(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１点で実質的に直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向とすると、Ｙ方向の寸法がＸ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームをＺ方向に引き出すイオン源において、
内部に原料ガスが導入されて内部でプラズマを生成するためのプラズマ生成容器と、
前記プラズマ生成容器の前記Ｚ方向端付近に設けられていて、前記Ｙ方向に伸びたイオン引出し口を有するプラズマ電極と、
前記プラズマ生成容器内であって前記プラズマ電極とは反対側に設けられていて、プラズマ生成容器内へ電子を放出してプラズマ生成容器内で放電を生じさせて前記原料ガスを電離させて前記プラズマを生成するためのものであって、前記Ｙ方向に沿って複数段に配置された複数の陰極と、
前記プラズマ生成容器の外側に設けられていて、前記プラズマ生成容器内に、しかも前記複数の陰極を含む領域に、前記Ｚ方向に沿う磁界を発生させる磁気コイルとを備えており、
かつ前記Ｘ方向に見たとき、前記複数の陰極と前記磁気コイルとは、前記Ｚ方向において少なくとも部分的に重なるように配置されている、ことを特徴とするイオン源。
【請求項２】
前記プラズマ電極は、前記各陰極よりも負電位にされて前記プラズマ生成容器内の電子を反射させる反射電極を兼ねている請求項１記載のイオン源。
【請求項３】
前記プラズマ生成容器内であって前記複数の陰極の背後に、各陰極よりも負電位にされてプラズマ生成容器内の電子を反射させる背後反射電極を更に備えている請求項２記載のイオン源。
【請求項４】
前記磁気コイルは、前記Ｚ方向を軸にして前記プラズマ生成容器を囲むようにそれぞれ巻かれていて、かつＺ方向に沿って互いに離間して設けられていて、互いに同じ向きの磁界を発生させる複数のコイルから成り、
かつ前記磁気コイルは、前記プラズマ生成容器の前部を囲むコイルと、前記プラズマ生成容器の後部を囲むコイルとを含んでいる請求項１、２または３記載のイオン源。
【請求項５】
前記複数のコイルの内、最も前記プラズマ電極側に配置されたコイルが発生する磁界を、他のコイルが発生する磁界に比べて強くしている請求項４記載のイオン源。
【請求項６】
前記プラズマ生成容器内に設けられていて、前記Ｙ方向において隣り合う陰極間を仕切る仕切り板を備えている請求項１から５のいずれか一項に記載のイオン源。
【請求項７】
前記仕切り板によって仕切られた各区画に、前記原料ガスを導入するガス導入口をそれぞれ設けている請求項６記載のイオン源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、１点で実質的に直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向とすると、Ｙ方向の寸法がＸ方向の寸法よりも大きいリボン状（これはシート状または帯状と呼ばれることもある。以下同様）のイオンビームをＺ方向に引き出すイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような、Ｙ方向の寸法ＷY がＸ方向の寸法ＷX よりも大きいリボン状のイオンビーム２の一例を図１に示す。
【０００３】
特許文献１には、プラズマ生成容器内において、イオン引出しスリットの長手方向を挟んでフィラメントと反射電極とを対向させ、かつ両者を結ぶ軸に沿う方向に（即ちイオン引出しスリットの長手方向に沿う方向に）磁界を印加する、いわゆるバーナス型のイオン源が記載されている。
【０００４】
このイオン源のイオン引出しスリットの長手方向をＹ方向とすることによって、上記のようなＹ方向の寸法の大きいリボン状のイオンビームをＺ方向に引き出すことは一応可能である。その場合、プラズマ生成容器内に印加する磁界の方向は、イオン引出しスリットの長手方向に沿う方向であるから、Ｙ方向に沿う方向となる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３４６６２号公報（段落０００２−００１２、図１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のようなイオン源において、それから引き出すイオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布を制御する（例えば均一性を高める）ためには、プラズマ生成容器内のＹ方向におけるプラズマ密度分布を制御することが有効である。しかし、従来のイオン源では、磁界がＹ方向に沿って印加されていて、プラズマ密度を部分的（局所的）に制御しようとしても、その部分的な制御の影響が磁界に沿う方向の全域に、即ちＹ方向の全域に簡単に広がってしまうので、Ｙ方向におけるプラズマ密度分布を制御することは困難である。かと言って、上記磁界の印加を止めると、当該磁界による電子の閉じ込め作用を奏さなくなるので、プラズマ生成効率が低下してしまう。
【０００７】
また、上記Ｙ方向に沿う磁界は、プラズマ生成容器からイオンビームを引き出す部分（即ちイオン引出しスリット付近）にまで及んでいるので、イオンビーム引き出しの際にイオンビームは上記磁界によってＸ方向にローレンツ力を受けて、イオンビームの軌道がＸ方向に曲がるという課題もある。この軌道の曲がりを補正するためには、イオンビームを曲げ戻す機構が必要になり、構成や制御が複雑になる。
【０００８】
そこでこの発明は、プラズマ生成容器内のＹ方向におけるプラズマ密度分布の制御が容易であり、しかもプラズマ生成容器内に発生させる磁界によってイオンビームの軌道が曲げられるのを防止することができるイオン源を提供することを一つの目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るイオン源は、１点で実質的に直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向とすると、Ｙ方向の寸法がＸ方向の寸法よりも大きいリボン状のイオンビームをＺ方向に引き出すイオン源において、内部に原料ガスが導入されて内部でプラズマを生成するためのプラズマ生成容器と、前記プラズマ生成容器の前記Ｚ方向端付近に設けられていて、前記Ｙ方向に伸びたイオン引出し口を有するプラズマ電極と、前記プラズマ生成容器内であって前記プラズマ電極とは反対側に設けられていて、プラズマ生成容器内へ電子を放出してプラズマ生成容器内で放電を生じさせて前記原料ガスを電離させて前記プラズマを生成するためのものであって、前記Ｙ方向に沿って複数段に配置された複数の陰極と、前記プラズマ生成容器の外側に設けられていて、前記プラズマ生成容器内に、しかも前記複数の陰極を含む領域に、前記Ｚ方向に沿う磁界を発生させる磁気コイルとを備えており、かつ前記Ｘ方向に見たとき、前記複数の陰極と前記磁気コイルとは、前記Ｚ方向において少なくとも部分的に重なるように配置されている、ことを特徴としている。
【００１１】
このイオン源においては、Ｙ方向に沿って複数段に配置された複数の陰極から放出された電子は、Ｚ方向に沿う磁界によって捕捉されてＹ方向への移動が制限されるので、Ｙ方向への電子の移動は少なくなる。従って、上記磁界によって捕捉された電子がＹ方向の他の部分のプラズマ生成に与える影響は小さくなる。しかも、Ｙ方向に沿って複数段に配置された複数の陰極を備えていて、各段の陰極から放出する電子量を調整することができるので、当該電子による各段のプラズマ生成作用を部分的に調整することができる。従って、プラズマ生成容器内のＹ方向におけるプラズマ密度分布の制御が容易である。
【００１２】
しかも、プラズマ生成容器内に発生させる磁界は、イオンビームの引出し方向であるＺ方向に沿うものであるので、プラズマ生成容器から引き出すイオンには、上記磁界によるローレンツ力は殆ど働かない。従って、イオン源から引き出されるイオンビームの軌道が上記磁界によって曲げられるのを防止することができる。
【００１３】
前記プラズマ電極は、前記各陰極よりも負電位にされて前記プラズマ生成容器内の電子を反射させる反射電極を兼ねていても良い。
【００１４】
前記プラズマ生成容器内であって前記複数の陰極の背後に、各陰極よりも負電位にされてプラズマ生成容器内の電子を反射させる背後反射電極を更に備えていても良い。
【００１５】
前記磁気コイルは、一つのコイルでも良いし、前記Ｚ方向を軸にして前記プラズマ生成容器を囲むようにそれぞれ巻かれていて、かつＺ方向に沿って互いに離間して設けられていて、互いに同じ向きの磁界を発生させる複数のコイルから成るものでも良い。
【００１６】
前記磁気コイルを構成する複数のコイルの内、最も前記プラズマ電極側に配置されたコイルが発生する磁界を、他のコイルが発生する磁界に比べて強くしておいても良い。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１に記載の発明によれば、Ｙ方向に沿って複数段に配置された複数の陰極から放出された電子は、Ｚ方向に沿う磁界によって捕捉されてＹ方向への移動が制限されるので、Ｙ方向への電子の移動は少なくなる。従って、上記磁界によって捕捉された電子がＹ方向の他の部分のプラズマ生成に与える影響は小さくなる。しかも、Ｙ方向に沿って複数段に配置された複数の陰極を備えていて、各段の陰極から放出する電子量を調整することができるので、当該電子による各段のプラズマ生成作用を部分的に調整することができる。従って、プラズマ生成容器内のＹ方向におけるプラズマ密度分布の制御が容易である。
【００２０】
その結果、当該イオン源から引き出すリボン状イオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布を調整することが容易になる。例えば、上記イオンビームのＹ方向におけるビーム電流密度分布の均一性を良くすることや、所定のビーム電流密度分布を実現することが容易になる。
【００２１】
しかも、プラズマ生成容器内に発生させる磁界は、イオンビームの引出し方向であるＺ方向に沿うものであるので、プラズマ生成容器から引き出すイオンには、上記磁界によるローレンツ力は殆ど働かない。従って、イオン源から引き出されるイオンビームの軌道が上記磁界によって曲げられるのを防止することができる。その結果、イオンビームの軌道の曲がりを補正するための余分な機構を設ける必要がなくなる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。
【００２３】
即ち、プラズマ電極が反射電極を兼ねていて、当該プラズマ電極によってプラズマ生成容器内の電子を陰極側へ反射させることができるので、電子による原料ガスの電離効率を高めて、プラズマの生成効率を高めることができる。ひいては、より大電流のイオンビームの引き出しが可能になる。
【００２４】
しかも、反射電極を兼ねているプラズマ電極は、電子を反射させる働きと共に、プラズマ中の電子とは反対極性のイオン（即ち正イオン。以下同様）に対しては、それを引き寄せてイオン引出し口を通して引き出す働きをもするので、しかも上記のように磁界はＺ方向に沿うものであって電子やイオンのＺ方向の移動を妨げないので、イオンビームを効率良く引き出すことが可能になる。
【００２５】
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のような背後反射電極を更に備えていて、陰極側においてもこの背後反射電極によって電子を効率良く反射させることができるので、プラズマ生成容器内における電子を、反射電極を兼ねているプラズマ電極と背後反射電極との間で繰り返して、しかも効率良く反射させることができる。その結果、電子による原料ガスの電離効率をより高めて、プラズマ生成効率をより高めることができる。ひいては、より大電流のイオンビームの引き出しが可能になる。
【００２６】
請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。
【００２７】
即ち、磁気コイルが上記のような複数のコイルから成るので、プラズマ生成容器内での磁界の発散を小さくして、プラズマ生成容器内に、Ｚ方向により平行に近い磁界を発生させることができる。従って、当該磁界による上述した作用効果をより効果的に発揮させることができる。
【００２８】
また、磁気コイルとして、Ｚ方向に長い一つのコイルをプラズマ生成容器を囲むように設けている場合は、当該コイルによってプラズマ生成容器へのアクセスが制限されるけれども、この発明では複数のコイルをＺ方向に離間して設けているので、当該コイル間の隙間を通してプラズマ生成容器に比較的容易にアクセスすることができる。従って例えば、プラズマ生成容器への電流導入端子等の取り付け、配線の引き回し、プラズマ生成容器のメンテナンス等が容易になる。
【００２９】
請求項５に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、最もプラズマ電極側に配置されたコイルが発生する磁界を上記のようにすることによって、プラズマ電極のイオン引出し口付近の磁界を他に比べて強くすることができ、それによってプラズマ密度も高まるので、イオン引出し口付近のプラズマ密度を他に比べて高くすることができる。その結果、より効率良く大電流のイオンビームを引き出すことが可能になる。
【００３０】
請求項６に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、前記仕切り板を設けておくことによって、各陰極から放出された電子が、仕切り板によって仕切られた他の区画に侵入するのを抑制することができるので、また各区画内で生成されたプラズマが他の区画へ拡散することを抑制することができるので、各陰極による各区画ごとのプラズマ密度の制御性を大きく高めることができる。その結果、プラズマ生成容器内のＹ方向におけるプラズマ密度分布の制御が一層容易になる。
【００３２】
請求項７に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、プラズマ生成容器内で生成するプラズマ密度は、プラズマ生成容器内の原料ガスの密度にも比例するので、仕切り板によって仕切られた各区画にガス導入口をそれぞれ設けておくことによって、各区画内に導入する原料ガスの流量を調節して、各区画内のプラズマ密度を調整することができる。その結果、プラズマ生成容器内のＹ方向におけるプラズマ密度分布の制御が一層容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（１）イオン源について
図２は、この発明に係るイオン源の一実施形態を電源と共に示す縦断面図である。図３は、図２に示すイオン源のプラズマ生成容器周りの概略を示す横断面図であり、説明に用いない構成要素の図示は省略している。
【００３４】
１点で実質的に直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向とすると、このイオン源１０は、例えば図１に示したような、Ｙ方向の寸法ＷY がＸ方向の寸法ＷX よりも大きいリボン状のイオンビーム２をＺ方向に引き出すイオン源である。
【００３５】
リボン状と言っても、厚さが紙や布のように薄いという意味ではない。例えば、イオンビーム２のＸ方向の寸法ＷX は５ｃｍ〜１０ｃｍ程度、Ｙ方向の寸法ＷY は３５ｃｍ〜５０ｃｍ程度である。但しこれに限られるものではない。
【００３６】
イオン源１０は、内部でプラズマ２２を生成するためのプラズマ生成容器１２を備えている。プラズマ生成容器１２および後述するプラズマ電極２４等は、この実施形態では、真空容器３６（これはイオン源チャンバーとも呼ばれる）内に収納されている。
【００３７】
プラズマ生成容器１２は、Ｚ方向（即ちイオンビーム引出し方向）端が開いた直方体状をしている。このプラズマ生成容器１２のＺ方向とは反対側の壁面を成す後面板１４は、この実施形態では、真空容器３６の後面板を兼ねているが、両者を別のものとしても良い。
【００３８】
プラズマ生成容器１２、後面板１４および真空容器３６は、この実施形態では、互いに電気的に接続されていて同電位にある。当該電位部は、一つの基準電位部を形成しているので、それをイエロー電位部３８と呼ぶことにする。
【００３９】
プラズマ生成容器１２内には、例えばガス導入口１６から、プラズマ２２生成の原料となる所望の原料ガス（蒸気の場合を含む）１８が導入される。
【００４０】
プラズマ生成容器１２は、後述する陰極４０に対する陽極を兼ねていても良いし、この実施形態のように、内部に陽極２０を有していても良い。陽極２０は、例えば、四角筒状をしており、プラズマ生成容器１２とは電気的に絶縁されている。
【００４１】
陽極２０とイエロー電位部３８（つまり各陰極４０）との間には、各陰極４０から放出させた熱電子を加速して、プラズマ生成容器１２内に導入された原料ガス１８を電離させると共に、プラズマ生成容器１２内でアーク放電を生じさせて、プラズマ２２を生成する直流のアーク電源６６が、陽極２０を正極側にして接続されている。プラズマ生成容器１２が陽極を兼ねる場合は、このアーク電源６６の正極側はプラズマ生成容器１２に接続される。
【００４２】
アーク電源６６は、この実施形態のように複数の陰極４０に共通にする代わりに、各陰極４０に対して個別に、即ち各陰極４０と陽極２０（またはプラズマ生成容器１２）との間に個別に設けても良い。個別に設けると、後述するように、各アーク電源６６の出力電圧ＶA を制御することによって、プラズマ生成容器１２内のプラズマ密度分布を制御することもできる。
【００４３】
プラズマ生成容器１２のＺ方向側には、即ちプラズマ生成容器１２のＺ方向端付近には、Ｙ方向に伸びたイオン引出し口２６を有しているプラズマ電極２４が設けられている。プラズマ電極２４は、基本的には、プラズマ生成容器１２内で生成されたプラズマ２２からイオン引出し口２６を通してイオンをＺ方向に引き出す働きをする。イオン引出し口２６は、この実施形態のようにＹ方向に長いスリットでも良いし、Ｙ方向に配列された複数の孔でも良い。
【００４４】
プラズマ電極２４は、この実施形態では、絶縁物２８によってプラズマ生成容器１２とは電気的に絶縁されており、直流の第１反射電源６８から、イエロー電位部３８を基準にして負電圧が印加される。後述するように、各陰極４０の一端はイエロー電位部３８に接続されているので、第１反射電源６８によって、プラズマ電極２４は各陰極４０よりも負電位にされる。従ってこの実施形態では、プラズマ電極２４は、プラズマ生成容器１２内の電子（主として陰極４０からの熱電子）を反射させる（追い返す）反射電極を兼ねている。
【００４５】
プラズマ電極２４のＺ方向側付近には、プラズマ電極２４と協働して、プラズマ生成容器１２内のプラズマ２２から電界の作用でイオンビーム２を引き出す引出し電極系３０が設けられている。引出し電極系３０は、この実施形態では、引出し電極３１、抑制電極３２および接地電極３３を有している。各電極３１〜３３は、プラズマ電極２４のイオン引出し口２６に対応したイオン引出し口をそれぞれ有している。
【００４６】
引出し電極３１には、イオンビーム２の引き出しのために、直流の第１引出し電源７２から、イエロー電位部３８を基準にして負電圧が印加される。この第１引出し電源７２の出力電圧によって、イオンビーム２の引出し量を制御することができる。接地電極３３には、直流の第２引出し電源７４から、イエロー電位部３８を基準にして負電圧が印加される。接地電極３３は大地電位にはないが、通常はこのように呼ばれている。この第２引出し電源７４の出力電圧によって、イオン源１０から引き出すイオンビーム２のエネルギーが定まる。抑制電極３２には、下流側からの逆流電子抑制のために、直流の抑制電源７６から、接地電極３３の電位を基準にして負電圧が印加される。
【００４７】
イエロー電位部３８には、直流の加速電源７８から、大地電位を基準にして正電圧（加速電圧）が印加される。大地電位にあるターゲット８２（図１０参照）に入射する際のイオンビーム２のエネルギーは、この加速電源７８の出力電圧によって定まる。
【００４８】
但し、上記引出し電極系３０の構成やそれ用の電源の構成は一例であり、上記例に限られるものではない。
【００４９】
プラズマ生成容器１２内であってプラズマ電極２４とは反対側に、プラズマ電極２４に対向させて、プラズマ生成容器１２内へ電子（熱電子）を放出してプラズマ生成容器１２内で放電を生じさせて原料ガス１８を電離させてプラズマ２２を生成するための複数の陰極４０が、Ｙ方向に沿って複数段に配置されている。陰極４０の数は、図２に示す例では簡略化して三つで図示しているが、これに限られるものではない（例えば後述する図４〜図６に示すように７個程度にしても良い）。各陰極４０は、この実施形態では、直熱型の陰極、即ちフィラメントである。
【００５０】
各陰極４０は、この実施形態では、棒状（線状とも言える）のものであって、横から（Ｘ方向から）見た形状がコ字状をしていて、その中央辺部分がＹ方向に沿って伸びる向きでＹ方向に沿って複数段に配置されている。
【００５１】
各陰極４０には、それを加熱して電子を放出させるための陰極電源６０が、電流導入端子４２を介してそれぞれ接続されている。各陰極電源６０は、図示例のように直流電源でも良いし、交流電源でも良い。各陰極電源６０は、例えば、後述する制御装置９０（図１０参照）による制御によって、各陰極４０に流す電流ＩF を個別に制御（増減）することができる。それによって、各陰極４０から放出する電子量を制御することができる。
【００５２】
各陰極４０の一端は、前述したようにこの実施形態では、イエロー電位部３８に接続されている。各陰極電源６０の出力電圧は通常は低い（例えば５Ｖ前後）ので、各陰極４０は、ほぼイエロー電位部３８の電位になる。
【００５３】
プラズマ生成容器１２の外側には、プラズマ生成容器１２内に、しかも複数の陰極４０を含む領域に、Ｚ方向に沿う磁界５６を発生させる磁気コイル５０が設けられている。磁気コイル５０は、より具体的にはこの実施形態では、上記真空容器３６の外周部に設けられて（巻かれて）いる。
【００５４】
磁気コイル５０の近傍にある構成要素は、例えば真空容器３６、プラズマ生成容器１２、後面板１４、陽極２０、プラズマ電極２４、引出し電極系３０および後述する背後反射電極５８等は、磁界５６を乱さないために、非磁性材から成る。
【００５５】
磁気コイル５０は、一つの筒状のコイルでも良いけれども、この実施形態では、複数の（この実施形態では二つの）コイル５２から成る。各コイル５２は、Ｚ方向を軸にしてプラズマ生成容器１２を囲むように巻かれた筒状（環状とも言える）のコイルである。各コイル５２は、Ｚ方向に沿って互いに離間して設けられている。より具体的には、一方のコイル５２はプラズマ生成容器１２の前端（Ｚ方向端）付近を囲んでおり、他方のコイル５２はプラズマ生成容器１２の後端付近を囲んでいる。各コイル５２は、互いに同じ向きの磁界を発生させる。この複数のコイル５２が協働して、上記磁界５６を発生させる。
【００５６】
各コイル５２を互いに直列接続して一つのコイル電源から励磁電流を流すようにしても良いけれども、この実施形態では、複数の直流のコイル電源５４によって各コイル５２を個別に励磁するようにしている。それによって、各コイル５２が発生する磁界の強さを簡単に変えることができる。
【００５７】
プラズマ生成容器１２内であって複数の陰極４０の背後に、この実施形態のように、背後反射電極５８を設けておいても良い。背後反射電極５８は、複数の陰極４０の背後をカバーする大きさをしている。より具体的には、プラズマ生成容器１２内の後面の概ね全体をカバーする大きさをしている。
【００５８】
背後反射電極５８は、プラズマ生成容器１２および後面板１４から電気的に絶縁されている。各陰極４０および陽極２０からも電気的に絶縁されている。背後反射電極５８は、この実施形態のように、直流の第２反射電源７０から、イエロー電位部３８を基準にして負電圧を印加しても良いし、電気的にどこにも接続せずに浮遊電位にしても良い。浮遊電位にしても、背後反射電極５８は、主に陰極４０から放出され、アーク電源６６の出力電圧相当のエネルギーの高い電子が入射して負電位に帯電するからである。上記のようにして、背後反射電極５８を、各陰極４０よりも負電位にすることができる。従って、背後反射電極５８は、プラズマ生成容器１２内の電子（主として陰極４０からの熱電子）を反射させる（追い返す）働きをする。
【００５９】
このイオン源１０においては、Ｙ方向に沿って複数段に配置された複数の陰極４０から放出された電子は、Ｚ方向に沿う磁界５６によって捕捉されてＹ方向への移動が制限されるので、Ｙ方向への電子の移動は少なくなる。これは、電子は、磁界５６に巻き付く旋回運動（ラーモア運動）をするので、磁界５６に沿う方向（即ちＺ方向）に移動することはできても、磁界５６を横切る方向（即ちＹ方向）への移動は困難だからである。電子軌道のシミュレーションによっても、電子は、主として各陰極４０のＹ座標付近にそれぞれ集まって、陰極４０の段数に等しい数の集団を作ることが確かめられている。従って、上記Ｚ方向に沿う磁界５６によって捕捉された電子がＹ方向の他の部分のプラズマ生成に与える影響は小さくなる。換言すれば、各陰極４０がプラズマ密度に及ぼす影響は、各陰極４０のＹ座標付近にそれぞれ限定される。
【００６０】
しかも、Ｙ方向に沿って複数段に配置された複数の陰極４０を備えていて、各段の陰極４０から放出する電子量を調整することができるので、当該電子による各段のプラズマ生成作用を部分的に調整することができる。例えばある陰極４０から放出する電子量を多くすると、当該電子がガス分子と衝突する確率が高くなって当該陰極のＹ座標付近のプラズマ密度が大きくなる。逆にその陰極４０から放出する電子量を少なくすると、当該電子がガス分子と衝突する確率が低くなって当該陰極４０のＹ座標付近のプラズマ密度は小さくなる。
【００６１】
上記のように、このイオン源１０によれば、Ｚ方向に沿う磁界５６によって、各陰極４０がプラズマ密度に及ぼす影響を各陰極４０のＹ座標付近にそれぞれ限定することができると共に、各陰極４０から放出する電子量を調整して各段のプラズマ密度を調整することができる。従って、プラズマ生成容器１２内のＹ方向におけるプラズマ密度分布の制御が容易である。
【００６２】
その結果、このイオン源１０から引き出すリボン状イオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布を調整することが容易になる。例えば、上記イオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布の均一性を良くすることや、所定のビーム電流密度分布を実現することが容易になる。
【００６３】
しかも、プラズマ生成容器１２内に発生させる磁界５６は、イオンビーム２の引出し方向であるＺ方向に沿うものであるので、プラズマ生成容器１２から引き出すイオンには、上記磁界５６によるローレンツ力は殆ど働かない。従って、イオン源１０から引き出されるイオンビーム２の軌道が上記磁界によって曲げられるのを防止することができる。その結果、イオンビームの軌道の曲がりを補正するための余分な機構を設ける必要がなくなる。
【００６４】
また、この実施形態のイオン源１０では、上記のようにプラズマ電極２４が反射電極を兼ねていて、当該プラズマ電極２４によってプラズマ生成容器１２内の電子を陰極４０側へ反射させることができるので、電子と原料ガス１８との衝突確率を高めて電子による原料ガス１８の電離効率を高めることができる。背後反射電極５８を設けていなくても、電子は、各陰極４０と反射電極を兼ねるプラズマ電極２４の間を往復運動する。それによって、電子と原料ガス１８との衝突確率を高めて、プラズマ２２の生成効率を高めることができる。ひいては、より大電流のイオンビーム２の引き出しが可能になる。
【００６５】
しかも、反射電極を兼ねているプラズマ電極２４は、電子を反射させる働きと共に、プラズマ２２中の電子とは反対極性のイオン（正イオン）に対しては、それを引き寄せてイオン引出し口２６を通して引き出す働きをもするので、しかも上記のように磁界５６はＺ方向に沿うものであって電子やイオンのＺ方向の移動を妨げないので、イオンビーム２を効率良く引き出すことが可能になる。即ち、プラズマ２２中のイオンは、まず、プラズマ電極２４の電界によってイオン引出し口２６を通して引き出され、そしてそのまま引出し電極系３０による電界によってイオンビーム２として引き出される。
【００６６】
なお、絶縁物２８および第１反射電源６８を設けずに、プラズマ電極２４をプラズマ生成容器１２のＺ方向端に取り付けて、プラズマ電極２４の電位をプラズマ生成容器１２と同電位にしても良い。プラズマ電極２４がプラズマ生成容器１２のＺ方向端の壁面を形成していても良い。この場合は、図２の回路構成のままでは、プラズマ電極２４と各陰極４０とはほぼ同電位になるので、プラズマ電極２４による上述した電子の反射作用は奏さなくなる。
【００６７】
プラズマ電極２４を上記のようにする場合、例えば、第１反射電源６８の代わりに図２中に破線で示すように直流のバイアス電源７１を設けて、このバイアス電源７１から、イエロー電位部３８を基準にして各陰極４０に正電圧を印加するようにしても良い。そのようにすると、プラズマ電極２４は各陰極４０よりも負電位になるので、プラズマ電極２４はやはり、プラズマ生成容器１２内の電子を陰極４０側へ反射させる反射電極を兼ねるようになる。
【００６８】
更にこの実施形態のイオン源１０では、背後反射電極５８を備えていて、陰極４０側においてもこの背後反射電極５８によって電子を効率良く反射させることができるので、プラズマ生成容器１２内における電子を、反射電極を兼ねているプラズマ電極２４と背後反射電極５８との間で繰り返して、しかも効率良く反射させることができる。その結果、電子と原料ガス１８との衝突確率をより高めて電子による原料ガス１８の電離効率をより高めることができるので、プラズマ生成効率をより高めることができる。ひいては、より大電流のイオンビーム２の引き出しが可能になる。
【００６９】
更にこの実施形態のイオン源１０では、上記のように、磁気コイル５０が複数のコイル５２から成るので、プラズマ生成容器１２内での磁界５６の発散を小さくして、プラズマ生成容器１２内に、Ｚ方向により平行に近い磁界５６を発生させることができる。従って、当該磁界５６による上述した作用効果をより効果的に発揮させることができる。
【００７０】
また、磁気コイル５０として、Ｚ方向に長い、例えば図２に示す二つのコイル５２とその間の長さに相当するような長さの一つのコイルをプラズマ生成容器１２を囲むように設けている場合は、当該コイルによってプラズマ生成容器１２へのアクセスが制限されるけれども、このイオン源１０では複数のコイル５２をＺ方向に離間して設けているので、当該コイル５２間の隙間を通してプラズマ生成容器１２に比較的容易にアクセスすることができる。従って例えば、プラズマ生成容器１２への電流導入端子等の取り付け、配線の引き回し、プラズマ生成容器１２のメンテナンス等が容易になる。
【００７１】
なお、この実施形態では、磁気コイル５０を構成するコイル５２は２個であるが、必要に応じてそれ以上にしても良い。その場合は、例えば、コイル電源５４もそれに応じて設ければ良い。
【００７２】
上記複数のコイル５２の内、最もプラズマ電極２４側に配置されたコイル５２（この実施形態では、２個のコイル５２の内のプラズマ電極２４側のコイル５２）が発生する磁界を、他のコイル５２が発生する磁界に比べて強くしても良い。そのようにするには、例えば、最もプラズマ電極２４側に配置されたコイル５２にコイル電源５４から流す励磁電流を大きくすれば良い。あるいは、最もプラズマ電極２４側に配置されたコイル５２の巻数を多くしても良い。両者を併用しても良い。
【００７３】
上記のようにすることによって、プラズマ電極２４のイオン引出し口２６付近の磁界５６を、他に比べて強くすることができる。図３はその概略例を示す。プラズマ電極２４付近で磁力線５７が集中して、イオン引出し口２６付近の磁界５６が強くなっている。これに伴って、プラズマ生成容器１２内の電子密度もイオン引出し口２６付近で高くなる。これは電子軌道のシミュレーションによっても確かめられている。電子密度が高いと、電子と原料ガス１８との衝突確率が高くなってプラズマ密度も高まるので、イオン引出し口２６付近のプラズマ２２の密度を他に比べて高くすることができる。図３中のプラズマ２２は、それを模式的に示したものである。その結果、より効率良く大電流のイオンビーム２を引き出すことが可能になる。
【００７４】
上記陰極４０がフィラメントの場合の配置の例を図４〜図６にそれぞれ示す。
【００７５】
図４に示す例は、前述した図２の例と同じ配置であり（但しフィラメント４０の数は、より実際に近い数で図示している。図５、図６も同様）、縦長の複数のフィラメント４０をＹ方向に１列に並べたものである。各フィラメント４０の間には隙間がある。この例は、後述する仕切り板８０を設ける場合にも対応することができる。
【００７６】
図５に示す例は、縦長の複数のフィラメント４０を２列にして、各フィラメント４０をＹ方向において少しずつオーバーラップさせて配置したものである。この例の場合は、複数のフィラメント４０がＹ方向に切れ目なく並んでいるのと似た状態になるので、切れ目の存在によってプラズマ密度の低い領域が生じるのを防止することができる。
【００７７】
図６に示す例は、Ｙ方向に対して所定角度で斜めに傾けた縦長の複数のフィラメント４０を、Ｙ方向において少しずつオーバーラップさせて配置したものである。この例の場合も、複数のフィラメント４０がＹ方向に切れ目なく並んでいるのと似た状態になるので、切れ目の存在によってプラズマ密度の低い領域が生じるのを防止することができる。
【００７８】
実験によれば、イオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布の均一性を良くし、かつビーム電流を大きくする上では、図４の例よりも図５の例の方が、更に図５の例よりも図６の例の方が、より効果があることが確かめられた。これは、図６の例では、プラズマ電極２４のイオン引出し口２６に対向して、複数のフィラメント４０がＹ方向に切れ目なく１列に並んでいることと実質的に同じになって、イオン引出し口２６付近のプラズマ密度が高くなり、かつそのＹ方向における均一性も良くなるからであると考えられる。
【００７９】
図７に示す例のように、プラズマ生成容器１２内に、隣り合う二つの陰極４０間を仕切る仕切り板８０を設けても良い。この仕切り板８０の配置の正面図を、図４に対応する図８に示す。
【００８０】
各仕切り板８０は、高温に曝されるため、モリブデン、カーボン等の耐熱材料で構成するのが好ましい。各仕切り板８０のＺ方向の長さは、必ずしも図７に示すようなものに限られるものではなく、必要とするプラズマ密度の制御性等の関係で適宜定めれば良い。
【００８１】
上記仕切り板８０を設けると、各陰極４０から放出された電子が、仕切り板８０によって仕切られた他の区画に侵入するのを抑制することができるので、また各区画内で生成されたプラズマが他の区画へ拡散することを抑制することができるので、各陰極４０による各区画ごとのプラズマ密度の制御性を大きく高めることができる。プラズマ密度の制御にこのような構成を併用しても良い。それによって、プラズマ生成容器１２内のＹ方向におけるプラズマ密度分布の制御が一層容易になる。
【００８２】
また、例えば図７に示す例のように、仕切り板８０によって仕切られた各区画にガス導入口１６をそれぞれ設けて、各区画に独立して原料ガス１８を導入するようにしても良い。その場合は、各ガス導入口１６から導入する原料ガス１８の流量をそれぞれ調節する複数の流量調節器（図示省略）を設けておく。
【００８３】
プラズマ生成容器１２内で生成するプラズマ密度は、プラズマ生成容器１２内の原料ガス１８の密度にも比例するので、上記のようにして各区画内に導入する原料ガス１８の流量を調節することによって、各区画内のプラズマ密度を調整することができる。その結果、プラズマ生成容器１２内のＹ方向におけるプラズマ密度分布を制御することができる。プラズマ密度分布の制御にこのような制御を併用しても良い。
【００８４】
各陰極４０は、上記実施形態のような直熱型の陰極（フィラメント）の代わりに、傍熱型の陰極にしても良い。その場合の一例を、一つの陰極４０周りを代表して図９に示す。
【００８５】
図９に示す例では、陰極４０は、プラズマ生成容器１２の後面板１４に設けられた穴１５の部分に設けられている。背後反射電極５８を設けている場合は、それにも穴を設けておけば良い。陰極４０の背後には、陰極４０を加熱して陰極４０から電子（熱電子）をプラズマ生成容器１２内へ放出させるフィラメント４４が設けられている。フィラメント４４には、それを加熱するフィラメント電源６２が接続されている。フィラメント電源６２は、図示例のように直流電源でも良いし、交流電源でも良い。
【００８６】
フィラメント４４と陰極４０との間には、フィラメント４４から放出された熱電子を陰極４０に向けて加速して、当該熱電子の衝撃を利用して陰極４０を加熱する直流のボンバード電源６４が、陰極４０を正極側にして接続されている。このボンバード電源６４とフィラメント電源６２とで陰極電源６０を構成している。
【００８７】
各電源６２、６４の出力の少なくとも一方を増減させることによって、陰極４０から放出する電子量を制御することができる。例えば、ボンバード電源６４の出力電圧ＶD を、後述する制御装置９０によって制御（増減）するようにしても良い。
【００８８】
なお、プラズマ生成容器１２に対して陰極４０およびフィラメント４４を配置するより具体的な構造は、図９では簡略化して示しているが、例えば特許第３７５８６６７号公報等に記載されているような公知の構造を採用すれば良い。
【００８９】
また、陰極４０およびフィラメント４４をプラズマ生成容器１２内に位置させても良い。例えば、背後反射電極５８を設ける場合は、図２に示す陰極４０と同様に、背後反射電極５８よりも内側に陰極４０を位置させても良い。
【００９０】
（２）イオン注入装置について
図１０は、図２に示すイオン源１０を備えるイオン注入装置の一実施形態を示す概略図である。
【００９１】
このイオン注入装置は、上記イオン源１０から引き出されたリボン状のイオンビーム２をターゲット８２に入射させてイオン注入を行う装置であり、上記イオン源１０、複数の上記陰極電源６０（但し図１０では一つのみを図示している）に加えて、次のようなビーム測定器８８、制御装置９０等を備えている。
【００９２】
イオン源１０からターゲット８２周りまでのイオンビーム２の輸送経路は、図示しない真空容器内にあって真空雰囲気に保たれる。また、イオンビーム２は、輸送途中で、例えば質量分析マグネット等によって、Ｘ方向に曲げられても良い。その場合も含めて、図１０では、イオンビーム２の進行方向を常にＺ方向としている。
【００９３】
ターゲット８２は、例えば、半導体基板、ガラス基板等である。
【００９４】
ビーム測定器８８は、イオンビーム２をターゲット８２に入射させるための注入室（図示省略）内におけるイオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布を測定するものである。ビーム測定器８８は、より具体的には、ターゲット８２の近傍に設けられていて、ターゲット８２に相当する位置におけるイオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布を測定するものである。
【００９５】
ビーム測定器８８が図示例のようにターゲット８２の前方に設けられている場合は、ターゲット８２へのイオン注入時には、ビーム測定器８８をイオン注入の邪魔にならない位置に移動させれば良い。ビーム測定器８８がターゲット８２の後方に設けられている場合は、測定時にはターゲット８２等を測定の邪魔にならない位置に移動させれば良い。
【００９６】
ビーム測定器８８は、例えば、イオンビーム２のビーム電流密度を測定する多数の測定器（例えばファラデーカップ）をＹ方向に並設して成る多点ビーム測定器であるが、一つの測定器を移動機構によってＹ方向に移動させる構造のものでも良い。
【００９７】
このイオン注入装置は、ターゲット８２を保持するホルダ８４をターゲット８２と共にイオンビーム２の主面２ａと交差する方向に、例えば矢印Ｆに示すようにＸ方向に移動（例えば往復駆動）させるターゲット駆動装置８６を備えている。
【００９８】
イオンビーム２のＹ方向の寸法ＷY をターゲット８２のＹ方向の寸法よりも大きくしておくことと、ターゲット駆動装置８６によるターゲット８２の上記移動とを併用することによって、ターゲット８２の全面にイオン注入を行うことができる。
【００９９】
制御装置９０は、ビーム測定器８８からの測定情報ＤＡに基づいて各陰極電源６０（詳しくは図２、図９参照）を制御して、上記各陰極４０から放出する電子量を制御して、ビーム測定器８８で測定するビーム電流密度分布を所定の分布に近づける制御機能を有している。それによって、注入室内におけるリボン状イオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布を所定の分布に近づけることができる。
【０１００】
制御装置９０が有している制御機能のより具体例を挙げると、制御装置９０は、ビーム測定器８８で測定したビーム電流密度が相対的に大きい領域に対応する陰極４０から放出する電子量を少なくすることと、同ビーム電流密度が相対的に小さい領域に対応する陰極４０から放出する電子量を多くすることの少なくとも一方を行って、ビーム測定器８８で測定するビーム電流密度分布を均一に近づける制御機能を有している。従って、この場合は、注入室内におけるリボン状イオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布の均一性を良くすることができる。
【０１０１】
イオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布の均一性を良くする制御内容のより具体例を、図１２を参照して説明する。また、均一化制御の前後におけるビーム電流密度分布の概略例を図１１に示し、以下においてはこの図１１も参照する。なお、下記の設定値ＳＥＴ、許容範囲εA 、εB は、例えば、制御装置９０に予め設定しておけば良い。
【０１０２】
まず、ビーム測定器８８によって、イオンビーム２のＹ方向の全体のビーム電流密度分布を測定する（ステップ１００）。これによって、例えば、図１１中のビーム電流密度分布Ａが得られる。
【０１０３】
次に、上記ビーム電流密度分布Ａを有しているイオンビーム２全体のビーム電流が所定の許容範囲内か否かを判断する（ステップ１０１）。なお、イオンビーム２全体のビーム電流をイオンビーム２のＹ方向の長さで割ればビーム電流密度分布Ａの平均値ＡＶＥが得られるので、イオンビーム２全体のビーム電流を判断することと上記平均値ＡＶＥを判断することとは、実質的に同じであり、ステップ１０１、１０２において上記平均値ＡＶＥを判断対象にしても良い。
【０１０４】
イオンビーム２全体のビーム電流が許容範囲内にない場合は、ステップ１０２に進んで、ビーム電流が許容範囲よりも大きい場合は全ての陰極４０から放出する電子量を一律に少なくし、小さい場合は全ての陰極４０から放出する電子量を一律に多くする。「一律に」というのは、複数の陰極４０について互いに実質的に同じ量だけ電子量を増加または減少させることである。
【０１０５】
上記放出電子量の増減によって、プラズマ生成容器１２内のプラズマ密度が増減し、ひいてはイオンビーム２のビーム電流が増減する。その後はステップ１００に戻って、イオンビーム２全体のビーム電流が許容範囲内に入るまで、ステップ１００〜１０２の制御が繰り返される。
【０１０６】
上記制御によって、イオンビーム２全体のビーム電流が許容範囲内に入るように制御される。平均値ＡＶＥでいえば、これが許容範囲εA 内に入るように制御される。これによって、例えば、図１１中のビーム電流密度分布Ｂが得られる。この状態では、未だ個別調整は行っていないので、ビーム電流密度分布Ｂは元のビーム電流密度分布Ａに似た形状をしており、ビーム電流密度分布Ａをほぼ平行移動させたようなものである。
【０１０７】
ステップ１０１において、イオンビーム２全体のビーム電流が許容範囲内にあると判断された場合は、ステップ１０３に進む。ステップ１０３では、ビーム測定器８８による測定領域を、Ｙ方向において、各陰極４０に対応する範囲毎にグループ分けして、各グループ内でのビーム電流密度の平均値を算出する。例えば、陰極４０がＹ方向に３段に配置されている場合は、図１１に示すようにグループ１〜３に分け、平均値ＡＶＥ1 〜ＡＶＥ3 を算出する。このグループ分けは、換言すれば、各段の陰極４０がＹ方向におけるプラズマ密度ひいてはビーム電流密度に影響を与える範囲毎にグループ分けすることである。このようにグループ分けすることに意味があるのは、前述したように、イオン源１０がＹ方向におけるビーム電流密度を部分的に制御することができるからである。
【０１０８】
そして、ステップ１０４に進んで、全てのグループの平均値が所定の許容範囲εB 内にあるか否かを判断する。通常は、図１１にも示すように、εA ＞εB としておく。全てのグループの平均値が許容範囲εB 内にあれば、制御は終了する。図１１の例では、グループ１、２の平均値ＡＶＥ1 、ＡＶＥ2 は許容範囲εB 内にあるが、グループ３の平均値ＡＶＥ3 は許容範囲εB よりも低い。
【０１０９】
平均値が許容範囲εB 内にないグループがあれば、ステップ１０５に進む。ここでは各陰極電源６０をそれぞれ制御して、各陰極４０から放出する電子量をそれぞれ制御する。即ち、許容範囲εB よりもそのグループの平均値が高ければ当該グループに対応する陰極４０からの放出電子量を下げ、平均値が低ければ（例えば図１１中の平均値ＡＶＥ3 参照）放出電子量を上げる制御が行われる。この放出電子量の増減によって、前述したように、各陰極４０に対応する領域でのプラズマ密度が増減し、ひいては当該領域に対応するグループのビーム電流密度が増減する。
【０１１０】
その後は、ステップ１００に戻って、上記制御が繰り返される。これによって、イオンビーム２全体のビーム電流が許容範囲内に入り、かつ各グループのビーム電流密度の平均値も許容範囲内に入るように制御される。その結果、例えば、図１１中のビーム電流密度分布Ｃが得られる。即ち、イオンビーム２のＹ方向におけるビーム電流密度分布を均一に近づけて、当該ビーム電流密度分布の均一性を良くすることができる。
【０１１１】
なお、上記ステップ１０２における全体のビーム電流調整には、前述したアーク電源６６の出力電圧ＶA を制御することによってプラズマ生成容器１２内のプラズマ密度を増減する制御を併用しても良い。
【０１１２】
また、アーク電源６６を各陰極４０に対して個別に設けておいて、上記ステップ１０５において、各陰極電源６０を制御する代わりに、またはそれと併用して、各アーク電源６６の出力電圧ＶA を制御することによって、各グループのビーム電流密度を増減する制御を行っても良い。
【０１１３】
また、図７を参照して説明したように、仕切り板８０によって仕切られた区画に対して独立して原料ガス１８を導入することができるようにしている場合は、原料ガス１８の流量調節による各区画のプラズマ密度制御を、プラズマ密度分布の粗調整として併用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】リボン状のイオンビームの一例を示す概略斜視図である。
【図２】この発明に係るイオン源の一実施形態を電源と共に示す縦断面図である。
【図３】図２に示すイオン源のプラズマ生成容器周りの概略を示す横断面図であり、説明に用いない構成要素の図示は省略している。
【図４】複数のフィラメントの配置の一例を示す正面図である。
【図５】複数のフィラメントの配置の他の例を示す正面図である。
【図６】複数のフィラメントの配置の更に他の例を示す正面図である。
【図７】プラズマ生成容器内に仕切り板を設けた例を示す図であり、説明に用いない構成要素の図示は省略している。
【図８】図７と同様の仕切り板の配置の例を示す正面図である。
【図９】傍熱型の陰極の一例を示す概略図である。
【図１０】この発明に係るイオン注入装置の一実施形態を示す概略図である。
【図１１】均一化制御の前後におけるビーム電流密度分布の一例を示す概略図である。
【図１２】ビーム電流密度分布を均一化する場合の制御内容の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１５】
２  イオンビーム
１０  イオン源
１２  プラズマ生成容器
１６  ガス導入口
１８  原料ガス
２０  陽極
２２  プラズマ
２４  プラズマ電極
２６  イオン引出し口
３０  引出し電極系
４０  陰極
５０  磁気コイル
５２  コイル
５６  磁界
５８  背後反射電極
６０  陰極電源
８２  ターゲット
８６  ターゲット駆動装置
８８  ビーム測定器
９０  制御装置
【図１】
0005040723.tif 000002
【図２】
0005040723.tif 000003
【図３】
0005040723.tif 000004
【図４】
0005040723.tif 000005
【図５】
0005040723.tif 000006
【図６】
0005040723.tif 000007
【図７】
0005040723.tif 000008
【図８】
0005040723.tif 000009
【図９】
0005040723.tif 000010
【図１０】
0005040723.tif 000011
【図１１】
0005040723.tif 000012
【図１２】
0005040723.tif 000013