JPH0752635B2 - Ion source device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電子放出源から電子を供給し、直流放電によ
りイオン化ガスをプラズマ化してイオンビームを生成す
るイオン源装置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ion source device that supplies electrons from an electron emission source and plasmaizes an ionized gas by direct current discharge to generate an ion beam.

［従来の技術］ 従来、イオンビームスパッタリング，イオンビームミキ
シング，イオンアシスト等に用いられる代表的なイオン
源装置として、カウフマン型イオン源装置及びバケット
型イオン源装置等がある。[Prior Art] As typical ion source devices conventionally used for ion beam sputtering, ion beam mixing, ion assist, and the like, there are Kauffman type ion source devices and bucket type ion source devices.

（従来例１） 従来のカウフマン型イオン源装置は、第５図に示す構成
になっており、同図において、１はステンレス等の非磁
性体の金属製の筐体、２は筐体１により形成されたプラ
ズマ生成室、３は生成室２に設けられたフィラメントで
あり、タングステンW,ホウ化ランタンNaB₆等からなる。
４はフィラメント３の加熱用のフィラメント電源、５は
生成室２に設けられた円筒状のアノードである。(Conventional Example 1) A conventional Kauffman type ion source device has a configuration shown in FIG. 5, in which reference numeral 1 denotes a non-magnetic metal case such as stainless steel, and 2 denotes a case 1. The plasma generation chamber 3 formed is a filament provided in the generation chamber 2, and is made of tungsten W, lanthanum boride NaB _6, or the like.
Reference numeral 4 is a filament power source for heating the filament 3, and 5 is a cylindrical anode provided in the generation chamber 2.

６は生成室２へガス導入口、７はイオンビーム引出し電
極群であり、第１電極8,第２電極9,第３電極10から構成
されている。11は筐体１の外側に設けられた円筒状の磁
場発生用の永久磁石又は電磁石である。6 is a gas inlet to the generation chamber 2, and 7 is an ion beam extraction electrode group, which is composed of a first electrode 8, a second electrode 9, and a third electrode 10. Reference numeral 11 denotes a cylindrical permanent magnet or electromagnet for generating a magnetic field, which is provided outside the housing 1.

12はアーク電源であり、陽極がアノード５に，陰極が抵
抗13を介して筐体１に接続され，アノード５にアノード
電圧を印加する。14は加速電源であり、陽極がアーク電
源12の陰極に接続され、筐体１と同電位の第１電極８に
アノード電圧より低い正の加速電圧を印加する。15は第
２電極９の負の電圧を印加する減速電源である。Reference numeral 12 denotes an arc power source, the anode of which is connected to the anode 5 and the cathode of which is connected to the housing 1 via the resistor 13 to apply an anode voltage to the anode 5. An accelerating power source 14 has an anode connected to the cathode of the arc power source 12 and applies a positive accelerating voltage lower than the anode voltage to the first electrode 8 having the same potential as the case 1. A deceleration power source 15 applies a negative voltage to the second electrode 9.

そして、フィラメント３はカソードとしての熱電子放出
源であり、フィラメント電源４の抵抗加熱により高温に
保持されて熱電子ｅ′を放出し、例えばタングステンで
は2400℃，ホウ化ランタンでは1300℃程度に加熱され
る。The filament 3 is a thermoelectron emission source as a cathode, and is maintained at a high temperature by resistance heating of the filament power source 4 to emit thermoelectrons e '. For example, tungsten is heated to 2400 ° C, and lanthanum boride is heated to about 1300 ° C. To be done.

一方、ガス導入口６からイオン化ガス，例えばアルゴン
（Ar）等の希ガス或いは酸素ガス等の反応性ガスがプラ
ズマ生成室２に導入される。On the other hand, an ionized gas, for example, a rare gas such as argon (Ar) or a reactive gas such as oxygen gas is introduced into the plasma generation chamber 2 from the gas introduction port 6.

そして、フィラメント３のアノード５間の放電により、
導入されたイオン化ガスのプラズマ16が生成され、電極
群７のビーム引出し作用により、プラズマ中のイオンが
イオンビームとなってスパッタ室等に引き出される。Then, due to the discharge between the anodes 5 of the filament 3,
The plasma 16 of the ionized gas introduced is generated, and the beam extraction action of the electrode group 7 causes the ions in the plasma to become an ion beam and be extracted to the sputtering chamber or the like.

このとき、磁石11の磁場により、プラズマ16の生成効率
の向上或いはプラズマ16の閉じ込め向上が図られる。At this time, the magnetic field of the magnet 11 improves the generation efficiency of the plasma 16 or the confinement of the plasma 16.

（従来例２） 従来のバケット型イオン源装置は、第６図に示す構成に
なっており、第５図の構成と異なる点はつぎのとおりで
ある。(Conventional Example 2) The conventional bucket type ion source device has the configuration shown in FIG. 6, and the points different from the configuration in FIG. 5 are as follows.

第５図のアノード５がなく、アーク電源12の陽極が筐体
１に直接接続され、筐体１がアノードとなり、加速電源
14の陽極が筐体１に絶縁体17を介した電極群７の第１電
極８に直接或いは抵抗を介して接続され、永久磁石11が
複数個の環状体から構成され、筐体１の内部にカスプ磁
場を形成するように配置されている点である。The anode of the arc power supply 12 is directly connected to the housing 1 without the anode 5 of FIG.
The anode of 14 is connected to the housing 1 via the insulator 17 to the first electrode 8 of the electrode group 7 directly or via a resistor, and the permanent magnet 11 is composed of a plurality of annular bodies. The point is that it is arranged so as to form a cusp magnetic field.

そして、作用は第５図の場合とほぼ同様である。The operation is almost the same as in the case of FIG.

（従来例３） 従来のホローカソード型イオン源装置は、第７図に示す
構成になっており、第６図と異なる点はつぎのとおりで
ある。(Conventional Example 3) The conventional hollow cathode ion source device has the configuration shown in FIG. 7, and the points different from FIG. 6 are as follows.

フィラメント３がなく、筐体１の左側開口部に絶縁体18
を介して非磁性体の金属からなるカソード筐体19が装着
され、該筐体19の左側開口部に絶縁体20を介して非磁性
体の金属製の蓋板21が装着され、カソード室22が形成さ
れている。There is no filament 3 and the insulator 18 is provided in the left opening of the housing 1.
A cathode casing 19 made of a non-magnetic metal is attached via a via, and a non-magnetic metallic lid plate 21 is attached to the left side opening of the casing 19 via an insulator 20. Are formed.

カソード室22にはホローカソード23が設けられ、蓋板21
に一体に形成された筒状体24の外周にヒータコイル25が
巻回され、筒状体24の内面に熱電子放出材26が設けら
れ、ホローカソード23が構成され、ヒータコイル25が電
源４で加熱され、熱電子放出材26が筒状体24を介して加
熱される。A hollow cathode 23 is provided in the cathode chamber 22, and the cover plate 21
The heater coil 25 is wound around the outer periphery of the tubular body 24 integrally formed with the hollow body 24, the thermoelectron emission material 26 is provided on the inner surface of the tubular body 24, the hollow cathode 23 is configured, and the heater coil 25 is connected to the power source 4. And the thermoelectron emission material 26 is heated via the tubular body 24.

蓋板21には筒状体24内側へのガス導入口27が設けられて
いる。The cover plate 21 is provided with a gas introduction port 27 to the inside of the tubular body 24.

アーク電源12の陰極は蓋板21,筒状体24に接続されると
ともに、抵抗13を介してカソード筐体19及び第１電極８
に接続されている。The cathode of the arc power source 12 is connected to the cover plate 21 and the tubular body 24, and the cathode casing 19 and the first electrode 8 are connected via the resistor 13.
It is connected to the.

そして、生成室２に導入口６からイオン化ガスが導入さ
れるとともに、筒状体24の内側に導入口27からアルゴン
等のホロー放電用の希ガスが導入され、電源印加により
アノードを形成する筐体１とホローカソード23との間で
放電が生じ、筒状体24の内側空間において希ガスのホロ
ー放電が発生し、ホロー放電に基づく熱電子放出により
熱電子放出材26から熱電子ｅ′が放出され、この熱電子
ｅ′がアノード電圧により生成室２に導入される。Then, the ionized gas is introduced into the generation chamber 2 through the introduction port 6, and a rare gas for hollow discharge such as argon is introduced through the introduction port 27 inside the cylindrical body 24, and a casing that forms an anode by applying a power source. A discharge is generated between the body 1 and the hollow cathode 23, a hollow discharge of a rare gas is generated in the inner space of the cylindrical body 24, and thermoelectrons e ′ are emitted from the thermoelectron emission material 26 by thermoelectron emission based on the hollow discharge. The thermoelectrons e ′ are emitted and introduced into the generation chamber 2 by the anode voltage.

そのため、筐体１とホローカソード23との間の放電によ
り生成室２にプラズマ16が生成され、カソード23から供
給される熱電子ｅ′により放電が持続し、第６図の場合
と同様、カス導入口６からのイオン化ガスが電離され、
電極群７を介してイオンビームが引き出される。Therefore, the plasma 16 is generated in the generation chamber 2 by the discharge between the housing 1 and the hollow cathode 23, and the discharge is continued by the thermoelectrons e'supplied from the cathode 23. As in the case of FIG. The ionized gas from the inlet 6 is ionized,
An ion beam is extracted via the electrode group 7.

（従来例４） 一方、特開昭62−93834号公報（HO1J 27/08）には、プ
ラズマ生成により電離した電子を放出する電子源を備え
たイオン源装置が記載されている。(Prior art example 4) On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-93834 (HO1J 27/08) describes an ion source device equipped with an electron source that emits electrons ionized by plasma generation.

このイオン源装置は、電子発生室とプラズマ発生室（前
記生成室２に相当）とを備える。This ion source device includes an electron generation chamber and a plasma generation chamber (corresponding to the generation chamber 2).

そして、電子発生室の高周波放電によりこの発生室内に
プラズマが生成される。Then, plasma is generated in the electron generating chamber due to the high frequency discharge.

さらに、電子発生室とプラズマ発生室との間に両室の筐
体から電気的に絶縁された電子引き出し電極が設けら
れ、電子発生室の筐体と電子引き出し電極との間に、電
子発生室に対して電子引出し電極が正電位になる極正の
直流電圧（電子引出し電圧）V₁が印加される。Further, an electron extraction electrode electrically insulated from the housings of both chambers is provided between the electron generation chamber and the plasma generation chamber, and the electron generation chamber is provided between the housing of the electron generation chamber and the electron extraction electrode. A very positive DC voltage (electron extraction voltage) V _{1 at} which the electron extraction electrode has a positive potential is applied.

この直流電圧V₁の印加により、電子引出し電極を用いた
電子銃の作用で電子発生室から電子のみが加速されて引
き出され、電子引出し電極を介してプラズマ発生室に供
給される。By applying the DC voltage V ₁ , only electrons are accelerated and extracted from the electron generation chamber by the action of the electron gun using the electron extraction electrode, and are supplied to the plasma generation chamber via the electron extraction electrode.

そして、プラズマ発生室により、引き出された電子を利
用した直流放電（アーク放電）を発生してプラズマが生
成され、このプラズマからビーム引出し電極を介してイ
オンビームが引き出される。Then, the plasma generation chamber generates a DC discharge (arc discharge) using the extracted electrons to generate plasma, and an ion beam is extracted from the plasma via the beam extraction electrode.

［発明が解決しようとする課題］ 前記従来の第５図，第６図のイオン源装置は、電子放出
源としてのフィラメント３が生成室２に設けられ、この
フィラメント３を高温に維持し、熱電子放出現象を利用
してプラズマ16の生成に必要な熱電子ｅ′を生成するた
め、フィラメント３は、高温加熱により材料が蒸発し、
その上、イオン衝撃によるスパッタリング等の過酷な条
件に晒される。[Problems to be Solved by the Invention] In the conventional ion source device shown in FIGS. 5 and 6, the filament 3 as an electron emission source is provided in the generation chamber 2, and the filament 3 is maintained at a high temperature to generate heat. Since the thermoelectrons e ′ necessary for generating the plasma 16 are generated by utilizing the electron emission phenomenon, the filament 3 evaporates the material by high temperature heating,
Moreover, they are exposed to severe conditions such as sputtering due to ion bombardment.

そのため、フィラメント３の消耗が激しく、イオン化ガ
スがアルゴンの場合、タングステンで50時間，ホウ化ラ
ンタンで100時間程度しか使用できない問題点があり、
しかも、イオン化ガスが反応性ガス，例えば酸素の場合
には、フィラメント３が急激に酸化して極めて短時間に
消耗する問題点がある。Therefore, there is a problem that the filament 3 is heavily consumed, and when the ionized gas is argon, it can be used for about 50 hours with tungsten and about 100 hours with lanthanum boride.
Moreover, when the ionized gas is a reactive gas such as oxygen, the filament 3 is rapidly oxidized and consumed in an extremely short time.

つぎに、第７図のイオン源装置は、熱電子放出のホロー
放電が、イオン化ガスが供給されるプラズマ生成室２と
は別個のカソード室22で希ガスを用いて行われ、第５
図，第６図の装置に比して長時間の使用が可能となる
が、熱電子放出材26が高温下でのイオン衝撃によるスパ
ッタリングを受けるため、イオン化ガスがアルゴン等の
希ガスの場合でも100〜200時間しか使用できない問題点
がある。Next, in the ion source device of FIG. 7, the hollow discharge of thermionic emission is performed by using the rare gas in the cathode chamber 22 separate from the plasma generation chamber 2 to which the ionized gas is supplied.
Although it can be used for a longer time than the apparatus shown in FIGS. 6 and 6, even when the ionized gas is a rare gas such as argon, since the thermionic emission material 26 is subjected to sputtering due to ion bombardment at high temperature. There is a problem that it can only be used for 100 to 200 hours.

しかも、カソード室22内に生成室２のイオン化ガスが若
干流入するため、イオン化ガスが酸素等の場合には、希
ガスのときより短時間で熱電子放出材26が消耗する問題
点がある。Moreover, since the ionized gas in the generation chamber 2 slightly flows into the cathode chamber 22, the thermoelectron emission material 26 is consumed in a shorter time when the ionized gas is oxygen or the like than when it is a rare gas.

その上、筒状体24内のホロー放電用の希ガスが、プラズ
マ生成室２内のイオン化ガスと混り合うため、生成され
るプラズマ16かイオン化ガスとホロー放電用の希ガスと
の混合プラズマになり、イオン化ガスのみのプラズマ生
成を行うことができず、所望のイオンビームが得られな
い問題点がある。Moreover, since the rare gas for hollow discharge in the tubular body 24 mixes with the ionized gas in the plasma generation chamber 2, the generated plasma 16 or a mixed plasma of ionized gas and rare gas for hollow discharge. Therefore, there is a problem that a desired ion beam cannot be obtained because it is not possible to generate plasma using only the ionized gas.

つぎに、前記公報に記載のイオン源装置は、熱電子放出
でなくプラズマ生成で必要な電子を発生するため、電子
放出源が前記のフィラメント３やホローカソード25等の
消耗材料を用いることなく形成され、長時間の使用が可
能であり、しかも、イオン化ガスのみのプラズマ生成に
より所望のイオンビームが得られる。Next, in the ion source device described in the above-mentioned publication, the necessary electrons are generated not by thermionic emission but by plasma generation, so that the electron emission source is formed without using consumable materials such as the filament 3 and the hollow cathode 25. Therefore, it can be used for a long time, and a desired ion beam can be obtained by generating a plasma of only an ionized gas.

しかし、いわゆる電子銃方式で電子発生室から電子のみ
を引き出してプラズマ発生室に供給するため、電子発生
室とプラズマ発生室との間に両室の筐体から電気的に絶
縁された電子引出し電極を設け、電子発生室の筐体と電
子引出し電極との間に電子加速用の直流電圧V₁を印加し
なければならず、構成が複雑化するのは勿論、つぎに説
明するように、プラズマ発生室の電子供給量が制限され
て減少し、イオンビームの発生効率が悪くその量が少な
い問題点がある。However, since only electrons are extracted from the electron generation chamber and supplied to the plasma generation chamber by the so-called electron gun method, an electron extraction electrode electrically insulated from the housings of both chambers between the electron generation chamber and the plasma generation chamber. Is provided, and a DC voltage V ₁ for electron acceleration must be applied between the housing of the electron generation chamber and the electron extraction electrode, which naturally complicates the configuration and, as described below, plasma There is a problem that the amount of electrons supplied to the generation chamber is limited and reduced, and the ion beam generation efficiency is poor and the amount thereof is small.

すなわち、電子発生室の筐体と電子引出し電極との間の
直流電圧V₁の印加により、電子発生室のプラズマと電子
引出し電極との間に電子のみの空間電荷層が形成され、
この層によって電子の引き出し量が制限されるため、プ
ラズマ発生室に供給される電子の量が制限されて減少
し、イオンビームの発生量が少ない。That is, by applying a DC voltage V ₁ between the housing of the electron generation chamber and the electron extraction electrode, a space charge layer of only electrons is formed between the plasma of the electron generation chamber and the electron extraction electrode,
Since the amount of electrons extracted is limited by this layer, the amount of electrons supplied to the plasma generation chamber is limited and reduced, and the amount of ion beams generated is small.

本発明は、プラズマ生成方式により、消耗性材料の熱電
子放出減少を利用することなく、しかも、電子加速用の
電極等を設けない簡単な構成で電子供給量（引き出し
量）の制限なく、イオン化ガスのプラズマを生成するよ
うにし、電子放出源の材料消耗を皆無にして長時間の使
用を可能にするとともに、イオン化ガスのみのプラズマ
生成を可能にし、良質のイオンビームを効率よく形成で
きるようにすることを目的とする。The present invention uses a plasma generation method to utilize the reduction of thermionic emission of a consumable material, and has a simple structure in which an electrode for accelerating electrons is not provided and an electron supply amount (drawing amount) is not limited, and ionization is performed. A plasma of gas is generated so that the electron emission source can be used for a long time with no material consumption, and a plasma of only an ionized gas can be generated to efficiently form a high-quality ion beam. The purpose is to do.

［課題を解決するための手段］ 前記の目的を達成するために、本発明のイオン源装置
は、電離用のガス導入口が形成され，高周波放電により
電子放出用の副プラズマを生成する副筐体と、 副筐体に絶縁体を介して連設された主筐体と、 副筐体の主筐体側に形成された、 副筐体と同電位の蓋板と、 蓋板に形成された電子放出孔と、 副筐体を主筐体より低電位にし，電子放出孔から主筐体
内に電子を供給し，直流放電により主筐体内に主プラズ
マを生成する直流電源と、 主プラズムからイオンビームを引き出すイオンビーム引
出し電極とを備える。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above-mentioned object, the ion source device of the present invention is a sub-casing in which a gas introduction port for ionization is formed and a sub-plasma for electron emission is generated by high frequency discharge. Body, a main casing connected to the sub casing via an insulator, a lid plate formed on the main casing side of the sub casing and having the same potential as the sub casing, and a lid plate formed on the lid plate The electron emission hole and the sub-housing have a lower potential than the main housing, electrons are supplied from the electron emission hole into the main housing, and a DC plasma source is generated in the main housing by DC discharge. And an ion beam extraction electrode for extracting the beam.

［作用］ 前記のように構成された本発明のイオン源装置の場合、
副筐体内に高周波放電により電子放出用の副プラズマが
生成され、このプラズマ生成で電離した電子が、イオン
化ガスのプラズマ生成に必要な電子として、蓋板の電子
放出孔を通って主筐体内に供給される。[Operation] In the case of the ion source device of the present invention configured as described above,
A high-frequency discharge generates a sub-plasma for electron emission in the sub-housing, and the electrons ionized by the plasma generation enter the main housing through the electron-emission holes in the lid plate as the electrons necessary for plasma generation of the ionized gas. Supplied.

さらに、供給された電子を利用した直流放電により主筐
体内に主プラズマが生成され、イオンビーム引出し電極
により主プラズマからイオンビームが引き出される。Further, the main plasma is generated in the main casing by the direct current discharge using the supplied electrons, and the ion beam is extracted from the main plasma by the ion beam extraction electrode.

そして、蓋板は副筐体と同電位に形成され、直流電源に
より蓋板を含む副筐体側全体が主筐体より低電位に固定
され、副プラズマが主プラズマより低電位になり、主，
副プラズマの電位差により電子が主筐体内に供給され
る。Then, the lid plate is formed at the same potential as the sub-casing, the entire sub-casing side including the lid plate is fixed at a lower potential than the main casing by the DC power source, the sub-plasma becomes lower potential than the main plasma,
Electrons are supplied into the main housing due to the potential difference of the sub plasma.

このとき、電子放出孔付近の主，副プラズマの境界面で
は両プラズマのダブルシースが形成され、副プラズマ側
から主プラズマ側に電子が放出され、主プラズマ側から
副プラズマ側にイオンが流入するため、前記公報の電子
銃方式で問題となる電子のみの空間電荷層の形成がな
く、電子が供給量の制限なく効率よく主プラズマ中に放
出される。At this time, a double sheath of both plasmas is formed at the interface between the main plasma and the sub plasma near the electron emission hole, electrons are emitted from the sub plasma side to the main plasma side, and ions flow from the main plasma side to the sub plasma side. Therefore, there is no formation of a space charge layer of only electrons, which is a problem in the electron gun method of the above-mentioned publication, and electrons are efficiently emitted into the main plasma without limitation of the supply amount.

したがって、従来のように消耗の激しいフィラメント等
の熱電子放出材を用いる必要がなく、電子放出源が極め
て長寿命になり、長時間の使用が可能になる。Therefore, it is not necessary to use a thermionic emission material such as a filament, which has been consumed extensively as in the prior art, and the electron emission source has an extremely long life and can be used for a long time.

また、副プラズマの生成に用いるガスに、主プラズマ室
のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合は、主プラズ
マが所望のガスのみで生成されて良質のイオンビームが
形成される。When the same gas as the ionized gas in the main plasma chamber is used as the gas used to generate the sub-plasma, the main plasma is generated using only the desired gas and a high-quality ion beam is formed.

しかも、電子供給量の制限なく主プラズマが生成される
ため、効率よく多量のイオンビームが形成される。Moreover, since the main plasma is generated without restriction of the electron supply amount, a large amount of ion beam is efficiently formed.

［実施例］ 実施例について第１図ないし第４図を参照して説明す
る。[Embodiment] An embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

それらの図面において、第５図ないし第７図と同一符号
は同一もしくは相当するものを示す。In these drawings, the same reference numerals as those in FIGS. 5 to 7 designate the same or corresponding parts.

（実施例１） 実施例１をバケット型イオン源装置に適用した第１図に
より説明する。Example 1 Example 1 will be described with reference to FIG. 1 in which the bucket type ion source device is applied.

同図は高周波放電としてマイクロ波放電を利用したもの
であり、同図において、28は非磁性体の金属製の副筐体
であり、左，右側に蓋板29,30が一体に形成され、副プ
ラズマ室31を形成する。In the figure, microwave discharge is used as high frequency discharge. In the figure, 28 is a non-magnetic metallic sub-housing, and lid plates 29 and 30 are integrally formed on the left and right sides. The sub plasma chamber 31 is formed.

32は左側の蓋板29の開口部に絶縁体33を介して接続され
た導波管、34は蓋板29に形成された電離用のガス導入
口、35は副筐体28の外周に設けられた磁場発生用の電磁
コイルであり、電子サイクロトロン共鳴ECR条件以上の
磁場を副プリズマ室31に発生する。32 is a waveguide connected to the opening of the left lid plate 29 via an insulator 33, 34 is a gas introduction port for ionization formed in the lid plate 29, and 35 is provided on the outer periphery of the sub-housing 28. The generated magnetic field is an electromagnetic coil for generating a magnetic field in the sub-plasma chamber 31 that meets or exceeds the electron cyclotron resonance ECR condition.

36は右側の蓋板30に形成された電子放出孔、37は第７図
の筐体１に相当する非磁性体の金属製の主筐体であり、
蓋板30に絶縁体18を介して連設され、主プリズム室38を
形成する。36 is an electron emission hole formed in the lid plate 30 on the right side, 37 is a non-magnetic metal main casing corresponding to the casing 1 in FIG. 7,
The main prism chamber 38 is formed by being connected to the cover plate 30 via the insulator 18.

そして、アーク電源12の陽極12の陽極が主筐体37に接続
され、その陰極が副筐体28及び第１電極８に接続され、
蓋板29,30を含む副筐体28全体が主筐体37より低電医に
固定されている。Then, the anode of the anode 12 of the arc power source 12 is connected to the main casing 37, and the cathode thereof is connected to the sub casing 28 and the first electrode 8,
The entire sub-housing 28 including the lid plates 29, 30 is fixed to the low-electricity doctor than the main housing 37.

また、副プラズマ室31は、マイクロ波放電を引起し易い
ように、マイクロ波空洞共振器の条件で寸法，形状が設
定され、例えば2.45GHzのマイクロ波のTE₁₁₁のモードの
ときは、内径10cm,長さ8.7cmに設定される。The sub plasma chamber 31, so easily cause the microwave discharge, the dimensions in the conditions of the microwave cavity resonator, the shape is set, when for example the mode of 2.45GHz microwave for TE _111, the inner diameter 10cm The length is set to 8.7 cm.

そして、導波管32により副プラズマ室31にマイクロ波が
導入されると、副プラズマ室31でマイクロ波放電が発生
し、導入口34から副プラズマ室31に導入された希ガス等
の電子放出用のガスが電離され、副プラズマ39が生成さ
れる。Then, when microwaves are introduced into the sub plasma chamber 31 by the waveguide 32, microwave discharge is generated in the sub plasma chamber 31, and electrons such as a rare gas introduced into the sub plasma chamber 31 from the inlet 34 are emitted. The gas for use is ionized, and the sub plasma 39 is generated.

この副プラズマ39の生成に伴って電離生成された電子ｅ
は、40〜120V程度のアノード電圧により放出孔36から主
プラズマ室38に引き出されて供給される。Electrons e generated by ionization accompanying the generation of this sub-plasma 39
Is drawn from the emission hole 36 to the main plasma chamber 38 by the anode voltage of about 40 to 120 V and supplied.

このとき、電磁コイル35のECR条件以上の磁場に基づき
副プラズマ39が高密度プラズマになり、電子ｅが極めて
効率よく主プラズマ室38に供給される。At this time, the sub-plasma 39 becomes high-density plasma based on the magnetic field of the electromagnetic coil 35 which is equal to or higher than the ECR condition, and the electrons e are supplied to the main plasma chamber 38 extremely efficiently.

つぎに、主プラズマ38では、供給された電子ｅを利用し
た直流放電に基づき、導入口６からの希ガス等のイオン
化ガスが電離されて主プラズマ40が生成され、電子ｅの
供給により放電は持続する。Next, in the main plasma 38, an ionized gas such as a rare gas from the inlet 6 is ionized to generate a main plasma 40 based on the direct current discharge using the supplied electrons e, and the discharge is caused by the supply of the electrons e. continue.

このとき、磁石11のカスプ磁場により主プラズマ40が効
率よく閉じ込められ、かつ、電極群７の近傍に大面積に
わたって均一で安定した主プラズマ40が生成される。At this time, the main plasma 40 is efficiently confined by the cusp magnetic field of the magnet 11, and the uniform and stable main plasma 40 is generated in the vicinity of the electrode group 7 over a large area.

そして、電極群７のビーム引出し作用により、主プラズ
マ40からイオンがイオンビームとなってスパッタ室等が
引き出される。Then, due to the beam extraction action of the electrode group 7, the ions are turned into an ion beam from the main plasma 40 and the sputtering chamber or the like is extracted.

ところで、電子放出孔36が形成された蓋板30は副筐体28
と同一電位であり、電子加速機能はない。By the way, the lid plate 30 in which the electron emission holes 36 are formed is
It has the same potential as, and has no electron acceleration function.

そして、アーク電源12により副筐体28全体が主筐体37よ
り低電位に固定され、副プラズマ39が主プラズマ40より
低電位になるため、電子ｅは主，副プラズマ39,40の電
位差にしたがって主プラズマ室38に供給されることにな
る。Then, the entire sub-casing 28 is fixed at a lower potential than the main casing 37 by the arc power source 12, and the sub-plasma 39 has a lower potential than the main plasma 40, so that the electrons e are at a potential difference between the main and sub-plasma 39, 40. Therefore, it is supplied to the main plasma chamber 38.

このとき、電子放出孔36付近の主，副プラズマ39,40の
境界面では両プラズマ39,40のダブルシースが形成さ
れ、副プラズマ39側から主プラズマ40側に電子ｅが放出
され、主プラズマ40側から副プラズマ39側にイオンが流
入するため、前記公報の電子銃方式で問題となる電子の
みの空間電荷層の形成がなく、電子ｅが供給量の制限な
く効率よく主プラズマ40中に供給されて放出される。At this time, a double sheath of both plasmas 39, 40 is formed at the interface between the main and sub plasmas 39, 40 near the electron emission hole 36, and electrons e are emitted from the side of the sub plasma 39 to the side of the main plasma 40. Since the ions flow from the 40 side to the sub plasma 39 side, there is no formation of a space charge layer of only electrons, which is a problem in the electron gun system of the above-mentioned publication, and the electrons e are efficiently and efficiently introduced into the main plasma 40 without a restriction on the supply amount. Supplied and released.

なお、副プラズマ室31に導入されるガスは、希ガス以外
のガスを用いても何ら影響はなく、主プラズマ室38のイ
オン化ガスと同一のガスを副プラズマ室31に導入するこ
とができる。The gas introduced into the sub-plasma chamber 31 has no effect even if a gas other than the rare gas is used, and the same gas as the ionized gas in the main plasma chamber 38 can be introduced into the sub-plasma chamber 31.

また、電磁コイル35の代わりに永久磁石を用いてもよ
い。A permanent magnet may be used instead of the electromagnetic coil 35.

（実施例２） 実施例２を第２図について説明する。Example 2 Example 2 will be described with reference to FIG.

同図は、第１図における副プラズマ室31へのマイクロ波
の導入を、同軸ケーブル41とアンテナ42を用いて行うも
のであり、副筐体28の左，右側には蓋板29,30に相当す
る磁性体又は非磁性体の蓋板43,44が設けられ、右側の
蓋板44は電子放出孔36が形成されている。In the figure, microwaves are introduced into the sub plasma chamber 31 in FIG. 1 by using a coaxial cable 41 and an antenna 42, and lid plates 29 and 30 are provided on the left and right sides of the sub housing 28. Corresponding magnetic or non-magnetic cover plates 43 and 44 are provided, and the right cover plate 44 has electron emission holes 36 formed therein.

そして、副プラズマ室31に設けられたアンテナ42は左側
の蓋板43を貫通して同軸ケーブル41に接続され、その先
端部は、マイクロ波放電を引き起こし易いように副プラ
ズマ室31の壁面に近接して設けられている。The antenna 42 provided in the sub-plasma chamber 31 is connected to the coaxial cable 41 by penetrating the left side cover plate 43, and its tip portion is close to the wall surface of the sub-plasma chamber 31 so as to easily cause microwave discharge. Is provided.

また、副筐体28の外周に永久磁石11が設けられ、副プラ
ズマ室31内にECR条件以上の磁場を発生する。Further, the permanent magnet 11 is provided on the outer circumference of the sub-casing 28 to generate a magnetic field in the sub-plasma chamber 31 above the ECR condition.

そして、ケーブル41,アンテナ42を介して副プラズマ室3
1にマイクロ波が導入されると、副プラズマ室31がマイ
クロ波空洞共振器条件で形成されていない場合でも、ア
ンテナ42の先端部と副プラズマ室31の壁面との間の高電
界によりマイクロ波放電が容易に発生する。Then, the sub plasma chamber 3 is connected via the cable 41 and the antenna 42.
When microwaves are introduced into 1, even if the sub plasma chamber 31 is not formed in the microwave cavity resonator condition, the microwave is generated by the high electric field between the tip of the antenna 42 and the wall surface of the sub plasma chamber 31. Discharge easily occurs.

さらに、このマイクロ波放電の発生により、導入口34か
ら副プラズマ室31に導入されたガスが電離されて副プラ
スマ39が生成され、実施例１と同様にして電子放出孔36
から主プラズマ室38に電子ｅが供給される。Further, due to the generation of the microwave discharge, the gas introduced into the sub plasma chamber 31 from the inlet 34 is ionized to generate the sub plasma 39, and the electron emission holes 36 are formed in the same manner as in the first embodiment.
The electrons e are supplied to the main plasma chamber 38 from.

この場合、同軸ケーブル41とアンテナ42を用いているた
め、第１図のように副プラズマ室31がマイクロ波空洞共
振器条件の制約を受けず、副プラズマ室31を小形に形成
することができる。In this case, since the coaxial cable 41 and the antenna 42 are used, the sub-plasma chamber 31 is not restricted by the microwave cavity resonator condition as shown in FIG. 1, and the sub-plasma chamber 31 can be formed in a small size. .

なお、アンテナ42を複数個にして電子放出量の増大を図
ることができる。It is possible to increase the electron emission amount by providing a plurality of antennas 42.

また、磁石11は電磁石でもよく、さらに、蓋板43,44を
磁性材料で構成して磁石11を小形化することも可能であ
る。The magnet 11 may be an electromagnet, and the lid plates 43 and 44 may be made of a magnetic material to reduce the size of the magnet 11.

（実施例３） 第２図の副プラズマ39の生成手段Ａを、カウフマン型イ
オン源装置に適用した実施例３を第３図に示す。(Embodiment 3) FIG. 3 shows Embodiment 3 in which the means A for generating the sub-plasma 39 shown in FIG. 2 is applied to a Kauffman type ion source device.

この第３図においては、アーク電源12の陽極アノード５
に接続されてその陰極が生成手段Ａの副筐体28に接続さ
れ、副筐体28全体が主筐体37より低電位になる。In FIG. 3, the anode 5 of the arc power source 12
And its cathode is connected to the sub-housing 28 of the generating means A, so that the entire sub-housing 28 has a lower potential than the main housing 37.

そして、この実施例の場合も実施例1,2の場合と同様に
して電子が主プラズマ室38に供給される。Then, also in the case of this embodiment, electrons are supplied to the main plasma chamber 38 as in the case of the first and second embodiments.

この第３図に示すイオン源装置において、2.45GHz,20W
のマイクロ波を使用して実験した結果、直流放電電流は
2Aとなり、電極群７が引出し口径2.5cmφと多孔式電極
の場合、ビーム電流100mAでアルゴンイオンビームが安
定に引出された。In the ion source device shown in FIG. 3, 2.45GHz, 20W
As a result of experiment using the microwave of
When the electrode group 7 was 2 A and the extraction aperture was 2.5 cmφ and the porous electrode was used, the argon ion beam was stably extracted at a beam current of 100 mA.

（実施例４） 第２図の副プラズマ39の生成手段Ａを２個バケット型イ
オン源装置に適用した実施例４を第４図に示す。(Embodiment 4) FIG. 4 shows Embodiment 4 in which the two means A for generating the secondary plasma 39 shown in FIG. 2 are applied to a two-bucket type ion source device.

この場合、２個の生成手段A,すなわち２個の副プラズマ
室31から主プラズマ室38に電子ｅが供給されるため、供
給電子量が増加して大型のイオン源装置に有効である。In this case, since the electrons e are supplied from the two generating means A, that is, the two sub plasma chambers 31 to the main plasma chamber 38, the amount of supplied electrons is increased, which is effective for a large ion source device.

なお、生成手段Ａを３個以上用いてもよく、また、第１
図の副プラズマの39の生成手段Ｂを、カウフマン型イオ
ン源装置に１個又は複数個適用し得ることは勿論であ
る。Note that three or more generation means A may be used, and the first means
It goes without saying that one or a plurality of the means B for generating the secondary plasma 39 shown in the figure can be applied to the Kauffman type ion source device.

また、複数個の生成手段A,Bを用いる場合、マイクロ波
電力を個々に制御し、各生成手段A,Bからの放出電子量
を調整することが好ましい。When a plurality of generating means A and B are used, it is preferable to control the microwave power individually and adjust the amount of electrons emitted from each generating means A and B.

［発明の効果］ 本発明は、以上説明したように構成されているため、以
下に記載する効果を奏する。[Advantages of the Invention] Since the present invention is configured as described above, it has the effects described below.

電子放出源としての副プラズマ室31において高周波放電
により電子放出用の副プラズマ39が生成され、この生成
により主プラズマ室38のプラズマ生成に必要な電子が形
成され、この電子が主プラズマ室38に供給されるため、
従来のように、フィラメント，熱電子放出材等の消耗性
材料を高温に加熱して維持し、熱電子放出現象を利用す
る場合に比し、材料の消耗がなく、電子放出源が極めて
長寿命になり、数百時間以上の長時間の連続運転を可能
にすることができる。In the sub-plasma chamber 31 as an electron emission source, a sub-plasma 39 for electron emission is generated by high-frequency discharge, and by this generation, electrons necessary for plasma generation in the main plasma chamber 38 are formed, and the electrons are stored in the main plasma chamber 38. To be supplied,
Compared to the conventional case where a consumable material such as a filament or thermionic emission material is heated to a high temperature and maintained and the thermoelectron emission phenomenon is used, the material is not consumed and the electron emission source has an extremely long life. Therefore, it is possible to enable continuous operation for a long time of several hundred hours or more.

そして、副プラズマ室31の副プラズマ生成に用いる電離
用のガスに、希ガス以外のガスを用いることができ、そ
の種類に制約がないため、この電離用ガスに主プラズマ
室38のイオン化ガスと同一のガスを用いた場合、主プラ
ズマ室38の主プラズマ40が所望のイオン化ガスのみのプ
ラズマとなり、良質のイオンビームを形成することがで
きる。Then, a gas other than a rare gas can be used as the ionizing gas used to generate the sub-plasma in the sub-plasma chamber 31, and there is no limitation on the type thereof. When the same gas is used, the main plasma 40 in the main plasma chamber 38 becomes a plasma of only the desired ionized gas, and a high-quality ion beam can be formed.

さらに、イオンビームの生成に酸素等の反応性ガスを用
いた場合でも、酸化消耗するものがなく、プラズマの生
成を安定に長時間維持することができる。Furthermore, even when a reactive gas such as oxygen is used for the generation of the ion beam, there is nothing that is consumed by oxidation, and the generation of plasma can be stably maintained for a long time.

しかも、蓋板30,44は副筐体28と同電位に形成され、直
流電源（アーク電源12）により蓋板30,44を含む副筐体2
8全体が主筐体37より低電位になり、電子放出孔36を介
した副筐体28側から主筐体37側への電子の供給が、両筐
体28,37間の電極電圧により電子を加速して引き出す電
子銃方式でなく、主，副プラズマ40,37の電位差にした
がって行われる。Moreover, the lid plates 30 and 44 are formed to have the same potential as the sub-housing 28, and the sub-housing 2 including the lid plates 30 and 44 is supplied by the DC power supply (arc power supply 12).
8 The whole body has a lower potential than the main case 37, and the supply of electrons from the side of the sub-case 28 to the side of the main case 37 via the electron emission holes 36 is performed by the electrode voltage between the cases 28 and 37. It is performed according to the potential difference between the main and sub plasmas 40 and 37, instead of the electron gun method that accelerates and draws out.

このとき、電子放出孔36付近の両プラズマ40,39の境界
面に両プラズマ40,39のダブルシースが形成され、前記
電子銃方式で問題となる電子のみの空間電荷層の形成が
なく、電子加速用（引出用）の電極等を用いない簡単な
構成で電子を供給量の制限なく効率よく主プラズマ中に
放出し、効率よく多量のイオンビームを形成することが
できる。At this time, a double sheath of both plasmas 40, 39 is formed on the boundary surface of both plasmas 40, 39 near the electron emission hole 36, and there is no formation of a space charge layer of only electrons, which is a problem in the electron gun method, Electrons can be efficiently emitted into the main plasma without restriction of the supply amount and a large amount of ion beams can be formed efficiently with a simple structure that does not use an acceleration (extraction) electrode or the like.

したがって、プラズマ生成方式により、消耗性材料の熱
電子放出現象を利用することなく、しかも、電子加速用
の電極等を設けない簡単な電子供給量（引き出し量）の
制限なく、イオン化ガスのプラズマを生成し、電子放出
源の材料消耗を皆無にして長時間の使用を可能にすると
ともに、イオン化ガスのみのプラズマ生成を可能にし、
良質のイオンビームを効率よく形成することができる。Therefore, by the plasma generation method, the plasma of the ionized gas can be generated without utilizing the thermoelectron emission phenomenon of the consumable material and without a simple limitation of the electron supply amount (drawing amount) without providing electrodes for electron acceleration. It is possible to use it for a long time without generating material consumption of the electron emission source, and to generate plasma of ionized gas only.
A high-quality ion beam can be efficiently formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図ないし第４図はそれぞれ本発明の各実施例の構成
図、第５図ないし第７図はそれぞれ従来装置の構成図で
ある。 ７……イオンビーム引出し電極群、12……アーク電源、
18……絶縁体、28……副筐体、34……ガス導入口、36…
…電子放出孔、37……主筐体、39……副プラズマ、40…
…主プラズマ。1 to 4 are block diagrams of respective embodiments of the present invention, and FIGS. 5 to 7 are block diagrams of conventional devices. 7 ... Ion beam extraction electrode group, 12 ... Arc power supply,
18 ... Insulator, 28 ... Sub-housing, 34 ... Gas inlet, 36 ...
… Electron emission holes, 37… Main housing, 39… Sub plasma, 40…
… Main plasma.

フロントページの続き (72)発明者 野川 修一 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 (56)参考文献 特開 昭62−93834（ＪＰ，Ａ)Front Page Continuation (72) Inventor Shuichi Nogawa 47 Umezu Takaune-cho, Ukyo-ku, Kyoto City, Kyoto Prefecture Nissin Electric Co., Ltd. (56) Reference JP 62-93834 (JP, A)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】電離用のガス導入口が形成され，高周波放
電により電子放出用の副プラズマを生成する副筐体と、 前記副筐体に絶縁体を介して連設された主筐体と、 前記副筐体の前記主筐体側に形成された，前記副筐体と
同電位の蓋板と、 前記蓋板に形成された電子放出孔と、 前記副筐体を前記主筐体より低電位にし，前記電子放出
孔から前記主筐体内に電子を供給し，直流放電により前
記主筐体内に主プラズマを生成する直流電流と、 前記主プラズマからイオンビームを引き出すイオンビー
ム引出し電極と を備えたことを特徴とするイオン源装置。1. A sub-casing having a gas inlet for ionization formed therein to generate a sub-plasma for electron emission by high-frequency discharge; and a main casing connected to the sub-casing via an insulator. A lid plate formed on the main casing side of the sub casing and having the same potential as the sub casing; an electron emission hole formed in the lid plate; and the sub casing lower than the main casing. A direct current for supplying electrons into the main housing from the electron emission hole to generate main plasma in the main housing by direct current discharge; and an ion beam extraction electrode for extracting an ion beam from the main plasma. An ion source device characterized in that