(57)【要約】【課題】プラズマスパッタ型負イオン源において、チャンバ１の真空状態を維持したまま、複数のイオン種を切り替える。【解決手段】気密チャンバ１中にプラズマ１３を発生させ、該プラズマ１３によりスパッタターゲット６をスパッタリングし、ターゲット原子のイオンを射出するプラズマスパッタ型負イオン源において、気密チャンバ１内に、所定の目的元素を含むスパッタターゲット６が複数種類配置され、複数種類のスパッタターゲット６の中から選択された一つのスパッタターゲットにプラズマ１３中の正イオンを誘導する。正イオンは、負電圧を印可される引き込み電極１０、または中央に穿孔を有する仕切り板１１の穿孔部を対象とする一つのスパッタターゲットの近傍に移動することで、そのターゲットに誘導される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密チャンバ中にプラズマを発生させ、該プラズマによりスパッタターゲットをスパッタリングし、ターゲット原子のイオンを射出するプラズマスパッタ型負イオン源において、
前記気密チャンバ内に、所定の目的元素を含む前記スパッタターゲットが複数種類配置され、前記複数種類のスパッタターゲットの中から選択された一つのスパッタターゲットに前記プラズマ中の正イオンを誘導するイオン誘導手段を具備することを特徴とするプラズマスパッタ型負イオン源。
【請求項２】
前記イオン誘導手段は、負電圧を印可される引き込み電極を有し、前記複数種類のスパッタターゲットの中で、スパッタリングの対象とする一つのスパッタターゲットの近傍に、前記引き込み電極が位置するように、前記マルチターゲット部と前記引き込み電極が相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマスパッタ型負イオン源。
【請求項３】
前記イオン誘導手段は、前記気密チャンバの、前記プラズマを発生させる位置と前記マルチターゲット部とを分割する仕切り板を有し、該仕切り板は、所定の位置に穿孔を具備し、前記複数種類のスパッタターゲットの中で、スパッタリングの対象とする一つのスパッタターゲットの近傍に、前記仕切り板の穿孔部が位置するように、前記マルチターゲット部と前記穿孔部が相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマスパッタ型負イオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空チャンバ中にＸｅ、Ａｒ、Ｃｓ等のプラズマを発生させ、該プラズマによりターゲットをスパッタリングし、ターゲット原子のイオンを射出するプラズマスパッタ型負イオン源に関し、より具体的には、真空チャンバ中に複数種類のターゲットを配置したプラズマスパッタ型マルチターゲット負イオン源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タンデム加速器等のイオン源として使用されるプラズマスパッタ型負イオン源は、スパッタターゲットをカソードとしてプラズマ中に挿入する方式であり、従来は一つのスパッタターゲットのみを真空チャンバ内に配置するタイプのものしかなかった。このような従来のシングルターゲットタイプのイオン源の場合、スパッタターゲットを交換する際には、一度大気にスパッタターゲットをさらす必要があった。
また、従来のプラズマスパッタ型負イオン源は、プラズマにターゲットを直接さらして電圧を印可するものであり、この場合、プラズマ密度と温度によってターゲットに流れ込む電流量が決定される。しかし、スパッタターゲットに電圧印可直後は、スパッタターゲットからのアウトガスの影響でプラズマ密度がコントロールできなくなり、少しづつしか電圧を上げていくことができなかった。
したがって、従来のプラズマスパッタ型負イオン源においてイオン種を切り替える場合には、数日以上の期間を要するという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の課題を解決し、複数のイオン種を容易に切り替えることが可能なプラズマスパッタ型負イオン源を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、気密チャンバ中にプラズマを発生させ、該プラズマによりスパッタターゲットをスパッタリングし、ターゲット原子のイオンを射出するプラズマスパッタ型負イオン源において、気密チャンバ内に、所定の目的元素を含むスパッタターゲットが複数種類配置され、複数種類のスパッタターゲットの中で、選択された一つのスパッタターゲットにプラズマ中の正イオンを誘導するイオン誘導手段を具備することを特徴とする。ここで、目的元素とは、スパッタリングで負イオンが生成可能な元素（希ガスを除く殆どの元素）を意味し、例えば、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ等が挙げられる。
【０００５】
イオン誘導手段は、電気的・磁気的に正イオンをターゲット方向に誘導する手段であっても、一つのスパッタターゲット以外のターゲットにプラズマが流入しないように仕切り板を設けるといった、より直接的な手段であってもよい。
【０００６】
直接的な手段としては、例えば、気密チャンバのプラズマを発生させる位置とマルチターゲット部とを分割する仕切り板が挙げられる。この仕切り板は所定の位置に穿孔を具備し、複数種類のスパッタターゲットの中で、スパッタリングの対象とする一つのスパッタターゲットの近傍に、仕切り板の穿孔部が位置するように、マルチターゲット部と穿孔部を相対的に移動可能としたものが好ましい。仕切り板を設けることによりターゲットをプラズマにさらすことなく、ターゲットへの電圧の印可が容易になる。また、ターゲットをプラズマから隔離するので対象としない他のターゲットの無駄な消費を避けることができる。
【０００７】
電気的な手段としては、例えば、負電圧を印可される引き込み電極を有し、複数種類のスパッタターゲットの中で、スパッタリングの対象とする一つのスパッタターゲットの近傍に、引き込み電極が位置するように、マルチターゲット部と引き込み電極が相対的に移動可能としたものが好ましい。そして、プラズマからターゲットへの入射粒子をコントロールするために、ターゲット−引き込み電極間の距離、電圧等の調整（即ちイオン光学系のパラメータの変更）を行う。
【０００８】
また、上記電気的な手段と直接的な手段との組み合わせがさらに好ましい。すなわち、仕切り板の穿孔部の周囲に負にバイアスされた引き込み電極を配置する。引き込み電極は、仕切り板のマルチターゲット部側に設けられ、例えば穿孔の周囲に環状に電極群を複数枚配置しても、一つの環状電極としてもよい。この環状の引き込み電極は、穿孔部を通して一つのスパッタターゲットに向かう正イオンに対しては発散レンズとして働き、正イオンをターゲット面に広範囲に衝突させ、一方スパッタターゲットからの負イオンに対しては集束レンズとして働き、負イオンを仕切り板の穿孔部に集束させて、負イオンを引き出し電極側に通し易くする。
このような構成とすることにより、大きいスパッタターゲットが使いやすく電流量を稼ぎやすいというプラズマスパッタ型負イオン源の利点を十分に生かすことができる。
【０００９】
マルチターゲット部は、複数種類のスパッタターゲットと、イオン誘導手段とを、相対的に移動することができるものであれば構わない。
一つの好ましい形態としては、回転板と、該回転板の一方の面の同一円周上に互いに離間して形成される複数種類のスパッタターゲットと、回転板の他方の面の中央部に垂直に固定した軸部材とを具備し、回転板を回動することにより各々のスパッタターゲットを引き込み電極や穿孔部の近傍に移動できるものである。軸部材は、好ましくは円柱状であり、気密チャンバの外壁を貫通して形成される絶縁性フランジの気密性軸受けを通してチャンバ外部に突出させることにより、ステッピングモータ等の駆動手段や手動により回転板を回動できるように構成する。
【００１０】
さらに、イオン源の運転中は、ターゲットのマウント部分を冷却するため、軸部材の軸内を経由して水等の冷媒を回転板に導通することが好ましい。この場合軸部材および回転板には冷媒導通管が埋設または穿設される。
【００１１】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明の一実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、請求の範囲に記載した機能を有する種々の形態を含む。
【００１２】
図１は、本発明のプラズマスパッタ型マルチターゲット負イオン源の一実施例を示す模式的断面図である。同図において、１は不図示の真空排気手段が接続されたイオン源チャンバ、２は負イオンの引き出し電極、３は不活性ガスをイオン源チャンバ１内に導入するガス導入部、４は熱電子を放出するフィラメント、５は永久磁石、６はスパッタターゲット、７は導電性の回転板、８は回転板７の回転軸となる導電性の軸部材、９はセシウムガスをイオン源チャンバ１内に導入するＣｓ導入部、１０はプラズマ中の正イオンをターゲット側に向けて加速する引き込み電極（電極群）、１１はイオン源チャンバ内部を分離する仕切り板、１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）は電圧印可手段である。
【００１３】
図２は、図１のプラズマスパッタ型負イオン源に使用されるマルチターゲット部を示す斜視図である。同図に示すように、本実施例のマルチターゲット部は、スパッタターゲット６、回転板７および軸部材８により構成される。回転板７の一方の面には、複数種類のスパッタターゲット６が同一円周上に離間して形成されており、他方の面には、円柱状の軸部材８が中央部に垂直に固定されている。円柱状の軸部材８はイオン源チャンバ１の側壁に設けられた不図示の絶縁性フランジの気密性軸受けを通じてチャンバ１の外部に突出し、チャンバ１の外部より回転板７を回動することを可能としている。そして、回転板７を回動することにより各々のスパッタターゲット６を引き込み電極１０の近傍あるいは仕切り板１１の穿孔部の近傍に移動することができる。スパッタターゲット６は、各々がスパッタされる各々の目的元素を含んでおり、所望の目的元素の種類分だけ回転板７上に形成されている。さらに、イオン源の運転中にターゲット６のマウント部分を水冷するため、軸部材８の軸内および回転板には導通管が穿設され、チャンバ１外側から水が供給される。
【００１４】
図３は、図１の負イオン源の仕切り板の構造を模式的に示す側面図である。同図に示すように、仕切り板１１は、中央部に穿孔されており、電気的にはイオン源チャンバ１と導通し、一方、熱伝導率はできるだけ低くなるように設計されている。その材質は、薄いタンタル板１５を周辺部でステンレス板１４に非接触に固定し、タンタル板１４をできるだけ中に浮かした構造としている。これによりプラズマ１３からタンタル板１４に与えられた熱を逃がさない構造にして（つまりタンタル板１４が熱をもった状態にして）Ｃｓの付着を防いでいる。
【００１５】
さらに、図４に示すように、仕切り板１１の裏側に磁石１６を配置した構造としてもよい。このような構造をとることにより、プラズマ１３の閉じ込めを更に改善することができる。
【００１６】
本実施例のイオン源において、イオン源チャンバ１の内部は真空に保たれており、ここにガス導入部３からＸｅ、Ａｒ、Ｃｓ等のガスが導入される。この導入されたガスは、フィラメント４から放出される熱電子と衝突して、Ｘｅ、Ａｒ、Ｃｓ等のアークプラズマ１３を生成する。アークプラズマ１３はイオン源チャンバ１の周囲に設けられた永久磁石５の磁場によりイオン源チャンバ１内部に閉じ込められる。また、イオン源チャンバ１にはプラズマ１３の発生部と、マルチターゲット部６〜８の設置位置とを略分割する仕切り板１１が設けられている。仕切り板１１の穿孔部の周囲には、マルチターゲット部６〜８側に引き込み電極１０が設けられており、この引き込み電極１０には、電圧印可手段１２ａが接続されている。そして運転中は、プラズマ１３中の正イオンを加速して所望のスパッタターゲット６に向かい吐出するように、電圧印可手段１２ａにより数ｋＶ〜十数ｋＶの負電圧が印可され、引き込み電極１０は負電位にバイアスされる。また、マルチターゲット部の軸部材８にも同様に電圧印可手段１２ｂが接続されており、これに電圧が印可されると、回転板７を介してスパッタターゲット６も負電位にバイアスされる。これら引き込み電極１０およびマルチターゲット部が協働して、イオン光学系の引き込み電極群を形成している。さらに、図面の上下および奥行き方向に設けられた永久磁石５の磁場によって、これらの方向に関してプラズマ１３が中央部に押し込められることにより、その中央部に位置する穿孔部に、プラズマ１３中の正イオンが向かい易くなっている。
【００１７】
このようにして引き込み電極群によって加速され、スパッタターゲット６側に穿孔部を通して引き込まれたプラズマ１３中の正イオンによって、所望の目的元素を含むスパッタターゲット６をスパッタリングし、該目的元素の負イオンを生成する。生成した負イオンは、仕切り板１１の穿孔部を通り、電圧印可手段１２ｃにより正にバイアスされた引き出し電極２により引き出される。また、セシウム導入部９からは、セシウム蒸気が供給され、スパッタターゲット６における負イオンの生成効率を向上するために、スパッタターゲット６にセシウムを付着する。
【００１８】
本実施例のプラズマスパッタ型負イオン源によれば、マルチターゲット部６〜８を回転させることによりスパッタターゲット６を交換して、生成イオンの種類を速やかに交換できる。これにより、一台の負イオン源により複数種類の負イオンを容易に生成することが可能となる。
【００１９】
また、プラズマ１３からの正イオンの引き込み電極１０は、内周で囲まれる中央部面積が仕切り板１１の穿孔の面積とほぼ同じか僅かに広くなっている。そして、引き込み電極１０は、スパッタターゲット６からの負イオンの取り出し電極も兼ねており、プラズマ１３から穿孔部を通して引き込まれる正イオンに対しては発散レンズとして働くが、カソードであるターゲット６からの負イオンに対しては集束レンズとして働き、この負イオンは穿孔部を通って引き出し電極２により加速される。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマスパッタ型負イオン源において、複数のイオン種を容易に切り替えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の負イオン源を示す模式的断面図。
【図２】図１の負イオン源のマルチターゲットの構造を示す斜視図。
【図３】図１の負イオン源の仕切り板の構造を示す側面図。
【図４】図１の負イオン源に好適な仕切り板の構造を示す正面図および側面図。
【符号の説明】１：イオン源チャンバ、２：引き出し電極、３：ガス導入部、４：フィラメント、５，１６：磁石、６：スパッタターゲット、７：回転板、８：軸部材、９：セシウム導入部、１０：引き込み電極、１１：仕切り板、１２：電圧印可手段、１３：プラズマ、タンタル板１５、ステンレス板１４。
【図１】
2004030966.tif 000003
【図２】
2004030966.tif 000004
【図３】
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【図４】
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