、こうすれば、基体に高周波電圧を印加するだけでプラズマ生成とバイアス電圧印加を同時に行うことができ、安価で信頼性の高いイオン注入技術が得られる。そして、より高性能で高速なイオン注入処理を行うためには、高密度プラズマの生成と高電圧印加が望ましい。この場合、高周波電圧の周波数を高くすると、プラズマ密度が高くなるが印加バイアス電圧が低くなる。一方、高周波電圧の周波数を低くすると、印加バイアス電圧が高くなるがプラズマ密度が低くなる。
【００４１】
請求項７又は請求項１４に対応する発明によれば、基体に高周波電圧を印加する際に、高周波電圧の発振周波数を基体の周囲に生成されるプラズマのイオンプラズマ周波数よりも高く選ぶことにより、基体に注入されるイオンがほぼ一定の電圧で加速されるようになるため、注入イオンに対して実効的に直流とみなせる負バイアスを印加できることになる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るイオン注入装置の第１の実施形態を説明するためのものであって、真空容器を横方向に断面して示す概略構成図である。真空容器１は、図１１〜図１３と同様に、軸方向上端面に配設された上板２と、軸方向下端面に配設された底板３と、上板２と底板３の間に配設された円筒状の側板４とに囲まれた有底円筒形状の容器である。
【００４３】
真空容器１の底板３には、図１１と同様に基体に注入したい物質のガス或いは蒸気を供給する供給手段（図示せず）から真空容器１内に放電ガスを導入するガス導入口５ａ及び図示しない真空排気手段例えば図示しない真空排気ポンプにより真空容器１内を真空に排気するための真空排気口６が設置されている。
【００４４】
真空容器１の上板２と底板３の外壁には、図１に示すように複数の角棒状の永久磁石８が互いに平行に配設されている。この場合、永久磁石８は上板２及び底板３の外壁に直角な方向に着磁され、隣接する磁石８同士の極性が互いに異なって配設される。更に側板４の外壁にも、複数の永久磁石８が垂直方向に互いに平行であって、また隣接する磁石８の極性が互いに異なるように配設されている。
【００４５】
このように永久磁石８を配設することにより、真空容器１の内壁全面には、該内壁全面を覆う磁力線２０ｃが形成される。
【００４６】
また、真空容器１の上板２及び底板３及び側板４には、上板２及び底板３及び側板４を接地陽極とすることに対し、陰極となるフィラメント９が配設されている。
【００４７】
更に、真空容器１内にはイオンを注入する基体１０を保持するための金属製の基体保持台１１がブッシング１２を介して真空容器１とは電気的（電位的）に絶縁されて配設されている。
【００４８】
真空容器１には、フィラメント９に通電するためのフィラメント電源１６と、真空容器１の上板２及び底板３及び側板４を陽極、フィラメント９を陰極とするアーク放電を起こすためのアーク電源１７からなる放電電源ユニット１３が接続されている。
【００４９】
基体１０には、真空容器１に貫通固定されたブッシング１２に、ケーブル１４及びインピーダンス整合器４２を介して高周波電源４０が接続されている。この場合の高周波電源４０は、数百ＫＨｚ〜数百ＭＨｚの電圧を発生するものである。なお、インピーダンス整合器４２は、高周波電源４０と基体１０のインピーダンスの整合をとるためのものである。
【００５０】
図２は、基体１０に印加する高周波電源４０の電圧とバイアス電圧の関係を簡単に示したものである。基体１０の表面積と、高周波電源４０の反対側の極に繋がれる真空容器１の内側の表面積の比が大きければ（数倍以上）、高周波電圧のピーク値（Ｐ─Ｐ値の半分）にほぼ等しい電圧が負バイアスとして基体１０に印加される。イオンはこの負バイアスによって加速注入される。
【００５１】
以上述べた実施形態によれば、基体１０に高周波電圧を印加することにより、基体１０や生成される膜が絶縁体であっても、高周波の半期毎に基体表面の電荷が中和されるため、基体や生成される膜が絶縁体であっても、注入イオンに対しては実効的に直流とみなせる負バイアスを印加できることになる。
【００５２】
この負バイアスの大きさは、基体表面積と高周波電源の反対側の極に繋がれる真空容器１の内側の表面積の比で決まり、後者が前者の数倍以上あれば、高周波電圧のピーク値にほぼ等しい電圧が負バイアスとして基体１０に印加され、この負バイアスによってイオンが基体に加速注入される。
【００５３】
また、本実施形態によれば、高周波で繰り返す高周波電圧を印加するため、電子の運動の向きは高速繰り返しで変化しており、パルス幅が長くてもアークが発生しにくく、そのため、高い電圧を印加することができ十分な注入効果が得られ、前述した従来の技術の課題を解決できるばかりでなく、従来の技術よりも高性能で高速処理の表面改質方法又は膜生成方法を得ることが可能となる。従来の技術では、処理速度を上げるために、基体に印加するパルスの幅を広げていくと、基体近傍でアークが発生しやすくなり、アークは基体や生成した膜に損傷を与えるため、運転はアークの発生しないような電圧まで下げる必要があり、その結果、十分な加速電圧をかけることができなくなり、十分な注入効果が得られなかった。
【００５４】
図３は、図１の変形例であって基体１０に高電圧の高周波を印加するために、図１のインピーダンス整合器４２とブッシング１２に電気的に接続されたケーブル１４の間に、高周波用昇圧トランス４５を接続して基体１０に電圧を印加するように構成したものである。これ以外の点は、図１と同一であるので、ここでは同一符号を付してその説明を省略する。
【００５５】
また、ここで用いる高周波電源４０の周波数は、前述したように、基体１０の周囲に生成されるプラズマのイオンプラズマ周波数よりも高く、且つ、電子プラズマ周波数よりも低いことが望ましい。このようにすることにより、基体１０に注入されるイオンがほぼ一定の電圧で加速されるようになるため、注入イオンに対して実効的に直流とみなせる負バイアスを印加できることになる。
【００５６】
さらに、この周波数が、例えば１３．５６ＭＨｚのような工業周波数帯に設定されていると、電磁シールド等の関係が楽になる。
【００５７】
また、プラズマ生成法については、図１では、フィラメント９によるアーク放電を用いたが、図４に示すように高周波のインダクティブカップリングによるプラズマ生成、具体的には真空容器１の軸方向端部に高周波コイル２４を巻回し、該高周波コイル２４に高周波電源を２５を接続し、高周波コイル２４により高周波電界を作り中性ガスを電離する方法である。この場合には、真空容器１の一端部にプラズマに電位を与えるための図示しない電極（電位固定電極）及び真空容器１の他端部に図示しないイオンを引き出す電極（イオン引出し電極）を備えている。
【００５８】
なお、図４では示していないが、場合によっては高周波コイル２４と、高周波電源２５の接続部にはそれぞれインピーダンス整合器を設けるようにしてもよい。
【００５９】
以上述べたプラズマ生成方法以外に、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）によるプラズマ生成、また、アーク方式による金属プラズマ（蒸気）発生法など、多くの方式が利用できる。
【００６０】
次に第２の発明に係わる実施形態について、図５の概略構成図を参照して説明する。真空容器１の構成は図４と同じであるが、図４の高周波コイル２４に接続されている高周波電源２５を設けず、これに基体１０が接続されている高周波電源４０を共用させたものである。これ以外の点は、図１と同じであるので、その説明は省略する。
【００６１】
このように、プラズマ生成用の高周波電源２５として基体１０に印加するは高周波電源４０で共用しているため、装置構成が非常に簡単になる。
【００６２】
次に、図５の変形例である図６について、図６を参照して説明する。図６のインピーダンス整合器４２とブッシング１２の接続部に高周波用昇圧トランス４５を接続したものである。これ以外の構成は、図５と同一である。
【００６３】
以上述べた第２の実施形態についても、高周波の周波数は、基体１０の周囲に生成されるプラズマのイオンプラズマ周波数よりも高く、且つ、電子プラズマ周波数よりも低いことが望ましい。さらに、この周波数が、例えば１３．５６ＭＨｚのような工業周波数帯に設定されていると、電磁シールド等の関係が楽になる。
【００６４】
金属イオンを注入する場合には、さらに、これに、金属プラズマ（蒸気）を発生させる金属プラズマ（蒸気）源を付加することになる。
【００６５】
次に本発明に係る第３の発明に係わる実施形態について、図７、図８、図９を参照して説明する。図７は、高周波電圧印加手段として、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源４０、４１と、該各高周波電源４０、４１の出力側に夫々接続されたインピーダンス整合器４２、４３と、該各インピーダンス整合器４２、４３に夫々接続され、所定の周波数をブロックする複数のフィルター回路４７、４８と、フィルター回路４７、４８の出力が重畳されて基体１０に印加するように構成したものである。
【００６６】
図８は、高周波電圧印加手段として、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源４０、４１と、該各高周波電源４０、４１の出力側に夫々接続された複数のインピーダンス整合器４２、４３と、該各インピーダンス整合器４２、４３の出力が重畳された電圧を昇圧して基体１０に印加する高周波用昇圧トランス４５とから構成したものである。
【００６７】
図９は、高周波電圧印加手段として、異なる周波数の高周波電圧を発生する複数の高周波電源４０、４１と、該各高周波電源４０、４１の出力側に夫々接続された複数のインピーダンス整合器４２、４３と、該各インピーダンス整合器４２、４３の出力側に接続され、該各インピーダンス整合器４２、４３の出力電圧を夫々昇圧する複数の高周波用昇圧トランス４５、４６と、高周波用昇圧トランス４５、４６の少なくとも一方（ここでは両方）の出力部に設けた所定の周波数をブロックするフィルター回路４７、４８とからなり、フィルター回路４７、４８の出力と高周波用昇圧トランス４５、４６の出力を重畳させるか、又はフィルター回路４７、４８の出力を重畳させて基体１０に２つ以上の周波数の高周波電圧を印加するように構成したものである。
【００６８】
この場合も真空容器１の構成は図４と同じであるが、図４の高周波コイル２４に接続されている高周波電源２５を設けず、これに基体１０に接続されている高周波電圧発生手段、すなわち図７〜図９に示す高周波電源４０、４１、インピーダンス整合器４２、４３、高周波用昇圧トランス４５、４６、フィルター回路４７、４８等を組合わせたものを共用させたものである。これ以外の点は、図１と同じであるので、その説明を省略する。
【００６９】
このような構成の実施形態によれば、基体１０に周波数の異なる複数の高周波電圧を夫々重畳して印加することにより、高周波側の高周波でプラズマを生成し、低周波側の高周波でバイアス電圧を発生させることができ、その結果、前述した高密度プラズマの生成と高電圧印加が同時に達成され、より高性能なイオン注入処理を行うことができる。
【００７０】
また、基体１０へ高周波電圧を印加するための高周波電圧発生手段により、プラズマ生成用の電源を共用しているため、装置構成が非常に簡単であって、第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【００７１】
なお、図７及び図９のフィルター４７、４８はどちらか１つでもよい。さらに、第３の実施形態についても、高周波電圧発生手段は、基体１０の周囲に生成されるプラズマのイオンプラズマ周波数よりも高く、且つ、電子プラズマ周波数よりも低いことが望ましい。また、周波数が、例えば１３．５６ＭＨｚのような工業周波数帯に設定されていると、電磁シールド等の関係が楽になる
本発明は、以上に述べた実施形態に限定されず例えば以下のようにしてもよい。基体１０へ金属イオンを注入する場合には、各実施形態に、金属プラズマ（蒸気）を発生させる金属プラズマ（蒸気）源を付加すればよい。また、プラズマ生成法についても、第１の実施形態で示したように、フィラメントによるアーク放電、高周波のインダクティブカップリングによるプラズマ生成、ＥＣＲによるプラズマ生成、また、アーク方式による金属プラズマ（蒸気）発生法などを併用してもよい。それにより、さらに高密度のプラズマを生成することができる。
【００７２】
さらに、第１、第２、第３の実施形態のどれに対しても、図１０に示すように高周波電圧をパルス的（バースト的）に印加することにより、任意のパルス幅のバイアス電圧を基体に印加することもできる。こうすることにより、基体１０への注入パワーを制御することができ、基体１０の温度上昇を抑えることができる。
【００７３】
なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出される。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００７４】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、三次元形状の基体に対しても均一なイオン注入が可能であり、基体が絶縁物の場合や、イオン注入により作成する膜が絶縁物の場合にも、十分処理性能が得られ、且つアークの発生しにくい信頼性の高い安価なイオン注入装置、及び、イオン注入方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るイオン注入装置の第１の実施形態を説明するための概略構成図。
【図２】図１の実施形態における基体に印加した高周波電圧とバイアス電圧の関係を説明するための図。
【図３】図１の実施形態における変形例を説明するための概略構成図。
【図４】第１の実施形態における変形例であって図３とは異なる変形例を説明するための概略構成図。
【図５】本発明に係るイオン注入装置の第２の実施形態を説明するための概略構成図。
【図６】図５の実施形態における変形例を説明するための概略構成図。
【図７】本発明に係るイオン注入装置の第３の実施形態を説明するための概略構成図。
【図８】図７の実施形態における変形例を説明するための概略構成図。
【図９】図７の実施形態における変形例であって図８とは異なる変形例を説明するための概略構成図。
【図１０】図７の実施形態において高周波電圧をパルス的に印加した時のパルス波形を説明するための図。
【図１１】従来のイオン注入装置の一例を説明するための概略縦断面図。
【図１２】従来のイオン注入装置の一例を説明するための概略縦断面図。
【図１３】従来のイオン注入装置の一例を説明するための概略斜視図。
【図１４】図１１〜図１３におけるイオン注入装置の基体に印加する電圧波形を説明するための図。
【符号の説明】
１…真空容器、５ａ…ガス導入口、６…真空排気口、７ａ、７ｂ、８…永久磁石、９…フィラメント、１０…基体、１１…基体保持台、１２…ブッシング、１３…放電電源ユニット、１４…高圧ケーブル、１６…フィラメント、１７…アーク電源、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…磁力線、２４…高周波コイル、２５…高周波電源ユニット、４０、４１…高周波電源、４２、４３…インピーダンス整合器、４５、４６…高周波用昇圧トランス、４７、４８…フィルター。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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