(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の陽極を兼ねていて中にプラズマを生成する第１プラズマ生成容器と、この第１プラズマ生成容器内に設けられていて電子を放出する陰極と、前記第１プラズマ生成容器に絶縁物を介して隣接されていて第２の陽極を兼ねかつ中にプラズマを生成する第２プラズマ生成容器と、前記第１プラズマ生成容器と同電位のものであって前記第１および第２のプラズマ生成容器内を互いに連通させるノズル状の中間電極と、前記第２プラズマ生成容器内において前記中間電極の先端部に対向して設けられていて浮遊電位、中間電極電位または陰極電位に保たれる反射電極と、この反射電極または前記第２プラズマ生成容器に設けられたイオン引出し口と、このイオン引出し口の出口近傍に設けられていて前記第２プラズマ生成容器内のプラズマから当該イオン引出し口を通してイオンビームを引き出す引出し電極と、この引出し電極ならびに前記第１および第２のプラズマ生成容器を収納していて真空に排気される真空容器と、前記第１プラズマ生成容器内から前記第２プラズマ生成容器内にかけての領域に前記中間電極の中心軸に沿う方向の磁界を発生させる磁界発生器とを備えるイオン源において、
前記陰極として、底面が閉じていて前記第１プラズマ生成容器の内外を仕切るカップ状陰極を設けてこのカップ状陰極の底面側を前記第１プラズマ生成容器内に挿入し、このカップ状陰極の内側に電子および熱を放出するフィラメントを配置し、かつこのフィラメントと前記カップ状陰極との間に前者を負極側にして直流電圧を印加する電子加速電源を設けており、更に前記カップ状陰極の後部と前記第１プラズマ生成容器との間に、両者間を電気絶縁する機能および両者間におけるガス漏れを防止する機能を有する絶縁物を介在させていることを特徴とするイオン源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、１価イオンや多価イオンの発生に用いられるものであって、第１プラズマ生成容器内で生成したプラズマを用いて第２プラズマ生成容器内でより高密度のプラズマを生成する、いわゆる２段放電型のイオン源に関し、より具体的には、当該イオン源の陰極の長寿命化を可能にする手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン源の一例が、例えば特開平９−３５６５０号公報に開示されている。それを図２および図３を参照して説明する。
【０００３】
このイオン源は、ガス導入口４を有していて第１の陽極を兼ねていて中にプラズマ７を生成する第１プラズマ生成容器２と、この第１プラズマ生成容器２内に設けられていて電子を放出する陰極を構成するフィラメント６と、第１プラズマ生成容器２に絶縁物３４を介して隣接されていて第２の陽極を兼ねかつ中にプラズマ１６を生成する第２プラズマ生成容器１０と、両プラズマ生成容器２、１０内を互いに連通させるノズル状の中間電極８と、第２プラズマ生成容器１０内において中間電極８の先端部８ａに対向して設けられた反射電極１２と、第２プラズマ生成容器１０に設けられたイオン引出し口１４と、このイオン引出し口１４の出口近傍に設けられていて第２プラズマ生成容器１０内のプラズマ１６から当該イオン引出し口１４を通してイオンビーム２２を引き出す引出し電極２０と、この引出し電極２０および両プラズマ生成容器２、１０を収納していて真空に排気される真空容器４２と、第１プラズマ生成容器２内から第２プラズマ生成容器１０内にかけての領域に中間電極８の中心軸に沿う方向の磁界Ｂを発生させる磁界発生器２４とを備えている。３２〜３６は絶縁物である。
【０００４】
磁界発生器２４は、コイル、コイルを巻いた磁極または永久磁石等であり、この例ではその先端部が真空容器４２を貫通して真空容器４２内に挿入されている。磁界Ｂの向きとは図示とは逆でも良い。
【０００５】
フィラメント６は一捻りした棒状をしており、その両端部に、その加熱用のフィラメント電源２６が接続されている。フィラメント６の一端部と第２プラズマ生成容器１０との間には、前者を負極側にして直流のアーク電源２８が接続されている。
【０００６】
中間電極８は、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ等の非磁性の高融点金属から成り、第１プラズマ生成容器２と同電位に保たれる。
【０００７】
第２プラズマ生成容器１０と第１プラズマ生成容器２ひいては中間電極８との間には、中間電極８に第２プラズマ生成容器１０に対して負電圧を印加する直流電源４０を接続している。前述したアーク電源２８の出力電圧Ｖ1 とこの直流電源４０の出力電圧Ｖ2 との関係は、第１プラズマ生成容器２内で生成したプラズマ７中の電子を第２プラズマ生成容器１０内へ引き出し易くするため、Ｖ1 ＞Ｖ2 に設定される。電源２６、２８および４０は、実際は真空容器４２外に設けられている。
【０００８】
反射電極１２は、図示例のようにどこにも接続せずに浮遊電位にしても良いし、中間電極８またはフィラメント６に接続して中間電極電位または陰極（フィラメント）電位に固定しても良い。
【０００９】
このイオン源の動作を説明すると、フィラメント６を加熱し、ガス導入口４から第１プラズマ生成容器２内にガスを導入すると、フィラメント６から放出される電子がガス分子と衝突してそれを電離させ、それによってフィラメント６と第１プラズマ生成容器２間にアーク放電が起こり、それによってガス分子が更に電離されてプラズマ７が生成される。
【００１０】
プラズマ７中の電子は、直流電源４０の出力電圧Ｖ2 によって、中間電極８を通してプラズマ生成容器１０内に引き出され、中間電極８と反射電極１２との間を振動し、その間に、第１プラズマ生成容器２側から中間電極８を通して流入してきているガス分子と衝突し、第２プラズマ生成容器１０内で更に密度の高いプラズマ１６を生成する。
【００１１】
このプラズマ１６から、引出し電極２０による電界の作用によって、イオンビーム２２が引き出される。
【００１２】
このイオン源は、ノズル状の中間電極８によってプラズマ７を圧縮することができ、しかも中間電極８−陽極１０−反射電極１２間をＰＩＧ（Penning Ionization Gauge）構造としたことによって、第２プラズマ生成容器１０内におけるガスの電離効率を高めることができる。即ち、中間電極８を通して第２プラズマ生成容器１０内に引き出された電子は、そこに印加されている軸方向の磁界Ｂとこれに直角方向の陽極１０による電界の作用を受けて、磁界Ｂの周りを旋回しながら、中間電極８と反射電極１２との間を往復運動する。その結果、当該電子とガス分子との衝突確率が大きくなってガスの電離効率が高まり、第２プラズマ生成容器１０内に、第１プラズマ生成容器２内のプラズマ７に比べて高密度のプラズマ１６を生成することができる。
【００１３】
更にこの例では、第２プラズマ生成容器１０内に生成されたプラズマ１６中のイオンは、直流電源４０によって与えられるところの、第２プラズマ生成容器１０と中間電極８間の電位差Ｖ2 によって加速され、第２プラズマ生成容器１０内に突出させている中間電極８の先端部８ａに衝突し、当該先端部８ａから二次電子を放出させ、この二次電子も、中間電極８と反射電極１２との間を振動しながらガスを電離させるので、第２プラズマ生成容器１０内での高密度プラズマ１６の生成に寄与する。
【００１４】
このように、上記イオン源は、第１プラズマ生成容器２内で生成するプラズマ７の密度が比較的低くても良く、しかもフィラメント６と第１プラズマ生成容器２および中間電極８との間の電位差は上記Ｖ1 −Ｖ2 となって低く（例えば２０〜４０Ｖ程度に）抑えられるので、プラズマ７中のイオンによるフィラメント６のスパッタリングが抑えられる。従って、高い放電電圧を必要とする多価イオン源としても有効である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記イオン源では、２段放電型としたことによって、上述した理由から、プラズマ７中のイオンによるフィラメント６のスパッタリングがある程度抑えられるけれども、フィラメント６は、第２プラズマ生成容器１０内で生成するプラズマ１６中のイオンによるスパッタリングをも受ける。これは、プラズマ７中の電子を第２プラズマ生成容器１０内に向けて加速するために、フィラメント６から第２プラズマ生成容器１０内に向かって電位勾配が高くなっているので、この電位勾配によって逆に、プラズマ１６中のイオンがフィラメント６に向けて加速されるからである。その結果、このイオンによるスパッタリングを受けてフィラメント６が損耗するので、フィラメント６の寿命が短くなる。
【００１６】
特に、多価イオン発生時のように、第２プラズマ生成容器１０内での多価イオン成分が多いと、これら多価イオンは、１価イオンに比べてその価数倍だけ高いエネルギーでフィラメント６に衝突するので、同じ放電電流および同じ放電電圧であっても、多価イオンを多く発生しているときの方がフィラメント６の寿命はより短くなる。
【００１７】
また、フィラメント６に衝突するときのイオンのエネルギーは、第２プラズマ生成容器１０内および第１プラズマ生成容器２内の動作ガス圧にも関係があり、多価イオン発生時のような低ガス圧時は、ガス分子との衝突によるエネルギー損失が少ないので、フィラメント６に衝突するときのイオンのエネルギーは平均として大きくなる。従ってこの理由からも、多価イオン発生時はフィラメント６の寿命がより短くなる。
【００１８】
そこでこの発明は、１価イオン発生時は勿論のこと多価イオン発生時においても、第１プラズマ生成容器内に設けた陰極の長寿命化を可能にすることを主たる目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明のイオン源は、前記陰極として、底面が閉じていて前記第１プラズマ生成容器の内外を仕切るカップ状陰極を設けてこのカップ状陰極の底面側を前記第１プラズマ生成容器内に挿入し、このカップ状陰極の内側に電子および熱を放出するフィラメントを配置し、かつこのフィラメントと前記カップ状陰極との間に前者を負極側にして直流電圧を印加する電子加速電源を設けており、更に前記カップ状陰極の後部と前記第１プラズマ生成容器との間に、両者間を電気絶縁する機能および両者間におけるガス漏れを防止する機能を有する絶縁物を介在させていることを特徴としている。
【００２０】
上記構成によれば、カップ状陰極は、その内側に設けたフィラメントから放出され電子加速電源の電圧によって加速された電子と、同フィラメントから放出される熱（熱波）とによって、内側から加熱されて第１プラズマ生成容器内に電子を放出し、陰極として作用する。
【００２１】
第１プラズマ生成容器内および第２プラズマ生成容器内で生成されたプラズマ中のイオンの一部は、カップ状陰極をスパッタするけれども、このカップ状陰極は、カップ状をしていて従来の棒状のフィラメントに比べて表面積が格段に大きいので、単位面積当たりのイオンのスパッタ量は従来の棒状のフィラメントに比べて格段に小さくなる。その結果、１価イオン発生時は勿論のこと多価イオン発生時においても、このカップ状陰極は従来の棒状のフィラメントに比べて寿命が格段に長くなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るイオン源の一例を正面方向から見て示す断面図である。図２の従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。イオン引出し口１４周りの側面は前記図３を参照するものとする。
【００２３】
このイオン源は、従来例のフィラメント６に代わるものとして、底面４４ａが閉じていて第１プラズマ生成容器２の内外を仕切る（隔離する）カップ状陰極４４を備えており、このカップ状陰極４４の底面４４ａ側を第１プラズマ生成容器２内に挿入している。底面４４ａはこの例では平面状をしている。このカップ状陰極４４は、有底筒状の陰極であると言うこともできる。このカップ状陰極４４は、例えばＴａ、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属から成る。
【００２４】
前述したアーク電源２８の負極側はこのカップ状陰極４４に接続されている。このカップ状陰極４４の後部と第１プラズマ生成容器２との間には、両者間を電気絶縁する機能（電気絶縁機能）および両者間のガス漏れを防止する機能（ガス封止機能）を有する絶縁物４８を介在させている。従って、第１プラズマ生成容器２内に導入されたガスがカップ状陰極４４と第１プラズマ生成容器２との間から真空容器４２内に漏れ出すことはない。各部の真空度（ガス圧）は、例えば、第１プラズマ生成容器２内が１０-2Ｔｏｒｒ台、第２プラズマ生成容器１０内が１０-3Ｔｏｒｒ台、真空容器４２内が１０-4〜１０-5Ｔｏｒｒ台である。
【００２５】
上記カップ状陰極４４の内側に、カップ状陰極から電気的に絶縁して、電子および熱を放出するフィラメント４６を配置している。このフィラメント４６の両端には前述したようなフィラメント電源２６が接続されており、このフィラメント電源２６によってフィラメント４６を通電加熱する。このフィラメント４６は、第１プラズマ生成容器２の外側に、即ち真空容器４２内の真空領域に位置している。
【００２６】
更に、上記フィラメント４６の一端部とカップ状陰極４４との間にフィラメント４６側を負極側にして直流電圧Ｖ3 を印加して、フィラメント４６から放出された電子をカップ状陰極４４に向けて加速する電子加速電源５０を設けている。
【００２７】
このイオン源の動作例を説明すると、フィラメント４６にフィラメント電源２６から例えば百数十Ａ程度の電流を流して、フィラメント４６を十分な電子放出温度まで加熱する。
【００２８】
これと同時に、フィラメント４６とカップ状陰極４４との間に電子加速電源５０から例えば数十Ｖ〜百数十Ｖ程度の直流電圧Ｖ3 を印加して、フィラメント４６から放出された電子をカップ状陰極４４の内面に向けて加速する。
【００２９】
カップ状陰極４４は、上記加速エネルギーを持った電子と、フィラメント４６から放出される熱（熱波）とによって、内側から十分な電子放出温度まで加熱されて第１プラズマ生成容器２内に電子を放出し、陰極（傍熱型陰極）として作用する。即ち、カップ状陰極４４と陽極を兼ねる第１プラズマ生成容器２との間でアーク放電を生じさせてガスを電離させて前述したプラズマ７を生成する。
【００３０】
このプラズマ７中の電子が中間電極８を通して第２プラズマ生成容器１０内に引き出され、より高密度のプラズマ１６を生成し、このプラズマ１６からイオンビーム２２が引き出される作用は、前述した従来例の場合と同様であるので、ここではその重複説明を省略する。
【００３１】
第１プラズマ生成容器２内および第２プラズマ生成容器１０内で生成されたプラズマ７、１６中のイオンの一部は、従来例と同様、カップ状陰極４４に向けて加速されてカップ状陰極４４をスパッタするけれども、このカップ状陰極４４は、カップ状をしていて従来の棒状のフィラメント６に比べて表面積が格段に大きいので、単位面積当たりのイオンのスパッタ量は、従来の棒状のフィラメント６に比べて格段に小さくなる。その結果、１価イオン発生時は勿論のこと多価イオン発生時においても、カップ状陰極４４は従来の棒状のフィラメント６に比べて寿命が格段に長くなる。例えば、５〜６倍の寿命を実現することも可能である。また、カップ状陰極４４の厚みを増すことも容易であり、そのようにすればより長寿命化が可能になる。
【００３２】
また、カップ状陰極４４の寿命が格段に長くなることによって、この発明のイオン源を停止させずに動作させることのできる時間も格段に長くなるので、この発明のイオン源を用いたイオン注入装置等の装置の生産性（スループット）も格段に向上する。
【００３３】
上記フィラメント４６は、第１プラズマ生成容器２の外側に、即ち真空容器４２内の高真空領域に置かれていて、イオン源動作ガスには曝されないので、当該フィラメント４６とカップ状陰極４４との間でアーク放電が生起することはなく、即ちフィラメント４６は放電陰極とはならないので、フィラメント４６へのイオンのスパッタは無い。従って、イオンのスパッタによるフィラメント４６の寿命低下は起こらない。
【００３４】
なお、第２プラズマ生成容器１０に図３に示す例のように蒸気導入口１８を設けておいて、そこから第２プラズマ生成容器１０内に金属蒸気を導入することによって、第１プラズマ生成容器２側から引き出した電子および中間電極８の先端部８ａから放出させた二次電子を用いて、当該金属蒸気をイオン化させて、イオンビーム２２として金属イオンを引き出すことも可能である。
【００３５】
引出し電極２０は、複数枚の電極で構成される場合もある。
【００３６】
また、上記例と違って、イオン引出し口１４を反射電極１２に設け、その外側近傍に引出し電極２０を設けて、イオンビーム２２を第２プラズマ生成容器１０等の軸方向に引き出すようにしても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、第１プラズマ生成容器内に挿入したカップ状陰極は、カップ状をしていて従来の棒状のフィラメントに比べて表面積が格段に大きいので、単位面積当たりのイオンのスパッタ量は従来の棒状のフィラメントに比べて格段に小さくなる。その結果、１価イオン発生時は勿論のこと多価イオン発生時においても、上記カップ状陰極は従来の棒状のフィラメントに比べて寿命が格段に長くなる。
【００３８】
また、カップ状陰極の寿命が格段に長くなることによって、この発明のイオン源を停止させずに動作させることのできる時間も格段に長くなるので、この発明のイオン源を用いた装置の生産性も格段に向上する。
更に、カップ状陰極の後部と第１プラズマ生成容器との間に、両者間を電気絶縁する機能および両者間におけるガス漏れを防止する機能を有する絶縁物を介在させているので、第１プラズマ生成容器内に導入されたガスがカップ状陰極と第１プラズマ生成容器との間から真空容器内に漏れ出すのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るイオン源の一例を正面方向から見て示す断面図である。
【図２】従来のイオン源の一例を正面方向から見て示す断面図である。
【図３】図１および図２のイオン源のイオン引出し口周りを側面方向から見て示す断面図である。
【符号の説明】
２  第１プラズマ生成容器
８  中間電極
１０  第２プラズマ生成容器
１２  反射電極
１４  イオン引出し口
２０  引出し電極
２４  磁界発生器
４２  真空容器
４４  カップ状陰極
４６  フィラメント
５０  電子加速電源
【図１】
0004029495.tif 000002
【図２】
0004029495.tif 000003
【図３】
0004029495.tif 000004