JP3254282B2 - Pulsed ion beam generation method - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、主に表面改質分野で使
用される金属イオンビームの発生方法に関する。The present invention relates to a method for generating a metal ion beam used mainly in the field of surface modification.
【０００２】[0002]
【従来の技術】イオン注入は、主に半導体製造における
ドーピイング処理技術として発達してきたが、近年、イ
オン注入技術を材料の表面改質に適用しようとする機運
が高まり、種々の研究開発が進められて来ている。表面
改質をイオン注入により行うには、ビーム電流の大きい
イオンビームの発生が必要であり、また多様な改質目的
に対応するために注入イオン種の多様性も要求される。
かかる要求を満足するイオンビーム発生装置として、特
開昭６３−２７６８５８号公報に開示されているよう
に、パルス状イオンビーム発生装置がある。この装置に
よると、固体金属カソードとアノードとの間にパルス状
アーク電流を供給してパルス状の真空アーク放電を生じ
させ、これにより生じたプラズマからイオンを引き出し
加速してパルス状のイオンビームを得ている。2. Description of the Related Art Ion implantation has been developed mainly as a doping treatment technique in semiconductor manufacturing. In recent years, however, there has been an increasing tendency to apply the ion implantation technique to surface modification of materials, and various research and development have been advanced. Are coming. In order to perform the surface modification by ion implantation, it is necessary to generate an ion beam having a large beam current, and a variety of implanted ion species is required in order to cope with various modification purposes.
As an ion beam generator that satisfies such demands, there is a pulsed ion beam generator as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-276858. According to this apparatus, a pulsed arc current is supplied between a solid metal cathode and an anode to generate a pulsed vacuum arc discharge, and ions are extracted from the generated plasma and accelerated to form a pulsed ion beam. It has gained.
【０００３】この場合、イオンビームの1 パルス毎にア
ーク放電の起動、停止を行っており、アーク放電の起動
はカソードに絶縁物を介して設けられたトリガー用電極
にパルス毎にカソードに対して高電圧のトリガパルスを
印加してスパーク( アーク)を発生させることにより行
っている。尚、アーク放電の停止はアーク電流をゼロに
することにより行われる。このように、トリガパルス毎
に真空アーク放電を発生・停止させ、これによりプラズ
マ及びイオンビームのパルス化を行っている。In this case, the arc discharge is started and stopped for each pulse of the ion beam, and the arc discharge is started by a trigger electrode provided on the cathode via an insulator with respect to the cathode for each pulse. This is performed by applying a high-voltage trigger pulse to generate a spark (arc). The arc discharge is stopped by setting the arc current to zero. In this way, the vacuum arc discharge is generated and stopped for each trigger pulse, thereby pulsing the plasma and the ion beam.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように、パルス毎にトリガー電極とカソード間にアーク
を発生させ、このアークによりアノードとカソード間に
アーク放電を生じさせ、アーク電力の供給・停止を繰り
返すことによりイオンビームをパルス化する方法では、
パルス毎に確実にアーク放電を発生させることが困難で
あり、パルスの欠け落ちが生じ、信頼性・安定性が劣
る。更に、アーク放電を繰り返すうちにカソードから蒸
発した金属がトリガー電極とカソード間の絶縁物に付着
して絶縁性を低下させ、ついにはアーク放電が不可能に
なり、連続運転を行うことが困難で、生産性が低い、と
いう問題がある。However, as in the prior art, an arc is generated between the trigger electrode and the cathode for each pulse, and an arc discharge is generated between the anode and the cathode by this arc, thereby supplying and stopping the arc power. In the method of pulsing the ion beam by repeating
It is difficult to reliably generate an arc discharge for each pulse, and a dropout of the pulse occurs, resulting in poor reliability and stability. Furthermore, while the arc discharge is repeated, the metal evaporated from the cathode adheres to the insulator between the trigger electrode and the cathode, lowering the insulating property, and eventually the arc discharge becomes impossible, making it difficult to perform continuous operation. However, there is a problem that productivity is low.
【０００５】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、イオンビーム発生の信頼性、安定性が高く、また連
続運転が可能なパルス状イオンビームの発生方法を提供
することを目的とする。The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a method of generating a pulsed ion beam which has high reliability and stability of ion beam generation and can be operated continuously.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明のパルス状イオン
ビームの発生方法は、カソードとトリガー電極との間に
アークを発生させることにより、カソードとアノードと
の間に真空アーク放電を生じさせ、これにより生じたプ
ラズマからイオンを引き出してイオンビームを発生させ
る方法において、アーク電流をイオンビームの発生に必
要な定常アーク電流値とアーク放電を維持するのに必要
な放電維持アーク電流値との間で反復的に変化させる。According to the method for generating a pulsed ion beam of the present invention, an arc is generated between a cathode and a trigger electrode to generate a vacuum arc discharge between the cathode and the anode. In the method of extracting ions from the plasma generated thereby to generate an ion beam, the arc current is set between a steady arc current value required for generating the ion beam and a discharge maintaining arc current value required for maintaining arc discharge. To change repeatedly.
【０００７】[0007]
【作用】トリガー電極とカソード間で発生した最初のア
ークにより、一旦アノードとカソード間にアーク放電が
開始した後は、カソードとアノードには常にアーク放電
を維持するのに必要な放電維持アーク電流が流されるの
で、以後アーク放電が持続する。このため、アーク放電
の繰り返しに伴う弊害を防止することができ、またアー
ク発生法として種々のタイプのものが選択可能になる。
例えば、トリガー電極とカソードとの機械的接触・離反
により簡単確実にアークを発生させることができる。ま
た、トリガー電極は、通常、カソードから離れた位置に
あるため、トリガー電極とカソードとの絶縁性は常に確
保されており、トリガー電極の絶縁不良によるアーク放
電の停止のおそれはない。After the arc is first started between the anode and the cathode by the first arc generated between the trigger electrode and the cathode, the discharge maintaining arc current necessary for maintaining the arc discharge is always applied to the cathode and the anode. The arc discharge continues thereafter. For this reason, it is possible to prevent the adverse effects caused by the repeated arc discharge, and it is possible to select various types of arc generation methods.
For example, an arc can be easily and reliably generated by mechanical contact / separation between the trigger electrode and the cathode. In addition, since the trigger electrode is usually located at a position distant from the cathode, insulation between the trigger electrode and the cathode is always ensured, and there is no danger of arc discharge being stopped due to poor insulation of the trigger electrode.
【０００８】アーク電流が放電維持アーク電流値にある
場合、プラズマ密度は非常に小さく、イオンビームは発
生しないが、定常アーク電流値に変化させることによ
り、電流の変化に応じてプラズマ密度が急速に大きくな
り、プラズマ中のイオンが引き出し電極により引き出さ
れてイオンビームが発生するようになる。When the arc current is at the discharge maintaining arc current value, the plasma density is very small and no ion beam is generated. However, by changing the arc current value to the steady arc current value, the plasma density is rapidly increased in accordance with the current change. As a result, the ions in the plasma are extracted by the extraction electrode to generate an ion beam.
【０００９】[0009]
【実施例】図１は本発明を実施するためのイオンビーム
発生装置の機械的構成の一例を示す概念図であり、該装
置は石英等の絶縁材で形成された円筒部材1 を備えてお
り、その一端開口部には該開口部を閉塞する基板2 が付
設され、他方の開口部には一対のリング状部材3 、4 が
絶縁部材5 を介して気密に連設されている。前記円筒部
材1 の内部は真空室6 とされ、該真空室6 に基板2 の中
心部に突設した電極基部7 と同心状に導電性、熱伝導性
に優れた内筒8 及び外筒9 が配設され、内筒8 及び外筒
9 の基部に形成されたフランジ部は、前記基板2 の周縁
部と前記円筒部材1 の端部との間に絶縁部材10、11を介
して気密に連設されている。FIG. 1 is a conceptual view showing an example of a mechanical configuration of an ion beam generator for carrying out the present invention. The apparatus has a cylindrical member 1 formed of an insulating material such as quartz. A substrate 2 for closing the opening is attached to one end of the opening, and a pair of ring-shaped members 3 and 4 are connected to the other opening in an airtight manner via an insulating member 5. The interior of the cylindrical member 1 is a vacuum chamber 6, and an inner cylinder 8 and an outer cylinder 9 having excellent conductivity and heat conductivity concentrically with an electrode base 7 protruding from the center of the substrate 2 in the vacuum chamber 6. Are arranged, the inner cylinder 8 and the outer cylinder
The flange portion formed at the base of 9 is airtightly connected between the peripheral portion of the substrate 2 and the end of the cylindrical member 1 via insulating members 10 and 11.
【００１０】前記電極基部7 の先端部には所期のイオン
を得るための固体金属からなるカソード14が一部埋設さ
れ、該カソード14の外周縁部にはリング状絶縁部材15が
付設されている。カソード14の近傍には空間を介してト
リガー電極16が支持部材17の先端に保持され、該支持部
材17の脚部は基板2 に貫通状に取付られた絶縁部材18に
よって支持されている。A cathode 14 made of a solid metal for obtaining desired ions is partially buried at the tip of the electrode base 7, and a ring-shaped insulating member 15 is attached to the outer peripheral edge of the cathode 14. I have. In the vicinity of the cathode 14, a trigger electrode 16 is held at the tip of a supporting member 17 via a space, and the legs of the supporting member 17 are supported by an insulating member 18 attached to the substrate 2 in a penetrating manner.
【００１１】前記内筒8 の中央部には支持板を介してリ
ング状のアノード21が付設されており、一方、前記外筒
9 の中央部並びにリング状部材3 、4 には各々支持板を
介して3 枚の第1 グリット22、第2 グリット23、第3 グ
リット24が付設され、これらのグリットにより引き出し
電極25が構成されている。該装置のリング状部材4 は、
イオンビームの被照射対象物が収納される真空槽50( 本
発明構成外) に気密に接続され、真空槽50と真空室6 と
が連通状とされる。真空槽50には真空ポンプに配管され
た排気管が接続されており、排気管から真空槽50内のガ
スを排気することにより、真空槽50及び真空室6 が真空
状態にされる。At the center of the inner cylinder 8, a ring-shaped anode 21 is attached via a support plate.
The first grit 22, the second grit 23, and the third grit 24 are attached to the center portion of the ring 9 and the ring-shaped members 3 and 4 via support plates, respectively, and the grit forms a lead electrode 25. ing. The ring-shaped member 4 of the device comprises:
The vacuum chamber 50 (outside the configuration of the present invention) in which the object to be irradiated with the ion beam is housed is airtightly connected, and the vacuum chamber 50 and the vacuum chamber 6 are communicated. An exhaust pipe connected to a vacuum pump is connected to the vacuum chamber 50, and the gas in the vacuum chamber 50 is exhausted from the exhaust pipe, whereby the vacuum chamber 50 and the vacuum chamber 6 are evacuated.
【００１２】図2 は前記イオンビーム発生装置の電気回
路ブロック図であり、カソード14とトリガー電極16との
間には10〜20kVのトリガーパルスを発生させるトリガー
電源31が接続され、カソード14とアノード21との間には
可変電流インバーター等のアーク電源32が接続され、該
アーク電源32には出力電流を制御するための電圧信号(
通常0 〜10V 程度) を出力するパルス電圧発生器33が接
続されている。FIG. 2 is a block diagram of an electric circuit of the ion beam generator. A trigger power supply 31 for generating a trigger pulse of 10 to 20 kV is connected between a cathode 14 and a trigger electrode 16. An arc power source 32 such as a variable current inverter is connected between the arc power source 21 and a voltage signal (for controlling the output current).
A pulse voltage generator 33 that outputs (normally about 0 to 10 V) is connected.
【００１３】前記アーク電源32の正側には抵抗34を介し
て第一グリット22が接続され、該第一グリット22とアノ
ード21との間には火花ギャップ機構35が設けられてい
る。前記第一グリット22はアノード21に対して低電位と
することにより、アノード21の開口より拡散してきたプ
ラズマからイオンを引き込むためのものである。また、
前記アーク電源32の正側と第3 グリット24との間には後
者を負側とする数十kVの加速電圧が加速電源36により常
時印加され、第一グリット22から第3 グリット24にかけ
て電位が大きく降下しており、これにより第1 グリット
22により引き込まれたイオンが第３グリット24側に加速
される。また、第2 グリット23と第３グリット24との間
には前者を負側とする抑制電源37が接続され、第2 グリ
ット23が第３グリット24に対して僅かに負電位とされ、
アノード21側への電子の逆流を防止している。The first grit 22 is connected to the positive side of the arc power supply 32 via a resistor 34, and a spark gap mechanism 35 is provided between the first grit 22 and the anode 21. The first grit 22 is used to draw ions from the plasma diffused from the opening of the anode 21 by setting the potential to a low level with respect to the anode 21. Also,
An acceleration voltage of several tens of kV with the latter being the negative side is constantly applied between the positive side of the arc power supply 32 and the third grid 24 by the acceleration power supply 36, and a potential is applied from the first grid 22 to the third grid 24. Great descent, causing the first grit
The ions drawn by 22 are accelerated to the third grit 24 side. Further, a suppression power supply 37 having the former as a negative side is connected between the second grit 23 and the third grit 24, and the second grit 23 is set to a slightly negative potential with respect to the third grit 24,
Backflow of electrons to the anode 21 side is prevented.
【００１４】本発明を実施するには、まず、イオンビー
ムを発生することなくアーク放電を維持するのに必要
な、好ましくは最低の放電維持アーク電流値Ｉamをアー
ク電源32から流すのに必要な制御電圧( Ｌ) およびイオ
ンビームを発生させるのに必要な定常アーク電流値Ｉan
を流すのに必要な制御電圧( Ｈ) を求め、パルス電圧発
生器33からＬを出力し、アーク電源32からＩamを流すよ
うにしておく。また、引き出し電極25に加速電圧、抑制
電圧を印加しておく。In order to carry out the present invention, first, it is necessary to supply the arc discharge power source 32 with the minimum discharge maintaining arc current value I am necessary for maintaining the arc discharge without generating the ion beam. Control voltage (L) and steady arc current value I an necessary to generate ion beam
The control voltage (H) necessary to supply the electric current is determined, L is output from the pulse voltage generator 33, and I am is supplied from the arc power supply 32. Further, an acceleration voltage and a suppression voltage are applied to the extraction electrode 25 in advance.
【００１５】そして、図3 に示すように、トリガー電極
16にトリガーパルスを1 発印加すると、カソード14とア
ノード21との間にアーク放電が開始する。尚、放電を確
実にするためトリガーパルスを数発印加するようにして
もよい。この際、アーク電流はＩamに押さえられている
ため、プラズマ密度は極めて低く、イオンビームは発生
せず、ビーム電流はほとんど零である。この状態でパル
ス電圧発生器33よりＨを出力すると、充分なアーク放電
プラズマが形成され、加速電圧が印加された引き出し電
極25によりイオンビームが生成される。この状態ではビ
ーム電流はアーク電流に呼応して大きな値となってい
る。このようにパルス電圧発生器33からＬ、Ｈを周期的
に変化させることにより、実質的にパルス状のイオンビ
ームを形成することができる。Then, as shown in FIG. 3, the trigger electrode
When one trigger pulse is applied to 16, an arc discharge starts between the cathode 14 and the anode 21. Note that several trigger pulses may be applied to ensure discharge. At this time, since the arc current is suppressed to I am , the plasma density is extremely low, no ion beam is generated, and the beam current is almost zero. When H is output from the pulse voltage generator 33 in this state, sufficient arc discharge plasma is formed, and an ion beam is generated by the extraction electrode 25 to which the acceleration voltage is applied. In this state, the beam current has a large value corresponding to the arc current. By periodically changing L and H from the pulse voltage generator 33 in this manner, a substantially pulsed ion beam can be formed.
【００１６】図3 の具体的数値の一例を下記に示す。こ
の例はＴｉイオンビームを生成する場合のものである。 トリガー電極電圧 （Ｖt ）： ２０ ｋＶ 定常アーク電流値 （Ｉan）： 160 〜180 Ａ 放電維持アーク電流値（Ｉam）： 60 〜 80 Ａ 加速電圧 （Ｖa ）： ７０ ｋＶ 定常イオンビーム電流（Ｉi ）： 500 ｍＡ パルス幅 （Ｔp ) ： １ ｍｓ パルス周波数 ： １０ Ｈｚ 叙上のイオンビーム発生装置では、トリガー電極はカソ
ードの近傍に固定したものを説明した。かかる例によっ
ても、従来に比して電極構造の簡単化を図ることができ
るが、本発明によれば、アーク発生手段を自由に選択す
ることができ、例えば、図１中に二点鎖線で示したよう
に、トリガー電極16を支持する支持部材17の脚部を基板
2 に貫通状に取付られた絶縁部材18に気密かつ軸方向及
び周方向に可回動に支持することにより、トリガー電極
16の先端をカソード14の先端面に当接・離反することが
でき、かかる機械的操作によってアークを確実に発生さ
せることができる。また、アーク放電開始後、トリガー
電極16を内筒8 側に退避させることにより、電極がプラ
ズマにほとんど曝されないようになり、電極のより長寿
命化を図ることができる。この場合、図４に示すよう
に、トリガー電極16は短絡防止用の抵抗40を介してアノ
ード21に接続すればよく、図2 に示すトリガー電源31が
不要になり、電気回路の簡単化を図ることができる。An example of specific numerical values in FIG. 3 is shown below. This example is for generating a Ti ion beam. Trigger electrode voltage (Vt): 20 kV Steady arc current value (I an ): 160 to 180 A Discharge sustaining arc current value (I am ): 60 to 80 A Acceleration voltage (V a ): 70 kV Steady ion beam current (I Ii ): 500 mA Pulse width (Tp): 1 ms Pulse frequency: 10 Hz In the above ion beam generator, the trigger electrode was fixed near the cathode. According to such an example, the electrode structure can be simplified as compared with the related art. However, according to the present invention, the arc generating means can be freely selected. For example, the two-dot chain line in FIG. As shown, the legs of the support member 17 supporting the trigger electrode 16 are
2 is supported in an airtight and axially and circumferentially rotatable manner on an insulating member 18 mounted in
The tip of the cathode 16 can be brought into contact with or separated from the tip of the cathode 14, and the mechanical operation can reliably generate an arc. Further, by retracting the trigger electrode 16 to the inner cylinder 8 side after the start of the arc discharge, the electrode is hardly exposed to the plasma, and the life of the electrode can be extended. In this case, as shown in FIG. 4, the trigger electrode 16 may be connected to the anode 21 via the resistor 40 for preventing short circuit, and the trigger power supply 31 shown in FIG. 2 is not required, thereby simplifying the electric circuit. be able to.
【００１７】本発明を実施するためのイオンビーム発生
装置は、叙上のものに限らず、必要に応じて電極基部7
や内筒8 、外筒9 のフランジ部等に冷却流体を流すため
の流路を形成してもよく、またアノード21の開口から第
1 グリット22側にプラズマが流出するのを促進するため
のマグネットコイルを円筒部材1 の外周部の同心状に設
けてもよい。The ion beam generator for carrying out the present invention is not limited to the above-mentioned one, but may be an electrode base 7 if necessary.
A flow path for flowing the cooling fluid may be formed in the flanges of the inner cylinder 8 and the outer cylinder 9 and the like.
A magnet coil for promoting the outflow of the plasma to the 1 grit 22 side may be provided concentrically on the outer peripheral portion of the cylindrical member 1.
【００１８】[0018]
【発明の効果】以上説明した通り、本発明のパルス状イ
オンビームの発生方法は、アーク電流をイオンビームの
発生に必要な定常アーク電流値とアーク放電を維持する
のに必要な放電維持アーク電流値との間で変化させるの
で、一旦アノードとカソード間にアーク放電が開始した
後は、アーク放電が持続し、従来のようにパルス毎にア
ーク放電を発生させる必要がなく、イオンビームの信頼
性、安定性が高い。また、アーク放電の開始に必要なカ
ソードとトリガー電極間のアーク発生についても、パル
ス毎に行う必要がないため、従来のようにトリガー電極
の絶縁不良のおそれがなく、連続運転が可能となる。As described above, according to the method for generating a pulsed ion beam of the present invention, the arc current is controlled by the steady arc current value required for generating the ion beam and the discharge maintaining arc current required for maintaining the arc discharge. Once the arc discharge starts between the anode and the cathode, the arc discharge continues, and there is no need to generate an arc discharge for each pulse as in the past, and the reliability of the ion beam High stability. In addition, since it is not necessary to generate an arc between the cathode and the trigger electrode required for starting the arc discharge for each pulse, there is no possibility of the trigger electrode being insulated as in the related art, and continuous operation can be performed.
【図１】本発明を実施するためのイオンビーム発生装置
の断面説明図である。FIG. 1 is an explanatory sectional view of an ion beam generator for carrying out the present invention.
【図２】本発明を実施するためのイオンビーム発生装置
の電気回路ブロック図である。FIG. 2 is an electric circuit block diagram of an ion beam generator for implementing the present invention.
【図３】本発明実施例のタイムチャートである。FIG. 3 is a time chart of the embodiment of the present invention.
【図４】本発明を実施するためのイオンビーム発生装置
の他の電気回路ブロック図である。FIG. 4 is another electric circuit block diagram of an ion beam generator for implementing the present invention.
14 カソード 16 トリガー電極 21 アノード 25 引き出し電極 31 トリガー電源 32 アーク電源 33 パルス電圧発生器 36 加速電源 37 抑制電源 14 Cathode 16 Trigger electrode 21 Anode 25 Extraction electrode 31 Trigger power supply 32 Arc power supply 33 Pulse voltage generator 36 Acceleration power supply 37 Suppression power supply
フロントページの続き (72)発明者 熊切 正 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 西神総合研究地 区内 (72)発明者 宗政 淳 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 西神総合研究地 区内 (72)発明者 犬石 典之 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所 西神総合研究地 区内 (56)参考文献 特開 昭63−211543（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−167941（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−276858（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/08 H01J 27/00 - 27/26 Continuing on the front page (72) Inventor Tadashi Kumakiri 1-5-5 Takatsukadai, Nishi-ku, Kobe-shi, Hyogo Prefecture Kobe Steel, Ltd. Nishi-kami Research Area (72) Inventor Atsushi Munemasa Takatsuka, Nishi-ku, Kobe-shi, Hyogo Prefecture Kobe Steel Co., Ltd. Nishi Ward Kobe Steel Co., Ltd. Nishi Ward Kobe Steel Co., Ltd. Within the ward (56) References JP-A-63-211543 (JP, A) JP-A-1-1677941 (JP, A) JP-A-63-276858 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. . 7, DB name) H01J 37/08 H01J 27/00 - 27/26
Claims (1)
を発生させることにより、カソードとアノードとの間に
真空アーク放電を生じさせ、これにより生じたプラズマ
からイオンを引き出してイオンビームを発生させる方法
において、 アーク電流をイオンビームの発生に必要な定常アーク電
流値とアーク放電を維持するのに必要な放電維持アーク
電流値との間で反復的に変化させることを特徴とするパ
ルス状イオンビーム発生方法。1. A method of generating an arc between a cathode and a trigger electrode, thereby generating a vacuum arc discharge between the cathode and the anode, and extracting ions from the generated plasma to generate an ion beam. Wherein the arc current is repeatedly changed between a steady arc current value required to generate an ion beam and a discharge maintaining arc current value required to maintain an arc discharge. Method.
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