JP2016225139A - プラズマ生成装置および熱電子放出部 - Google Patents

プラズマ生成装置および熱電子放出部 Download PDF

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Abstract

【課題】装置寿命およびプラズマ生成効率を向上させたプラズマ生成装置を提供する。
【解決手段】プラズマ生成装置は、プラズマが生成されるプラズマ生成領域を内部に有するアークチャンバ１２と、プラズマ生成領域に磁場Ｂを印加する磁場発生器１６と、プラズマ生成領域に印加される磁場Ｂの印加方向に沿った軸方向に延在するカソード３０であって、その先端に熱電子を放出するカソードキャップが設けられるカソード３０と、を備える。カソードキャップは、アークチャンバ１２の内部に向けて軸方向に突出し、アークチャンバ１２の内部に向かうにつれて軸方向と直交する径方向の幅が小さくなる形状を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ生成装置およびそれに用いられる熱電子放出部に関する。
半導体製造工程では、半導体の導電性を変化させる目的、半導体の結晶構造を変化させる目的などのため、半導体ウエハにイオンを注入する工程が標準的に実施されている。この工程で使用される装置は、一般にイオン注入装置と呼ばれる。
このようなイオン注入装置では、傍熱型のプラズマ生成装置を備えたイオン源によってイオンが生成される。傍熱型のプラズマ生成装置は、電流を流すことによってフィラメントを加熱して熱電子を発生させ、その熱電子によってカソードを加熱させる。加熱されたカソードから発生した熱電子は、アークチャンバ内で加速されてアークチャンバ内のソースガス分子と衝突し、ソースガス分子に含まれる原子を電離させてプラズマを生じさせる。生成されるプラズマ内部のイオンの一部は、拡散によってアークチャンバの出口孔（フロントスリット）に到達し、引出電極により生成される電界によって引き出されてイオンビームとなる。熱電子を放出するためのカソードは、例えば、フィラメントにより加熱されるキャップと、キャップが端部に取り付けられる管状部材とにより構成される（特許文献１参照）。
特開平８−２２７６８８号公報
アークチャンバ内に熱電子を放出するためのキャップは、アークチャンバの内部空間に露出しているため、アークチャンバ内で生成されるプラズマ中のイオンによりスパッタされ、イオン源の使用とともに損耗されうる。キャップの損耗が進むとイオンを安定的に生成することが困難となることから、イオン源の寿命を延ばすためにはキャップの厚さを大きくすることが望ましい。その一方で、キャップの厚さを大きくすると、キャップを十分に加熱して熱電子を安定的に生成するために必要な投入エネルギー量が増えてしまう。キャップの加熱に必要なエネルギー量が増えると、より高パワーの電源を用意する必要が生じるため、イオン源のコストに影響を及ぼしうる。
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、プラズマ生成装置および熱電子放出部の装置寿命およびプラズマ生成効率を向上させる技術を提供することにある。
本発明のある態様のプラズマ生成装置は、プラズマが生成されるプラズマ生成領域を内部に有するアークチャンバと、プラズマ生成領域に磁場を印加する磁場発生器と、プラズマ生成領域に印加される磁場の印加方向に沿った軸方向に延在するカソードであって、その先端に熱電子を放出するカソードキャップが設けられるカソードと、を備える。カソードキャップは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出し、アークチャンバの内部に向かうにつれて軸方向と直交する径方向の幅が小さくなる形状を有する。
本発明の別の態様は、熱電子放出部である。この熱電子放出部は、磁場が印加されるプラズマ生成領域を内部に有するアークチャンバ内に熱電子を放出するための熱電子放出部であって、プラズマ生成領域に印加される磁場の印加方向に沿った軸方向に延在するサーマルブレイクと、サーマルブレイクの先端に取り付けられ、アークチャンバ内に熱電子を放出するカソードキャップと、サーマルブレイクの内部に設けられ、カソードキャップを熱電子により加熱するフィラメントと、を備える。カソードキャップは、アークチャンバの内部に向けて軸方向に突出し、アークチャンバの内部に向かうにつれて軸方向と直交する径方向の幅が小さくなる形状を有する。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、装置寿命およびプラズマ生成効率を向上させたプラズマ生成装置および熱電子放出部を提供できる。
本発明のある実施の形態に係るプラズマ生成装置の概略構成を示す図である。 本発明のある実施の形態に係る熱電子放出部の構成を示す断面図である。 本発明のある実施の形態に係るフィラメントの構成を示す平面図である。 比較例に係る熱電子放出部の構成を示す断面図である。 本発明のある実施の形態に係る熱電子放出部が奏する効果を模式的に示す図である。 変形例に係る熱電子放出部の構成を示す断面図である。 変形例に係る熱電子放出部の構成を示す断面図である。 変形例に係る熱電子放出部の構成を示す断面図である。 変形例に係るプラズマ生成装置の概略構成を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
図１は、実施の形態に係るプラズマ生成装置１０の概略構成を示す図である。プラズマ生成装置１０は、傍熱型のイオン源であり、アークチャンバ１２と、熱電子放出部１４と、磁場発生器１６と、リペラー１８と、各種電源を備える。プラズマ生成装置１０の近傍には、アークチャンバ１２の内部からイオンを引き出すためのサプレッション電極２０およびグランド電極２２が配置される。
磁場発生器１６は、マグネットヨーク７０と、第１マグネットコイル７６と、第２マグネットコイル７８とを有する。マグネットヨーク７０は、アークチャンバ１２の外に設けられ、マグネットヨーク７０の第１磁極７２および第２磁極７４の間にアークチャンバ１２が位置するように設けられる。例えば、第１磁極７２がカソード３０側に設けられ、第２磁極７４がリペラー１８側に設けられる。また、マグネットヨーク７０は、第１磁極７２と第２磁極７４を結ぶ中心軸Ａの上にカソード３０およびリペラー１８が配置されるように設けられる。
第１磁極７２の周りには第１マグネットコイル７６が設けられ、第２磁極７４の周りには第２マグネットコイル７８が設けられる。第１マグネットコイル７６および第２マグネットコイル７８は、例えば、第１磁極７２がＮ極、第２磁極７４がＳ極となるように通電される。これにより、磁場発生器１６は、第１磁極７２から第２磁極７４に向かう磁場Ｂをアークチャンバ１２の内部空間に印加する。磁場発生器１６は、中心軸Ａの近傍において、中心軸Ａに沿った方向の磁場Ｂを発生させる。なお、磁場発生器１６は、中心軸Ａから離れた位置において、中心軸Ａに沿った方向から少しだけずれた方向に磁場を印加してもよい。
なお、以下の説明において、磁場発生器１６により生成される磁場Ｂの印加方向を軸方向といい、軸方向に直交する方向を径方向という。したがって、軸方向とは、磁場発生器１６の第１磁極７２と第２磁極７４を結ぶ中心軸Ａに沿った方向ということができる。
アークチャンバ１２は、略直方体の箱型形状を有する。アークチャンバ１２は、高融点材料、具体的には、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属やそれらの合金、グラファイト（Ｃ）等で構成されている。これにより、アークチャンバ内が比較的高温となる環境下でも、アークチャンバを溶けにくくできる。
アークチャンバ１２は、上面板１２ａと、下面板１２ｂと、側壁板１２ｃと、を含む。側壁板１２ｃには、ソースガスを導入するガス導入口２４と、イオンビームが引き出される開口部としてのフロントスリット２６とが形成されている。上面板１２ａには、熱電子放出部１４が設けられ、下面板１２ｂにはリペラー１８が挿通される。
アークチャンバ１２は、軸方向に側壁板１２ｃが延在するように配置され、上面板１２ａと下面板１２ｂが軸方向に対向するように配置されている。したがって、上面板１２ａから下面板１２ｂに向かう方向を軸方向ということもできる。なお、以下の説明において、アークチャンバ１２の内部を内側、アークチャンバ１２の外部を外側ともいう。
熱電子放出部１４は、アークチャンバ内に熱電子を放出するものであり、フィラメント２８とカソード３０を有する。熱電子放出部１４は、上面板１２ａの取付孔１２ｄに挿入され、アークチャンバ１２と絶縁された状態で固定される。
フィラメント２８は、フィラメント電源３４で加熱され、先端に熱電子を発生させる。フィラメント２８で発生した１次熱電子は、カソード電源３６によるカソード電界で加速され、カソード３０に衝突し、その衝突により発生する熱でカソード３０を加熱する。加熱されたカソード３０は２次熱電子４０を発生させ、この２次熱電子４０が、アーク電源３８によってカソード３０とアークチャンバ１２との間に印加されたアーク電圧によって加速される。加速された２次熱電子４０は、ガス分子を電離してプラズマを生成するのに十分なエネルギーを持ったビーム電子としてアークチャンバ１２中に放出される。
アークチャンバ１２内に放出されるビーム電子は、アークチャンバ１２の内部に軸方向に印加される磁場Ｂに束縛され、磁場Ｂに沿って螺旋状に運動する。アークチャンバ１２内で電子を螺旋状に運動させることにより、プラズマ４２が生成される位置に電子の運動を制限することによりプラズマ生成効率を高めることができる。なお、プラズマ４２が生成される領域のことを「プラズマ生成領域」ともいう。このプラズマ生成領域は、アークチャンバ１２の内部空間の少なくとも一部に相当する。
リペラー１８は、リペラープレート３２を有する。リペラープレート３２は、プラズマ４２が生成される位置を挟んで熱電子放出部１４と軸方向に対向する位置に設けられており、カソード３０と対向してほぼ平行に設けられている。リペラープレート３２は、アークチャンバ内の電子を跳ね返して、プラズマ４２が生成されるプラズマ生成領域に電子を滞留させてプラズマ生成効率を高める。
つづいて、図２を参照しながら、熱電子放出部１４の構成について詳述する。図２は、実施の形態に係る熱電子放出部１４の構成を示す断面図である。
熱電子放出部１４は、フィラメント２８と、カソード３０と、サーマルリフレクタ５６を備える。カソード３０は、カソードキャップ５０と、サーマルブレイク５２と、カソードリテーナ５４を含む。熱電子放出部１４は、アークチャンバ１２の上面板１２ａと接触しないように取付孔１２ｄと間隔をあけて取付孔１２ｄに挿入され、取付プレート４６に固定される。カソード３０およびサーマルリフレクタ５６は、同電位であり、アークチャンバ１２とは異なるアーク電位が印加される。
カソードキャップ５０は、フィラメント２８により加熱されてアークチャンバ内に熱電子を放出する部材であり、例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、グラファイト（Ｃ）などを含む高融点材料で構成される。カソードキャップ５０は、アークチャンバ１２の内部空間に向けて軸方向に突出する中実部材である。カソードキャップ５０は、アークチャンバ１２の内部空間に露出する熱電子放出面５０ａと、フィラメント２８に対向する熱流入面５０ｂと、径方向外側に突出するフランジ５０ｃとを有する。
カソードキャップ５０は、軸方向に延びる中心軸（例えば、図１の中心軸Ａ）に対して回転対称な形状を有し、アークチャンバ１２の内部に向かうにつれて径方向の幅（例えば、フランジ５０ｃの近傍の位置では全幅ｗに相当する）が小さくなる形状を有する。また、カソードキャップ５０は、軸方向の長さｌが径方向の全幅ｗの１／２以上となる形状を有する。カソードキャップ５０は、例えば、図示されるような円錐台形状を有し、長さｌが全幅ｗの０．５倍〜０．９倍程度となる形状を有する。
熱電子放出面５０ａは、軸方向に直交する平面で構成される前面５０ｄと、円錐面で構成される側面５０ｅとで構成される。本実施の形態において、熱電子放出面５０ａは、磁場Ｂの印加方向である軸方向と交差する向きの平面および曲面で構成される。特に、カソードキャップ５０の側面５０ｅが軸方向と斜めに交差する曲面となるように構成される。
熱流入面５０ｂは、軸方向に直交する平面で構成され、後述する図３で示すような渦巻き形状のフィラメント２８との距離が一定となるように配置される。これにより、フィラメント２８から放出される１次熱電子によってカソードキャップ５０が均一に加熱されるようにする。
フランジ５０ｃは、熱流入面５０ｂの位置またはその近傍に設けられる。フランジ５０ｃは、サーマルブレイク５２とカソードリテーナ５４の間に挟み込まれて係止される。これにより、カソードキャップ５０は、サーマルブレイク５２およびカソードリテーナ５４の端部に固定され、サーマルブレイク５２およびカソードリテーナ５４の端部からアークチャンバ１２の内部空間へ向けて突出する。
サーマルブレイク５２は、アークチャンバ１２の外から内へ向けて軸方向に延在する筒状部材であり、カソードキャップ５０を固定する部材である。サーマルブレイク５２は、例えば、カソードキャップ５０の形状に対応して円筒形状を有する。サーマルブレイク５２は、例えば、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）などを含む高融点材料で構成される。
サーマルブレイク５２は、カソードキャップ５０を係止するための係止端部５２ａと、アークチャンバ１２の外に設けられる取付プレート４６に取り付けするための取付端部５２ｂを有する。取付端部５２ｂは、取付プレート４６に直接取り付けられてもよいし、カソードリテーナ５４を介して取付プレート４６に間接的に取り付けられてもよい。つまり、サーマルブレイク５２は、取付端部５２ｂにおいてカソードリテーナ５４に固定されてもよい。
サーマルブレイク５２は、カソードキャップ５０を高温状態に保つため、熱絶縁性の高い形状を有することが望ましく、例えば、軸方向に長く、肉厚の薄い形状を有する。サーマルブレイク５２をこのような形状とすることで、カソードキャップ５０と取付プレート４６との間の熱絶縁性が高められる。これにより、フィラメント２８から放出される熱電子により加熱されるカソードキャップ５０は、サーマルブレイク５２を介して取付プレート４６へ放冷されにくくなる。
カソードリテーナ５４は、サーマルブレイク５２の内側に設けられる部材であり、サーマルブレイク５２に沿って軸方向に延在する筒状部材である。カソードリテーナ５４は、例えば、タングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔａ）などを含む高融点材料で構成される。カソードリテーナ５４は、カソードキャップ５０を押さえるための固定端部５４ａと、取付プレート４６に取り付けするための取付端部５４ｂを有する。カソードリテーナ５４も、サーマルブレイク５２と同様に、軸方向に長く、肉厚の薄い形状とすることが望ましい。
フィラメント２８は、二本のリード電極４４に接続されており、アークチャンバ１２の外に設けられる取付プレート４６に絶縁部４８を介して固定される。図３は、アークチャンバの内部から軸方向に見たときのフィラメント２８の形状を示す平面図である。図示されるように、フィラメント２８はタングステンワイヤを渦巻き状に曲げて形成される。また、フィラメント２８は、図２に示されるように、カソードキャップ５０の熱流入面５０ｂと一定の距離で対向するように配置される。
フィラメント２８は、カソードキャップ５０、サーマルブレイク５２およびカソードリテーナ５４によって区画されるカソード３０の内部に設けられる。これにより、フィラメント２８をアークチャンバ１２の内部空間で生成されるプラズマから隔離して、フィラメント２８の劣化を防ぐ。
サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２の径方向外側に設けられ、サーマルブレイク５２の外周面５２ｃに対向して軸方向に延在する筒状形状を有する。サーマルリフレクタ５６は、例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、グラファイト（Ｃ）などの高融点材料で構成される。サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０の前面５０ｄの近傍で径方向外側に延びる開口端部５６ａと、サーマルブレイク５２の取付端部５２ｂの近傍で径方向内側に延びてサーマルブレイク５２に接続される接続端部５６ｂと、を有する。
サーマルリフレクタ５６は、高温状態となるカソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２からの輻射熱を反射し、カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２の高温が維持されるようにする。サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０の側面５０ｅからの輻射熱を反射できるように、側面５０ｅと向かい合う位置まで軸方向に延びることが望ましい。言いかえれば、サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０を係止するサーマルブレイク５２よりも、アークチャンバ１２の内部に向けて軸方向に延びていることが望ましい。サーマルリフレクタ５６は、例えば、カソードキャップ５０の長さｌが１／２となる位置よりもアークチャンバ１２の内部に向けて軸方向に延びていることが望ましい。
また、カソードキャップ５０とサーマルリフレクタ５６の配置を比較すると、サーマルリフレクタ５６の端部よりもカソードキャップ５０の先端部がアークチャンバ１２の内部に向けて突出している。これにより、カソードキャップ５０の先端部に近い側面５０ｅから放出される熱電子を効果的にアークチャンバ１２の内部に向けて放出することができる。カソードキャップ５０の突出量、つまり、サーマルリフレクタ５６の開口端部５６ａからカソードキャップ５０の先端部までの軸方向の長さｌ０は、カソードキャップ５０の軸方向の長さｌの１０％以上であることが好ましく、１５％〜３０％程度であることがより好ましい。
また、サーマルリフレクタ５６は、サーマルブレイク５２の取付端部５２ｂの近傍において、サーマルブレイク５２に取り付けられることが望ましい。言いかえれば、サーマルリフレクタ５６は、カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２の係止端部５２ａから離れた位置に取り付けられ、サーマルブレイク５２がサーマルリフレクタ５６によって覆われることが望ましい。仮に、カソードキャップ５０およびサーマルブレイク５２の係止端部５２ａの近くにサーマルリフレクタ５６を取り付けると、輻射熱による放熱でサーマルブレイク５２の温度が下がってカソードキャップ５０の熱がサーマルブレイク５２に逃げやすくなり、カソードキャップ５０の温度低下につながるからである。
以上の構成を有するプラズマ生成装置１０において、カソードキャップ５０は、フィラメント２８から放出される熱電子により加熱され、熱電子放出面５０ａから熱電子を放出する。カソードキャップ５０から放出される熱電子は、カソード３０とアークチャンバ１２との間のアーク電圧により加速され、ビーム電子としてアークチャンバ１２中に放出される。放出されるビーム電子は、図１に示されるカソード３０とリペラー１８の間で往復移動するとともに、軸方向の磁場Ｂに沿った螺旋状の軌道を描いて移動する。
往復移動するビーム電子は、アークチャンバ１２に導入されるソースガス分子と衝突し、ソースガス分子を電離させてプラズマ４２をアークチャンバ１２内に生成する。ビーム電子は、印加磁場Ｂによってほぼ限定された範囲に存在するため、プラズマはその範囲で主に生成される。生成されたプラズマ内部のイオンは、拡散によりアークチャンバ１２の内壁、フロントスリット２６、カソード３０、リペラー１８に到達する。フロントスリット２６に到達したイオンは、引出電極であるサプレッション電極２０およびグランド電極２２を通じて加速され、アークチャンバ１２の外へ引き出される。
ソースガスとしては、希ガスおよび水素（Ｈ２）や、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等の水素化物、三フッ化ホウ素（ＢＦ３）、四フッ化ゲルマニウム（ＧｅＦ４）等のフッ化物、三塩化インジウム（ＩｎＣｌ３）等の塩化物、三ヨウ化インジウム（ＩｎＩ３）等のヨウ化物などを含むハロゲン化物が用いられる。また、ソースガスとしては、二酸化炭素（ＣＯ２）一酸化炭素（ＣＯ）、酸素（Ｏ２）などの酸素原子（Ｏ）を含む物質も用いられる。これらのソースガスは、アークチャンバ１２にガス導入口２４を通じて導入され、２次熱電子４０によりイオン化される。励起されたイオンがアークチャンバ１２の内壁、カソード３０、リペラー１８に入射して衝突すると、各部の構成素材（Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、グラファイト等）をスパッタや化学的エッチングにより摩滅させる。
ソースガスとしてフッ素原子や酸素原子を含む物質を用いる場合、アークチャンバ内において反応性の高いフッ素ラジカルや酸素ラジカルが発生する。発生したフッ素ラジカルや酸素ラジカルは、プラズマ生成装置１０を構成する各部の構成素材（Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、グラファイト等）を蝕耗させる。特に、高温となるカソード３０の周辺では、フッ素ラジカルや酸素ラジカルによる蝕耗の度合いが大きく、アークチャンバ１２の内部空間に露出するカソードキャップ５０の熱電子放出面５０ａは使用とともに損耗されていく。熱電子放出面５０ａが損耗してしまうと、安定的なプラズマ生成が困難となるため、損傷したカソードキャップ５０を交換するなどのメンテナンスが必要となってしまう。メンテナンスの頻度が高まると、プラズマ生成装置１０の稼働率が低下し、イオン注入装置を用いる工程の生産性が低下するとともに、メンテナンスコストが増大する。
また、発生したフッ素ラジカルや酸素ラジカルによりスパッタされて飛散する物質は、アークチャンバ１２の内部に設けられる各構成部材の表面に付着し、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃといった熱伝導性の比較的高い物質として堆積される。このような熱伝導性の高い物質がサーマルブレイク５２に付着すると、サーマルブレイク５２の厚さが増大して熱絶縁性が低下していく。そうすると、カソードキャップ５０の温度を維持するためにフィラメント２８への投入電力を大きくしなければならなくなる。一般に、フィラメント電源３４の容量には上限があるため、サーマルブレイク５２の熱絶縁性が低下すると、上限値まで投入電力を引き上げてもカソードキャップ５０を必要とする温度に維持できなくなるおそれがある。そうすると、サーマルブレイク５２を交換するなどのメンテナンスが必要となり、プラズマ生成装置１０の稼働率が低下してしまう。したがって、サーマルブレイク５２の熱絶縁性が低下したとしてもカソードキャップ５０を十分に加熱して熱電子を放出できるように、より少ない入熱量でプラズマ生成に必要な状態を維持できることが望ましい。
本実施の形態では、カソードキャップ５０の長さｌを全幅ｗの１／２以上と厚くすることで、カソードキャップ５０の耐久性を高めている。また、カソードキャップ５０の熱電子放出面５０ａを磁場Ｂの印加方向（軸方向）と交差する平面または曲面で構成することにより、放出される熱電子が効率的にアークチャンバ１２の内部へ供給されるようにしている。以下、本実施の形態において熱電子が効率的にアークチャンバ１２の内部へ供給される作用について、比較例を用いながら説明する。
図４は、比較例に係る熱電子放出部１１４の構成を示す断面図である。熱電子放出部１１４は、カソード１３０のカソードキャップ１５０が円筒形状で構成される点で上述の実施の形態と異なるが、その他の構成は上述の実施の形態と同様である。以下、比較例について、上述の実施の形態との相違点を中心に述べる。
カソードキャップ１５０は、上述の実施の形態に係るカソードキャップ５０と異なり、円筒形状を有する。いいかえれば、カソードキャップ１５０は、磁場Ｂが印加される軸方向にわたって径方向の幅ｗが一定となる形状を有する。熱電子放出面１５０ａは、軸方向に直交する平面である前面１５０ｄと、軸方向に延びる円筒面である側面１５０ｅとで構成される。側面１５０ｅは、軸方向に平行な曲面である。
一般に、プラズマと部材表面とが接する境界には、プラズマシースと呼ばれる領域が存在する。プラズマ４２と接するカソードキャップ１５０の表面にもプラズマシースが存在する。このプラズマシースは、熱電子放出面１５０ａの近傍において、その表面に垂直な方向の電界を生じさせる。カソードキャップ１５０から放出された熱電子は、熱電子放出面１５０ａの近傍に形成されるプラズマシース内の電界により加速される。このため、熱電子放出面１５０ａから放出される熱電子は、熱電子放出面１５０ａに垂直な方向に加速される。例えば、前面１５０ｄから放出される熱電子は、矢印１６１で示すように軸方向に放出されてアークチャンバ１２の内部に向かう。
一方、側面１５０ｅから放出される熱電子は、矢印１６２で示すように径方向外側に放出される。径方向の速度成分を有する熱電子は、軸方向の磁場Ｂによってローレンツ力を受けて軸方向に直交する面内で円運動する。その結果、側面１５０ｅから放出される熱電子は、サーマルリフレクタ５６の内周面５６ｃに衝突するか、矢印１６３に示すようにカソードキャップ１５０に戻ってカソードキャップ１５０に衝突して消滅する。したがって、本比較例に係るカソードキャップ１５０の側面１５０ｅから放出される熱電子のほとんどは、アークチャンバ１２の内部へ向かうことなく消滅し、アークチャンバ１２内でのプラズマの生成に寄与しない。
仮に、カソードキャップ１５０が軸方向に薄い形状であれば、側面１５０ｅから放出される熱電子がプラズマの生成に寄与しなくてもそれほど問題にならないかもしれない。しかしながら、カソードキャップ１５０の耐久性を高めるために軸方向の厚さを大きくしようとすると、熱電子放出面１５０ａに占める側面１５０ｅの割合は大きくなる。側面１５０ｅの面積が大きくなると熱電子放出面１５０ａからの放射熱量が増大し、カソードキャップ１５０の温度を維持するために必要な投入エネルギー量が増える。その一方で、プラズマ生成に寄与する熱電子の放出が可能な前面１５０ｄの面積は変わらないため、投入エネルギーに対する熱電子の放出量は低下してしまう。つまり、カソードキャップ１５０を円筒形状のまま軸方向の厚さを大きくすると、アークチャンバ１２内への熱電子の供給効率が低下してしまう。
図５は、本実施の形態に係る熱電子放出部１４が奏する効果を模式的に示す図である。カソードキャップ５０の前面５０ｄから放出される熱電子は、矢印６１で示されるようにアークチャンバ１２の内部へと向かう。また、側面５０ｅから放出される熱電子は、側面５０ｅに垂直な方向の初速度ｖ０を有し、径方向の速度成分ｖ１とともに軸方向の速度成分ｖ２を有する。側面５０ｅから放出される熱電子は、径方向の速度成分ｖ１に起因するローレンツ力によって円運動するとともに軸方向に速度ｖ２で進行する。そのため、側面５０ｅから放出される熱電子は、矢印６２で示されるように、磁場Ｂの印加方向に沿った螺旋軌道を描くようにしてアークチャンバ１２の内部に向かうことができる。本実施の形態では、側面５０ｅを軸方向に対して斜めとなるように構成することで、側面５０ｅから放出される熱電子をアークチャンバ１２の内部へ向かわせてプラズマの生成に寄与させることができる。
また、本実施の形態によれば、カソードキャップ５０を円錐台形状とすることにより、円筒形状のカソードキャップ１５０と比べて、カソードキャップの体積に対する熱電子放出面の面積の比率（比表面積）を小さくすることができる。熱電子放出面から失われる放射熱量は表面積の大きさに比例するため、円錐台形状のカソードキャップ５０では、円筒形状のカソードキャップ１５０よりも放射熱による熱損失が小さい。その結果、カソードキャップ５０および１５０の体積を同じとした場合に、熱電子放出に適した温度の維持に必要な投入エネルギー量を比較例よりも小さくできる。
また、本実施の形態によれば、カソードキャップ５０を円錐台形状とすることにより、熱流入面５０ｂのうちフィラメント２８に対向する中央部から熱電子放出面５０ａ上の各地点までの距離の差を小さくすることができる。その結果、フィラメント２８から入力されて熱電子放出面５０ａ上の各地点に伝達される熱量の差を小さくし、熱電子放出面５０ａを均等に加熱することができる。これにより、熱電子放出面５０ａの温度ムラを抑制して、熱電子放出面５０ａの全面から熱電子を放出させるのに必要な投入エネルギー量を比較例よりも小さくできる。
また、本実施の形態によれば、カソードキャップ５０および１５０の体積を同じとし、熱流入面５０ｂおよび１５０ｂを同一形状とした場合に、軸方向の長さｌを比較例よりも大きくできる。これにより、カソードキャップ５０の加熱に必要なエネルギー量の増加を抑えながらカソードキャップ５０の耐損耗性を高めることができる。特に、カソードキャップ５０の中央部は、サーマルリフレクタ５６に近い周縁部と比べてプラズマ密度が高く、プラズマにより損耗されやすい。したがって、カソードキャップ５０の中央部の厚さを大きくすることで、カソードキャップ５０の耐久性を効果的に向上させることができる。
以上をまとめると、本実施の形態によれば、カソードキャップ５０を円錐台形状とすることで、カソードキャップ５０の加熱に必要なエネルギー量を抑えるとともに、側面５０ｅから放出される熱電子もプラズマ生成に寄与させることができる。また、カソードキャップ５０の中央部の軸方向の長さｌを大きくしてカソードキャップ５０の耐久性を高めることができる。したがって、本実施の形態によれば、カソードキャップ５０に起因する熱電子放出部１４の装置寿命を向上させるとともに、プラズマ生成装置１０のプラズマ生成効率を向上させることができる。
（変形例１）
図６は、変形例に係る熱電子放出部２１４の構成を示す断面図である。本変形例に係るカソード２３０は、半球形状のカソードキャップ２５０を有する点で上述の実施の形態と相違する。以下、本変形例について、上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。
カソードキャップ２５０は、熱電子放出面２５０ａと、熱流入面２５０ｂと、フランジ２５０ｃとを有する。カソードキャップ２５０は、図示されるような半球形状または球体もしくは回転楕円体の一部切り取ったような形状を有する。したがって、カソードキャップ２５０は、アークチャンバ１２の内部に向かうにつれて径方向の幅ｗが小さくなる形状を有する。熱電子放出面２５０ａは、球面や楕円面などの凸曲面で構成されており、磁場Ｂの印加方向である軸方向と交差する向きの曲面で構成される。
本変形例においても、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。例えば、比較例に係るカソードキャップ１５０の形状を直径ｗ＝１２ｍｍ、長さｌ＝８ｍｍの円筒形状とした場合、回転楕円体を半分にしたような形状を有する比較例とほぼ同体積のカソードキャップ２５０では、熱電子放出面２５０ａの面積が約７％減少する。これにより、プラズマの生成条件を同じとした場合、カソードキャップ２５０の加熱に必要なエネルギー量を約７％低減させることができる。また、同条件のカソードキャップ２５０の長さｌは、比較例と比べて約５０％増加するため、カソードキャップ２５０が損耗される時間を約５０％延ばすことができる。
（変形例２）
図７は、変形例に係る熱電子放出部３１４の構成を示す断面図である。本変形例に係るカソード３３０は、円錐台の上面に凸曲面を付加したような形状のカソードキャップ３５０を有する点で上述の実施の形態と相違する。以下、本変形例について、上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。
カソードキャップ３５０は、円錐台形状の第１部分３５１と、球体の一部を切り取ったような形状の第２部分３５２とを有する。第１部分３５１は、フィラメント２８と対向する熱流入面３５０ｂと、円錐面で構成される側面３５０ｅと、熱流入面３５０ｂから径方向外側に突出するフランジ３５０ｃを有する。第２部分３５２は、球面または楕円面などの凸曲面で構成される前面３５０ｄを有する。第２部分３５２の側面３５０ｅおよび第１部分３５１の前面３５０ｄは、カソードキャップ３５０の熱電子放出面３５０ａを構成する。
本変形例においても、カソードキャップ３５０がアークチャンバ１２の内部に向かうにつれて径方向の幅ｗが小さくなる形状を有する。また、熱電子放出面３５０ａは、磁場Ｂの印加方向である軸方向と交差する向きの曲面で構成される。したがって、本変形例においても上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
（変形例３）
図８は、変形例に係る熱電子放出部４１４の構成を示す断面図である。本変形例に係るカソード４３０は、側面４５０ｅの軸方向に対する傾きが段階的に変化するような回転体形状のカソードキャップ４５０を有する点で上述の実施の形態と相違する。以下、本変形例について、上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。
カソードキャップ４５０は、円筒形状の第１部分４５１と、円錐台形状の第２部分４５２および第３部分４５３を有する。第１部分４５１、第２部分４５２および第３部分４５３は、アークチャンバ１２の内部に向かって順に積み重ねられている。第１部分４５１は、フィラメント２８と対向する熱流入面４５０ｂと、円筒面で構成される第１側面４５１ｅと、熱流入面４５０ｂから径方向外側に突出するフランジ４５０ｃを有する。第２部分４５２は、円錐面で構成される第２側面４５２ｅを有する。第３部分４５３は、第２側面４５２ｅと傾きの異なる第３側面４５３ｅと、前面４５０ｄとを有する。第１側面４５１ｅ、第２側面４５２ｅおよび第３側面４５３ｅは、カソードキャップ４５０の側面４５０ｅを構成する。また、前面４５０ｄおよび側面４５０ｅは、カソードキャップ４５０の熱電子放出面４５０ａを構成する。
本変形例において、カソードキャップ４５０の一部は、径方向の幅ｗが軸方向に一定となる円筒形状を有する第１部分４５１で構成されている。円筒面である第１側面４５１ｅは、磁場Ｂの印加方向と平行な曲面となるため、図４に示したように、熱電子放出面として有効に機能しないかもしれない。一方で、円錐面である第２側面４５２ｅや第３側面４５３ｅは、上述の実施の形態と同様に熱電子放出面として有効に機能しうる。したがって、熱電子放出面４５０ａに占める第１側面４５１ｅの面積が相対的に小さければ、言いかえれば、第２側面４５２ｅや第３側面４５３の面積が相対的に大きければ、上述の実施の形態と同様の効果が得られると言える。このような効果を得るには、第１部分４５１の長さｌ１をカソードキャップ４５０の長さｌの１／２以下、好ましくは、１／３以下とすればよい。また、円筒形状とする第１部分４５１は、フィラメント２８に近い位置、つまり、アークチャンバ１２の内部空間から離れた位置に設けることが望ましい。本変形例によれば、カソードキャップ４５０を部分的に円筒形状とする場合であっても、プラズマの生成効率およびカソードキャップ４５０の耐久性を向上させる効果を得ることができる。
（変形例４）
図９は、変形例に係るプラズマ生成装置５１０の概略構成を示す図である。本変形例は、引出開口５２６がアークチャンバ５１２の側壁板５１２ｃではなく、熱電子放出部５１４に対向する下面板５１２ｂに設けられる点で上述の実施の形態と相違する。以下、本変形例ついて、上述の実施の形態との相違点を中心に説明する。
プラズマ生成装置５１０は、アークチャンバ５１２と、熱電子放出部５１４と、磁場発生器５１６と、リペラープレート５３２と、各種電源としてフィラメント電源５３４、カソード電源５３６およびアーク電源５３８を備える。プラズマ生成装置５１０の近傍には、引出電極であるサプレッション電極５２０およびグランド電極５２２が配置される。
アークチャンバ５１２は、軸方向に延在する側壁板５１２ｃと、側壁板５１２ｃの両端に設けられる上面板５１２ａおよび下面板５１２ｂとを備える。上面板５１２ａの取付孔５１２ｄには、熱電子放出部５１４が設けられる。下面板５１２ｂには、アークチャンバ１２の内部で生成されるプラズマからイオンを引き出すための引出開口５２６が設けられる。
熱電子放出部５１４は、フィラメント５２８と、カソード５３０と、サーマルリフレクタ５５６とを備える。カソード５３０は、カソードキャップ５５０と、カソードブレイク５５２とを含む。カソードキャップ５５０は、上述の実施の形態に係るカソードキャップ５０と同様に円錐台形状を有し、軸方向と交差する向きの平面および曲面で構成される熱電子放出面を有する。なお、カソードキャップ５５０は、上述の変形例のように、円錐台以外の形状を有してもよい。
磁場発生器５１６は、アークチャンバ５１２の径方向外側に設けられ、アークチャンバ５１２の内部に軸方向の磁場Ｂを発生させる。磁場発生器５１６は、ソレノイドコイル５７０を備える。アークチャンバ５１２とソレノイドコイル５７０の間には、アークチャンバ５１２の放射熱からソレノイドコイル５７０を保護するためのヒートシールド５６０が設けられる。
リペラープレート５３２は、アークチャンバ５１２の内部であって熱電子放出部５１４に対向する位置に設けられる。リペラープレート５３２は、例えば、下面板５１２ｂの近傍に下面板５１２ｂと離れて設けられる。リペラープレート５３２は、例えば円板形状を有し、その中心部に引出開口５２６と連通する開口５３２ａが設けられる。
以上の構成を有するプラズマ生成装置５１０において、カソードキャップ５５０は、フィラメント５２８から放出される熱電子により加熱されて熱電子を放出する。カソードキャップ５５０から放出される熱電子は、カソード５３０とアークチャンバ５１２との間のアーク電圧により加速され、ビーム電子としてアークチャンバ５１２中に放出される。放出されるビーム電子は、カソード５３０とリペラープレート５３２の間で往復移動するとともに、軸方向の磁場Ｂに沿った螺旋状の軌道を描いて移動する。往復移動するビーム電子は、アークチャンバ５１２内部のソースガス分子と衝突し、ソースガス分子を電離させてプラズマを生成させる。生成されたプラズマ内部のイオンの一部は、拡散により引出開口５２６に到達し、引出電極であるサプレッション電極５２０およびグランド電極５２２を通じて、アークチャンバ５１２の外へ引き出される。
本変形例においても、カソードキャップ５５０の熱電子放出面が磁場Ｂが印加される軸方向に交差する平面および曲面で構成されるため、上述の実施の形態と同様に、熱電子の放出効率を高めるとともに、カソードキャップ５５０の耐久性を向上させることができる。したがって、本変形例に示すような軸方向にイオンが引き出されるプラズマ生成装置においても、上述したカソードキャップ２５０，３５０，４５０，５５０の形状を採用することで、上述の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
上述の実施の形態および変形例では、カソードキャップを回転対称形状とする場合を示した。さらなる変形例においては、非回転対称となる形状のカソードキャップを用いてもよい。例えば、カソードキャップの側面として、円錐面の代わりに軸方向に斜めに交差する複数の平面を用いてもよい。より具体的には、カソードキャップの側面として多角錐面などを用いてもよい。
上述の実施の形態および変形例では、カソードキャップの側面を円錐面や球面などで構成する場合を示した。さらなる変形例においては、アークチャンバの内部に向かって径方向の幅が小さくなる形状である限り、熱電子放出面は任意の曲率や形状を有する曲面であってもよい。例えば、熱電子放出面は、凸曲面であってもよいし、凹曲面であってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。
上述の実施の形態および変形例では、アークチャンバ１２が略直方体形状で形成される場合を示した。さらなる変形例においては、アークチャンバが略球体形状であってもよいし、円筒形状や角筒形状であってもよい。アークチャンバが筒形状である場合には、アークチャンバの側面が軸方向に延在するように設けられ、軸方向に対向する開口端のそれぞれに熱電子放出部とリペラーが設けられてもよい。
上述の実施の形態および変形例では、カソード３０の少なくとも一部がアークチャンバ１２の内部に配置される構成を示した。さらなる変形例においては、カソードがアークチャンバの内部ではなく、アークチャンバの外に設けられてもよい。例えば、アークチャンバが筒形状である場合には、アークチャンバの開口端からアークチャンバの外側に離れた位置にカソードが配置されてもよい。この場合においても、カソードキャップは、アークチャンバの内部に向かって突出するように設けられ、アークチャンバの内部に熱電子を供給するように構成される。
１０…プラズマ生成装置、１２…アークチャンバ、１４…熱電子放出部、１６…磁場発生器、２８…フィラメント、３０…カソード、４０…熱電子、４２…プラズマ、５０…カソードキャップ、５０ａ…熱電子放出面、５０ｂ…熱流入面、５２…サーマルブレイク、５６…サーマルリフレクタ。

Claims (15)

  1. プラズマが生成されるプラズマ生成領域を内部に有するアークチャンバと、
    前記プラズマ生成領域に磁場を印加する磁場発生器と、
    前記プラズマ生成領域に印加される前記磁場の印加方向に沿った軸方向に延在するカソードであって、その先端に熱電子を放出するカソードキャップが設けられるカソードと、
    を備え、
    前記カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記軸方向と直交する径方向の幅が小さくなる形状を有することを特徴とするプラズマ生成装置。
  2. 前記カソードキャップは、前記アークチャンバの内部空間に露出する熱電子放出面を有し、前記熱電子放出面は、前記軸方向と斜めに交差する曲面および平面の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成装置。
  3. 前記熱電子放出面は、球面または楕円面を含むことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ生成装置。
  4. 前記熱電子放出面は、円錐面を含むことを特徴とする請求項２または３に記載のプラズマ生成装置。
  5. 前記熱電子放出面は、前記軸方向に延びる円筒面を有し、前記円筒面の前記軸方向の長さが前記カソードキャップの前記軸方向の長さの１／２以下となるように構成されることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
  6. 前記カソードキャップは、前記軸方向に延びる中心軸に対して回転対称な形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
  7. 前記カソードキャップは、円錐台の上面に凸曲面を付加した形状を有することを特徴とする請求項６に記載のプラズマ生成装置。
  8. 前記カソードキャップは、前記軸方向の長さが前記径方向の幅の１／２以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
  9. 前記カソードキャップの径方向外側に設けられ、前記軸方向に延在する筒状のサーマルリフレクタをさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
  10. 前記サーマルリフレクタは、前記カソードキャップの前記軸方向の長さが１／２となる位置よりも前記アークチャンバの内部に向けて軸方向に延在することを特徴とする請求項９に記載のプラズマ生成装置。
  11. 前記サーマルリフレクタの端部から前記カソードキャップの先端部までの前記軸方向の長さが、前記カソードキャップの前記軸方向の長さの１０％以上であることを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ生成装置。
  12. 前記カソードの内部に設けられ、前記カソードキャップを熱電子により加熱するフィラメントをさらに備え、
    前記カソードキャップは、前記フィラメントと対向する熱流入面を有し、前記流入面は、前記軸方向と直交する平面で構成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
  13. 前記アークチャンバを構成する壁面の一部には、前記壁面を前記軸方向に貫通する取付孔が設けられており、
    前記カソードは、前記取付孔に挿通されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
  14. 前記プラズマ生成領域を挟んで前記カソードと前記軸方向に対向する位置に設けられるリペラーをさらに備えることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のプラズマ生成装置。
  15. 磁場が印加されるプラズマ生成領域を内部に有するアークチャンバ内に熱電子を放出するための熱電子放出部であって、
    前記プラズマ生成領域に印加される前記磁場の印加方向に沿った軸方向に延在するサーマルブレイクと、
    前記サーマルブレイクの先端に取り付けられ、前記アークチャンバ内に熱電子を放出するカソードキャップと、
    前記サーマルブレイクの内部に設けられ、前記カソードキャップを熱電子により加熱するフィラメントと、を備え、
    前記カソードキャップは、前記アークチャンバの内部に向けて前記軸方向に突出し、前記アークチャンバの内部に向かうにつれて前記軸方向と直交する径方向の幅が小さくなる形状を有することを特徴とする熱電子放出部。
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