CN113454749B - 离子枪 - Google Patents

Abstract

本发明的离子枪包括：阳极；磁极，具有与所述阳极相对的内表面、设置在与所述阳极对应的位置上的狭缝和从所述内表面的一端向所述狭缝延伸且形成所述狭缝的一部分的内倾斜面；和罩，至少包覆所述内表面及所述内倾斜面且由具有导电性和非磁性的材料构造，所述罩相对于所述磁极能够拆卸。

Description

离子枪

技术领域

本发明涉及一种离子枪。

本申请在2019年9月9日向日本提出的专利申请第2019-163763号的基础上要求优先权，并且在此援引其内容。

背景技术

以往，经常使用利用从离子枪引出的离子束的工艺，在各种装置中搭载有离子枪。一般而言，离子枪具有以下结构(例如，参见专利文献1)：在形成于磁极(阴极)的狭缝与阳极(anode)之间生成等离子体，通过狭缝向外部引出离子束。

专利文献1：美国专利申请公开第2012/0187843号的说明书

近年来，要求通过增强离子枪的磁场强度来提高被处理体的蚀刻速率的工艺。然而，这种工艺具有因等离子体而磁极容易消耗、磁极的狭缝间隔(间隙)变宽且放电电流下降的问题。另外，还具有将消耗的磁极更换为新磁极的频率增加且维护性差的问题。此外，还具有伴随磁极的消耗而产生起因于磁极材料的污染，对使用离子枪的工艺带来不良影响这种问题。

发明内容

本发明是考虑这种情况而提出的，其目的是提供一种离子枪，该离子枪能够抑制磁极狭缝中磁极的磨损，通过降低磁极更换频率来提高维护性，并且抑制起因于磁极材料的污染的产生。

本发明的一方式的离子枪包括：阳极；磁极，具有与所述阳极相对的内表面、设置在与所述阳极对应的位置上的狭缝和从所述内表面的一端向所述狭缝延伸且形成所述狭缝的一部分的内倾斜面；和罩，至少包覆所述内表面及所述内倾斜面且由具有导电性和非磁性的材料构造，所述罩相对于所述磁极能够拆卸。

在本发明的一方式的离子枪中，所述罩也可以包括：第一包覆部，用于包覆所述磁极的所述内表面；和第二包覆部，与所述第一包覆部相连且包覆所述内倾斜面。

在本发明的一方式的离子枪中，所述罩的第二包覆部也可以具有相对于所述阳极沿铅直方向延伸的铅直面，在所述狭缝中彼此面对的所述铅直面彼此平行。

在本发明的一方式的离子枪中，所述磁极的所述内倾斜面也可以具有内前端，所述内前端位于所述内倾斜面的与所述内表面的所述一端相反的一侧，在所述离子枪的俯视观察中，所述内前端和所述罩的所述铅直面对齐。

在本发明的一方式的离子枪中，所述磁极的所述内倾斜面也可以具有内前端，所述内前端位于所述内倾斜面的与所述内表面的所述一端相反的一侧，在所述离子枪的俯视观察中，所述罩具有从所述内前端向所述狭缝突出的突出部。

在本发明的一方式的离子枪中，所述磁极也可以具有：外表面，位于所述磁极的与所述内表面相反的一侧；和外倾斜面，从所述外表面的一端向所述狭缝延伸且形成所述狭缝的一部分，所述罩包覆所述内表面、所述内倾斜面、所述外表面及所述外倾斜面。

在本发明的一方式的离子枪中，构造所述罩的所述材料也可以选自由碳、钛及铜组成的组。特别是，构造所述罩的所述材料优选为碳。

根据本发明的上述方式，能够抑制磁极在磁极狭缝中的消耗，通过降低磁极更换频率来提高维护性，并且抑制起因于磁极材料的污染的产生。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的线性离子枪的大致结构的立体图。

图2是表示本发明的实施方式的线性离子枪的大致结构的图，是沿图1所示的A-A线的剖面图。

图3是表示本发明的实施方式的线性离子枪的主要部分的放大剖面图。

图4是表示本发明的实施方式的变形例1的线性离子枪的主要部分的放大剖面图。

图5是表示本发明的实施方式的变形例2的线性离子枪的主要部分的放大剖面图。

图6是表示本发明的实施方式的变形例3的线性离子枪的主要部分的放大剖面图。

图7是用于说明本发明实施例的实验结果的图表。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式的离子枪进行说明。在用于说明本实施方式的各图中，为了将各部件设为可识别大小，适当变更各部件的比例尺。

在以下的说明中，“俯视”指从离子枪的上方观察的平面，并且指从后述的图1或图2所示的磁极30的铅直方向观察的平面。

另外，以下实施方式中的“第一”、“第二”等序数词是为了避免结构要素的混淆而附加的词，并不限定数量。

(线性离子枪)

图1是表示本发明的实施方式的线性离子枪(离子枪)的大致结构的立体图。图2是沿图1的A-A线的剖面图。图3是表示本发明的实施方式的线性离子枪的主要部分的图，是表示形成于磁极的狭缝的周围部件的放大剖面图。

如图1所示，线性离子枪10包括磁轭20和磁极30。在磁轭20的内部配置有阳极40、磁铁50、绝缘部70和气体供给装置G(后述)。

在磁极30中，在磁极30的与阳极40相对的内表面32安装有罩60(后述)。

线性离子枪10具有不需要格栅电极等引出电极的简便结构，可使用一台DC电源(直流电，direct current)进行等离子体P的产生和由离子加速引起的离子束BM的产生。另外，线性离子枪10由于不具有热丝，因此在氧气氛下也能长时间运转，具有低成本及高可靠性。

此外，图1虽然只示出线性离子枪10，但在线性离子枪10也可以连接有用于使线性离子枪10移动或摆动的移动装置。根据使用线性离子枪10的装置，可以适当选择移动装置的结构。

如图1所示，线性离子枪10具有跑道形状的开口11，该开口11具有直线部和曲线部。开口11的曲线部(角部分)在俯视中具有例如25mm的曲率半径。

(磁轭)

磁轭20为包围阳极40、磁铁50、绝缘部70及气体供给装置G的铁制框状部件。由磁极30覆盖被磁轭20包围的区域。

(磁极)

磁极30(阴极)在俯视中具有例如总长400mm×宽度100mm×高度10mm的大小。作为构造磁极30的材料，优选使用铁磁体，例如使用SS400等的钢、SUS430等的不锈钢。

如图3所示，磁极30具有设置在与阳极40对应的位置上的狭缝31。狭缝31设置在与开口11对应的位置上。

磁极30通过紧固部件固定在磁轭20上。通过解除紧固部件的固定，能够从磁轭20拆卸磁极30。具体而言，磁极30具有位于开口11的内侧的内侧磁极30I和位于开口11的外侧的外侧磁极30E。

内侧磁极30I预先固定在磁轭20上。另一方面，能够从磁轭20拆卸外侧磁极30E。通过在维持内侧磁极30I固定的状态下解除紧固部件的固定，从而能够拆卸外侧磁极30E。

此外，作为磁极30的结构，也可以从磁轭20分别能够独立地拆卸内侧磁极30I及外侧磁极30E。

另外，图1示出外侧磁极30E为一张板部件，但也可以由多个板部件构造外侧磁极30E。在该情况下，通过解除紧固部件的固定，能够从磁轭20独立地拆卸多个板部件中的每一个板部件。

磁极30具有与阳极40相对的内表面32和位于磁极30的与内表面32相反的一侧的外表面33。此外，磁极30具有：内倾斜面38，从内表面32的一端向狭缝31延伸且形成狭缝31的一部分；和外倾斜面35，从外表面33的一端向狭缝31延伸且形成狭缝的一部分。

内倾斜面38为从与狭缝31相邻的内表面32的端部39(一端、下端)朝向狭缝31的中央向上倾斜延伸的倾斜面，内倾斜面38形成狭缝31的一部分。

外倾斜面35为从与狭缝31相邻的外表面33的端部34(一端、上端)朝向狭缝31的中央向下倾斜延伸的倾斜面，外倾斜面35形成狭缝31的一部分。

磁极30的内倾斜面38具有位于内倾斜面38的与内表面32的端部39(一端)相反的一侧的内前端36。换言之，磁极30的外倾斜面35具有位于外倾斜面35的与外表面33的端部34(一端)相反的一侧的内前端36。也就是说，内前端36为连接内倾斜面38和外倾斜面35的连接端。

彼此相对的内前端36之间的距离即狭缝31的宽度为约3mm左右。此外，狭缝31的宽度并不限定于该数值。

(阳极)

阳极40(anode)与磁极30的背面相隔配置，从而在与由磁铁50生成的磁场大致垂直的方向上生成电场。在阳极40上连接有未图示的DC电源。

作为构造阳极40的材料，优选使用非磁性体。

阳极40在磁轭20的内部被绝缘部70支撑。

(磁铁)

磁铁50由SmCo(钐钴)合金构造，用于沿狭缝31的宽度方向产生磁场。另外，也可以将NdFe(钕铁)用作磁铁50。

(气体供给装置)

气体供给装置G设置在磁轭20的内部，用于将Ar及O₂等气体供给到磁轭20内。气体供给装置G的气体经过磁轭20的内部向开口11流动，所述气体用于在磁极30的狭缝31和阳极40之间生成等离子体。

在磁轭20及阳极40的外周设置有与冷却水循环装置连接的未图示的水冷管。通过使冷却介质在水冷管内流动，能够防止磁极30及阳极40的变形，并且稳定地驱动线性离子枪10而不依赖于温度。

(罩)

罩60包覆磁极30的内表面32及内倾斜面38，由具有导电性及非磁性的材料构造。罩60与磁极30分体，通过紧固部件固定于磁极30。通过解除紧固部件的固定，能够从磁极30拆卸罩60。

罩60包括：第一包覆部61，用于包覆磁极30的内表面32；和第二包覆部62，与第一包覆部61相连且包覆内倾斜面38。也就是说，第一包覆部61及第二包覆部62为一体。

在本实施方式中，第二包覆部62具有相对于阳极40沿铅直方向延伸的铅直面63。在狭缝31中彼此面对的铅直面63彼此平行。铅直面63在狭缝31中露出于开口11。

另外，在线性离子枪10的俯视中，磁极30的内前端36与罩60的铅直面63对齐。

罩60优选由与磁极材料相比难以被侵蚀的材质构造。罩60由具有导电性和非磁性的材料构造，具体而言，构造罩60的材料选自由碳、钛及铜组成的组。特别是，作为该材料最好使用碳。

关于适合用作罩60的碳的特性，弯曲强度优选为34MPa～74MPa，拉伸强度优选为22MPa～48MPa，比电阻优选为11μΩ·m～17.5μΩ·m，肖氏硬度优选为53～87。通过使用具备这种特性的碳，能够形成适合本实施方式的罩60。

接着，对如上所述构造的线性离子枪10的作用进行说明。

线性离子枪10配置在维持减压气氛的腔室内。对于线性离子枪10来说，在从气体供给装置G向阳极40与磁极30之间的空间供给气体的状态下，通过DC电源对阳极40与磁极30之间施加高频电压。由此，如图2所示那样，在磁极30与阳极40之间产生等离子体P，从开口11引出离子束BM。

根据本实施方式，由于在开口11中构造狭缝31的磁极30的内倾斜面38被罩60覆盖，因此磁极30的内倾斜面38不会在狭缝31的内部露出。因此，能够抑制因内倾斜面38在狭缝31内暴露于等离子体而引起的内倾斜面38的消耗，并且防止因内倾斜面38的消耗而狭缝31的间隔(两个内前端36之间的距离)增加。其结果，能够在狭缝31中维持规定的间隔，并且防止放电电流的下降。另外，能够延长磁极30的寿命，减少将已使用磁极更换为新磁极的频率，并且提高维护性。此外，通过抑制磁极30的消耗，能够抑制因磁极30的材料产生的污染，不会对使用离子枪的工艺带来不良影响。

在本实施方式中，罩60由与磁极材料相比不易被侵蚀的材质构造，并且由碳构造。碳由于其溅射效率为通常磁极材料的约1/3，因此可适合用作罩60的材质。

此外，即使经过线性离子枪10的运转时间，也能够得到抑制磁极30的消耗这一效果，但另一方面导致罩60的牺牲性消耗。然而，能够容易从磁极30拆卸罩60，从而能够更换罩60。

(罩的更换)

当在磁极30中更换新旧罩60时，首先，从磁轭20卸下外侧磁极30E。在该状态下，相对于外侧磁极30E的内表面32能够拆卸罩60。此外，在从磁轭20卸下外侧磁极30E的状态下，作业人员能够将作业人员的手指插入到内侧磁极30I与阳极40之间。因此，相对于内侧磁极30I的内表面32能够拆卸罩60。

因此，能够容易从外侧磁极30E及内侧磁极30I卸下已使用的罩60。然后，能够容易在外侧磁极30E及内侧磁极30I安装使用前的新罩60。

另外，由于外侧磁极30E的磁力(磁通)小于内侧磁极30I的磁力(磁通)，因此能够容易进行从磁轭20拆卸外侧磁极30E的作业。

(实施方式的变形例)

接着，参照图4～图6，对本发明的实施方式的变形例的线性离子枪进行说明。在图4～图6中，对与上述实施方式相同的部件使用相同的附图标记，并且省略或简化其说明。以下说明的变形例与上述实施方式的不同点在于罩60的结构。

(变形例1)

图4是表示本发明的实施方式的变形例1的线性离子枪的主要部分的放大剖面图。

在上述的实施方式中，对在线性离子枪10的俯视中磁极30的内前端36与第二包覆部62的铅直面63对齐的结构进行了说明，但内前端36也可以与铅直面63不对齐。

具体而言，在变形例1中，罩60具有突出部64，该突出部64在线性离子枪10的俯视中从内前端36向开口11的内部突出。

根据本变形例1，由于在磁极30的内前端36与等离子体发生区域之间配置有突出部64，因此内前端36难以暴露于等离子体，能够进一步提高抑制磁极30消耗的效果。由此，能够防止因磁极30的消耗而狭缝31的间隔增加。其结果，能够在狭缝31中维持规定的间隔来防止放电电流下降，从而延长磁极30的寿命。

此外，可根据线性离子枪10的维护中的罩60的更换频率和经过开口11向线性离子枪10的外部流动的气体流量，适当确定突出部64的突出量即内前端36与铅直面63(突出部64的前端)之间的距离。

具体而言，若突出部64的突出量增加，虽然能够减少罩60的更换频率，但另一方面会减小开口11的开口面积，减少电导率，降低在开口11中流动的气体流量。与此相对地，若突出部64的突出量减少，虽然增加罩60的更换频率，但加大开口11的开口面积，增加电导率，增加在开口11中流动的气体流量。

即，突出部64的突出量和线性离子枪10所要求的气体流量处于权衡关系。通过考虑该关系，确定突出部64的突出量。

(变形例2)

图5是表示本发明的实施方式的变形例2的线性离子枪的主要部分的放大剖面图。

在上述的实施方式及变形例1中，对罩60具有铅直面63的情况进行了说明，但罩60并不一定具有铅直面63。

如图5所示，罩60的第二包覆部62也可以具有在线性离子枪10的俯视中从内前端36向开口11的内部突出的突出部64，并且具有与内倾斜面38平行的倾斜面。在该情况下，第二包覆部62的倾斜面在狭缝31中露出于开口11。

根据本变形例2，由于在磁极30的内前端36和等离子体发生区域之间配置有突出部64，因此内前端36难以暴露于等离子体，能够进一步提高抑制磁极30消耗的效果。由此，能够防止因磁极30的消耗而狭缝31的间隔增加。其结果，能够在狭缝31中维持规定的间隔来防止放电电流的下降，从而延长磁极30的寿命。

此外，与变形例1同样，突出部64的突出量和线性离子枪10所要求的气体流量处于权衡关系，因此通过考虑该关系，确定突出部64的突出量。

(变形例3)

图6是表示本发明的实施方式的变形例3的线性离子枪的主要部分的放大剖面图。

在上述的实施方式及变形例1、2中，对磁极30的内表面32被第一包覆部61包覆，并且内倾斜面38被第二包覆部62包覆的结构进行了说明，但罩60至少包覆内表面32及内倾斜面38即可，罩60还可以包覆外表面33及外倾斜面35。

如图6所示，罩60包括：包覆内表面32的第一包覆部61；包覆内倾斜面38的第二包覆部62；包覆外表面33的第三包覆部66；以及包覆外倾斜面35的第四包覆部67。第四包覆部67与第三包覆部66相连。第三包覆部66及第四包覆部67为一体，通过紧固部件固定到磁极30。通过解除紧固部件的固定，能够从磁极30拆卸第三包覆部66及第四包覆部67。

第一包覆部61及第二包覆部62构造下部罩。第三包覆部66及第四包覆部67构造上部罩。下部罩和上部罩彼此分体，下部罩和上部罩各自固定于磁极30。

根据变形例3，不仅能够得到与上述的实施方式同样的效果，还能够抑制磁极30在外表面33及外倾斜面35中的消耗。

此外，在图6所示的结构中，在铅直面63也可以设置有突出部64，也可以在第四包覆部67的铅直面上设置有突出部。另外，变形例2所示的突出部64也可以应用于变形例3中。

但是，如上所述那样，由于突出部64的突出量与线性离子枪10所要求的气体流量处于权衡关系，因此通过考虑该关系，确定突出部64的突出量。

在上述的实施方式及变形例1～3中，彼此面对且以线对称(关于狭缝中央线的线对称)的方式配置的两个内倾斜面38及两个外倾斜面35设置在狭缝31的内部。换言之，在该结构中，以内前端36为顶点的彼此面对的两个角部位于狭缝31的内部。

在这种线对称的结构中，即使磁极30在狭缝31的内部消耗，也由于维持线对称的形状(相似关系)，因此放电电流不会下降，并且保持放电电流的稳定变迁(经时变化)。

保持形状的相似关系的含义与在狭缝31的内部产生的磁通密度的状况(变化)只依赖于狭缝31的间隔的含义大致相同。这表示不会产生因狭缝31内部的磁极30的表面形状变化引起的磁通分布的变动。

对于狭缝31的间隔和狭缝31内部的磁极30的表面形状的变化，本发明人通过仿真来确认两者的贡献度评价。

其结果，得到如下结果：在以离子电流的稳定化为目的时，与狭缝31的间隔变化相比，保持狭缝31内部的彼此相对的磁极30的形状的相似关系在实现离子电流的稳定化的方面上为主导因素。该评价结果被确认为与后述实施例(实验结果)相匹配。

实施例

接着，参照图7并参照实施例，进一步具体说明本发明的效果。

图7是对表示现有的线性离子枪的比较例和表示采用上述实施方式的罩的线性离子枪的实施例进行比较的图表，示出放电电流随运转时间(工作时间)的经过而产生的经时变化。在图7中，横轴示出线性离子枪的运转时间，纵轴示出放电电流的变化。具体而言，放电电流的变化是指以运转时间为0小时的情况为基准(1、100％)的放电电流的相对变化量。

(比较例)

在比较例的线性离子枪中应用的是在磁极的狭缝中未设置罩的结构，即应用的是磁极的结构部件在狭缝中露出的结构。

在比较例中，在刚开始运转之后，放电电流显著下降。然后，直至运转时间达到7.5小时为止，放电电流缓慢下降。在运转时间经过7.5小时之后，也持续发生放电电流下降的现象。当运转时间达到17小时时，放电电流的变化量为0.8，与运转开始前相比放电电流下降约20％左右。另外，在运转时间达到17小时之后，确认比较例的线性离子枪中的磁极消耗的结果，确认到在相当于本实施方式的磁极30的内前端36的部分产生起因于消耗的形状变化。

(实施例)

在本实施例的线性离子枪中应用的是上述实施方式(图3)所示的结构。

在本实施例中，从运转开始至运转时间达到5小时为止，放电电流逐渐下降，但未观察到如比较例所示那样的放电电流的显著下降。在运转时间超过5小时时，未观察到放电电流的下降，放电电流稳定。在运转时间达到17小时时，放电电流的变化量为0.9，与运转开始前相比放电电流下降约10％左右。

将比较例和实施例相比较来看，明确可知在运转时间经过17小时之后，实施例相对于比较例能够将放电电流的下降抑制约10％左右。即，上述实施方式所示的将罩60设置于磁极30的结构有助于抑制放电电流的下降。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，并且如在上述内容中的说明，应理解这些实施方式为本发明的举例说明，并不能认为限定本发明。在不脱离本发明的范围的情况下可进行附加、省略、置换及其他变更。因此，并不能认为本发明由前述说明来限定，而是由权利要求书的范围来限制。

产业上的可利用性

本发明能够广泛地应用于如下的离子枪中，该离子枪能够抑制磁极在磁极狭缝中的消耗，通过降低磁极更换频率来提高维护性，并且抑制起因于磁极材料的污染的产生。

附图标记说明

10 线性离子枪(离子枪) 11 开口

20 磁轭 30 磁极

30E 外侧磁极(磁极) 30I 内侧磁极(磁极)

31 狭缝 32 内表面

33 外表面 34、39 端部

35 外倾斜面 36 内前端

38 内倾斜面 40 阳极

50 磁铁 60 罩

61 第一包覆部(罩) 62 第二包覆部(罩)

63 铅直面 64 突出部

66 第三包覆部(罩) 67 第四包覆部(罩)

70 绝缘部 BM 离子束

G 气体供给装置 P 等离子体

Claims (6)

1.一种离子枪，包括：

阳极；

磁极，具有与所述阳极相对的内表面、设置在作为所述阳极的上方的与所述阳极对应的位置上的狭缝和从所述内表面的一端向所述狭缝延伸且形成所述狭缝的一部分的内倾斜面；和

罩，至少包覆所述内表面及所述内倾斜面且由具有导电性和非磁性的材料构造，所述罩相对于所述磁极能够拆卸，

所述罩包括：第一包覆部，用于包覆所述磁极的所述内表面；和第二包覆部，与所述第一包覆部相连且包覆所述内倾斜面，

所述磁极的所述内倾斜面具有内前端，所述内前端位于所述内倾斜面的与所述内表面的所述一端相反的一侧，

在从所述离子枪的上方观察的俯视观察中，所述罩具有从所述内前端向所述狭缝突出的突出部。

2.根据权利要求1所述的离子枪，其中，

所述罩的第二包覆部具有沿从所述离子枪的上方观察的方向延伸的表面，

在所述狭缝中彼此面对的所述第二包覆部的所述表面彼此平行。

3.一种离子枪，包括：

阳极；

磁极，具有与所述阳极相对的内表面、设置在作为所述阳极的上方的与所述阳极对应的位置上的狭缝和从所述内表面的一端向所述狭缝延伸且形成所述狭缝的一部分的内倾斜面；和

罩，至少包覆所述内表面及所述内倾斜面且由具有导电性和非磁性的材料构造，所述罩相对于所述磁极能够拆卸，

所述罩包括：第一包覆部，用于包覆所述磁极的所述内表面；和第二包覆部，与所述第一包覆部相连且包覆所述内倾斜面，

所述罩的第二包覆部具有沿从所述离子枪的上方观察的方向延伸的表面，

在所述狭缝中彼此面对的所述第二包覆部的所述表面彼此平行，

所述磁极的所述内倾斜面具有内前端，所述内前端位于所述内倾斜面的与所述内表面的所述一端相反的一侧，

在从所述离子枪的上方观察的俯视观察中，所述内前端和所述第二包覆部的所述表面对齐。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的离子枪，其中，

所述磁极具有：外表面，位于所述磁极的与所述内表面相反的一侧；和外倾斜面，从所述外表面的一端向所述狭缝延伸且形成所述狭缝的一部分，

所述罩包覆所述内表面、所述内倾斜面、所述外表面及所述外倾斜面。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的离子枪，其中，

构造所述罩的所述材料选自由碳、钛及铜组成的组。

6.根据权利要求5所述的离子枪，其中，

构造所述罩的所述材料为碳。

Images