CN1288696C - 离子源及其运行方法 - Google Patents

Abstract

在离子源中，背反射器(10)与等离子体产生器(2)和与灯丝(6)之间均为电绝缘。背反射器(10)与反向反射器之间为电连接。此外，直流偏置电源(32)是与灯丝电源(24)和与电弧电源(26)相独立的电源。直流偏置电源(32)用于在反向反射器8和背反射器(10)与等离子体产生器之间施加偏压(V_B)，并且以二个反射器(8)和(10)作为负电位。在运行离子源时，控制来自所述直流偏置电源的直流偏压输出的幅度以便对从所述离子源拉出的离子束的数量进行控制。

Description

离子源及其运行方法

技术领域

本发明涉及包含用于发射电子的灯丝以及用于反射电子的反射器器的离子源，该离子源在等离子体产生器内部施加一个磁场，更具体而言本发明涉及用于改善离子生成效率，延长灯丝的寿命等的装置。

背景技术

图12展示出相关技术的离子源实例。该离子源称为Bernas型离子源。例如在日本专利未审查公开No.Hei.9-63981中还公开了具有相似结构的离子源。

该离子源包括等离子体产生器2，例如，形状如直角平行六面体而且也用作正电位电位。用于生成等离子体16的气体(也包括气体蒸发盒)被引入到等离子体产生器2内。在长壁工作面(长边壁)上制成的等离子体产生器2包含一个用于将离子束拉出的离子拉出槽4。在该实例中，离子束流朝着图背面方向被拉出。

形状象U用于发射电子 e灯丝6，例如，被放置在等离子体产生器2的一边(短边壁)。灯丝与等离子体产生器之间用绝缘体12进行电绝缘。

用于反射电子 e的反向反射器8被面朝灯丝放置在等离子体产生器2另一边(即，面朝灯丝6的另一短边壁)。反向反射器8与等离子体产生器2之间用绝缘体13进行电绝缘。反向反射器8可以置于一个浮置电位，不与任何点连接。反向反射器8也可以通过导体28与灯丝6的一端连接(更具体而言，灯丝电源24的负电位端)，以便将反向反射器8置于上面提到的日本专利未审查公开No.Hei9-63981中所述的灯丝电位中。

将用于反射电子 e的背反射器10面朝反向反射器8放置在位于等离子体产生器2中的灯丝6背后的一处。也就是说，被反射器10被放置于灯丝6的U形部分与等离子体产生器2的壁之间。背反射器10与等离子体产生器2之间用绝缘体12和14进行绝缘。背反射器10与灯丝6的一端相连接(更具体而言，灯丝电源24的负电位端)，以便将被反射器10置于灯丝电位。

在等离子体产生器2中，一个置于等离子体产生器2外的磁场发生器20沿着连接灯丝6和反向反射器8的轴施加磁场，以生成并且维持等离子体16。但是，磁场22的方向可以与图中所示方向相反。磁场发生器20是，例如，一个电磁铁。

从直流灯丝电源24施加一个直流灯丝电压V_F(例如，约2到4V)到灯丝6，以便对用于发射电子(热电子) e的灯丝进行加热。

从直流电弧电源26施加电弧电压V_A(例如，约40到100V)到灯丝6的一端与等离子体产生器2之间，以灯丝6作为用于在灯丝6与等离子体产生器2之间的进行电弧放电的负电位。

图13展示出一个根据相关技术的离子源中电位变化的实例。在该实例中，反向反射器8由导体28连接到灯丝的一端。然而，如果反向反射器8不与任何点连接以便将反向反射器8置于一个浮置电位，那么该反向反射器8的电位则变成与实例中相应的电位相同，也就是说，与灯丝6的电位相同。其原因是，如果反向反射器8被放置在一个浮置电位上，在等离子体中比离子数多得多的轻的和高迁移率的电子入射在反向反射器8上，所以反向反射器在负电位上充电。

通过上述的电弧放电使得被导入等离子体产生器内的气体发生电离生成等离子体16。从等离子体16，离子束18受到电场的作用被拉出。通常，在与离子束拉出槽4相反处的一点(该图平面的背后)放置一个用于拉出离子束18的拉出电极，但是没有在这里展示出来。

等离子体16的生成过程将会详细讨论。从灯丝6发射的电子 e由上述的电弧电压V_A(如上所述的灯丝电压V_F小，所以在描述中被忽略)向等离子体产生器2加速。然后，被加速的带有相当于电压V_A的能量的电子与气体分子发生碰撞以电离气体分子，由此生成等离子体16。等离子体16中的离子和电子 e(也包括从灯丝6发射的热电子)被上述的磁场22俘获并且进一步重复与气体分子的碰撞，由此生成和维持等离子体16。

等离子体16的电位变成等离子体产生器2与二个反射器8和10的电位之间的一个电位，如图13所示，并且在等离子体16与二个反射器8和10之间出现电位差。该电位差引起从灯丝6发射的或者在等离子体16中生成的电子 e被二个反射器8和10反射并且在二个反射器8和10之间来回往复运动。所以，提高了电子 e与气体分子之间的碰撞几率而且可以生成具有高密度的等离子体16。作为结果，能够增大被拉出的离子束18。

需要将来自上述离子源拉出的双电荷离子或更多离子中的多电荷离子用作形成离子束18的离子。有这种需求的原因是多电荷离子可以在相同的加速电压下提供数倍于单电荷离子的加速能量价(例如，一个双电荷离子提供的加速能量是一个单电荷离子所提供的加速能量的二倍)所以可以轻易提供高能量。

然而，在如上所述的相关技术的离子源中，多电荷离子的生成并不显著，所以与分子离子生成数量和单电荷离子的生成数量相比，多电荷离子的生成数量较小。即，多电荷离子在等离子体16中的比例比例以及因而离子束18中所包含的多电荷离子的比例都不高。因此，多电荷离子不能被有效地利用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个离子源及其运行方法，该方法可以改善离子源中的多电荷离子的生成效率以增加离子束中所含多电荷离子的比例比例。其它目的稍后再述。

为了实现上述目的，采用了以下的设备。根据本发明，提供了一个第一方面的离子源包括：背反射器、反向反射器、灯丝、灯丝电源等离子体产生器、电弧电源、直流偏置电源。背反射器与灯丝和等离子产生容器相互电绝缘。直流偏置电源是与灯丝电源和电弧电源相独立的电源。直流偏置电源为至少反向反射器和背反射器中的一个反射器与等离子体产生器之间提供所加直流偏压，反射器一侧作为负电位。

根据该离子源，至少反向反射器和背反射器中的一个反射器可以依据来自偏置电源施加的偏压进行调节而与电弧电源和灯丝电源的输出电压无关。因此在反射器上被反射的电子的能量和数量可以根据偏压进行调节。例如，被反射的电子的能量和数量随着偏压的增大而增加。

根据该离子源，使得利用许多高能电子来生成等离子体成为可能，所以促使等离子体中更多的分子、原子或离子电离并且使得生成大量的多电荷离子成为可能。即，使得改善多电荷离子生成效率以提高离子束中所包含的多电荷离子的比例成为可能。

在拉出单电荷离子束的情况下，许多在被施加偏压的反射器上被反射的高能电子也可以有效地用来生成等离子体以提高离子的生成效率，使得改善单电荷离子束的生成效率以增加单电荷离子束的拉出数量成为可能。

根据该离子源，即使电弧电压减小，在被施加偏压的反射器上被反射的高能电子可以有效地电离气体。所以，有可能抑制等离子体生成效率的降低并且抑制束流的减少。因此，不必要求大的灯丝电流以及更深一层的电弧电流。因而，使得减低电弧电压以延长灯丝寿命成为可能。

所以，根据该离子源，如果主要目的是改善离子的生成效率，那么可以提高多电荷和单电荷离子的生成效率。如果主要目的是延长灯丝的寿命，也可以降低该电弧电压以延长灯丝寿命。这可以在单电荷离子和多电荷离子的生成中完成。也可以既考虑改善离子的生成效率又考虑延长灯丝的寿命。

在该离子源中，至少反向反射器和背反射器中的一个反射器可以采用具有比钨的热电子辐射流密度更高的的材料制成。所以，也使得利用从反射器有效地发射的电子来生成和维持等离子体成为可能，所以需要用来生成预设的电弧电流的灯丝电流可以进一步减弱。因此，使得进一步延长灯丝寿命成为可能。

在该离子源或其运行方法中，至少反向反射器和背反射器中的一个反射器电位可以设为负并低于在施加偏压时的灯丝电位。并且，在离子源或其运行方法中，可以将偏压设为高于10V或者高于电弧电压。因此，使得利用大量高能电子成为可能以及进一步提高如上所述的效应如改善离子的生成效率，延长灯丝寿命等等成为可能。

根据本发明，还提供了第二方面的离子源包括：第一和第二背反射器、第一和第二反向反射器、灯丝、灯丝电源、等离子体产生器、电孤电源、和直流偏置电源。第一和第二背反射器与第一和第二灯丝之间为电绝缘。直流偏置电源为与灯丝电源和电弧电源相分离的电源。直流偏置电源给至少第一和第二背反射器中的一个反射器与等离子体产生器之间施加一个直流偏压，以反射器的一侧作为负电位。

根据该离子源，可以根据来自偏置电源的偏压，与电弧电源和灯丝电源的输出电压无关地对至少第一和第二背反射器中的一个反射器电位进行调节。所以，可以根据该偏压对反射器上的被反射电子的能量和数量进行调节。因而，使得利用许多高能电子来生成等离子体成为可能并且所以使得进一步促进等离子体中的分子、原子、或离子的电离以及改善离子生成效率成为可能。

因而，如果主要目的是改进离子的生成效率，那么可以提高多电荷和单电荷离子的生成效率。如果主要目的是延长灯丝的使用寿命，那么也可以减弱电弧电压以延长灯丝的寿命。这可以在单电荷和多电荷离子的生成中完成。也可以既考虑改善离子的生成效率又考虑延长灯丝的寿命。

另外，该离子源有二对灯丝和背反射器，使得可以将从每一个灯丝发射的电子数量减半以便更进一步延长灯丝的寿命。

在该离子源中，至少第一和第二背反射器中的一个反射器可以利用具有比钨的热电子辐射流密度更高的材料制成。所以，使得利用从反射器有效发射的电子来生成和维持等离子体也成为可能，所以可以进一步减弱需要用来生成一个预设的电弧电流的灯丝电流。因此，使得进一步延长灯丝寿命成为可能。

在离子源或其运行方法中，至少第一和第二背反射器中的一个反射器可以设为负并低于在施加偏压时第一和第二灯丝的电位。可以将该偏压设为大于10V或者高于电弧电压。因此，使得利用大量高能电子成为可能并且因而使得进一步提高如上所述的效应，如改善离子生成效率、延长灯丝寿命等成为可能。

在该离子源中，在离子源运行的起始阶段，可以用大的灯丝电流来可靠地引发产生等离子体，然后可以减弱灯丝电流。由此，可以进一步延长灯丝寿命。

另外，在该离子源中，可以对来自该偏置电源的偏压幅度进行控制。由此，与通过改变灯丝电流来改变电弧电流的情况相比，可以以更高的速度对来自离子源的被拉出的离子束的数量进行控制。

附图说明

图1是根据本发明的离子源的第一个实例的截面示意图；

图2是图1中的离子源的电位变化的一个实例的示意图；

图3是双电荷硼离子束流的偏压特性的一个实例的示意图；

图4是当电弧电流为1000毫安时，单电荷硼离子束流的偏压特性的一个实例的示意图；

图5是当电弧电流为2000毫安时，单电荷硼离子束流的偏压特性的一个实例的示意图；

图6是当电弧电流为3000毫安时，单电荷硼离子束流的偏压特性的一个实例的示意图；

图7是图1中的灯丝的放大图；

图8是10小时运行之后图7中的灯丝的直径变化实验结果的示意图；

图9是钨蒸发速度与热电子辐射流密度的温度特性示意图；

图10是根据本发明的离子源的第二个实例的截面示意图；

图11是图10中的离子源的电位变化的实例的示意图；

图12是相关技术的离子源的实例的截面示意图；以及

图13是图12中的离子源的电位变化的实例的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的离子源的第一个实例的截面示意图。图1中与参照图12中采用前面所述的相关技术的相同或相似的部分采用相同的参考数字进行了标注并且将主要讨论与相关技术之间的差异。

在该离子源中，背反射器10与灯丝6之间为电绝缘的。即，这里背反射器10不仅与等离子体产生器2而且与灯丝6都是电绝缘。

背反射器10与反向反射器8通过导体30进行电连接并且被置于相同的电位。

另外，直流偏置电源32是一个与灯丝电源24和电弧电源26隔离的电源。直流偏置电源32用于在反向反射器8和背反射器10与等离子体产生器2之间施加一个直流偏压V_B，二个反射器8和10用作负电位。

首先，从改善多电荷离子生成效率的观点对离子源进行讨论。

为了与该离子源进行比较，将再次讨论图12示出的相关技术的离子源的电位变化。如上所述，在图13中所示的电位变化中，反向反射器8和背反射器10的电位等于或几乎等于灯丝6的电位。在这样的电位变化中，反射器10对电子 e的反射不十分有效。因此，从灯丝6发射的一些电子 e与放置在灯丝6附近的背反射器10发生碰撞，所以对生成或维持等离子体没有贡献。背反射器10仅拥有与相应电弧电压V_A的电位几乎相似的电位，所以在背反射器10上被反射的电子 e的能量不很大。

另一方面，反向反射器8仅拥有与相应电弧电压V_A的电位几乎相似的电位，所以在反向反射器8上被反射的电子 e的能量不很大。反向反射器8对电子 e的反射也不是十分有效。因此，被反向反射器8反射的电子并是不朝着等离子体16前进而是被散射，然后与等离子体产生器2的长壁面发生碰撞。

正是这个原因，在相关技术的离子源中，在二个反射器8和10上被反射的电子 e的能量和数量都小。所以要考虑到没有激励很多由电子 e引起的等离子体中的分子、原子或离子的电离以及多电荷离子的生成数量少。

反过来，在图1中所示离子源中，偏置电源32与灯丝电源24和电弧电源26相分离。所以，根据来自偏置电源32的偏压V_B输出可以与灯丝电压V_F和电弧电压V_A无关地对反向反射器8和背反射器的电位进行调节。因此，根据偏压V_B的幅度对在二个反射器8和10上被反射的电子 e的能量和数量进行调节。例如，随着偏压V_B的升高，提高了二个反射器8和10对电子 e的反射效率，所以被反射的电子 e数量也增加了。

图2示出了根据本发明的离子源中的电位变化。反向反射器8和背反射器10的电位可以根据来自偏置电源32的输出偏压V_B按照意愿进行调节。不象相关技术的实例，二个反射器8和10中的每一个反射器的电位可以被设成负电位，低于灯丝6的电位。因此，如上所述，可以增大在二个反射器8和10上被反射的电子 e的能量和数量。

根据该离子源，使得用如上所述的高能电子 e来生成和维持等离子体16成为可能，并且使得进一步激励分子、原子、或离子的电离以及生成更多数量的多电荷离子成为可能。即，能够改善多电荷离子的生成效率以及提高等离子体中所含多电荷离子的比例。因此，使得有效地利用多电荷离子成为可能。

特别地，二个反射器8和10的电位可以设为负并低于灯丝电位。因此，使得利用更多的高能电子成为可能并且所以使得更有效地生成更大量的多电荷电子成为可能。

例如，优选的情况下，根据偏压V_B，二个反射器8和10中的每一个反射器的电位被设为负10V或者更多以及更加优选地情况为20V或者更低于灯丝6的电位，这可以从以下参照图3所描述的结果中看到。

根据二个反射器8和10的电位，确定偏压V_B的优选区域。但是，偏压V_B的优选区域可以根据与电弧电压V_A的关系确定。特别地，偏压V_B(更精确地，偏压V_B的绝对值)被设为大于10V或大于电弧电压V_A(更准确地，偏压V_B的绝对值)。即，偏压V_B与电弧电压V_A之间的差ΔV(|V_B|-|V_A|)可以设为10V或者更多。相应地，也使得利用更多的在二个反射器8和10上反射的高能电子成为可能，并且使得更有效地生成更多的多电荷离子成为可能。

在将电弧电压V_A设成小于生成多电荷离子等的电压的情况下，单电荷离子束18被拉出，大量的在二个反射器反射器8和10上被反射的高能电子也能有效地用来生成等离子体16以提高离子的生成效率，在二个反射器反射器8和10上施加了偏压V_B。因此，使得改善单电荷离子的生成效率以提高单电荷离子束18的拉出量成为可能。这一事实可以从以下参照图4至图6描述的结果中得到支持。

简而言之，根据该离子源，可以提高离子的生成效率，并且因而这样的优点可以用来拉出较大数量的多电荷和单电荷离子。

最优选的情况下，如上述的实例，来自偏置电源32的偏压V_B既被施加到反向反射器8又被施加到背反射器10；但是，偏压V_B可以仅仅要么施加在反向反射器8要么施加在背反射器10上。由此，也可以如上所述提高在施加了偏压V_B的反射器8或者10上被反射的电子 e的能量和数量。所以，使得能够提供改善多电荷或者单电荷离子的生成效率以增加离子束18中所包含的多电荷或单电荷离子的比例成为可能。如果将偏置电压V_B施加给反射器8或10，由于上述效应，将偏压V_B施加给背反射器10对改善多电荷或单电荷离子的生成效率提供了一个更大的优点。但是，如果将偏压V_B施加到反向反射器8，由于上述的效应，该离子源使得将多电荷或单电荷离子的生成效率提高到高于相关技术的离子源的效率成为可能。

等离子体16中的离子以相当于等离子体16与二个反射器8和10之间电位差的能量并且与电子 e的反射成比例入射到施加了偏压V_B的反向反射器8和背反射器10上并且与之碰撞。所以，二个反射器8和10的温度升至高温，因此优选情况下二个反射器反射器8和10由具有高熔点的可以抗高温的材料制成。例如，优选地二个反射器8和10由元素周期表中IVA族金属(Ti、Zr、Hf)、VA族金属(V、Nb、Ta)或者VIA族金属(Cr、Mo、W)或者它们的合金(例如，钨和镱的合金、钨和锆合金等)。

下面，从延长灯丝6寿命的观点来讨论离子源。

到目前为止，减小电弧电压V_A和运行离子源的技术，即，建议拉出离子束18以延长灯丝6的寿命(例如，参照日本专利No.2869558)。等离子体16中的离子(正离子)被电弧电压V_A加速并且与灯丝6碰撞。因此，减弱电弧电压V_A可以减弱由于离子溅射导致的灯丝6的消耗。

但是，在相关技术中，如果简单地减弱在离子源中的电弧电压，正如从上面的描述中可以看出，从灯丝发射的或者由电弧电压V_A在等离子体中生成的电子的加速能量也被减弱了(见图13)。所以，由电子 e导致的电离效率也被降低了，等离子体的生成效率被降低了，以及可以被拉出的离子束18的数量(即，束流)被降低了。

增加可以从灯丝电源24流入灯丝6的电流，由此增加灯丝6与等离子体产生器2之间的电弧放电的电流(即，电弧电流，也是流入电弧电源26的电流)，这种想法是可能的。但是，这样一来就会增大灯丝6的温度升高并且灯丝材料的蒸发量也会增大，导致产生了新的缩短灯丝6寿命的因素。

与此相反，在根据本发明的离子源中，在二个反射器8和10上被反射的电子的数量与能量可以根据偏压V_B来进行调节。当偏压V_B增加时，如上所述，被反射电子的能量和数量也增加。具体地说，使得根据偏压V_B将二个反射器8和10的电位设为负并低于灯丝6的电位以利用更多的高能电子 e成为可能。还使得，如上所述通过将施加在二个反射器8和10上的偏压设为大于10V或高于电弧电压V_A以使得利用更多的高能电子 e成为可能。在等离子体产生器2中的气体可以被在二个反射器8和10上反射的电子 e更有效地进行电离。所以，即使电弧电压被减弱了，也可以抑制等离子体16的生成效率的降低并且可以抑制离子束18的束流减少。因此，不必采用大的灯丝电流和增大电弧电流。

将对这点进行详细讨论。为有效地电离被引入到等离子体产生器内的气体以及有效地生成等离子体16，有必要生成许多电子，并且这些电子 e的能量高于气体的电离能量。在相关技术中，电子的能量由电弧电压V_A确定。因此，如果设定的电弧电压低于相当于气体电离能量的电压，那么气体的电离效率被迅速降低。

与此相反，例如，如果如上所述，将大于10V(＝ΔV)V_B或者高于电弧电压V_A的偏压施加于二个反射器8和10，那么可以将被电弧电压V_A加速的电子以及还有在二个反射器8和10上被反射并且所拥有的能量高于相当于电弧电压V_A能量的电子用来对气体进行电离。相应地，电子 e的能量分布比起仅利用电弧电压时的电子能量分布向高能方向移动一个ΔV。另外，拥有相当于电弧电压V_A的能量的电子 e与拥有相当于偏压V_B的能量的电子 e相混合，所以展宽了电子能量分布在峰值附近的能量宽度。因此，如果减弱了电弧电压，用来电离气体的电子的能量会在适合电离气体的能量值附近分布更广。所以，即使电弧电压被减弱了，气体仍然可以被有效地电离并且可以抑制束流减少。

另外，如上所述，由等离子体16中离子溅射引起的灯丝6的损耗依赖于电弧电压V_A而与偏压V_B无关。这意味着如果偏压V_B增加，灯丝6的损耗并不增长。这就是为什么二个反射器8和10都反射电子 e而不产生灯丝6朝向灯丝6的加速离子溅射的效应。

因此，即使电弧电压被减弱，因为偏压V_B增加，所以可以抑制束流的减小而不必增加电弧电流。因而，使得减弱电弧电压V_A以延长灯丝6的寿命成为可能。

为进一步减弱电弧电压V_A以进一步延长灯丝6的寿命等，可以如上所述将偏压V_B与电孤电压V_A的差ΔV设为大于10V。例如，从稍后所述的具体的实施例中可以看到，如果偏压V_B大于20V或者大于电弧电压，那么就可以尽量发挥出抑制束流减少的显著效应。从根据偏压V_B来设定二个反射器8和10的电位为负并低于灯丝6的电位的观点，例如，优选地将该电位设为负10V或者低于灯丝6的电位以及更优选地为20V或者更多。

为了延长灯丝6的寿命，最优选地情况下，如以上实施例中所述，将来自偏置电源32的偏压V_B施加在反向反射器8和背反射器10上；但是，偏压V_B可以仅仅要么施加在反向反射器8要么施加在背反射器10。在该情况下，在被施加偏压V_B的反射器8或者10上被反射的电子的能量和数量可以如上所述地增加，并且相应地提高离子的生成效率。

延长灯丝6的寿命不限于拉出组成离子束18的单电荷离子，而且通过拉出多电荷离子，如上面所述的双电荷离子来延长灯丝寿命也是可能的。为生成多加离子，通常与拉出单电荷离子的情况相比需要增大电弧电压V_A。但是，如上所述施加了偏压V_B，使得即使电弧电压V_A如上所述较小，也使得拉出多电荷离子成为可能，而且所以使得延长灯丝6的寿命成为可能。

简而言之，根据该离子源，如果主要目的是改善离子的生成效率，那么可以提高多电荷离子和单电荷离子的生成效率。如果主要目的是延长灯丝6的寿命，那么也可以减弱电弧电压V_A以延长灯丝6的寿命。这可以在单电荷离子生成和多电荷离子的生成中完成。既改善离子生成效率又延长灯丝6寿命是可能的。为实现上述目的，可以将电弧电压V_A减弱至低于如果延长灯丝寿命为主要目的时的电弧电压。

下面将讨论改善多电荷离子生成效率的更具体的实例。图3展示出作为实例的实验结果，其中采用了图1所示的离子源，当三氟化硼(BF₃)气体被引入到等离子体产生器中并且硼离子束流作为离子束流18被拉出时，包含在作为拉出离子束流18的硼离子束流中的双电荷硼离子(B²⁺)束流随偏压V_B变化。此时，将电弧电压V_A设为60V以及将灯丝电压V_F设为约2V。

图3还展示了作为相关技术实例的B²⁺束流在相同条件下的实验结果，此时反向反射器被置于参照图12的相关技术的离子源中的浮置电位(即，没有连接导体28)。在该相关技术的实例中，没有施加偏压V_B，所以没有展示出在测量点的水平轴上的值(无法展示)。

在该实施例中，当偏压V_B超过60V时，B²⁺束流迅速增加。当偏压V_B为70V或更高时，可以在相关技术的实例中看到明显的差别。当偏压V_B为80V或更高时，可以在相关技术的实例中看到显著的差别。即，在该实施例中，由于电弧电压为60V，灯丝6的电位以等离子体产生器2的电位作为参考约为-60V。当二个反射器8和10的电位根据偏压V_B被设为负并低于-60V时，有可能提供增大B²⁺束流的效应。更具体而言，为了拉出B²⁺束流，优选情况下，偏压V_B为70V或更高，更优选的情况下，偏压V_B为80V或更高。换言之，优选情况下，将二个反射器8和10的电位根据偏压V_B设为负10V或比灯丝6的电位更低。更优选的情况下，将该二个反射器电位设为负20V或比灯丝6的电位更低。由此，可以提供的B²⁺束流是相关技术的实例中B²⁺束流的1.5倍到2倍。

从图3中可以看出，当偏压V_B接近160V时，B²⁺束流的增加开始饱和。如果设置的偏压V_B过大，很难对二个反射器8和10进行绝缘，所以偏压V_B的上限当然要从电绝缘点来确定。

在图3中，当偏压VB小于60V时没有测量点的原因是：如果将偏压V_B设为小于60V，会有一个大负载电流流入偏置电源32，对B²⁺束流的测量变得困难。考虑到在上述的条件下，等离子体16的电位接近-60V，如果将偏压V_B设为小于60V，二个反射器8和10会吸引电子 e而不是反射电子 e。

本实施例采用了双电荷硼离子，但是本发明也可以用于生成和拉出多电荷离子或不是硼的其它双电荷离子，当然，例如，可以用来生成磷(P)的多电荷离子等。

下面讨论使延长灯丝6寿命成为可能的更具体的实施例。

图4至图6展示出了如下情况的实验结果：当三氟化硼(BF₃)气体被引入到采用了如图1所示的离子源的实施例中的等离子体产生器2内并且硼离子束流作为离子束流18被拉出时，包含在作为离子束流18的硼离子束流中的单电荷硼离子(B⁺)束流随偏压V_B变化。此时，将电弧电压V_A设为45V、60V，和75V并且将灯丝电压V_F设成约为2V。图4展示出当电弧电流为1000毫安时的实验结果，图5展示出当电弧电流为2000毫安时的实验结果，和图6展示出当电弧电流为3000毫安时的实验结果。

在每一幅图中，偏压V_B为最低并有各电弧电压V_A(即，空测量点)的测量点所表示的情况是：没有施加偏压，即，二个反射器8和10都被置于浮置电位。在这种情况下，二个反射器8和10的电位变成略低于电弧电压V_A的电位，即，变成如上所述图中的相应于偏压V_B的电位。

在图4中，如果电弧电压V_A为60V并且没有施加偏压V_B，提供了约110微安的束流。反之，如果电弧电压V_A为45V并且没有施加偏压V_B，那么仅可以提供约60微安的束流。束流被显著降低。但是，当施加大于电弧电压V_A的偏压V_B并且升高偏压V_B时，束流增加，如果设定偏压V_B大于10V或比电弧电压V_A更高(如果偏压V_B被设为55V或更高)，则束流明显增加。如果将偏压V_B设为大于20V或比电弧电压V_A更高，则与没有施加偏压V_B时相比束流显著增加。

特别地，尽管将电弧电压V_A降低到45V，如果将偏压V_B设为60到65V，所提供的束流几乎与当电弧电压V_A为60V并且没有施加偏压V_B时所能提供的束流程度相同。也就是说，可以充分抑制束流的减少。相似地，如果将电弧电压VA降低为60V，将偏压V_B设为大于10V或高于电弧电压V_A(将偏压V_B设为70V或更高)，由此可以提供的束流与当电弧电压V_A为75V并且没有施加偏压V_B时所提供的束流大小相同或更高。

如果增加电弧电流以增加图5和图6中的总束流，将偏压V_B设为大于10V或高于电弧电压V_A，更优选的情况，设为20V或更高，由此与没有施加偏压时相比束流明显增加。也就是说，通过提高偏压V_B，即使电弧电压V_A被降至45V，也可以抑制束流的降低并且使束流接近当电弧电压V_A为60V以及没有施加偏压V_B时的束流。相似地，如果将电弧电压V_A降低至60V，可以提供的束流与电弧电压V_A为75V时并且没有施加偏压V_B时提供束流的大小相同或更高。

从先前叙述的结果并参照图4至6可以看出，如果将偏压V_B与电弧电压V_A之间的差ΔV设为大到一定程度，那么束流的增加会饱和，所以该电压差ΔV的上限可以考虑为80V。出于上面所述的类似原因，偏压V_B本身的实际上限约为160V。

下面，图8展示出在如图1所示的离子源中采用氩气(Ar)作为等离子体生成气体，在电弧电压V_A为50V和60V并且电弧电流为2500毫安时，经过10小时连续生成等离子体16之后的灯丝6(即，灯丝6直径的减少量)的耗损状态的实验结果。此时，偏压V_B设为90V。图7展示出了相当于沿着图8的水平轴的灯丝6的直径测量点。

如图8所示，如果将电弧电压V_A从60V降低到50V，灯丝6的耗损急剧下降。特别在灯丝6的顶点附近减少量下降了接近一半。因此，灯丝6的寿命被显著延长了。这是一个实例，其中电弧电压V_A从60V到50V被降低了10V；由该结果可以容易地估计，如果将电弧电压V_A降低10V多，那么灯丝6的寿命会进一步延长。

根据本发明的离子源，如上所述，当离子的生成效率得到改善时，也可以减弱用于生成预设电弧电流所需要的灯丝电流。相应地，可以降低灯丝6的温度以及灯丝6的组分材料的蒸发速度，所以延长了灯丝6的寿命。

该点将会进行详细讨论。图9展示了通常用作灯丝6材料的钨的蒸发速度和热电子辐射电流密度的温度特性。例如，将灯丝温度为2800K的热电子辐射电流密度减半的温度为2720K，灯丝温度为2800K接近正常工作状态。在此情况下，钨的蒸发速度变成为约四分之一(精确地说，1/4.3)并且灯丝6的寿命延长了接近4倍。这就是说，如果将灯丝6的温度从2800K降低到2720K，热电子辐射电流密度被降低了约一半，但是此时束流的降低可以通过施加一个如上所述的偏置电流V_B加以抑制，并且灯丝6的寿命可以延长约4倍。

当离子从等离子体16入射到并且与反向反射器8和背反射器10发生碰撞，反向反射器8和背反射器10的温度升高至如上所述的温度，因此至少其中之一，优选情况下，反向反射器8和背反射器10的二个反射器都采用具有比灯丝6的通常的组分材料钨的热电子辐射电流密度更高的材料制成。由此，使得有效利用从二个反射器8和10之一或全部二个反射器发射的电子来生成和维持等离子体16成为可能。所以可以进一步减弱用来生成预设电弧电流的灯丝电流，相应地延长了灯丝6的寿命。

因为所述材料所具有的热电子辐射电流密度比钨的(约8.7×10^{- 4})高，所以可以采用这些材料，例如，钽(约9.9×10^-3)，钼(约7.7×10^-3)，铌(约1.2×10^-2)，锆(约5.5×10^-2)，钨镱合金(约4.4)，钨锆合金(约0.24)等。每个括号中包括的数值是该材料在2000K时的热电子辐射电流密度(以单位A/cm²)。采用钨作为参照的原因是钨是一种通常的热电子发射材料。在上述材料中，钽是优选的材料之一，因为它具有高熔点(约3250K)和大的热电子辐射电流密度，并且相对比较而言并不昂贵。

如上所述，根据本发明的离子源，因为提高了离子的生成效率，所以可以减弱灯丝电流，因而可以采用一种在离子源运行的初始阶段相对增大灯丝电流然后相对减弱灯丝电流的离子源运行方法。通过采用该方法，可以在离子源运行的初级阶段采用大灯丝电流可靠触发等离子体16，然后将灯丝电流减弱，由此还可以进一步延长灯丝寿命。

如果在反向反射器8和背反射器10中的至少一个反射器，优选情况下，二个反射器都采用具有比钨的热电子辐射电流密度更高的材料，使得如上所述地，也利用从二个反射器8和10之一反射器发射或从二个反射器8和10发射的电子来有效地生成和维持等离子体成为可能。所以使得在启动离子源运行后，更进一步减弱灯丝电流以便更进一步延长灯丝6的寿命成为可能。

如上所述为了利用具有较大热电子辐射电流密度的材料，具体地说，将上述材料用作二个反射器8和10，在等离子体16被触发后，等离子体16就由从二个反射器之一反射器发射的或者从二个反射器发射的电子维持。在此情况下，仅仅在离子源运行的初始阶段允许灯丝电流流过，然后关闭灯丝电流(即，零)。通过采用该方法，可以极大地延长灯丝6的寿命。

下面将讨论用于控制偏压V_B以控制离子束18的数量的实施例。

例如，为了进行离子注入处理，注入条件之一是改变离子的剂量，通常情况下，改变了从离子源拉出的离子束的数量(即，离子束流)。

在如图12所示的相关技术的离子源中，对从离子源拉出的离子束18的数量的调节是通过改变来自灯丝电流源24的被允许流到灯丝6上的灯丝电流以及改变电弧电流来进行。

此时的电弧电流主要由从灯丝6发射的热电子数量来决定，即，灯丝6的温度，但是改变安装在真空(等离子体产生器2及周边环境中的真空)中的灯丝6的温度需要一段长时间。。这就是说，改变电弧电流和离子束流需要一段长时间(例如，约几十秒)。所以，例如，采用该离子源进行离子注入时，改变注入条件需要花一段长时间，则延迟了整个处理过程。

反之，在根据本发明的离子源中，从前面的描述中并参照图4至图6可以看出，通过控制(调节)偏置电流幅度V_B而且不改变电弧电流(即，即使采用相同的电弧电流)可以对从离子源拉出的离子束18的数量(即，离子束流)进行控制。

例如，在图4中如果电弧电压为60V而且不施加偏压V_B(电弧电流为恒定(1000毫安))，可以提供的束流约为110微安。反之，如果施加偏压V_B并且将其增加，束流会逐渐增大，并且如果将偏压V_B增加到120V，束流会升到约190微安。

当电弧电压V_A不是60V时并且电弧电流为2000毫安(图5)或3000毫安(图6)，相似地，可以看出即使将电弧电流设为恒定，也可以通过控制偏压V_B来控制束流幅度。如果拉出双电荷离子的离子束流18也可以采用同样的方法。

此外，在该情况中，改变束流所需时间主要由调节由偏置电源32输出的偏压V_B的时间决定；例如，该时间约为几秒。也就是说，目前改变束流的速度是如果采用上述的相关技术的电弧电流改变法(约几十秒)的速度的10倍。所以，对来自偏置电源32的偏压V_B输出进行了控制，由此可以以高速对从离子源拉出的离子束18的数量进行控制。

下面将讨论根据本发明的第二个实施例。第二实施例的离子源在上述的反向反射器8的位置有另一对灯丝6和背反射器10。

图10是根据本发明的离子源的第二实例的截面示意图。将主要讨论与图1所示离子源的差别。其它点采用了图1中离子源的描述。

除了图1所示的灯丝6和背反射器10的一对(第一对)外，图10中的离子源在上述的反向反射器8处包括另外一对灯丝6和背反射器10(第二对)。也就是说，二个灯丝6(第一和第二)被相互面对地放置在等离子体产生器2中。在灯丝6的后面，二个背反射器10(第一和第二)被放置相互面对地放置。

在该第二实施例中，二个灯丝6在P和Q点相互并联。因此，从公共灯丝电源24对二个灯丝6施加用于加热的灯丝电压V_F。从公共电弧电源26对二个灯丝6施加用于电弧放电的电弧电压V_A。每一个灯丝可以由一个独立的灯丝电源24和一个独立的电弧电源26供电。

上述的具有二对灯丝6和背反射器10的离子源也在日本专利未审查公开No.Hei.9-63981中进行了描述。但是，在相关技术中，每一个背反射器都与相应的灯丝6的一端相连接(更具体地说，灯丝电源24的负电位端)以便将背反射器10放置于如图12所示的相关技术的实例中的电位。

与此相反，在根据本发明的第二实施例中，如图1中的实施例，每一个背反射器10既与灯丝6又与等离子体产生容器2为电绝缘。在图10的实施例中，二个背反射器10都与导体电连接以便将它们置于相同电位。

另外，采用一个直流偏置电源32在二个反射器10与等离子体产生器2之间施加直流偏压V_B，二个反射器10为负电位。直流偏置电源32是一个与灯丝电源24和电弧电源26相独立的电源。

图11展示出了第二实施例的离子源的电位变化的实例。可以认为存在二个具有相同电位的灯丝6和二个具有相同电位的背反射器10。

在第二实施例的离子源中，从偏置电源32向二个反射器10施加了如上所述的偏压V_B，由此基本上能提供与图1所示离子源的优点相似的一个优点。

也就是说，也采用该离子源，如果主要目的是改善离子的生成效率，那么可以提高多电荷和单电荷离子的生成效率。如果主要目的是延长灯丝6的寿命，那么也可以减弱电弧电压V_A以延长灯丝6的寿命。这可以在单电荷离子生成中和多电荷离子生成中完成。既可以改善离子的生成效率又可以延长灯丝6的寿命。为了实现上述目的，可以将电弧电压V_A降到低于如果主要目的为延长灯丝6的寿命的电弧电压。

也可以采用与上述方法相似的采用图1所示离子源的方法，可以相应地提供如上所述的优点。

与图1所示的离子源相比，图10所示的第二实施例有二对灯丝6和背反射器10。所以，该离子源有如此特点即可以将从每一个灯丝6发射的电子数量减半以进一步延长灯丝6的寿命。

在图10所示的第二实施例的离子源中，最优选的情况下，从偏置电源32向二个反射器10施加偏压V_B；但是，偏压V_B也可以仅仅施加于二个反射器10中的一个反射器。由此，如上所述，可以提高在施加了偏压V_B的背反射器10上反射的电子的能量和数量。所以，可以改善多电荷或单电荷离子的生成效率，由此增加了离子束18中所含多电荷或单电荷离子的比例。也可以减弱电弧电压V_A以延长灯丝6的寿命。

Claims (20)

1.一种离子源，包括：

向其中引入气体的用作正极的等离子体产生器；

用于发射电子的灯丝，该灯丝被安置于所述等离子体产生器的一侧并且与所述等离子体产生器之间为电绝缘；

用于反射电子的反向反射器，该反向反射器被面朝所述灯丝地安置于所述等离子体产生器的另一侧并且与所述等离子体产生器之间为电绝缘；

用于反射电子的背反射器，该背反射器被面朝所述反向反射器地安置于所述等离子体产生器中并且位于所述灯丝与所述等离子体产生器的所述一侧之间，所述背反射器与所述等离子体产生器和所述灯丝之间为电绝缘；

用于在所述等离子体产生器中产生沿着连接所述灯丝与所述反向反射器之间轴的磁场的磁场发生器；

用于加热所述灯丝以便发射电子的灯丝电源；

用于在所述灯丝与所述等离子体产生器之间施加直流电弧电压的直流电弧电源，该直流电弧电源以所述灯丝一侧作为负极，用于在所述灯丝与所述等离子体产生器之间产生电弧放电；

其特征在于，所述离子源还包括：

用于在所述反向反射器和所述背反射器中的至少一个反射器与所述等离子体产生器之间施加直流偏压的直流偏置电源，该直流偏置电源以所述反射器一侧作为负极，所述直流偏置电源与所述灯丝电源和所述直流电弧电源隔离。

2.权利要求1所述的离子源，其中至少所述反向反射器和所述背反射器中的一个反射器是由具有比钨的热电子辐射电流密度更高的热电子辐射电流密度的材料制成。

3.权利要求2所述的离子源，其中具有比钨更高的热电子辐射电流密度的材料是下列材料之一：钽，钼，铌，锆，钨钇合金，和钨锆合金。

4.权利要求1所述的离子源，其中所述的直流偏置电源输出一个直流偏压用于使得至少所述反向反射器和背反射器中的一个反射器的电位在以所述等离子体产生器电位作为参考时为负并低于所述灯丝的电位。

5.权利要求1所述的离子源，其中所述的直流偏置电源输出一个直流偏压，该直流偏压被设为比来自所述直流电弧电源的电弧电压输出高10V或10V以上。

6.权利要求4所述的离子源，其中所述反向反射器和所述背反射器中的至少一个反射器的电位比所述灯丝的电位低10V或10V以下。

7.一种离子源，包括：

向其中引入气体的用作正极的等离子体产生器；

用于发射电子的第一和第二灯丝，这二个灯丝被相互面对面地安置于所述等离子体产生器中并且所述第一和第二灯丝与所述等离子体产生器之间为电绝缘；

用于反射电子的第一和第二背反射器，这两个背反射器被面对面地安置于所述第一和第二灯丝之间，所述第一和第二背反射器与所述等离子体产生器之间以及与第一和第二灯丝之间为电绝缘；

用于在所述等离子体产生器中产生沿着连接所述第一与第二灯丝之间轴的磁场的磁场发生器；

用于加热所述第一和第二灯丝以便发射电子的灯丝电源；

用于在所述第一和第二灯丝与所述等离子体产生器之间施加直流电弧电压的直流电弧电源，该直流电弧电源以所述二个灯丝所在的一侧作为负极，用于在所述灯丝与所述等离子体产生器之间产生电弧放电；

其特征在于，所述离子源还包括：

用于在所述第一和第二背反射器中的至少一个反射器与所述等离子体产生器之间施加直流偏压的直流偏置电源，该直流偏置电源以所述反射器一侧作为负极，所述直流偏置电源与所述灯丝电源和所述直流电弧电源隔离。

8.权利要求7所述的离子源，其中至少第一和第二背反射器中的一个反射器是由具有比钨的热电子辐射电流密度更高的热电子辐射电流密度的材料制成。

9.权利要求8所述的离子源，其中具有比钨更高的热电子辐射电流密度的材料是下列材料之一：钽，钼，铌，锆，钨钇合金，和钨锆合金。

10.权利要求7所述的离子源，其中所述的直流偏置电源输出一个直流偏压用于使得至少所述第一和第二背反射器中的一个反射器的电位在以所述等离子体产生器电位作为参考时为负并低于所述第一和第二灯丝的电位。

11.权利要求7所述的离子源，其中所述的直流偏置电源输出一个直流偏压，该直流偏压被设为比来自所述直流电弧电源的电弧电压输出高10V或10V以上。

12.权利要求10所述的离子源，其中所述第一和第二背反射器中的至少一个反射器的电位被设为比所述第一和第二灯丝的电位低10V或10V以下。

13.一种离子源的离子源运行方法，其中所述离子源包括：向其中引入气体的用作正极的等离子体产生器；用于发射电子的灯丝，该灯丝被安置于所述等离子体产生器的一侧并且与所述等离子体产生器之间为电绝缘；用于反射电子的反向反射器，该反向反射器被面朝所述灯丝地安置于所述等离子体产生器的另一侧并且与所述等离子体产生器之间为电绝缘；用于反射电子的背反射器，该背反射器被面朝所述反向反射器地安置于所述等离子体产生器中并且位于所述灯丝与所述等离子体产生器的一侧之间，所述背反射器与所述等离子体产生器和所述灯丝之间为电绝缘；用于在所述等离子体产生器中产生沿着连接所述灯丝与所述反向反射器之间轴的磁场的磁场发生器；用于加热所述灯丝以便发射电子的灯丝电源；用于在所述灯丝与所述等离子体产生器之间施加直流电弧电压的直流电弧电源，该直流电弧电源以所述灯丝一侧作为负极，用于在所述灯丝与所述等离子体产生器之间产生电弧放电；用于在所述反向反射器和所述背反射器中的至少一个反射器与所述等离子体产生器之间施加直流偏压的直流偏置电源，该直流偏置电源以所述反射器一侧作为负极，所述直流偏置电源与所述灯丝电源和与所述直流电弧电源隔离，所述离子源运行方法包括：

控制来自所述直流偏置电源的直流偏压输出的幅度以便对从所述离子源拉出的离子束的量进行控制。

14.权利要求13所述的离子源运行方法，其中所述的控制步骤包括将直流偏压设定为预设值，该预设值使得至少所述反向反射器和背反射器中的一个反射器的电位在以所述等离子体产生器电位作为参考时为负并低于所述灯丝的电位。

15.权利要求13所述的离子源运行方法，其中所述的控制步骤包括将直流偏压设定为比所述直流电弧电压高10V或10V以上。

16.权利要求13所述的离子源运行方法，还包括：

在所述离子源的起始运行阶段将灯丝电流从所述灯丝电源流到所述的灯丝；并且

对从所述灯丝电源流到所述灯丝的灯丝电流的幅度进行控制，使其小于所述离子源在起始运行阶段的灯丝电流的幅度。

17.一种离子源的离子源运行方法，其中所述离子源包括：向其中引入气体的用作正极的等离子体产生器；用于发射电子的第一和第二灯丝，这二个灯丝被相互面对面地安置于所述等离子体产生器中并且所述第一和第二灯丝与所述等离子体产生器之间为电绝缘；用于反射电子的第一和第二背反射器，这两个背反射器被面对面地安置于所述第一和第二灯丝之间，所述第一和第二背反射器与所述等离子体产生器之间以及与第一和第二灯丝之间为电绝缘；用于在所述等离子体产生器中产生沿着连接所述第一与第二灯丝之间轴的磁场的磁场发生器；用于加热所述第一和第二灯丝以便发射电子的灯丝电源；用于在所述第一和第二灯丝与所述等离子体产生器之间施加直流电弧电压的直流电弧电源，该直流电弧电源以所述二个灯丝所在的一侧作为负极，用于在所述灯丝与所述等离子体产生器之间产生电弧放电；用于在所述第一和第二背反射器中的至少一个反射器与所述等离子体产生器之间施加直流偏压的直流偏置电源，该直流偏置电源以所述反射器一侧作为负极，所述直流偏置电源与所述灯丝电源和所述直流电弧电源隔离，所述离子源运行方法包括：

控制由所述直流偏置电源输出的直流偏压幅度以便对从所述离子源拉出的离子束的量进行控制。

18.权利要求17所述的离子源运行方法，其中所述的控制步骤包括将直流偏压设定为预设值，该预设值根据所述直流偏压使得以所述等离子体产生器电位作为参考时，所述第一和第二背反射器中的至少一个反射器的电位为负并低于所述第一和第二灯丝的电位。

19.权利要求17所述的离子源运行方法，其中所述的控制步骤包括将直流偏压设定为比所述直流电弧电压高10V或10V以上。

20.权利要求17所述的离子源运行方法，还包括：

在所述离子源的起始运行阶段将灯丝电流从所述灯丝电源流到所述灯丝；并且

对从所述灯丝电源流到所述灯丝的灯丝电流的幅度进行控制，使其小于所述离子源在起始运行阶段的灯丝电流的幅度。

Images