CN107993909A - 离子源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离子源，能够实现位于漂移方向侧的丝极的长寿命化，并且能够从通过由该丝极所放出的电子生成的等离子体高效地引出离子束。该离子源具备：长条状的等离子体生成容器(10)；多个磁铁(30)，在等离子体生成容器(10)的内部形成会切磁场(B)；及多个第一丝极(40A)，沿着等离子体生成容器(10)的长度方向设置成列状，并插入到等离子体生成容器(10)的内部。由第一丝极(40A)放出的电子从长度方向的一侧朝着另一侧进行ExB漂移，从等离子体生成容器(10)的长度方向中央至在长度方向上最靠上述另一侧的第一丝极(40A)的距离(L2b)，比从等离子体生成容器(10)的长度方向中央至在长度方向上最靠上述一侧的第一丝极(40A)的距离(L1a)短。

Description

离子源

技术领域

本发明涉及在等离子体生成容器内形成会切磁场的桶型(也称为多极磁场型或多会切型)的离子源。

背景技术

作为桶型的离子源，如专利文献1所示，存在如下的结构：具备被导入离子源气体的呈长方体形状的等离子体生成容器、在等离子体生成容器的内部形成会切磁场的多个磁铁及插入于等离子体生成容器的内部的多个丝极，通过由丝极放出的电子来生成等离子体，并将其一部分从沿着等离子体生成容器的长度方向形成的离子引出口作为离子束引出。

该离子源构成为使由上述多个丝极放出的电子沿着等离子体生成容器的长度方向进行ExB漂移(以下，简称为漂移)，具体而言沿着等离子体生成容器的长度方向从下方至上方设置的多个丝极等间隔且相对于长度方向中央而对称地配置。

然而，如果是这样的结构，则电子沿等离子体生成容器的长度方向漂移，因此在等离子体生成容器内的漂移方向侧，电子停滞而等离子体密度变大，在漂移方向的相反侧，等离子体密度变小。其结果是，在等离子体密度大的漂移方向侧配置的丝极与在等离子体密度小的漂移方向的相反侧配置的丝极相比损伤大而寿命变短。

此外，专利文献1所示的离子源构成为，从等离子体生成容器通过引出电极而引出的离子束的引出区域在长度方向上比形成于等离子体生成容器的离子引出口短。

由此，如果是上述丝极配置，则例如当电子沿着长度方向从下方向上方漂移的情况下，从最靠漂移方向侧，即位于最上方的丝极放出的电子从其位置进一步向上方漂移，因此该电子比引出区域进一步向上方漂移时，由该电子生成的等离子体对于从引出区域引出的离子束几乎没有贡献。而且，在电子沿着长度方向从上方向下方漂移的情况下，从通过由最靠漂移方向侧即位于最下方的丝极放出的电子生成的等离子体，对于从离子引出区域引出的离子束几乎没有贡献。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2011-228044号公报

发明内容

发明要解决的课题

因此，本发明的主要课题在于，实现位于漂移方向侧的丝极的长寿命化，并且从通过由该丝极放出的电子生成的等离子体高效地引出离子束。

用于解决课题的方案

本发明的离子源的特征在于，具备：长条状的等离子体生成容器；多个磁铁，在上述等离子体生成容器的内部形成会切磁场；及多个第一丝极，沿着上述等离子体生成容器的长度方向设置成列状，并且插入到上述等离子体生成容器的内部，由上述第一丝极放出的电子构成为从上述长度方向上的一侧朝着另一侧进行ExB漂移，从上述等离子体生成容器的上述长度方向的中央至在上述长度方向上最靠上述另一侧的第一丝极的距离比从上述等离子体生成容器的上述长度方向的中央至在上述长度方向上最靠上述一侧的第一丝极的距离短。

如果是这样的离子源，则从等离子体生成容器的长度方向的中央至在长度方向上最靠上述另一侧的第一丝极的距离比从该长度方向的中央至在长度方向上最靠上述一侧的第一丝极的距离短，因此最靠漂移方向侧的第一丝极比以往接近长度方向的中央。

由此，能缓和由第一丝极放出的电子的ExB漂移的停滞，因此能够抑制等离子体生成容器内的漂移方向侧的等离子体密度变大，能实现位于漂移方向侧的丝极的长寿命化。

此外，在由第一丝极放出的电子例如沿着长度方向从下方向上方进行ExB漂移的情况下，最靠漂移方向侧的第一丝极比以往更接近长度方向中央，因此由该第一丝极放出的电子向离子引出区域的上方进行漂移之前能够与离子源气体发生反应而生成等离子体，能够从该等离子体高效地引出离子束。

优选的是，上述离子源还具备多个第二丝极，上述多个第二丝极与上述第一丝极平行地设置，并且插入到上述等离子体生成容器的内部，由上述第二丝极放出的电子构成为从上述长度方向上的上述另一侧朝着上述一侧进行ExB漂移，从上述等离子体生成容器的上述长度方向的中央至在上述长度方向上最靠上述一侧的第二丝极的距离比从上述等离子体生成容器的上述长度方向的中央至在上述长度方向上最靠上述另一侧的第二丝极的距离短。

如果是这样的结构，则由第二丝极放出的电子的ExB漂移方向与由第一丝极放出的电子的ExB漂移方向相反，因此在等离子体生成容器内，通过由第二丝极放出的电子而生成的等离子体的密度大的区域与通过由第一丝极放出的电子而生成的等离子体的密度小的区域重叠，通过由第二丝极放出的电子而生成的等离子体的密度小的区域与通过由第一丝极放出的电子而生成的等离子体的密度大的区域重叠。由此，能够沿着长度方向的等离子体密度更加均匀化。

而且，从等离子体生成容器的长度方向的中央至在长度方向上最靠上述一侧的第二丝极的距离比从该长度方向的中央至在长度方向上最靠上述另一侧的第二丝极的距离短，因此与上述最靠漂移方向侧的第一丝极相同，能够实现最靠漂移方向的相反侧的第二丝极的长寿命化，并且能够从通过由该第二丝极放出的电子而生成的等离子体高效地引出离子束。

为了在等离子体生成容器内的整个长度方向上生成等离子体，优选的是，从上述等离子体生成容器的上述长度方向的中央至在上述长度方向上最靠上述一侧的第二丝极的距离比从上述等离子体生成容器的上述长度方向的中央至在上述长度方向上最靠上述一侧的第一丝极的距离短。

作为具体的实施形态，可列举出上述第一丝极及上述第二丝极沿着上述长度方向非等间隔地配置的结构。

为了实现等离子体密度的进一步均匀化，优选的是上述第一丝极及上述第二丝极相互点对称地配置。

优选的是，上述等离子体生成容器呈大致长方体形状，在沿着上述长度方向的第一侧壁上形成有离子的引出口，上述多个磁铁沿着上述长度方向配置在与上述第一侧壁垂直且沿着上述长度方向的第二侧壁的中央及与上述第一侧壁相向的第三侧壁的中央，上述第一丝极从由上述第二侧壁及上述第三侧壁形成的角部插入到上述等离子体生成容器的内部，在上述等离子体生成容器的横截面中，与连结配置于上述第二侧壁的中央的磁铁和配置于上述第三侧壁的中央的磁铁而得到的假想线相比，上述第一丝极的前端位于上述等离子体生成容器的中心侧。

如果是这样的结构，则与连结配置于第二侧壁中央的磁铁与配置于第三侧壁中央的磁铁而得到的假想线相比，将第一丝极插入到等离子体生成容器的中心侧，因此能够在等离子体生成容器的相对接近中心的位置生成等离子体，能够在整个等离子体生成容器内生成等离子体。

发明效果

根据这样构成的本发明，能够实现位于漂移方向侧的丝极的长寿命化，并且能够从通过由该丝极放出的电子生成的等离子体高效地引出离子束。

附图说明

图1是表示本实施方式的离子源的结构的示意图。

图2是该实施方式的等离子体生成容器的横截面图。

图3是表示该实施方式的等离子体生成容器内的会切磁场分布的图。

图4是表示该实施方式的丝极的配置的等离子体生成容器的后视图。

图5是表示该实施方式的丝极的配置的等离子体生成容器的主视图。

具体实施方式

参照附图，说明本发明的离子源的一实施方式。

本实施方式的离子源100使用于例如离子注入装置或离子掺杂装置等离子束照射装置，如图1所示，离子源100具备：等离子体生成容器10、由从等离子体生成容器10引出离子束的多个电极构成的引出电极系统20、在等离子体生成容器10的内部形成会切磁场的多个磁铁30及向等离子体生成容器10的内部放出电子的多个丝极40。

等离子体生成容器10是用于被导入离子源气体而在内部生成等离子体的容器，如图1及图2所示，例如呈大致长方体形状等长条状。该等离子体生成容器10在沿着长度方向的第一侧壁10a(以下，称为前侧壁10a)上形成有沿着长度方向延伸的离子引出口10H。

引出电极系统20通过电场的作用从等离子体加速并引出离子束，如图1所示，引出电极系统20设置在等离子体生成容器10的离子引出口10H附近。构成引出电极系统20的多个电极21～24沿着长度方向形成有多个孔或缝隙，形成上述孔或缝隙的区域成为引出离子束的引出区域X。本实施方式的引出电极系统20由从离子束的上游侧朝着下游侧配置的加速电极21、引出电极22、抑制电极23及接地电极24构成，但例如也可以由引出电极22、抑制电极23及接地电极24构成，或由两个电极或五个以上电极构成。

如图1及图2所示，多个磁铁30以包围等离子体生成容器10的内部的方式设置。具体而言，分别设置在等离子体生成容器10的除了形成有离子引出口10H的前侧壁10a以外的其他侧壁，即与前侧壁10a垂直的一对沿着长度方向的第二侧壁(以下，称为左侧壁10b、右侧壁10c)、与前侧壁10a相向的第三侧壁(以下，称为后侧壁10d)及沿着长度方向相向的一对第四侧壁(以下，称为上侧壁10e、下侧壁10f)。

本实施方式的磁铁30是由分别安装于侧壁的大致呈矩形平板状的支撑板31支撑的永久磁铁，但也可以使用电磁铁。

对磁铁30的配置更详细地进行说明。在本实施方式中，至少在左侧壁10b、右侧壁10c及后侧壁10d各自的中央配置有磁铁30。上述磁铁30以位于左侧壁10b及右侧壁10c的中央的磁铁30的等离子体生成容器10内侧的极性(在图2中为S)与位于后侧壁10d的中央的磁铁30的等离子体生成容器10内侧的极性(在图2中为N)互不相同的方式沿着等离子体生成容器10的长度方向呈列状地配置。

此外，在本实施方式中，在左侧壁10b及右侧壁10c，多个磁铁30沿着离子引出方向以极性互不相同的方式大致等间隔地排列，在后侧壁10d，多个磁铁30沿着与离子引出方向正交且与等离子体生成容器10的长度方向正交的方向以极性互不相同的方式大致等间隔地排列。另外，磁铁30的配置形态能够进行例如使图2所示的磁铁30各自的磁极相反或者对排列于各侧壁10b、10c、10d的磁铁30的个数或间隔进行变更等适当变更。

通过这样排列的多个磁铁30形成的会切磁场B如图3所示。该会切磁场B示出在左侧壁10b、右侧壁10c及后侧壁10d分别配置有三列的磁铁30的形态，但是配置于各侧壁的磁铁30的列数可以适当变更。

多个丝极40用于通过放出到等离子体生成容器10内的电子使离子源气体电离而生成等离子体，如图2所示，从形成在等离子体生成容器10的相邻的侧壁间的角部10K插入到等离子体生成容器10的内部而设置。

更具体而言，在多个角部10K设置多个丝极40，在本实施方式中，设置在相对于由离子引出口10H的长度方向及离子引出方向构成的平面而处于对称位置的角部10K(在后侧壁10d的长边上形成的角部10K)。

以下，在对设于各角部10K的丝极40进行区分的情况下，将设置于在左侧壁10b及后侧壁10d之间形成的角部10K上的丝极40称为第一丝极40A，将设置于在右侧壁10c及后侧壁10d之间形成的角部10K上的丝极40称为第二丝极40B。

各丝极40由丝极支撑机构50支撑，在该丝极支撑机构50上连接有用于对丝极40进行加热的丝极电源。丝极支撑机构50具有对丝极40进行支撑的丝极座51和安装有一个或多个丝极座51的基座部件52，以将形成于等离子体生成容器10的角部10K的预定位置的开口堵住的方式将基座部件52固定于角部10K，由此将丝极40配置在等离子体生成容器10内。

如图2所示，这样配置的各丝极40以相对于形成角部10K的相邻的各侧壁(右侧壁10c与后侧壁10d、左侧壁10b与后侧壁10d)而具有大致45度的倾斜角度的方式固定。

此外，在本实施方式中，在等离子体生成容器10的横截面中，与连结配置于左侧壁10b的磁铁30与配置于后侧壁10d的磁铁30而得到的假想线Z1相比，第一丝极40A的前端位于等离子体生成容器10的中心侧。而且，同样地，与连结配置于右侧壁10c的磁铁30与配置于后侧壁10d的磁铁30而得到的假想线Z2相比，第二丝极40B的前端也位于等离子体生成容器10的中心侧。这样，能够通过使各丝极40的前端位于等离子体生成容器10的中心附近，而在等离子体生成容器10的相对接近中心的位置生成等离子体，能够在整个等离子体生成容器10内生成等离子体。

在各丝极40与等离子体生成容器10之间，以后者为正极侧而连接有直流的弧电源。由此，在等离子体生成容器10的内部产生图2所示的电场E，由各丝极40放出的电子向与该电场E和上述会切磁场B正交的方向进行ExB漂移(以下，简称为漂移)。在本实施方式中，通过第一丝极40A产生的电场E的方向与通过第二丝极40B产生的电场E的方向正交，因此由第一丝极40A放出的电子的漂移方向与由第二丝极40B放出的电子的漂移方向反向。在本实施方式中，由第一丝极40A放出的电子从等离子体生成容器10的长度方向的下方朝着上方进行漂移，并且由第二丝极40B放出的电子从所述长度方向的上方朝着下方进行漂移。

如图5所示，第一丝极40A及第二丝极40B沿着角部10K(沿着等离子体生成容器10的长度方向)设置多个，在此配置成相互平行的列状。

另外，为了避免第一丝极40A与第二丝极40B相互接触，如图5所示，将第一丝极40A及第二丝极40B设置在沿着角部10K的方向上互不相同的位置。另外，在此所说的“在沿着角部10K的方向上互不相同的位置”是从左右方向(与长度方向正交的方向)观察时第一丝极40A与第二丝极40B不重合的位置。即，第一丝极40A及第二丝极40B以避免第一丝极40A的中心线与第二丝极40B的中心线成为一直线状的方式配置。另外，在此所说的中心线是通过丝极40的中心的假想的线，在此是通过丝极40的前端的线。

此外，在本实施方式中，以使第一丝极40A的中心线与第二丝极40B的中心线在长度方向上交替的方式，将第一丝极40A及第二丝极40B沿着长度方向配置成之字状。

于是，在本实施方式中，如图5所示，从等离子体生成容器10的长度方向中央至位于长度方向的最上方的第一丝极40A的距离L1b比从等离子体生成容器10的长度方向中央至位于长度方向的最下方的第一丝极40A的距离L1a短。

换言之，从等离子体生成容器10的与长度方向正交的中央假想线O至位于最上方的第一丝极40A的中心线C1b的分离距离L1b比从该中央假想线O至位于最下方的第一丝极40A的中心线C1a的分离距离L1a短。

再换言之，位于最下方的第一丝极40A是最靠向由第一丝极40A放出的电子的漂移方向的相反侧的第一丝极40A，位于最上方的第一丝极40A是最靠向由第一丝极40A放出的电子的漂移方向侧的第一丝极40A。

在本实施方式中，使位于中央假想线O的上方的第一丝极40A的个数(在此为两个)少于位于中央假想线O的下方的第一丝极40A的个数(在此为三个)。更具体而言，使安装在位于最上方的基座部件52上的丝极座51的个数(在此为一个)少于安装在位于最下方的基座部件52上的丝极座51的个数(在此为两个)。

由此，第一丝极40A整体偏靠下方地配置。即，本实施方式的第一丝极40A相比中央假想线O的上方而在下方处较密地配置。

另外，第一丝极40A沿着长度方向而非等间隔地配置，在此，以彼此相邻的第一丝极40A的分离距离全部成为互不相同的距离的方式配置。另外，未必非要使全部分离距离成为不同的距离，也可以使一部分分离距离成为相同的距离。

第二丝极40B配置成，从等离子体生成容器10的长度方向中央至位于长度方向的最下方的第二丝极40B的距离L2b比从等离子体生成容器10的长度方向中央至位于长度方向的最上方的第二丝极40B的距离L2a短。

换言之，从中央假想线O至位于最下方的第二丝极40B的中心线C2b的分离距离L2b比从中央假想线O至位于最上方的第二丝极40B的中心线C2a的分离距离L2a短。

再换言之，位于最上方的第二丝极40B是最靠向由第二丝极40B放出的电子的漂移方向的相反侧的第二丝极40B，位于最下方的第二丝极40B是最靠向由第二丝极40B放出的电子的漂移方向侧的第二丝极40B。

在本实施方式中，使第二丝极40B的配置与第一丝极40A的配置点对称(上下颠倒)，第二丝极40B整体偏靠上方地配置，相比中央假想线O的下方而在上方处较密，与第一丝极40A相同地，沿着长度方向非等间隔地配置。

此外，通过上述点对称的配置，而使从中央假想线O至位于最下方的第二丝极40B的中心线C2b的分离距离L2b比从中央假想线O至位于最下方的第一丝极40A的中心线C1a的分离距离L1a短。而且，从中央假想线O至位于最上方的第一丝极40A的中心线C1b的分离距离L1b比从中央假想线O至位于最上方的第二丝极40B的中心线C2a的分离距离L2a短。

如果是这样构成的本实施方式的离子源100，则从中央假想线O至最靠漂移方向侧的第一丝极40A的中心线C1b及第二丝极40B的中心线C2b的距离L1b、L2b，比从等离子体生成容器10的中央假想线O至最靠漂移方向的相反侧的第一丝极40A的中心线C1a及第二丝极40B的中心线C2a的距离L1a、L2a短，因此最靠漂移方向侧的第一丝极40A及第二丝极40B比以往接近长度方向的中央。

由此，能缓和由漂移方向侧的第一丝极40A及第二丝极40B放出的电子的漂移的停滞，因此能够抑制等离子体生成容器10内的漂移方向侧的等离子体密度变大，能实现位于漂移方向侧的第一丝极40A及第二丝极40B的长寿命化。

此外，使最靠漂移方向侧的第一丝极40A接近长度方向中央，因此在使由该第一丝极40A放出的电子向引出区域X的上方进行漂移之前，能够使其与离子源气体发生反应而生成等离子体，从而能够从该等离子体高效地引出离子束IB。

关于第二丝极40B也同样，由于使最靠漂移方向侧的第二丝极40B接近长度方向中央，因此在使由该第二丝极40B放出的电子向引出区域X的下方进行漂移之前，能够使其与离子源气体繁盛反应而生成等离子体，从而能够从该等离子体高效地引出离子束IB。

此外，由第一丝极40A放出的电子的漂移方向与由第二丝极40B放出的电子的漂移方向相反，因此在等离子体生成容器10内，由第二丝极40B放出的电子的漂移方向侧的区域与由第一丝极40A放出的电子的漂移方向的相反侧的区域重叠。由此，通过由第二丝极40B放出的电子而生成的等离子体的密度较大的区域与通过由第一丝极40A放出的电子而生成的等离子体的密度较小的区域重叠，能够使沿着长度方向的等离子体密度更加均匀化。

此外，从中央假想线O至位于最下方的第二丝极40B的分离距离L2b比从中央假想线O至位于最下方的第一丝极40A的分离距离L1a短，从中央假想线O至位于最上方的第一丝极40A的分离距离L1b比从中央假想线O至位于最上方的第二丝极40B的分离距离L2a短，因此能够在等离子体生成容器10内的整个长度方向上生成等离子体。

另外，本发明并不限于上述实施方式。

例如，在上述实施方式中，由第一丝极40A放出的电子沿着长度方向从下方向上方进行漂移，由第二丝极40B放出的电子沿着长度方向从上方向下方进行漂移，但是由各丝极40A、40B放出的电子的漂移方向也可以与上述实施方式相反。

具体而言，例如可以使S极的磁铁30及N极的磁铁30的配置与上述实施方式相反等，而使由第一丝极40A放出的电子沿着长度方向从上方向下方进行漂移、由第二丝极40B放出的电子沿着长度方向从下方向上方进行漂移。

另外，在上述实施方式中，第一丝极40A及第二丝极40B相互点对称地配置，但也可以与第一丝极40A的配置相独立地配置第二丝极40B。

此外，设置丝极40的角部并不限于上述实施方式，也可以设置于在形成有离子引出口的前侧壁10a的长边形成的角部，也可以将丝极40分别设置于在前侧壁10a的长边形成的角部及在后侧壁10d的长边形成的角部。

此外，本发明并不限于上述实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内进行各种变形，这是不言而喻的。

附图标记说明

100…离子源

10…等离子体生成容器

20…引出电极系统

30…磁铁

10K…角部

40A…第一丝极

40B…第二丝极

Claims (6)

1.一种离子源，具备：

长条状的等离子体生成容器；

多个磁铁，在所述等离子体生成容器的内部形成会切磁场；及

多个第一丝极，沿着所述等离子体生成容器的长度方向设置成列状，并且插入到所述等离子体生成容器的内部，

由所述第一丝极放出的电子构成为从所述长度方向上的一侧朝着另一侧进行ExB漂移，

从所述等离子体生成容器的所述长度方向的中央至在所述长度方向上最靠所述另一侧的第一丝极的距离，比从所述等离子体生成容器的所述长度方向的中央至在所述长度方向上最靠所述一侧的第一丝极的距离短。

2.根据权利要求1所述的离子源，其中，

所述离子源还具备多个第二丝极，所述多个第二丝极与所述第一丝极平行地设置，并且插入到所述等离子体生成容器的内部，

由所述第二丝极放出的电子构成为从所述长度方向上的所述另一侧朝着所述一侧进行ExB漂移，

从所述等离子体生成容器的所述长度方向的中央至在所述长度方向上最靠所述一侧的第二丝极的距离，比从所述等离子体生成容器的所述长度方向的中央至在所述长度方向上最靠所述另一侧的第二丝极的距离短。

3.根据权利要求2所述的离子源，其中，

从所述等离子体生成容器的所述长度方向的中央至在所述长度方向上最靠所述一侧的第二丝极的距离，比从所述等离子体生成容器的所述长度方向的中央至在所述长度方向上最靠所述一侧的第一丝极的距离短。

4.根据权利要求2或3所述的离子源，其中，

所述第一丝极及所述第二丝极沿着所述长度方向非等间隔地配置。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的离子源，其中，

所述第一丝极及所述第二丝极相互点对称地配置。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的离子源，其中，

所述等离子体生成容器呈大致长方体形状，在沿着所述长度方向的第一侧壁上形成有离子的引出口，

所述多个磁铁沿着所述长度方向配置在与所述第一侧壁垂直且沿着所述长度方向的第二侧壁的中央及与所述第一侧壁相向的第三侧壁的中央，

所述第一丝极从由所述第二侧壁及所述第三侧壁形成的角部插入到所述等离子体生成容器的内部，

在所述等离子体生成容器的横截面中，与连结配置于所述第二侧壁的中央的磁铁和配置于所述第三侧壁的中央的磁铁而得到的假想线相比，所述第一丝极的前端位于所述等离子体生成容器的中心侧。