JP2006216440A - Formation method and ion source of filament used for ion source - Google Patents

Formation method and ion source of filament used for ion source Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ion source of compact device constitution in which the operating time for forming plasma can be prolonged in the ion source for forming the plasma of high density, and provide a preparation method of a filament having a long service life which is used for this ion source. <P>SOLUTION: In the preparation of the filament which emits a thermal electron used for the ion source, and after the diameter of a thermal electron emitting part of filament wire materials has been enlarged by thermal metal spraying in a state that both end parts of the filament wire materials are coated, both end parts of the filament wire materials not thermally metal-sprayed are attached to a plasma forming container of the ion source as a filament retaining part. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、イオンビームを生成するイオン源であって、LSI(大規模集積回路)や平面型表示装置(フラットパネルディスプレイ,FPD)等に設けられる半導体の作製に用いるイオン注入装置等に用いるイオン源及びそのイオン源に用いるフィラメントの作製方法に関する。   The present invention is an ion source that generates an ion beam, and is used for an ion implantation apparatus used for manufacturing a semiconductor provided in an LSI (Large Scale Integrated Circuit), a flat display (flat panel display, FPD), or the like. The present invention relates to a source and a method for producing a filament used in the ion source.

半導体を用いたLSIや低温ポリシリコン(LTPS)を用いたTFT(Thin Film Transistor)をアクティブマトリクス素子として用いる平面型表示装置(FPD)等の作製工程では、不純物、例えば、ホウ素、燐、砒素等をイオン化し、電場を用いて加速してイオンビームを生成し、このイオンビームを基板に形成されたシリコン結晶中に照射することで、イオンを注入するイオン注入処理が行われる。このイオン注入処理には、イオンビームを生成するイオン源を備えたイオン注入装置が用いられる。例えば、イオン注入装置を用いたFPDの作製の各工程では、TFT特性を左右するチャネル工程、LDD工程、ソース・ドレイン工程があり、特に、チャンネル工程は、ゲート閾値電圧を制御するために精度の高いイオン注入処理が求められている。   In a manufacturing process of a flat panel display (FPD) using a semiconductor LSI or TFT (Thin Film Transistor) using low-temperature polysilicon (LTPS) as an active matrix element, impurities such as boron, phosphorus, arsenic, etc. Is ionized and accelerated using an electric field to generate an ion beam, and this ion beam is irradiated into a silicon crystal formed on the substrate, whereby an ion implantation process for implanting ions is performed. For this ion implantation process, an ion implantation apparatus having an ion source for generating an ion beam is used. For example, in each process of manufacturing an FPD using an ion implantation apparatus, there are a channel process, an LDD process, and a source / drain process that affect the TFT characteristics. In particular, the channel process has an accuracy for controlling the gate threshold voltage. A high ion implantation process is required.

このようなイオン注入装置は、チャンバ内に導入された原料ガスを、加速した電子を用いて電離させ、高密度プラズマ状態を作り出すイオン源と、イオン源で生成されたイオンをイオンビームとして引き出す引き出し機構と、引き出されたイオンビームから特定のイオンのみを分離する質量分離機構と、処理対象の基板にイオンビームを照射するための基板操作機構とを有し、特定のイオンのみを必要量分精度よく基板上のシリコンに注入することができる。   Such an ion implantation apparatus ionizes a source gas introduced into a chamber using accelerated electrons to create a high-density plasma state, and draws ions generated by the ion source as an ion beam. It has a mechanism, a mass separation mechanism that separates only specific ions from the extracted ion beam, and a substrate operation mechanism for irradiating the substrate to be processed with an ion beam. It can be well implanted into silicon on the substrate.

イオン源は、例えば不純物となる原料ガスを導入したチャンバ内に抵抗導体線が1〜数回螺旋状に巻かれて折り返されたフィラメントが設けられている。このフィラメントに、上記チャンバと電気絶縁した状態で、1〜10Vの電圧を印加して加熱することによりチャンバ内に熱電子を供給するとともに、チャンバとフィラメント間に電圧を印加してグロー放電、さらにはアーク放電を生じさせてプラズマを生成する。この生成されたプラズマからイオンを取り出してイオンビームを生成する。このようにアーク放電を維持しつつイオンビームを生成するイオン源として、高効率にイオンビームを生成するコンパクトな装置構成であるバーナス型イオン源が広く知られている。この他、イオン源としてフリーマン型イオン源やバケット型イオン源が知られている。   In the ion source, for example, a filament in which a resistance conductor wire is spirally wound one to several times in a chamber into which a source gas as an impurity is introduced is provided. In this state, a voltage of 1 to 10 V is applied to the filament and heated to supply thermoelectrons into the chamber, and a voltage is applied between the chamber and the filament to cause glow discharge. Causes arc discharge to generate plasma. Ions are extracted from the generated plasma to generate an ion beam. As such an ion source that generates an ion beam while maintaining arc discharge, a Bernas ion source that is a compact device configuration that generates an ion beam with high efficiency is widely known. In addition, Freeman type ion sources and bucket type ion sources are known as ion sources.

一方、FPDの生産能力を高めるために、イオン注入装置には従来に比べてイオン注入に要する時間を短縮することが望まれている。イオン注入に要する時間は、基板を基板操作機構により搬送する搬送時間とイオンを注入する処理時間の合計であり、特に上記ソース・ドレイン工程では多量のイオンを注入する必要があるため、上記処理時間が長くなる。このため、処理時間を短縮するために、生成するイオンビームの電流密度を高くして、一定時間に注入するイオンの量を増大させる必要があり、イオンビームを生成するプラズマを高密度化することが必要である。しかし、プラズマをチャンバ内で高密度化しようとすると、プラズマの浸蝕作用によりチャンバ内の壁面やフィラメントは浸蝕を受けて、装置の運用時間(寿命)が短くなるという問題があった。   On the other hand, in order to increase the production capacity of FPD, it is desired that the ion implantation apparatus shortens the time required for ion implantation as compared with the conventional one. The time required for the ion implantation is the sum of the transport time for transporting the substrate by the substrate operating mechanism and the processing time for implanting ions, and in particular, in the source / drain process, a large amount of ions must be implanted. Becomes longer. For this reason, in order to shorten the processing time, it is necessary to increase the current density of the ion beam to be generated and to increase the amount of ions to be implanted in a certain time, and to increase the density of the plasma that generates the ion beam. is required. However, when trying to increase the density of plasma in the chamber, there has been a problem that the operation time (life) of the apparatus is shortened because the wall surface and filaments in the chamber are eroded by the erosion action of the plasma.

この問題を解決するために下記特許文献1では、フィラメントの近傍にタングステンやタンタル等の高融点材からなる補助体を配置し、この補助体の電位をフィラメントの電位より低くするイオン源を開示している。これにより、プラズマに曝されるフィラメントの長寿命化を図ることができるとされている。
また、下記特許文献2では、フィラメントの前方に、タングステン等の熱電子の放出率の高い金属材料で構成した傍熱型カソードを設けたイオン源を開示している。
In order to solve this problem, Patent Document 1 below discloses an ion source in which an auxiliary body made of a high melting point material such as tungsten or tantalum is disposed in the vicinity of the filament, and the electric potential of the auxiliary body is made lower than the electric potential of the filament. ing. Thereby, it is said that the lifetime of the filament exposed to plasma can be extended.
Patent Document 2 below discloses an ion source in which an indirectly heated cathode made of a metal material having a high emission rate of thermoelectrons such as tungsten is provided in front of a filament.

特開平7−272657号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-272657 特開2001−167707号公報JP 2001-167707 A

しかし、これらの装置は、従来のバーナス型イオン源の基本装置構成を大きく変更するものであり、また、新たに電源を用意する必要のある装置構成となる。このため、装置構成が煩雑になり、コンパクトな装置を構成することができない。   However, these devices greatly change the basic device configuration of the conventional Bernas ion source, and also require a new power supply. For this reason, the apparatus configuration is complicated, and a compact apparatus cannot be configured.

そこで、本発明は、高密度のプラズマを生成するイオン源において、プラズマ生成のための運用時間を長くすることのできる、コンパクトな装置構成のイオン源及びこのイオン源に用いる寿命の長いフィラメントの作製方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides an ion source with a compact apparatus configuration that can extend the operation time for plasma generation in an ion source that generates high-density plasma, and the production of a long-life filament used in the ion source. It aims to provide a method.

上記課題の達成のためにフィラメントの寿命時間を長くするには、チャンバの容積を大きくしてプラズマ密度を低下させる方法がある。しかし、この方法ではプラズマを閉じ込めるための均一な磁場の設定や各部の見直しが必要となる。
一方、フィラメントの寿命時間を長くするに、熱電子を放出するフィラメントを設ける部分と、生成したプラズマを閉じ込める部分とを空間として隔てて別容器にすることもできるが、イオン源自体の装置構成を大きく変更することとなる。
このような背景の下に、本発明は、既存の装置構成を変更することなく、イオン源の運用時間を長くするために成されたものである。
In order to increase the lifetime of the filament in order to achieve the above object, there is a method in which the plasma density is decreased by increasing the volume of the chamber. However, this method requires setting a uniform magnetic field for confining plasma and reviewing each part.
On the other hand, in order to increase the lifetime of the filament, it is possible to separate the portion for providing the thermoelectron-emitting filament and the portion for confining the generated plasma as a separate container. It will be a big change.
Under such a background, the present invention is made in order to lengthen the operation time of the ion source without changing the existing apparatus configuration.

すなわち、本発明は、ガスを供給して電圧を印加することによりイオンビームを生成するイオン源に用いる熱電子を放出するフィラメントの作製方法であって、フィラメント線材の両端部分を被覆した状態で、フィラメント線材の熱電子放出部分を金属溶射により径を太くした後、金属溶射されていないフィラメント線材の両端部分を、フィラメント保持部としてイオン源のプラズマ生成容器に装着することを特徴とするイオン源に用いるフィラメントの作製方法を提供する。   That is, the present invention is a method for producing a filament that emits thermoelectrons used in an ion source that generates an ion beam by supplying a gas and applying a voltage, with both end portions of the filament wire covered. After increasing the diameter of the thermoelectron emission part of the filament wire by metal spraying, both ends of the filament wire not metal sprayed are attached to the plasma generation container of the ion source as a filament holding part. A method for producing a filament to be used is provided.

また、本発明は、ガスを供給して電圧を印加することによりイオンビームを生成するイオン源において、ガスが供給されてプラズマを生成する内部空間を備えたチャンバと、前記チャンバ内で熱電子を放出するフィラメントであって、前記チャンバの内部空間にフィラメントが突出するように前記チャンバに対して前記フィラメントを保持するスリーブを貫通したフィラメント両端部分の径に対して、前記チャンバ内に露出する熱電子放出部分の径が、金属溶射により太く形成されたフィラメントを備えた熱電子供給源と、前記チャンバと前記熱電子供給源との間に電圧を印加することにより前記内部空間に生成されるプラズマからイオンビームを取り出す、前記チャンバに設けられたイオンビーム取出口と、を有することを特徴とするイオン源を提供する。   According to the present invention, in an ion source that generates an ion beam by supplying a gas and applying a voltage, a chamber including an internal space in which a gas is supplied to generate plasma, and thermoelectrons are generated in the chamber. Thermoelectrons that are emitted in the chamber with respect to the diameter of both ends of the filament that pass through a sleeve that holds the filament with respect to the chamber so that the filament protrudes into the internal space of the chamber The diameter of the emission part is a thermoelectron supply source having a filament formed thick by metal spraying, and plasma generated in the internal space by applying a voltage between the chamber and the thermoelectron supply source. An ion beam outlet provided in the chamber for extracting the ion beam. To provide a source.

本発明は、熱電子の放出に用いるフィラメントの熱電子放出部分の径を太くすることで、従来のイオン源をそのまま用いることができ、設計変更なしに容易に装置の運用寿命を延ばすことができる。
また、本発明は、フィラメントの熱電子放出部分の径を金属溶射により太くするので、金属溶射の溶射時間によって太さを自在に調整することができる。さらに、一度に複数のフィラメント線材に金属溶射を施すことができるので、大量生産も可能である。また、リペア用フィラメントとして好適に用いることができる。
In the present invention, by increasing the diameter of the thermoelectron emission portion of the filament used for thermionic emission, the conventional ion source can be used as it is, and the operating life of the apparatus can be easily extended without changing the design. .
Further, according to the present invention, since the diameter of the thermoelectron emission portion of the filament is increased by metal spraying, the thickness can be freely adjusted by the metal spraying time. Further, since metal spraying can be performed on a plurality of filament wires at a time, mass production is also possible. Further, it can be suitably used as a repair filament.

以下、本発明のイオン源及びこのイオン源に用いるフィラメントの作製方法について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。図1(a)は、本発明のイオン源の一実施形態の構成を示す断面図である。
イオン源10は、原料ガスを供給し放電することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンを取り出すことによりイオビームを生成するバーナス型イオン源である。イオン源10は、図1に示すように、チャンバ12、フィラメント14、反射電極板(リペラープレート)16、背面電極板18、スリーブ20、原料ガス供給口22、イオンビーム取出口24、および所定の電圧を印加する引出電源26、アーク電源28、フィラメント電源30、原料ガス調整バルブ32を主に有して構成される。チャンバ12は、図示されないイオン注入装置の減圧容器内に収納され、チャンバ12内で10−3〜10−5(Pa)に減圧された状態となっている。
Hereinafter, the ion source of the present invention and a method for producing a filament used in the ion source will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings. Fig.1 (a) is sectional drawing which shows the structure of one Embodiment of the ion source of this invention.
The ion source 10 is a Bernas ion source that generates plasma by supplying a raw material gas and discharging it, and generates an ion beam by extracting ions from the plasma. As shown in FIG. 1, the ion source 10 includes a chamber 12, a filament 14, a reflective electrode plate (repeller plate) 16, a back electrode plate 18, a sleeve 20, a source gas supply port 22, an ion beam outlet 24, and a predetermined number. The main power source includes an extraction power source 26, an arc power source 28, a filament power source 30, and a raw material gas adjustment valve 32 that apply the above voltage. The chamber 12 is housed in a decompression container of an ion implantation apparatus (not shown) and is decompressed to 10 −3 to 10 −5 (Pa) in the chamber 12.

チャンバ12は、耐高温性を有する導電性材料、例えばタングステン、モリブデン、タンタル、炭素等によって構成され、直方体形状の内部空間34を有する放電箱である。
チャンバ12の内部空間34の内壁面には、一方の端面から内部空間34に突出するフィラメント14が設けられ、他方の端面には反射電極板16が設けられ、フィラメント14が反射電極板16に対向するように配置されている。フィラメント14は、タングステン等の抵抗導体線が螺旋状に1〜数回巻かれて折り返された発熱素子体である。このようにフィラメント14を螺旋状に巻くのは、フィラメント14を流れる電流による磁場を利用してプラズマを効率よく閉じ込めるためである。
チャンバ12によって形成される内部空間34は、例えば40mm×40mm×120mmのサイズである。
The chamber 12 is a discharge box made of a conductive material having high temperature resistance, such as tungsten, molybdenum, tantalum, or carbon, and having a rectangular parallelepiped internal space 34.
The inner wall surface of the internal space 34 of the chamber 12 is provided with a filament 14 projecting from one end face to the internal space 34, and the other end face is provided with a reflective electrode plate 16, and the filament 14 faces the reflective electrode plate 16. Are arranged to be. The filament 14 is a heating element body in which a resistance conductor wire such as tungsten is wound spirally one to several times. The reason why the filament 14 is spirally wound is to efficiently confine the plasma by using a magnetic field generated by the current flowing through the filament 14.
The internal space 34 formed by the chamber 12 has a size of, for example, 40 mm × 40 mm × 120 mm.

フィラメント14と内壁面の端面との間には背面電極板18が設けられ、カソードプレートとなっている。フィラメント14には、フィラメント14から熱電子を放出するように、フィラメント14の両端間に所定の電圧、例えば数V〜10数Vを印加するフィラメント電源30が設けられ、2000℃程度に加熱されたフィラメント14から内部空間34に熱電子を放出する。また、フィラメント14の負極側の端と導電性を有するチャンバ12との間にアーク電圧を印加するように、アーク電源28が設けられている。アーク電圧は、チャンバ12の電位がフィラメント14の電位に対して高くなるようにアーク電圧が数10〜100V印加される。なお、フィラメント14が貫通するスリーブ20と導電性を有するチャンバ12との間は、インシュレータ21によって電気絶縁されている。   A back electrode plate 18 is provided between the filament 14 and the end surface of the inner wall surface to form a cathode plate. The filament 14 is provided with a filament power supply 30 for applying a predetermined voltage, for example, several V to several tens V between both ends of the filament 14 so as to emit thermoelectrons from the filament 14 and heated to about 2000 ° C. Thermal electrons are emitted from the filament 14 into the internal space 34. Further, an arc power source 28 is provided so as to apply an arc voltage between the negative electrode end of the filament 14 and the conductive chamber 12. An arc voltage of several tens to 100 V is applied so that the potential of the chamber 12 is higher than the potential of the filament 14. The sleeve 20 through which the filament 14 passes and the conductive chamber 12 are electrically insulated by an insulator 21.

反射電極板16は、フィラメント14に対向するように内部空間34に設けられ、反射電極板16に向かって移動する熱電子を反射する反射板である。反射電極板16とチャンバ12との間は、インシュレータ21によって電気絶縁されている。反射電極板16は、フィラメント電源30の負極と接続されている。なお、フィラメント14に対して反射電極板16の方向と反対方向にある背面電極板18は、フィラメント14の陰極と接続されており、背面電極板18と反射電極板16は同電位になるように構成される。
一方、チャンバ12の外側には、背面電極板18、フィラメント14および反射電極板16の配置方向(図1中のX方向)に沿って磁場が形成されるようにN極、S極の電磁石36、38が設けられている。
また、内部空間34の内壁面には、原料ガス供給口22が設けられ、供給管42を介して図示されないガス供給源と接続され、原料ガス調整バルブ32を介して原料ガスの供給が調整されるようになっている。
The reflective electrode plate 16 is a reflective plate that is provided in the internal space 34 so as to face the filament 14 and reflects the thermal electrons moving toward the reflective electrode plate 16. The reflective electrode plate 16 and the chamber 12 are electrically insulated by an insulator 21. The reflective electrode plate 16 is connected to the negative electrode of the filament power supply 30. The back electrode plate 18 in the direction opposite to the direction of the reflective electrode plate 16 with respect to the filament 14 is connected to the cathode of the filament 14 so that the back electrode plate 18 and the reflective electrode plate 16 have the same potential. Composed.
On the other hand, on the outside of the chamber 12, N-pole and S-pole electromagnets 36 are formed so that a magnetic field is formed along the arrangement direction (X direction in FIG. 1) of the back electrode plate 18, the filament 14, and the reflective electrode plate 16. , 38 are provided.
A source gas supply port 22 is provided on the inner wall surface of the internal space 34 and is connected to a gas supply source (not shown) via a supply pipe 42, and supply of the source gas is adjusted via a source gas adjustment valve 32. It has become so.

このようなチャンバ12の内部空間34では、フィラメント14から放出された電子とチャンバ12とフィラメント14との間に印加されたアーク電圧によりアーク放電を開始し、プラズマが励起される。このプラズマ中の電子は、電磁石36、38の磁場の作用によってらせん運動を起こしつつ反射電極板16に向けて移動しながら反射電極板16に到達し、反射電極板16で反射し、背面電極板18に向かう。さらに、背面電極板18において電子は反射される。このように内部空間34で移動する電子は、更に原料ガス分子に衝突し、ガス分子は正にイオン化しプラズマが生成され、生成されたプラズマが内部空間34全体で保持される。この状態で、チャンバ12の側壁に設けられたスリット状のイオンビーム取出口24から、引出電極40に印加された引出電圧によってイオンが引き出され、イオンビームが生成される。ここで、引出電極40は、チャンバ12との間で所定の電位が生ずるように引出電源26が設けられ、引出電極40がチャンバ12から見て電位が低く設定される。   In such an internal space 34 of the chamber 12, arc discharge is started by the electrons emitted from the filament 14 and the arc voltage applied between the chamber 12 and the filament 14, and the plasma is excited. The electrons in the plasma reach the reflecting electrode plate 16 while moving toward the reflecting electrode plate 16 while causing a spiral motion by the action of the magnetic fields of the electromagnets 36 and 38, and are reflected by the reflecting electrode plate 16 to be reflected by the back electrode plate. Head to 18. Further, the electrons are reflected from the back electrode plate 18. Thus, the electrons moving in the internal space 34 further collide with the source gas molecules, the gas molecules are positively ionized to generate plasma, and the generated plasma is held in the entire internal space 34. In this state, ions are extracted from the slit-shaped ion beam outlet 24 provided on the side wall of the chamber 12 by the extraction voltage applied to the extraction electrode 40, and an ion beam is generated. Here, the extraction electrode 40 is provided with an extraction power supply 26 so that a predetermined potential is generated between the extraction electrode 40 and the chamber 12, and the extraction electrode 40 is set to have a low potential when viewed from the chamber 12.

この様なイオン源10において、フィラメント14は、図1(b)に示すように、チャンバ12の内部空間34にフィラメントが突出するようにチャンバ12に対して前記フィラメントを保持するスリーブ20を貫通したフィラメント両端部分14bの径に対して、チャンバ12内の内部空間34に露出する熱電子放出部分14aの径が、金属溶射により太く形成されている。   In such an ion source 10, the filament 14 penetrates the sleeve 20 that holds the filament with respect to the chamber 12 so that the filament protrudes into the internal space 34 of the chamber 12, as shown in FIG. The diameter of the thermoelectron emission portion 14a exposed to the internal space 34 in the chamber 12 is thicker than that of the filament end portions 14b by metal spraying.

フィラメント14の熱電子放出部分14aは、負の電位をもち、上述したように反射電極板16と背面電極18との間で電子が移動して正のイオンを持つプラズマが生成されるため、負の電位を有するフィラメントの熱電子放出部分14aは正のイオンの衝突により、浸蝕を受け易い。このため、チャンバ12内の内部空間34に露出する熱電子放出部分14aのみを金属溶射により、それ以外の部分に対して径を太くしてフィラメントの寿命時間を長くしている。   The thermionic emission portion 14a of the filament 14 has a negative potential, and as described above, electrons move between the reflective electrode plate 16 and the back electrode 18 to generate plasma having positive ions. The thermoelectron emitting portion 14a of the filament having the potential of is easily eroded by the collision of positive ions. For this reason, only the thermoelectron emission portion 14a exposed to the internal space 34 in the chamber 12 is subjected to metal spraying to increase the diameter of the other portions to increase the life time of the filament.

フィラメント14のスリーブ20及び背面電極18にて被覆されるフィラメント両端部分14bの径は例えば2mmであり、これに対して、熱電子放出部分14aの径は2.5〜3.5mmにすることが好ましい。この際、熱電子放出部分14aの径を2mmより太くすると、プラズマ生成に十分な熱電子を放出するために大きな電力が必要となり、場合によっては電源を強化する必要がある。
これより、フィラメント14の熱電子放出部分14aの径が太くなった分、寿命が延びる。
一方、フィラメント両端部分14b以外の部分の径を太くしないのは、この部分の径を太くしても、フィラメント14の寿命時間に影響を与えるものではなく、さらに、背面電極板16に設けられたフィラメント14を通す貫通孔及びフィラメント14と隙間なく密着するように径が定められたスリーブ20に通すことができなくなるためである。
このように、フィラメント14の熱電子放出部分14aの径のみを太くすることにより、従来のバーナス型イオン源の装置構成を変更することなく、フィラメントの寿命時間を延ばすことができる。
The diameter of the filament both ends 14b covered with the sleeve 20 and the back electrode 18 of the filament 14 is 2 mm, for example, whereas the diameter of the thermionic emission portion 14a is 2.5 to 3.5 mm. preferable. At this time, if the diameter of the thermoelectron emission portion 14a is thicker than 2 mm, a large amount of electric power is required to emit sufficient thermoelectrons for plasma generation, and in some cases, it is necessary to strengthen the power source.
Accordingly, the life is extended by the increase in the diameter of the thermoelectron emission portion 14a of the filament 14.
On the other hand, the reason why the diameter of the portion other than the filament end portions 14b is not increased does not affect the lifetime of the filament 14 even if the diameter of this portion is increased, and is further provided on the back electrode plate 16. This is because it is impossible to pass through the through-hole through which the filament 14 passes and the sleeve 20 having a diameter determined so as to be in close contact with the filament 14 without a gap.
Thus, by increasing only the diameter of the thermoelectron emission portion 14a of the filament 14, the lifetime of the filament can be extended without changing the device configuration of the conventional Bernas ion source.

このようなフィラメント14の作製は、まず、フィラメント線材15、例えばタングステンのフィラメント線材を用意する。このフィラメント線材15の径は、例えば2mmである。
次に、図2に示すように、このフィラメント線材15のスリーブ20及び背面電極18で覆われる部分を含むフィラメント線材の両端部分をクランプ部46として、カバー部材48で被覆し、金属溶射真空容器50内に設置する。
この状態で、フィラメント線材の熱電子放出部分を均一に金属溶射し、一様に径を太くする。
金属溶射は、例えばプラズマ金属溶射等により、フィラメント線材と同じ金属材料の溶射を行う。プラズマ金属溶射の他に、アーク溶射、ガスフレーム溶射、超高速フレーム溶射等公知の方法を用いることができる。
For producing the filament 14, first, a filament wire 15, for example, a tungsten filament wire is prepared. The filament wire 15 has a diameter of 2 mm, for example.
Next, as shown in FIG. 2, both end portions of the filament wire material including the portions covered with the sleeve 20 and the back electrode 18 of the filament wire material 15 are covered with the cover member 48 as the clamp portions 46, and the metal sprayed vacuum vessel 50 is covered. Install in.
In this state, the thermal electron emission part of the filament wire is uniformly metal sprayed to uniformly increase the diameter.
In the metal spraying, for example, the same metal material as the filament wire is sprayed by plasma metal spraying or the like. In addition to plasma metal spraying, known methods such as arc spraying, gas flame spraying, and ultra high-speed flame spraying can be used.

フィラメント線材15の両端部分をクランプ部46としてカバー部材48で被覆し、この部分の径を太くしないのは、上述したように、スリーブ20はフィラメント線材と隙間なく密着するように径が設けられているためである。したがって、フィラメント14には、径の太くした熱電子放出部分14aと両端部分14bとの境界において段差を成している。したがって、金属溶射の際、フィラメント線材の両端部分はカバー部材との間に隙間が生じないようにすることが必要である。
また、スリーブ20の先端位置が、熱電子放出部分14aと両端部分14bとの境界に一致しない場合、径の細いフィラメント14の部分が内部空間34に露出して、この部分が集中的に損耗し、寿命を延ばすことはできない。
The reason why the both ends of the filament wire 15 are covered with the cover member 48 as the clamp portions 46 and the diameter of this portion is not increased is that, as described above, the sleeve 20 has a diameter so as to be in close contact with the filament wire without gaps. Because it is. Accordingly, the filament 14 has a step at the boundary between the thermoelectron emission portion 14a having a large diameter and the end portions 14b. Therefore, at the time of metal spraying, it is necessary to prevent a gap from being formed between the end portions of the filament wire and the cover member.
Further, when the tip position of the sleeve 20 does not coincide with the boundary between the thermoelectron emission portion 14a and the both end portions 14b, the portion of the filament 14 having a small diameter is exposed to the internal space 34, and this portion is intensively worn out. Can not extend the life.

こうして熱電子放出部分14aの径が太くなったフィラメント14は、所定の装置を用いて、背面電極18及びスリーブ20の孔を貫通し、チャンバ12内の所定の位置に、金属溶射されていないフィラメント線材の両端部分はフィラメント保持部として装着される。   The filament 14 whose diameter of the thermionic emission portion 14a is increased in this way is penetrated through the holes of the back electrode 18 and the sleeve 20 using a predetermined device, and is not a metal sprayed metal at a predetermined position in the chamber 12. Both end portions of the wire are attached as filament holding portions.

本発明のように、熱電子の放出に用いるフィラメントの熱電子放出部分の径のみを金属溶射により太くすることで、従来のイオン源をそのまま用いることができ、設計変更なしに容易に装置の運用寿命を延ばすことができる。特に、フィラメントの形状を螺旋状とする場合、径の太い、例えば2mm程度の直線状のフィラメントを曲げ加工して螺旋状にすることは困難である。
また、フィラメントの熱電子放出部分の径を金属溶射の溶射時間によって調整することができる。さらに、一度に複数のフィラメント線材に金属溶射を施すことができるので、大量生産も可能である。また、リペア用フィラメントとして好適に用いることができる。
As in the present invention, only the diameter of the thermoelectron emission portion of the filament used for thermionic emission is increased by metal spraying, so that the conventional ion source can be used as it is, and the operation of the apparatus can be easily performed without changing the design. Life can be extended. In particular, when the shape of the filament is a spiral, it is difficult to bend the filament having a large diameter, for example, about 2 mm into a spiral.
Moreover, the diameter of the thermoelectron emission part of a filament can be adjusted with the spraying time of metal spraying. Further, since metal spraying can be performed on a plurality of filament wires at a time, mass production is also possible. Further, it can be suitably used as a repair filament.

以上、本発明のイオン源及びこのイオン源に用いるフィラメントの作製方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   As described above, the ion source of the present invention and the method for producing the filament used in the ion source have been described in detail. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course, you may do it.

(a)は、本発明のイオン源の一実施形態の装置構成を示す断面図であり、(b)は、(a)に示すイオン源に用いるフィラメントの形状を示す図である。(A) is sectional drawing which shows the apparatus structure of one Embodiment of the ion source of this invention, (b) is a figure which shows the shape of the filament used for the ion source shown to (a). イオン源に用いるフィラメントの作製方法を説明する図である。It is a figure explaining the preparation method of the filament used for an ion source.

符号の説明Explanation of symbols

10 イオン源
12 チャンバ
14 フィラメント
15 フィラメント線材
16 反射電極板
18 背面電極板
20 スリーブ
21 インシュレータ
22 原料ガス供給口
24 イオンビーム取出口
26 引出電源
28 アーク電源
30 フィラメント電源
32 原料ガス調整バルブ
34 内部空間
36,38 電磁石
40 引出電極
42 供給管
46 クランプ部
48 カバー部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion source 12 Chamber 14 Filament 15 Filament wire 16 Reflective electrode plate 18 Back electrode plate 20 Sleeve 21 Insulator 22 Source gas supply port 24 Ion beam extraction port 26 Extraction power source 28 Arc power source 30 Filament power source 32 Source gas adjustment valve 34 Internal space 36 , 38 Electromagnet 40 Extraction electrode 42 Supply pipe 46 Clamp part 48 Cover member

Claims (2)

ガスを供給して電圧を印加することによりイオンビームを生成するイオン源に用いる熱電子を放出するフィラメントの作製方法であって、
フィラメント線材の両端部分を被覆した状態で、フィラメント線材の熱電子放出部分を金属溶射により径を太くした後、金属溶射されていないフィラメント線材の両端部分を、フィラメント保持部としてイオン源のプラズマ生成容器に装着することを特徴とするイオン源に用いるフィラメントの作製方法。
A method for producing a filament that emits thermoelectrons used in an ion source that generates an ion beam by supplying a gas and applying a voltage,
After the both ends of the filament wire are covered, the diameter of the thermoelectron emission portion of the filament wire is increased by metal spraying, and then the both ends of the filament wire that has not been metal sprayed are used as the filament holder for the plasma generation container of the ion source. A method for producing a filament for use in an ion source, wherein
ガスを供給して電圧を印加することによりイオンビームを生成するイオン源において、
ガスが供給されてプラズマを生成する内部空間を備えたチャンバと、
前記チャンバ内で熱電子を放出するフィラメントであって、前記チャンバの内部空間にフィラメントが突出するように前記チャンバに対して前記フィラメントを保持するスリーブを貫通したフィラメント両端部分の径に対して、前記チャンバ内に露出する熱電子放出部分の径が、金属溶射により太く形成されたフィラメントを備えた熱電子供給源と、
前記チャンバと前記熱電子供給源との間に電圧を印加することにより前記内部空間に生成されるプラズマからイオンビームを取り出す、前記チャンバに設けられたイオンビーム取出口と、を有することを特徴とするイオン源。
In an ion source that generates an ion beam by supplying a gas and applying a voltage,
A chamber with an internal space in which a gas is supplied to generate plasma;
A filament that emits thermoelectrons in the chamber, the diameter of both ends of the filament penetrating through a sleeve that holds the filament with respect to the chamber so that the filament protrudes into the internal space of the chamber. A thermoelectron supply source including a filament in which a diameter of a thermoelectron emission portion exposed in the chamber is formed thick by metal spraying;
And an ion beam outlet provided in the chamber for extracting an ion beam from plasma generated in the internal space by applying a voltage between the chamber and the thermoelectron supply source. Ion source.
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