CN103996591B - 微波离子源及其启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于启动微波离子源的实用方法、及根据这种启动方法而被控制的微波离子源。微波离子源（10）具备：等离子体室（12）；磁场发生器（16），用于在等离子体室（12）产生磁场；及控制装置（C），将磁场发生器（16）控制成对等离子体室（12）施加用于等离子体点火的初始磁场且在等离子体点火后使初始磁场变更为普通磁场。等离子体室（12）也可以具备用于接受微波的真空窗（24）、及离子引出开口（66）。初始磁场也可以从真空窗（24）遍及离子引出开口（66）具有平坦的磁场分布。

Description

微波离子源及其启动方法

技术领域

本申请主张基于2013年2月18日申请的日本专利申请第2013-028722号的优先权。其申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

本发明涉及一种微波离子源、及微波离子源的启动方法。

背景技术

已知有将微波用于等离子体生成的离子源。向真空等离子体室导入微波。供给到等离子体室的原料气体被微波激发而生成等离子体。从等离子体引出离子。这样从离子源引出的离子被用作例如离子注入处理。

专利文献1：日本特开昭63-66827号公报

发明内容

本发明的一方式的示例性目的之一在于提供一种用于启动微波离子源的实用方法、及根据这种启动方法被控制的微波离子源。

根据本发明的一方式，提供一种微波离子源，其具备：等离子体室；磁场发生器，用于在所述等离子体室产生磁场；及控制部，将所述磁场发生器控制成，对所述等离子体室施加用于等离子体点火的初始磁场，且在等离子体点火后使所述初始磁场变更为普通磁场。

所述初始磁场也可以被设定为在所述等离子体室引起电子回旋共振。

所述等离子体室也可具备用于接受微波的窗、及离子引出开口。所述初始磁场也可从所述窗遍及所述离子引出开口具有平坦的磁场分布。

所述普通磁场也可以是比从所述窗遍及所述离子引出开口满足电子回旋共振条件的磁场高的磁场。

所述控制部也可以将所述磁场发生器控制成在向所述等离子体室供给微波之前开始施加所述初始磁场。

根据本发明的一方式，提供一种微波离子源的启动方法，其特征在于，具备：对微波离子源的等离子体室施加用于等离子体点火的初始磁场的步骤；及在等离子体点火后使所述初始磁场变更为普通磁场的步骤。

另外，以上构成要件的任意组合和对本发明的构成要件及表现在方法、装置、及系统等之间彼此替换的技术也作为本发明的方式仍然有效。

发明效果：

根据本发明，能够提供一种用于启动微波离子源的实用方法、及根据这种启动方法被控制的微波离子源。

附图说明

图1是示意表示本发明的一实施方式所涉及的微波离子源的结构的图。

图2是表示本发明的一实施方式所涉及的普通磁场的一例的图。

图3是表示本发明的一实施方式所涉及的初始磁场的一例的图。

图4是用于说明本发明的一实施方式所涉及的微波离子源的启动方法的流程图。

图中：10-微波离子源，12-等离子体室，16-磁场发生器，24-真空窗，26-微波供给系统，66-离子引出开口，B1-普通磁场，B2-初始磁场，C-控制装置。

具体实施方式

图1是示意表示本发明的一实施方式所涉及的微波离子源10的结构的图。微波离子源10是向施加有满足电子回旋共振（ECR）条件的磁场或比该磁场高的磁场的等离子体室12内沿磁力线方向输入微波电力而生成高密度等离子体且引出离子的离子源。微波离子源10构成为通过磁场与微波的相互作用生成原料气体的等离子体，并从该等离子体向等离子体室12的外部引出离子。

众所周知，满足ECR条件的磁场的强度唯一决定所使用的微波频率，当微波频率为2.45GHz时需要87.5mT（875高斯）的磁场。以下为了方便，将满足ECR条件的磁场称作共振磁场。

微波离子源10例如用于离子注入装置所需的离子源。所注入的离子中例如具有氧。并且，微波离子源10可用作质子加速器所需的离子源、或X射线源。微波离子源10主要用作一价离子源。

微波离子源10具备离子源主体14。离子源主体14具备等离子体室12、磁场发生器16、及真空容器18。

等离子体室12具有具备两端的筒状形状。以下为了方便，将从等离子体室12的一端朝向另一端的方向称作轴向。并且，将与轴向正交的方向称作径向，将包围轴向的方向称作周向。但是，他们并不一定意味着等离子体室12为具有旋转对称性的形状。图示的例子中，等离子体室12为圆筒形状，但是，只要等离子体室12能够适当地收容等离子体，也可为任何形状。并且，等离子体室12的轴向长度可以比等离子体室12的端部的径向长度长，也可以比该径向长度短。

磁场发生器16为了对等离子体室12施加磁场而设置。磁场发生器16构成为产生沿等离子体室12的中心轴的磁场。在图1中，用箭头M表示其磁力线方向。磁场发生器16构成为在等离子体室12的轴线上的至少一部分产生共振磁场或与其相比高强度的磁场。磁场发生器16也能够在等离子体室12的轴线上的至少一部分产生低于共振磁场的磁场。

真空容器18是用于将等离子体室12收容于真空环境的框体。真空容器18还是用于保持磁场发生器16的结构体。等离子体室12具有用于在内部接收微波的真空窗24。关于等离子体室12、磁场发生器16、及真空容器18，在后面进行更详细地叙述。

微波离子源10具备微波供给系统26。微波供给系统26构成为通过真空窗24向等离子体室12输入微波电力。微波供给系统26具备微波源28、波导管30及匹配区32。微波源28例如为磁控管。微波源28例如输出2.45GHz的频率的微波。波导管30是用于将微波源28所输出的微波传递到等离子体室12的立体电路。波导管30的一端连接于微波源28，另一端通过匹配区32连接于真空窗24。匹配区32为了微波的匹配而设置。

由此，微波从微波供给系统26通过真空窗24导入至等离子体室12。被导入的微波朝向与真空窗24对置的等离子体室12的端部在等离子体室12的内部传播。图1中，用箭头P表示微波的传播方向。微波的传播方向P为与由磁场发生器16产生的磁力线方向M相同的方向。因此，微波的传播方向P为与等离子体室12的轴向相同的方向。

并且，微波供给系统26具备设置于波导管30的微波检测仪33。微波检测仪33例如具备用于对向等离子体室12的入射电力及来自等离子体室12的反射电力进行监控的定向耦合器。微波检测仪33构成为向控制装置C输出测定结果。

微波离子源10具备气体供给系统34。气体供给系统34构成为将等离子体的原料气体供给到等离子体室12。气体供给系统34具备作为气体源的气瓶36、及气体流量控制器38。原料气体例如为氩气。原料气体也可以包含含有用于离子注入的杂质的成分。气体供给系统34的气体配管40的前端通过真空容器18连接于等离子体室12。气体配管40例如连接于等离子体室12的侧壁64。气体流量控制器38具备用于将气瓶36与等离子体室12连接或断开的开闭阀，或用于对从气瓶36向等离子体室12的气体流量进行调整的流量控制阀。因此，以被控制的流量从气瓶36向等离子体室12供给原料气体。

离子源主体14具备引出电极系统42。引出电极系统42构成为通过等离子体室12的离子引出开口66从等离子体引出离子。引出电极系统42包括第1电极44及第2电极46。第1电极44设置于等离子体室12与第2电极46之间。具有离子引出开口66的终端部62与第1电极44隔着间隔而排列，第1电极44与第2电极46隔着间隙而排列。第1电极44及第2电极46分别形成为例如环状，在中心部具有用于使从等离子体室12引出的离子通过的开口部分。

第1电极44为了从等离子体引出阳离子，并且防止电子从射束线52返回到等离子体室12而设置。为此，对第1电极44施加有负高电压。为了对第1电极44施加负高电压而设置第1引出电源48。第2电极46被接地。并且，对真空容器18施加有正高电压。为了对真空容器18施加正高电压而设置第2引出电源50。施加到真空容器18的正高电压的绝对值大于施加到第1电极44的负高电压的绝对值。由此，从等离子体室12引出阳离子的离子束20。来自等离子体室12的离子束20的引出方向为与微波的传播方向P相同的方向。

在微波离子源10上设置有射束线52，该射束线用于输送通过引出电极系统42引出的离子束20。射束线52在与微波供给系统26相反的一侧连结于离子源主体14。射束线52为与真空容器18连通的真空容器。射束线52相对于离子源主体14的真空容器18被绝缘而安装于真空容器18。为此，在射束线52与真空容器18之间设置有衬套54。

衬套54维持射束线52及真空容器18内的真空的同时，保持真空容器18与接地侧之间的耐电压。衬套54由绝缘材料形成。衬套54具有环状形状，且包围引出电极系统42。衬套54以夹持在射束线52及离子源主体14各自的真空容器的安装凸缘之间的方式安装。

在真空容器18及等离子体室12上设置有用于提供真空环境的真空排气系统56。图示的例子中，真空排气系统56设置于射束线52。由于射束线52与真空容器18及等离子体室12连通，因此真空排气系统56能够进行真空容器18及等离子体室12的真空排气。真空排气系统56例如包括低温泵或涡流分子泵等高真空泵。

微波离子源10也可具备用于控制离子束20的输出的控制装置C。控制装置C控制微波离子源10的各构成要件，且控制生成于等离子体室12的等离子体，由此控制离子束20的输出。控制装置C构成为例如控制微波供给系统26、气体供给系统34、线圈电源76的动作。控制装置C例如也可以通过对原料气体的流量、微波功率、及磁场强度中的至少1个进行调整来控制离子束20的输出。

等离子体室12构成为在其内部空间内生成并维持等离子体。以下，有时将等离子体室12的内部空间称作等离子体收容空间58。

等离子体室12包括始端部60、终端部62及侧壁64。始端部60与终端部62隔着等离子体收容空间58且相对置。侧壁64围绕等离子体收容空间58且连接始端部60与终端部62。因此，等离子体收容空间58通过始端部60、终端部62及侧壁64被划定在真空容器18的内部。等离子体室12为圆筒形状时，始端部60及终端部62为圆板形状，侧壁64为圆筒，在始端部60及终端部62的外周部固定有侧壁64的末端。

始端部60具有真空窗24。真空窗24可以占整个始端部60，也可以形成于始端部60的一部分（例如中心部）。真空窗24的其中一侧面向等离子体收容空间58，真空窗24的另一侧朝向微波供给系统26。真空窗24将等离子体室12的内部进行真空密封。微波的传播方向P与真空窗24垂直。真空窗24由电介质损失较小的电介质（例如铝或氮化硼等）形成。另外，等离子体室12的除真空窗24以外的部分例如由非磁性金属材料形成。

在终端部62形成有至少1个离子引出开口66。离子引出开口66形成于隔着等离子体收容空间58且与真空窗24对置的位置。即，真空窗24、等离子体收容空间58、及离子引出开口66沿着等离子体室12的轴向排列。

真空容器18具有一体形成有等离子体室12的双重筒结构。即，等离子体室12为真空容器18的内筒，且在其外侧设置有收容等离子体室12的外筒68。外筒68也可为与等离子体室12同轴的圆筒形状。在外筒68与等离子体室12的侧壁64之间存在间隙，上述气体供给系统34的气体配管40的前端部以进入到该间隙内的方式安装于侧壁64。真空容器18例如由非磁性金属材料形成。

真空容器18也可以不与等离子体室12一体形成。真空容器18及等离子体室12也可分别为单体并能够分割。并且，真空容器18本身也可成为等离子体室12。如此，真空容器18兼作等离子体室12时，将具有离子引出开口66的端板安装于外筒68的射束线52侧即可。

真空容器18的一端被端板70封闭，而另一端朝向射束线52开放。在端板70的中心部形成有等离子体室12的始端部60。端板70的外周部沿径向延伸至外筒68的外侧。在射束线52侧的真空容器18的端部设置有衬套54所需的安装凸缘72。安装凸缘72从外筒68沿径向外侧延伸。真空容器18与等离子体室12的轴向长度相等，安装凸缘72与等离子体室12的终端部62的轴向位置一致。真空容器18与等离子体室12的轴向长度也可以不同。

真空容器18中，形成有保持磁场发生器16所需的磁铁保持部74。磁铁保持部74例如形成于真空容器18的外筒68的外表面。本实施例中，磁场发生器16设置于真空容器18的外侧（即大气中）。磁场发生器16以包围真空容器18的方式配置。但是，在其他例子中，真空容器18也可以具备将磁场发生器16保持在真空容器18的内部（即真空中）所需的磁铁保持部74。此时，也能够得到与本例相同的效果。由此，磁场发生器16以包围等离子体收容空间58的方式配置。

磁场发生器16具备以朝向等离子体室12的轴向产生磁场的方式构成的线圈。本例中，等离子体室12及真空容器18为圆筒形状，且线圈形成为环状，沿等离子体室12的周向缠绕导线。磁场发生器16包括用于使电流流过线圈的线圈电源76。另外，磁场发生器16可以具备沿等离子体室12的周向排列的多个线圈，来代替具备如图所示的1个线圈。

图2是表示本发明的一实施方式所涉及的普通磁场B1的一例的图。图2中，纵轴表示在等离子体室12的中心轴上的轴向磁通量密度B。横轴表示等离子体室12的轴向位置L。因此，图2表示普通磁场B1的轴向磁场分布。在图2的横轴上，以各自的符号表示作为等离子体室12的其中一端的真空窗24的轴向位置、及作为等离子体室12的另一端的离子引出开口66的轴向位置。图2中示出了共振磁场B_ECR。这种标记在后述的图3中也相同。

普通磁场B1是适于维持高密度等离子体的磁场。控制装置C在微波离子源10的正常运行时，以对等离子体室12施加普通磁场B1的方式控制磁场发生器16。

如图所示，普通磁场B1为在等离子体室12中从真空窗24遍及离子引出开口66而超过共振磁场B_ECR，且在等离子体室12内具有峰值P1的单峰形的磁场分布。峰值P1的轴向位置与离子引出开口66相比更靠近真空窗24。磁场强度从峰值P1向真空窗24单调减小，且从峰值P1向离子引出开口66单调减少。因此，从峰值P1向真空窗24的减少梯度大于从峰值P1向离子引出开口66的减少梯度。在真空窗24中的磁场强度与在离子引出开口66中的磁场强度相等，或者也可以略大。并且，在普通磁场B1的峰值P1的附近，磁场分布平坦。峰值P1的强度例如在从共振磁场B_ECR的约1.3倍到约1.6倍的范围内。

图3是表示本发明的一实施方式的初始磁场B2的一例的图。初始磁场B2是适于等离子体室12中的等离子体的点火的磁场。初始磁场B2被设定为在等离子体室12引起电子回旋共振。为此，初始磁场B2在等离子体室12的至少一部分具有与共振磁场B_ECR一致或其附近的磁场。控制装置C在微波离子源10的启动运行中，以对等离子体室12施加初始磁场B2的方式控制磁场发生器16。

如图所示，初始磁场B2是从真空窗24遍及离子引出开口66的平坦的磁场分布。在等离子体室12内，初始磁场B2的强度与共振磁场B_ECR几乎相等，例如在共振磁场B_ECR的±5%以内的范围，优选±3%以内的范围，更优选±1%以内的范围。因此，初始磁场B2也可以是在等离子体室12内的至少一部分比共振磁场B_ECR稍低的磁场。图示的初始磁场B2在真空窗24及离子引出开口66与共振磁场B_ECR一致，为从真空窗24遍及离子引出开口66高于共振磁场B_ECR的磁场。由此，初始磁场B2为在等离子体室12内与普通磁场B1相比下降的磁场分布。

图4是用于说明本发明的一实施方式所涉及的微波离子源10的启动方法的流程图。该方法具备在微波离子源10的等离子体室12内对等离子体进行点火的点火工序（S10）、及在等离子体点火后转移为微波离子源10的普通运行的转移工序（S20）。控制装置C例如对磁场发生器16、微波供给系统26及气体供给系统34等微波离子源10的构成要件的动作进行控制来执行本方法。

点火工序（S10）具备：向微波离子源10的等离子体室12施加等离子体点火所需的初始磁场B2的步骤（S12）、从气体供给系统34向等离子体室12导入气体的步骤（S14）、及从微波供给系统26向等离子体室12导入微波的步骤（S16）。

在控制装置C的控制下（或通过操作者的操作），开始微波离子源10的动作。从线圈电源76向磁场发生器16的线圈供给电流，在等离子体室12产生初始磁场B2。从气体供给系统34向等离子体室12供给原料气体。微波从微波供给系统26通过真空窗24导入到等离子体室12。微波沿着轴向射入到等离子体室12。

由此，控制装置C以向等离子体室12供给微波之前开始施加初始磁场B2的方式控制磁场发生器16。并且，控制装置C向等离子体室12供给微波之前向等离子体室12导入原料气体。由此，在对等离子体室12施加初始磁场B2且供给原料气体的状态下，向等离子体室12导入微波。通过微波与初始磁场B2的作用产生电子回旋共振，且在等离子体室12生成等离子体。

转移工序（S18）具备在等离子体点火后使初始磁场B2变更为普通磁场B1的步骤（S20）。控制装置C例如在从开始微波的导入起经过预定时间后，以从初始磁场B2切换为普通磁场B1的方式控制磁场发生器16。该预定时间为等离子体点火所需的时间，例如为几秒钟以内。根据本方法，在导入微波时，等离子体立刻可靠地被点火，因此控制装置C也可以与微波的导入一同切换为普通磁场B1。

转移工序（S18）也可以具备使用微波检测仪33对等离子体点火进行检测的步骤。等离子体点火时，在等离子体室12中的微波的反射率略下降。这种反射率的下降通过微波检测仪33检测。由此，控制装置C也可根据微波检测仪33的测定结果判定等离子体是否已点火，判定为已点火时，将初始磁场B2变更为普通磁场B1。

由此，微波离子源10从等离子体点火运行转移到普通运行。普通运行时，利用引出电极系统42通过离子引出开口66从等离子体引出离子。被引出的离子供给到射束线52。

在一典型的微波离子源10的启动方法中，在施加普通磁场B1的状态下，微波及原料气体导入到等离子体室12。此时，通过使等离子体室12中的原料气体压力暂时高于正常压力，能够促进等离子体点火。但是，普通磁场B1从共振磁场B_ECR偏离，因此该方法中，等离子体点火无法得到保证。并且，等离子体室12的升压可能对用于测定等离子体室12的真空度的真空测量机器（例如电离真空计等）施加负载。

相对于此，根据本实施方式，作为ECR条件附近的磁场分布的初始磁场B2为了等离子体点火而施加于等离子体室12。ECR是在不存在等离子体的状态下即使仅有1个带电粒子也会产生的相互作用。由此，能够轻松且可靠地对等离子体进行点火。并且，根据本实施方式，适于高密度等离子体的普通磁场B1在等离子体点火后施加于等离子体室12。由此，能够使点火的等离子体生长成高密度等离子体。

并且，根据本实施方式，在对等离子体室12施加初始磁场B2且供给原料气体的状态下，微波导入于等离子体室12。ECR条件附近的磁场的微波反射率较高。因此，这样通过在点火工序的最后导入微波，能够抑制微波的不必要的反射和浪费。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种设计变更，且能够实现各种变形例，而且，这种变形例也在本发明的范围内是本领域的技术人员已了解的。

Claims (6)

1.一种微波离子源，其特征在于，具备：

等离子体室，具备用于接受微波的窗、及离子引出开口；

磁场发生器，用于在所述等离子体室产生磁场；及

控制部，将所述磁场发生器控制成，对所述等离子体室施加用于等离子体点火的初始磁场，且在等离子体点火后使所述初始磁场变更为普通磁场，

所述初始磁场从所述窗遍及所述离子引出开口具有平坦的磁场分布，

所述普通磁场为在所述等离子体室内具有峰值的单峰形的磁场分布。

2.根据权利要求1所述的微波离子源，其特征在于，

所述初始磁场被设定为在所述等离子体室引起电子回旋共振。

3.根据权利要求1或2所述的微波离子源，其特征在于，

所述磁场发生器以包围所述等离子体室的方式配置。

4.根据权利要求1或2所述的微波离子源，其特征在于，

所述普通磁场是比从所述窗遍及所述离子引出开口满足电子回旋共振条件的磁场高的磁场。

5.根据权利要求1或2所述的微波离子源，其特征在于，

所述控制部将所述磁场发生器控制成，在向所述等离子体室供给微波之前开始施加所述初始磁场。

6.一种微波离子源的启动方法，其特征在于，具备：

对微波离子源的等离子体室施加用于等离子体点火的初始磁场的步骤；及

在等离子体点火后使所述初始磁场变更为普通磁场的步骤，

所述等离子体室具备用于接受微波的窗、及离子引出开口，

所述初始磁场从所述窗遍及所述离子引出开口具有平坦的磁场分布，

所述普通磁场为在所述等离子体室内具有峰值的单峰形的磁场分布。