JP2002140997A

JP2002140997A - イオン源

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Publication number: JP2002140997A
Application number: JP2000335984A
Authority: JP
Inventors: Naoki Miyamoto; 直樹宮本
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-17
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: JP3374841B2

Abstract

(57)【要約】【課題】フィラメントの消耗の局所化を防いで、フィ
ラメントの長寿命化を図る。【解決手段】このイオン源４ａは、Ｚ軸に沿ってイオ
ンビーム１８を引き出すものであり、フィラメント１０
には、Ｘ軸に沿って電位差が生じる方向にフィラメント
電源２０から直流のフィラメント電圧Ｖ_Fが印加され
る。プラズマ生成容器６内には、電磁石２４から、Ｙ軸
に沿って磁界２６が印加される。電磁石２４は、Ｘ軸お
よびＹ軸を含む平面に沿って配置されたＣ形のコア２８
と、それのヨーク部３２に巻かれたコイル３４とを有し
ている。そしてこの発明では、フィラメント１０に、電
磁石２４のコイル３４側を負極側にしてフィラメント電
圧Ｖ_Fを印加するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子放出用のフ
ィラメントを有しており、かつプラズマ生成容器内に磁
界を印加する構成のイオン源に関し、より具体的には、
フィラメントの消耗の局所化を防いで、フィラメントの
長寿命化を図る手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のイオン源の従来例を図８に示
す。このイオン源４は、バーナス型イオン源と呼ばれる
ものであり、同様のものが、例えば特開平１１−３３９
６７４号公報にも開示されている。

【０００３】このイオン源４は、図示のように互いに直
交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸としたとき、プラズ
マ生成容器６内で生成したプラズマ１６からＺ軸に沿っ
て（この例では紙面の裏方向へ）イオンビーム１８を引
き出すものである。

【０００４】プラズマ生成容器６は、真空容器２内に収
納されている。このプラズマ生成容器６は、陽極を兼ね
ており、その内部にはプラズマ１６の生成用のガスや蒸
気が導入される。このプラズマ生成容器６のＺ軸と直交
する壁面には、イオンビーム１８の引き出し用のイオン
引出しスリット８がＹ軸に沿って設けられている。

【０００５】プラズマ生成容器６内のＹ軸に沿う方向の
一方側（図の上側）と他方側（図の下側）とに、電子を
放出するフィラメント１０と当該電子を反射する反射電
極１２とを相対向させて配置している。反射電極１２
は、絶縁物１４によってプラズマ生成容器６から絶縁し
て支持されている。

【０００６】反射電極１２は、図示のようにどこにも接
続せずに浮遊電位にしても良いし、フィラメント１０に
接続してフィラメント電位に固定しても良い。

【０００７】フィラメント１０は、この例ではＵ字状を
しており、Ｘ軸およびＹ軸を含む平面（即ちＺ軸に直交
する平面）に沿って、しかもその両脚部がＸ軸に沿う方
向において左右に位置するように、配置されている。換
言すれば、フィラメント１０は、Ｘ軸に沿う方向に亘っ
て配置されている。なお、このような配置で、フィラメ
ント１０の先端付近を、特開平８−２６４１４３号公報
に開示されているように、イオン引出しスリット８の方
へ曲げる場合もある（図５および図６に示すフィラメン
ト１０の場合も同様）。

【０００８】フィラメント１０には、それを加熱して熱
電子を放出させるために、直流のフィラメント電源２０
から、直流のフィラメント電圧Ｖ_F（例えば２〜４Ｖ前
後）が印加される。従ってこのフィラメント１０の先端
付近には、Ｘ軸に沿う方向に電位差が生じる。

【０００９】フィラメント電源２０を交流にせずに直流
にするのは、交流だとフィラメント１０の電位が振動し
てそれがプラズマ１６の状態およびイオンビーム１８の
安定性に悪影響を与えるので、それを避けるためであ
る。

【００１０】フィラメント１０の一端とプラズマ生成容
器６との間には、両者間でアーク放電を生じさせるため
に、直流のアーク電源２２からアーク電圧Ｖ_A（例えば
４０〜１００Ｖ前後）が印加される。このアーク放電に
よって、プラズマ生成容器６内に導入されたガスまたは
蒸気が電離されてプラズマ１６が作られる。

【００１１】なお、フィラメント電源２０およびアーク
電源２２は、図示の都合上、真空容器２内に図示してい
るけれども、通常は真空容器２外に配置されている。図
１等の他の例においても同様である。

【００１２】プラズマ生成容器６内には、プラズマ１６
の生成および保持用に、プラズマ生成容器６の外部に設
けられた（より具体的には、この例では真空容器２外に
設けられた）電磁石２４から、Ｙ軸に沿って磁界２６が
印加される。即ち、イオンビーム１８の引き出し方向と
直交する方向に磁界２６が印加される。但し、磁界２６
の向きは図示とは逆でも良い。

【００１３】電磁石２４は、Ｘ軸およびＹ軸を含む平面
に沿って配置された断面Ｃ形のコア２８を有しており、
当該コア２８の両先端部にはプラズマ生成容器６を挟ん
で対向するように二つの磁極３０があり、両磁極３０間
はヨーク部３２で接続されている。このヨーク部３２に
は、より具体的にはその磁極３０間とは反対側の辺に
は、コイル３４が巻かれている。このコイル３４には、
直流のコイル電源３６から励磁用のコイル電流Ｉ_Cが供
給される。磁極３０の中心３１と、プラズマ生成容器６
の中心およびフィラメント１０の先端部の中心とは、通
常は互いに一致させている。それがプラズマ１６の生成
および保持に最も有効だからである。

【００１４】上記のような磁界２６を印加すると、フィ
ラメント１０から放出された電子は、当該磁界２６およ
びこれに直角方向の電界の作用を受けて、磁界２６の周
りを旋回しながら、フィラメント１０と反射電極１２と
の間を往復運動するようになる。その結果、当該電子と
ガス分子との衝突確率が高くなってガスの電離効率が高
まり、密度の高いプラズマ１６を生成することができ、
ひいてはイオンビーム１８の引き出し量を多くすること
が容易になる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記イオン源４におい
ては、その運転を続けるに従って、フィラメント１０は
全体に均一に消耗するのではなくて、その一部分が、よ
り具体的には先端から少しフィラメント電位の負電位側
にずれた部分１１が局所的に強く消耗して行き、最終的
にはそこで断線するという課題がある。

【００１６】フィラメント１０が断線すると、その交換
のためにイオン源４の運転を、ひいてはそれを用いたイ
オン注入装置等の処理装置の運転を止める必要がある。
頻繁に運転を止めると、イオン源４の利用効率や処理装
置のスループット等が低下することになるため、フィラ
メント１０の寿命は長いことが好ましい。

【００１７】そこでこの発明は、上記のようなフィラメ
ントの消耗の局所化を防いで、フィラメントの長寿命化
を図ることを主たる目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明のイオン源は、
前記フィラメントに、前記電磁石のコイル側に位置する
側を負極側にして前記フィラメント電圧を印加するよう
に構成したことを特徴としている。

【００１９】上記フィラメント１０の消耗の片寄りの原
因を調べた結果、主に次の二つの原因があることが分か
った。

【００２０】（１）フィラメント１０上の電位分布に起
因するものフィラメント１０上の電位は、フィラメント電源２０の
正極が接続されている箇所から負極が接続されている箇
所にかけて、基本的に均一に分布している。そして、フ
ィラメント１０の消耗は、その周辺に磁場がない場合
は、フィラメント１０に印加される直流のフィラメント
電圧Ｖ_Fの負電位側の方が、即ちフィラメント電源２０
の負極に接続されている側の方が大きくなる。

【００２１】これは、負電位側の方が、フィラメント１
０の周辺にあるプラズマ生成容器６の壁面との間の電位
差が大きくなるために（即ちこの電位差は、正極側端は
Ｖ_A、負極側端はＶ_A＋Ｖ_F）、（ａ）フィラメント１
０から電子が放出されやすく電流が多く流れて温度が上
昇しフィラメント金属の蒸発が多くなり、（ｂ）また逆
にプラズマ１６からのイオンがフィラメント１０に流入
しやすいために当該イオンによるスパッタリングで消耗
が多くなるためである。

【００２２】なお、フィラメント１０の内では、フィラ
メント電源２０との接続部が最も負電位になるけれど
も、当該接続部は一般的にプラズマ生成容器６の外側に
あるため、電子の流入やイオンのスパッタリングがない
ために消耗は小さい。最も消耗が大きいのは、プラズマ
生成容器６内であってプラズマ１６に直面している部分
の内で最も負電位となる部分であり、それが上記部分１
１の辺りである。

【００２３】（２）電磁石２４が作る磁界２６の不均一
に起因するものフィラメント１０の周辺には、電磁石２４が生成する前
述したようなＹ軸に沿う磁界２６が存在する。従って、
フィラメント１０から放出される電子やフィラメント１
０に流入しようとするイオンは、この磁界２６によって
拘束される。

【００２４】その場合、磁界２６の強さに不均一がある
と、磁界が強い所では、フィラメント１０から放出され
た電子はフィラメント１０の周辺に磁界によって強く拘
束され、当該電子によってその辺りが負電位になり、フ
ィラメント１０から電子は放出されにくくなる。反対
に、磁界が弱い所では、フィラメント１０からの電子放
出は起こりやすくなる。プラズマ１６からのイオンはこ
の電子と逆の動きをするので、磁界が弱い所ではフィラ
メント１０へのイオン流入も起こりやすくなる。従っ
て、磁界の弱い所の方がフィラメント１０の消耗がより
多く進むことになる。

【００２５】従来、上記（１）の電位分布に起因するフ
ィラメント消耗の片寄りは知られていた。しかし、電磁
石２４が作る磁界２６の不均一によってフィラメント消
耗に片寄りが生じることについては、即ち上記（２）の
原因については考慮されていなかった。

【００２６】ところが、上記のような電磁石２４が作る
磁界２６のＸ軸に沿う方向の分布に着目してこれを調べ
たところ、図９に示すように、コイル３４の設置側が強
く、その反対側が弱くなるという不均一な分布をしてい
ることが分かった。これは、簡単に言えば、コイル３４
に近い方が磁路が短くて磁気抵抗が小さいからであり、
上記のような構造の電磁石２４では避けられないもので
ある。この不均一は、コイル電流Ｉ_Cが大きい方が大き
くなっている。このような磁界２６の不均一によって、
上記（２）に説明したように、フィラメント１０は、磁
界の弱い所の方が、即ちコイル３４とは反対側の方が消
耗がより多く進むことになる。

【００２７】図８に示した従来のイオン源４では、上記
（１）に示したフィラメント１０上の電位分布に起因す
るフィラメント１０の消耗は、フィラメント電圧Ｖ_Fの
負極側に、即ち電磁石２４のコイル３４とは反対側に片
寄って大きくなっており、しかも上記（２）に示した磁
界２６の不均一に起因するフィラメント１０の消耗も、
コイル３４とは反対側に片寄って大きくなっており、こ
の両方の片寄りが重なっていて、これによってフィラメ
ント１０の消耗が上記部分１１辺りに強く局所化してい
ることが分かった。

【００２８】これに対して、この発明のように、フィラ
メント１０に、電磁石２４のコイル３４側に位置する側
を負極側にしてフィラメント電圧Ｖ_Fを印加するように
構成したことによって、即ち図１に示すように、フィラ
メント１０のコイル３４側に位置する端部にフィラメン
ト電源２０の負極を接続し、その反対側に位置する端部
にフィラメント電源２０の正極を接続することによっ
て、上記（１）に示したフィラメント１０上の電位分布
に起因するフィラメント消耗の片寄りは、従来とは反対
に、電磁石２４のコイル３４側に片寄って大きくなる。
即ち、フィラメント１０上の電位分布に起因するフィラ
メント消耗の片寄りを、上記（２）に示した磁界２６の
不均一に起因するフィラメント消耗の片寄りとは反対側
に位置させることができる。

【００２９】その結果、両者（１）および（２）の理由
によるフィラメント消耗の片寄りを分散させることがで
きるので、フィラメントの消耗の局所化を防いで、フィ
ラメントの長寿命化を図ることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係るイオン源
の一例を示す概略断面図である。図８に示した従来例と
同一または相当する部分には同一符号を付し、以下にお
いては当該従来例との相違点を主に説明する。

【００３１】このイオン源４ａでは、前述したフィラメ
ント１０の、電磁石２４のコイル３４側に位置する端部
にフィラメント電源２０の負極を接続し、その反対側に
位置する端部にフィラメント電源２０の正極を接続し
て、フィラメント１０に、電磁石２４のコイル３４側を
負極側にしてフィラメント電圧Ｖ_Fを印加するように構
成している。フィラメント電源２０とアーク電源２２と
の関係は、図８の従来例と同様である。

【００３２】このようなイオン源４ａと、図８に示した
従来のイオン源４とにおいて、１０時間の連続運転を行
ったときのフィラメント１０の消耗の状況（即ちフィラ
メント１０の直径）を測定した結果を図３および図４に
示す。また、図２に、フィラメント１０の直径の測定点
を示し、これは図３および図４の横軸に対応している。

【００３３】図３は電磁石２４のコイル３４に供給する
コイル電流Ｉ_Cが１．４５Ａのときの結果であり、図４
は同電流が０．８２Ａのときの結果である。白丸は、運
転前の値、白三角は図１に示したイオン源４ａ（実施
例）のもの、黒三角は図８に示したイオン源４（従来
例）のものである。なお、いずれも、アーク電圧Ｖ_Aを
６０Ｖ、アーク電流を２．５Ａ、プラズマ生成容器６に
導入するアルゴンガス流量を１．２２ｃｃｍとした。

【００３４】図３から分かるように、従来例ではフィラ
メント１０の局所的な消耗が激しく、特に＋５ｍｍの位
置付近で消耗が激しいのに対して、実施例ではフィラメ
ント１０の消耗の局所化が緩和され、消耗が大きく軽減
（改善）されている。図４の場合も、実施例の方がフィ
ラメント１０の消耗が平均化され、消耗が軽減されてい
ることが分かる。

【００３５】コイル電流Ｉ_Cが大きい図３の方が、フィ
ラメント消耗の局所化が大きいのは、図９に示したよう
に、コイル電流Ｉ_Cが大きい方が電磁石２４が作る磁界
２６の不均一が大きく、それが影響しているものと考え
られる。

【００３６】なお、この発明が適用されるフィラメント
１０の形状は、図１に示したようなＵ字状以外のもので
も良い。例えば、図５に示すようなＶ字状のもの、図６
に示すようなコイル状のもの、図７に示すような直線状
のもの等でも良い。これらのいずれの場合も、フィラメ
ント１０は、電磁石２４の作る磁界２６が不均一な方向
（即ちＸ軸に沿う方向）に亘って配置されていて、当該
方向Ｘに沿って電位差が生じるようにフィラメント電源
２０からフィラメント電圧Ｖ_Fが印加されるので、電磁
石２４のコイル３４（図１参照）側を負極側にしてフィ
ラメント電圧Ｖ _Fを印加することによって、Ｕ字状のフ
ィラメント１０の場合と同様の前述したような作用効果
を得ることができる。

【００３７】また、コア２８は、この明細書では、対向
する磁極３０を中心に見てその片側にヨーク部３２を有
するものをＣ形と呼んでいるのであって、典型的には図
１に示したような形状であるが、勿論、これを多少変形
したものもここで言うＣ形に含まれる。

【００３８】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、フィラ
メント上の電位分布に起因するフィラメント消耗の片寄
りと、電磁石が作る磁界の不均一に起因するフィラメン
ト消耗の片寄りとを分散させることができるので、フィ
ラメントの消耗の局所化を防いで、フィラメントの長寿
命化を図ることができる。その結果、この発明に係るイ
オン源やそれを用いた装置の長時間運転が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るイオン源の一例を示す概略図で
ある。

【図２】図１および図８中のフィラメントを拡大して示
す図である。

【図３】図２のフィラメントの１０時間運転後の直径の
変化を測定した結果を示す図であり、電磁石のコイル電
流が１．４５Ａのときのものである。

【図４】図２のフィラメントの１０時間運転後の直径の
変化を測定した結果を示す図であり、電磁石のコイル電
流が０．８２Ａのときのものである。

【図５】フィラメントの他の例を示す図である。

【図６】フィラメントの更に他の例を示す図である。

【図７】フィラメントの更に他の例を示す図である。

【図８】従来のイオン源の一例を示す概略断面図であ
る。

【図９】図１および図８中の電磁石の磁極中心からのＸ
軸に沿う方向における磁束密度の分布の計算結果の例を
示す図である。

【符号の説明】

４ａイオン源６プラズマ生成容器８フィラメント１２反射電極１６プラズマ１８イオンビーム２０フィラメント電源２４電磁石２６磁界２８コア３２ヨーク部３４コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸および
Ｚ軸としたとき、プラズマ生成容器内で生成したプラズ
マからＺ軸に沿ってイオンビームを引き出すイオン源で
あって、プラズマ生成容器内のＹ軸に沿う方向の一方側
と他方側とに、電子を放出するフィラメントと当該電子
を反射する反射電極とを相対向させて配置しており、当
該フィラメントには、その加熱用に、Ｘ軸に沿って電位
差が生じる方向に直流のフィラメント電圧が印加され、
かつ前記プラズマ生成容器内には、その外部に設けられ
た電磁石から、Ｙ軸に沿って磁界が印加される構成であ
り、しかも当該電磁石が、Ｘ軸およびＹ軸を含む平面に
沿って配置されたＣ形のコアと、当該コアのヨーク部に
巻かれたコイルとを有している構成のイオン源におい
て、前記フィラメントに、前記電磁石のコイル側を負極
側にして前記フィラメント電圧を印加するように構成し
たことを特徴とするイオン源。