JP2010153053A - イオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン源において、フィラメントを保持するフィラメント保持具の熱膨張によりフィラメントが受ける応力を緩和および抑制し、これによって、フィラメントの破断や変形によるフィラメントの機能不全を予防する。
【解決手段】イオン源は、プラズマ容器の外側で、フィラメントの両端を保持するフィラメント保持具と、このフィラメント保持具を支持固定する基台と、フィラメント保持具と基台との間を介在して接続する介在部材と、を有する。フィラメント保持具と介在部材とが接続される第１の接続位置から、フィラメント保持具のフィラメントの保持位置に至る第１の方向を定め、さらに、介在部材と基台が接続される第２の接続位置から、第１の接続位置に至る方向を第２の方向を定めたとき、第２の接続位置は、第１の面で分割される２つの側のうち第１の接続位置のある側にあり、第２の方向を第１の方向に射影した成分は、第１の方向と反対の向きを向いている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、イオンビームを生成するためにプラズマを生成するイオン源に関する。

イオン注入装置は、基板にイオンビームを衝突させてイオンを注入することにより基板を処理するために用いられる。イオン源は、このようなイオン注入装置のイオンビームを生成するための装置として、従来より種々開発されてきた。

イオン源は、プラズマ容器内部に挿入され、通電することにより熱電子を供給するフィラメントをカソードとし、プラズマ容器をアノードとする。プラズマ容器内では、アーク放電を誘起して原料ガスをプラズマ化する。イオン源のプラズマ容器の壁面には、１つ以上のスリット開口が設けられ、このスリット開口から、プラズマの中の電荷を帯びたイオンがイオンビームとして引き出される。プラズマ容器の外側には、イオンビームの引き出し方向と直交する磁場を印加する磁極を備えている。

図８〜１０は、従来のイオン源の一例を示す図である。図８は、イオン源の全体を示す斜視図であり、図９は、図８に示すイオン源のフィラメントクランプの配置を説明する図であり、図１０は、図８に示すイオン源のプラズマ容器の分解斜視図である。
図８に示すように、プラズマ容器１００内にフィラメント１０２が設けられ、プラズマ容器１００の壁面には、プラズマ容器１００内で生成されたプラズマをイオンビームＢとして引き出すスリット開口１０４が設けられている。プラズマ容器１００の外側には、図９に示すように、フィラメント１０２を保持するフィラメントクランプ１０６と、フィラメントクランプ１０６を、絶縁材１０８を介して固定する基台１１０と、プラズマ容器１００を基台１０８に支持固定するための支持部材１１２と、プラズマ容器１００内に磁場を形成する磁極１１４，１１６と、が設けられている。
プラズマ容器１００は、図１０に示すように、フィラメント１０２を設けるための一対の貫通孔を有する板部材１１６およびスリット開口１０４を有する板部材１１７の他、板部材１１８，１１９を有して、直方体形状に構成されている。

このようなイオン源では、プラズマ容器１００の一対の貫通孔を通して挿入されたフィラメント１０２が、プラズマ容器１００の貫通孔の内側表面に触れることがないように、フィラメントクランプ１０６によりフィラメント１０２がしっかり保持されて基台１１０上に固定されている。また、プラズマ容器１００も、支持部材１１２を介して、基台１１０上に固定されている。このように、プラズマ容器１００とフィラメント１０２を別々に基台１０８上に固定するのは、フィラメント１０２とプラズマ容器１００とが接触して導通することを防止するためである。
また、フィラメント１０２がプラズマ容器１００の貫通孔を通る部分には絶縁材は設けられない。これは以下の理由による。すなわち、プラズマ容器１００の内壁面、フィラメント１０２あるいはプラズマ容器１００の周辺の部材には、導電性膜が堆積しやすく、プラズマ容器（アノード）１００の貫通孔を通るフィラメント（カソード）１０２の周りに絶縁材を設けた場合、上記絶縁材の表面を導電性膜が覆い、フィラメント１０２とプラズマ容器１００とが導通する可能性があるからである。

図８に示すように、一対のフィラメントクランプ１０６，１０６は、フィラメントクランプ１０６，１０６の間隔がフィラメント１０２の貫通孔から遠ざかるにつれてハの字状に広がるように設けられている。これは設計上の制限によるものである。このような状態で、フィラメント１０２は、２０００℃以上に通電し加熱される。この通電による加熱により、フィラメントクランプ１０６も熱伝導や抵抗損失により加熱され、フィラメントクランプ１０６はその長手方向に沿って熱膨張する。このため、フィラメントクランプ１０６で保持されるフィラメント１０２は、フィラメント１０６，１０６の間隔の方向に応力を受けることになる。例えば、フィラメントクランプ１０６が１００ｍｍ長のモリブデンで構成されているとき、１０００℃の温度上昇で０．６ｍｍ熱膨張する。この熱膨張の分が、フィラメント１０２への応力となる。例えば、図９に示されるフィラメントクランプ１０６，１０６の成す角度が３０度の場合、フィラメント１０２は、略０．３ｍｍ、フィラメント１０２の幅を押し狭めようとする圧縮応力を受ける。

このような圧縮応力によりフィラメント１０２は弾性変形をするが、高温クリープにより高温に加熱される部分が集中的に大きく変形する。イオン源の稼動が終了し通電加熱が終わり常温まで冷え、さらに、フィラメントクランプ１０６が冷えると、フィラメント１０２は、今度、引っ張り応力を受ける。フィラメント１０２の材質として、タングステンを用いることが多く、この場合、フィラメント１０２の高温に加熱される部分には結晶粒が大きく成長して脆弱化する。この脆弱化された部分は、上記応力によって、容易に破断し、あるいは、変形等を起こし、その結果、フィラメントの熱電子の供給機能を果たさなくなる場合が多い。

下記特許文献１には、イオン注入機に用いるためのイオン源が記載されている。当該イオン源は、フィラメントを保持するアーム（フィラメントクランプ）を単一の部材に固定した後、イオン源の基台に相当する場所に固定するように構成されている。

特開１０−１９９４３０号公報

しかし、上記イオン源では、フィラメントを保持するアームおよびアームを固定する単一の部材について、フィラメントの加熱によって生じる熱膨張を考慮した固定方法等を開示していない。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、イオン源において、フィラメントを保持するフィラメント保持具の熱膨張により、フィラメントが受ける応力を緩和、抑制し、これによって、フィラメントの破断や変形によるフィラメントの機能不全を予防することのできるイオン源を提供することを目的とする。

上記目的は、イオンビームを生成するためにプラズマを生成する、以下のイオン源により達成することができる。
すなわち、イオン源は、
（Ａ）プラズマを生成するための壁面に覆われて内部空間を形成するプラズマ容器と、
（Ｂ）前記プラズマ容器に設けられた一対の貫通孔を通して前記内部空間に設けられ、通電加熱されて熱電子を放出する、中間部が折り返された線状のフィラメントと、
（Ｃ）前記プラズマ容器の外側に設けられ、前記一対の貫通孔を通した前記フィラメントの両端を保持するための棒状の把持部分を有する一対のフィラメント保持具と、
（Ｄ）前記一対のフィラメント保持具のそれぞれを支持固定するための基台と、
前記一対のフィラメント保持具のそれぞれと前記基台との間を介在して接続する介在部材と、を有する。
このとき、
（Ｅ）前記一対のフィラメント保持具それぞれと前記介在部材とが接続される第１の接続位置から、前記一対のフィラメント保持具それぞれの前記フィラメントの保持位置に至る第１の方向を定め、さらに、前記介在部材と前記基台が接続される第２の接続位置から、前記第１の接続位置に至る第２の方向を定め、前記一対の貫通孔を前記内部空間からみて、前記一対の貫通孔の壁面上の開口部を結ぶ線分を略垂直二等分する第１の面を定めたとき、前記第２の接続位置は、前記第１の面で分割される２つの側のうち、前記第１の接続位置のある側にあり、前記第２の方向を前記第１の方向に射影した成分は、前記第１の方向と反対の向きを向いている。

より具体的には、以下のように設定される。
前記一対のフィラメント保持具の前記棒状の把持部分は、前記棒状の把持部分の間隔が前記貫通孔から遠ざかるにつれてハの字状に広がるように設けられ、前記第２の接続位置は、前記第１の接続位置に比べて、前記第１の面に近い。
このとき、前記第２の接続位置の前記第１の面までの距離は、前記第１の接続位置の前記第１の面までの距離の０％以上４０％以下であることが好ましい。

また、具体的には、以下のように設定される。
前記一対の貫通孔を前記内部空間からみて、前記一対の貫通孔の壁面上の開口部間を結ぶ線分に略平行であって、前記第１の面に直交し、前記第１の接続位置を通る、第２の面を仮想したとき、前記第２の接続位置は、前記第２の面で２等分される２つの領域のうち、前記フィラメントの保持位置のある側に設けられている。

なお、前記一対のフィラメント保持具は、タングステン、モリブデン、およびタンタルの中から選択された金属を主成分とする合金からなり、前記介在部材は、ステンレス合金またはアルミニウム合金からなることが好ましい。

また、前記プラズマ容器の壁面には、イオンビームを引き出すスリット開口が設けられ、このスリット開口の壁面は、前記フィラメントを通す前記一対の貫通孔が設けられる壁面に対して対向する、イオン源の構成となっている。

前記介在部材は、前記一対のフィラメント保持具を別々に前記基台に接続する一対の部材であってもよいし、また、前記一対のフィラメント保持具を共通して前記基台に接続する１つの部材であってもよい。

上述のイオン源では、介在部材と基台が接続される第２の接続位置は、前記第１の面で分割される２つの側のうち、前記第１の接続位置のある側にあり、前記第２の方向を前記第１の方向に射影した成分は、前記第１の方向と反対の向きを向いている。このため、フィラメントを保持するフィラメント保持具の熱膨張によりフィラメントが受ける応力を緩和および抑制し、これによって、フィラメントの破断や変形によるフィラメントの機能不全を予防することすることができる。

以下、本発明のイオン源について、好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のイオン源の一実施形態であるイオン源１の、プラズマ生成部分を説明する図である。イオン源１は、均一、あるいは所望の電流密度分布を有するイオンビームを生成し、処理対象基板に不純物質を注入するイオン注入装置の一部として用いられる。
イオン源１は、プラズマ容器１０と、フィラメント１２と、スリット開口１４と、磁極２４，２６と、リペラー３０と、電極３８，４０と、各種電源３２，３４，４２，４４を、有する。この他に、後述するように、イオン源１は、プラズマ容器１０やフィラメント１２を固定支持するための各部材を有する（図２参照）。

プラズマ容器１０は、略閉塞した細長い内部空間にてプラズマＰを生成するとともに、プラズマＰをスリット開口１４から細長い形状として引き出してイオンビームＢを生成する細長い容器である。プラズマ容器１０の少なくとも内壁面は、導体で構成されている。例えば、プラズマ容器１０自体が導体材料で構成される。あるいは、プラズマ容器１０が主に絶縁材料で構成され、その内部空間に面する内壁面が導体膜で覆われて構成される。
プラズマ容器１０内の圧力は、図示されない原料ガス供給部より、ガス供給孔を通してガスＧが供給されることにより直接的に調整される。さらに、プラズマ容器１０を内包する図示されない真空容器と排気装置を用いて間接的に調整され、一定の圧力に保たれる。

フィラメント１２およびリペラー３０は、プラズマ容器１０の内部空間に設けられている。リペラー３０は、細長い内部空間を備えるプラズマ容器１０の内部空間の長手方向の両端に設けられている。フィラメント１２は、一方のリペラー３０の前面に設けられている。
プラズマ容器１０とリペラー３０は、プラズマＰより隔離された位置において、図示されない絶縁材により固定されている。しかも、リペラー３０は、フィラメント１２と一定の空間を保って接触せず、電気的に絶縁されている。プラズマ容器１０およびフィラメント１２は、後述する基台２０に支持固定されている。

磁極２４，２６は、プラズマ容器１０の細長い内部空間の長手方向に沿って略平行な静磁場を形成するように、すなわち、２つのリペラー３０を結び直線に略平行な磁力線が生じるように設けられている。

フィラメント１２は、断面が略円形状の線状の線材からなり、通電加熱により熱電子を放出する部分である。フィラメント１２は、その中間部で５４０度回転するように巻かれて折り返されている。この折り返されている中間部がプラズマ容器１０の内部空間に突出するように設けられている。フィラメント１２の両端近傍は、略平衡に延材しており、両端は、プラズマ容器１０の内壁面に設けられた一対の貫通孔を通して、プラズマ容器１０の外側に伸びるように設けられている。
このようなフィラメント１２は、直線状の線材を曲げ加工して製作される。上記形状のフィラメント１２の製作方法は安価に製作できる点で有効である。フィラメント１２は、プラズマＰに晒されて磨耗し細くなって破断されるため、イオン源の運用寿命を長くするために太くするが、曲げ加工を容易にする点では３ｍｍ程度より細くするのが好ましい。従来より知られている中間部分を折り返して巻き、さらに、巻き込んだ部分を直角に折り曲げるフィラメント構造（線材の回転方向が２方向ある構造）は複雑であるため、コンパクトに製作することは難しい。フィラメント１２は、５４０度回転するように巻かれて折り返された単純な構造であるが、それでも寸法精度は粗い。このため、フィラメント１２は、正確な位置に設置し、フィラメントクランプ１６により両端を正確な位置で固定支持することは難しい。したがって、製品差異として微妙に寸法が異なるフィラメント１２に応じて自在に取り付け位置を微調整して取り付けられることが必要である。このため、後述するように、図２に示すようなフィラメントクランプ１６を用いてフィラメント１２の取り付け位置を微調整できる構成になっている。

プラズマ容器１０の外側のフィラメント１２の両端には、フィラメント電源３２が接続されている。このフィラメント電源３２では、フィラメント１２を通電し加熱して、フィラメント１２から熱電子を放出するようにフィラメント電源３２が調整される。フィラメント電源３２の正極には、フィラメント１２の近傍に位置する一方のリペラー３０が接続されている。この接続により、フィラメント１２の一端と上記一方のリペラー３０とが同電位になっている。フィラメント電源３２の負極には、アーク電源３４の負極が接続され、その正極は、プラズマ容器１０の少なくとも内壁面に形成される導体に接続されている。

フィラメント１２から放出された熱電子は、フィラメント１２の近傍に位置する一方のリペラー３０とフィラメント１２の電位差で、プラズマ容器１０の中心へ加速され。さらに、アーク電源３４の電位差により、プラズマ容器１０の内壁面に向けて加速される。しかし、磁極２４，２６による静磁場の作用により、熱電子は螺旋運動を開始し、両側のリペラー３０間を往復する。
螺旋運動を行う熱電子はガスＧの分子に衝突する。これにより、ガスＧが電離し、電離したイオンと熱電子が更に、フィラメント１２及びリペラー３０とプラズマ容器１０内の電場により加速される。これにより、プラズマＰが生成され維持される。

プラズマ容器１０の面３６には、スリット開口１４があり、面３６に対向するように、プラズマ容器１０の外側に電極３８，４０が設けられている。電極３８，４０は、スリット開口１４の形状と関連した形状の開口を有する。電極３８は電源４２の負極に接続され、電極４０は、電源４２の正極に接続されている。電源４２の正極は接地端子に接続され、電位ゼロに固定されている。電源４４の負極は、電源４２の正極と接続され、電源４４の正極はプラズマ容器１０に接続されている。プラズマ容器１０の面３６と電極３８との電位差により、スリット開口１４近辺に電位勾配が生じ、この電位勾配により、プラズマＰよりイオンが分離され、さらに、引き出されてイオンビームＢが生成される。

このようなイオン源１では、プラズマ容器１０は高温のプラズマＰと接するため、上述したように、プラズマ容器１０近傍にある、後述するフィラメントクランプ１６も高温になり、熱膨張してフィラメント１２に対して応力を与ええようとする。しかし、後述するように緩和部材（介在部材）１９を設けることにより、フィラメント１２の受ける応力を緩和し抑制する。これにより、フィラメント１２の破断を抑制する。また、フィラメント１２の製品間のばらつきに起因した微調整ができ、かつ熱応力も小さくなるので、製作費用の削減等を達成することができる。

図２は、イオン源１を構成する、プラズマ容器１０の外側の各部分の構成を説明する図である。図３は、イオン源１のフィラメント１２とプラズマ容器１０を固定支持する構造を示す図である。図４は、フィラメントクランプ１６と緩和部材１９との間の接続位置Ａと、緩和部材１９と基台２０との間の接続位置Ｄの位置関係を説明する図である。図５（ａ）は、図３に示す構造の平面図であり、図５（ｂ）は、その正面図である。

イオン源１は、プラズマ容器１０の外側に、磁極２４，２６の他に、フィラメントクランプ（フィラメント保持具）１６と、絶縁材１８と、緩和部材（介在部材）１９と、基台２０と、支持部材２２と、を有する。
フィラメントクランプ１６は、絶縁部材１８を介して緩和部材１９とボルト等により固定することで接続され、緩和部材１９は、基台２０とボルト等により固定することで接続される。
フィラメントクランプ１６は、導電性部材で構成された、フィラメント１２の両端を保持する一対のクランプ部材である。フィラメントクランプ１６は、プラズマ容器１０の壁面に設けられた一対の貫通孔を通してプラズマ容器１０の外側に出たフィラメント１２の両端を保持する棒状の把持部分を備える。この棒状の把持部分は、ハの字状を成し、フィラメント１２が通る一対の貫通孔から遠ざかるにつれて、棒状の把持部分の間隔が広がるようになっている。フィラメントクランプ１６は、絶縁材１８および緩和部材１９を介して基台２０に固定されている。

絶縁材１８は、フィラメント１２およびフィラメントクランプ１６と、基台２０とが電気的に導通しないように設けられた部材である。絶縁材１８は、一対のフィラメントクランプ１６それぞれと緩和部材１９との間の２つの接続位置に、フィラメントクランプ１６と緩和部材１９との間に挟まれるように設けられている。
緩和部材１９は、フィラメントクランプ１６の加熱によりフィラメントクランプ１６が膨張してフィラメント１２が受けようとする応力を、緩和部材１９自らの膨張により緩和し抑制するように機能する金属製材料からなる部材である。このように、緩和部材１９が、フィラメント１２に作用する応力を緩和し抑制するように機能するために、フィラメントクランプ１６と緩和部材１９との接続位置に対して、緩和部材１９と基台２０との接続位置がオフセットされている。この点は後ほど詳述する。
基台２０は、図示されない真空容器とプラズマ容器１０とに接し、主として、電極３８，４０およびプラズマ容器１０の面３６の相対的位置関係を正確に保つために用いられる。

なお、プラズマ容器１０を基台２０に対してしっかり固定支持するのは、イオンビームＢを生成するのに、電極３８，４０に対するプラズマ容器１０の相対位置を厳密に調整し固定するためである。電極３８，４０は、図示されない真空容器および基台２０を介して固定される。スリット開口１４が設けられる壁面は、フィラメント１２が通る一対の貫通孔を備える壁面に対向した位置にある。なお、図２では、プラズマ容器１０の側面を大きく切り欠いた開口を示しているが、この切り欠いた開口は、プラズマ容器１０の内部構造をわかり易く示すためのものであり、実際、プラズマ容器１０には切り欠いた開口は存在しない。

図３に示すように、一対のフィラメントクランプ１６は、それぞれフィラメント１２の把持部分が二股に分かれた棒形状を成しており、この把持部分が、フィラメント１２の両端を、弾性変形を利用して別々に挟持して保持する。フィラメント１２は、通電加熱により２０００℃以上の高温になる。フィラメントクランプ１６は、高温状態のフィラメント１２と直接接触するので、耐熱性の点から、タングステン、モリブデン、およびタンタルの中から選択された金属を主成分とする合金からなる。主成分とは、重量％が５０％を越す成分をいう。一般にこれらの合金は破断し易いため、二股に分かれた棒状の把持部分は十分に長いことが必要である。

また、断面が円形状のフィラメント１２の両端は、フィラメントクランプ１６により接触部分を大きく確保するために、フィラメント１２の伸びる方向に対して直交する方向からフィラメント１２をフィラメントクランプ１６にて挟持するように構成されている。
なお、フィラメント１２の個別の寸法差異に応じて、フィラメント１２を弾性変形させて強引に設置すると、フィラメント１２は応力を受けた状態で加熱されるため、高温クリープによる変形を起こし、フィラメント１２の機能を発揮しない場合がある。このため、上述したように、フィラメントクランプ１６は、一対の貫通孔を通ってプラズマ容器１０の外側に出たフィラメント１２の両端の位置の微調整をした後固定される。したがって、フィラメントクランプ１６を上記微調整後容易に固定できるようにするために、緩和部材１９とフィラメントクランプ１６とをボルトで固定し接続する接続位置は、図３に示すようにフィラメント１２が通る一対の貫通孔の設けられるプラズマ容器１０の壁面を正面にみたとき、プラズマ容器１０の幅の外側に来るように設けられている。

ところで、フィラメントクランプ１６と緩和部材（介在部材）１９との接続位置と、緩和部材１９と基台１９との接続位置は、以下に示すような位置関係に設定されている。
すなわち、図４に示すように、一対のフィラメントクランプ１６それぞれと緩和部材１９とが接続される接続位置Ａから、一対のフィラメントクランプ１６それぞれのフィラメント１２の保持位置Ｇに至る方向Ｘを定め、さらに、緩和部材１９と基台２０が接続される接続位置Ｄから接続位置Ａに至る方向Ｙを定めたとき、Ｙ方向をＸ方向に射影したＹ方向の成分は、Ｘ方向と反対の向きを向いている。一対のフィラメント１６のそれぞれが上記接続位置の位置関係を備えている。なお、接続位置は、接続される地点が２箇所ある場合、その中間位置が定められる。このように、接続位置Ａ及び接続位置Ｄの位置関係を定めるのは、フィラメントクランプ１６上のフィラメント１２の保持位置におけるＸ方向の変位を緩和、抑制することにより、フィラメント１２が受ける熱膨張による応力を緩和させるためである。すなわち、フィラメントクランプ１６の棒状の把持部分が、接続位置Ａを始点とした熱膨張によりＸ方向に伸びても、接続位置Ｄを中心として、緩和部材１９も熱膨張によりＹ方向に伸びるので、フィラメント１２の保持位置におけるＸ方向の変位を緩和、抑制する。

より具体的に説明すると、一対のフィラメントクランプ１６の棒状の把持部分は、棒状の把持部分の間隔が、フィラメント１２が通る貫通孔から遠ざかるにつれてハの字状に広がるように設けられている。さらに、フィラメント１２が通る一対の貫通孔をプラズマ容器１０の内部空間からみて、一対の貫通孔の壁面上の開口部を結ぶ線分を略垂直二等分する面Ｂを仮想する。このとき、接続位置Ｄは、面Ｂで分割される２つの側のうち、接続位置Ａのある側にあり、しかも、接続位置Ａに比べて面Ｂに近くなっている。

このような構成により、フィラメントクランプ１６の熱膨張によりフィラメント１２が受ける応力の、面Ｂに対して直交する方向の成分は、緩和部材１９の熱膨張による伸びによって緩和されることができる。
接続位置Ｄの面Ｂまでの距離は、接続位置Ａの面Ｂまでの距離の０％以上４０％以下である。すなわち、接続位置Ａを通る面Ｂに平行な面Ｃを想定したとき、接続位置Ｄから面Ｃまでの距離は、面Ｂおよび面Ｃの間の距離の６０〜１００％である。フィラメントクランプ１６と緩和部材１９との間にある絶縁材１８の熱伝導率が高く、緩和部材１９の温度が高い場合、逆にクランプ１６の温度は下がるため、上記範囲のうち緩和効果の小さい下限近くの６０％程度であることが好ましい。フィラメント１２の加熱が強く、イオンビームの電流量を多く設定する場合には、上記上限範囲のうち上限近くの１００％程度とするのが好ましい。

また、図４に示すように、フィラメント１２が通る一対の貫通孔を、プラズマ容器１０の内部空間から見て、一対の貫通孔の壁面上の開口部の間を結ぶ線分に略平行であって、この線分を垂直二等分する面Ｂに直交し、接続位置Ａを通る面Ｅを仮想する。このとき、接続位置Ｄは、面Ｅで２等分される２つの領域のうち、フィラメント１２の保持位置Ｇのある側に設けられている。
このような構成により、フィラメントクランプ１６が熱膨張することによるフィラメント１２の両端の位置での変位の、面Ｅに直交する方向の成分は、緩和部材１９の熱膨張による伸びによって緩和することができる。すなわち、一対のフィラメントクランプ１６のそれぞれ保持位置Ｇにおける変位を抑制し、フィラメント１６の両端の膨張による変位の差異を小さくするので、フィラメント１２が受ける、面Ｅに直交する方向の変位を小さくすることができる。

フィラメント１２の通電加熱により生じる熱は、フィラメントクランプ１６を通り、絶縁材１８、緩和部材１９および基台２０へと伝導して外部へ移動する。したがって、緩和部材１９はフィラメントクランプ１６よりも温度は低い。このため、フィラメントクランプ１６の熱膨張による伸びを緩和部材１９が効果的に吸収し、フィラメント１２が受ける応力を抑制するためには、緩和部材１９の材料として熱膨張の大きなステンレス合金あるいはアルミニウム合金を用いることが好ましい。

図６は、図３に示す実施形態と異なる他の実施形態を示す図である。
図６中、図３に示す実施形態と同じ部材については同じ番号を付している。同じ番号を付した部材は同じ機能を有する。
図６中、図３に示す実施形態と異なる部材は、フィラメントクランプ４６と、絶縁材４８である。絶縁材４８は、絶縁材１８と同じように、フィラメント１２およびフィラメントクランプ１６と、基台２０とが電気的に導通しないように設けられた部材であり、絶縁材１８に比べて大型化している。プラズマ容器の周りに設けられる各部材には、プラズマＰの生成に伴って導電性膜が堆積し易いが、絶縁材４８のように大型化することにより、絶縁材４８の絶縁材としての機能低下を防止でき、より長時間絶縁材としての機能を維持することができる。さらに、絶縁材４８の表面をより効果的に覆うために、フィラメントクランプ４６の基部を大きく設けている。この実施形態のように、大型の絶縁材４８を使用し、一対のフィラメントクランプ４６間の成す角度を大きくしても、緩和部材１９を用いるので、フィラメント１２が受ける熱膨張による応力を抑制することができる。

図３及び図６に示す実施形態の緩和部材１９は、一対のフィラメントクランプ１６の両方に対応してそれぞれ設けられたが、イオン源１では、一対のフィラメントクランプ１６のいずれか一方のフィラメントクランプ１６に対応して緩和部材１９が１つ設けられても、従来に比べて、フィラメント１２が受ける応力を緩和し、あるいは抑制することができる。

図７は、図３および図６に示す実施形態とは異なる他の実施形態を示す図である。
図７に示す実施形態では、図３に示す実施形態と同じ部材については同じ番号を付している。同じ番号を付した部材は同じ機能を有する。
図７中、図３に示す実施形態と異なる部材は、緩和部材５９である。図３に示す実施形態における緩和部材１９は、一対のフィラメントクランプ１６のそれぞれに設けられたものであるが、図７に示す実施形態の緩和部材５９は、一対のフィラメントクランプ１６に共通して基台２０に接続する１つの部材である。この緩和部材５９であっても、接続位置Ａと接続位置Ｄが、図４に関して説明したような位置関係にあれば、フィラメントクランプ１６の熱膨張により、フィラメント１２が受ける応力を緩和し、抑制することができる。

以上、本発明のイオン源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。

本発明のイオン源の一実施形態のプラズマ生成部分を説明する図である。 図１に示すイオン源を構成する、プラズマ容器の外側の各部分の構成を説明する図である。 図１に示すイオン源のフィラメントとプラズマ容器を固定支持する構造を示す図である。 図３に示すフィラメントクランプと緩和部材との間の接続位置Ａと、緩和部材と基台との間の接続位置Ｄの位置関係を示す図である。 （ａ）は、図３に示す構造の平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図３に示す実施形態と異なる他の実施形態を示す図である。 図３および図６に示す実施形態と異なる他の実施形態を示す図である。 従来のイオン源の全体を示す斜視図である。 図８に示す従来のイオン源のフィラメントクランプの配置を説明する図である。 図８に示す従来のイオン源のプラズマ容器の分解斜視図である。

符号の説明

１ イオン源
１０，１００ プラズマ容器
１２，１０２ フィラメント
１４，１０４ スリット開口
１６，４６，１０６ フィラメントクランプ
１８，４８，１０８ 絶縁材
１９，５９ 緩和部材
２０，１１０ 基台
２２，１１２ 支持部材
２４，２６，１１４，１１６ 磁極
３２ フィラメント電源
３４ アーク電源
３６ 面
３８，４０ 電極
４２，４４ 電源
１１６，１１７，１１８，１１９ 板部材

Claims (8)

1. イオンビームを生成するためにプラズマを生成するイオン源であって、
   プラズマを生成するための壁面に覆われて内部空間を形成するプラズマ容器と、
   前記プラズマ容器に設けられた一対の貫通孔を通して前記内部空間に設けられ、通電加熱されて熱電子を放出する、中間部が折り返された線状のフィラメントと、
   前記プラズマ容器の外側に設けられ、前記一対の貫通孔を通した前記フィラメントの両端を保持するための棒状の把持部分を有する一対のフィラメント保持具と、
   前記一対のフィラメント保持具のそれぞれを支持固定するための基台と、
   前記一対のフィラメント保持具のそれぞれと前記基台との間を介在して接続する介在部材と、を有し、
   前記一対のフィラメント保持具それぞれと前記介在部材とが接続される第１の接続位置から、前記一対のフィラメント保持具それぞれの前記フィラメントの保持位置に至る第１の方向を定め、さらに、前記介在部材と前記基台が接続される第２の接続位置から、前記第１の接続位置に至る第２の方向を定め、前記一対の貫通孔を前記内部空間からみて、前記一対の貫通孔の壁面上の開口部を結ぶ線分を略垂直二等分する第１の面を定めたとき、前記第２の接続位置は、前記第１の面で分割される２つの側のうち、前記第１の接続位置のある側にあり、前記第２の方向を前記第１の方向に射影した前記第２の方向の成分は、前記第１の方向と反対の向きを向いていることを特徴とするイオン源。
2. 前記一対のフィラメント保持具の前記棒状の把持部分は、前記棒状の把持部分の間隔が前記貫通孔から遠ざかるにつれてハの字状に広がるように設けられ、
   前記第２の接続位置は、前記第１の接続位置に比べて、前記第１の面に近い請求項１に記載のイオン源。
3. 前記第２の接続位置の前記第１の面までの距離は、前記第１の接続位置の前記第１の面までの距離の０％以上４０％以下である請求項２に記載のイオン源。
4. 前記一対の貫通孔を前記内部空間からみて、前記一対の貫通孔の壁面上の開口部間を結ぶ線分に略平行であって、前記第１の面に直交し、前記第１の接続位置を通る、第２の面を仮想したとき、
   前記第２の接続位置は、前記第２の面で２等分される２つの領域のうち、前記フィラメントの保持位置のある側に設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン源。
5. 前記一対のフィラメント保持具は、タングステン、モリブデン、およびタンタルの中から選択された金属を主成分とする合金からなり、
   前記介在部材は、ステンレス合金またはアルミニウム合金からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン源。
6. 前記プラズマ容器の壁面には、イオンビームを引き出すスリット開口が設けられ、このスリット開口の壁面は、前記フィラメントを通す前記一対の貫通孔が設けられる壁面に対して対向する位置にある請求項１〜５のいずれか１項に記載のイオン源。
7. 前記介在部材は、前記一対のフィラメント保持具を別々に前記基台に接続する一対の部材である請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオン源。
8. 前記介在部材は、前記一対のフィラメント保持具を共通して前記基台に接続する１つの部材である請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオン源。