JPH06176725A - イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 イオン源は、プラズマチャンバー３内で生成
されたプラズマ中のイオンをイオン放出面から引出スリ
ット部８のスリット口３ａを介して外部に引き出す引出
電極系７を有し、イオンビームのビーム量を所定値に制
御するものである。イオン源は、任意の制御電圧を引出
スリット部８のスリット口３ａから外部側に存在させる
制御電極９および制御電源１４と、プラズマのイオン放
出面をプラズマチャンバー３内に位置させるデバイ長制
御手段とを有している。 【効果】 イオン放出面がプラズマチャンバー３内側に
位置されているため、引出電極１０によるイオンや電子
に対する影響が制御電圧による影響と共に大きなため、
電子や制御電圧とは逆極性のイオンが大量に制御電源１
４に流入することがなく、制御時の信頼性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン注入装置等にお
いて使用されるイオンビームを生成するイオン源に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】通常、ＡｓやＢ等の金属イオンビームを
取り出すイオン源のうち比較的電流量の大きなイオンビ
ームを取り出すことができるイオン源には、固体蒸気や
化合物ガス（ＢＦ₃ やＢＣｌ₃ 等）等の動作ガスを気中
放電させてプラズマを生成させる方式が用いられてい
る。この方式のイオン源には、例えば電子衝撃型や高周
波型、ＰＩＧ（Penning Ionization Gauge）型等の多く
の種類が存在しており、これらの各種のイオン源は、必
要とされるイオンやエネルギー、ビーム電流等に応じて
最適な機種が選択されるようになっている。

【０００３】例えば電子衝撃型イオン源の一種であるフ
リーマンイオン源は、プラズマチャンバーの側壁に形成
されたスリットの近傍に棒状の熱フィラメントを配設し
た構造を有しており、熱フィラメントから熱電子を放出
させることによりプラズマを生成させ、プラズマ中のイ
オンを引出電極系によりスリットを介して引き出すこと
によりイオンビームを生成するようになっている。そし
て、従来、このフリーマンイオン源におけるイオンビー
ムのビーム量の制御は、フィラメント電流やアーク電
圧、ガス流量、オーブン温度等の制御パラメータを用い
てプラズマ中の飽和イオン電流密度を制御することによ
り行われるようになっている。

【０００４】また、例えば高周波型イオン源の一種であ
るＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）イオン源
は、磁場が印加されたプラズマチャンバーに導波管を介
してマイクロ波発生器を接続した構造を有しており、マ
イクロ波発生器から出力されたマイクロ波と磁場とによ
ってプラズマを生成させ、プラズマ中のイオンを引出電
極系によりスリットを介して引き出すことによりイオン
ビームを生成するようになっている。そして、従来、こ
のＥＣＲイオン源におけるイオンビームのビーム量の制
御は、マイクロ波発生器に供給される高周波電力やガス
流量、オーブン温度、磁場等の制御パラメータを用いて
プラズマ中の飽和イオン電流密度を制御することにより
行われるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の各
種のイオン源は、プラズマ中の飽和イオン電流密度を用
いてイオンビームのビーム量を制御するようになってい
る。しかしながら、飽和イオン電流密度による制御だけ
では、近年要望されている精度内にビーム量を安定化さ
せることが困難であるという問題がある。

【０００６】即ち、イオン源は、例えばイオン注入装置
に使用される場合、イオンビームのビーム量がイオン照
射対象物の物性に大きな影響を与えるため、ビーム量を
所望の値に高精度に維持できることが望まれている。従
って、ビーム量は、例えばプラズマチャンバーからの引
出電流を用いてフィードバック制御されるようになって
おり、従来のイオン源は、引出電流の変化を検知したと
きに、制御パラメータを操作して飽和イオン電流密度を
変化させることによって、ビーム量を所望の値にフィー
ドバック制御するようになっている。

【０００７】ところが、上記のフィードバック制御で
は、引出電流の変化を検知して制御パラメータを操作し
てから飽和イオン電流密度が変化量に対応するまでに所
定の時間を要するため、追従性が低下したものになって
いる。これにより、従来のイオン源では、フィードバッ
ク制御の追従性が不十分であるため、ビーム量を所望の
値に高精度に維持することが困難になっている。

【０００８】さらに、高周波型イオン源においては、プ
ラズマを安定して生成させる飽和イオン電流密度の範囲
が狭いため、飽和イオン電流密度を広範囲に制御するこ
とができず、フリーマンイオン源が飽和イオン電流密度
を制御することにより広範囲（１〜１０^-5）に制御でき
るのに対し、１〜１０^-2程度の狭い範囲でしかビーム量
を制御することができない。

【０００９】これにより、従来の高周波型イオン源は、
イオン照射対象物（ターゲット）に照射されるビーム量
を広範囲に制御しようとすると、ビーム輸送系に電流制
限スリットを設けたり、或いはビーム光学系を制御して
イオンビームの発散角を広げる等の手段を採ることが必
要になっている。ところが、これらの手段は、制御性が
低下したものであると共に、ビーム輸送系におけるコン
タミネーションの発生量を増大させるという問題を有し
ている。

【００１０】そこで、高周波型イオン源は、プラズマチ
ャンバーからイオンビームを引き出す引出電極系に制御
電極を追加し、この制御電極に正ないし負の制御電圧を
印加可能な制御電源を接続した構成（実開平３−６０７
４１号公報）を採用することによって、プラズマチャン
バーから引き出されるイオンビームのビーム量を容易に
制御することが可能になると共に、イオンの電荷の逆電
圧を加えて、イオンビームのオンオフが可能になる。

【００１１】さらに、この場合には、引出電流の変化を
検知して制御電源を操作してからビーム量が変化するま
での時間が短縮化されるため、フィードバック制御の追
従性が向上し、ビーム量を所望の値に高精度に維持する
ことが可能になる。尚、フィードバック制御の追従性の
向上は、上記の構成を他の各種のイオン源に採用した場
合でも同様に得ることができるものである。

【００１２】このように、上記の構成を採用したイオン
源は、従来の問題を解決することが可能になっている。
ところが、この構成によるビーム量の制御だけでは、例
えば正電荷のイオンビームを引き出す場合、プラズマ中
の電子や負電荷のイオンが制御電極に引き寄せられ、大
量の電流が制御電源に流入して制御電源を短絡状態にさ
せることがあり、信頼性が不十分であるという問題があ
る。従って、本発明においては、常に安定した制御電圧
によってビーム量を制御することができるイオン源を提
供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のイオン源は、上
記課題を解決するために、プラズマチャンバー内で生成
されたプラズマ中のイオンをイオン放出面から、加速電
圧の印加された第１電極のスリット口を介して外部に引
き出す引出電極系を有し、上記イオンからなるイオンビ
ームのビーム量を所定値に制御するものであり、下記の
特徴を有している。

【００１４】即ち、イオン源は、引出電極系に設けら
れ、任意の制御電圧を第１電極のスリット口から外部側
に存在させる制御電圧手段である制御電極および制御電
源と、上記プラズマのイオン放出面をプラズマチャンバ
ー内に位置させるデバイ長制御手段とを有していること
を特徴としている。

【００１５】

【作用】上記の構成によれば、デバイ長制御手段により
プラズマのイオン放出面をプラズマチャンバー内に位置
させながら、制御電圧手段により任意の制御電圧を第１
電極のスリット口から外部側に存在させるようになって
いる。よって、スリット口から放出されたイオンからな
るイオンビームのビーム量は、イオンが電荷を有したも
のであるため、引出電極系内の制御電圧を任意に変化さ
せることによって広範囲に制御することが可能になる。

【００１６】この際、イオン放出面は、プラズマチャン
バー内に位置されており、スリット口を有する第１電極
によるイオンや電子に対する影響は、制御電圧の影響と
共に大きなものになっている。よって、電子や制御電圧
とは逆極性のイオンが大量に制御電圧手段に流入して短
絡状態となることがないため、制御時の信頼性が向上し
たものになっている。これにより、このイオン源は、ビ
ーム量を所定値に高い信頼性でもって広範囲に制御する
ことが可能になっている。

【００１７】さらに、ビーム量の制御をフィードバック
制御にした場合には、ビーム量の変化を検知して制御電
圧手段を操作してから制御電圧が変化量に対応するまで
の時間が短時間で完了するため、追従性が向上したもの
になり、結果としてビーム量を所定値に高い信頼性でも
って広範囲かつ高精度に維持することが可能になる。

【００１８】

【実施例】本発明の一実施例を図１ないし図１０に基づ
いて説明すれば、以下の通りである。

【００１９】本実施例に係るイオン源は、ＢＦ₃ やＡ
ｒ、金属蒸気等の動作ガスをマイクロ波放電によりプラ
ズマ化させてイオンを生成する高周波型イオン源であ
り、例えば図１に示すように、イオン注入装置に搭載さ
れるようになっている。このイオン源は、例えば2.４５
ＧＨｚのマイクロ波を出力するマグネトロン１と、絶縁
部を有した中空状の導波管２と、この導波管２を介して
マグネトロン１に接続されたプラズマチャンバー３と、
プラズマチャンバー３の周囲に配設された一対のソース
マグネット６・６とを有している。そして、プラズマチ
ャンバー３内には、マグネトロン１から出力されたマイ
クロ波が導波管２を介して導入されるようになっている
と共に、ソースマグネット６・６によりＥＣＲ磁場が生
成されるようになっている。

【００２０】また、プラズマチャンバー３には、図示し
ない動作ガス供給手段が接続されており、この動作ガス
供給手段は、固体状の不純物を金属蒸気発生炉によって
蒸発させた動作ガスやガスボンベに充填されていた気体
状の不純物からなる動作ガスをプラズマチャンバー３内
に供給するようになっている。

【００２１】さらに、プラズマチャンバー３の導波管２
側の内壁面には、例えばセラミックス等により形成され
たウインドウが配設されている。そして、このウインド
ウは、導波管２とプラズマチャンバー３内とを隔離する
ようになっていると共に、マグネトロン１から導波管２
を介して出力されたマイクロ波をプラズマチャンバー３
内に導入させるようになっている。一方、プラズマチャ
ンバー３の他の内壁面には、図２に示すように、ＢＦ₃
等の腐食性の動作ガスに対して耐蝕性を有したライナー
５…が設けられており、これらのライナー５…は、プラ
ズマチャンバー３の内壁面部を構成するようになってい
る。

【００２２】また、プラズマチャンバー３の隔壁には、
イオンをプラズマチャンバー３内から外部に放出させる
スリット口３ａが形成されている。このスリット口３ａ
は、長辺距離がｂおよび短辺距離がａの長方形状に形成
されており、このスリット口３ａを有した隔壁は、引出
スリット部８として引出電極系７の第１電極として用い
られている。引出電極系７は、上記の第１電極である引
出スリット部８と、第２電極である制御電極９と、第３
電極である引出電極１０と、第４電極である接地電極１
１とを有しており、制御電極９、引出電極１０、および
接地電極１１には、イオンビームを通過させる通過口９
ａ・１０ａ・１１ａがそれぞれ形成されている。そし
て、引出電極系７を構成する引出スリット部８、制御電
極９、引出電極１０、および接地電極１１は、図１にも
示すように、スリット口３ａから外部側（イオン放出方
向）にこの順に配設されている。

【００２３】上記の引出スリット部８を有するプラズマ
チャンバー３には、引出電源１２の正極側が接続されて
おり、引出電源１２により引出電圧が印加されるように
なっている。また、引出電源１２の正極側には、抵抗器
１３および制御電源１４も接続されており、制御電源１
４は、制御電圧を正電圧から負電圧までの範囲で任意に
出力可能になっている。そして、制御電源１４は、制御
電極９に制御電圧を印加するようになっている。

【００２４】一方、引出電極１０には、減速電源１５の
負極側が接続されており、減速電源１５によって減速電
圧が印加されるようになっている。この減速電源１５の
正極側は、接地電極１１および引出電源１２の負極側に
接続されていると共に分析マグネット筐体に接地されて
おり、接地電極１１には、接地電圧が印加されるように
なっている。これにより、プラズマチャンバー３および
引出電極系７の電位分布は、例えば図２に示すような状
態になっている。

【００２５】また、イオン源は、図示しないフィードバ
ック制御手段およびデバイ長制御手段を有している。上
記のフィードバック制御手段は、プラズマチャンバー３
から検出される引出電流Ｉ_exやファラデー部１８から検
出されるビーム電流Ｉ_b を基にして制御電源１４等を操
作することによってビーム量を制御するようになってい
る。尚、ビーム量の制御は、フィードバック制御に限定
されるものではなく、他の制御方法が採用されていても
良い。

【００２６】一方、デバイ長制御手段は、マイクロ波パ
ワーを決定するマグネトロン１の高周波電力と、プラズ
マチャンバー３内のガス圧力を決定する動作ガスのガス
流量と、ＥＣＲ磁場強度および分布を決定するソースマ
グネット６・６のコイル電流Coil１・Coil２とからなる
デバイ長制御パラメータを制御可能になっている。そし
て、デバイ長制御手段は、下記の条件の下にデバイ長制
御パラメータを制御することによって、プラズマ２０の
イオン放出面２０ａをプラズマチャンバー３内に位置さ
せるようになっている。

【００２７】即ち、デバイ長制御手段は、引出電流Ｉ_ex
をスリット口３ａの開口面積（ａ×ｂ）で除算すること
によって飽和イオン電流密度ｊ_s （ｍＡ／ｃｍ² ）を算
出可能になっていると共に、静電プローブ等により予め
測定したり、或いは静電プローブをイオン源内に常時取
り付けて電子温度ｋＴｅ（ｅＶ）を算出可能になってお
り、これらの飽和イオン電流密度ｊ_s および電子温度ｋ
Ｔｅを下記の計算式（１）に代入してデバイ長λ_D （ｍ
ｍ）を算出可能になっている。

【００２８】 デバイ長λ_D ＝（ε₀ ｋＴｅ／ｎ_e ｅ² ）^1/2 ＝（ε₀ ／ｅｊ_s ）^1/2 ・ｋＴｅ^3/4 ／ｍ_i ^1/4 …（１） 但し、ε₀ は真空中の誘電率（8.８５×１０^-12 ）、ｅ
は電荷量（1.６×１０^-19 ）、ｍ_i はイオンの質量、ｎ
_e は電子密度（プラズマ密度）である。

【００２９】さらに、デバイ長制御手段は、上記の計算
式（１）から求めたデバイ長λ_D と、スリット口３ａの
短辺距離ａ（スリット長）とを比較し、デバイ長λ_D と
短辺距離ａとが下記の条件式（２）を満足するように、
上述のデバイ長制御パラメータを制御することによっ
て、図３に示すように、プラズマ２０のイオン放出面２
０ａをプラズマチャンバー３内に位置させるようになっ
ている。これは、条件式（２）を満足するデバイ長λ_D
を有するイオン放出面２０ａがスリット口３ａの加速電
圧により遮られることによって、イオン放出面２０ａの
スリット口３ａを介した外部への漏洩が防止されるため
である。

【００３０】 λ_D ＞ａ・ｋ （１＞ｋ≧0.１） … （２） 尚、ｋは、使用条件（電子密度ｎ_e 、電子温度ｋＴｅ、
動作ガス等）により変動する値である。

【００３１】上記のデバイ長制御パラメータを用いてデ
バイ長λ_D を制御する際には、電子密度ｎ_e を変更する
ように、ソースマグネット６・６へのコイル電流Coil１
・Coil２を操作してＥＣＲ磁場強度および分布を制御す
ることが望ましい。これは、ＥＣＲ磁場強度および分布
を制御すると、制御範囲が１ｅＶ≦ｋＴｅ≦２０ｅＶ程
度の電子温度ｋＴｅによる制御の場合よりも、電子密度
ｎ_e を広範囲（２桁程度）に制御できるからである。
尚、磁場強度分布による制御は、スリット口３ａ近傍の
磁場をゼロに近づけることにより電子密度ｎ_e を低減さ
せることができるが、磁場が負になると、プラズマ２０
が不安定となって安定したビーム量のイオンビーム１７
を生成することができない。

【００３２】上記の構成において、イオン源の動作につ
いて説明する。

【００３３】先ず、図１に示すように、所望のビーム量
を有するイオンビーム１７が得られるように、フィード
バック制御手段にビーム量設定値が登録された後、プラ
ズマチャンバー３内が図示しない真空排気手段によって
減圧されて高真空状態にされることになる。この後、プ
ラズマチャンバー３内に動作ガスが導入されることにな
ると共に、電力がマグネトロン１に供給されることによ
ってマグネトロン１が作動され、マイクロ波が導波管２
を介してプラズマチャンバー３内に導入されることにな
る。また、ソースマグネット６・６にコイル電流Coil１
・Coil２が通電されることによって、プラズマチャンバ
ー３内にＥＣＲ磁場が生成されることになる。

【００３４】上記のマイクロ波およびＥＣＲ磁場は、プ
ラズマチャンバー３内に存在する電子を磁場方向を中心
にして旋回させ、電子と動作ガスとを衝突させることに
よってプラズマ２０を生成させることになる。この後、
プラズマ２０中の正電荷を有したイオンは、引出電極系
７に引き寄せられ、スリット口３ａを介して外部に放出
されることによりイオンビーム１７にされることにな
る。そして、イオンビーム１７は、質量分析器１９によ
り所定の質量からなるイオンに質量分析され、ファラデ
ー部１８に存在するイオン照射対象物１６に照射される
ことになる。尚、イオンビーム１７は、引出電極系７を
操作することによって、負電荷のイオンからなっていて
も良い。

【００３５】上記のプラズマチャンバー３内からイオン
ビーム１７が外部に放出されると、このイオンビーム１
７のビーム量に相当する引出電流Ｉ_exがプラズマチャン
バー３からフィードバック制御手段に供給されることに
なる。また、質量分析後のイオンビーム１７がファラデ
ー部１８内に照射されると、ビーム電流Ｉ_b がフィード
バック制御手段に供給されることになる。そして、フィ
ードバック制御手段は、これらの引出電流Ｉ_exおよびビ
ーム電流Ｉ_b とビーム量設定値とを基にして制御電源１
４を操作し、制御電圧を制御電極９に印加させることに
よりビーム量をフィードバック制御することになる。

【００３６】ところで、デバイ長制御手段は、引出電流
Ｉ_exをスリット口３ａの開口面積（ａ×ｂ）で除算する
ことによって飽和イオン電流密度ｊ_s （ｍＡ／ｃｍ² ）
を求めると共に、電子温度ｋＴｅ（ｅＶ）を求めてい
る。そして、これらの飽和イオン電流密度ｊ_s および電
子温度ｋＴｅを上述の計算式（１）に代入してデバイ長
λ_D （ｍｍ）を算出し、さらに、このデバイ長λ_D とス
リット口３ａの短辺距離ａとが上述の条件式（２）を満
足するように、ソースマグネット６・６のコイル電流Co
il１・Coil２を操作してＥＣＲ磁場強度および分布を制
御している。これにより、プラズマ２０のイオン放出面
２０ａは、図３に示すように、プラズマチャンバー３内
に位置することになり、ビーム量の制御の信頼性が向上
したものになっている。

【００３７】即ち、例えばデバイ長制御手段が条件式
（２）を満足させずに制御している場合には、図４に示
すように、プラズマ２０がスリット口３ａよりも外部に
漏洩することになる。そして、イオン放出面２０ａと制
御電極９とが接近することによって、制御電極９の電位
の影響が引出スリット部８の電位の影響よりも過大とな
るため、プラズマ２０中の電子や負電荷のイオンが制御
電源１４に引き寄せられ、大量の電流が制御電源１４に
流入して短絡状態になる。

【００３８】これに対し、デバイ長制御手段が条件式
（２）を満足させながら制御している場合には、図３に
示すように、プラズマ２０のイオン放出面２０ａがプラ
ズマチャンバー３内に位置することになる。そして、こ
の場合には、引出スリット部８に印加された加速電圧が
イオン放出面２０ａに大きな影響を与えるため、プラズ
マ２０中から放出された電子や負電荷のイオンの大部分
が制御電極９へ到達する前にプラズマチャンバー３方向
に引き戻されることになる。従って、デバイ長制御手段
が条件式（２）を満足させながら制御している場合に
は、プラズマ２０中の電子や負電荷のイオンが引出スリ
ット部８に引き寄せられ、大量の電流が制御電源１４に
流入して制御電源１４を短絡状態にさせることがないた
め、ビーム量の制御の信頼性が向上したものになる。

【００３９】この後、ビーム量を低下させる場合には、
先ず、プラズマ２０の飽和イオン電流密度を所定値まで
下げ、この後、制御電圧によって所望のビーム量に再設
定されることになる。

【００４０】このように、本実施例のイオン源は、プラ
ズマ２０のイオン放出面２０ａをプラズマチャンバー３
内に位置させながら、制御電極９に印加される制御電圧
によりイオンビーム１７のビーム量を制御する構成を有
している。従って、ビーム量のフィードバック制御は、
引出電流Ｉ_exおよびビーム電流Ｉ_b の変化を検知して制
御電源１４を操作してから制御電圧が変化量に対応する
までの時間が短時間で完了するため、追従性が向上した
ものになっている。また、イオン放出面２０ａからの電
子や負電荷のイオンが大量に制御電極９を介して制御電
源１４に流入することがないため、フィードバック制御
時の信頼性が向上したものになっている。これにより、
本実施例のイオン源は、ビーム量を所望の値に高い信頼
性でもって高精度に維持することが可能になっている。

【００４１】さらに、本実施例のイオン源は、高周波型
イオン源に制御電極９を設けてビーム量を制御するよう
になっているため、ビーム量の制御範囲が従来の範囲
（１〜１０^-2）よりも広範囲（１〜１０^-5）になり、１
０¹¹〜１０¹⁶Ｐ／ｃｍ² の範囲でもって注入量を制御可
能になっていると共に、従来ビーム量の制御時に生じて
いたビーム輸送系におけるコンタミネーションの発生を
抑制することが可能になっている。

【００４２】次に、本実施例のイオン源を下記の条件１
〜４下で動作させた際の測定結果を示す。

【００４３】先ず、条件１としてＡｒガスを動作ガスと
して使用した。そして、Ａｒガス流量とＥＣＲ磁場分布
とを操作し、電子温度ｋＴｅを＋１０ｅＶ、ソースマグ
ネット６・６へのコイル電流Coil１・Coil２を６9.７Ａ
および２0.７Ａに設定し、Ｍ．Ｗ．Ｐ（マイクロ波パワ
ー）を１４1.３ｗａｔｔ／６0.５ｗａｔｔに設定するこ
とによって、デバイ長λ_D が１０λ_D 〜短辺距離ａ（1.
５ｍｍ）の範囲に存在するように飽和イオン電流密度ｊ
_s を調整した。この後、制御電源１４の制御電圧を０Ｖ
から４００Ｖまで上昇させ、引出電流Ｉ_exとビーム電流
Ｉ_b とを測定することによって、図５の測定結果を得
た。

【００４４】これにより、上記の測定結果から、Ａｒガ
スを動作ガスとして使用し、デバイ長λ_D を１０λ_D 〜
短辺距離ａ（1.５ｍｍ）の範囲に存在させた条件下にお
いては、０Ｖ〜４００Ｖの制御電圧を制御電極９に印加
することによって、引出電流Ｉ_exを８００μＡ〜２０μ
Ａの範囲、ビーム電流Ｉ_b を３２０μＡ〜１μＡの範囲
で制御できることが判明した。

【００４５】次いで、条件２としてＢＦ₃ ガスを動作ガ
スとして使用した。そして、電子温度ｋＴｅを＋１０ｅ
Ｖ、ソースマグネット６・６へのコイル電流Coil１・Co
il２を６8.２Ａおよび５3.０Ａに設定することによっ
て、Ｍ．Ｗ．Ｐを２４1.７ｗａｔｔ／２0.９ｗａｔｔに
設定し、Ａｒガス流量とＥＣＲ磁場分布とを操作するこ
とによって、デバイ長λ_D が１０λ_D 〜短辺距離ａ（1.
５ｍｍ）の範囲に存在するように飽和イオン電流密度ｊ
_s を調整した。この後、制御電源１４の制御電圧を０Ｖ
から1,０００Ｖまで上昇させ、引出電流Ｉ_exとビーム電
流Ｉ_b とを測定することによって、図６の測定結果を得
た。

【００４６】これにより、上記の測定結果から、ＢＦ₃
ガスを動作ガスとして使用し、デバイ長λ_D を１０λ_D
〜短辺距離ａ（1.５ｍｍ）の範囲に存在させた条件下に
おいては、０Ｖ〜1,０００Ｖの制御電圧を制御電極９に
印加することによって、引出電流Ｉ_exを４ｍＡ〜６００
μＡの範囲、ビーム電流Ｉ_b を３５０μＡ〜0.２５μＡ
の範囲で制御できることが判明した。

【００４７】また、制御電圧を０Ｖから1,０００Ｖまで
上昇させる際の引出電流Ｉ_exとビーム電流Ｉ_b との関係
は、引出電流Ｉ_exの減少がビーム電流Ｉ_b の減少よりも
顕著である。そして、制御電圧が４００Ｖを越えると、
引出電流Ｉ_exが６２０μＡで一定になると共に、ビーム
電流Ｉ_b の減少割合が小さくなっていることも判明し
た。

【００４８】さらに、引出電流Ｉ_exが４ｍＡよりも増大
するように、マグネトロン１からの高周波電力を増加さ
せた場合には、引出スリット部８と制御電極９との間に
短絡が生じて制御電圧を上昇させることができなかっ
た。この際、電子温度ｋＴｅが１０ｅＶ、引出電流Ｉ_ex
／（短辺距離ａ×長辺距離ｂ）（スリットサイズ）から
得られる4.４ｍＡ／ｃｍ² が飽和イオン電流密度ｊ_s に
等しいとして算出したデバイ長λ_D は、0.１４ｍｍとな
る。従って、少なくとも１０λ_D ＞短辺距離ａの関係が
成立している場合には、引出スリット部８と制御電極９
との短絡が生じないことが明らかになった。

【００４９】次に、条件３としてＢＦ₃ ガスを動作ガス
として使用し、電子温度ｋＴｅを＋１０ｅＶ、ソースマ
グネット６・６へのコイル電流Coil１・Coil２を６7.２
Ａおよび５7.０Ａに設定することによって、Ｍ．Ｗ．Ｐ
を２４1.９ｗａｔｔ／3.０ｗａｔｔに設定し、デバイ長
λ_D が１０λ_D 〜短辺距離ａ（1.５ｍｍ）の範囲に存在
するように飽和イオン電流密度ｊ_s を調整した。

【００５０】この後、制御電源１４の制御電圧を０Ｖか
ら1,０００Ｖまで上昇させ、引出電流Ｉ_exとビーム電流
Ｉ_b とを測定することによって、図７の測定結果を得
た。そして、この測定結果から、ＢＦ₃ ガスを動作ガス
として使用し、デバイ長λ_D を１０λ_D 〜短辺距離ａ
（1.５ｍｍ）の範囲に存在させた条件下においては、０
Ｖ〜1,０００Ｖの制御電圧を制御電極９に印加すること
によって、引出電流Ｉ_exを４ｍＡ〜６２０μＡの範囲、
ビーム電流Ｉ_b を４２０μＡ〜0.２５μＡの範囲で制御
できることが判明した。

【００５１】また、制御電圧を０Ｖから1,０００Ｖまで
上昇させる際の引出電流Ｉ_exとビーム電流Ｉ_b との関係
は、条件２の場合と同様に、引出電流Ｉ_exの減少がビー
ム電流Ｉ_b の減少よりも顕著であり、制御電圧が４００
Ｖを越えると、引出電流Ｉ_exが６２０μＡで一定になる
と共に、ビーム電流Ｉ_b の減少割合が小さくなることも
判明した。

【００５２】次に、条件４としてＢＦ₃ ガスを動作ガス
として使用し、電子温度ｋＴｅを＋１０ｅＶ、ソースマ
グネット６・６へのコイル電流Coil１・Coil２を６8.２
Ａおよび３8.８Ａに設定することによって、Ｍ．Ｗ．Ｐ
を１０7.７ｗａｔｔ／8.３ｗａｔｔに設定し、デバイ長
λ_D が１０λ_D 〜短辺距離ａ（1.５ｍｍ）の範囲に存在
するように飽和イオン電流密度ｊ_s を調整した。

【００５３】この後、制御電源１４の制御電圧を０Ｖか
ら4,０００Ｖまで上昇させ、引出電流Ｉ_exとビーム電流
Ｉ_b とを測定することによって、図８の測定結果を得
た。そして、この測定結果から、ＢＦ₃ ガスを動作ガス
として使用し、デバイ長λ_D を１０λ_D 〜短辺距離ａ
（1.５ｍｍ）の範囲に存在させた条件下においては、０
Ｖ〜4,０００Ｖの制御電圧を制御電極９に印加すること
によって、引出電流Ｉ_exを１６０μＡ〜１０μＡの範
囲、ビーム電流Ｉ_b を３μＡ〜0.０３μＡの範囲で制御
できることが判明した。

【００５４】次いで、制御電圧を０Ｖとした状態でもっ
て、引出電流Ｉ_exが１６０μＡ未満となるように、コイ
ル電流Coil１・Coil２による飽和イオン電流密度ｊ_s を
用いて引出電流Ｉ_exを制御した。ところが、この場合に
は、プラズマを安定に生成させることができなかった。
これにより、プラズマの生成条件を用いた制御のみで
は、制御電圧を用いた制御のように、引出電流Ｉ_exを充
分に制御することができないことが判明した。尚、図９
および図１０に、制御電圧を用いてビーム電流Ｉ_b を0.
３５μＡおよび３５ｎＡに制御した場合の安定性を示
す。

【００５５】以上の条件２および条件６における測定結
果から、プラズマの生成条件と制御電圧とによって、引
出電流Ｉ_exを４ｍＡ〜１０μＡ、ビーム電流Ｉ_b を３５
０μＡ〜0.０３μＡまでそれぞれ安定に制御できること
が明らかになった。さらに、制御電圧を負電圧に設定し
た場合には、引出電流Ｉ_exを３０ｍＡ、ビーム電流Ｉ_b
を３ｍＡまで増大することも確認され、ビーム電流Ｉ_b
の制御範囲を極めて増大できることが明らかになった。

【００５６】尚、本実施例において、イオン注入装置
は、引出電源のみでビームエネルギーを決めるいわゆる
大電流イオン注入装置に搭載された高周波型イオン源を
用いて説明しているが、分析マグネットの下流に加速管
を設けた中電流型イオン注入装置に適用しても良い。ま
た、他種類のイオン源であっても良いし、イオン注入装
置以外の他の装置に搭載されていても良い。また、制御
電極９および制御電源１４は、ビーム量を増減させる制
御に用いると共に、イオンビーム１７の出射および停止
に用いられるようになっていても良い。また、本実施例
におけるデバイ長λ_D と比較されるスリット長は、スリ
ット口３ａの短辺距離ａが用いられているが、スリット
口３ａの形状が中心部を通過する直線の２点間の距離が
複数存在するものである場合、最小の距離に設定される
ものである。

【００５７】

【発明の効果】本発明のイオン源は、以上のように、プ
ラズマチャンバー内で生成されたプラズマ中のイオンを
イオン放出面から第１電極のスリット口を介して外部に
引き出す引出電極系を有し、上記イオンからなるイオン
ビームのビーム量を所定値に制御するものである。そし
て、イオン源は、引出電極系に設けられ、任意の制御電
圧を第１電極のスリット口から外部側に存在させる制御
電圧手段と、プラズマのイオン放出面をプラズマチャン
バー内に位置させるデバイ長制御手段とを有している構
成である。

【００５８】これにより、イオン放出面がプラズマチャ
ンバー内に位置されているため、第１電極によるイオン
や電子に対する影響が制御電圧による影響と共に大きな
ため、電子や制御電圧とは逆極性のイオンが大量に制御
電圧手段に流入することがなく、制御時の信頼性が向上
し、ビーム量を広い電流量制御範囲を持った所定値に高
い信頼性でもって制御することが可能であるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を示すものであり、イオン注入装置に搭
載されたイオン源の状態を示す説明図である。

【図２】イオン源の電位分布を示す説明図である。

【図３】プラズマのイオン放出面の状態を示す説明図で
ある。

【図４】プラズマのイオン放出面の状態を示す説明図で
ある。

【図５】制御電圧と引出電流およびビーム電流との関係
を示すグラフである。

【図６】制御電圧と引出電流およびビーム電流との関係
を示すグラフである。

【図７】制御電圧と引出電流およびビーム電流との関係
を示すグラフである。

【図８】制御電圧と引出電流およびビーム電流との関係
を示すグラフである。

【図９】制御電圧により制御された0.３５μＡのビーム
電流と時間との関係を示すグラフである。

【図１０】制御電圧により制御された３５ｎＡのビーム
電流と時間との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ マグネトロン ２ 導波管 ３ プラズマチャンバー ３ａ スリット口 ５ ライナー ６ ソースマグネット（デバイ長制御手段） ７ 引出電極系 ８ 引出スリット部（第１電極） ９ 制御電極（制御電圧手段） １０ 引出電極 １１ 接地電極 １２ 引出電源 １３ 抵抗器 １４ 制御電源（制御電圧手段） １５ 減速電源 １６ イオン照射対象物 １７ イオンビーム １８ ファラデー部 １９ 質量分析器 ２０ プラズマ ２０ａ イオン放出面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 義則 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内 (72)発明者 内藤 勝男 京都府京都市右京区梅津高畝町47番地 日 新電機株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマチャンバー内で生成されたプラズ
   マ中のイオンをイオン放出面から第１電極のスリット口
   を介して外部に引き出す引出電極系を有し、上記イオン
   からなるイオンビームのビーム量を所定値に制御するイ
   オン源において、 上記引出電極系に設けられ、任意の制御電圧を第１電極
   のスリット口から外部側に存在させる制御電圧手段と、 上記プラズマのイオン放出面をプラズマチャンバー内に
   位置させるデバイ長制御手段とを有していることを特徴
   とするイオン源。