JP2010153096A - Ion gun and ion beam extraction method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はイオンガンに関し、特に、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおけるイオンビームの引出し方法に関する。 The present invention relates to an ion gun, and more particularly, to an ion beam extraction method in an ion gun in which a plurality of ion beam extraction holes are aligned.
イオンガンは一般に圧電素子の周波数調整装置等に使用され、その原理として、イオンガン内部にプラズマを生成し、そのプラズマにビーム出射方向の磁場を与えつつプラズマからイオンを引き出して加速し、それによってイオンビームが形成される。
特許文献1には、複数のイオンビーム引出し孔が配置され、対応する電流密度ピークを持つイオンビームを出射するイオンガンが開示されている。
An ion gun is generally used for a frequency adjustment device of a piezoelectric element. As a principle, an ion gun generates plasma inside the ion gun, and accelerates by extracting ions from the plasma while applying a magnetic field in the beam emission direction to the plasma. Is formed.
図1において、イオンガンは一対のフィラメント電極間に架設されたフィラメント(カソード)10、フィラメント10に平行な長手方向を有する環状のアノード20、複数のイオンビーム引出し孔31を有するグリッド30、並びにフィラメント10及びアノード20を内部に密閉するとともに複数のイオンビーム引出し孔31を露出させる本体40からなる。カソード10とアノード20がプラズマ生成手段を構成し、それぞれの電源(不図示)に接続されている。また、本体40は放電ガスを導入するためのガス導入口41を備える。
In FIG. 1, the ion gun includes a filament (cathode) 10 installed between a pair of filament electrodes, an
図11A及び11Bは従来技術におけるアノード20周辺の側面図及び上面図である。
図11Bに示すように、グリッド30は、アノード20の周縁で画定される領域にx軸方向に配列される複数のイオンビーム引出し孔31を有する。
11A and 11B are a side view and a top view around the
As shown in FIG. 11B, the
イオンガンの動作について、まず、ガス導入口41からアルゴン等の放電ガスが本体40の内部に導入される。フィラメント10に負電圧、アノード20に正電圧がそれぞれ印加され、その電位差によって放電が行なわれてプラズマが生成される。グリッド30に図示しない電源から電圧が印加されると、複数のイオンビーム引出し孔31によってプラズマからイオンが引き出され加速され、イオンビームが形成される。
Regarding the operation of the ion gun, first, a discharge gas such as argon is introduced into the
図11A及び11Bに示すように、イオンビーム引出し孔31の周囲には、S極をz軸正方向(イオンビーム出射方向)に、N極をz軸負方向に向けた複数の第1の磁石50が配置されている。この第1の磁石50によって、イオンビーム引出し孔31におけるz軸正方向の磁場を形成し、プラズマ密度を高めている。
As shown in FIGS. 11A and 11B, around the ion
図11Cは上述したイオンガンの磁場分布を示すものである。
図11Dはこの構成における、グリッド面から25mmの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図示するように、各ピークはイオンビーム引出し孔31に対応し、中心付近の電流密度ピークに対して端部側の電流密度ピークが大きく減少してしまう。このように、図11A及び11Bの構成にはイオンビーム電流密度が不均一なものとなってしまうという問題があった。
FIG. 11C shows the magnetic field distribution of the ion gun described above.
FIG. 11D shows the current density of the ion beam at a
この問題の詳細を以下に説明する。
処理基板側において均一なイオン電流密度分布を得るには、イオンビームの射出に寄与する引き出し孔付近におけるプラズマ密度が均一である必要がある。図1のような構成を持つイオンガンの場合、フィラメント端部の放熱により凸型の(即ち、中心部から外側に向かって温度が低い)温度分布が形成されプラズマ生成のおよび持続に必要な電子がアノードの端部に向かうにつれて不足する。
その結果、プラズマ密度は図12の曲線aで示すように、相対的にアノード中心のプラズマ密度が高く端部に近づくにつれて低くなる傾向にある。この傾向は、イオンビームの射出に寄与する引き出し孔の領域に限定した場合においても同様のことが言え、図11Dのように中心付近の電流密度ピークに対して端部の電流密度が低くなってしまう。
Details of this problem will be described below.
In order to obtain a uniform ion current density distribution on the processing substrate side, the plasma density in the vicinity of the extraction hole contributing to the emission of the ion beam needs to be uniform. In the case of the ion gun having the configuration as shown in FIG. 1, a convex temperature distribution (that is, the temperature is low from the center toward the outside) is formed by the heat radiation of the filament end, and electrons necessary for plasma generation and sustaining are generated. Insufficient toward the end of the anode.
As a result, as shown by curve a in FIG. 12, the plasma density at the anode center is relatively high and tends to decrease as it approaches the end. This tendency is the same even when the region is limited to the region of the extraction hole that contributes to the emission of the ion beam, and the current density at the end becomes lower than the current density peak near the center as shown in FIG. 11D. End up.
上記のような問題に対して、特許文献2には、複数のフィラメントを長手方向に配置し、それぞれのフィラメントを各電源で個別制御する構成が開示されている。この構成は、複数のフィラメントのうちの端部側のフィラメントにより多くの電力を消費させ、対応する端部側のイオンビームの電流密度を増大させるものである。
しかし、特許文献2のような構成によると、イオンビーム端部の電流密度を増加させて電流密度の均一化を図るには端部側のフィラメントに通電する電力を大幅に増加させる必要があり、消費電力が増大し好ましくない。また、複数の電源を複数のフィラメントに応じて設置しなければならず、イオンガンの構成が複雑化・大型化するとともに、高コストなものとなってしまうという問題があった。
そこで、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、端部側のイオンビームの電流密度が小さくなってしまうという問題を、フィラメントへの電力供給態様を変えずに解決することが望ましい。
However, according to the configuration as in
Therefore, it is desirable to solve the problem that the current density of the ion beam on the end side becomes small in an ion gun in which a plurality of ion beam extraction holes are aligned without changing the power supply mode to the filament.
本発明の第1の側面は、カソード及びアノードからなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッドを備えたイオンガンにおいて、グリッドが長手方向に複数又は一連のイオンビーム引出し孔を有し、複数又は一連のイオンビーム引出し孔の中心部を原点として、長手方向をx軸方向、イオンビーム出射方向をz軸正方向として、複数又は一連のイオンビーム引出し孔の周辺に配置され、複数又は一連のイオンビーム引出し孔にz軸正方向の磁場を与える第1の磁石、及び複数又は一連のイオンビーム引出し孔の端部に配置され、端部付近にx軸原点方向の磁場を与える第2の磁石をさらに備えたイオンガンである。 According to a first aspect of the present invention, in an ion gun comprising a plasma generating means comprising a cathode and an anode and a grid for extracting an ion beam from the plasma, the grid has a plurality or a series of ion beam extraction holes in the longitudinal direction. A plurality of or a series of ions are arranged around a plurality of or a series of ion beam extraction holes, with the center of the series of ion beam extraction holes as the origin, the longitudinal direction as the x-axis direction, and the ion beam emission direction as the z-axis positive direction. A first magnet that applies a magnetic field in the z-axis positive direction to the beam extraction hole, and a second magnet that is disposed at an end of the plurality or series of ion beam extraction holes and applies a magnetic field in the x-axis origin direction near the end. Furthermore, it is an ion gun.
ここで、x軸及びz軸に垂直な軸をy軸として、少なくとも4個の第2の磁石が、複数又は一連のイオンビーム引出し孔を囲むx軸対称位置及びy軸対称位置に配置され、第2の磁石各々が、S極をx軸原点方向に、N極をその逆方向に向けて配置される構成とした。 Here, with the axis perpendicular to the x-axis and the z-axis as the y-axis, at least four second magnets are arranged at the x-axis symmetric position and the y-axis symmetric position surrounding the plurality or series of ion beam extraction holes, Each of the second magnets has a configuration in which the S pole is disposed in the x-axis origin direction and the N pole is directed in the opposite direction.
本発明の第2の側面は、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおけるイオンビームの引出し方法であって、(A)イオンガン内部にプラズマを生成するステップ、及び(B)第1の磁石によって該複数のイオンビーム引出し孔のイオンビーム出射方向(z軸正方向)に磁場を与えるとともに、第2の磁石によって該複数のイオンビーム引出し孔の端部から中心部方向(x軸原点方向)への磁場を与え、該複数のイオンビーム引出し孔が形成されたグリッドに電圧を印加してイオンを引き出し加速するステップからなるイオンビームの引出し方法である。 A second aspect of the present invention is an ion beam extraction method in an ion gun in which a plurality of ion beam extraction holes are aligned, and (A) a step of generating plasma inside the ion gun, and (B) a first magnet. To apply a magnetic field in the ion beam extraction direction (z-axis positive direction) of the plurality of ion beam extraction holes, and to the center portion direction (x-axis origin direction) from the ends of the plurality of ion beam extraction holes by the second magnet. The ion beam extraction method includes a step of applying and applying a voltage to a grid in which the plurality of ion beam extraction holes are formed to extract and accelerate ions.
複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、端部側のイオンビーム電流密度が小さくなってしまうという問題を磁力線の分布の改良によって解決したので、消費電力を増加させずに簡素かつ安価な方法によって効果的にイオンビーム電流密度の均一化を図ることができた。 In the ion gun in which a plurality of ion beam extraction holes are aligned, the problem that the ion beam current density on the end side becomes small has been solved by improving the distribution of magnetic lines of force, so that it is simple and inexpensive without increasing power consumption. The method was able to effectively achieve uniform ion beam current density.
実施例1.
図2A及び2Bに第1の実施例のイオンガンにおけるアノード20周辺の図を示す。なお、本発明のイオンガンにおけるフィラメント(カソード)10、グリッド30、本体40及び第1の磁石50の構成は前述した図1、図11A及び11Bに示したものと同様であるので説明を省略する。
Example 1.
2A and 2B are views around the
図2A及び2Bに示すように、本実施例のイオンガンはさらに4個の第2の磁石60をx軸及びy軸に対称に備える。第2の磁石60の各々は、S極をx軸原点方向に、N極をその逆方向にして配置され、イオンビーム引出し孔31の端部(アノード20の端部)付近にx軸原点方向の磁場を与える。また、説明の便宜上、4個の第2の磁石60を設けたが、8個、12個等とすることもできる。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the ion gun of this embodiment further includes four
図2Cは上述したイオンガンの磁場分布を示すものである。図示するように、第2の磁石60の作用によって複数のイオンビーム引出し孔31の端部付近(x軸±30〜45mm)での磁力線がイオンビーム引出し孔31中央部(x軸原点方向)に向けられ、この内側に向いた磁場は端部付近におけるプラズマ密度を高めイオンビームの引出しに寄与することができる。
FIG. 2C shows the magnetic field distribution of the ion gun described above. As shown in the figure, the magnetic field lines near the ends of the plurality of ion beam extraction holes 31 (x-axis ± 30 to 45 mm) are generated in the center of the ion beam extraction hole 31 (in the x-axis origin direction) by the action of the
ところで、一様な磁場におかれたプラズマ中の電子は、図3(a)に示すように磁力線に沿って螺旋運動を行うことがよく知られている。イオン電流密度分布を均一にする場合、プラズマ密度の分布は図12の線bに示すように引き出し孔の領域のみにおいて均一であればよい。本実施例では、第2の磁石60を図2A及び図2Bのように配置することによって、図3(b)のようにアノード端部の磁力線が内側に向けられ、それに伴い端部の電子が引き出し孔の領域に向けられることで、引き出し孔の領域のプラズマ密度を調整している。
By the way, it is well known that electrons in plasma in a uniform magnetic field spirally move along the lines of magnetic force as shown in FIG. When the ion current density distribution is made uniform, the plasma density distribution should be uniform only in the region of the extraction hole as shown by the line b in FIG. In this embodiment, by arranging the
図2Dは上記構成における、グリッド面から25mmの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図2Dにおいても、電流密度のピークが各イオンビーム引出し孔31に対応している。図11Dと比較して分かるように、イオンビーム端部側の電流密度ピークが中央部の電流密度ピークとほぼ同レベルとなり、イオンビーム電流密度がx軸方向にわたってほぼ均一なものとすることができた。
FIG. 2D shows the current density of the ion beam at a
なお、上記実施例1では第2の磁石60の最も好適な配置を示したが、第2の磁石60はイオンビーム引出し孔31の端部(アノード20の端部)付近のプラズマにx軸原点方向の磁場を与えることができれば他の配置としてもよい。
例えば、図4A及び4Bに示すように、第2の磁石60をグリッド30の外側に配置してもよい。この構成においても同様の作用・効果を奏することができる。
In the first embodiment, the most preferable arrangement of the
For example, as shown in FIGS. 4A and 4B, the
実施例2.
図5A及び5Bに本発明の第2の実施例を示す。実施例1では第2の磁石60に永久磁石を用いたが、本実施例では電磁石を用いる。図5A及び5Bにおいて、第2の磁石60は、磁性材料の芯にコイル(斜線部)が巻かれ、これに電源(不図示)から通電することによって磁力を発生させるものである。なお、本実施例でも第2の磁石60は中心側がS極、他方がN極となっている。
この構成においても、上記実施例1と同様の効果が得られる。
Example 2
5A and 5B show a second embodiment of the present invention. In the first embodiment, a permanent magnet is used as the
Even in this configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
ここで、アノード20について補足する。図6(a)〜(d)はアノードの形状(いずれも上面図)のバリエーションを示すものである。図6(a)は図2Bに示した環状タイプのものであるが、他にも(b)のように長手方向に分割したもの、(c)のようにコの字形のもの、(d)のように幅方向に分割したもの等がある。また、方形に限らず楕円形でもよい。なお、アノード20を設けずに、本体40自体をアノードとしてもよい。
Here, the
また、複数のイオンビーム引出し孔31について補足する。図7(a)〜(e)は複数のイオンビーム引出し孔31のバリエーションを示すものである。このように、図2B(即ち、図7(d))に示すものの他に、イオンビーム31は様々な形態をとり得る。本明細書及び特許請求の範囲で言う「複数のイオンビーム引出し孔」とは上記に例示した全ての態様及びその類似の態様を含む。
Further, a supplementary explanation will be given for the plurality of ion beam extraction holes 31. 7A to 7E show variations of the plurality of ion beam extraction holes 31. FIG. Thus, in addition to what is shown in FIG. 2B (ie, FIG. 7D), the
参考例1.
図8A及び8Bは第2の磁石60について、N極をx軸原点方向に、S極をその逆方向にして配置したものである(図2A及び2Bと極性が逆である)。これによりイオンビーム引出し孔31の端部付近ではx軸外側方向の磁場が与えられる。
図8Cに示すように、第2の磁石60によって複数のイオンビーム引出し孔31の端部付近での磁場がイオンビーム引出し孔31の外側に向けられる。
図8Dに示すように、イオンビーム電流密度はその不均一性が増すばかりか、電流密度が全体的に減殺されてしまう。
Reference Example 1
8A and 8B show the
As shown in FIG. 8C, the magnetic field in the vicinity of the ends of the plurality of ion beam extraction holes 31 is directed to the outside of the ion beam extraction holes 31 by the
As shown in FIG. 8D, the ion beam current density not only increases its non-uniformity, but also reduces the current density as a whole.
参考例2.
図9A及び9Bは第2の磁石60について、S極をz軸正方向に、N極をその逆方向にして配置したものである。これにより、図9Cに示すように、イオンビーム引出し孔31の端部付近ではz軸正方向の磁場が与えられる。この構成の概念(即ち、磁場のベクトルの向きではなく大きさを変える概念)は特許文献2の端部側フィラメントの電力を増大させるものと類似する。
図9Dに示すように、そのイオンビーム電流密度は図11Dのものと比べて全体的に高くなっているものの、その不均一性はほとんど解消されていない。
Reference Example 2
FIGS. 9A and 9B show the
As shown in FIG. 9D, the ion beam current density is generally higher than that of FIG. 11D, but the non-uniformity is hardly eliminated.
上記参考例1及び2より、第2の磁石の配置については、各実施例に示したものが好適であることが分かる。特に、本発明の磁場方向の改善による手法は、特許文献2のような磁場強化による手法よりも、イオンビーム電流分布の不均一解消の効果が高いことが分かる。
From the reference examples 1 and 2, it can be seen that the arrangement of the second magnet is preferably the one shown in each example. In particular, it can be seen that the method of improving the magnetic field direction of the present invention has a higher effect of eliminating the nonuniformity of the ion beam current distribution than the method of magnetic field enhancement as in
実施例3.
上記実施例1及び2では第2の磁石60を固定のものとしたが、本実施例では参考例1及び2を踏まえた上で、その設置角度を可変とするものを示す。
第2の磁石60各々のz軸方向に対する設置角度を可変とし、x軸原点方向への磁場を調整することができる。具体的には、第2の磁石60をz軸方向に対して90°に設置した場合のx軸原点方向の磁場が強すぎる場合は、図10Aに示すように、第2の磁石60のz軸方向に対する角度を90°よりも小さくすればよい。
Example 3 FIG.
In the first and second embodiments, the
The installation angle with respect to the z-axis direction of each of the
これにより、イオンビーム電流密度の特に端部側のピークを調整することができ、電流密度のより厳密な均一化を図ることができる。
なお、4個の第2の磁石60の設置角度が連動するものであってもよいし、x軸対称位置、y軸対称位置又は対角位置にある対が連動するものであってもよいし、4個の設置角度が個々に調整可能なものであってもよい。
As a result, the peak of the ion beam current density, particularly on the end side, can be adjusted, and the current density can be made more strictly uniform.
In addition, the installation angle of the four
ここで、第2の磁石60の設置角度がイオンビーム出射中に外部から調整できるものであればビーム照射中の調整が可能となり、より好適である。
図10Bは、この場合のイオンビーム引出し方法のフローチャートである。
ステップS100において、ガス導入口41からアルゴン等の放電ガスが導入され、フィラメント(カソード)10に負電圧、アノード20に正電圧が印加され、この間の放電によりプラズマが生成される。
ステップS110において、第1の磁石50によってz軸正方向に、第2の磁石60によってx軸原点方向に磁場が与えられている状態で、グリッド30に電圧が印加されてプラズマからイオンが引き出され、加速される。
この時点でイオンビーム電流密度の端部側ピークが中央部ピークよりも高い場合、ステップS120において、第2の磁石60の設置角度が調整され、電流密度ピークの分布が調整される。また、第2の磁石60を電磁石とした場合は、所望の電流密度ピーク分布となるようにコイルに通電する電流を調整してもよい。
なお、各図は必ずしも寸法通りではない。
Here, if the installation angle of the
FIG. 10B is a flowchart of the ion beam extraction method in this case.
In step S100, a discharge gas such as argon is introduced from the
In step S110, a voltage is applied to the
If the peak at the end of the ion beam current density is higher than the central peak at this time, the installation angle of the
In addition, each figure does not necessarily follow a dimension.
10.フィラメント(カソード)
20.アノード
30.グリッド
31.イオンビーム引出し孔
40.本体
41.ガス導入口
50.第1の磁石
60.第2の磁石
10. Filament (cathode)
20.
Claims (3)
該グリッドが長手方向に複数又は一連のイオンビーム引出し孔を有し、
該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の中心部を原点として、該長手方向をx軸方向、イオンビーム出射方向をz軸正方向として、
該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の周辺に配置され、該複数又は一連のイオンビーム引出し孔にz軸正方向の磁場を与える第1の磁石、及び
該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の端部に配置され、該端部付近にx軸原点方向の磁場を与える第2の磁石
をさらに備えたイオンガン。 In an ion gun comprising a plasma generating means comprising a cathode and an anode and a grid for extracting an ion beam from the plasma,
The grid has a plurality or a series of ion beam extraction holes in the longitudinal direction;
With the central portion of the plurality or series of ion beam extraction holes as the origin, the longitudinal direction is the x-axis direction, and the ion beam emission direction is the z-axis positive direction,
A first magnet disposed around the plurality of or a series of ion beam extraction holes and applying a positive magnetic field to the plurality or the series of ion beam extraction holes; and an end of the plurality or the series of ion beam extraction holes An ion gun further comprising a second magnet that is disposed in a portion and that provides a magnetic field in the x-axis origin direction near the end.
少なくとも4個の前記第2の磁石が、前記複数又は一連のイオンビーム引出し孔を囲むx軸対称位置及びy軸対称位置に配置され、該第2の磁石各々が、S極をx軸原点方向に、N極をその逆方向に向けて配置されたイオンガン。 The ion gun according to claim 1, wherein an axis perpendicular to the x-axis and the z-axis is a y-axis.
At least four of the second magnets are disposed at an x-axis symmetric position and a y-axis symmetric position surrounding the plurality or series of ion beam extraction holes, and each of the second magnets has an S pole in the x-axis origin direction. And an ion gun placed with the north pole facing in the opposite direction.
(A)該イオンガン内部にプラズマを生成するステップ、及び
(B)第1の磁石によって該複数のイオンビーム引出し孔のイオンビーム出射方向(z軸正方向)に磁場を与えるとともに、第2の磁石によって該複数のイオンビーム引出し孔の端部から中心部方向(x軸原点方向)への磁場を与え、該複数のイオンビーム引出し孔が形成されたグリッドに電圧を印加してイオンを引き出し加速するステップ
からなるイオンビームの引出し方法。 An ion beam extraction method in an ion gun in which a plurality of ion beam extraction holes are aligned,
(A) generating plasma inside the ion gun; and (B) applying a magnetic field to the ion beam extraction direction (z-axis positive direction) of the plurality of ion beam extraction holes by the first magnet, and a second magnet. By applying a magnetic field from the ends of the plurality of ion beam extraction holes in the central direction (x-axis origin direction) and applying a voltage to the grid in which the plurality of ion beam extraction holes are formed, ions are extracted and accelerated. An ion beam extraction method comprising steps.
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