JP2010267505A - Ion source - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、筒状(中空)の外部導体内に内部導体を配置した同軸構造の熱陰極を備えているイオン源に関する。 The present invention relates to an ion source provided with a hot cathode having a coaxial structure in which an inner conductor is disposed in a cylindrical (hollow) outer conductor.
筒状の外部導体と、その内側に同軸状に配置されている中実(中が詰まっていて中空でないこと)構造の内部導体と、両導体の先端部間を埋めて当該先端部間を電気的に接続する接続導体とを備えている同軸構造の熱陰極を、細長いイオン引出し口を有するプラズマ生成容器内に挿入した構造のイオン源が、例えば特許文献1に記載されている。上記熱陰極に対する加熱電流は、接続導体を通して折り返されて、外部導体と内部導体とで互いに逆向きに流される。 A cylindrical outer conductor, a solid inner conductor that is coaxially disposed inside (not filled and hollow), and the gap between the tips of the two conductors is filled with electricity between the tips. For example, Patent Document 1 discloses an ion source having a structure in which a hot cathode having a coaxial structure provided with a connecting conductor is inserted into a plasma generation container having an elongated ion extraction port. The heating current for the hot cathode is turned back through the connection conductor and flows in the opposite direction between the outer conductor and the inner conductor.
この特許文献1に記載の熱陰極によれば、(a)外部導体と内部導体とが同軸状であり、かつ両導体で加熱電流が互いに逆向きに流されるので、両導体に流れる加熱電流が発生させる磁界が相殺し合い、当該熱陰極全体として見れば、加熱電流を流すことによって発生する磁界を小さく抑えることができるので、熱電子を放出しやすくなる、(b)熱陰極の先端部等の体積を、線材(棒材とも言える)によって形成されている公知のフィラメントに比べて大きくすることができるので、陰極寿命を長くすることができる、等の効果を奏するとされている。 According to the hot cathode described in Patent Document 1, (a) the outer conductor and the inner conductor are coaxial, and the heating currents flow in opposite directions in both conductors. The generated magnetic field cancels each other, and when viewed as a whole of the hot cathode, the magnetic field generated by flowing the heating current can be kept small, so that it is easy to emit thermoelectrons, (b) the tip of the hot cathode, etc. Since the volume can be made larger than that of a known filament formed of a wire (also referred to as a rod), it is said that the cathode life can be increased.
上述した従来のイオン源においては、プラズマ生成容器内への原料ガスの供給は、プラズマ生成容器の壁面であって、熱陰極の先端部を見込む位置から行っている。具体的には、プラズマ生成容器内へ原料ガスを供給するためのガス供給口を、プラズマ生成容器の、イオン引出し口に対向する底面、または当該底面に直交する側面に設けている。 In the conventional ion source described above, the supply of the source gas into the plasma generation container is performed from the position on the wall surface of the plasma generation container where the tip of the hot cathode is expected. Specifically, a gas supply port for supplying a source gas into the plasma generation container is provided on the bottom surface of the plasma generation container facing the ion extraction port or on the side surface orthogonal to the bottom surface.
そのようなイオン源においては、ガス供給口から供給された原料ガスは、プラズマ生成容器内で均一に分布するのではなく、ガス供給口と、排気口を兼ねるイオン引出し口との位置関係によって決まる分布を持つ。簡単に言えば、イオン引出し口付近よりもガス供給口付近の方が濃いというガス分布を持つ。なお、プラズマ生成容器内は一般的にイオン引出し口を通して真空排気されるので、イオン引出し口は上記のように排気口を兼ねている。 In such an ion source, the source gas supplied from the gas supply port is not uniformly distributed in the plasma generation container, but is determined by the positional relationship between the gas supply port and the ion extraction port that also serves as the exhaust port. With distribution. Simply put, it has a gas distribution in which the vicinity of the gas supply port is darker than the vicinity of the ion extraction port. In addition, since the inside of the plasma generation container is generally evacuated through an ion extraction port, the ion extraction port also serves as an exhaust port as described above.
その結果、プラズマ生成容器内においてアーク放電によって生成されるプラズマが、原料ガスの上記分布の影響を受けて、プラズマの軸(プラズマ密度の高い部分を結ぶ軸)がイオン引出し口からずれてしまい、イオンビーム生成効率が低下するという課題がある。なお、この課題に相当する事項は、図6、図7に示す比較例においても説明している。 As a result, the plasma generated by the arc discharge in the plasma generation vessel is affected by the above distribution of the source gas, and the plasma axis (axis connecting the high plasma density portion) is displaced from the ion extraction port. There exists a subject that ion beam production efficiency falls. The matter corresponding to this problem is also described in the comparative examples shown in FIGS.
また、一般的にイオン源における熱陰極の消耗量は、熱陰極部分のガス圧に概ね反比例することが知られている。これは簡単に言えば、所定のアーク電流を実現する場合、ガス圧が低いと熱陰極から放出された熱電子がガス分子に衝突して電子(二次電子)を発生させる割合が小さいので、それを補うために例えば熱陰極の加熱温度を高めて熱陰極から放出させる熱電子そのものの量を多くする等の必要があり、そのために熱陰極の消耗量が大きくなるからである。ところが上述した従来のイオン源においては、ガス圧が最も高い位置はプラズマ生成容器の壁面に設けられたガス供給口付近であって、熱陰極付近ではないので、このようなガス圧分布では上記理由から熱陰極の消耗量が大きくなり、ひいては熱陰極の寿命が短くなる。 Further, it is generally known that the consumption amount of the hot cathode in the ion source is approximately inversely proportional to the gas pressure in the hot cathode portion. To put it simply, when realizing a predetermined arc current, if the gas pressure is low, the rate at which the thermoelectrons emitted from the hot cathode collide with gas molecules to generate electrons (secondary electrons) is small. In order to compensate for this, for example, it is necessary to increase the amount of thermionic electrons emitted from the hot cathode by increasing the heating temperature of the hot cathode, which increases the consumption of the hot cathode. However, in the conventional ion source described above, the position where the gas pressure is highest is in the vicinity of the gas supply port provided on the wall of the plasma generation vessel and not in the vicinity of the hot cathode. Therefore, the consumption amount of the hot cathode is increased, and consequently the life of the hot cathode is shortened.
そこでこの発明は、同軸構造の熱陰極を備えているイオン源において、イオンビーム生成効率の向上および熱陰極の長寿命化を可能にすることを主たる目的としている。 Accordingly, the main object of the present invention is to improve ion beam generation efficiency and extend the life of a hot cathode in an ion source including a hot cathode having a coaxial structure.
この発明に係るイオン源は、XY平面内で互いに直交する2方向をX方向およびY方向とすると、X方向の寸法よりもY方向の寸法が大きいイオン引出し口を有しており、かつ陽極を兼ねているプラズマ生成容器と、加熱電流が流されて前記プラズマ生成容器内に熱電子を放出する熱陰極とを備えているイオン源であって、(a)前記熱陰極は、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されており、(b)前記熱陰極の先端部を含む部分は、前記プラズマ生成容器内に挿入されており、しかもプラズマ生成容器内に位置する部分の熱陰極の中心軸および前記イオン引出し口のY方向に沿う中心軸のXY平面上への正射影が互いに実質的に一直線上に並ぶように挿入されており、(c)更に、前記プラズマ生成容器外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成容器内へ放出させるガス供給手段を備えている、ことを特徴としている。 The ion source according to the present invention has an ion extraction port having a dimension in the Y direction larger than the dimension in the X direction, and two anodes that are orthogonal to each other in the XY plane. An ion source comprising: a plasma generation vessel also serving as a heat cathode that emits a thermoelectron into the plasma generation vessel when a heating current is passed, wherein (a) the hot cathode is a hollow outer conductor And a hollow inner conductor disposed coaxially inside the outer conductor, and between the tip of the inner conductor and the tip of the outer conductor, and electrically between the two tips. An annular connecting conductor to be connected, and the heating current is folded through the connecting conductor, and is configured to flow in the opposite direction between the outer conductor and the inner conductor, and (b) A portion including the tip of the hot cathode The orthogonal projections on the XY plane of the central axis of the hot cathode of the portion inserted in the plasma generation vessel and located in the plasma generation vessel and the central axis along the Y direction of the ion extraction port are substantially the same. (C) Furthermore, a source gas is supplied from a portion outside the plasma generation vessel into the inner conductor of the hot cathode, and the source gas passes through the inner conductor. A gas supply means for discharging from the tip of the inner conductor into the plasma generation container is provided.
このイオン源においては、熱陰極の先端が原料ガス供給口を兼ねており、しかもプラズマ生成容器内に位置する部分の熱陰極とイオン引出し口の上記のような位置関係から、原料ガスはプラズマ生成容器内に、イオン引出し口の背後であってしかもイオン引出し口の長手方向であるY方向に沿って放出されるようになる。従って、イオン引出し口の背後に、しかもイオン引出し口に沿って伸びている状態で、ガス圧の比較的高い領域が形成される。 In this ion source, the tip of the hot cathode also serves as the source gas supply port, and the source gas generates plasma from the positional relationship between the hot cathode and the ion extraction port located in the plasma generation vessel as described above. It is discharged into the container along the Y direction behind the ion extraction port and in the longitudinal direction of the ion extraction port. Therefore, a region having a relatively high gas pressure is formed behind the ion extraction port and extending along the ion extraction port.
その結果、プラズマ生成容器内には、プラズマ密度の高い領域がイオン引出し口の背後にありかつイオン引出し口に沿って伸びているという密度分布のプラズマが生成される。このようにプラズマ密度の高い領域の位置がイオン引出し口にうまく対応しているプラズマからイオン引出し口を通してイオンビームを引き出すことができるので、イオンビーム生成効率が向上する。 As a result, a plasma having a density distribution is generated in the plasma generation container, such that a region having a high plasma density is behind the ion extraction port and extends along the ion extraction port. Since the ion beam can be extracted through the ion extraction port from the plasma in which the position of the region having a high plasma density corresponds well to the ion extraction port as described above, the ion beam generation efficiency is improved.
また、熱陰極の先端からプラズマ生成容器内へ原料ガスを放出させることによって、プラズマ生成容器内でガス圧の最も高い位置が熱陰極の先端部付近になるので、熱陰極の先端部付近から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、熱陰極の加熱温度やアーク放電電圧を低くすることが可能になり、それによって熱陰極の消耗量を小さく抑えて熱陰極の寿命を長くすること等が可能になる。 In addition, by releasing the source gas from the tip of the hot cathode into the plasma generation vessel, the position where the gas pressure is highest in the plasma generation vessel is near the tip of the hot cathode. The number of collisions between thermionic electrons and gas molecules increases, and it becomes easier to maintain arc discharge. As a result, it becomes possible to lower the heating temperature and arc discharge voltage of the hot cathode, thereby reducing the consumption amount of the hot cathode and extending the life of the hot cathode.
前記熱陰極は、前記接続導体を有する代わりに、前記外部導体の先端部と前記内部導体の先端部とを電気的に直接接続していて、その接続部で前記加熱電流が折り返されるよう構成されていても良い。 Instead of having the connection conductor, the hot cathode is configured to electrically connect the tip of the outer conductor and the tip of the inner conductor directly, and the heating current is folded at the connection. May be.
前記熱陰極の内部導体は、前記外部導体よりも融点の高い材料で形成されていても良い。 The inner conductor of the hot cathode may be formed of a material having a higher melting point than the outer conductor.
前記プラズマ生成容器内であって、Y方向において前記イオン引出し口を間にして前記熱陰極の先端に対向する位置に、電子を反射させる反射電極を備えていても良い。 A reflective electrode for reflecting electrons may be provided in the plasma generation container at a position facing the tip of the hot cathode with the ion extraction port in the Y direction.
請求項1に記載の発明によれば、熱陰極の先端が原料ガス供給口を兼ねており、しかもプラズマ生成容器内に位置する部分の熱陰極とイオン引出し口が上記のような位置関係にあるので、プラズマ生成容器内には、プラズマ密度の高い領域がイオン引出し口の背後にありかつイオン引出し口に沿って伸びているという密度分布のプラズマが生成される。このようにプラズマ密度の高い領域の位置がイオン引出し口にうまく対応しているプラズマからイオン引出し口を通してイオンビームを引き出すことができるので、イオンビーム生成効率が向上する。 According to the first aspect of the present invention, the tip of the hot cathode also serves as the source gas supply port, and the portion of the hot cathode located in the plasma generation vessel and the ion extraction port have the above positional relationship. Therefore, in the plasma generation container, plasma having a density distribution is generated in which a region having a high plasma density is behind the ion extraction port and extends along the ion extraction port. Since the ion beam can be extracted through the ion extraction port from the plasma in which the position of the region having a high plasma density corresponds well to the ion extraction port as described above, the ion beam generation efficiency is improved.
また、熱陰極の先端からプラズマ生成容器内へ原料ガスを放出させることによって、プラズマ生成容器内でガス圧の最も高い位置が熱陰極の先端部付近になるので、熱陰極の先端部付近から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加してアーク放電を維持しやすくなる。その結果、熱陰極の加熱温度やアーク放電電圧を低くすることが可能になり、それによって熱陰極の消耗量を小さく抑えて熱陰極の寿命を長くすること等が可能になる。 In addition, by releasing the source gas from the tip of the hot cathode into the plasma generation vessel, the position where the gas pressure is highest in the plasma generation vessel is near the tip of the hot cathode. The number of collisions between thermionic electrons and gas molecules increases, and it becomes easier to maintain arc discharge. As a result, it becomes possible to lower the heating temperature and arc discharge voltage of the hot cathode, thereby reducing the consumption amount of the hot cathode and extending the life of the hot cathode.
更に、熱陰極の内部導体が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体の太さを大きくすることができる。その結果、内部導体の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命を長くすることができる。 Furthermore, since the inner conductor of the hot cathode is hollow, it is possible to increase the thickness of the inner conductor while suppressing an increase in mass and cross-sectional area of the inner conductor as compared to a solid case. As a result, the concentration of heat per unit surface area of the inner conductor can be suppressed, and the temperature rise of the inner conductor can be suppressed. Therefore, the life of the inner conductor and the life of the hot cathode can be extended.
請求項2に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の外部導体の先端部と内部導体の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体を用いる場合に比べて、熱陰極の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。
According to invention of
請求項3に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、熱陰極の内部導体は外部導体よりも温度が高くなるけれども、内部導体は外部導体よりも融点の高い材料で形成されているので、内部導体の耐熱性が高く、従って内部導体の寿命ひいては熱陰極の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極の運転範囲をより広くすることもできる。 According to invention of Claim 3, there exists the following further effect. That is, although the temperature of the inner conductor of the hot cathode is higher than that of the outer conductor, the inner conductor is made of a material having a melting point higher than that of the outer conductor. The lifetime of the hot cathode can be further increased. In addition, the operating range of the hot cathode can be made wider.
請求項4に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、Y方向においてイオン引出し口を間にして熱陰極の先端に対向する位置に、電子を反射させる反射電極を備えているので、電子とガス分子との衝突確率を高めて、プラズマ生成効率ひいてはイオンビーム生成効率をより向上させることができる。更に、イオン引出し口の長手方向に沿う方向におけるプラズマ密度分布の均一性ひいてはビーム電流密度分布の均一性が向上する。その結果例えば、長手方向寸法のより大きいイオン引出し口およびイオンビームの引き出しにも対応することが容易になる。
According to invention of
図1は、この発明に係るイオン源の一実施形態を示す断面図である。図2は、図1の線A−Aに沿う断面図である。図3は、図1および図2に示す熱陰極周りのより具体例を示す拡大断面図である。このイオン源2は、バーナス型イオン源の範疇に属する。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an ion source according to the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a more specific example around the hot cathode shown in FIGS. 1 and 2. This
このイオン源2は、熱陰極10から陽極を兼ねるプラズマ生成容器4内へ熱電子を放出させ、熱陰極10とプラズマ生成容器4との間でアーク放電を生じさせて、プラズマ生成容器4内へ導入された原料ガス(蒸気の場合を含む)8を電離させてプラズマ20を生成し、このプラズマ20からイオン引出し口6を通して引出し電極系30によってイオンビーム32を引き出すよう構成されている。
The
XY平面内で互いに直交する2方向をX方向およびY方向とすると、イオン引出し口6は、X方向の寸法WX よりもY方向の寸法WY が大きい形状をしている。例えば、イオン引出し口6は、Y方向に長いスリット状をしている。
Assuming that two directions orthogonal to each other in the XY plane are an X direction and a Y direction, the
引出し電極系30は、この実施例では1枚の電極の場合を例示しているが、それに限られるものではなく、複数枚の電極で構成されていても良い。
In this embodiment, the
熱陰極10は、中空の外部導体12と、この外部導体12の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体14と、外部導体12の先端部と内部導体14の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体16とを有している。従ってこの熱陰極10は、前述した従来の熱陰極と違って、その内部(より具体的には内部導体14の内部)に後述するように原料ガス8を通すことができる。外部導体12および内部導体14は、共に筒状(但し以下に述べるように、横断面が円形に限られるものではない)をしていると言うこともできる。
The
熱陰極10の外部導体12と内部導体14との間には加熱電源34が接続されており、この加熱電源34から供給される加熱電流IH は、先端部の接続導体16を通して折り返されて、外部導体12と内部導体14とで互いに逆向きに流される。この加熱電流IH によって、熱陰極10は、より具体的にはそれを構成する外部導体12、内部導体14および接続導体16は発熱してプラズマ生成容器4内に熱電子を放出する。
A
外部導体12および内部導体14は、この実施形態では図3に示すように、プラズマ生成容器4外に設けられた電流導入端子62および64にそれぞれ支持されており、両電流導入端子62、64を通して加熱電源34から上記加熱電流IH が供給される。
In this embodiment, the
上記加熱電源34は、この実施形態では直流電源の場合の例を示しているが、それに限られるものではなく、交流電源でも良い。
In this embodiment, the
外部導体12および内部導体14は、この実施形態では、横断面が共に円形をしているが、それに限られるものではなく、横断面が共に楕円形や多角形等をしていても良い。
In this embodiment, the
接続導体16は、この実施形態では円環状をしているが、それに限られるものではなく、要は外部導体12および内部導体14の横断面形状に合わせれば良い。
In this embodiment, the
接続導体16は、この実施形態では、外部導体12の先端部と内部導体14の先端部との間に嵌合して結合している。この接続導体16と外部導体12および内部導体14との結合は、例えば、嵌合による結合のみでも良いし、嵌合と溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、結合の信頼性が向上する。
In this embodiment, the
外部導体12、内部導体14および接続導体16は、それぞれ、例えば、モリブデン(融点2896K)、タンタル(融点3290K)、タングステン(融点3695K)、レニウム(融点3459K)、イリジウム(融点2739K)のような高融点金属またはこれらの金属の内の二つ以上を含む合金等の高融点材料で形成するのが好ましい。
The
熱陰極10の先端部を含む部分は、プラズマ生成容器4内に挿入されている。しかも、熱陰極10の上記先端部を含む部分は、図2を参照して、プラズマ生成容器4内に位置する部分の熱陰極10の中心軸11およびイオン引出し口6のY方向に沿う中心軸7のXY平面上への正射影が互いに実質的に一直線上に並ぶように挿入されている。即ち、上記熱陰極10の中心軸11と上記イオン引出し口6の中心軸7とは互いに実質的に平行であり、かつ両中心軸11、7の延長線のXY平面上への正射影は互いに実質的に重なる。この明細書で「実質的に」というのは、イオン源2の後述する作用効果を奏することができる程度の多少のずれは許容する意味である。
The portion including the tip of the
熱陰極10がプラズマ生成容器4を貫通する部分は、この実施形態では電気絶縁物44によって絶縁されている。但し、電気絶縁物44を用いずに、空間絶縁(例えば1mm程度またはそれ以下の隙間による絶縁)によって、熱陰極10とプラズマ生成容器4との間を電気的に絶縁しても良い。
The portion where the
熱陰極10(より具体的にはこの実施形態ではその内部導体14)とプラズマ生成容器4との間には、両者間に直流電圧を印加して、上記アーク放電を生じさせてアーク電流を流す直流のアーク電源36が、プラズマ生成容器4を正極側にして接続されている。熱陰極10の先端部付近の温度が他よりも高くなって、上記アーク放電は主に当該先端部付近とプラズマ生成容器4との間で生じるので、熱陰極10の先端部付近の消耗量が大きくなる。
A direct current voltage is applied between the hot cathode 10 (more specifically, the
このイオン源2は、プラズマ生成容器4に従来のイオン源のようにガス供給口を設ける代わりに、プラズマ生成容器4外の部分から熱陰極10の内部導体14内に原料ガス8を供給して、当該原料ガス8を内部導体14内を通して当該内部導体14の先端からプラズマ生成容器4内へ放出させるガス供給手段を備えている。
In this
より具体的には、この実施形態では図3に示すように、上記ガス供給手段の一例として、熱陰極10の内部導体14の他端部(即ちプラズマ生成容器4外側の端部)内に挿入されたガスノズル66と、このガスノズル66に接続されていてそれに原料ガス8を供給するガスパイプ68とを備えている。
More specifically, in this embodiment, as shown in FIG. 3, as an example of the gas supply means, it is inserted into the other end portion of the
もっとも、上記ガス供給手段は、図3に示す実施形態以外のものでも良い。例えば、ガスノズル66を内部導体14の他端部に近接または接触させた構造でも良いし、ガスノズル66を設けずに、ガスパイプ68を内部導体14の他端部に接続、挿入、近接または接触させた構造等でも良い。
However, the gas supply means may be other than the embodiment shown in FIG. For example, the structure may be such that the
上記ガスノズル66も、内部導体14と同様に高温になるので、内部導体14等について上述したような高融点金属または高融点材料で形成するのが好ましい。
Since the
イオン源2は、この実施形態では更に、プラズマ生成容器4内であって、熱陰極10と反対側の部分に第1の反射電極40を有しており、熱陰極10の根本部分に第2の反射電極42を有している。45、46は電気絶縁物である。更にプラズマ生成容器4内には、その外部に設けた磁石50によって、熱陰極10と反射電極40とを結ぶ線に沿う方向の磁界52が印加される。但し磁界52の向きは図示とは逆でも良い。
In this embodiment, the
磁界52は、プラズマ20中の電子やイオンが当該磁界52と交差する方向に拡散するのを抑制して、密度の高いプラズマ20を生成することに、換言すればプラズマ20の生成効率を高めることに寄与する。両反射電極40、42も、熱陰極10から放出された電子(熱電子)やプラズマ20中の電子を反射させて、当該電子とガス分子との衝突確率を高めて、密度の高いプラズマ20を生成することに、換言すればプラズマ20の生成効率を高めることに寄与する。
The
このイオン源2においては、熱陰極10の先端が原料ガス8の供給口を兼ねている。即ち、原料ガス8は、熱陰極10の根本から先端に向けて供給されて、熱陰極10の先端(より具体的には内部導体14の先端)からプラズマ生成容器4内に放出される。内部導体14は通常はその全長に対して比較的小さな直径のものであるので、その先端から放出される際の原料ガス8は、熱陰極10の中心軸11に沿って直進するものが多くなる。しかも、プラズマ生成容器4内に位置する部分の熱陰極10とイオン引出し口6の上記のような位置関係から、原料ガス8はプラズマ生成容器4内に、イオン引出し口6の背後であってしかもイオン引出し口6の長手方向であるY方向に沿って放出されるようになる。従って、イオン引出し口6のちょうど背後に、しかもイオン引出し口6に沿って伸びている状態で、ガス圧の比較的高い領域が形成される。原料ガス8の供給流量を変化させると、プラズマ生成容器4内のガス圧は変化するけれども、プラズマ生成容器4内の上記ガス分布に大きな変化はない。
In the
上記ガス圧の比較的高い領域は、熱陰極10の先端部付近の電子放出部に近接しているため、熱陰極10から放出された熱電子がガス分子と容易に衝突して電離反応を持続させやすくなる。その結果、プラズマ生成容器4内には、プラズマ密度の高い領域がイオン引出し口6のちょうど背後にありかつイオン引出し口6に沿って比較的真っ直ぐ伸びているという密度分布のプラズマ20が生成される。このようにプラズマ密度の高い領域の位置がイオン引出し口6にうまく対応しているプラズマ20からイオン引出し口6を通してイオンビーム32を引き出すことができるので、イオンビーム生成効率が向上する。
Since the region having a relatively high gas pressure is close to the electron emission portion near the tip of the
上述したプラズマ密度分布を、シミュレーション結果を用いて更に説明する。 The plasma density distribution described above will be further described using simulation results.
図4、図5に、このイオン源のプラズマ生成容器4内における上記プラズマ20の密度分布を、幾つかの等密度線22で代表させて示している。図5に示すように、プラズマ20の軸24(プラズマ密度の高い部分を結ぶ軸)はイオン引出し口6のY方向に沿う上記中心軸7と実質的に平行であり、かつ両軸24、7のXY平面上への正射影は互いに実質的に重なっており、プラズマ密度の高い領域が、イオン引出し口6のちょうど背後にかつイオン引出し口6の長手方向に沿って比較的真っ直ぐに伸びて形成されていることが分かる。更に図4に示すように、イオン引出し口6の近くに、上記プラズマ密度の高い領域が形成されていることが分かる。
4 and 5, the density distribution of the
このように、このイオン源2では、プラズマ密度の高い領域の位置がイオン引出し口6にうまく対応しているプラズマ20からイオン引出し口6を通してイオンビーム32を引き出すことができるので、イオンビーム生成効率が向上する。
Thus, in this
換言すれば、同じアーク電流(即ちアーク放電時のアーク電源36の出力電流)であっても、プラズマ20がプラズマ生成容器4内の広い領域に薄く広がったり、プラズマ密度の高い領域がイオン引出し口6からずれて存在するよりも、図4、図5に示す例のようにイオン引出し口6の近傍にイオン引出し口6に沿って局所化している方が、プラズマ20から効率良くイオンビーム32を引き出すことができる。
In other words, even with the same arc current (that is, the output current of the
その結果、例えば、イオンビーム32のビーム電流を増大させることが容易になる。あるいは、イオンビーム32のビーム電流を増大させる代わりに、熱陰極10の加熱温度を低下させて、熱陰極10の消耗量を小さく抑えて熱陰極10の寿命を長くすることもできる。
As a result, for example, it becomes easy to increase the beam current of the
比較のために、プラズマ生成容器4の壁面にガス供給口28を設けて、そこからプラズマ生成容器4内に原料ガス8を導入する構造のイオン源2aにおけるプラズマ密度分布をシミュレーションした結果を図6、図7に示す。両図は、上記図4、図5にそれぞれ対応している。
For comparison, the result of simulating the plasma density distribution in the
この比較例のイオン源2aでは、熱陰極10は原料ガス8の導入に用いないので、その内部導体14の先端部内に蓋19を設けている。原料ガス8の導入手段以外は、上記実施形態のイオン源2とほぼ同じ構造をしている。
In the
図6、図7に、上記イオン源2aのプラズマ生成容器4内におけるプラズマ20の密度分布を、幾つかの等密度線22で代表させて示している。図7に示すように、プラズマ20の軸24がイオン引出し口6の中心軸7からずれている。これは、このイオン源2aにおいては、ガス供給口28からの原料ガス8の供給方向とイオン引出し口6とがねじれの位置関係にあり、またガス供給口28とそれに対向するプラズマ生成容器4の壁面との間の距離が比較的近いため、ガス供給口28から供給された原料ガス8は対向壁面で反射し、その付近で乱流となって等価的にガス圧が高くなり、即ちガス供給口28の反対側付近にガス圧の高い領域が形成され、プラズマ20もその領域で高密度になるからであると考えられる。
6 and 7, the density distribution of the
イオンビーム32は、上記プラズマ20からイオン引出し口6を通して引き出されるので、上記のようなずれが生じると、プラズマ密度の高い領域のイオンをうまく引き出すことが難しくなるので、イオンビーム生成効率が低下する。これは従来のイオン源の課題として前述している。
Since the
この実施形態のイオン源2の説明に戻ると、当該イオン源2においては、熱陰極10の先端からプラズマ生成容器4内へ原料ガス8を放出させることによって、プラズマ生成容器4内でガス圧の最も高い領域が熱陰極10の先端部付近になる。そのため、熱陰極10の先端とは異なる位置から原料ガス8を供給する場合と比較して、例えば図6、図7に示したイオン源2aと比較して、熱陰極10の先端部から放出される熱電子とガス分子との衝突回数が増加するので、電子(二次電子)を発生させる割合が大きくなり、放電を維持しやすくなる。その結果、熱陰極10の加熱温度や、熱陰極10とプラズマ生成容器4との間のアーク放電電圧(即ちアーク放電時のアーク電源36の出力電圧)を低くしても、所要のアーク放電を維持することが可能になる。
Returning to the description of the
熱陰極10の加熱温度を低くすることによって、熱陰極10の消耗量が減るので、熱陰極10の寿命を長くすることができる。
By reducing the heating temperature of the
アーク放電電圧を低くすることによって、プラズマ20から受ける熱陰極10のスパッタリングを低減することができるので、熱陰極10の消耗量が減り、熱陰極10の寿命を長くすることができる。また、低いアーク放電電圧で運転を行うことによって、電離電圧や解離電圧の低い分子イオンやクラスターイオンの収量増加を図ることもできる。即ち、イオンビーム32中に含まれる分子イオンやクラスターイオンの割合増加を図ることもできる。
By reducing the arc discharge voltage, the sputtering of the
また、この実施形態のイオン源2においては、熱陰極10の内部導体14が中空であるので、中実の場合に比べて、内部導体14の質量や断面積が大きくなるのを抑えつつ、内部導体14の太さ(例えば外径)を大きくすることができる。その結果、内部導体14の単位表面積当たりの熱の集中を抑制して、内部導体14の温度上昇を抑制することができる。従って、内部導体14の寿命ひいては熱陰極10の寿命を長くすることができる。
Moreover, in the
より具体的には、内部導体14の外径が外部導体12の内径よりも小さいと内部導体14の温度は外部導体12の温度よりも必ず高くなるけれども、内部導体14の外径を大きくすることによって、例えば外部導体12の内径に近づけることによって、内部導体14の温度を外部導体12の温度に近づけることができる。
More specifically, if the outer diameter of the
熱陰極10は、例えば図8、図9に示す例のように、前記接続導体16を有する代わりに、外部導体12の先端部と内部導体14の先端部とを電気的に直接接続して、その接続部18で前記加熱電流IH が折り返されるよう構成しても良い。
The
より具体的には、図8に示す熱陰極10では、外部導体12の先端部を内側に絞っておくことによって、内部導体14の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部18を形成している。
More specifically, in the
図9に示す熱陰極10では、内部導体14の先端部を外側に広げておくことによって、外部導体12の先端部と接触させて、両先端部を互いに電気的に接続している接続部18を形成している。
In the
上記接続部18における両導体12、14の先端部の接続は、嵌め合いによる接続だけでも良いし、それと溶接を併用しても良い。溶接を併用すると、接続の信頼性が向上する。
The connection of the tip portions of the two
熱陰極10の温度制御の応答性の観点から、図3、図8、図9に示した各熱陰極10を比べると、図8、図9に示した熱陰極10では、外部導体12の先端部と内部導体14の先端部とを、接続導体を用いずに電気的に直接接続しているので、接続導体16を用いた図3の熱陰極10に比べて、熱陰極10の先端部の体積を小さくすることができる。その結果、熱陰極10の熱容量を小さくし、温度制御時の時定数を小さくして、温度制御の応答性をより良くすることができる。
From the viewpoint of responsiveness of temperature control of the
上記いずれの例の熱陰極10においても、内部導体14を、外部導体12よりも融点の高い材料で形成しておいても良い。その一例を挙げると、外部導体12をタンタルで形成し、内部導体14をタングステンで形成しておいても良い。前述したように、内部導体14は必ず外部導体12よりも温度が高くなるので、内部導体14を外部導体12よりも融点の高い材料で形成しておくことによって、内部導体14の耐熱性を高くして、内部導体14の寿命ひいては熱陰極10の寿命をより長くすることができる。また、熱陰極10の運転範囲をより広くすることもできる。
In any of the above-described
上記反射電極40、42を設けることはを必須ではないが、それらを設けておくと前述したようにプラズマ20の生成効率を高めることができる。
Although it is not essential to provide the
特に、Y方向においてイオン引出し口6を間にして熱陰極10の先端に対向する反射電極40を設けておくと、熱陰極10から放出された電子(熱電子)やプラズマ20中の電子を熱陰極10の対向部において反射させて、当該電子とガス分子との衝突確率を高めて、プラズマ生成効率ひいてはイオンビーム生成効率をより向上させることができる。更に、Y方向において、イオン引出し口6を間にして熱陰極10の先端に対向する位置に反射電極40が存在するので、イオン引出し口6の長手方向に沿う方向(即ちY方向)におけるプラズマ密度分布の均一性ひいてはビーム電流密度分布の均一性が向上する。その結果例えば、長手方向寸法のより大きいイオン引出し口6およびイオンビーム32の引き出しにも対応することが容易になる。
In particular, if a
なお、反射電極40、42は、それぞれ、どこにも接続せずに浮遊電位にしても良いし、熱陰極10の一端(例えばマイナス端。この実施形態では内部導体14)に接続して熱陰極電位にしても良い。浮遊電位にしても、反射電極40、42にはプラズマ20中の軽くて移動度の高い電子がイオンよりも遥かに多く入射して、反射電極40、42はそれぞれ負電位に帯電して電子を反射する作用を奏する。
Each of the
2 イオン源
4 プラズマ生成容器
6 イオン引出し口
8 原料ガス
10 熱陰極
12 外部導体
14 内部導体
16 接続導体
18 接続部
20 プラズマ
32 イオンビーム
66 ガスノズル
IH 加熱電流
2
Claims (4)
(a)前記熱陰極は、中空の外部導体と、この外部導体の内側に同軸状に配置されている中空の内部導体と、この内部導体の先端部と前記外部導体の先端部との間に設けられていて両先端部間を電気的に接続する環状の接続導体とを有していて、前記加熱電流は、前記接続導体を通して折り返されて、前記外部導体と前記内部導体とで互いに逆向きに流されるよう構成されており、
(b)前記熱陰極の先端部を含む部分は、前記プラズマ生成容器内に挿入されており、しかもプラズマ生成容器内に位置する部分の熱陰極の中心軸および前記イオン引出し口のY方向に沿う中心軸のXY平面上への正射影が互いに実質的に一直線上に並ぶように挿入されており、
(c)更に、前記プラズマ生成容器外の部分から前記熱陰極の内部導体内に原料ガスを供給して、当該原料ガスを前記内部導体内を通して前記内部導体の先端から前記プラズマ生成容器内へ放出させるガス供給手段を備えている、ことを特徴とするイオン源。 When two directions orthogonal to each other in the XY plane are defined as an X direction and a Y direction, the plasma generation container has an ion extraction port whose dimension in the Y direction is larger than the dimension in the X direction and also serves as an anode; An ion source comprising a hot cathode through which a heating current is passed to emit thermoelectrons into the plasma generation vessel;
(A) The hot cathode includes a hollow outer conductor, a hollow inner conductor disposed coaxially inside the outer conductor, and a tip between the inner conductor and the outer conductor. An annular connecting conductor that is electrically connected between both ends, and the heating current is turned back through the connecting conductor, and the outer conductor and the inner conductor are opposite to each other. Is configured to flow
(B) The portion including the tip portion of the hot cathode is inserted into the plasma generation vessel, and is along the central axis of the hot cathode of the portion located in the plasma generation vessel and the Y direction of the ion extraction port. The orthogonal projections of the central axis on the XY plane are inserted so that they are substantially aligned with each other.
(C) Furthermore, a raw material gas is supplied from a portion outside the plasma generation vessel into the internal conductor of the hot cathode, and the raw material gas is discharged from the tip of the internal conductor into the plasma generation vessel through the internal conductor. An ion source comprising gas supply means for causing the ion source to flow.
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