JP2913186B2

JP2913186B2 - イオン源装置

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Publication number: JP2913186B2
Application number: JP1296023A
Authority: JP
Inventors: エドワードフリサラリー; リーキングモンロー; エスクエジョサムパヤンステファン
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1988-11-14
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1999-06-28
Anticipated expiration: 2014-06-28
Also published as: JPH02250237A; US4891525A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、イオン源装置に関し、特に所望のイオンの
材料元素または化合物をプラズマ放電工程で解離および
イオン化して、イオン注入装置において使用できるよう
にする形式のイオン源装置に関するものである。

（従来の技術）イオンは、電気抽出分野の手段によってイオン源装置
から抽出されて、荷電粒子のビームを形成する。このビ
ームに所望のイオンが含まれており、続いてこれらのイ
オンが質量電荷分離法によってビームから分離される。

それらのイオン源装置に共通する問題として、解離工
程を完全に制御することは困難であり、その結果、一般
的に出力電流中の所望イオンの割合が、可能と思われる
割合よりも相当に低くなる。この現象は、一価のほう素
イオンをほう素化合物である原料ガスから得る場合に特
に顕著であるが、これは、幾つかのほう素化合物の分解
が特に難しいからである。従って、所望のイオン形態の
ほう素の総量が、気体中に存在しているほう素の総量よ
りも担当に少なくなる。

プラズマ解離イオン源装置は、帯電していないガス状
材料の電子衝撃によってプラズマを発生するものであ
る。一般的に使用されている電子衝撃イオン源装置は、
一本のロッド形のフィラメント陰極を円筒形の陽極内
に、そのフィラメント陰極および円筒形陽極の軸線が互
いに平行になるようにして、設けた側部抽出形熱陰極イ
オン源装置の一種である。また、これらの軸線に平行な
磁界を外側に加えて、電離電子の運動を抑制している。
イオン化する原料ガスは、陽極壁の貫通穴から入れられ
る。

原料ガスをイオン化するため、陰極フィラメントと円
筒形陽極との間に電位差を発生させる。この電界を利用
して、陰極フィラメントから熱イオン化によって放出さ
れた電子に半径方向速度を、従ってエネルギーを与え
る。電子がイオン化できる十分なエネルギーを獲得でき
れば、プラズマを生じるための衝突が発生する。次に、
プラズマ内に発生した正イオンが、陽極壁の細い長手方
向のスリットから抽出される。

正イオンの抽出は、陽電極に対して負に偏らせた電極
をプラズマの外側に、長手方向スリットの平面に一致さ
せて、設けることによって行われる。この電極により、
電界が形成され、陽極がプラズマ境界と相互作用して、
プラズマから出る正イオンを加速する。

イオン源装置の効率は、電離電子の密度および温度に
大きく影響されることが、理論化されている。また、電
離電子は、中性ガス粒子と衝突する可能性を増加させる
ため、プラズマ内の比較的長い距離を移動させるように
しなければならない。上記イオン源装置の場合、これは
フィラメントを加熱するために使用される電流によって
生じる磁界と、外側に加えられる磁界との複合効果によ
って達成される。

さらに、十分なフィラメント電流では、荷電粒子の半
径方向流動速度が、フィラメント陰極からの半径方向距
離によって異なることも理論化されている。フィラメン
トに近い荷電粒子は、正味流動速度でフィラメント陰極
の正側へ進むが、半径方向距離が大きくなると、フィラ
メント軸線に対して円弧状に進む。このため、ほとんど
の電子は、直接的半径方向流動機構によって陽極へ到達
することが妨害されて、長距離を移動させられる。しか
し、電子には、フィラメントの正側へ向かう固有の正味
流動性がある。陽極の軸方向端部に到達したこれらの電
子は、陽極によって補集されるため、プラズマから取り
除かれる結果、イオンの産出量が予想量以下になる。

前述したように、そのように産出量が低くなること
は、一価のほう素イオン（B⁺）を得ようとする場合に特
に顕著である。ほう素の一般的な原材料は、室温ではガ
ス状物質である三ふっ化ほう素（BF₃）であり、ほう素
元素は、気化温度が高いために使用されない。この原材
料を使用して形成されたイオンビームの分析から、所望
のほう素イオンの存在が明らかとなるが、BF⁺およびBF₂
⁺などのイオンも存在し、一価のほう素イオンの割合は
比較的低く、一般的に15％以下である。

ある従来装置では、この電子漏れは、フィラメント陰
極の各端部に金属製の電子リフレクタを設置することに
よって、減少させている。これらの金属製リフレクタを
使用することにより、陰極／陽極電界を乱して、電子を
再度放電の中心に向けることができる。別の従来方法で
は、フィラメントの各端部において磁界を増大させる。
増大した電界は、リフレクタが機能する方法と同様にし
て、電子を放電に跳ね返す作用をする。

本発明と同じ譲受人に譲渡されており、参考として説
発明に含まれている米国特許第4,760,262号には、プラ
ズマ温度と、スリットに平行な方向における抽出イオン
ビーム電流密度の均一性とを、円筒形陽極の各端部にフ
ィラメントから電気的に絶縁した電極を設けることによ
って増加させることができるイオン源装置が開示されて
いる。この発明の様々な実施例によれば、補助電極を互
いに短絡させてプラズマの各端部に同一の電位を発生さ
せたり、その他の接続方法によって、補助電極に電位を
加えている。

（発明が解決しようとする課題）そのような補助電極を設けることは、従来のイオン源
装置に対する大きな改良であるが、本発明はさらにそれ
らのイオン源装置の性能を高めることができる、特に絶
縁体の性能の改良、イオン化の促進、イオン源装置の寿
命の延長およびビーム純度の向上において優れた装置を
提供することを目的としている。

（課題を解決するための手段および作用）本発明によれば、上記目的を達成するために、本発明
は、請求項１ないし請求項14に記載の各構成を有する。

特に、本発明において改良された特徴は、請求項１に
おいて、第２絶縁体手段の各々が、内側絶縁体および外
側絶縁体を有しており、前記内側および外側絶縁体は、
互いに相対配置され、少なくともそれらの一部分の間に
空間を形成することである。

これにより、補助電極としての第1,第２電極と、陽極
としてのハウジングとの間に２つの絶縁体、即ち、内側
絶縁体と外側絶縁体を設け、さらに、これらの絶縁体の
間に空間を形成しているので、絶縁体表面上に導電性被
膜を形成するための通路長さが長くなり、プラズマ放電
室内のイオン形成により生じる導電性被膜が、これらの
絶縁体の表面全体に形成されることがなくなり、陽極と
補助電極との間の絶縁性を高めることができる。

さらに、絶縁体の表面間及びこれらの絶縁体と陽極／
陰極／補助電極の間に空間を設けることにより、導電性
被膜の形成がより減少し、プラズマ放電室内の汚染が少
なくなるので、イオン源装置の寿命とビームの純度を高
めることができる。

さらに、本発明によれば、フィラメント絶縁体および
補助電極間に、短絡を解消する空間が形成されている。
これらの空間は、フィラメントを受けているフィラメン
ト絶縁体の端部の座ぐり穴と結合して、質量の小さいフ
ィラメント絶縁体端部を形成しており、このため、フィ
ラメントの加熱による絶縁体の端部の温度が増加するこ
とから、はねかけられた物質の凝縮が抑止される。

また、本発明によれば、補助電極が、陽極の内径に対
して極めて大きく、補助電極がほぼ放電領域の端部を形
成している。陽極壁ではなく、補助電極によって放電領
域の端部を形成することにより、プラズマから出る電子
束は、フィラメントに沿って流動しようとする電子と共
に、陽極壁によって捕集されるのではなく、プラズマ内
へ戻される。これにより、放電領域内の電子密度が増加
するため、イオン化が促進する。

その他の改良として、補助電極絶縁体を陽極内に形成
された座ぐり穴内に取り付けることにより、放電室から
絶縁体壁への材料受け入れ立体角を最小にすることがで
きると共に、見通し線をさらに遮蔽することができるよ
うにしており、また陽極の補助電極に最も近接した縁部
にアールを付けることによって、補助電極と陽極との間
に散在するアークを抑制できるようにしている。

改良イオン源装置の性能を最適化するためには、材料
の適切な選択が重要であることもわかっている。このた
め、所望のイオンビームと競合しないおよび／またはイ
オン源装置にみられる局部的高温によって悪影響を受け
ない材料を使用することが重要であると考えられる。す
なわち、本発明の好適な実施例では、絶縁体が窒化ほう
素からなり、また好ましくは、補助電極および陽極がモ
リブデンからなる。窒化ほう素および関連の反応生成物
から得られるイオンが、所望イオンの磁気硬直性と同じ
またはそれに近い場合、および／または抽出スリットに
おける空間電荷が限界でない場合、絶縁体の材料として
アルミナを使用することもできる。

（実施例）第１および第２図は、上記米国特許第4,760,262号に
記載されている形式のイオン源装置10を示しており、円
筒形の内孔21を有する陽極（ハウジング）12と、フィラ
メント絶縁体（第１絶縁体手段）16によって陽極構造内
に支持されて軸方向に延在している陰極フィラメント
（陰極）14とを有している。好適な実施例では、陽極は
ほぼ矩形のブロック体であり、円筒形の貫通内孔21と複
数の座ぐり穴とが形成されている。

公知のように、所望のイオン原料のガス状元素または
化合物は、入口18から陽極円筒部内へ送り込まれる。陰
極および陽極間のガス内で電子の放電を発生させ、これ
によってガスを様々な中性および荷電粒子に解離させる
ことができる振幅の直流電圧を、陽極と陰極との間に発
生させる。中性粒子は、ガス流の一部として出口スリッ
ト19から流出する。

荷電粒子は、正のものも負のものも陽極内の放電室20
に入っている。スリット付近を流動している正の荷電粒
子は、陽極の外側の抽出電極（図示略）によって陽極か
ら抽出されて、公知の方法で加速されることにより、荷
電粒子のビームを形成する。

フィラメント絶縁体16は、円筒形の補助電極22内に取
り付けられており、これらの補助電極22は、第２絶縁体
アセンブリ（第２絶縁体手段）24内に取り付けられてお
り、陰極フィラメント14の一端側と他端側にそれぞれ近
接配置された第1,第２電極から構成される。

補助電極22及び第1,第２絶縁体16,24は、ハウジング1
2の両端部における座ぐり穴44,46内にそれぞれ設けられ
ており、これらは、ハウジングの両端部に、同一構造で
配置される。陰極フィラメント14と第１絶縁体16の中心
軸線は、図１に示すように、補助電極22と第２絶縁体24
の中心軸線に対して平行で上方にずれており、これらの
部材は、平行軸線上に配置されている。ここでは一方の
ものについてのみ詳細に説明する。

本発明によれば、絶縁体アセンブリ24の各々は、２つ
の部材26および28で構成されている。外側絶縁体26は、
以下に詳細に説明するように、陽極の端部に嵌込まれて
おり、フィラメント14と同軸的な円筒部30およびフラン
ジ部32を有している。内側絶縁体28は、外側円筒部30か
ら内方へ離して設けられた円筒部34と、外側絶縁体26の
フランジ部32に形成された座ぐり穴に収容されたフラン
ジ部36とを有している。

第２図に示されている電極および絶縁構造体は、イオ
ン源装置を設置したイオン注入装置内のイオン源装置取
付け構造体（図示略）によって陽極に対する軸方向位置
が維持されている。外側絶縁体26の回転方向位置は、陽
極12の端部に形成された穴に嵌込まれて、絶縁体の外周
部に形成された軸方向スロットと係合するピン38によっ
て維持されている。内側絶縁体28の回転方向位置は、外
側絶縁体のフランジ部32内に形成された穴に嵌込まれ
て、内側絶縁体のフランジ部36の外周部に形成されたス
ロットと係合するピン40によって維持されている。補助
電極22の半径方向位置は、電極に形成された半径方向穴
に嵌込まれて、内側絶縁体28の円筒部34に形成された軸
方向スロットと係合するピン41によって維持されてい
る。

補助電極22は、電極の外周部に形成された環状溝に嵌
込まれて、内側絶縁体28の外端部と係合するスナップリ
ング42によって、軸方向内方に空間20内へ移動しないよ
うに保持されている。

第３図は、第２図の上方左側の４分の１の部分の拡大
図である。第３図において、絶縁体アセンブリ24の外側
絶縁体26は、陽極12に形成された第２座ぐり穴44に締り
ばめされている。外側絶縁体の円筒部30は、陽極12の第
１座ぐり穴46内に収容されているが、本発明によれば、
環状空間48が、この座ぐり穴46の内径と円筒部30の外径
との間に形成されている。第１座ぐり穴46は、陽極の円
筒形の孔21よりも幾分大きく、これら内孔間の接合部分
がアール52として形成されており、この値は重要ではな
いが、好ましくは、座ぐり穴46および内孔21の半径間の
差と同じにする。

第３図に示すように、外側絶縁体26の一面54は座ぐり
穴44の底部に当接しているが、環状の窪みが面54に形成
されているため、円筒形の空間56がフランジ部32と陽極
12との間に形成されている。

内側絶縁体28および外側絶縁体26間の関係は、外側絶
縁体26および陽極12間の上記関係と同様であり、フラン
ジ部36が絶縁体26の端部に形成された座ぐり穴内に締り
ばめされており、円筒部34の外径および円筒部30の内径
は、それらの円筒部間に環状の空間58が形成される関係
に設定されている。空間56と同様な円筒形の空間60が、
フランジ部32とフランジ部36との間に形成されている。
絶縁体26および28の、陽極の内部に面した円筒形端部
は、それぞれ62および63で示すように、アールが付けら
れている。

補助電極22に設けられた大径部が、絶縁体28の内端部
に形成された座ぐり穴64内に、環状空間65が電極と絶縁
体との間に形成されるようにして、収容されている。補
助電極は、それと絶縁体24,26,28とによって放電室の端
部壁を形成できる大きさになっており、そのため、放電
室の端部に陽極部分がまったく存在していない。本実施
例では、放電室に面している陽極の表面積が端部壁の面
積の約50％を占めているが、十分な性能を得るために
は、この面積が端部壁の面積の少なくとも25％を占め、
残りの部分を絶縁体で形成するようにすればよいと考え
られる。

フィラメント絶縁体16の外径は66および68において段
差が付けられている一方、補助電極22の内径は70で小さ
くなっているため、第１環状空間72および第２環状空間
74が、絶縁体16と補助電極22との間に形成されている。
米国特許第4,760,262号に示すように、絶縁体16の内端
部が座ぐりされて、絶縁体とフィラメント14との間に環
状空間76が形成されている。

前述したように、好ましくは、絶縁体16および24は窒
化ほう素で形成する一方、補助電極22および陽極12はモ
リブデンで形成する。

本改良イオン源装置の全体的作用は、米国特許第4,76
0,262号に記載されているイオン源装置を含めた従来の
イオン源装置とほぼ同じであるから、ここでは詳細に説
明しない。しかし、上記特許の場合と同様に、補助電極
22は様々な方法で接続できることに注目されたい。すな
わち、第２図は、電線78で互いに接続した補助電極を示
している。第４図は、補助電極がフィラメント14の反対
側の端部に接続しているところを示している。第５図で
は、補助電極が電線81で互いに接続している一方、バイ
アス手段としての電源82がフィラメントと補助電極との
間に電圧を印加している。第６図では、電圧源83および
電線84,85によってフィラメント14の一端部とその反対
側の電極22との間に電圧が印加されている一方、電圧源
86および電線87,88によってフィラメント14の他端部と
その反対側の電極との間に等しい電圧が印加されてい
る。

（発明の効果）本発明のイオン源装置は補助電極と陽極との間の絶縁
体を２部材で構成し、この内側および外側の円筒絶縁体
間に環状空間を形成するので、補助電極と陽極間の電気
的絶縁を改善できる。また、補助電極と第1,第２絶縁体
とでプラズマ放電室の端部を形成して放電領域内の電子
密度が増加するようにするのでイオン化を促進させるこ
とができ、これらの構成により、装置の寿命およびビー
ムの純度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るイオン源装置の側端面図、第２図は第１図の２−２線に沿った断面図、第３図はイオン源装置の一部を拡大した部分横断面図、第４図〜第６図はそれぞれ補助電極に電位を加えるため
の各手段を示す本発明の概略断面構成図である。 10……イオン源装置、12……陽極 14……陰極フィラメント、16,24……絶縁体 20……放電室、26……外側絶縁体 28……内側絶縁体、30,34……円筒部 32,36……フランジ部 48,72,74,76……環状空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ステファンエスクエジョサムパヤンアメリカ合衆国，カリフォルニア 94550，リバーモア，エバーグレイズレイン 586 (56)参考文献実開昭63−150455（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4760262（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 27/00 - 27/26 H01J 37/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内孔（21）を有するハウジング（12）と、
このハウジング内に軸状に伸びている陰極と、前記ハウ
ジング内に前記陰極を支持している第１絶縁体手段（1
6）と、少なくとも一部分が前記陰極の一端部に近接し
ている第１電極と、少なくとも一部分が前記陰極の他端
部に近接している第２電極と、前記第１および第２電極
に電位を与えるバイアス手段と、前記第1,第２電極を前
記ハウジングから電気的に絶縁する第２絶縁体手段（2
4）とを有しているイオン源装置において、前記第２絶縁体手段（24）の各々が、内側絶縁体（28）
および外側絶縁体（26）を有しており、前記内側および
外側絶縁体は、互いに相対配置され、少なくともそれら
の一部分の間に空間（58）を形成することを特徴とする
イオン源装置。
【請求項２】前記第１絶縁体手段（16）、前記第1,第２
電極（22,22）および前記第２絶縁体手段（24）は、平
行軸線上に配置されて、前記ハウジングの端部内に収容
されており、前記第１絶縁体手段の各々は、前記陰極を
包囲してそれと係合する細長い円筒部材を有しており、
前記第１および第２電極の各々は、前記第１絶縁体手段
を包囲する円筒形部材を有しており、また、前記内側及
び外側絶縁体（28,26）の各々は、軸方向に延出した円
筒部および半径方向に延出したフランジ部を備えたほぼ
円筒形の部材を有しており、前記内側および外側絶縁体
の間の空間（58）は、前記内側絶縁体（28）の円筒部お
よび前記外側絶縁体（26）の円筒部間の環状空間で形成
されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】前記ハウジングの端部に座ぐり穴（44,4
6）が形成されており、前記外側絶縁体（26）が前記座
ぐり穴内に収容されて、フランジ部（32）が座ぐり穴の
底部に接触している請求項２に記載の装置。
【請求項４】ハウジングの各端部に、第１座ぐり穴（4
6）と、第１座ぐり穴よりも大径の第２座ぐり穴（44）
とが形成されており、前記外側絶縁体（26）は、前記各
座ぐり穴内に収容されて、フランジ部（32）の外径部が
第２座ぐり穴（44）の内面と係合し、フランジ部（32）
の一面（54）が第２座ぐり穴（44）の底部と係合し、さ
らに、円筒部（30）が第１座ぐり穴（46）の内径部との
間に空間（48）を保って、収容されている請求項２に記
載の装置。
【請求項５】第２座ぐり穴（44）の底部と接触している
フランジ部（32）の一面の一部分に窪みを形成して、フ
ランジ部と第２座ぐり穴の底部との間に円筒形の空間
（56）が形成されるようにした請求項４に記載の装置。
【請求項６】前記外側絶縁体（26）のフランジ部（32）
に座ぐり穴が形成されており、前記内側絶縁体（28）の
フランジ部（36）が前記座ぐり穴内に収容されて、フラ
ンジ部（36）の外径部が前記座ぐり穴の内面と係合し、
前記フランジ部（36）の一面が座ぐり穴の底部と係合
し、前記一面（54）の一部分に窪みを形成して、前記フ
ランジ部（36）と座ぐり穴の底部との間に円筒形の空間
（60）を形成するようにした請求項５記載の装置。
【請求項７】前記内側絶縁体（29）に座ぐり穴（64）が
形成されており、この座ぐり穴（64）内に入っている前
記第1,第２電極（22,22）の部分の外径を、前記座ぐり
穴（64）の内径よりも小さくして、前記電極の対応部分
と前記内側絶縁体（28）との間に環状空間（65）を形成
するようにした請求項２に記載の装置。
【請求項８】前記ハウジングの内孔（21）と前記第１座
ぐり穴（46）との接合部にアールが付けられている請求
項４に記載の装置。
【請求項９】前記アールが、前記内孔（21）と前記第１
座ぐり穴（46）の各半径の差にほぼ等しい請求項８に記
載の装置。
【請求項１０】プラズマ放電室（20）を形成する内孔
（21）を有して陽極を形成するハウジング（12）と、前
記放電室（20）内に軸方向に延在している陰極（14）
と、前記ハウジング内に前記陰極を支持している第１絶
縁体手段（16）と、少なくとも一部分が前記陰極の一端
部に近接している第１電極と、少なくとも一部分が前記
陰極の他端部に近接している第２電極と、前記第1,第２
電極に電位を与えるバイアス手段と、前記第1,第２電極
を前記ハウジングから電気的に絶縁する第２絶縁体手段
（24）とを有しているイオン源装置（10）において、前記第1,第２電極（22,22）および前記第1,第２絶縁体
手段（16,24）が、前記プラズマ放電室（20）の端部壁
を形成し、かつ前記ハウジング（12）の両端に開口する
座ぐり穴内に、前記第1,第２電極（22,22）のいずれか
を配置するようにしたことを特徴とするイオン源装置。
【請求項１１】前記第1,第２電極が、前記第１絶縁体手
段を包囲する円筒部材を有しており、前記電極の各々の
前記プラズマ放電室に面した端部の表面積が、前記端部
壁の各々の表面積の少なくとも25％を占めるようにした
請求項10に記載の装置。
【請求項１２】前記第1,第２絶縁体手段が窒化ほう素か
らなる請求項１ないし11のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】前記第1,第２絶縁体手段がアルミナから
なる請求項１ないし11のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】前記第1,第２電極がモリブデンからなる
請求項１ないし11のいずれかに記載の装置。