JP2002339063A - イオン注入装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大型の基体にイオンを注入するときも、均一
な量のイオンを注入でき、安定した品質の製品を得るこ
とのできるイオン注入装置を提供する。 【解決手段】 イオン注入装置は真空容器２１内に放電
によりプラズマを生成し、基体Ｗにイオンを注入するプ
ラズマ源３２を備える。このプラズマ源３２を基体Ｗに
倣わせ案内するガイドレール３１およびプラズマ源３２
を駆動するプラズマ源駆動装置３３ａ、３３ｂを設け
る。基体Ｗとプラズマ源３２とを相対的に移動させなが
ら、プラズマ源３２によって基体Ｗの一部分を取り囲む
放電プラズマを生成し、等量のイオンを生成プラズマか
ら基体Ｗの表面に向かって加速し、注入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばタービン
翼、自動車のボディーのような比較的大型の基体にイオ
ンを注入するためのイオン注入装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属製の基体にイオンを注入することに
よりその基体の耐磨耗性、耐熱性、硬度などを向上させ
る試みがなされている。たとえば、ステンレス鋼からな
る基体にチタンまたは窒素を注入した場合、当該基体の
耐磨耗および疲労寿命などが大幅に改善されることが知
られている。このような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、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．Conr
ad, et al., "Plasma source ion-implantation techn
ique for surfacemodification of materials", J. App
l.Phys 62(11),1987,pp.4591-4596）。このイオン注入
方式はＰＳＩＩ(Plasma Source Ion Implantation)ある
いはＰＢＩＩ(Plasma Based Ion Implantation) 、また
はＰＩＩＩ(Plasma Immersion IonImplantation)とい
う、略称で呼ばれている。

【０００３】この提案方式は従来の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方法と比較すると、次のような特
徴がある。一つは提案方式では基体が三次元形状をして
いる場合でも、基体の周囲を取り囲むプラズマから基体
表面にほぼ垂直にイオンを注入することができることか
ら、イオンを一方向からしか注入することができない従
来方法で必要とされる基体の駆動機構が不要になること
であり、さらに注入時間も短縮できる利点がある。他の
一つは長距離のビーム輸送が不要となり、このため、装
置の構成を単純化することが可能で、従来の装置と比べ
て安価な装置になることである。

【０００４】以下、従来のＰＳＩＩ装置について図面を
参照して説明する。このＰＳＩＩ装置は、たとえば米国
特許第４，７６４，３９４号明細書などに記載されたも
のと同様のものである。図２１において、真空容器１は
上面の上板２と下面の底板３と側面の側板４とに囲まれ
た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５お
よび図示しない真空排気ポンプを用いて真空容器１内を
真空に排気するための真空排気口６が設けられている。

【０００５】また、上板２および底板３の外壁には角棒
状の永久磁石７ａおよび永久磁石７ｂがそれぞれ複数個
ずつ、互いに平行に配置されている。なお、永久磁石７
ａ、７ｂは上板２および底板３の外壁に直角の方向励磁
され、隣接する磁石７同士の極性は互いに異なってい
る。

【０００６】また、図２２に示すように、側板４の外周
壁にも複数個の永久磁石７ｃが垂直方向に、互いに平行
に配置される。ここでも隣接する磁石７ｃの極性は互い
に異なっている。このような永久磁石７ａ、７ｂ、７ｃ
の配置により真空容器１の内壁全面を覆う磁力線８ａ、
８ｂ、８ｃを形成することが可能である。

【０００７】一方、真空容器１の上板２、底板３および
側板４には上板２、底板３および側板４自身を陽極と
し、その陰極となるフィラメント９が設けられる。さら
に、真空容器１内にはイオンを注入するターゲット１０
を保持するための金属製のターゲット保持台１１がブッ
シング１２を介して設けられる。これは真空容器１とは
電気的に絶縁されている。

【０００８】また、真空容器１の外壁に内部のフィラメ
ント９に通電するための図示しないフィラメント電源と
接続したアーク電源からなる放電電源ユニット１３が設
けられる。この放電電源ユニット１３を用いて上板２、
底板３および側板４を陽極、フィラメント９を陰極とし
て放電を起こすことが可能である。ターゲット１０には
高圧ケーブル１４およびブッシング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を印加できるよ
うになっている。

【０００９】イオン注入においてはガス導入口５からタ
ーゲット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内に充満させる。この状態から放電
電源ユニット１３によりフィラメント９と真空容器１と
の間に放電を発生させて放電プラズマＰを生成する。

【００１０】この後、イオンを注入するターゲット１０
を保持したターゲット保持台１１と結ぶパルス高電圧電
源１５を投入し、プラズマの生成とは独立に真空容器１
に対してパルス幅がおよそ数十マイクロ秒、大きさが数
十から数百ｋＶ程度の負のパルス電圧を印加する。

【００１１】このターゲット１０への電圧印加が数十マ
イクロ秒という短い時間幅でパルス化されているのはタ
ーゲット１０への電圧印加によってプラズマおよびター
ゲット１０間にアーク放電が発生するのを防止するため
である。ターゲット１０、すなわち基体に負の電圧が印
加されると、基体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、この結果、イオンが基体に注入されるこ
とになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ＰＳＩＩ装置を用いて大型の基体を処理しようとした場
合、基体全体を取り囲むプラズマの確保のために大容積
のプラズマ生成が不可欠になる。放電プラズマの一般的
な生成方法としては、フィラメント・アーク放電、高周
波放電、マイクロ波を用いた放電などがあるが、いずれ
も高密度で均一な大容積のプラズマ生成は非常に困難で
ある。

【００１３】たとえば、大容積のプラズマ生成に関して
最も実績のあるフィラメント・アーク放電、高周波放電
の場合でも、これまで１２０ｃｍ×４０ｃｍ×３０ｃｍ
程度の体積しか実績がない。仮に、この体積以上の基体
をイオン注入するとなれば、基体にはプラズマと接触し
ている部分と、プラズマと接触していない部分とが生じ
ることになる。

【００１４】また、基体全体がプラズマと接触している
場合でも、高密度のプラズマと接触している部分と、低
密度のプラズマと接触している部分とが混在する可能性
が高くなる。このような場合、プラズマの濃淡に応じて
基体に負のパルス電圧を印加した際に注入されるイオン
の量が変化するために基体表面には処理層の斑ができ、
結果として基体の品質を大きく損ねてしまうことにな
る。

【００１５】さらに、プラズマの濃淡に応じて基体表面
に対するイオンの注入角度も変化することが避けられ
ず、イオン注入層の深さなどが不均一になり、安定した
品質を保てない可能性がある。

【００１６】そこで、本発明の目的は大型の基体にイオ
ンを注入するときも、均一な量のイオンを注入でき、安
定した品質の製品を得ることを可能にしたイオン注入装
置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項1に係る発明は真
空容器と、この真空容器内に設けられ、処理される基体
を保持する保持手段と、この保持手段を真空容器との絶
縁を保って支持する絶縁体と、真空容器内にあって放電
によりプラズマを生成し、基体にイオンを注入するプラ
ズマ源と、このプラズマ源に放電ガスを供給する装置
と、基体に真空容器の電位を基準とした正または負の電
圧を印加する電源とを備えてなるイオン注入装置におい
て、基体が前記保持手段に投影する領域にプラズマ源を
案内するように案内装置およびプラズマ源を駆動するプ
ラズマ源駆動装置を設け、プラズマ源によって基体の一
部分を取り囲む放電プラズマを生成し、プラズマ源と基
体とを相対的に移動させながら、基体にイオンを注入す
るようにしたことを特徴とする。

【００１８】上記構成からなるイオン注入装置において
は大型の基体全体を取り囲むプラズマを生成するのでは
なく、小容積のプラズマを生成することで、プラズマを
高密度で、しかも均一性を高めることができる。そし
て、プラズマ源と基体とを相対的に移動させながら、生
成したプラズマによって基体の一部分を取り囲み、ほぼ
均一で、同等な量のイオンを基体の表面に対してほぼ垂
直方向に加速し、注入するようにしたので、処理層の厚
みを均一に保つことができ、しかも斑を生じにくくする
ことが可能になる。これにより大型の基体に対しても均
一な量のイオンを注入することが可能になり、安定した
品質の製品を得ることができる。

【００１９】また、請求項２に係る発明は真空容器と、
この真空容器内に設けられ、処理される基体を回転可能
に保持する保持手段と、この保持手段を真空容器との絶
縁を保って支持する絶縁体と、真空容器内にあって放電
によりプラズマを生成し、基体にイオンを注入するプラ
ズマ源と、このプラズマ源に放電ガスを供給する装置
と、基体に真空容器の電位を基準とした正または負の電
圧を印加する電源とを備えてなるイオン注入装置におい
て、回転する基体の軸方向にプラズマ源を移動させるプ
ラズマ源駆動装置を設け、プラズマ源によって基体の一
部分を取り囲む放電プラズマを生成し、プラズマ源と基
体とを相対的に移動させながら、基体にイオンを注入す
るようにしたことを特徴とする。

【００２０】上記構成からなるイオン注入装置において
は大型の基体全体を取り囲むプラズマを生成するのでは
なく、小容積のプラズマを生成することで、プラズマを
高密度で、しかも均一性を高めることができる。そし
て、プラズマ源と基体とを相対的に移動させながら、生
成したプラズマによって基体の一部分を取り囲み、ほぼ
均一で、同等な量のイオンを基体の表面に対してほぼ垂
直方向に加速し、注入するようにしたので、処理層の厚
みを均一に保つことができ、しかも斑を生じにくくする
ことが可能になる。これにより大型の基体に対しても均
一な量のイオンを注入することが可能になり、安定した
品質の製品を得ることができる。

【００２１】さらに請求項３に係る発明は真空容器と、
この真空容器内に設けられ、処理される中空円筒状の基
体を保持する保持手段と、この保持手段を真空容器との
絶縁を保って支持する絶縁体と、真空容器内にあって放
電によりプラズマを生成し、基体にイオンを注入するプ
ラズマ源と、このプラズマ源に放電ガスを供給する装置
と、基体に真空容器の電位を基準とした正または負の電
圧を印加する電源とを備えてなるイオン注入装置におい
て、中空円筒状の基体の内面軸方向にプラズマ源を移動
させるプラズマ源駆動装置を設け、プラズマ源によって
基体の内面の一部分を取り囲む放電プラズマを生成し、
プラズマ源と基体とを相対的に移動させながら、基体に
イオンを注入するようにしたことを特徴とする。

【００２２】上記構成からなるイオン注入装置において
は大型の基体全体を取り囲むプラズマを生成するのでは
なく、小容積の放電容器でプラズマを生成することで、
プラズマを高密度で、しかも均一性を高めることができ
る。そして、プラズマ源と基体とを相対的に移動させな
がら、生成したプラズマによって基体の一部分を取り囲
み、ほぼ均一で、同等な量のイオンを基体の表面に対し
てほぼ垂直方向に加速し、注入するようにしたので、処
理層の厚みを均一に保つことができ、しかも斑を生じに
くくすることが可能になる。これにより大型の基体に対
しても均一な量のイオンを注入することが可能になり、
安定した品質の製品を得ることができる。

【００２３】また、請求項４に係る発明はプラズマ源が
生成プラズマをカスプ磁場によって閉じ込める一対のプ
ラズマガンを備え、ラインカスプ部またはポイントカス
プ部から漏れ出すプラズマによって基体の一部分を取り
囲むように構成したものである。

【００２４】上記構成からなるイオン注入装置において
はカスプ磁場から漏れ出す大面積の薄いシート形状の高
密度プラズマによって大面積の基体および処理の困難な
中空円筒形状の基体の内面などに対しても効率よくイオ
ンを注入することが可能になる。

【００２５】さらに、請求項５に係る発明はプラズマ源
が生成プラズマをミラー磁場によって閉じ込める複数個
のコイルを備え、ミラー端から漏れ出すプラズマによっ
て基体の一部分を取り囲むように構成したものである。

【００２６】上記構成からなるイオン注入装置において
はミラー磁場から漏れ出す大面積の円錐状高密度プラズ
マによって大面積の基体に効率よくイオンを注入するこ
とが可能になる。

【００２７】また、請求項６に係る発明はプラズマ源が
高周波誘導コイルまたはマイクロ波源ユニットを備え、
高周波誘導コイルまたはマイクロ波源ユニットで発生さ
せた高周波またはマイクロ波を用いる放電によりプラズ
マを生成するように構成したものである。

【００２８】上記構成からなるイオン注入装置において
は高周波またはマイクロ波を用いて放電プラズマを生成
することで、不純物混入量の少ない定常的なプラズマを
生成することができる。

【００２９】さらに、請求項７に係る発明はプラズマ源
が放電プラズマ発生源と金属蒸気または金属プラズマを
発生する金属蒸気源とを備えるものである。

【００３０】上記構成からなるイオン注入装置において
は金属蒸気源と放電プラズマ源とを組み合わせて基体
に、たとえばチタンあるいはアルミニウムなどを蒸着す
ることができる。これにより金属化合物からなる処理層
の厚みを均一に保つことができ、しかも斑を生じにく
く、かつ基体との密着性の良好な厚膜を形成することが
可能になる。

【００３１】また、請求項８に係る発明はプラズマ源が
それぞれ放電プラズマを生成する複数台のプラズマ源か
らなるものである。

【００３２】上記構成からなるイオン注入装置において
は小容積の複数個の放電容器でプラズマを生成すること
で、各々の部分で高密度で、しかも均一性の高いプラズ
マを生成することができ、大型の基体にも効率よくイオ
ンを注入することが可能になる。

【００３３】さらに、請求項９に係る発明は真空容器に
隣接して設けられた第２真空容器と、この第２真空容器
と真空容器との間にあって真空容器間の連通を遮断する
ゲートバルブと、処理される基体を第２真空容器から真
空容器に搬入すると共に、そこから第２真空容器に搬出
する基体搬送装置とを備えるものである。

【００３４】上記構成からなるイオン注入装置において
は内部の汚染やそれに起因する異常放電などのトラブル
の発生頻度を軽減することが可能になる。

【００３５】また、請求項１０に係る発明は真空容器を
間に挟むように各々真空容器に隣接して設けられた第２
真空容器および第３真空容器と、第２真空容器および第
３真空容器と真空容器との間にあってそれぞれ真空容器
間の連通を遮断する２個のゲートバルブと、処理される
基体を第２真空容器から真空容器に搬入すると共に、そ
こから第３真空容器に搬出する２個の基体搬送装置とを
備えるものである。

【００３６】上記構成からなるイオン注入装置において
は内部の汚染やそれに起因する異常放電などのトラブル
の発生頻度を軽減することが可能になる。さらに、装置
の休止時間を格段に少なくすることができ、生産性を大
きく高めることが可能になる。

【００３７】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）本発明の実
施の形態について図面を参照して説明する。図１におい
て、イオン注入装置は真空容器２１を備えている。この
真空容器２１は密閉した容器として、各面を囲う上板２
２、底板２３および側板２４で構成されている。真空容
器２１の内部には処理される基体Ｗを所定の位置に保持
するためのターゲット保持台２５が設けられている。こ
のターゲット保持台２５は絶縁碍子２６を介して真空容
器２１の底板２３に設置された注入ステージ２７上に固
定されている。ターゲット保持台２５はブッシング２８
および高圧ケーブル２９を介してパルス高電圧電源３０
と接続されている。

【００３８】一方、真空容器２１内の上部に側板２４に
両端を支持されたガイドレール３１が設けられている。
さらに、真空容器２１内の上部に後に詳述される放電容
器を有するプラズマ源３２がガイドレール３１に沿って
移動可能に設けられている。このプラズマ源３２は真空
容器２１の外部のプラズマ源駆動装置３３ａ、３３ｂと
駆動機構（図示せず）を介して結ばれている。このプラ
ズマ源駆動装置３３ａ、３３ｂは制御装置３４と接続さ
れ、そこからの指令で動作するように構成されている。
なお、図中、符号３５は真空容器２１内の空気を排気す
る真空排気口を示している。

【００３９】図２にプラズマ源３２の詳細を示してい
る。このプラズマ源３２はケース３６内に内蔵される放
電容器３７と高周波誘導コイル３８とから構成されてい
る。放電容器３７は円筒状の絶縁管３９と封止フランジ
４０とからなる。放電容器３７はその全域で気密を高く
保つために絶縁管３９の一端が封止フランジ４０によっ
て封止され、一方、絶縁管３９の他端は開口として構成
され、真空容器２１内に臨ませている。

【００４０】また、高周波誘導コイル３８はセラミック
ス製の絶縁管３９の外面との間にある離間距離を保って
数回巻き付けられ、同軸ケーブル４１を介して外部の高
周波電源（図示せず）と接続されている。この高周波誘
導コイル３８は中空構造で、内部を冷却媒体としての冷
却水が流動する。

【００４１】さらに、放電容器３７に図示しないガス供
給源から放電ガスを供給するためのガス管４２が接続さ
れる。高周波誘導コイル３８の両端には冷却水を循環さ
せるための冷却水管４３ａ、４３ｂが接続される。ま
た、ケース３６の側面に図示しない圧縮空気源から空気
を供給するための空気管４４ａ、４４ｂが接続される。

【００４２】本実施の形態は上記構成からなり、イオン
注入に先立って、真空容器２１の内部を真空に保持す
る。真空容器２１の真空排気口３５と連絡させた真空排
気装置（図示せず）を動作させて真空容器２１内を規定
の真空値になるように排気する。さらに、高周波誘導コ
イル３８に対して冷却水管４３ａ、４３ｂを通して冷却
水を内部に循環させる。また、ケース３６に対して空気
管４４ａ、４４ｂを通して圧縮空気を内部に循環させ
る。

【００４３】この状態から放電容器３７内にガス管４２
を通して、例えば窒素ガスなどの放電ガスを供給すると
共に、高周波電源から同軸ケーブル４１を通して高周波
誘導コイル３８に高周波電力を供給し、放電プラズマＰ
を発生させる。このとき、放電容器３７の内部に生成し
たプラズマと接触することで、放電容器３７の温度は急
激に高くなる。この熱はケース３６内に供給される圧縮
空気に伝わり、その循環により外部に逃がされる。

【００４４】一方、高周波誘導コイル３８においては導
体を流れる高周波電流によって熱が発生する。内部を循
環する冷却水はこの熱を奪いながら、高周波誘導コイル
３８の出口に達し外部に流出する。

【００４５】この状態を保ちながら、制御装置３４から
指令をプラズマ源駆動機構３３ａ、３３ｂに与え、プラ
ズマ源３２を図中の矢印の方向に移動させながら、パル
ス高電圧電源３０から高圧ケーブル２９およびブッシン
グ２８を通してターゲット保持台２５上に置かれた基体
Ｗに真空容器２１の電位に対して負のパルス電圧を印加
する。プラズマ源駆動機構３３ａ、３３ｂの駆動速度お
よび駆動方向は制御装置３４からの指令によって制御す
ることができる。

【００４６】放電プラズマＰのうち、基体Ｗを取り囲む
部分にイオンシースが形成され、基体Ｗには基体Ｗの表
面に対してほぼ垂直方向に放電プラズマＰ中のイオンが
注入される。このとき、イオン注入が行われるのは放電
プラズマＰによって取り囲まれる基体Ｗの一部分である
ことから、引き続きプラズマ源３２を基体Ｗの未処理部
分に移動し、同様の手順でイオンを注入する。そして、
イオン注入を繰り返しながら、基体Ｗ全体にわたって処
理する。

【００４７】本実施例においては高周波を用いて容積の
小さい放電容器３７を用いてプラズマを生成するので、
高密度で、しかも均一性が高く、不純物混入量の少ない
プラズマを定常的に生成することができる。そして、プ
ラズマ源３２の位置を移動させて生成したプラズマによ
って基体Ｗの一部分を取り囲み、ほぼ均一で、同等な量
のイオンを基体Ｗの表面に対してほぼ垂直方向に加速
し、注入するようにしたので、処理層の厚みを均一に保
つことができ、しかも斑を生じにくくすることが可能に
なる。したがって、大型の基体Ｗに対しても均一な量の
イオンを注入することが可能になり、安定した品質の製
品を得ることができる。

【００４８】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態について図３、図４および図５を参照して説明す
る。図３において、イオン注入装置はプラズマ源４５を
備えている。このプラズマ源４５は対面させた２個の円
筒状のケース４６ａ、４６ｂ内にコイル４７ａ、４７ｂ
をそれぞれ内蔵している。双方のコイル４７ａ、４７ｂ
は同軸上において対峙し、互いに離間距離を保って配置
されている。コイル４７ａ、４７ｂはそれぞれ電流を供
給するための直流電源４８（コイル４７ｂの直流電源は
簡略化のために図示省略）と接続している。また、コイ
ル４７ａ、４７ｂ内の巻線を冷却するための冷却水管４
３ａ、４３ｂと接続している。

【００４９】さらに、ケース４６ａ、４６ｂ内にコイル
４７ａ、４７ｂと同心を保ってそれぞれプラズマガン４
９ａ、４９ｂが設けられている。このプラズマガン４９
ａ、４９ｂは放電ガスを供給するためのガス管４２およ
び放電を発生させ、生成プラズマに並進エネルギーを与
えるための放電電源回路５０（プラズマガン４９ｂの放
電電源回路は簡略化のために図示省略）と接続してい
る。

【００５０】また、一対のケース４６ａ、４６ｂはそれ
ぞれ側板２４で支持されるプラズマ源支持体５１ａ、５
１ｂと接続している。プラズマ源支持体５１ａ、５１ｂ
は真空容器２１の外側においてプラズマ源駆動装置３３
ａ、３３ｂと駆動機構（図示せず）を介して結ばれてい
る。このプラズマ源駆動装置３３ａ、３３ｂは制御装置
３４と接続されている。

【００５１】さらに、真空容器２１の外側に内部に支持
される各基体Ｗを回転させるための基体駆動装置５２が
設けられている。この基体駆動装置５２は図４に示すプ
ラズマ源４５の周方向にほぼ均等に配置される。本実施
の形態では８本の場合を示す。各々基体駆動装置５２は
ブッシング２８および基体保持具５３を介して基体Ｗを
駆動する。基体駆動装置５２はそれぞれ指令を出力する
制御装置３４と接続している。また、各々基体Ｗはブッ
シング２８および高圧ケーブル２９を介してパルス高電
圧電源３０と接続している。

【００５２】図５にプラズマガン４９ａの詳細を示して
いる。もう一つのプラズマガン４９ｂも同一の構成から
なる。プラズマガン４９ａは同軸上に配置される中空円
筒形状の陰極５４と円筒形状の陽極５５とを備える。双
方は絶縁リング５６で電気的に絶縁されている。陽極５
５の内部にはヘッド支持棒５７が内蔵されており、先端
部にＯリング５８を装着した三角錐形状のガスパフヘッ
ド５９が設けられている。

【００５３】また、ヘッド支持棒５７には円形の電磁駆
動板６０が取り付けられており、バネ６１によってボデ
ィ６２と反対側に押すことによってＯリング５８を真空
シール用突起６３に押し付けている。陽極５５と電磁駆
動板６０との間にはバルブ駆動用コイル６４が設けら
れ、バルブ駆動用コンデンサ６５、サイリスタ（ＳＣ
Ｒ）６６からなるバルブ駆動回路６７が接続されてい
る。なお、ボディ６２の内部にはガス室６８が設けられ
ており、放電ガスを貯めることができる。

【００５４】また、陰極５４および陽極５５には双方の
電極間で放電を発生させるために主放電用コンデンサ６
９とイグナイトロン７０とからなる主放電回路７１が接
続されている。なお、サイリスタ６６およびイグナイト
ロン７０には遅延パルス発生装置７２が接続される。さ
らに、陽極５５は複数個の透孔７３を備える。

【００５５】本実施の形態は上記構成からなり、イオン
注入に先立って、真空排気口３５と連絡させた真空排気
装置（図示せず）を動作させて真空容器２１内を規定の
真空値になるように排気する。さらに、冷却水管４３
ａ、４３ｂを通して冷却水を、コイル４７ａ、４７ｂの
内部を循環させながら、コイル４７ａ、４７ｂに直流電
源４８から電圧を印加し、双方に逆向きの電流を流す。
このとき、磁力線Ｍで示されるようなカスプ磁場が形成
される。

【００５６】カスプ磁場ではＰＣで示すポイントカスプ
と呼ばれる点状の穴とＬＣで示すラインカスプと呼ばれ
るリング状の穴とが生じる。それぞれのポイントカスプ
ＰＣに配置されたプラズマガン４９ａ、４９ｂによって
図中の矢印の方向に生成プラズマに並進エネルギーを与
えながら、カスプ磁場にプラズマを入射し、磁場中に閉
じ込める。

【００５７】このとき、プラズマガン４９ａ、４９ｂは
次のように動作させる。図示しない充電電源を用いてバ
ルブ駆動用コンデンサ６５と主放電用コンデンサ６９と
を充電しておき、遅延パルス発生装置７２から、まず、
サイリスタ６６を閉状態にするパルス信号を送る。バル
ブ駆動用コンデンサ６５が放電を開始し、バルブ駆動用
コイル６４には電流が流れて磁場が誘起される。

【００５８】この誘起された磁場は電磁駆動板６０を貫
くために電磁駆動板６０には誘導電流が発生して逆向き
の磁場が誘起される。両者は反発しあう結果、バネ６１
が押し下げられ、真空シール用突起６３とＯリング５８
との間に隙間が生じ、ガス室６８に充満していた放電ガ
スが陽極５５の透孔７３から陽極５５と陰極５４との間
の空間に供給される。

【００５９】次に、遅延パルス発生装置７２からサイリ
スタ６６に送ったパルス信号から時間遅れを持つ遅延パ
ルス信号が、イグナイトロン７０に送られて主放電回路
７１が閉状態になり、主放電用コンデンサ６９によって
陰極５４と陽極５５との間に放電電圧が印加される。こ
の際、陽極５５と陰極５４との間の空間に供給されてい
た放電ガスにより高密度のプラズマがパルス状に発生
し、陽極５５から陰極５４に向かう放電電流が流れる。

【００６０】この放電電流は図中の矢印の向きに誘導磁
場を誘起させ、プラズマ中を流れる放電電流に働く電磁
力によって生成プラズマを高速で押し出すためにプラズ
マがカスプ磁場に入射されるのである。このようにして
カスプ磁場に入射された放電プラズマＰはカスプ磁場に
閉じ込められると共に、ラインカスプＬＣの円周から薄
いシート状になって磁場の外に漏れ出す。

【００６１】この状態からプラズマ源駆動装置３３ａ、
３３ｂを動作させてプラズマ源４５を移動させながら、
パルス高電圧電源３０から高圧ケーブル２９およびブッ
シング２８を通してイオンを注入する基体Ｗに真空容器
２１に対して負のパルス電圧を印加する。

【００６２】一方、それぞれブッシング２８は基体駆動
装置５２によって回転できるようになっており、基体駆
動機構５２の回転速度、プラズマ源駆動装置３３ａ、３
３ｂの駆動速度および駆動方向が制御装置３４からの指
令によって制御される。

【００６３】放電プラズマＰのうち、基体Ｗを取り囲む
部分にイオンシースが形成され、基体Ｗには基体Ｗの表
面に対してほぼ垂直方向に放電プラズマＰ中のイオンが
注入される。このとき、イオン注入が行われるのは放電
プラズマＰによって取り囲まれる基体Ｗの一部分である
ことから、引き続きプラズマ源４５を基体Ｗの未処理部
分に移動し、また基体Ｗを回転させながら、同様の手順
でイオンを注入する。そして、イオン注入を繰り返しな
がら、基体Ｗ全体にわたって処理する。

【００６４】なお、本実施の形態のプラズマガン４９
ａ、４９ｂを備えたプラズマ源４５は図６および図７に
示す中空円筒形状の基体Ｗの中心部に配置して使用する
ことが可能である。

【００６５】本実施例においてはプラズマガン４９ａ、
４９ｂによって生成プラズマに並進エネルギーを与える
ことによってプラズマを効率よく磁場中に注入して閉じ
込め、カスプ磁場によって薄いシート形状の高密度プラ
ズマを生成し、基体Ｗおよびプラズマ源４５の双方を移
動させながら、生成したプラズマによって基体Ｗの一部
分を取り囲み、ほぼ均一で、同等な量のイオンを基体Ｗ
の表面に対してほぼ垂直方向に加速し、注入するように
したので、処理層の厚みを均一に保つことができ、しか
も斑を生じにくくすることが可能になる。したがって、
大型の基体Ｗに対しても均一な量のイオンを注入するこ
とが可能になり、安定した品質の製品を得ることができ
る。

【００６６】（第３の実施の形態）本発明の第３の実施
の形態ついて図８および図９を参照して説明する。図８
において、イオン注入装置はプラズマ源７４を備えてい
る。このプラズマ源７４は円筒状のケース４６内に放電
容器７５と本実施の形態では３個のコイル４７ａ、４７
ｂ、４７ｃとを内蔵している。これらのコイル４７ａ、
４７ｂ、４７ｃは同軸上に配置されている。さらに、コ
イル４７ａ、４７ｂ、４７ｃはそれぞれ電流を供給する
ための直流電源４８と接続している。また、コイルコイ
ル４７ａ、４７ｂ、４７ｃ内の巻線を冷却するための冷
却水管４３ａ、４３ｂと接続している。さらに、放電容
器７５に放電ガスを供給するためのガス管４２が接続さ
れている。

【００６７】一方、この放電容器７５は真空窓７６およ
びマイクロ波導入口７７を有する。さらに、マイクロ波
によってプラズマを生成するために放電容器７５はマイ
クロ波を発生するマイクロ波源ユニット７８と導波管７
９を介して接続されている。このマイクロ波源ユニット
７８はマイクロ波発振器、アイソレータ、サーキュレー
タ、スタブチューナ（いずれも図示せず）などからな
る。

【００６８】また、平板形状の基体Ｗは、図９に示すよ
うに、真空容器２１の上方に設けられるプラズマ源７４
の下方に配置される。

【００６９】本実施の形態は上記構成からなり、イオン
注入はプラズマ源７４においてプラズマ閉じ込めにミラ
ー磁場を利用する。冷却水管４３ａ、４３ｂに冷却水を
循環させ、コイル４７ａ、４７ｂ、４７ｃを冷却しなが
ら、直流電源４８から直流電圧を印加し、それぞれコイ
ル４７ａ、４７ｂ、４７ｃに同方向の電流を流す。この
とき、放電容器７５内に磁力線Ｍで示されるようなミラ
ー磁場が形成される。

【００７０】次いで、ガス管４２を通して放電ガスを供
給しながら、マイクロ波源ユニット７８から導波管７
９、真空窓７６およびマイクロ波導入口７７通して放電
容器７５内にマイクロ波を供給する。この場合、マイク
ロ波の周波数に対応して決まる電子サイクロトロン共鳴
磁場の部分で特に活発に放電プラズマＰが発生する。ミ
ラー磁場の上下端にはミラースロートＭＳと呼ばれる磁
場の穴が開いており、ミラー磁場に閉じ込められた放電
プラズマはコイル４７ａ、４７ｂ、４７ｃの間を往復運
動する過程でミラースロートＭＳの部分から放電容器７
５の外部に漏れ出し、基体Ｗの方向に向かう。なお、本
実施の形態では、コイルを３個用いてミラー磁場を形成
したが、それ以上のコイルを用いて形成しても何ら問題
はない。

【００７１】本実施の形態においてはマイクロ波を用い
てミラー磁場中に不純物混入量の少ない高密度プラズマ
を定常的に生成することができる。そして、基体Ｗおよ
びプラズマ源７４の双方を移動させながら、ミラースロ
ートＭＳから磁場の外に漏れ出す円錐状の高密度プラズ
マによって基体Ｗの一部分を取り囲み、ほぼ均一で、同
等な量のイオンを基体Ｗの表面に対してほぼ垂直方向に
加速し、注入するようにしたので、処理層の厚みを均一
に保つことができ、しかも斑を生じにくくすることが可
能になる。したがって、大型の基体Ｗに対しても均一な
量のイオンを注入することが可能になり、安定した品質
の製品を得ることができる。

【００７２】（第４の実施の形態）本発明の第４の実施
の形態について図１０を参照して説明する。イオン注入
装置はプラズマ源８０を有する。このプラズマ源８０は
ケース３６内に放電プラズマ発生源８１と共に、金属蒸
気または金属プラズマを発生させるための金属蒸気源８
２を備えている。この金属蒸気源８２は円筒状の金属管
８３からなる容器で構成されており、容器の一端は封止
フランジ８４によって封止されている。この容器内に周
囲を金属製の保護板８５によって覆われた円盤状の蒸発
ディスク８６を設けている。この蒸発ディスク８６はチ
タン、アルミニウム、あるいはこれらの金属の合金から
なる。この蒸発ディスク８６に接して先端が鋭角に尖っ
たトリガー電極８７が装着されている。

【００７３】一方、金属管８３および封止フランジ８４
はアーク放電電源８８と接続されている。また、トリガ
ー電極８７はトリガーパルス電源８９と接続されてい
る。なお、放電プラズマ発生源８１は第１の実施の形態
のプラズマ源３２と同一の構成からなるため、詳細な説
明は省略する。

【００７４】本実施の形態は上記構成からなり、イオン
注入に先立って、トリガーパルス電源８９からトリガー
電極８７を陰極、蒸発ディスク８６を陽極としてパルス
状の高電圧を印加し、蒸発ディスク８６およびトリガー
電極８７間に微小なアーク放電を発生させる。引き続き
アーク放電電源８８から金属管８３および封止フランジ
８４を陽極、蒸発ディスク８６を陰極として電圧を印加
し、アーク放電を発生させる。こうして、金属蒸気源８
２において金属蒸気または金属プラズマを生成すること
ができる。

【００７５】この放電による金属蒸気の生成中、金属管
８３、封止フランジ８４および蒸発ディスク８６の温度
が上昇するので、冷却水管４３ａ、４３ｂを通して冷却
水を循環させ、金属管８３、封止フランジ８４および蒸
発ディスク８６を冷却水によって冷却する。

【００７６】このように放電プラズマ発生源８１と共に
設ける金属蒸気源８２を用いてチタン、アルミニウムな
どの金属からなる蒸発ディスク８６から金属蒸気または
金属プラズマを発生させながら、放電ガス（例えば、窒
素）を用いて放電プラズマ発生源８１を動作させ、処理
される基体Ｗに真空容器２１に対して負のパルス電圧を
印加することで、基体Ｗにチタンあるいはアルミニウム
を蒸着させつつ、チタンイオン、アルミニウムイオン、
窒素イオンを注入することができる。これによりＴｉ
Ｎ、ＴｉＡｌＮなどの硬質膜を基体の表面に形成するこ
とが可能になる。

【００７７】なお、金属蒸気源８２と放電プラズマ発生
源８１とは同時に、または交互に動作させてもよい。こ
の場合、基体Ｗに真空容器の電位を基準とした数１０ｋ
Ｖから１００ｋＶの負の電圧を印加して注入を行った
後、引き続き基体Ｗに真空容器の電位を基準とした数１
００から１ｋＶの負の電圧を印加しながら、金属蒸気源
８２と放電プラズマ発生源８１とを同時に、または交互
に動作させることが望ましい。

【００７８】本実施の形態においては基体およびプラズ
マ源の双方を移動させながら、生成したプラズマによっ
て基体の一部分を取り囲み、ほぼ均一で、同等な量のイ
オンを基体の表面に対してほぼ垂直方向に加速し、注入
すると共に、金属蒸気源と放電プラズマ源とを組み合わ
せて基体にチタンあるいはアルミニウムを蒸着するよう
にしたので、処理層の厚みを均一に保つことができ、し
かも斑を生じにくく、かつ基体との良好な密着性を保っ
て硬質膜を形成することが可能になる。したがって、大
型の基体に対しても均一な量のイオンを注入することが
可能になり、安定した品質の製品を得ることができる。

【００７９】（第５の実施の形態）本発明の第５の実施
の形態について図６および図１１を参照して説明する。
図１１において、イオン注入装置は金属蒸気源９０を備
えている。この金属蒸気源９０は同軸上に配置される中
空円筒形状の陰極５４と円筒形状の陽極５５とを備え
る。この陽極５５はチタン、アルミニウム、あるいはこ
れらの金属の合金からなる。双方の電極５４、５４は絶
縁リング５６で電気的に絶縁されている。

【００８０】また、陰極５４は小孔９１を有し、そこに
先端が鋭角に尖ったトリガー電極９２を装着している。
陽極５５とトリガー電極９２との間にコンデンサおよび
サイリスタ（図示せず）からなるトリガーパルス電源９
３を接続している。さらに、陰極５４と陽極５５には電
極間で放電を発生させるために主放電用コンデンサ６９
およびイグナイトロン７０からなる主放電回路７１が接
続されている。なお、サイリスタとイグナイトロン７０
とに遅延パルス発生装置７２を接続している。

【００８１】本実施の形態の金属蒸気源９０は図６に示
すプラズマガン４９ａ、４９ｂのうち、どちらか一方の
プラズマガンに代えて、使用するもので、たとえばプラ
ズマガン４９ａと組み合わせて使用する場合、プラズマ
ガン４９ａと対峙する位置に設ける。

【００８２】本実施の形態は上記構成からなり、イオン
注入に先立って、充電電源（図示せず）を用いてトリガ
ーパルス電源９３のコンデンサと主放電用コンデンサ６
９を充電し、遅延パルス発生装置７２からまずサイリス
タを閉状態にするパルス信号を送る。トリガーパルス電
源７２のコンデンサが放電を開始すると、陽極５５とト
リガー電極９２との間に微小なアーク放電が発生し、陽
極５５の表面で蒸発した金属が陰極５４と陽極５５との
間に満たされる。

【００８３】引き続き遅延パルス発生装置７２からはサ
イリスタに送ったパルス信号から時間遅れを持つ、遅延
パルス信号がイグナイトロン７０に送られて主放電回路
７１が閉状態になり、このとき、主放電用コンデンサ６
９によって陰極５４と陽極５５と間にアーク放電が発生
し、金属蒸気および高密度の金属プラズマがパルス状に
生成する。生成プラズマは図中の矢印の方向に高速で押
し出されてカスプ磁場に入射され、閉じ込められる。

【００８４】このように、たとえばプラズマガン４９ａ
と金属蒸気源９０とを組み合わせてチタン、アルミニウ
ムなどの金属からなる陽極５５を使用し、金属蒸気また
は金属プラズマを発生させながら、放電ガス（例えば、
窒素）を用いて放電プラズマ発生源として動作させ、基
体に真空容器に対して負のパルス電圧を印加すること
で、基体にチタンあるいはアルミニウムを蒸着させなが
ら、チタンイオン、アルミニウムイオン、窒素イオンを
注入することができる。これによりＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ
などの硬質膜を基体に表面に形成することが可能にな
る。

【００８５】なお、金属蒸気源９０とプラズマガン４９
ａとは同時に、または交互に動作させてもよい。この場
合、基体に真空容器の電位を基準とした数１０ｋＶから
１００ｋＶの負の電圧を印加して注入を行った後、引き
続き基体に真空容器の電位を基準とした数１００から１
ｋＶの負の電圧を印加しながら、金属蒸気源９０とプラ
ズマガン４９ａとを同時に、または交互に動作させるこ
とが望ましい。

【００８６】本実施の形態においては基体およびプラズ
マ源の双方を移動させながら、生成したプラズマによっ
て基体の一部分を取り囲み、ほぼ均一で、同等な量のイ
オンを基体の表面に対してほぼ垂直方向に加速し、注入
するようにしたので、処理層の厚みを均一に保つことが
でき、しかも斑を生じにくく、かつ基体との密着性の良
好な厚膜を形成するすることが可能になる。したがっ
て、大型の基体に対しても均一な量のイオンを注入する
ことが可能になり、安定した品質の製品を得ることがで
きる。

【００８７】（第６の実施の形態）本発明の第６の実施
の形態について図１１および図１２を参照して説明す
る。図１２において、放電容器７５内に金属蒸気源９０
が設けられている。この金属蒸気源９０はミラー磁場の
磁力線の湾曲した部分に配置されている。金属蒸気源９
０は第５の実施の形態のものと同一の構成からなるた
め、詳細な説明は省略する。

【００８８】本実施の形態は上記構成からなり、イオン
注入においてはマイクロ波によって放電ガス（例えば、
窒素）を用いて放電プラズマを生成する。また、金属蒸
気源９０の陽極５５を使用してチタンあるいはアルミニ
ウムの金属蒸気または金属プラズマを発生させる。基体
Ｗに真空容器２１に対して負のパルス電圧を印加するこ
とで、基体Ｗにチタンあるいはアルミニウムを蒸着しな
がら、チタンイオン、アルミニウムイオン、窒素イオン
を注入することができる。これによりＴｉＮ、ＴｉＡｌ
Ｎなどの硬質膜を基体に表面に形成することが可能にな
る。

【００８９】なお、金属蒸気源９０とプラズマ源７４と
は同時に、または交互に動作させてもよい。この場合、
基体Ｗに真空容器２１の電位を基準とした数１０ｋＶか
ら１００ｋＶの負の電圧を印加して注入を行った後、引
き続き基体Ｗに真空容器２１の電位を基準とした数１０
０から１ｋＶの負の電圧を印加しながら、金属蒸気源９
０とプラズマ源７４とを同時に、または交互に動作させ
ることが望ましい。

【００９０】本実施の形態においては基体およびプラズ
マ源の双方を移動させながら、生成したプラズマによっ
て基体の一部分を取り囲み、ほぼ均一で、同等な量のイ
オンを基体の表面に対してほぼ垂直方向に加速し、注入
すると共に、金属蒸着源と放電プラズマ源とを組み合わ
せて基体Ｗにチタンあるいはアルミニウムを蒸着するよ
うにしたので、処理層の厚みを均一に保つことができ、
しかも斑を生じにくく、かつ基体Ｗとの密着性の良好な
厚膜を形成することが可能になる。したがって、大型の
基体に対しても均一な量のイオンを注入することが可能
になり、安定した品質の製品を得ることができる。

【００９１】（第７の実施の形態）本発明の第７の実施
の形態について図１３を参照して説明する。イオン注入
装置は第１プラズマ源３２ａおよび第２プラズマ源３２
ｂを備えている。この第１プラズマ源３２ａおよび第２
プラズマ源３２ｂはそれぞれガイドレール支持体９４に
よって支持されたガイドレール３１ａ、３１ｂ上を移動
可能に設けられている。

【００９２】さらに、第１プラズマ源３２ａはターゲッ
ト保持台２５上に配置される例えば平板形状の基体Ｗの
一方の面と対峙し、第２プラズマ源３２ｂは基体Ｗの他
方の面と対峙するように配置されている。また、第１お
よび第２プラズマ源３２ａ、３２ｂのプラズマ生成手段
は第１の実施の形態と同一の構成からなるため、詳細な
説明は省略する。

【００９３】本実施の形態は上記構成からなり、第１プ
ラズマ源３２ａからの放電プラズマＰで基体Ｗの一方の
面の一部分を覆い、さらに第２プラズマ源３２ｂからの
放電プラズマＰによって基体Ｗの他方の面の一部分を覆
う。基体Ｗおよび第１プラズマ源３２ａ、第２プラズマ
源３２ｂの双方を移動させながら、基体Ｗに真空容器２
１に対して負のパルス電圧を印加することで、放電プラ
ズマＰで覆われた基体Ｗの区域においてほぼ均一で、等
量のイオンを各々表面に向かって同時に加速し、注入す
ることができる。

【００９４】第１および第２プラズマ源３２ａ、３２ｂ
の双方について同期を取りながら、ガイドレール３１
ａ、３１ｂ上を移動させ、基体Ｗ全域にわたって同じ操
作を繰り返すことで、基体Ｗを回転させたりすることな
く、基体Ｗ全体についてイオンを注入することが可能に
なる。

【００９５】本実施の形態においては２台の第１および
第２プラズマ源３２ａ、３２ｂを用いて平板形状の基体
Ｗに効率よくイオン注入を行うことができる。

【００９６】（第８の実施の形態）本発明の第８の実施
の形態について図１４を参照して説明する。イオン注入
装置は第１プラズマ源３２ａ、第２プラズマ源３２ｂ、
第３プラズマ源３２ｃ、第４プラズマ源３２ｄ、第５プ
ラズマ源３２ｅおよび第６プラズマ源３２ｆを備えてい
る。この第１プラズマ源３２ａ、第２プラズマ源３２
ｂ、第３プラズマ源３２ｃ、第４プラズマ源３２ｄ、第
５プラズマ源３２ｅおよび第６プラズマ源３２ｆは１個
のケース９５内に収容され、同時にその全体がガイドレ
ール３１上を移動可能に設けられている。

【００９７】さらに、各プラズマ源３２ａ、３２ｂ、３
２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆはターゲット保持台２５
上に配置される大型の基体Ｗ（例えば、自動車のボディ
ー）の各面と対面するように配置されている。また、各
プラズマ源３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、
３２ｆのプラズマ生成手段は第１の実施の形態と同一の
構成からなるため、詳細な説明は省略する。

【００９８】本実施の形態は上記構成からなり、各プラ
ズマ源３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２
ｆからの放電プラズマＰで基体Ｗの各面をほぼ一様に覆
う。基体Ｗおよび各プラズマ源３２ａ、３２ｂ、３２
ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆの双方を移動させながら、
基体Ｗに真空容器２１に対して負のパルス電圧を印加す
ることで、放電プラズマＰで覆われた基体Ｗの区域にお
いてほぼ均一で、等量のイオンを各表面に向かって同時
に加速し、注入することができる。

【００９９】各プラズマ源３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３
２ｄ、３２ｅ、３２ｆについてガイドレール３１ａ、３
１ｂ上を移動させ、基体Ｗ全域にわたって同じ操作を繰
り返すことで、基体Ｗを回転させたりすることなく、基
体Ｗ全体についてイオンを注入することが可能になる。
なお、本実施の形態では、６台のプラズマ源を用いてイ
オン注入を行っているが、基体Ｗの形状に応じて、その
台数の増減は可能である。

【０１００】本実施の形態においては多数のプラズマ源
を用いて大型の基体Ｗに効率よくイオン注入を注入する
ことができる。

【０１０１】（第９の実施の形態）本発明の第９の実施
の形態について図１５を参照して説明する。イオン注入
装置は第１プラズマ源３２ａ、第２プラズマ源３２ｂお
よび第３プラズマ源３２ｃと、第４プラズマ源３２ｄ、
第５プラズマ源３２ｅおよび第６プラズマ源３２ｆとを
備えている。この第１プラズマ源３２ａ、第２プラズマ
源３２ｂおよび第３プラズマ源３２ｃは１個のケース９
６内に収容され、同時にその全体がガイドレール３１ａ
上を移動可能に設けられている。また、第４プラズマ源
３２ｄ、第５プラズマ源３２ｅおよび第６プラズマ源３
２ｆも１個のケース９６内に収容され、同時にその全体
がガイドレール３１ｂ上を移動可能に設けられている。

【０１０２】さらに、各プラズマ源３２ａ、３２ｂ、３
２ｃは円筒形状の基体Ｗの上面と対面し、各プラズマ源
３２ｄ、３２ｅ、３２ｆは基体Ｗの下面と対面するよう
に配置されている。また、各プラズマ源３２ａ、３２
ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆのプラズマ生成手
段は第１の実施の形態と同一の構成からなるため、詳細
な説明は省略する。

【０１０３】本実施の形態は上記構成からなり、各プラ
ズマ源３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２
ｆからの放電プラズマＰで基体Ｗの上下面をほぼ一様に
覆う。基体Ｗを回転させながら、基体Ｗに真空容器２１
に対して負のパルス電圧を印加することで、放電プラズ
マＰで覆われた基体Ｗの区域においてほぼ均一で、等量
のイオンを各表面に向かって同時に加速し、注入するこ
とができる。なお、本実施の形態では、３台のプラズマ
源を１つのケースに納めているが、基体Ｗの大きさに応
じてそれ以上の台数を１つのケースに納めることも可能
である。

【０１０４】本実施の形態においては基体Ｗのそれぞれ
の側に複数台配置することにより円筒形状の基体Ｗに効
率よくイオンを注入することができる。

【０１０５】（第１０の実施の形態）本発明の第１０の
実施の形態について図１６を参照して説明する。イオン
注入装置は第１真空容器２１に隣接する第２真空容器９
７を有する。第１真空容器２１および第２真空容器９７
は第２真空容器９７から第１真空容器２１に基体Ｗを搬
送し、第１真空容器２１から第２真空容器９７に基体Ｗ
を搬送するするためのガイドレール９８と、基体搬送装
置９９と備えている。また、第１真空容器２１と第２真
空容器９７との間にあって双方の器内の連通を遮断する
ゲートバルブ１００を具備する。

【０１０６】本実施の形態は上記構成からなり、イオン
注入に先立って、まず、ゲートバルブ１００を閉じて第
１真空容器２１と第２真空容器９７との連通状態を遮断
する。次いで、基体Ｗを基体搬送装置９９に保持させ、
真空排気装置（図示せず）を動作させてそれぞれ真空排
気口３５から空気を抽出し、それぞれ第２真空容器９７
および第１真空容器２１内を所定の真空値になるまで排
気する。

【０１０７】この後、ゲートバルブ１００を開放すると
共に、制御装置３４を用いてプラズマ源駆動装置３３
ａ、３３ｂを動作させ、基体Ｗを保持した基体搬送装置
９９をガイドレール９８に沿って移動させ、基体Ｗを第
１真空容器２１内に運び込み、ターゲット保持台２５上
に置く。さらに、基体搬送装置９９を第２真空容器９７
に戻し、ゲートバルブ１００を閉じた後に、第１真空容
器２１内で基体Ｗにイオンを注入する。

【０１０８】イオン注入が終了した後、再びゲートバル
ブ１００を開放し、基体搬送装置９９を第１真空容器２
１に移動させ、基体搬送装置９９で基体Ｗを保持し、第
２真空容器９７に戻る。最後に、ゲートバルブ１００を
閉じて第２真空容器９７のみを大気開放し、処理を終了
した基体Ｗを外部に取り出す。

【０１０９】さらに、別の基体Ｗについて処理する場
合、引き続き基体Ｗを基体搬送装置９９で保持し、真空
排気装置を用いて第２真空容器９７を真空に排気した
後、ゲートバルブ１００を開放すると共に、制御装置３
４を用いてプラズマ源駆動装置３３ａ、３３ｂを動作さ
せ、基体Ｗを保持した基体搬送装置９９をガイドレール
９８に沿って移動させ、基体Ｗを第１真空容器２１内に
運び込み、同様の処理を繰り返す。

【０１１０】本実施の形態においては製造ラインなどに
おいて大型の基体Ｗを連続的に処理する場合にイオン注
入する第１真空容器２１を大気に開放する必要がなくな
るので、大気開放した場合にしばしば発生する容器内部
の汚染やそれに起因する異常放電などのトラブルの発生
頻度を軽減することが可能になる。

【０１１１】（第１１の実施の形態）本発明の第１１の
実施の形態について図１７を参照して説明する。イオン
注入装置は第１真空容器２１に隣接する第２真空容器９
７および第３真空容器１０１を有する。第１真空容器２
１、第２真空容器９７および第３真空容器１０１は各真
空容器２１、９７、１０１間に基体Ｗを搬送するするた
めのガイドレール１０２と、基体搬送装置９９と備えて
いる。また、第１真空容器２１と第２真空容器９７との
間にあって双方の器内の連通を遮断するゲートバルブ１
００ａおよび第２真空容器９７と第３真空容器１０１と
の間にあって双方の器内の連通を遮断するゲートバルブ
１００ｂを具備する。

【０１１２】本実施の形態は上記構成からなり、イオン
注入に先立って、まず、ゲートバルブ１００ａ、１００
ｂを閉じて第１真空容器２１と第２真空容器９７および
第３真空容器１０１との連通状態を遮断する。次いで、
基体Ｗを基体搬送装置９９に保持させ、真空排気装置
（図示せず）を動作させてそれぞれ真空排気口３５から
空気を抽出し、それぞれ第２真空容器９７、第３真空容
器１０１および第１真空容器２１内を所定の真空値にな
るまで排気する。

【０１１３】この後、ゲートバルブ１００ａを開放する
と共に、制御装置３４を用いてプラズマ源駆動装置３３
ａ、３３ｂを動作させ、基体Ｗを保持した基体搬送装置
９９をガイドレール９８に沿って移動させ、基体Ｗを第
１真空容器２１内に運び込み、ターゲット保持台２５上
に置く。さらに、基体搬送装置９９を第２真空容器９７
に戻し、ゲートバルブ１００ａを閉じた後に、第１真空
容器２１内で基体Ｗにイオンを注入する。

【０１１４】イオン注入が終了した後、ゲートバルブ１
００ｂを開放し、基体搬送装置９９を第３真空容器１０
１から第１真空容器２１に移動させ、基体搬送装置９９
で基体Ｗを保持し、第３真空容器１０１に戻り、その
後、ゲートバルブ１００ｂを閉じる。第１真空容器２１
内で基体Ｗにイオンを注入している間に、前もって別の
基体Ｗを基体搬送装置９９に保持させたまま、真空排気
装置を用いて第２真空容器９７を真空に排気しておく。

【０１１５】次いで、ゲートバルブ１００ａを開き、第
２真空容器９７で別の基体Ｗを保持して待機していた基
体搬送装置９９をガイドレール９８に沿って移動させ、
基体Ｗを第１真空容器２１内に運び込み、同様の処理を
実施する。処理を終了した基体Ｗは第３真空容器１０１
において大気開放して外部に取り出す。

【０１１６】本実施の形態においては製造ラインなどに
おいて大型の基体Ｗを連続的に処理する場合にイオンを
注入する第１真空容器２１を大気に開放する必要がなく
なり、第１真空容器２１を大気開放した場合にしばしば
発生する内部の汚染やそれに起因する異常放電などのト
ラブルの発生頻度を軽減することが可能になる。さら
に、第１真空容器２１内でのイオン注入工程と並行して
処理された基体Ｗの第３真空容器１０１での運び出し、
次に処理される別の基体Ｗの第２真空容器９７での処理
準備を行うことが可能であって、装置の休止時間を格段
に少なくすることができ、生産性を大きく高めることが
可能になる。

【０１１７】本発明に係るイオン注入装置を用いて次に
述べる望ましいイオン注入方法を実施することができ
る。すなわち、第１の方法は、図１８（ａ）に示すよう
に、プラズマ源からプラズマを連続的に発生させると共
に、基体に、図１８（ｂ）に示すように、真空容器の電
位を基準とした複数のパルス状の負の略矩形電圧を印加
する方法である。このような方法を適用することにより
基体にパルス状の電圧が印加されている間は主として基
体へのイオン注入を果たし、パルス状の電圧が印加され
ない間はプラズマが金属蒸気成分を含んでいる場合には
主として表面への蒸着を果たし、含まない場合にはプラ
ズマと基体との接触による物理化学的な反応を進ませる
ことができ、これらの処理過程を繰り返すことで、基体
との密着性に優れた強固な膜を形成することが可能にな
る。

【０１１８】また、第２の方法は、図１９（ａ）に示す
ように、プラズマをパルス状に繰り返し発生させると共
に、基体に、図１９（ｂ）に示すように、真空容器の電
位を基準とした負の電圧を連続的に印加する方法であ
る。このような方法を適用することによりプラズマから
基体への流入熱が小さくなる結果、基体の温度上昇を抑
えながら、エネルギーの揃ったイオンを基体に注入する
ことができ、熱による塑性変形の起こりやすい材料など
に対してもイオン注入による基体との密着性に優れた強
固な膜を形成することが可能になる。上記効果に加え
て、イオンの注入深さの揃った均一な表面処理を同時に
行うことができる。

【０１１９】さらに、第３の方法は、図２０（ａ）に示
すようにプラズマをパルス的に繰り返し発生させると共
に、基体に、図２０（ｂ）に示すように、プラズマ生成
に同期し、かつプラズマ生成時間よりも長い、真空容器
の電位を基準としたパルス状の負の略矩形電圧を印加す
る方法である。このような方法を適用することによりプ
ラズマから基体への流入熱が小さくなる結果、基体の温
度上昇を抑えながら、エネルギーの揃ったイオンを基体
に注入することでき、熱による塑性変形の起こりやすい
材料などに対してもイオン注入による基体との密着性に
優れた強固な膜を形成することが可能になる。

【０１２０】さらに、上記効果に加えて、イオンの注入
深さの揃った均一な表面処理を同時に行うことができ
る。また、基体に連続的に電圧を印加する場合と比較す
ると、パルス高電圧電源での消費電力を低下させること
が可能になり、ブッシングなどの耐電圧条件も緩和する
ことが可能で、装置の構成がより単純化し、安価な装置
を提供することができる。

【０１２１】

【発明の効果】本発明によれば、大型の基体全体を取り
囲むプラズマを生成するのではなく、小容積のプラズマ
を生成することで、プラズマを高密度で、しかも均一性
を高めることができる。そして、プラズマ源と基体とを
相対的に移動させながら、生成したプラズマによって基
体の一部分を取り囲み、ほぼ均一で、同等な量のイオン
を基体の表面に対してほぼ垂直方向に加速し、注入する
ようにしたので、処理層の厚みを均一に保つことがで
き、しかも斑を生じにくくすることが可能になる。これ
により大型の基体に対しても均一な量のイオンを注入す
ることが可能になり、安定した品質の製品を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるイオン注入装
置の縦断面図。

【図２】図１に示されるイオン注入装置のプラズマ源の
詳細を示す断面図。

【図３】本発明の第２の実施の形態によるイオン注入装
置の縦断面図。

【図４】図３に示されるイオン注入装置の横断面図。

【図５】図３に示されるプラズマガンの詳細を示す断面
図。

【図６】本発明の第２の実施の形態に係る他のイオン注
入装置の縦断面図。

【図７】図６に示されるイオン注入装置の横断面図。

【図８】本発明の第３の実施の形態によるイオン注入装
置の縦断面図。

【図９】図８に示されるイオン注入装置の横断面図。

【図１０】本発明の第４の実施の形態に係るイオン注入
装置のプラズマ源の詳細を示す断面図。

【図１１】本発明の第５の実施の形態に係るイオン注入
装置の金属蒸気源の詳細を示す断面図。

【図１２】本発明の第６の実施の形態によるイオン注入
装置の縦断面図。

【図１３】本発明の第７の実施の形態によるイオン注入
装置の横断面図。

【図１４】本発明の第８の実施の形態によるイオン注入
装置の横断面図。

【図１５】本発明の第９の実施の形態によるイオン注入
装置の縦断面図。

【図１６】本発明の第１０の実施の形態によるイオン注
入装置の縦断面図。

【図１７】本発明の第１１の実施の形態によるイオン注
入装置の縦断面図。

【図１８】（ａ）はプラズマ源の動作状況を示す図、
（ｂ）は基体への印加電圧の時間変化を示す図。

【図１９】（ａ）はプラズマ源の動作状況を示す図、
（ｂ）は基体への印加電圧の時間変化を示す図。

【図２０】（ａ）はプラズマ源の動作状況を示す図、
（ｂ）は基体への印加電圧の時間変化を示す図。

【図２１】従来のＰＳＩＩ装置の一例を示す縦断面図。

【図２２】図２１に示されるＰＳＩＩ装置の横断面図。

【符号の説明】

２１ 真空容器、第1真空容器 ３２、４５、７４、８０ プラズマ源 ３３ａ、３３ｂ プラズマ源駆動装置 ３７、７５ 放電容器 ４７ａ、４７ｂ、４７ｃ コイル ４９ａ、４９ｂ プラズマガン ５２ 基体駆動装置 ８１ 放電プラズマ発生源 ８２、９０ 金属蒸気源 ９７ 第２真空容器 １００ａ、１００ｂ、１００ｃ ゲートバルブ １０１ 第３真空容器 Ｗ 基体 Ｐ 放電プラズマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡邊 敏行 福島県いわき市好間工業団地11番地１号 東芝タンガロイ株式会社いわき工場内 (72)発明者 関 克彦 福島県いわき市好間工業団地11番地１号 東芝タンガロイ株式会社いわき工場内 (72)発明者 浅野 史朗 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 野田 悦夫 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 Ｆターム(参考） 4K029 CA13 DE02 KA01 KA09

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器と、この真空容器内に設けら
   れ、処理される基体を保持する保持手段と、この保持手
   段を該真空容器との絶縁を保って支持する絶縁体と、前
   記真空容器内にあって放電によりプラズマを生成し、該
   基体にイオンを注入するプラズマ源と、このプラズマ源
   に放電ガスを供給する装置と、前記基体に前記真空容器
   の電位を基準とした正または負の電圧を印加する電源と
   を備えてなるイオン注入装置において、該基体が前記保
   持手段に投影する領域内に前記プラズマ源を案内するよ
   うに案内装置および前記プラズマ源を駆動するプラズマ
   源駆動装置を設け、前記プラズマ源によって前記基体の
   一部分を取り囲む放電プラズマを生成し、前記プラズマ
   源と前記基体とを相対的に移動させながら、該基体にイ
   オンを注入するようにしたことを特徴とするイオン注入
   装置。
2. 【請求項２】 真空容器と、この真空容器内に設けら
   れ、処理される基体を回転可能に保持する保持手段と、
   この保持手段を該真空容器との絶縁を保って支持する絶
   縁体と、前記真空容器内にあって放電によりプラズマを
   生成し、該基体にイオンを注入するプラズマ源と、この
   プラズマ源に放電ガスを供給する装置と、前記基体に前
   記真空容器の電位を基準とした正または負の電圧を印加
   する電源とを備えてなるイオン注入装置において、回転
   する前記基体の軸方向に前記プラズマ源を移動させるプ
   ラズマ源駆動装置を設け、前記プラズマ源によって前記
   基体の一部分を取り囲む放電プラズマを生成し、前記プ
   ラズマ源と前記基体とを相対的に移動させながら、該基
   体にイオンを注入するようにしたことを特徴とするイオ
   ン注入装置。
3. 【請求項３】 真空容器と、この真空容器内に設けら
   れ、処理される中空円筒状の基体を保持する保持手段
   と、この保持手段を該真空容器との絶縁を保って支持す
   る絶縁体と、前記真空容器内にあって放電によりプラズ
   マを生成し、該基体にイオンを注入するプラズマ源と、
   このプラズマ源に放電ガスを供給する装置と、前記基体
   に前記真空容器の電位を基準とした正または負の電圧を
   印加する電源とを備えてなるイオン注入装置において、
   前記中空円筒状の基体の内面軸方向に前記プラズマ源を
   移動させるプラズマ源駆動装置を設け、前記プラズマ源
   によって前記基体の内面の一部分を取り囲む放電プラズ
   マを生成し、前記プラズマ源と前記基体とを相対的に移
   動させながら、該基体にイオンを注入するようにしたこ
   とを特徴とするイオン注入装置。
4. 【請求項４】 前記プラズマ源が生成プラズマをカスプ
   磁場によって閉じ込める一対のプラズマガンを備え、ラ
   インカスプ部またはポイントカスプ部から漏れ出すプラ
   ズマによって前記基体の一部分を取り囲むように構成し
   たことを特徴とする請求項１、２または３記載のイオン
   注入装置。
5. 【請求項５】 前記プラズマ源が生成プラズマをミラー
   磁場によって閉じ込める複数個のコイルを備え、ミラー
   端から漏れ出すプラズマによって前記基体の一部分を取
   り囲むように構成したことを特徴とする請求項１、２ま
   たは３記載のイオン注入装置。
6. 【請求項６】 前記プラズマ源が高周波誘導コイルまた
   はマイクロ波源ユニットを備え、該高周波誘導コイルま
   たはマイクロ波源ユニットで発生させた高周波またはマ
   イクロ波を用いる放電によりプラズマを生成するように
   構成したことを特徴とする請求項１、２、３、４または
   ５記載のイオン注入装置。
7. 【請求項７】 前記プラズマ源が放電プラズマ発生源と
   金属蒸気または金属プラズマを発生する金属蒸気源とを
   備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか1
   項に記載のイオン注入装置。
8. 【請求項８】 前記プラズマ源がそれぞれ放電プラズマ
   を生成する複数台のプラズマ源からなることを特徴とす
   る請求項１ないし６のいずれか1項に記載のイオン注入
   装置。
9. 【請求項９】 前記真空容器に隣接して設けられた第２
   真空容器と、この第２真空容器と前記真空容器との間に
   あって該真空容器間の連通を遮断するゲートバルブと、
   処理される前記基体を前記第２真空容器から前記真空容
   器に搬入すると共に、そこから該第２真空容器に搬出す
   る基体搬送装置とを備えることを特徴とする請求項１な
   いし８のいずれか1項に記載のイオン注入装置。
10. 【請求項１０】 前記真空容器を間に挟むように各々該
    真空容器に隣接して設けられた第２真空容器および第３
    真空容器と、前記第２真空容器および第３真空容器と前
    記真空容器との間にあってそれぞれ該真空容器間の連通
    を遮断する２個のゲートバルブと、処理される前記基体
    を前記第２真空容器から前記真空容器に搬入すると共
    に、そこから該第３真空容器に搬出する２個の基体搬送
    装置とを備えることを特徴とする請求項１ないし８のい
    ずれか1項に記載のイオン注入装置。