CN1215520C

CN1215520C - 离子源

Info

Publication number: CN1215520C
Application number: CNB021606099A
Authority: CN
Inventors: 山下贵敏
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-16
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2022-11-16
Also published as: JP4175604B2; TW591683B; GB2387266B; US6696793B2; CN1420521A; GB2387266A; US20030094902A1; JP2003151452A; TW200300949A; KR20030041095A; KR100497825B1; GB0226825D0

Abstract

一种称为Bernas-型的离子源又另外增设正极和偏置电源。正极设置在等离子体产生室内并且与等离子体产生室电绝缘。正极至少在磁场产生器产生的磁场的X方向的两边和抽出口的一边(离子束抽出方向的一边)各形成有一个开口共三个开口。偏置电源把偏置电压施加于正极和等离子体产生室上。组成部件结合在一起后，正极可用作回推等离子体内的离子，另外还可以吸收二次电子，由此来增加在等离子体中的多电荷离子的比率。

Description

离子源

技术领域

本发明涉及一种用于通过在磁场内的电子碰撞使气体电离产生等离子体的电子碰撞型离子源，特别涉及一种能增加在抽出的离子束中的多电荷离子(双电荷或多电荷)的比率的离子源。

背景技术

电子碰撞型离子源有很多种。其中之一在公开号为35648/1997的专利中披露，这种Bernas型离子源是通过组合应用磁场约束电子和反射器反射电子来达到增加等离子体的密度的目的。

为了应用多电荷离子而一直需要从离子源抽出多电荷离子(双电荷或多电荷离子)。这是因为，与单电荷离子相比，在相同的加速电压下，多电荷离子能获得几倍的加速能量，这个倍数与离子的电荷数相等(如：对于双电荷来说就是两倍)，这样一来，多电荷离子就能很容易获得高能量。

为在这种离子源中产生多电荷离子，通常就必须增加在等离子体中的平均电子能量。所以一直尝试使用下述措施：(a)增强用于约束电子的磁场，(b)增加等离子体的密度，或(c)增加从电子产生源发射的一次电子的能量。

等离子体中的电子包括从电子产生源发出的一次电子(能量通常为大约几十eV到几百eV)与在与中性气体碰撞的一次电子离子化的同时放出的二次电子(能量通常为大约几eV到几十eV)。二次电子与中性气体碰撞时释放的电子在本说明书中统称为二次电子。

由于生产多电荷离子需要高能量电子(如产生双电荷电离子需要大于几十eV)，因此二次电子对产生多电荷离子几乎不起作用。多电荷离子几乎都是由一次电子的作用产生的。相反，对产生单电荷离子，就不需要产生多电荷离子那么大的电子能量，所以二次电子对产生单电荷离子起很大作用。

然而，在示出的(a)到(c)的每一种方法都会产生和一次电子一样多的二次电子。也就是说，多电荷离子产生多少，单电荷离子也产生多少。所以，在从离子源抽出的离子束中的多电荷离子的占有比率几乎没有增加。

所以，为了增加多电荷离子束的数量，总的离子束电流不可避免地要增加。然而，在总的离子束电流增加这么多的情况下，用于抽出离子束的电极系统将引起一些包括由于空间电荷影响或如电极间的放电引起的束流限制的麻烦。另外，即使用于提供抽出电压的电源的电流变大，按照抽出电源的能力，提供很大的电流是很困难的。所以，增加总的束流电流将受到限制，并且通过这些措施来增加多电荷离子的数量也是困难的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个能增加在等离子体中和离子束中的多电荷离子占有率的离子源，从而增加被抽出的多电荷离子的数量。

为达到上述目的而采用下述装置。根据本发明，提供的离子源包括：

一个等离子体产生室，所述等离子体产生室包括把气体引入到等离子体产生室的气体引入部分、和用于从其抽出离子束的离子抽出口；

用于向等离子体产生室提供电子以通过电子碰撞来离子化气体产生等离子体的电子产生源；

用于产生约束由等离子体产生室内的电子产生源产生的电子的磁场的磁场产生器；

设置在等离子体产生室内的与等离子体产生室电绝缘的正极，所述正极在沿磁场方向的两边和离子抽出方向的一边各形成有一个开口共三个开口，且沿磁场方向两边的开口彼此相通；和

用于向正极提供偏置电压的直流偏置电源，该偏置电压相对于等离子体产生室为正。

设置正极和偏置电源的主要效果有以下(1)和(2)两点。

(1)由正极引起的离子回推作用

在正极的壁表面(除了正极的开口之外的)上，通过施加到正极上的正偏置电压，使在等离子体中的离子的极性与正极的极性相同，所以，在等离子体室内产生的等离子体中的离子会向等离子体回推。回推的离子与主要由电子产生源发射的一次电子的碰撞，由此引起电荷数的增加。通常，对于产生带n(n≥2)个电荷离子的可能性来说，(b)从带n-1个电荷离子中产生带n个电荷离子的可能性要比(a)从中性气体中产生带n个电荷离子的可能性大的多。根据本发明的离子源，因为过程(b)应用离子(也就是已离子化的)回推能有效地被应用，所以多电荷离子便可以有效地产生。

(2)用正极吸收二次电子

由电子产生源产生的一次电子被由磁场产生器产生的磁场捕捉并且在磁场作用下运动。在运动过程中，一次电子与中性气体碰撞产生等离子体。由于一次电子具有如上所述的相对较高的能量，所以这有助于产生单电荷离子和多电荷离子。

在这些产生的等离子体的附近，有一个被施加来自偏置电源的正偏置电压的正极。在一次电子与中性气体碰撞时所产生的二次电子具有如上所述的较低能量，并且二次电子不断地向很多方向释放。这样，由于在等离子体附近正极的存在，在正极附近的二次电子被不同极性的正极所吸收。在等离子体中的二次电子的数量也会相应减少。顺便说一句，由于从电子产生源产生的一次电子有比较好的方向性并且被磁场捕捉沿磁场运动，一次电子被正极吸收的概率比二次电子要小的多。为进一步减少一次电子被正极吸收的概率，最好使由磁场产生器产生的磁场比较强，这样磁场就能更强地捕捉一次电子。

由于二次电子具有如上所述的较低能量，它对产生多电荷离子的贡献很小，而只能对产生单电荷离子起作用。由于正极的存在会使二次电子的数量减少，在等离子体中产生的单电荷离子也会相应减少。从不同的角度看，多电荷离子的在等离子体中的比率会相对增加。

由于上述(1)和(2)的作用，可增加在等离子体中的多电荷离子的比率，相应地，多电荷离子在离子束中的占有率也会增加。结果是，在不用增加离子束电流(抽出的离子束的数量)的情况下，被抽出的多电荷离子的数量会增加。

附图说明

图1是示出了本发明离子源的一个实施例的截面图；

图2是沿图1所示线A-A方向所剖切的放大截面图；

图3是图1所示正极的透视图；

图4概要示出了图1所示离子源的电位分布；

图5是示出了本发明正极的另外一个实施例的透视图；

图6A也是本发明正极的另外一个实施例的平面图；和

图6B是沿图6A所示线C-C方向的截面图；

具体实施方式

图1是示出了本发明离子源的一个实施例的截面图。图2是沿图1所示线A-A方向剖切的放大截面图。图3是图1所示正极的透视图。

本发明的离子源的特征是在公知的Bernas型离子源上增加一个正极26和一个偏置电压源32。

离子源包括例如用作正极的长方形等离子体产生室2。将产生等离子体14的气体(包括蒸气)引入到等离子体产生室2中。等离子体产生室2在Z向(或离子束抽出的方向)侧面(长侧面)上有一个用于抽出离子束16的开口4。例如，离子抽出口4为缝状。

在等离子体产生室2的X方向与离子束抽出方向Z的交叉面所形成的两个侧面(短侧面)中的一个的内侧，提供一个在这一实施方式中的U-型丝极6用作电子产生源。电子产生源提供电子7(一次电子)到等离子体产生室2，以便通过离子碰撞来把气体离子化，从而产生等离子体14。用绝缘件8使丝极6和等离子体产生室2之间电绝缘。与方向X和方向Z正交的方向为Y方向。

在等离子体产生室2的X方向所形成的两个侧面(短侧面)中的另一个的内侧，提供一个与丝极6相对设置的用于向反方向反射一次电子7的反射器10。用绝缘件12使反射器10和等离子体产生室2之间电绝缘。为使反射器10处在浮置电位，反射器10可以按照如本实施方式所示的方式不与其他部件相联；反射器10也可以与丝极6的一端(例如，丝极电源22的正电位端)相联，以使其处在与丝极相同的电位。

在等离子体产生室2外面，还设置一个在X方向上位于等离子体产生室2两边的磁场产生器18。磁场产生器18在等离子体产生室2内产生一个X方向的磁场20，磁场20用于捕捉丝极6产生的一次电子7和增加产生和保持等离子体14的效率。简单地讲，是在联接丝极6与反射器10之间的X方向上产生磁场20。磁场20的方向也可以是如实施例所示的相反方向。例如，磁场产生器18可以是电磁铁。本发明的离子源在等离子体产生室2内的磁场20的强度最好是足够大，例如最好为10mT到50mT。

为加热丝极6和从丝极6发射一次电子7，直流丝极电源22为丝极6提供一个直流丝极电压V_F(例如2至4V)。

为在丝极6和等离子体产生室2之间引起电弧放电，当丝极6转向负极时，直流电弧电源24在丝极6的一端和等离子体产生室2之间提供一个电弧电压V_A(例如40至100V)。

除了上面提到的结构外，离子源还包括个正极26和偏置电源32。

正极26在等离子体产生室2内并且与等离子体产生室2电绝缘。例如，正极26可以是沿面Y-Z的横截面为正方形的管状、盒状或槽状，并且有位于三个面(图3)上的开口26a到26c，总的来说，至少要在沿磁场20方向(X向)的两侧面以及离子抽出口4(离子束抽出方向Z的一边)的一面有开口。更具体地讲，在这一实施例中正极26共在三个侧面上有开口，即在X方向的两侧面和Z方向的一侧面，并且是沿面Y-Z的横截面为正方形的管状、盒状或槽状。正极26由等离子体产生室2支撑，并且用绝缘部件28使它们之间电绝缘。

具有开口26a至26c的正极26不影响由丝极6产生的一次电子7的移动和来自等离子体的离子束16的抽出。即：由丝极6发射的一次电子7可以通过位于X方向的开口26a和26b沿着在丝极6与反射器10之间的磁场20来回移动，从而可以有效地产生等离子体14。另外，由于等离子体14可以通过位于离子抽出口4那一边的开口26c向离子抽出口的附近扩散，从而可以通过抽出口4从等离子体14中有效地把离子束16抽出。

偏置电源32是向正极26提供偏置电压V_B的直流电源，所说的偏置电压对等离子体产生室2(即：基于等离子体产生室2的参考电位)来说是正的。根据本实施例，偏置电压V_B通过电导体部件30(图2)联接到正极26。偏置电压V_B的大小没有具体限定，但优选的是最高到500V，因为太高的电压会使利用绝缘部件28的电绝缘变为困难，以及最低电压为1V。所以，偏置电压V_B优选为在1V至500V之间。

图4概要示出了离子源的电位设置的一个实施例。在等离子体产生室2内为正极26提供一偏置电压V_B，等离子体14的电位大约等于偏置电压V_B。这是因为等离子体具有这样的特性：等离子体的电位趋近于靠近等离子体的处于最高电位的电导体的电位，还因为在这个实施例中电导体就是正极26。

因此，在离子源中，实际电弧电压V_S用下述公式来表示，如图所示，在这种情况下，电弧电压V_A的方向在等离子体产生室2处为正。实际电弧电压V_S决定由丝极6发射的电子7的能量，并且在那种公知的既没有正极26也没有偏置电源32的离子源中，实际电弧电压V_S其实就是电弧电压V_A。附带说一句，在这里由于丝极电压V_F小而被忽略不计。

(公式1)

V_S＝V_B+V_A

然而，由于在本发明的离子源中实际电弧电压V_S的获得，电弧电压V_A的方向可能会与所示实施例的方向相反，也就是说，电弧电压V_A在等离子体产生室2一边可以为负。在这种情况下，实际电弧电压V_S用下述公式表示。为保持实际电弧电压V_S为正，应设定为|V_B|＞|V_A|。

(公式2)

V_S＝V_B-V_A

设置正极电源26和偏置电源32的主要作用如下：

(1)由正极26引起的离子回推作用

通过施加到正极26上的正电压V_B，使在等离子体产生室2内产生的等离子体14中的离子的极性与在除开口面26a至26c的侧面之外的正极26的极性相同。所以，离子向等离子体14(向等离子体产生室2中心)回推。回推的离子与主要由丝极6发射的一次电子7碰撞，并且导致电荷数的增加。通常，对于产生带n(n≥2)个电荷离子的可能性来说，(b)从带n-1个电荷离子中产生带n个电荷离子的可能性要比(a)从一个中性气体中产生带n个电荷离子的可能性大的多。根据该离子源，因为过程(b可以)通过应用回推离子(也就是已离子化的)而有效地应用回推能，所以可以有效地产生多电荷离子。

(2)正极26吸收二次电子

一次电子7沿磁场20的X方向从丝极6大量发射。一次电子7被由磁场产生器产生的磁场20捕捉，并且沿磁场20的X方向被激励。在这一过程中，一次电子7与中性气体碰撞产生等离子体14。由于一次电子具有如上所述的相对较高的能量，一次电子7能产生单电荷离子和多电荷离子。

在这样产生的等离子体14的附近，有一个被施加来自根据本发明离子源的偏置电源32的正偏置电压的正极26，本发明的离子源与公知的离子源是不同的。在一次电子7与中性气体碰撞时所产生的二次电子具有如上所述的较低能量，并且二次电子不断地向很多方向发射。位于等离子体14附近的正极26的附近的二次电子被不同极性的正极26所吸收。这样一来，存在于等离子体14内的二次电子会减少。

顺便说一句，由丝极6产生的一次电子7有比较好的方向性，被磁场20捕捉沿磁场20的X方向移动(在这个实施例中，一次电子7由于反射器10的反射也会反方向移动)。这样，一次电子7被正极26吸收的比率就小于二次电子。为了近一步减少一次电子7被正极26的吸收比率，由磁场产生器18产生的磁场20越强越好，这样就能更强地捕捉一次电子7。例如如上所述，等离子体产生室2内的磁场20的强度最好为大约10mT到50mT。

如上所述，因为二次电子有比较小的能量，所以它们很少能致使产生多电荷离子，而只能产生单电荷离子。因为正极26的存在能使二次电子的数量减少，所以在等离子体14中产生的单电荷离子也会减少。从不同的角度看，在等离子体14中的多电荷离子的比率相对增加。

由于上述(1)和(2)的作用，在等离子体14中的多电荷离子的比率可增加，相应地，多电荷离子在离子束16中的占有率也会增加。结果是，在不用增加总的离子束电流(抽出的离子束的数量)的情况下，被抽出的多电荷离子的数量会增加。

更具体地说，用图1所示的离子源，做一个抽出磷的多电荷离子(P³⁺)的试验。结果如表1所示。比较样本对应的是没有正极26的公知离子源，此时由偏置电源32产生的偏置电压V_B设为0V。样本对应的是本发明。由于要产生同样的等离子体14的密度，其条件作为一个整体也应是一样的，实际电弧电压V_S(参见公式1和2)对两种离子源来说是一样的。所以，在样本中，由电弧电源24产生的电弧电压V_A要设置为0V。在这种情况下，偏置电源32也就用作通常所称的电弧电源。在抽出离子束16的电压设置为40V且使对于比较样本和样本来说都有相同的总离子束电流16的情况下，测出三电荷磷离子P³⁺在离子束16中的占有率。另外，两个样本的磁场20的强度都设置为24mT。

(表1)

	电弧电压V_A(V)	偏置电压V_B(V)	实际电弧电压V_S(V)	P离子占有率(％)
	电弧电压V_A(V)	偏置电压V_B(V)	实际电弧电压V_S(V)	P离子占有率(％)	比较样本	60	0	60	0.2
样本	0	60	60	0.6	比较样本	60	0	60	0.2

如表1所示，即使是有相同的实际电弧电压和相同的磁场20强度的情况下，样本的三电荷磷离子P³⁺的占有率为比较样本的三倍。所以，提供正极26和应用正偏置电压V_B对增加多电荷离子在离子束16中的占有率是大有帮助的。

正极26的形状可以是图1至3所示的其他形状。例如，如图5所示，正极26可以是沿Y-Z面的截面为圆形的管状或槽状。截面也可以是椭圆的。

如图1到3或图5所示，在离子抽出口4一边的正极26、26′的开口26c、26c′在离子抽出口4的一边可以全部敞开，例如，开口26c′的宽度W也可做的窄一点。开口26c′的宽度W可以做的窄至抽出口4的宽度。离子束16能从等离子体14中通过开口26c和离子抽出口4被抽出才是最重要的。正极26的形状并不重要，考虑能抽出离子才是重要的事情。在开口26c′的宽度W做到如上所述的宽度时，由正极26向等离子体14(即向等离子体产生装置2的中心)回推离子的面积将增加，而不是从等离子体14抽出的离子增加，并且吸收作用也相应增强。所以很明显，利用上述的离子吸收作用(1)而使多电荷离子的产生效率增加才是重要的。

另外，如图6所示，开口26a″到26c″可以在正极26″的每个侧面的一部分上形成，而不是在整个侧面上形成。也就是说，在开口26a″到26c″的周边的侧壁部分可以保留下来。在这种情况下，开口26a″到26c″的尺寸对一次电子7在丝极6和反射器10之间的往复运动来说应足够大。开口26c″的尺寸对从等离子体14中通过离子抽出口4抽出离子束16来说也应足够大。用这种方式，由正极26向等离子体一边(即向等离子体产生室2)回推离子的面积将增加，而不是从等离子体14抽出的离子增加，并且吸收作用也相应增强。所以非常明显，利用上述的离子吸收作用(1)而使多电荷离子的产生效率增加才是重要的。

顺便说一句，向等离子体产生室2提供能产生等离子体14的电子(一次电子7)的电子产生源不局限于图1所示的结构(即丝极6)，其他结构也是可以的。

例如，用如同丝极6的另一个丝极代替反射器10也可以被利用。

另外，在每个丝极6的后面等离子体产生室2内设置一个反射器，反射器与等离子体产生室2电绝缘并用来反射由丝极6发射的电子。

另外，电子产生源可以有一个如公开专利2000-90844所描述的凹面盖和一个同样用于加热发射电子的加热器(丝极)。

可供选择的是，如待公开专利35650/1997中所述的电子产生源也可以利用，其中等离子体在一个小的等离子体产生室2中产生，并且从等离子体抽出的电子也提供给等离子体产生室2。

根据本发明，正极和偏置电压的提供，能使正极回推在等离子体中的离子和能使正极吸收在等离子体中的二次电子。由于这两种作用的存在，多电荷离子在等离子体中的比率会增加，并且相应地多电荷离子在离子束中的占有率也会增加。所以，在不增加总的离子束电流的情况下，多电荷离子的抽出数量会增加。

Claims

1、一种离子源，包括：

2、根据权利要求1所述的离子源，其特征在于：正极是与磁场方向相交的截面为正方形的管状、盒状或槽状。

3、根据权利要求1所述的离子源，其特征在于：正极是与磁场方向相交的截面为环形或椭圆形的管状或槽状。

4、根据权利要求2所述的离子源，其特征在于：正极是在正极的每一侧面的整个部分上形成一个开口共三个开口的盒子。

5、根据权利要求2所述的离子源，其特征在于：正极是在正极的每一侧面的一部分上各形成有一个开口共三个开口的盒子。

6、根据权利要求3所述的离子源，其特征在于：正极是截面为圆形的管状，并且在离子抽出口一边的开口的与磁场方向相交叉的方向上的宽度等于或大于离子抽出口的与磁场方向相交叉的方向上的宽度。