JP2014006998A - Method of driving charged particle source - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流電流を用いて熱陰極を加熱する荷電粒子源の駆動方法に関する。 The present invention relates to a method for driving a charged particle source that heats a hot cathode using an alternating current.
元素をプラズマ化し、プラズマ中のイオンをイオンビームとして引き出すイオン源や、プラズマ中の電子を電子ビームとして引き出す電子ビーム源(以降、これらを総称して「荷電粒子源」という)は、イオン注入を初めとして、イオンプレーティング、結晶成長、イオン加工等、様々な分野に利用されている。 An ion source that converts elements into plasma and extracts ions in the plasma as an ion beam, and an electron beam source that extracts electrons in the plasma as an electron beam (hereinafter collectively referred to as “charged particle source”) perform ion implantation. First, it is used in various fields such as ion plating, crystal growth, and ion processing.
上述の荷電粒子源には、RF型(ラジオフリーケンシ型)、ECR型(電子共鳴型)、フリーマン型等、様々な種類があるが、現状では、熱陰極から放出された熱電子を数十ボルトに加速し、これをガス粒子に衝突させてイオンまたは電子を生成する低電圧アーク放電型の荷電粒子源が多用されている。 There are various types of charged particle sources such as an RF type (radio frequency type), an ECR type (electron resonance type), a freeman type, etc., but at present, several tens of thermoelectrons are emitted from the hot cathode. A charged particle source of a low voltage arc discharge type that generates ions or electrons by accelerating to a bolt and colliding with a gas particle is frequently used.
一般に、低電圧アーク放電型の荷電粒子源では、直流電源を用いて熱陰極を加熱しているが、直流電源を用いた場合、蒸発やプラズマスパッタリングにより熱陰極が局所的に消耗するため、比較的短時間で熱陰極を交換する必要がある。 Generally, in a low-voltage arc discharge type charged particle source, a hot cathode is heated using a DC power source. However, if a DC power source is used, the hot cathode is locally consumed by evaporation or plasma sputtering. It is necessary to replace the hot cathode in a short time.
これに対し、熱陰極を交流電源で加熱する方法が提案されている(特許文献1参照)。熱陰極を交流電源で加熱すると、蒸発やプラズマスパッタリングの局所化を防止でき、均一な損耗によって熱陰極の寿命が延びるため、交換の頻度を抑えることができる。 On the other hand, the method of heating a hot cathode with an alternating current power supply is proposed (refer patent document 1). When the hot cathode is heated with an AC power source, evaporation and plasma sputtering can be prevented from being localized, and the life of the hot cathode is extended by uniform wear, so that the frequency of replacement can be suppressed.
その一方で、熱陰極を交流電源で加熱する場合、生成されたプラズマに揺動が生じる結果、荷電粒子源から取り出されるイオンビーム電流や電子ビーム電流が変動する。イオン注入や電子線照射等においては、イオンビームや電子ビームの電流量を正確に制御する必要があるが、イオンビーム電流や電子ビーム電流が変動すると、イオン注入や電子線照射等における正確な制御が困難になる。このため、交流電源を用いて熱陰極を加熱する方法は、商用の荷電粒子源に採用されるには至っていない。 On the other hand, when the hot cathode is heated by an AC power supply, the generated plasma fluctuates, and as a result, the ion beam current and electron beam current extracted from the charged particle source fluctuate. In ion implantation, electron beam irradiation, etc., it is necessary to accurately control the amount of ion beam or electron beam current. However, if the ion beam current or electron beam current fluctuates, accurate control in ion implantation, electron beam irradiation, etc. Becomes difficult. For this reason, the method of heating a hot cathode using an AC power supply has not been adopted for commercial charged particle sources.
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、イオンビーム電流や電子ビーム電流の変動を最小限に抑えることができる荷電粒子源の駆動方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a charged particle source driving method capable of minimizing fluctuations in ion beam current and electron beam current.
上記目的を達成するため本発明にかかる荷電粒子源の駆動方法は、壁にガス導入管が取り付けられ、そこから内部空間にガスが導入されるアークチャンバと、当該アークチャンバの1つの壁に第1の絶縁支持部材を介して取り付けられた、電子を放出する熱陰極とを備えた荷電粒子源を用い、
交流電源により前記熱陰極に加熱用の電流を供給すると共に、前記アークチャンバと前記熱陰極との間に直流の電圧を印加し、前記熱陰極から放出された電子を前記アークチャンバ内のガスに衝突させてプラズマを生成し、当該プラズマ中のイオンまたは電子を、前記アークチャンバの壁に形成されたスリットから引き出してイオンビームまたは電子ビームを生成する荷電粒子源の駆動方法であって、
あらかじめ電流計を用いて、前記アークチャンバと前記熱陰極との間に流れる、加熱用の交流電流に起因する第1の揺動成分とプラズマの振動現象に起因する第2の揺動成分を含む放電電流の値を測定し、
前記交流電源を、前記放電電流の第1の揺動成分と第2の揺動成分を足した値が最小となる周波数もしくはその近傍の周波数で駆動することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for driving a charged particle source according to the present invention includes an arc chamber in which a gas introduction pipe is attached to a wall and gas is introduced into the interior space from the arc chamber, and a first wall of the arc chamber. A charged particle source having a hot cathode that emits electrons, attached via an insulating support member;
A current for heating is supplied to the hot cathode by an AC power source, and a direct current voltage is applied between the arc chamber and the hot cathode, and electrons emitted from the hot cathode are supplied to the gas in the arc chamber. A charged particle source driving method for generating plasma by colliding to generate ions or electrons by extracting ions or electrons in the plasma from a slit formed in a wall of the arc chamber,
A first oscillating component caused by an alternating current for heating and flowing between the arc chamber and the hot cathode using an ammeter in advance and a second oscillating component caused by a plasma oscillation phenomenon are included. Measure the value of the discharge current,
The AC power supply is driven at a frequency at which a value obtained by adding the first fluctuation component and the second fluctuation component of the discharge current is minimum or a frequency in the vicinity thereof.
ここで、前記荷電粒子源として、前記アークチャンバの壁のうち前記熱陰極と対向する位置に、第2の絶縁支持部材を介して取り付けられた、反射電極を含む第1のリフレクタを備え、かつ前記熱陰極と前記第1のリフレクタとを結ぶ方向に磁界が形成された荷電粒子源を用いることが好ましい。 Here, the charged particle source includes a first reflector including a reflective electrode attached via a second insulating support member at a position facing the hot cathode in the wall of the arc chamber, and It is preferable to use a charged particle source in which a magnetic field is formed in a direction connecting the hot cathode and the first reflector.
更には、前記荷電粒子源として、前記熱陰極が取り付けられた前記アークチャンバの壁に、第3の絶縁支持部材を介して取り付けられた、反射電極を含む第2のリフレクタを更に備えた荷電粒子源を用いることが好ましい。 Furthermore, the charged particle source further includes a second reflector including a reflective electrode attached to a wall of the arc chamber to which the hot cathode is attached via a third insulating support member as the charged particle source. It is preferred to use a source.
また前記電流計としてクランプ式の交流電流センサを用い、前記アークチャンバと前記熱陰極とを結ぶ配線に前記クランプ式の交流電流センサを取り付けて放電電流を測定することが好ましい。 Preferably, a clamp-type AC current sensor is used as the ammeter, and the clamp-type AC current sensor is attached to a wiring connecting the arc chamber and the hot cathode to measure the discharge current.
また本発明にかかる荷電粒子源の駆動方法は、前記スリットから前記プラズマ中の正または負イオンを引き出して、正または負イオンのイオンビームを生成する際に適用できる。 The charged particle source driving method according to the present invention can be applied when positive or negative ions in the plasma are extracted from the slits to generate positive or negative ion beams.
本発明の荷電粒子源の駆動方法を採用すれば、イオンビーム電流や電子ビーム電流の変動を最小限に抑えることができるため、交流電源で熱陰極が加熱される荷電粒子源を、イオン注入や電子線照射等に使用することができる。 By employing the charged particle source driving method of the present invention, fluctuations in the ion beam current and electron beam current can be minimized, so that the charged particle source in which the hot cathode is heated by an AC power source can be It can be used for electron beam irradiation.
以下、本発明の実施の形態にかかる荷電粒子源の駆動方法について、図面を参照して説明する。
<荷電粒子源の構成と動作> 図1は、本発明の駆動方法により駆動される熱陰極を有するバーナス型イオン源の基本的な構成と配線の状態を示す断面図、図2は、図1のイオン源を側面から見た断面図である。バーナス型イオン源は低電圧アーク放電型荷電粒子源の一種である。イオン源1は、アークチャンバ2、熱陰極3、リフレクタ4および5で構成されている。
A charged particle source driving method according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<Configuration and Operation of Charged Particle Source> FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic configuration and wiring state of a Bernas ion source having a hot cathode driven by the driving method of the present invention, and FIG. It is sectional drawing which looked at the ion source from the side. The Bernas type ion source is a kind of low voltage arc discharge type charged particle source. The
アークチャンバ2は直方体状をしており、平板状の上壁21および下壁22、ならびに角筒状の側壁23で囲まれた内部空間にプラズマが生成され、それぞれの壁はモリブデン、タングステン、タンタル等の高融点金属あるいはグラファイトや炭化珪素等で作製されている。
The
アークチャンバ2の上壁21には、所定の間隔をおいて一対の孔が形成され、この孔に、リング状の絶縁支持部材61を介して略U字状に曲げられた熱陰極3が支持されている。絶縁支持部材61は、通常、アルミナや窒化ホウ素等の耐熱材料で作製される。なお、熱陰極3の形状は螺旋状であっても良い。
A pair of holes are formed in the
熱陰極3の両端間には、加熱用の電流を供給するための陰極加熱電源11が接続されている。陰極加熱電源11は交流電流を出力するもので、数10Hzから数10kHzの間で周波数を変えることができるように設計されている。またアークチャンバ2と熱陰極3との間には、アークチャンバ2が熱陰極3より正電位となるように直流の電圧を印加する放電電源12が接続されている。
A cathode
アークチャンバ2の側壁23の一面には、チャンバ内にガスを導入するガス導入管7が取り付けられている。図示しないが、ガス導入管7の他端には、PやAs等の固体試料を加熱して蒸気化させるオーブン、もしくはAr、BF3、PH3、AsH3等のガスを収納したボンベが接続されている。所望のイオン種を含むガス粒子は、ガス導入管7を介してアークチャンバ2内に導入される。
A
陰極加熱電極11をオンにして熱陰極に電力を供給して熱陰極3を加熱すると共に、放電電源12をオンにして熱陰極3とアークチャンバ2との間にアーク放電に必要な電圧を印加すると、熱陰極3から熱電子が放出され、ガス導入管7を介してアークチャンバ2内に導入された所望のイオン種を含むガス粒子と衝突して電離し、プラズマPを生成する。
The
アークチャンバ2の下壁22には、高融点金属で作製されたリフレクタ4がリング状のアルミナ製絶縁支持部材62を介して取り付けられている。リフレクタ4は、熱陰極3から放出された熱電子を熱陰極3側に追い返すものであり、反射電極41と、それを支持する支持体42で構成されている。反射電極41にはバイアス電源13によりアークチャンバ2の電位を基準として負のバイアス電圧が印加されている。
A
本実施の形態では、プラズマ生成用ガスの電離効率を高めるために、アークチャンバ2の上壁21にも、リフレクタ5がリング状の絶縁支持部材63を介して取り付けられている。リフレクタ5は、熱電子をリフレクタ4側に追い返すもので、反射電極51と、それを支持する支持体52で構成されている。
In the present embodiment, the
反射電極51には、リフレクタ4と同様に、バイアス電源13によりアークチャンバ2の電位を基準とする負のバイアス電圧が印加されている。なお、反射電極51には、熱陰極3を通すための孔53が形成されている。反射電極51と熱陰極3は、この孔53により電気的に絶縁されている。
Similarly to the
図示しないが、アークチャンバ2の周囲にはソレノイドコイルを備えたソースマグネットが設置されており、アークチャンバ2の内部において、熱陰極3とリフレクタ4とを結ぶ方向に磁界B(図2参照)が形成される。ソースマグネットが形成する磁界Bにより、熱陰極3から放出された熱電子が、リフレクタ4とリフレクタ5の間でドリフトし、それぞれのリフレクタの手前で追い返され、両者の間に閉じ込められた状態となって熱電子の飛行距離が長くなる。
Although not shown, a source magnet having a solenoid coil is installed around the
アークチャンバ2の側壁23の一面には、磁界Bの方向に沿って延びる縦長のビーム引出スリット8が形成されている。また、図示しないが、アークチャンバ2の外部には、ビーム引出スリット8に対向する位置に、ビーム通過孔が形成された引出電極が設置されている。この引出電極とアークチャンバ2との間には、アークチャンバ2が引出電極より正電位となるように電圧が印加されている。これにより、アークチャンバ2と引出電極との間に強い外部電界が生成され、この外部電界により、アークチャンバ2内で生成されたプラズマ中の正イオンが、ビーム引出スリット8から引き出され、イオンビームIBが生成される。なお、本実施の形態では縦長のスリットを用いているが、横長のスリットや円孔であっても構わないし、個数も複数あって構わない。
A vertically long beam extraction slit 8 extending along the direction of the magnetic field B is formed on one surface of the
前述したように、荷電粒子源は正イオンのイオンビーム以外に、負イオンのイオンビームや電子ビームを生成することができる。負イオンのイオンビームや電子ビームを生成する場合は、引出電極がアークチャンバ2より正電位となるように電圧を印加する。
<交流電流によるイオンビームへの影響> 次に、熱陰極の加熱電流に交流電流を用いることによるイオンビームへの影響について説明する。前述したように、陰極加熱電源11に直流の電源を用いた場合、蒸発やプラズマスパッタリングにより熱陰極が局所的に損耗するため、熱陰極を頻繁に交換する必要がある。
As described above, the charged particle source can generate a negative ion ion beam or an electron beam in addition to a positive ion beam. When generating an ion beam or electron beam of negative ions, a voltage is applied so that the extraction electrode has a positive potential from the
<Influence on ion beam by alternating current> Next, the influence on the ion beam by using alternating current as the heating current of the hot cathode will be described. As described above, when a direct current power source is used for the cathode
これに対して、交流の電源を用いた場合、蒸発やプラズマスパッタリングの局所化を防止して、熱陰極の寿命を延ばすことができるため、交換の頻度を抑えることができるが、その反面、イオンビーム電流や電子ビーム電流が変動するという問題が生じる。以下、陰極加熱電源11を用いて熱陰極3に交流の電流を印加した場合のイオンビーム電流の変動について、実測例に基づいて説明する。
On the other hand, when an AC power source is used, it is possible to prevent the localization of evaporation and plasma sputtering and extend the life of the hot cathode, so that the frequency of replacement can be suppressed. There arises a problem that the beam current and the electron beam current fluctuate. Hereinafter, fluctuations in the ion beam current when an alternating current is applied to the
陰極加熱電源11の周波数がイオンビーム電流にどのように影響するかを確認するために、陰極加熱電源11の電圧波形、熱陰極3とアークチャンバ2との間に流れる放電電流の波形およびビーム引出スリット8から放出されるイオンビーム電流のそれぞれの波形を測定した。
In order to confirm how the frequency of the cathode
陰極加熱電源11の電圧波形を電圧計で測定し、それを市販のメモリレコーダに記録した。放電電流の波形は、放電電源12とアークチャンバ2との間の配線に流れる電流を、クランプ式交流電流センサを用いて測定し、それを市販のメモリレコーダに記録した。なお、交流電流センサはクランプ式のものに限らず、分割型交流センサや貫通型交流センサを用いても良いし、回路に挿入された抵抗両端の電圧で測定してもよい。
The voltage waveform of the cathode
図3に、陰極加熱電源11の電力を100Wに維持したときの、メモリレコーダに記録された熱陰極3に印加される電圧波形と、加熱電流によって励起されたArプラズマの放電電流の波形を示す。図3(a)は、陰極加熱電源11から供給される交流電流の周波数fが60Hzのときの波形、図3(b)は、交流電流の周波数fが1kHzのときの波形である。
FIG. 3 shows the waveform of the voltage applied to the
図3に示すように、陰極加熱電源11として交流の電源を用いた場合、放電電流は交流電流の周波数の2倍の周波数で揺動する。一方、放電電流の振幅は、周波数が60Hzのときより1kHzのときの方が小さい。
As shown in FIG. 3, when an AC power source is used as the cathode
ビーム引出スリット8から放出されるイオンビームIBの電流量は、プラズマ中のイオンの飽和電流(以降、「イオン飽和電流」という)と相関を持つ。イオン飽和電流の波形はラングミュアプローブを用いて測定する。図4を参照して、イオン飽和電流の測定方法を説明する。
The amount of current of the ion beam IB emitted from the
直流電源92に直列に接続されたラングミュアプローブ91の先端が、ビーム引出スリット8から距離Lだけ離れた位置にくるように配置し、抵抗93の両端にオシロスコープ94を接続し、測定した波形を図示しない市販のメモリレコーダに記録した。ここではL=10mmとし、また直流電源92により、ラングミュアプローブ91がアークチャンバ2に対して−74Vとなるように電圧を印加した。
The
ラングミュアプローブ91は、直径0.3mm、長さ2.0mmのタングステン線のプローブチップを内径0.4mmのアルミナ管で覆ったもので、アルミナ管の表面は、外部ノイズから信号を遮蔽するために厚さ0.2mmの銅管で覆われている。更にその銅管は、プラズマと直接接触するのを避けるために内径3mm、外径5mmのアルミナ管で覆われている。
The
図5に、交流電流の周波数fが1kHzのときの、ラングミュアプローブ91で測定したイオン飽和電流の波形を示す。図5には、比較のため、熱陰極3に印加された電圧波形と、加熱電流によって励起されたArプラズマの放電電流の波形を併せて示している。
FIG. 5 shows a waveform of the ion saturation current measured with the
図5から明らかなように、陰極加熱電源11に交流の電源を用いた場合、イオン飽和電流が変動する。前述したように放電電流の周波数は、熱陰極3の加熱電流の2倍の周波数であるが、イオン飽和電流の周波数は加熱電流の周波数と同じである。
As is apparent from FIG. 5, when an AC power source is used as the cathode
<荷電粒子源の駆動方法>
次に、本発明にかかる荷電粒子源の駆動方法について説明する。発明者等は、図1および図2に示したイオン源1について、熱陰極3に印加する交流電流の周波数を変化させたときに、アークチャンバ2と熱陰極3との間に流れる放電電流の揺動成分がどのように変化するかについて実験を行った。
<Driving method of charged particle source>
Next, a method for driving a charged particle source according to the present invention will be described. The inventors of the
図6は、交流電流の周波数と放電電流の揺動幅との関係を示す概念図である。発明者等が実験を重ねた結果、図6に示すように、放電電流の揺動成分Wには、熱陰極3の加熱電流に交流電流を用いたことに起因する揺動成分W1と、プラズマの振動現象に起因して生じる揺動成分W2が含まれており、かつ低域の周波数では揺動成分W1が支配的であり、高域の周波数では揺動成分W2が支配的であることがわかった。
FIG. 6 is a conceptual diagram showing the relationship between the frequency of the alternating current and the fluctuation width of the discharge current. As a result of repeated experiments by the inventors, as shown in FIG. 6, the fluctuation component W of the discharge current includes a fluctuation component W1 resulting from the use of an alternating current as the heating current of the
揺動成分Wのうち交流電流に起因する揺動成分W1は、熱陰極を直接通電して加熱する場合の伝熱方程式より求められる。揺動成分W1は、交流電流の周波数が増加するとともに小さくなり、その目安は下記式(1)で与えられる。 Of the oscillating component W, the oscillating component W1 caused by the alternating current is obtained from a heat transfer equation in the case of heating by directly energizing the hot cathode. The oscillating component W1 becomes smaller as the frequency of the alternating current increases, and the standard is given by the following equation (1).
ここで、εは熱陰極の放射率、σは Stefan-Boltzmann 定数、Tは熱陰極の温度、ρmは熱陰極の質量密度、Cは熱陰極材料の比熱、aは熱陰極の線径である。 Where ε is the emissivity of the hot cathode, σ is the Stefan-Boltzmann constant, T is the temperature of the hot cathode, ρ m is the mass density of the hot cathode, C is the specific heat of the hot cathode material, and a is the wire diameter of the hot cathode. is there.
一方、揺動成分W2はプラズマの振動現象に起因して生じる。通常、高周波が加えられると、共鳴に近い形で大きな振幅の振動を起こす。プラズマが振動を起こし始める周波数としては、下記式(2)で求められるイオンプラズマ周波数や、下記式(3)で求められるイオン音波共鳴周波数が挙げられる。 On the other hand, the oscillating component W2 is caused by the plasma oscillation phenomenon. Normally, when a high frequency is applied, vibration with a large amplitude is generated in a form close to resonance. Examples of the frequency at which the plasma starts to vibrate include an ion plasma frequency obtained by the following equation (2) and an ion acoustic resonance frequency obtained by the following equation (3).
ここで、eは電子の電荷、neは電子密度、ε0は真空の誘電率、miはイオン質量、kはボルツマン定数、lはプラズマの長さもしくは幅である。 Here, e is the electron charge, ne is the electron density, ε 0 is the vacuum dielectric constant, mi is the ion mass, k is the Boltzmann constant, and l is the length or width of the plasma.
またドリフト波に伴う共鳴現象、あるいは比較的高い圧力の放電に対しては電離波動の周波数などが、プラズマの振動周波数の下限となる。これら振動周波数は1kHzから10kHzを超えると明確に観測されるようになる。 In addition, for a resonance phenomenon associated with a drift wave or a discharge at a relatively high pressure, the frequency of ionization waves is the lower limit of the plasma oscillation frequency. These vibration frequencies are clearly observed when the frequency exceeds 1 kHz to 10 kHz.
図6から明らかなように、交流電流に起因する揺動成分W1は、周波数が高くなるにつれて小さくなり、逆に、プラズマの振動現象に起因する揺動成分W2は、周波数が高くなる程大きくなることから、揺動成分W1とW2を足した値Wは、交点(周波数f0)で最小となる。 As can be seen from FIG. 6, the fluctuation component W1 caused by the alternating current decreases as the frequency increases, and conversely, the fluctuation component W2 caused by the plasma oscillation phenomenon increases as the frequency increases. Therefore, the value W obtained by adding the oscillating components W1 and W2 is minimum at the intersection (frequency f 0 ).
前述したように、放電電流の揺動が大きくなればイオン飽和電流の変動も大きくなるため、揺動成分W1とW2を足した値が最小となる周波数で交流電流を駆動すれば、イオン飽和電流の変動が最小となり、結果として変動成分の少ないイオンビームを実現できる。 As described above, if the fluctuation of the discharge current increases, the fluctuation of the ion saturation current also increases. Therefore, if the alternating current is driven at a frequency at which the sum of the fluctuation components W1 and W2 is minimized, the ion saturation current is increased. As a result, an ion beam with few fluctuation components can be realized.
なお、交流電流を駆動する周波数としては、放電電流の揺動幅が最小となる周波数f0が好適であるが、放電電流の揺動幅がそれよりも若干大きくても(例えば揺動幅の最小値に対して5%以内)、イオン飽和電流の変動値はほとんど変わらない。従って、周波数f0の近傍の周波数(放電電流の揺動幅の増加分が最小値に対して5%以内の周波数)で交流電流を駆動しても、変動成分の少ないイオンビームを実現できる。 The frequency for driving the alternating current is preferably a frequency f 0 at which the fluctuation width of the discharge current is minimized, but even if the fluctuation width of the discharge current is slightly larger (for example, the fluctuation width of the fluctuation current). Within 5% of the minimum value), the fluctuation value of the ion saturation current hardly changes. Therefore, even if the alternating current is driven at a frequency in the vicinity of the frequency f 0 (a frequency within which the increase in the fluctuation width of the discharge current is within 5% of the minimum value), an ion beam with few fluctuation components can be realized.
本発明にかかる荷電粒子源の駆動方法の有効性を確認するため、図1および図2に示すイオン源1を用いて、交流電流の周波数を変化させたときの放電電流の揺動幅を測定した。その結果を図7のグラフに示す。図中、○、□、△、●および■は、熱陰極の線径を0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mmおよび0.6mmとしたときの測定値である。また図7のグラフは、縦軸、横軸ともに対数で表している。
In order to confirm the effectiveness of the driving method of the charged particle source according to the present invention, the fluctuation width of the discharge current when the frequency of the alternating current is changed is measured using the
測定には、高さ90mm、幅36mm、深さ29mmの容積のモリブデン製のアークチャンバ2を用いた。また熱陰極3として全長90mmのタングステン線を略U字状に変形したものを用い、このタングステン線のうち45mmをプラズマに晒すようにアークチャンバに取り付けた。
For the measurement, an
またガス導入口7からArガスを導入し、熱陰極3の加熱電力を100Wに維持した状態で、交流電流の周波数を変化させ、そのときの放電電流の強さを、クランプ式交流電流センサを用いて測定し、その値を市販のメモリレコーダに記録した。そしてメモリレコーダに記録された測定値を読み出し、その測定値から放電電流の揺動幅を算出した。
In addition, Ar gas was introduced from the
図7のグラフでは、いずれの線径においても放電電流の揺動幅は1kHzの周波数において最小値を示している。従って、陰極加熱電源11から1kHzの周波数の交流電流を出力して熱陰極3に印加すれば、変動の最も少ないイオンビームを生成でき、結果として、イオン注入等においてより正確な制御が可能となる。
In the graph of FIG. 7, the fluctuation width of the discharge current shows a minimum value at a frequency of 1 kHz for any wire diameter. Therefore, if an alternating current having a frequency of 1 kHz is output from the cathode
なお、上述の実施の形態では、本発明の荷電粒子源の駆動方法をバーナス型イオン源に適用した場合について説明したが、本発明の荷電粒子源の駆動方法はバーナス型イオン源に限定されず、熱陰極を用いた他の荷電粒子源にも同様に適用できることは云うまでもない。 In the above-described embodiment, the case where the charged particle source driving method of the present invention is applied to a Bernas ion source has been described. However, the charged particle source driving method of the present invention is not limited to the Bernas ion source. Needless to say, the present invention can be similarly applied to other charged particle sources using a hot cathode.
1 イオン源
2 アークチャンバ
3 熱陰極
4、5 リフレクタ
7 ガス導入管
8 ビーム引出スリット
11 陰極加熱電源
12 放電電源
13 バイアス電源
21、22、23 壁
41、51 反射電極
42、52 支持体
61、62、63 絶縁支持部材
91 ラングミュアプローブ
92 直流電源
93 抵抗
94 オシロスコープ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
交流電源により前記熱陰極に加熱用の電流を供給すると共に、前記アークチャンバと前記熱陰極との間に直流の電圧を印加し、前記熱陰極から放出された電子を前記アークチャンバ内のガスに衝突させてプラズマを生成し、当該プラズマ中のイオンまたは電子を、前記アークチャンバの壁に形成されたスリットから引き出してイオンビームまたは電子ビームを生成する荷電粒子源の駆動方法であって、
あらかじめ電流計を用いて、前記アークチャンバと前記熱陰極との間に流れる、加熱用の交流電流に起因する第1の揺動成分とプラズマの振動現象に起因する第2の揺動成分を含む放電電流の値を測定し、
前記交流電源を、前記放電電流の第1の揺動成分と第2の揺動成分を足した値が最小となる周波数もしくはその近傍の周波数で駆動することを特徴とする荷電粒子源の駆動方法。 An arc chamber in which a gas introduction tube is attached to a wall and gas is introduced into the internal space therefrom, and a hot cathode that emits electrons and is attached to one wall of the arc chamber via a first insulating support member And a charged particle source with
A current for heating is supplied to the hot cathode by an AC power source, and a direct current voltage is applied between the arc chamber and the hot cathode, and electrons emitted from the hot cathode are supplied to the gas in the arc chamber. A charged particle source driving method for generating plasma by colliding to generate ions or electrons by extracting ions or electrons in the plasma from a slit formed in a wall of the arc chamber,
A first oscillating component caused by an alternating current for heating and flowing between the arc chamber and the hot cathode using an ammeter in advance and a second oscillating component caused by a plasma oscillation phenomenon are included. Measure the value of the discharge current,
A method for driving a charged particle source, wherein the AC power source is driven at a frequency at which a value obtained by adding the first fluctuation component and the second fluctuation component of the discharge current is minimum or a frequency in the vicinity thereof. .
前記アークチャンバの壁のうち前記熱陰極と対向する位置に、第2の絶縁支持部材を介して取り付けられた、反射電極を含む第1のリフレクタを備え、
かつ前記熱陰極と前記第1のリフレクタとを結ぶ方向に磁界が形成された荷電粒子源を用いることを特徴とする、請求項1に記載の荷電粒子源の駆動方法。 As the charged particle source,
A first reflector including a reflective electrode attached via a second insulating support member at a position facing the hot cathode in the wall of the arc chamber;
2. The method of driving a charged particle source according to claim 1, wherein a charged particle source having a magnetic field formed in a direction connecting the hot cathode and the first reflector is used.
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