JP4111186B2 - Ion irradiation equipment - Google Patents

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Description

本発明はイオン照射対象物品にイオンを照射するイオン照射装置、特に、真空チャンバ内において、通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバへ導入したガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置に関する。   The present invention relates to an ion irradiation apparatus for irradiating ions to an ion irradiation target article, and in particular, an electron emitted from an electron source using a filament that emits thermoelectrons by resistance heating by energization is introduced into the vacuum chamber. The present invention relates to an ion irradiation apparatus that generates plasma by colliding with a gas and irradiates an ion irradiation target article with ions in the plasma.

機械部品、工具、自動車部品などの物品への膜形成、イオン注入、表面改質などの処理は、一般的には、真空チャンバ内で行われることが多い。かかる処理のための一連のプロセスでは、物品の表面をクリーニングしたり、物品の表面を適度に荒らしたり、或いは物品の表面温度を上昇させる処理を伴うことが多々ある。   In general, processes such as film formation, ion implantation, and surface modification on articles such as machine parts, tools, and automobile parts are often performed in a vacuum chamber. A series of processes for such treatment often involves cleaning the surface of the article, moderately roughening the article surface, or increasing the surface temperature of the article.

例えば、成膜プロセスにおいては、膜形成を行う前に、物品とそれに形成される膜との密着性をよくするために、物品表面に付着している汚れやゴミなどを除去したり、物品の表面を適度な粗さにすることによって物品と膜の接触面積を大きくしたり、或いは物品の表面温度を上昇させて膜を物品側に拡散させるようなことが行われている。   For example, in the film formation process, before film formation, in order to improve the adhesion between the article and the film formed thereon, dirt or dust adhering to the article surface is removed, It has been practiced to increase the contact area between the article and the film by making the surface moderately roughened, or to increase the surface temperature of the article to diffuse the film to the article side.

これらは、例えば、真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバへ導入したガス(例えばアルゴンガスのような不活性ガス)に衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置を用いて行われる。   These include, for example, a gas in which electrons emitted from an electron source using a filament that emits thermoelectrons by resistance heating by energization from a filament power source are introduced into the vacuum chamber (for example, an inert gas such as argon gas). It is performed using an ion irradiation apparatus that collides with an active gas) to generate a plasma and irradiates an ion irradiation target article with ions in the plasma.

このタイプの従来のイオン照射装置では、電子源を構成するフィラメントが真空チャンバの片隅に配置されたり、或いは、物品のイオン照射対象部分から外れすぎたようなところに配置され、そのため物品のイオン照射対象部分全体への均一なイオン照射ができないことが多かった。その結果、例えば、その後の物品への膜形成において形成される膜の密着性が不十分になるなどの不具合がでることが多かった。   In this type of conventional ion irradiation apparatus, the filament constituting the electron source is arranged at one corner of the vacuum chamber, or at a place where it is too far from the ion irradiation target portion of the article, so that the ion irradiation of the article is performed. In many cases, uniform ion irradiation to the entire target portion was impossible. As a result, for example, problems such as insufficient adhesion of a film formed in subsequent film formation on an article often occur.

そこでこのような問題を解決するために、特開平2000−336492号公報は、真空チャンバ内の長い範囲にわたる電子源を採用したり、イオン照射対象物品に対向するように該物品の長手方向に長い電子源を採用した、改良されたイオン照射装置を開示している。   Therefore, in order to solve such a problem, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-336492 uses an electron source over a long range in a vacuum chamber, or is long in the longitudinal direction of the article so as to face the ion irradiation object article. An improved ion irradiation apparatus employing an electron source is disclosed.

かかる改良されたイオン照射装置例を図11(A)に示す。図11(B)は、このあと記すイオン照射対象物品Wとフィラメント2との配置関係を図11(A)において右側から見て示す図である。   An example of such an improved ion irradiation apparatus is shown in FIG. FIG. 11 (B) is a diagram showing the positional relationship between the ion irradiation target article W and the filament 2 to be described later, as viewed from the right side in FIG. 11 (A).

図11(A)に示すイオン照射装置は真空チャンバ1、チャンバ内に配置された電子源を構成するフィラメント2、チャンバ内に設置された物品ホルダ3等を備えている。
真空チャンバ1は、図示省略の排気装置により排気ポート11から排気することでチャンバ内を所定のイオン照射圧に減圧維持することができ、また、ガス導入ポート12から照射イオンを生成するためのガス、例えばアルゴンガスのような不活性ガスをチャンバ内へ導入できる。
An ion irradiation apparatus shown in FIG. 11A includes a vacuum chamber 1, a filament 2 constituting an electron source disposed in the chamber, an article holder 3 installed in the chamber, and the like.
The vacuum chamber 1 can maintain the reduced pressure inside the chamber at a predetermined ion irradiation pressure by exhausting from the exhaust port 11 by an exhaust device (not shown), and a gas for generating irradiation ions from the gas introduction port 12. An inert gas such as argon gas can be introduced into the chamber.

イオン照射対象物品Wは本例では円柱形状のものでホルダ3に縦長に支持される。ホルダ3は図示省略の回転駆動装置により回転駆動可能であり、これによりイオン照射中、物品Wを回転させることができる。フィラメント2は上下の端子台21、22に支持され、両端子台間に上下方向に直線的に張設され、物品Wの長手方向(回転中心線方向)に長くのび、物品Wの全体に対向している。   In this example, the ion irradiation target article W has a cylindrical shape and is supported vertically by the holder 3. The holder 3 can be rotationally driven by a rotational driving device (not shown), and thereby the article W can be rotated during ion irradiation. The filament 2 is supported by the upper and lower terminal blocks 21 and 22, is linearly stretched between the two terminal blocks in the vertical direction, extends in the longitudinal direction of the article W (rotation center line direction), and faces the entire article W. is doing.

イオン照射にあたっては、真空チャンバ1内を所定圧へ減圧維持しつつガス導入ポート12からガス(例えばアルゴンガス)を導入するとともに、電源PW1からフィラメント2に電流を流し、これによりフィラメントを抵抗加熱して熱電子を放出させる一方、チャンバ1にフィラメント2より高電位になるように放電用電源PW2から電圧を印加し、これによりフィラメント2から熱電子を引き出し、直流放電を発生させるとともに熱電子を導入ガスに衝突させてプラズマを発生させ、該プラズマ中のイオンをバイアス電源PW3から負のバイアス電圧を印加された物品Wへ照射する。   In the ion irradiation, gas (for example, argon gas) is introduced from the gas introduction port 12 while maintaining the inside of the vacuum chamber 1 at a predetermined pressure, and a current is supplied from the power source PW1 to the filament 2 to thereby resistance-heat the filament. While the thermoelectrons are emitted, a voltage is applied to the chamber 1 from the discharge power source PW2 so as to have a higher potential than the filament 2, thereby extracting the thermoelectrons from the filament 2, generating a DC discharge and introducing the thermoelectrons. The plasma is generated by colliding with the gas, and ions in the plasma are irradiated from the bias power source PW3 to the article W to which a negative bias voltage is applied.

以上のほか、従来例ではないが本発明者によれば、改良されたイオン照射装置として、図12の装置も例示できる。図12のイオン照射装置は、図11(A)に示すイオン照射装置において、一本の長いフィラメント2に代えて、複数本のフィラメント2’を物品Wの長手方向にそって複数段に不連続に並列配置し、各フィラメント2’にフィラメント電源PW1’を接続したものである。各フィラメント2’は端子台21’、22’間に直線的に張設され、物品Wの長手方向に対し垂直な方向に延在している。その他の点は図11(A)のイオン照射装置と同構成である。   In addition to the above, although not a conventional example, the present inventor can also illustrate the apparatus of FIG. 12 as an improved ion irradiation apparatus. The ion irradiation apparatus of FIG. 12 is the ion irradiation apparatus shown in FIG. 11 (A). Instead of one long filament 2, a plurality of filaments 2 ′ are discontinuous in a plurality of stages along the longitudinal direction of the article W. The filament power supply PW1 'is connected to each filament 2'. Each filament 2 ′ is stretched linearly between the terminal blocks 21 ′ and 22 ′ and extends in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the article W. Other points are the same as those of the ion irradiation apparatus of FIG.

図11(A)、図12に示すいずれのイオン照射装置も、電子源を構成するフィラメントが真空チャンバの片隅に配置されたり、或いは、物品のイオン照射対象部分から外れすぎたようなところに配置されたイオン照射装置と比べると、物品のイオン照射対象部分全体へ均一にイオンを照射できる。   Both of the ion irradiation apparatuses shown in FIGS. 11A and 12 are arranged such that the filament constituting the electron source is arranged at one corner of the vacuum chamber or is too far from the ion irradiation target portion of the article. Compared with the ion irradiation apparatus made, it is possible to uniformly irradiate the entire ion irradiation target portion of the article.

特開平2000−336492号公報JP 2000-336492 A

しかしながら、特開平2000−336492号公報に開示されているイオン照射装置や、図11(A)に示すイオン照射装置のように、電子源におけるフィラメントが連続的に長いイオン照射装置では、図11(A)に示すようにフィラメントを抵抗加熱する電源(フィラメント電源)として直流電源を採用すると、フィラメントが長くなりすぎることによって、抵抗加熱すべく該フィラメントへ印加する電圧が大きくなりすぎ、それによりフィラメントの負電位側と真空チャンバとの間の電位差が大きくなりすぎ、該フィラメントが真空チャンバ内に生成したプラズマからのスパッタリングを激しく受け、フィラメントの消耗が激しくなり、短時間で切れてしまう。   However, in the ion irradiation apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-336492 or the ion irradiation apparatus shown in FIG. As shown in A), when a DC power source is used as a power source for heating the filament (filament power source), the filament becomes too long, so that the voltage applied to the filament for resistance heating becomes too large. The potential difference between the negative potential side and the vacuum chamber becomes too large, and the filament is vigorously sputtered from the plasma generated in the vacuum chamber, so that the filament is consumed violently and cuts in a short time.

この問題を解消しようとして放電用電源の出力電圧を下げたり、或いはフィラメント電源の極性を反転させると、フィラメントの正電位側と真空チャンバとの間の電位差が小さくなりすぎ、熱電子を十分引き出せなくなる。その結果、フィラメントの正電位側近傍で生成したプラズマの密度が極端に低くなり、イオン照射対象物品に全体的に均一なイオン照射を行うことが困難になる。ひいては、例えばその後の成膜プロセスではイオン照射量の小さい領域で形成された膜部分は物品本体への十分な密着力が得られないなどの問題が生じる。   If the output voltage of the discharge power supply is lowered or the polarity of the filament power supply is reversed in order to solve this problem, the potential difference between the positive potential side of the filament and the vacuum chamber becomes too small to sufficiently extract thermoelectrons. . As a result, the density of the plasma generated in the vicinity of the positive potential side of the filament becomes extremely low, and it becomes difficult to perform uniform ion irradiation on the ion irradiation target article as a whole. As a result, for example, in the subsequent film forming process, there is a problem that a film portion formed in a region where the ion irradiation amount is small cannot obtain a sufficient adhesion force to the article body.

図11(A)のイオン照射装置を用いて、ステンレススチール製の直径150mm、長さ600mmの円柱形の物品Wを毎分3回転させつつ、該物品表面をエッチングによりクリーニング処理する実験を行った。このときのエッチング量の物品上の位置依存性を図2に白丸(○)ドットを結ぶラインで示す。   Using the ion irradiation apparatus of FIG. 11 (A), an experiment was conducted in which the surface of the article was cleaned by etching while rotating a cylindrical article W made of stainless steel having a diameter of 150 mm and a length of 600 mm three times per minute. . The position dependency of the etching amount on the article at this time is shown by a line connecting white circles (◯) in FIG.

この実験におけるイオン照射条件は次のとおりとした。
アルゴンガス導入量:100sccm、
イオン照射におけるチャンバ内圧力:0.7Pa、
フィラメントサイズ及び本数:直径1.0mm,長さ600mmのフィラメント一本、 フィラメント電圧及び電流:電圧36V,電流60A、
放電電圧及び電流:電圧30V,電流31A、
物品Wへのバイアス電圧及び電流:電圧−500V,電流9A、
処理時間:60分とした。
The ion irradiation conditions in this experiment were as follows.
Argon gas introduction amount: 100 sccm,
Pressure inside chamber in ion irradiation: 0.7 Pa,
Filament size and number: one filament having a diameter of 1.0 mm and a length of 600 mm Filament voltage and current: voltage 36 V, current 60 A,
Discharge voltage and current: voltage 30V, current 31A,
Bias voltage and current to the article W: voltage −500V, current 9A,
Treatment time: 60 minutes.

図2に示すように、物品Wの上端から中央付近までは0.5μm程度のエッチングがされているが、中央付近から下端へかけてエッチング量が大幅に小さくなっていくことがわかる。これは、フィラメントの正電位側近傍で生成したプラズマの密度が極端に低くなり、物品Wに対し全体的に均一にイオン照射がなされていないことを示している。
また、同じ実験条件で、但し、処理時間を制限せずに装置運転したところ、フィラメント寿命は略10時間程度と短かった。
As shown in FIG. 2, the etching is performed by about 0.5 μm from the upper end to the vicinity of the center of the article W, but it can be seen that the etching amount is greatly reduced from the vicinity of the center to the lower end. This indicates that the density of the plasma generated in the vicinity of the positive potential side of the filament is extremely low, and the article W is not uniformly irradiated with ions as a whole.
Moreover, when the apparatus was operated under the same experimental conditions but without limiting the processing time, the filament life was as short as about 10 hours.

また、フィラメントを単に長く張り巡らしたり、特開平2000−336492号公報にも記載されているように、いくら螺旋状やジグザグ状に張り巡らしたとしても、フィラメントから引き出される電子はフィラメント自身によって誘起される磁場によってトラップされるので、それだけ、密度の高いプラズマを生成することが困難になり、ひいてはイオン照射対象物品に対するイオン照射量が低下して、イオン照射処理にそれだけ長時間を要してしまう、という問題もある。   Even if the filament is simply stretched for a long time, or as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-336492, the electrons drawn from the filament are induced by the filament itself. As a result, it becomes difficult to generate a high-density plasma, and as a result, the amount of ion irradiation on the ion irradiation target article decreases, and the ion irradiation processing takes a long time. There is also a problem.

特開平2000−336492号公報にも記載されているように、例えば図11(A)に示す装置においてフィラメント電源として直流電源に代えて交流電源を採用し、フィラメントに交流電流を流すと、物品Wへのイオン照射は直流電源を採用する場合よりも均一化されるが、その場合でも、フィラメントから引き出される電子はフィラメント自身によって誘起される磁場によってトラップされるので、密度の高いプラズマを生成することは困難であり、それだけイオン照射処理に長時間を要してしまう。   As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-336492, for example, in the apparatus shown in FIG. 11A, when an AC power supply is adopted as a filament power supply instead of a DC power supply and an AC current is passed through the filament, the article W The ion irradiation is made more uniform than when a DC power supply is used, but even in that case, electrons extracted from the filament are trapped by the magnetic field induced by the filament itself, so that a high-density plasma is generated. Is difficult, and it takes a long time for the ion irradiation treatment.

この問題を解決しようとして、フィラメントに流す電流を大きくして熱電子を多く引き出そうとすると、フィラメントの動作温度(熱電子を放出するために加熱する温度)が高くなりすぎ、フィラメントの蒸発が激しくなったり、また、スパッタリングを受ける場合のスパッタリング率が高くなって、結果としてフィラメントが短時間で切れてしまう。   In order to solve this problem, if the current flowing through the filament is increased to extract more thermoelectrons, the filament's operating temperature (the temperature at which it is heated to release the thermoelectrons) becomes too high, and the filament evaporates violently. Moreover, the sputtering rate when receiving sputtering increases, and as a result, the filament breaks in a short time.

図12に示すイオン照射装置では、フィラメント2’群が物品Wに全体的に臨むように複数段に並列配置されているので、それだけ物品W全体に均一にイオン照射することができ、また、図11(A)の装置の場合に比べれば、各フィラメント2’の長さが短いので、長い一本のフィラメントを採用する場合に比べると低電圧印加で加熱して電子を放出させ得るので、フィラメントの消耗が少ない。   In the ion irradiation apparatus shown in FIG. 12, since the filament 2 ′ group is arranged in parallel in a plurality of stages so as to face the article W as a whole, the entire article W can be uniformly irradiated with ions. Since the length of each filament 2 'is shorter than that in the case of the apparatus of 11 (A), it can be heated by applying a low voltage to emit electrons as compared with the case of using a single long filament. Is less consumed.

しかし、やはりフィラメントから引き出される電子はフィラメント自身によって誘起される磁場によってトラップされるので、密度の高いプラズマを生成することは困難となり、この間題を解決するために、フィラメントに流す電流を大きくして多数の熱電子を引き出そうとすると、フィラメントの動作温度が高くなりすぎ、フィラメントの蒸発が激しくなったり、また、スパッタリングを受ける場合のスパッタリング率が高くなって、結果としてフィラメントが短時間で切れてしまうという問題がある。   However, since electrons extracted from the filament are trapped by the magnetic field induced by the filament itself, it is difficult to generate a dense plasma. To solve this problem, the current flowing through the filament is increased. When trying to extract a large number of thermionic electrons, the operating temperature of the filament becomes too high, the evaporation of the filament becomes intense, and the sputtering rate when receiving sputtering increases, resulting in the filament breaking in a short time. There is a problem.

図12に示すイオン照射装置でも、図11(A)の装置における前記実験条件に近い以下の条件で運転すると、やはりフィラメント寿命は10時間程度と短時間であった。
この場合の図12の装置による実験条件は、
物品Wについては前記と同じ条件、
アルゴンガス導入量:100sccm、
イオン照射におけるチャンバ内圧力:0.7Pa、
フィラメントサイズ及び本数:直径1.0mm,長さ200mmのフィラメント3本、 各フィラメント電圧及び電流:電圧12V,電流60A、
放電電圧及び電流:電圧40V,電流31A、
物品Wへのバイアス電圧及び電流:電圧−500V,電流9Aであった。
Even when the ion irradiation apparatus shown in FIG. 12 was operated under the following conditions close to the experimental conditions in the apparatus of FIG. 11A, the filament life was as short as about 10 hours.
In this case, the experimental conditions with the apparatus of FIG.
For article W, the same conditions as above,
Argon gas introduction amount: 100 sccm,
Pressure inside chamber in ion irradiation: 0.7 Pa,
Filament size and number: three filaments with a diameter of 1.0 mm and a length of 200 mm, each filament voltage and current: voltage 12V, current 60A,
Discharge voltage and current: voltage 40V, current 31A,
Bias voltage and current to article W: Voltage -500V, current 9A.

以上の問題は、電子源がフィラメント自身の場合だけではなく、フィラメントに電流を流すことによって熱電子を引き出し、この熱電子を別途熱電子放出部材及び(又は)二次電子放出部材に衝突させて、それから熱電子及び(又は)二次電子を引き出すような方式の電子源や、フィラメントに電流を流すことによって熱電子を引き出し、この熱電子を真空チャンバとは仕切られた予備プラズマ室に導入したガスに衝突させて予備プラズマを生成し、予備プラズマから電子を引き出すような方式の電子源の場合にも同様に生じる。   The above problem is not only when the electron source is the filament itself, but by drawing currents through the filament and drawing the thermoelectrons, and causing the thermoelectrons to collide with the thermoelectron emission member and / or the secondary electron emission member separately. Then, thermionic electrons and / or secondary electrons are extracted, and thermionic electrons are extracted by passing an electric current through the filament, and the thermoelectrons are introduced into a preliminary plasma chamber separated from the vacuum chamber. This also occurs in the case of an electron source of a type in which preliminary plasma is generated by colliding with gas and electrons are extracted from the preliminary plasma.

そこで本発明は、真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であって、イオン照射対象物品のイオン照射対象部分に全体的に均一に、また、徒に長時間を要することなくイオン照射処理を施せる、寿命の長いイオン照射装置を提供することを課題とする。   Therefore, in the present invention, in the vacuum chamber, electrons emitted from an electron source using a filament that emits thermoelectrons by resistance heating by energization from a filament power source are collided with a gas introduced into the vacuum chamber to generate plasma, An ion irradiation apparatus for irradiating an ion irradiation target article with ions in the plasma, the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article being subjected to an ion irradiation treatment uniformly over the whole and without requiring a long time. It is an object of the present invention to provide a long-life ion irradiation apparatus that can be applied.

前記課題を解決するため本発明は次の第1、第2のイオン照射装置を提供する。
(1)第1のイオン照射装置
真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であり、該真空チャンバ内に、該イオン照射対象物品を支持して予め定めた回転中心線のまわりに回転可能の物品ホルダが設けられており、該電子源は、該物品ホルダに支持されるイオン照射対象物品のイオン照射対象部分に臨むことができるように該物品ホルダの回転中心線方向に延在して設けられており、該電子源における前記フィラメントは、該電子源の物品ホルダ回転中心線方向の全体にわたり該物品ホルダ回転中心線方向において複数段に不連続に分散並列配置され、該複数段のフィラメントのそれぞれは、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分を少なくとも一組含むように屈曲配置されており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近しているイオン照射装置。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following first and second ion irradiation apparatuses.
(1) 1st ion irradiation apparatus In a vacuum chamber, the electron emitted from the electron source using the filament which discharge | releases a thermoelectron by the resistance heating by the electricity supply from a filament power supply is made to collide with the introduction gas in a vacuum chamber, and plasma The ion irradiation apparatus irradiates the ion irradiation target article with ions in the plasma, and is capable of rotating around a predetermined rotation center line while supporting the ion irradiation target article in the vacuum chamber. An article holder is provided, and the electron source is provided extending in the direction of the rotation center line of the article holder so as to be able to face the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article supported by the article holder. The filament in the electron source extends in the direction of the article holder rotation center line over the entire direction of the article holder rotation center line of the electron source. The filaments of the plurality of stages are bent and arranged so as to include at least one pair of opposing portions that are parallel or substantially parallel to each other so that currents in opposite directions flow. The ion irradiation apparatus in which the opposed portions that are parallel or substantially parallel to each other are close to each other so that the magnetic fields generated by the currents that flow in opposite directions to the opposed portions cancel each other.

(2)第2のイオン照射装置
真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であり、該真空チャンバ内に、該イオン照射対象物品を支持して予め定めた回転中心線のまわりに回転可能の物品ホルダが設けられており、該電子源は、該物品ホルダに支持されるイオン照射対象物品のイオン照射対象部分に臨むことができるように該物品ホルダの回転中心線方向に延在して設けられており、該電子源における前記フィラメントは、該電子源の物品ホルダ回転中心線方向の全体にわたり該物品ホルダ回転中心線方向において複数段に不連続に分散並列配置され、該複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントには、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分が少なくとも一つ含まれており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近しているイオン照射装置。
(2) Second ion irradiation device
In the vacuum chamber , electrons emitted from an electron source using a filament that emits thermoelectrons by resistance heating by energization from a filament power source collide with the introduced gas in the vacuum chamber to generate plasma, and ions in the plasma An ion irradiation apparatus that irradiates an ion irradiation target article, and an article holder that supports the ion irradiation target article and is rotatable around a predetermined rotation center line in the vacuum chamber. The electron source is provided so as to extend in the rotation center line direction of the article holder so as to face the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article supported by the article holder. filaments, discontinuously distributed parallel in a plurality of stages in said article holder rotation center line direction throughout the object holder rotation center line direction of the electron source The at least one set of adjacent filaments of the plurality of stages of filaments includes at least one opposing portion that is parallel or substantially parallel to each other and in which currents flowing in opposite directions flow. An ion irradiation apparatus in which an opposing part parallel to or substantially parallel to is approached so that magnetic fields generated by currents flowing in opposite directions to the opposing part cancel each other.

かかる第1、第2のイオン照射装置において、「真空チャンバ内導入ガス」とは、真空チャンバ内へ導入され、電子源から放出される電子の衝突によりプラズマ化され、それによりイオン照射対象物品へ照射するイオンを生成するガスである
また、「磁場が打ち消しあう」には、磁場が完全に打ち消しあう場合は勿論のこと、完全ではないが、磁場が打ち消しあっているとみて差し支えない場合も含まれる。
In the first and second ion irradiation apparatuses, the “introduced gas in the vacuum chamber” is introduced into the vacuum chamber, and is converted into plasma by the collision of electrons emitted from the electron source, thereby to the ion irradiation target article. It is a gas that generates ions for irradiation .
In addition, “magnetic field cancels” includes not only the case where the magnetic field completely cancels but also the case where the magnetic field can be considered to cancel each other.

第1、第2のイオン照射装置のいずれにおいても、電子源におけるフィラメントは、電子源の物品ホルダ回転中心線方向の全体にわたり該物品ホルダ回転中心線方向において複数段に不連続に分散並列配置されているから、それだけ電子源の全体又はほぼ全体から均一状に電子を放出させることができ、しかも、電子源は物品ホルダに支持されるイオン照射対象物品のイオン照射対象部分に臨むことができるように該物品ホルダの回転中心線方向に延在して設けられているから、該電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを形成するとき、該プラズマは物品のイオン照射対象部分の全体に均一状に臨むように生成し、かくして、該プラズマからイオン照射対象部分に全体的に均一にイオンを照射することができる。 In either of the first and second ion irradiation apparatuses, the filaments in the electron source are discontinuously distributed and arranged in a plurality of stages in the article holder rotation center line direction throughout the electron holder article rotation center line direction. Therefore, the electrons can be uniformly emitted from the whole or almost the whole of the electron source, and the electron source can face the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article supported by the article holder. Is provided so as to extend in the direction of the rotation center line of the article holder, so that when the electrons emitted from the electron source collide with the introduced gas in the vacuum chamber to form plasma, the plasma is ionized by the article. It is generated so as to uniformly face the entire irradiation target portion, and thus the ion irradiation target portion can be irradiated with ions uniformly from the plasma. Kill.

また、不連続に複数段に並列配置された複数本のフィラメントの一本一本は、従来のように物品のイオン照射対象部分に全体的に臨むように連続的に長く張設される一本のフィラメントと比べると短くすることができ、それだけ個々のフィラメントに対する、抵抗加熱による熱電子放出のための印加電圧は低く済み、それだけフィラメントの蒸発や、プラズマからのスパッタリング等によるフィラメントの消耗を抑制して、イオン照射装置を長寿命化できる。   In addition, each of a plurality of filaments that are discontinuously arranged in parallel in a plurality of stages is a single piece that is continuously stretched long so as to face the ion irradiation target portion of the article as in the past. Compared with other filaments, the applied voltage for thermionic emission by resistance heating can be reduced for each filament, and the consumption of the filament due to evaporation of the filament and sputtering from the plasma is suppressed. Thus, the lifetime of the ion irradiation apparatus can be extended.

さらに、第1のイオン照射装置では、電子源における複数段のフィラメントのそれぞれは、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分を少なくとも一組含むように屈曲配置されており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消し合うように接近している。従って、該フィラメントに通電するフィラメント電源が直流電源でも、該相互に平行又は略平行な部分のうち一方に流れる電流と他方に流れる電流とは互いに逆向きの流れとなり、それにより、それら部分に電流の流れにより形成される磁場は互いに打ち消しあい、それら部分から生じる熱電子は磁場にトラップされることが抑制される状態で十分引き出すことができる。従って、該フィラメントに印加する電圧をフィラメント消耗を抑制するように低くしても、照射イオンを得るためのプラズマを高密度に形成することができ、ひいては、徒に長時間を要することなく、所定のイオン照射量で効率よく物品にイオン照射処理を施せる。 Furthermore, in the first ion irradiation apparatus, each of the plurality of stages of filaments in the electron source is bent and arranged so as to include at least one pair of facing portions facing each other in parallel or substantially in parallel so that currents in opposite directions flow. The opposing portions that are parallel or substantially parallel to each other are close to each other so that the magnetic fields generated by the currents flowing in the opposite directions to the opposing portions cancel each other. Therefore, even if the filament power supply for energizing the filament is a direct current power supply, the current flowing in one of the parallel or substantially parallel portions and the current flowing in the other are in opposite directions, whereby current flows in these portions. The magnetic fields formed by the flow of each other cancel each other, and the thermoelectrons generated from these portions can be sufficiently drawn out while being trapped in the magnetic field. Therefore, even if the voltage applied to the filament is lowered so as to suppress filament consumption, the plasma for obtaining the irradiation ions can be formed at a high density, and therefore, the predetermined voltage can be obtained without taking a long time. The ion irradiation treatment can be efficiently applied to the article with the ion irradiation amount of.

これらにより、イオン照射対象物品のイオン照射対象部分に全体的に均一に、また、徒に長時間を要することなく効率的にイオン照射処理を施せるとともに、フィラメント、ひいてはイオン照射装置を長寿命化できる。   As a result, the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article can be uniformly and entirely subjected to ion irradiation treatment without requiring a long time, and the life of the filament and thus the ion irradiation apparatus can be extended. .

第1のイオン照射装置において、互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントに通電するフィラメント電源として直流電源を採用する場合、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分はフィラメントの負極性側端部寄りに位置させればよい。そうすることで、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分に放電電圧を有効に作用させて十分に熱電子を引き出すことができる。 In the first ion irradiation apparatus, when a DC power source is adopted as a filament power source that energizes a filament that is bent and arranged so as to include mutually parallel or substantially parallel opposing portions that are close to each other, What is necessary is just to position the substantially parallel opposing part near the negative polarity side edge part of a filament . By doing so, the discharge voltage can be effectively applied to the mutually parallel or substantially parallel facing portions that are close to each other, so that sufficient hot electrons can be drawn out.

第2のイオン照射装置では、電子源における複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントには、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分が少なくとも一つ含まれており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消し合うように接近している。   In the second ion irradiation apparatus, at least one pair of adjacent filaments among the plurality of stages of filaments in the electron source has at least one opposing portion parallel to or substantially parallel to each other, in which currents flowing in opposite directions flow. The opposed portions parallel or substantially parallel to each other are close to each other so that the magnetic fields generated by the currents flowing in the opposite directions to the opposed portions cancel each other.

従って、このような互いに隣り合うフィラメントに通電するフィラメント電源として、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分に互いに逆向きの電流を流す直流電源を採用することで、それら部分に電流により形成される磁場は互いに打ち消しあい、それにより、該対向部分から生じる熱電子は磁場にトラップされることが抑制される状態で十分に引き出すことができる。従って、該フィラメントに印加する電圧をフィラメント消耗を抑制するように低くしても、それだけ照射イオンを得るためのプラズマを高密度に形成することができ、ひいては、徒に長時間を要することなく、所定のイオン照射量で効率よく物品にイオン照射処理を施せる。 Therefore, as such a filament power source for energizing adjacent filaments, a direct current power source that applies currents in opposite directions to mutually parallel or substantially parallel opposing portions can be adopted. The formed magnetic fields cancel each other, so that the thermoelectrons generated from the opposed portions can be sufficiently extracted in a state where trapping by the magnetic fields is suppressed. Therefore, even if the voltage applied to the filament is lowered so as to suppress filament consumption, the plasma for obtaining the irradiation ions can be formed with a high density, and thus without taking a long time, The article can be efficiently subjected to ion irradiation treatment with a predetermined ion irradiation amount.

前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように配置されている互いに隣り合うフィラメントに対するフィラメント電源として直流電源を採用する場合、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分はそれらフィラメントの負極性側端部寄りに位置させればよい。そうすることで、該相互に平行又は略平行な対向部分に放電電圧を有効に作用させて十分に熱電子を引き出すことができる。 When a DC power source is adopted as a filament power source for adjacent filaments arranged so as to include mutually parallel or substantially parallel facing portions that are close to each other, the mutually parallel or substantially parallel facing portions that are close to each other are What is necessary is just to be located near the negative polarity side edge part of those filaments . By doing so, it is possible to draw out the thermoelectrons sufficiently by causing the discharge voltage to effectively act on the mutually parallel or substantially parallel facing portions.

第1のイオン照射装置においては、複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントは、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分を少なくとも一つ含んでいてもよい。かかる相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近させる。すなわち、そのように互いに隣り合うフィラメンと、フィラメント中において相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントとが混じっていてもよい。 In the first ion irradiation apparatus, at least one pair of adjacent filaments among the plurality of stages of filaments includes at least one opposing portion that is parallel or substantially parallel to each other and in which currents in opposite directions flow. Also good. The opposing portions which are parallel or substantially parallel to each other are brought close to each other so that the magnetic fields generated by the currents flowing in the opposite directions to the opposing portions cancel each other. That is, a Filament that so adjacent, one another may be contaminated with a bent arranged filaments to include a parallel or substantially parallel to the facing portion in a filament.

また、第2のイオン照射装置においては、複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントについて、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分が少なくとも一つ含まれるように、そして、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近していればよいが、そのような組のフィラメントが2組以上あってもよく、そのような組のフィラメントばかりでもよい。
また、少なくとも1段のフィラメントは、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分を少なくとも一組含むように屈曲配置され、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近していてもよい。すなわち、そのように屈曲配置されたフィラメントと、互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように組をなす互いに隣り合うフィラメントとが混じっていてもよい。
Further, in the second ion irradiation apparatus, at least one pair of adjacent filaments in a plurality of stages includes at least one opposing portion that is parallel or substantially parallel to each other and in which currents in opposite directions flow. And the opposing portions that are parallel or substantially parallel to each other may be close to each other so that the magnetic fields generated by the currents that flow in opposite directions to the opposing portions cancel each other. There may be two or more sets of filaments, or only such sets of filaments.
Further, at least one stage of the filaments is bent so as to include at least one pair of opposing portions that are parallel or substantially parallel to each other so that currents in opposite directions flow, and the opposing portions that are parallel or substantially parallel to each other. May be close to each other so that the magnetic fields generated by the currents flowing in opposite directions to the opposing portions cancel each other. That is, the filaments arranged in such a manner may be mixed with adjacent filaments that form a pair so as to include mutually parallel or substantially parallel facing portions that are close to each other.

第1、第2のイオン照射装置のいずれにおいても、電子源の態様として次の(1) 〜(3) のものを例示できる。
(1) 前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために電子源から放出させる電子として、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子を用いる電子源。
In both the first and second ion irradiation apparatuses, the following (1) to (3) can be exemplified as the mode of the electron source.
(1) An electron source using thermoelectrons emitted from the filament by resistance heating by energizing the filament as electrons to be emitted from the electron source to collide with the introduced gas in the vacuum chamber and generate the plasma.

(2) 前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子の衝突により熱電子を放出する熱電子放出部材及び前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子の衝突により2次電子を放出する2次電子放出部材のうち少なくとも一方を含んでおり、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、該熱電子放出部材及び(又は)2次電子放出部材から放出される電子を用いる電子源。
この電子源の場合、熱電子放出部材や2次電子放出部材は、複数段のフィラメントのそれぞれに対して設けられていてもよいし、複数段のフィラントに対し共通の一つのものが設けられていてもよく、或いは複数段のフィラメントのうち所定本数グループ毎に共通のものが設けられていてもよく、要するに電子源の全体又は略全体から均一状に電子を放出させ得るように設けられていればよい。
熱電子放出部材は2次電子放出部材の機能を有していてもよい。或いは、2次電子放出部材は熱電子放出部材の機能を有していてもよい。
(2) A thermoelectron emitting member that emits thermoelectrons by collision of thermoelectrons emitted from the filament by resistance heating by energization of the filament, and thermoelectrons emitted from the filament by resistance heating by energization of the filament At least one of secondary electron emitting members that emit secondary electrons upon collision of the electron beam, and as electrons to be emitted from the electron source to collide with the gas introduced into the vacuum chamber and generate the plasma, An electron source using electrons emitted from a thermionic emission member and / or a secondary electron emission member.
In the case of this electron source, the thermionic emission member and the secondary electron emission member may be provided for each of the plurality of stages of filaments, or one common element is provided for the plurality of stages of fillants. Alternatively, a predetermined number of filaments of a plurality of stages may be provided in common, and in short, provided so that electrons can be uniformly emitted from the entire electron source or substantially the entire electron source. That's fine.
The thermal electron emission member may have a function of a secondary electron emission member. Alternatively, the secondary electron emission member may have a function of a thermionic emission member.

(3) 予備プラズマ室を含んでおり、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子を該予備プラズマ室に導入されるガスに衝突させて予備プラズマを生成し、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、該予備プラズマ室に生成するプラズマから放出される電子を用いる電子源。
この電子源の場合、予備プラズマ室は、複数段のフィラメントのそれぞれに対して設けられていてもよいし、複数段のフィラントに対し共通の一つのものが設けられていてもよく、或いは複数段のフィラメントのうち所定本数グループ毎に共通のものが設けられていてもよく、要するに電子源の全体又は略全体から均一状に電子を放出させ得るように設けられていればよい。
(3) including a preliminary plasma chamber, generating a preliminary plasma by colliding thermal electrons emitted from the filament with a gas introduced into the preliminary plasma chamber by resistance heating by energizing the filament, and generating the vacuum An electron source using electrons emitted from plasma generated in the preliminary plasma chamber as electrons to be emitted from the electron source in order to collide with a gas introduced into a chamber and generate the plasma.
In the case of this electron source, a preliminary plasma chamber may be provided for each of a plurality of stages of filaments, a common one for a plurality of stages of fillants, or a plurality of stages. Of these filaments, a common one may be provided for each predetermined number of groups, and in short, it is sufficient that the filaments are provided so that electrons can be uniformly emitted from the whole or substantially the whole of the electron source.

既述のいずれのイオン照射装置の場合でも、照射イオンを得るためのプラズマを一層高密度で形成してイオン照射をより能率よく行えるようにするために、前記複数段のフィラメントのうち少なくとも1段のフィラメントに対し、該フィラメントに流れる電流により誘起される磁場の少なくとも一部を打ち消す磁場形成手段(永久磁石、電磁石、これらの組み合わせ等)を設けてもよい。   In any of the above-described ion irradiation apparatuses, at least one stage among the plurality of stages of filaments is used in order to form plasma for obtaining irradiation ions at a higher density so that ion irradiation can be performed more efficiently. A magnetic field forming means (permanent magnet, electromagnet, combination thereof, or the like) that cancels at least a part of the magnetic field induced by the current flowing through the filament may be provided.

また、いずれのイオン照射装置の場合でも、プラズマの空間分布やイオン電流量の空間分布を計測できるようにし、電子源から引き出す電子量やエネルギー、或いはフィラメントから引き出す電子量やエネルギーを個々に制御したり、熱電子放出部材、二次電子放出部材、予備プラズマなどから引き出す電子の量やエネルギーを個々に制御することにより、プラズマの均一性や物品へ照射するイオンの均一性を制御できるようにしてもよい。   In any ion irradiation system, it is possible to measure the spatial distribution of plasma and the amount of ion current, and individually control the amount and energy of electrons extracted from the electron source or the amount and energy of electrons extracted from the filament. By controlling the amount and energy of electrons extracted from thermionic emission member, secondary electron emission member, preliminary plasma, etc., it is possible to control the uniformity of plasma and the uniformity of ions irradiated to articles. Also good.

例えば、前記イオン照射対象物品に照射されるイオンに基づくイオン電流の空間分布を計測するイオン電流分布計測装置及び該イオン電流分布計測装置により計測されるイオン電流分布に基づいて、イオン電流分布を該物品のイオン照射対象部分全体に対し均一化するように前記フィラメント電源出力を制御する制御装置を備えていてもよい。
また、例えば、前記電子源から放出させた電子の前記真空チャンバ内導入ガスへの衝突により形成されるプラズマの空間分布を計測するプラズマ分布計測装置及び該プラズマ分布計測装置により計測されるプラズマ分布に基づいて、プラズマ分布を該物品のイオン照射対象部分全体に対し均一化するように前記フィラメント電源出力を制御する制御装置を備えていてもよい。
かかるプラズマ分布計測装置としては、例えば、前記各フィラメントが分担する放電電流をモニターすることでプラズマ分布を計測するものを挙げることができる。これは、通常プラズマの密度は放電電流とともに高くなり、放電電流をモニターすることで、実質上プラズマ密度をモニターできることに基づいている。このように放電電流をモニターする場合、プラズマ分布計測装置は、各フィラメントが分担する放電電流をモニターする放電電流計測器を含む。そして、フィラメント電源出力を制御する制御装置は、該放電電流計測器でモニターされる放電電流に基づいて各フイラメント電源出力を制御する。
For example, an ion current distribution measuring device that measures a spatial distribution of ion current based on ions irradiated on the ion irradiation target article, and an ion current distribution based on the ion current distribution measured by the ion current distribution measuring device. You may provide the control apparatus which controls the said filament power supply output so that it may equalize | homogenize with respect to the whole ion irradiation object part of articles | goods.
Further, for example, a plasma distribution measuring device that measures the spatial distribution of plasma formed by collision of electrons emitted from the electron source with the gas introduced into the vacuum chamber, and a plasma distribution measured by the plasma distribution measuring device. Based on this, a controller for controlling the filament power output may be provided so as to make the plasma distribution uniform over the entire ion irradiation target portion of the article.
An example of such a plasma distribution measuring apparatus is one that measures the plasma distribution by monitoring the discharge current shared by each filament. This is based on the fact that the plasma density usually increases with the discharge current, and the plasma density can be substantially monitored by monitoring the discharge current. When monitoring the discharge current in this way, the plasma distribution measuring apparatus includes a discharge current measuring device that monitors the discharge current shared by each filament. And the control apparatus which controls a filament power supply output controls each filament power supply output based on the discharge current monitored with this discharge current measuring device.

以上説明したように本発明によると、真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であって、イオン照射対象物品のイオン照射対象部分に全体的に均一に、また、徒に長時間を要することなくイオン照射処理を施せる、寿命の長いイオン照射装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, in the vacuum chamber, electrons emitted from an electron source using a filament that emits thermoelectrons by resistance heating by energization from a filament power source are caused to collide with a gas introduced into the vacuum chamber. An ion irradiation apparatus that generates plasma and irradiates an ion irradiation target article with ions in the plasma, and the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article is entirely uniform and requires a long time. Thus, it is possible to provide an ion irradiation apparatus having a long lifetime that can be subjected to ion irradiation treatment without any problem.

以下本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
以下の説明においても、「磁場が打ち消しあう」には、磁場が完全に打ち消しあう場合は勿論のこと、完全ではないが、磁場が打ち消しあっているとみて差し支えない場合も含まれる。
図1(A)はイオン照射装置の1例を示している。図1(A)のイオン照射装置Aは、図11(A)に示すイオン照射装置において、フィラメント2に代え、3本のフィラメント2a、2a’、2a”を採用したものである。これら3本のフィラメントは上下方向3段に不連続に並列配置されており、各フィラメントはイオン照射対象物品Wの上下長手方向に対し水平方向に配置された端子台21a、22a間に張設されている。各フィラメントとイオン照射対象物品Wとの位置関係は平面からみると、図1(B)に示すようになっている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the following description, “the magnetic field cancels” includes not only the case where the magnetic field cancels completely but also the case where it is safe to assume that the magnetic fields cancel each other.
1 (A) is shows an example of ion-irradiation device. An ion irradiation apparatus A in FIG. 1A employs three filaments 2a, 2a ′, 2a ″ instead of the filament 2 in the ion irradiation apparatus shown in FIG. The filaments are discontinuously arranged in three steps in the vertical direction, and each filament is stretched between the terminal blocks 21a and 22a arranged in the horizontal direction with respect to the longitudinal direction of the ion irradiation target article W. The positional relationship between each filament and the ion irradiation target article W is as shown in FIG.

各フィラメントには、それぞれのフィラメントに対して設けた直流フィラメント電源PWaから通電されるようになっており、これらフィラメント等が電子源20Aを構成している。   Each filament is energized from a DC filament power supply PWa provided for each filament, and these filaments and the like constitute an electron source 20A.

上段のフィラメント2aは、図1(C)にも示すように、その途中に、互いに接近して平行に上下方向に延びる部分a1、a1を含むように屈曲配置されている。下段のフィラメント2a”はフィラメント2aと上下対称に屈曲配置されている。中段のフィラメント2a’は、図1(D)にも示すように、その途中に、互いに接近して平行となる上下方向に延びる部分a1’、a1’及びa2’、a2’を含むように屈曲配置されている。中間の部分a1’、a2’は上下に一直線となっている。各フィラメントは互いに平行となる上下方向に延びる部分を有する屈曲部分が物品Wに対向している。   As shown in FIG. 1C, the upper filament 2a is bent and disposed in the middle so as to include portions a1 and a1 that are close to each other and extend in the vertical direction in parallel. The lower filament 2a ″ is bent symmetrically with the filament 2a. As shown in FIG. 1D, the middle filament 2a ′ is arranged in the vertical direction so as to approach each other and become parallel to each other. It is bent and arranged so as to include the extended portions a1 ′, a1 ′ and a2 ′, a2′.The middle portions a1 ′, a2 ′ are vertically aligned, and the filaments are parallel to each other in the vertical direction. A bent portion having an extending portion faces the article W.

上記以外の点は図11(A)に示すイオン照射装置と実質上同構成であり、図11(A)の装置におけるものと実質上同じ部品、部分等には該装置と同じ参照符号を付してある。   Points other than the above are substantially the same as those of the ion irradiation apparatus shown in FIG. 11A, and components and parts that are substantially the same as those in the apparatus of FIG. It is.

このイオン照射装置Aによると、真空チャンバ1内を所定圧へ減圧維持しつつガス導入ポート12からガス(例えばアルゴンガス)を導入するとともに、各電源PWaからフィラメント2a、2a’、2a”のそれぞれに電流を流し、これにより各フィラメントを抵抗加熱して熱電子を放出させる一方、チャンバ1に各フィラメントより高電位になるように放電用電源PW2から電圧を印加し、これによりフィラメント2a、2a’、2a”からそれぞれ熱電子を引き出し、直流放電を発生させるとともに該熱電子を導入ガスに衝突させてプラズマを発生させ、該プラズマ中のイオンをバイアス電源PW3から負のバイアス電圧を印加した物品Wへ照射して、物品Wの表面をクリーニングしたり、適度に荒らしたり、物品の表面温度を上昇させる等の処理を実施できる。   According to this ion irradiation apparatus A, gas (for example, argon gas) is introduced from the gas introduction port 12 while maintaining the inside of the vacuum chamber 1 at a predetermined pressure, and each of the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ from each power source PWa. In this way, each filament is heated by resistance to emit thermoelectrons, while a voltage is applied to the chamber 1 from the discharge power source PW2 so as to have a higher potential than each filament, whereby the filaments 2a, 2a ′ 2a ″, each of which draws thermoelectrons to generate a DC discharge and collides the thermoelectrons with the introduced gas to generate plasma, and an article W to which ions in the plasma are applied with a negative bias voltage from a bias power source PW3. To clean the surface of the article W, moderately roughen it, or raise the surface temperature of the article Processing can be carried out such as that.

イオン照射装置Aによると、電子源20Aにおけるフィラメント2a、2a’、2a”は、電子源20Aの全体にわたり不連続に複数段に分散並列配置されているから、それだけ電子源20Aの全体又はほぼ全体から均一状に電子を放出させることができ、しかも、電子源20Aは物品Wのイオン照射対象部分の全体に臨むように設けられている。従って、該電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを形成するとき、該プラズマは物品Wのイオン照射対象部分の全体に均一状に臨むように生成し、かくして、該プラズマからイオン照射対象部分に全体的に均一にイオンを照射することができる。   According to the ion irradiation apparatus A, since the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ in the electron source 20A are discontinuously distributed and arranged in a plurality of stages throughout the electron source 20A, the whole or almost the whole of the electron source 20A is correspondingly increased. The electron source 20A is provided so as to face the entire ion irradiation target portion of the article W. Therefore, the electrons emitted from the electron source are disposed in the vacuum chamber. When the plasma is formed by colliding with the introduced gas, the plasma is generated so as to uniformly reach the entire ion irradiation target portion of the article W, and thus ions are uniformly generated from the plasma to the ion irradiation target portion. Can be irradiated.

また、複数段に並列配置された複数本のフィラメント2a、2a’、2a”の一本一本は、従来のように物品のイオン照射対象部分に全体的に臨むように連続的に長く張設される一本のフィラメントと比べると短くすることができ、それだけ個々のフィラメントに対する、抵抗加熱による熱電子放出のための(換言すれば、フィラメント動作温度を得るための)印加電圧は低く済み、それだけフィラメントの蒸発や、プラズマからのスパッタリング等によるフィラメントの消耗を抑制して、イオン照射装置Aを長寿命化できる。   Further, each of the plurality of filaments 2a, 2a ', 2a "arranged in parallel in a plurality of stages is continuously stretched long so as to face the entire portion of the article to be irradiated with ions as in the prior art. Compared to a single filament, the applied voltage for thermionic emission by resistance heating (in other words, to obtain the filament operating temperature) can be reduced for each individual filament. The lifetime of the ion irradiation apparatus A can be extended by suppressing filament consumption due to filament evaporation and sputtering from plasma.

さらに、電子源20Aにおける各フィラメントは、既述のとおり相互に接近して平行な部分、すなわち、フィラメント2a、2a”ではa1とa1、フィラメン2a’ではa1’とa1’、a2’とa2’を含むように屈曲配置されている。従って、フィラメント電源PWaから直流電流を流すと、該相互に平行な部分のうち一方に流れる電流と他方に流れる電流とは互いに逆向きの流れとなり、それにより、それら部分に電流の流れにより形成される磁場は互いに打ち消しあい、それら部分から生じる熱電子は磁場にトラップされることが抑制される状態で十分に引き出される。かくして、各フィラメントに印加する電圧をフィラメント消耗を抑制するように低くしても、照射イオンを得るためのプラズマを高密度に形成することができ、ひいては、徒に長時間を要することなく、所定のイオン照射量で効率よく物品Wにイオン照射処理を施せる。   Further, as described above, the filaments in the electron source 20A are close to each other in parallel, that is, a1 and a1 in the filaments 2a and 2a ″, a1 ′ and a1 ′ in the filament 2a ′, a2 ′ and a2 ′. Therefore, when a direct current is passed from the filament power supply PWa, the current flowing in one of the mutually parallel parts and the current flowing in the other flow in opposite directions, thereby The magnetic fields formed by the current flow in these parts cancel each other, and the thermoelectrons generated from these parts are sufficiently drawn out while being trapped in the magnetic field. Even if it is low so as to suppress filament consumption, plasma for obtaining irradiation ions can be formed at high density, Information, without requiring unnecessarily long time, Hodokoseru ion irradiation process efficiently article W at a predetermined dose of ion irradiation.

イオン照射装置Aを用いて、ステンレススチール製の直径150mm、長さ600mmの円柱形の物品Wを毎分3回転させつつ、該物品表面をエッチングによりクリーニング処理する実験を行った。このときのエッチング量の物品上の位置依存性を図2に黒丸(●)ドットを結ぶラインで示す。   Using the ion irradiation apparatus A, an experiment was conducted in which the surface of the article was cleaned by etching while rotating a cylindrical article W made of stainless steel having a diameter of 150 mm and a length of 600 mm three times per minute. The position dependency of the etching amount on the article at this time is shown in FIG. 2 by a line connecting black dots (●).

なお、この実験においては、フィラメント2a、2a”の屈曲部分も含めた全長は200mm、部分a1の長さh1は77mm、部分a1間の長さwは6mmであり、該屈曲部分の総長は160mm(2×h1+w)である。
フィラメント2a’も屈曲部分も含めた全長は200mmであり、部分a1’、a2’の各長さh2は37mm、部分a1’間、a2’間の各長さwは6mm、該屈曲部分の総長は160mm(4×h2+2×w)である。
フィラメントの直径は1.0mmである。
In this experiment, the total length including the bent portions of the filaments 2a and 2a ″ is 200 mm, the length h1 of the portion a1 is 77 mm, the length w between the portions a1 is 6 mm, and the total length of the bent portions is 160 mm. (2 × h1 + w).
The total length including the filament 2a ′ and the bent portion is 200 mm, each length h2 of the portions a1 ′ and a2 ′ is 37 mm, each length w between the portions a1 ′ and a2 ′ is 6 mm, and the total length of the bent portions Is 160 mm (4 × h2 + 2 × w).
The diameter of the filament is 1.0 mm.

また、
アルゴンガス導入量:100sccm、
イオン照射におけるチャンバ内圧力:0.7Pa、
各フィラメント電圧及び電流:電圧10V,電流52A、
放電電圧及び電流:電圧60V,電流31A、
物品Wへのバイアス電圧及び電流:電圧−500V,電流9A、
処理時間:60分とした。
図2から、物品Wの全体にわたり、ほぼ均一(均一性<10%)なエッチングができていることがわかる。
Also,
Argon gas introduction amount: 100 sccm,
Pressure inside chamber in ion irradiation: 0.7 Pa,
Each filament voltage and current: voltage 10V, current 52A,
Discharge voltage and current: voltage 60V, current 31A,
Bias voltage and current to the article W: voltage −500V, current 9A,
Treatment time: 60 minutes.
From FIG. 2, it can be seen that almost uniform (uniformity <10%) etching is performed over the entire article W.

ここで注目すべきことは、各フィラメントについてのフィラメント電圧/電流が小さいということである。つまりフィラメント電圧/電流が小さくても、フィラメントから効率的に熱電子を引き出すことができ、短時間で均一性の高いエッチングができていることになる。各フィラメントから効率的に熱電子を引き出すことができるのは、熱電子をトラップする磁場が弱くなったからである。つまり、フィラメントに互いに接近した平行な部分を含ませ、その部分に互いに逆向けに電流を流すことによって、それらの電流によって誘起される磁場を互いに打ち消させることができ、その結果、各フィラメントから引き出される熱電子はトラップされにくくなり、よりたくさんの熱電子がプラズマ生成に寄与することが可能となる。したがってフィラメント電圧/電流を小さくしても、十分密度の高いプラズマを生成することができるのである。   It should be noted here that the filament voltage / current for each filament is small. That is, even when the filament voltage / current is small, the thermoelectrons can be efficiently extracted from the filament, and etching with high uniformity can be performed in a short time. The reason why the thermoelectrons can be efficiently extracted from each filament is that the magnetic field for trapping the thermoelectrons is weakened. In other words, by including parallel parts that are close to each other in the filament and flowing currents in the opposite directions to each other, the magnetic fields induced by those currents can be canceled with each other, and as a result, they are drawn from each filament. The trapped hot electrons are less likely to be trapped, and more hot electrons can contribute to plasma generation. Therefore, a sufficiently high density plasma can be generated even if the filament voltage / current is reduced.

フィラメント2a、2a’、2a”のそれぞれにおける接近した互いに平行な部分から引き出される熱電子の量はそうでない部分から引き出される熱電子の量の約2〜5倍にもなることを確認できた。   It was confirmed that the amount of thermoelectrons extracted from the parallel parts close to each other in each of the filaments 2a, 2a 'and 2a "was about 2 to 5 times the amount of thermoelectrons extracted from the other parts.

また、フィラメント電流/電圧が小さく済むということはフィラメント動作温度が低いということであるから、プラズマからのスパッタリングを受けた場合、スパッタ率は低下し、従ってフィラメントの消耗はかなり抑制されることになる。フィラメント自身の蒸発量も少なくなる。   Also, the fact that the filament current / voltage is small means that the filament operating temperature is low, so that when the sputtering is performed from the plasma, the sputtering rate is lowered, and therefore the consumption of the filament is considerably suppressed. . The amount of evaporation of the filament itself is also reduced.

また、図11(A)の装置におけるフィラメントに比べると、フィラメント2a、2a’、2a”のそれぞれの長さは短いので、フィラメントに印加される電圧も小さく済み、放電電源PW2の電圧を適切な電圧にすることによって、フィラメントとチャンバ1との間の電位差が極端に大きくなったり、小さくなったりすることなく、十分な量の熱電子を引き出すことができ、さらにプラズマからのスパッタリングも受けにくくなる。前記の実験条件で、但し処理時間に制限を設けずに装置Aを運転したところ、フィラメントの寿命は100時間程度と長寿命であった。   In addition, the length of each of the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ is shorter than that of the filament in the apparatus of FIG. 11A, so that the voltage applied to the filament can be reduced, and the voltage of the discharge power supply PW2 can be set appropriately. By making the voltage, a sufficient amount of thermionic electrons can be extracted without causing the potential difference between the filament and the chamber 1 to become extremely large or small, and it is also difficult to receive sputtering from the plasma. When the apparatus A was operated under the above experimental conditions, but without limiting the processing time, the filament life was as long as about 100 hours.

図3は本発明に係るイオン照射装置のを示している。このイオン照射装置Bは、図1(A)の装置Aにおいて、各フィラメントにおける互いに平行な部分を含む屈曲部分をフィラメントの負極性側端部寄りに位置させたものである。これらフィラメント等は電子源20Bを構成している。それ以外の点は装置Aと実質上同構成であり、装置Aと実質上同じ部品、部分等には装置Aと同じ参照符号を付してある。 FIG. 3 shows an example of an ion irradiation apparatus according to the present invention. This ion irradiation apparatus B is the apparatus A in FIG. 1A in which a bent portion including a portion parallel to each other in each filament is positioned closer to the negative polarity side end portion of the filament. These filaments constitute an electron source 20B. The other points are substantially the same as those of the apparatus A, and the same reference numerals as those of the apparatus A are attached to substantially the same parts and parts as the apparatus A.

何らかの都合で、例えば各部品の配置上、フィラメント支持端子台の間隔を大きくしなければならないというような場合がある。その場合、フィラメント長さはある程度長くならざるを得なくなる。その場合でも各フィラメントは平行部を含むように屈曲配置すればよいが、その場合は、図3のイオン照射装置Bで例示されるように、各フィラメントの負極性側に平行部を近づけるようにすればよい。こうすることで、各フィラメントの平行部にはイオン照射装置Aの場合と同等の放電電圧が印加され、効率的に熱電子を引き出すことができ、装置Aの場合と同等の効果が得られる。なお、フィラメントの平行部でない部分(図3では物品Wより左方へ延びた水平直線部分)には低い放電電圧が印加されるので、この部分からの熱電子の引き出しは困難になるが、かかる屈曲部分でない水平直線部分については、もともと平行部に比べて引き出される熱電子の量は1/5〜1/2程度と少ないから、かかる部分から引き出される電子によるプラズマ生成は期待していない。   For some reason, for example, there is a case where the interval between the filament support terminal blocks has to be increased due to the arrangement of the components. In that case, the filament length must be increased to some extent. Even in that case, each filament may be bent and arranged so as to include a parallel portion. In that case, as illustrated in the ion irradiation apparatus B of FIG. 3, the parallel portion is brought closer to the negative polarity side of each filament. do it. By doing so, a discharge voltage equivalent to that in the case of the ion irradiation device A is applied to the parallel portion of each filament, and thermoelectrons can be efficiently extracted, and the same effect as in the case of the device A can be obtained. In addition, since a low discharge voltage is applied to a portion that is not a parallel portion of the filament (a horizontal straight portion extending to the left from the article W in FIG. 3), it is difficult to extract thermoelectrons from this portion. Since the amount of thermionic electrons drawn out of the horizontal straight line portion which is not a bent portion is originally as small as about 1/5 to 1/2 compared with the parallel portion, plasma generation by electrons drawn out from such a portion is not expected.

図4はイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Cは、図1(A)の装置Aにおいて、フィラメント2a、2a’、2a”に代えて、フィラメント2c、2c’、2c、2c’を採用したものである。これら4本のフィラメントは上下方向4段に並列配置されており、各フィラメントはイオン照射対象物品Wの上下長手方向に対し水平方向に配置された端子台21c、22c間に張設されている。各フィラメントには、それぞれのフィラメントに対して設けた直流フィラメント電源PWcから通電されるようになっおり、これらフィラメント等が電子源20Cを構成している。 Figure 4 shows another example of ion-irradiation device. This ion irradiation apparatus C employs filaments 2c, 2c ′, 2c, and 2c ′ in place of the filaments 2a, 2a ′, and 2a ″ in the apparatus A of FIG. The filaments are arranged in parallel in four stages in the vertical direction, and each filament is stretched between the terminal blocks 21c and 22c arranged in the horizontal direction with respect to the vertical direction of the ion irradiation target article W. Each filament is stretched. The DC filament power supply PWc provided for each filament is energized, and these filaments and the like constitute the electron source 20C.

上側の互いに隣り合うフィラメント2c、2c’、下側の互いに隣り合うフィラメント2c、2c’はいずれも、互いに接近する相互に平行な部分c1、c1’を含むように屈曲配置されている。互いに接近する相互に平行な部分c1、c1’からなる各組が物品Wに対向している。   The upper adjacent filaments 2c, 2c 'and the lower adjacent filaments 2c, 2c' are both bent and arranged so as to include mutually parallel portions c1, c1 '. Each set of mutually parallel portions c1 and c1 'approaching each other faces the article W.

上側の互いに隣り合うフィラメント2c、2c’にはそれらに接続された電源PWcから互いに逆向きに電流がながされよにうなっており、同様に、下側の互いに隣り合うフィラメント2c、2c’についても、それらに接続された電源PWcから互いに逆向きに電流がながされよにうなっている。
上記以外の点は図1(A)に示すイオン照射装置Aと実質上同構成であり、図1(A)の装置Aと実質上同じ部品、部分等には装置Aと同じ参照符号を付してある。
The upper adjacent filaments 2c and 2c ′ are adapted to receive currents in opposite directions from the power source PWc connected thereto, and similarly, the lower adjacent filaments 2c and 2c ′ However, currents are being flown in opposite directions from the power source PWc connected to them.
Points other than the above are substantially the same as those of the ion irradiation apparatus A shown in FIG. 1A, and components and parts that are substantially the same as those of the apparatus A of FIG. It is.

このイオン照射装置Cによると、上側及び下側それぞれの互いに隣り合うフィラメント2c、2c’における互いに接近した平行部分c1とc1’に互いに逆向きの電流が流されるので、フィラメント電流によって誘起される磁場は互いに打ち消しあい、従って、イオン照射装置Aの場合と同様にフィラメントから引き出される熱電子は磁場にトラップされにくくなり、フィラメント動作温度を得るためにフィラメントに印加する電圧を低くしても、効率的なプラズマ生成を行うことができる。また、フィラメント印加電圧を低くできることで、フィラメント、ひいては装置Cを長寿命にできる。さらに、装置Aと同様、物品Wのイオン照射対象部分の全体にわたり均一にイオン照射できる。
なお、図4の装置Cの場合、各隣り合うフィラメント2c、2c’は、それぞれ直線に張設して互いに接近させることで、それらに互いに反対向きに流される電流により誘起される磁場が互いに打ち消しあうようにしてもよい。
According to this ion irradiation apparatus C, currents in opposite directions are caused to flow in parallel portions c1 and c1 ′ that are close to each other in the filaments 2c and 2c ′ adjacent to each other on the upper and lower sides. Cancel each other. Therefore, as in the case of the ion irradiation apparatus A, the thermoelectrons extracted from the filament are not easily trapped in the magnetic field, and even if the voltage applied to the filament is lowered to obtain the filament operating temperature, it is efficient. Plasma generation can be performed. In addition, since the applied voltage of the filament can be reduced, the life of the filament and thus the device C can be extended. Further, similarly to the device A, the ion irradiation can be performed uniformly over the entire portion of the article W targeted for ion irradiation.
In the case of the device C in FIG. 4, the adjacent filaments 2c and 2c ′ are stretched in a straight line and brought close to each other, so that the magnetic fields induced by the currents flowing in the opposite directions cancel each other. You may make it meet.

図5は本発明に係るイオン照射装置の他の例を示している。このイオン照射装置Dは、装置Cにおいて、互いに隣り合うフィラメント2c、2c’において互いに接近する平行な部分c1、c1’をそれぞれフィラメントの負極性側の端部寄りに位置させたものである。それ以外の点は装置Cと実質上同構成であり、装置Cと実質上同じ部品、部分等には装置Cと同じ参照符号を付してある。 FIG. 5 shows another example of the ion irradiation apparatus according to the present invention. In the ion irradiation apparatus D, in the apparatus C, parallel portions c1 and c1 ′ approaching each other in the filaments 2c and 2c ′ adjacent to each other are positioned close to the end on the negative polarity side of the filament. The other points are substantially the same as those of the apparatus C, and substantially the same parts, parts, etc. as those of the apparatus C are denoted by the same reference numerals as those of the apparatus C.

イオン照射装置Dにおいても、各フィラメントの、それに隣り合うフィラメントに接近して平行な部分にはイオン照射装置Cの場合と同等の放電電圧が印加され、効率的に熱電子を引き出すことができ、装置Cの場合と同等の効果が得られる。   Also in the ion irradiation device D, a discharge voltage equivalent to that in the case of the ion irradiation device C is applied to the portion of each filament that is close to and parallel to the adjacent filament, and the thermoelectrons can be efficiently extracted, An effect equivalent to that of the device C can be obtained.

図6はイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Eは、図1(A)のイオン照射装置Aにおいて、フィラメント2a、2a’、2a”の前方にこれらフィラメントに対し共通の熱電子放出部材或いは2次電子放出部材4を配置し、該部材4も電子源20Eの構成部材としたものである。部材4はイオン照射対象物品Wのイオン照射対象部分に全体的に臨んでいる。部材4には、衝撃電源PW4から各フィラメントに対し高電位になるように電圧が印加され、チャンバ1には、放電電源PW2’から部材4に対し高電位になるように放電電圧が印加される。それ以外の点は装置Aと実質上同構成であり、装置Aにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等には装置Aと同じ参照符号を付してある。但し、ガス排気ポートやガス導入ポート等の図示は省略している。 Figure 6 shows another example of ion-irradiation device. In this ion irradiation apparatus E, in the ion irradiation apparatus A of FIG. 1A, a common thermoelectron emission member or secondary electron emission member 4 is arranged in front of the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ with respect to these filaments. The member 4 is also a constituent member of the electron source 20 E. The member 4 generally faces the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article W. The member 4 receives each filament from the impact power source PW4. On the other hand, a voltage is applied so as to be a high potential, and a discharge voltage is applied to the chamber 1 from the discharge power source PW2 ′ so as to be a high potential with respect to the member 4. The other points are substantially the same as those of the apparatus A. The components, parts, etc., which are substantially the same as the parts, parts, etc. in the apparatus A are given the same reference numerals as those in the apparatus A. However, illustration of gas exhaust ports, gas introduction ports, etc. is omitted. .

このイオン照射装置Eでは、各フィラメントにフィラメント電源PWaから電圧を印加して熱電子を放出させる一方、部材4に衝撃電源PW4からフィラメントに対して高電位となるように電圧を印加することでフィラメントから生じた熱電子を部材4に衝突させ、部材4から熱電子(或いは2次電子、又は熱電子と2次電子の両方)を放出させることができる。さらに、部材4に対して高電位となるように放電電源PW2’からチャンバ1に電圧を印加することで、部材4から放出された電子を加速してチャンバ内導入ガスに衝突させて直流放電させ、プラズマを生成させることができる。さらに、該プラズマ中のイオンをバイアス電源PW3から物品Wに負のバイアス電圧を印加して該物品に照射することができる。   In this ion irradiation apparatus E, a voltage is applied to each filament from a filament power supply PWa to emit thermoelectrons, while a voltage is applied to the member 4 from the impact power supply PW4 so that the filament has a high potential with respect to the filament. It is possible to cause the thermoelectrons generated from the electron beam to collide with the member 4 and emit the thermoelectrons (or secondary electrons, or both the thermoelectrons and the secondary electrons) from the member 4. Further, by applying a voltage from the discharge power source PW2 ′ to the chamber 1 so as to have a high potential with respect to the member 4, the electrons emitted from the member 4 are accelerated and collided with the introduced gas in the chamber to cause a direct current discharge. , Plasma can be generated. Furthermore, ions in the plasma can be irradiated to the article by applying a negative bias voltage to the article W from the bias power source PW3.

電子源20Eは物品Wのイオン照射対象部分の全体に臨んでおり、該電子源における熱電子放出部材(或いは2次電子放出部材)4やフィラメント2a、2a’、2a”は電子源の全体にわたって設けられているので、物品Wのイオン照射対象部分の全体にわたり均一に、効率的にイオン照射できる。また、フィラメント寿命は装置Aの場合と同様に長く、ひいてはイオン照射装置Eの寿命も長い。
なお、熱電子放出部材としては金属、金属酸化物、セラミック材料からなる部材を、2次電子放出部材についても、金属、金属酸化物、セラミック材料からなる部材を例示できる。
The electron source 20E faces the entire portion of the article W subject to ion irradiation, and the thermionic emission member (or secondary electron emission member) 4 and the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ in the electron source extend over the entire electron source. Since it is provided, ion irradiation can be performed uniformly and efficiently over the entire ion irradiation target portion of the article W. Further, the filament life is long as in the case of the apparatus A, and the life of the ion irradiation apparatus E is also long.
Examples of the thermoelectron emitting member include a member made of metal, metal oxide, and ceramic material, and the secondary electron emitting member also includes a member made of metal, metal oxide, and ceramic material.

図7はイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Fは、図1(A)のイオン照射装置Aにおいて、フィラメント2a、2a’、2a”の前方にこれらフィラメントに対し共通の予備プラズマ室5を設け、これも電子源20Fの構成要素としたものである。 Figure 7 shows another example of ion-irradiation device. In this ion irradiation apparatus F, in the ion irradiation apparatus A of FIG. 1 (A), a common preliminary plasma chamber 5 is provided in front of the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ for these filaments, and this also constitutes the electron source 20F. It is an element.

予備プラズマ室4にはガス導入ポート51からガス(例えばアルゴンガス等の不活性ガス)が導入される。予備プラズマ室5の電子引出し開口52はイオン照射対象物品Wのイオン照射対象部分に全体的に臨んでいる。予備プラズマ室5には、予備放電電源PW5から各フィラメントに対し高電位になるように電圧が印加され、チャンバ1には、放電電源PW2”から予備プラズマ室5に対し高電位になるように放電電圧が印加される。それ以外の点は装置Aと実質上同構成であり、装置Aにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等には装置Aと同じ参照符号を付してある。但し、チャンバ1のガス排気ポートやガス導入ポート等の図示は省略している。   A gas (for example, an inert gas such as argon gas) is introduced into the preliminary plasma chamber 4 from a gas introduction port 51. The electron extraction opening 52 of the preliminary plasma chamber 5 faces the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article W as a whole. A voltage is applied to the preliminary plasma chamber 5 from the preliminary discharge power source PW5 so that each filament has a high potential, and the chamber 1 is discharged from the discharge power source PW2 ″ so as to have a high potential with respect to the preliminary plasma chamber 5. A voltage is applied, and the other points are substantially the same as those of the device A, and the same reference numerals as those of the device A are attached to substantially the same parts and portions as the components and parts in the device A. However, illustration of a gas exhaust port, a gas introduction port, and the like of the chamber 1 is omitted.

このイオン照射装置Fでは、各フィラメントにフィラメント電源PWaから電圧を印加して熱電子を放出させる一方、予備プラズマ室5内にガス導入ポート51からガスを導入するとともに電源PW5からフィラメントに対して高電位となるように電圧を印加することでフィラメントから生じた熱電子を導入ガスに衝突させ、予備プラズマを形成することができる。   In this ion irradiation apparatus F, a voltage is applied to each filament from the filament power supply PWa to emit thermoelectrons, while gas is introduced into the preliminary plasma chamber 5 from the gas introduction port 51 and from the power supply PW5 to the filament. By applying a voltage so as to be a potential, the thermoelectrons generated from the filament collide with the introduced gas, and a preliminary plasma can be formed.

さらに、予備プラズマ室5に対して高電位となるように放電電源PW2”からチャンバ1に電圧を印加することで、室5内に生成した予備プラズマ中の電子を引出し、加速してチャンバ内導入ガスに衝突させて直流放電させ、プラズマを生成させることができる。さらに、該プラズマ中のイオンをバイアス電源PW3から物品Wに負のバイアス電圧を印加して該物品に照射することができる。   Further, by applying a voltage from the discharge power source PW2 ″ to the chamber 1 so as to have a high potential with respect to the preliminary plasma chamber 5, electrons in the preliminary plasma generated in the chamber 5 are extracted, accelerated, and introduced into the chamber. The plasma can be generated by colliding with the gas and generating a plasma, and ions in the plasma can be irradiated to the article by applying a negative bias voltage to the article W from the bias power source PW3.

電子源20Fはその予備プラズマ室5の開口52が物品Wのイオン照射対象部分の全体に臨んでおり、該電子源における予備プラズマ室5やフィラメント2a、2a’、2a”は電子源の全体にわたって設けられているので、物品Wのイオン照射対象部分の全体にわたり均一に、効率的にイオン照射できる。また、フィラメント寿命は装置Aの場合と同様に長く、ひいてはイオン照射装置Fの寿命も長い。   In the electron source 20F, the opening 52 of the preliminary plasma chamber 5 faces the entire ion irradiation target portion of the article W, and the preliminary plasma chamber 5 and the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ in the electron source extend over the entire electron source. Since it is provided, ion irradiation can be performed uniformly and efficiently over the entire ion irradiation target portion of the article W. Further, the filament life is long as in the case of the apparatus A, and the life of the ion irradiation apparatus F is also long.

このイオン照射装置Fでは、予備プラズマ室5に導入するガスとチャンバ1に導入するガスを別のものとすることが可能である。例えば、物品Wに酸素イオンを照射したい場合は、チャンバ1に酸素ガスを導入すればよいが、この酸素ガスがフィラメント周囲雰囲気を形成するとフィラメントが酸化してその寿命が極端に短くなる。しかし、この装置Fでは、予備プラズマ室5にアルゴンガスなどの不活性ガスを導入すれば、チャンバ1からの酸素ガスの混入はある程度防止することができるので、それだけフィラメントの、ひいては装置Fの長寿命化が可能となる。そしてガス流量比などを調節すれば、最終的にはチャンバ1内では酸素ガスプラズマが主に生成するようにできるので、物品Wには主として酸素イオンを照射することができる。
なお、〔課題を解決するための手段〕においてイオン照射装置における電子源の態様として三つのものを例示したことから明らかなように、図6に示す熱電子放出部材或いは2次電子放出部材を例えば図3に示すイオン照射装置のフィラメント2a、2a’、2a”の前方に配置した電子源、図5に示すイオン照射装置のフィラメント2c、2c’の前方に配置した電子源を構成することも可能である。また、図7に示す予備プラズマ室を例えば図3に示すイオン照射装置のフィラメント2a、2a’、2a”の前方に配置した電子源、図5に示すイオン照射装置のフィラメント2c、2c’の前方に配置した電子源を構成することも可能である。
In this ion irradiation apparatus F, the gas introduced into the preliminary plasma chamber 5 and the gas introduced into the chamber 1 can be different. For example, when it is desired to irradiate the article W with oxygen ions, oxygen gas may be introduced into the chamber 1. However, when this oxygen gas forms an atmosphere around the filament, the filament is oxidized and its life is extremely shortened. However, in this apparatus F, if an inert gas such as argon gas is introduced into the preliminary plasma chamber 5, the oxygen gas from the chamber 1 can be prevented to some extent, so that the length of the filament and thus the length of the apparatus F is increased. Life can be extended. If the gas flow rate ratio is adjusted, the oxygen gas plasma can be mainly generated in the chamber 1 in the end, so that the article W can be mainly irradiated with oxygen ions.
As is clear from three examples of the electron source in the ion irradiation apparatus in [Means for Solving the Problems], the thermal electron emission member or the secondary electron emission member shown in FIG. It is also possible to configure an electron source arranged in front of the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ of the ion irradiation apparatus shown in FIG. 3 and an electron source arranged in front of the filaments 2c, 2c ′ of the ion irradiation apparatus shown in FIG. Further, for example, the preliminary plasma chamber shown in Fig. 7 is arranged in front of the filaments 2a, 2a ', 2a "of the ion irradiation apparatus shown in Fig. 3, and the filaments 2c, 2c of the ion irradiation apparatus shown in Fig. 5 are used. It is also possible to construct an electron source placed in front of '.

図8は本発明にかかるイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Gは、図3のイオン照射装置Bにおいて、フィラメント2a、2a’、2a”の背後且つチャンバ壁外側に磁場形成用のマグネット(永久磁石)6を4段に設け、これらも電子源20Gの構成要素としたものである。   FIG. 8 shows still another example of the ion irradiation apparatus according to the present invention. This ion irradiation apparatus G is provided with four stages of magnets (permanent magnets) 6 for forming a magnetic field behind the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ and outside the chamber wall in the ion irradiation apparatus B of FIG. This is a component of the source 20G.

これらマグネットはフィラメント2a、2a’、2a”のそれぞれにおける水平直線部分に、そこに流れる電流により形成される磁場を打ち消す、或いは弱める磁場を提供するように設けられている。
これ以外の点は装置Bと実質上同構成であり、装置Bにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等には装置Bと同じ参照符号を付してある。但し、各フィラメントは簡略化して図示してあり、電源等の図示は省略している。
These magnets are provided in the horizontal linear portions of the filaments 2a, 2a ′, 2a ″ so as to provide a magnetic field that cancels or weakens the magnetic field formed by the current flowing therethrough.
The other points are substantially the same as those of the apparatus B, and the same reference numerals as those of the apparatus B are given to substantially the same parts and portions as the parts and parts in the apparatus B. However, each filament is illustrated in a simplified manner, and illustration of a power source and the like is omitted.

この装置Gでは、各フィラメントの水平直線部分からも十分な熱電子を引き出すことができ、それによりプラズマ密度を一層高くすることができ、物品Wへ均一に、より多量のイオン照射量でイオン照射でき、それだけイオン処理時間を短くすることができる。   In this apparatus G, sufficient thermoelectrons can be drawn out from the horizontal straight line portion of each filament, thereby making it possible to further increase the plasma density and to irradiate the article W uniformly with a larger amount of ion irradiation. The ion processing time can be shortened accordingly.

マグネット6は永久磁石でなくてもよく、磁場形成コイル等からなるものでもよい。コイルを採用する場合、電源なども必要になるのでそれだけ大がかりでコスト高となるが、磁場強度をある程度自由に変えることができるので、より適切な磁場強度を実現することが可能であるし、フィラメントに流す電流が交流の場合はコイル電流を反転させて磁場の向きを反転させることによって効率的にフィラメントの直線部分によって誘起される磁場を打ち消す、或いは弱めることができる。   The magnet 6 may not be a permanent magnet, but may be a magnetic field forming coil or the like. When a coil is used, a power supply is required, which increases the cost and costs. However, the magnetic field strength can be changed freely to some extent, so it is possible to achieve a more appropriate magnetic field strength and filament. In the case where the current to be passed through is alternating current, the magnetic field induced by the linear portion of the filament can be effectively canceled or weakened by reversing the direction of the magnetic field by reversing the coil current.

なお、かかる磁場形成手段は、イオン照射装置A〜Fや次に説明するイオン照射装置H、Jにも適用できる。また、イオン照射装置A〜Gや次に説明するイオン照射装置H、Jではフィラメント電源として直流電源を採用しているがこれに代えて交番電源を採用してもよい。   Such magnetic field forming means can also be applied to ion irradiation apparatuses A to F and ion irradiation apparatuses H and J described below. Further, in the ion irradiation apparatuses A to G and the ion irradiation apparatuses H and J to be described next, a DC power supply is adopted as a filament power supply, but an alternating power supply may be adopted instead.

図9は本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示している。このイオン照射装置Hは、図3のイオン照射装置Bにおいて、物品Wの近傍にイオン電流分布計測器7を設け、計測器7で計測されたイオン電流分布情報に基づいて制御部8が出力可変の各フィラメント電源PWa’の出力を制御し、物品Wへのイオン照射を一層均一化できるようにしたものである。
これ以外の点は装置Bと実質上同じである。装置Bにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等には装置Bと同じ参照符号を付してある。
FIG. 9 shows still another example of the ion irradiation apparatus according to the present invention. In this ion irradiation apparatus H, in the ion irradiation apparatus B of FIG. 3, an ion current distribution measuring instrument 7 is provided in the vicinity of the article W, and the output of the controller 8 is variable based on the ion current distribution information measured by the measuring instrument 7. The output of each filament power supply PWa 'is controlled so that ion irradiation to the article W can be made more uniform.
The other points are substantially the same as those of the apparatus B. Parts, portions, and the like that are substantially the same as parts, portions, and the like in apparatus B are denoted by the same reference numerals as in apparatus B.

この装置Hにおけるイオン電流分布計測器7は物品Wに照射されるイオンに基づくイオン電流の量、換言すればイオン電流密度の空間分布を計測するものである。この計測器7は一時的に、つまり計測時のみ物品Wの前に移動させてもよいし、図示例のように常時物品Wの近傍に配置しておいてもよい。図示例の配置の場合は、実際に物品Wに照射されるイオンに基づくイオン電流量或いはイオン電流密度とは少し違った値が計測される場合があり得るが、そのような場合には、予め実際の値と計測値との相関関係を求めておき、制御部8において計測後に実際の値に換算すればよい。   The ion current distribution measuring instrument 7 in the apparatus H measures the amount of ion current based on ions irradiated on the article W, in other words, the spatial distribution of ion current density. This measuring instrument 7 may be moved in front of the article W temporarily, that is, only at the time of measurement, or may always be arranged in the vicinity of the article W as in the illustrated example. In the case of the arrangement of the illustrated example, a value slightly different from the ion current amount or the ion current density based on the ions actually irradiated to the article W may be measured. What is necessary is just to obtain | require the correlation between an actual value and a measured value, and to convert into an actual value after measurement in the control part 8. FIG.

制御部8についてもう少し詳しく説明すると、イオン電流分布計測器7によって計測されるイオン電流量或いはイオン電流密度の空間分布情報は制御部8に伝送され、制御部8において該情報に基づき均一性の算出等のデーター処理が行われる。そこで均一性の条件に合わない場合は、図示例ではフィラメント電源PWa’の制御を行い、均一性が条件に合うように、該フィラメント電源からフィラメントに流れる電流を調整する。   The control unit 8 will be described in more detail. The spatial distribution information of the ion current amount or the ion current density measured by the ion current distribution measuring instrument 7 is transmitted to the control unit 8, and the control unit 8 calculates the uniformity based on the information. Etc. are processed. If the uniformity condition is not met, the filament power supply PWa 'is controlled in the illustrated example, and the current flowing from the filament power supply to the filament is adjusted so that the uniformity meets the condition.

具体例を挙げると、例えば上下のフィラメント2a、2a”に対応する領域に比べてその間の中央部領域でのイオン電流量或いはイオン電流密度が大きい場合は、真ん中のフィラメント電源PWa’の制御を行い、真ん中のフィラメント2a’の電流を下げ、それからの熱電子放出量を少なくし、中央領域のプラズマ密度を小さくし、それにより全体に均一性のよいイオン照射を行えるようにする。   For example, when the ion current amount or ion current density in the central region between the upper and lower filaments 2a and 2a ″ is larger than that in the region corresponding to the upper and lower filaments 2a and 2a ″, the filament power supply PWa ′ in the middle is controlled. Then, the current of the middle filament 2a ′ is lowered, the amount of thermionic emission therefrom is reduced, the plasma density in the central region is reduced, and thereby ion irradiation with good uniformity can be performed as a whole.

イオン電流分布計測器7はファラデーカップ型のものであれば、より正確なイオン電流密度を計測することができるが、これに限る必要はなく、単なるイオンコレクターのようなものでもよい。後者の場合は正確なイオン電流密度を算出することは困難であるが、相対的なイオン電流分布を算出することは可能であり、それでも十分実用に供し得る場合がある。   If the ion current distribution measuring instrument 7 is of a Faraday cup type, it can measure a more accurate ion current density. However, the ion current distribution measuring instrument 7 is not limited to this and may be a simple ion collector. In the latter case, it is difficult to calculate an accurate ion current density, but it is possible to calculate a relative ion current distribution, and it may still be sufficiently practical.

さらにイオン電流分布計測器7に代えて、プラズマ分布計測器のようなものでも代用ができる。例えばプラズマからの発光を分光器などで検出し、その検出情報からプラズマ密度の空間分布を求めるものを採用できる。この場合、そのように求められるプラズマ密度の空間分布と、実際のイオン電流分布との相関関係を予め算出しておき、計測値を実際の値に換算し、それに基づいて制御するようにすればよい。
図11(A)に示したような、フィラメントを連続的に長い範囲に配置するような例では、このような制御をすることは不可能である。しかし、本発明に係る装置ではフィラメントを不連続に複数段に分散並列配置しているのでかかる制御が可能である。
なお、かかる計測器や制御部は、既述のイオン照射装置A〜Gにも適用できる。
Further, instead of the ion current distribution measuring instrument 7, a plasma distribution measuring instrument or the like can be substituted. For example, it is possible to employ a device that detects light emission from plasma with a spectroscope or the like and obtains a spatial distribution of plasma density from the detected information. In this case, if the correlation between the spatial distribution of the plasma density thus obtained and the actual ion current distribution is calculated in advance, the measured value is converted into an actual value, and control is performed based on the calculated value. Good.
In an example in which filaments are continuously arranged in a long range as shown in FIG. 11A, such control is impossible. However, in the apparatus according to the present invention, since the filaments are discontinuously distributed and arranged in a plurality of stages, such control is possible.
In addition, this measuring device and control part are applicable also to the above-mentioned ion irradiation apparatus AG.

また、通常プラズマの密度は放電電流とともに高くなるので、各フィラメントが分担する放電電流をモニターすることでも、プラズマの空間分布を知ることができる。図10は、図9の装置Hにおいて、イオン電流分布計測器7に代えて、フィラメント2a、2a’、2a”のそれぞれが分担する放電電流を計測する放電電流計測器AM1、AM2、AM3を設けたイオン照射装置Jを示している。   Further, since the density of plasma usually increases with the discharge current, the spatial distribution of the plasma can also be known by monitoring the discharge current shared by each filament. FIG. 10 shows that the apparatus H of FIG. 9 is provided with discharge current measuring devices AM1, AM2, and AM3 for measuring the discharge currents shared by the filaments 2a, 2a ′, and 2a ″ in place of the ion current distribution measuring device 7. The ion irradiation apparatus J is shown.

装置Jにおいては、計測器AM1、AM2、AM3で検出される放電電流が制御部9に入力される。制御部9には、物品Wに全体的に均一にイオン照射するために個々のフィラメントが分担すべき放電電流(予め実験等により求めたもの)が設定されている。制御部9は、各計測器からの電流情報とその設定電流とを比較し、該電流情報が設定電流になるように、各フィラメント電源PWa’の出力を制御する。   In the device J, the discharge current detected by the measuring instruments AM1, AM2, and AM3 is input to the control unit 9. In the control unit 9, a discharge current (which is obtained in advance by experiments or the like) to be shared by individual filaments in order to uniformly irradiate ions on the article W as a whole is set. The control unit 9 compares the current information from each measuring instrument with the set current, and controls the output of each filament power supply PWa 'so that the current information becomes the set current.

制御部9における、各フィラメントに対応する放電電流設定値は、各フィラメントについて同じであってもよいが、例えば、装置構成等によりプラズマが生じ難い領域があるような場合は、その領域に対する放電電流が大きくなるように、フィラメントごとに設定値が異なってもよい。   The discharge current set value corresponding to each filament in the control unit 9 may be the same for each filament. For example, when there is a region where plasma is difficult to be generated due to the device configuration or the like, the discharge current for that region is So that the set value may be different for each filament.

ここでフィラメントについてさらに説明しておく。
フィラメント途中の接近した平行又は略平行な部分の間隔、或いは互いに隣り合うフィラメントにおいて接近した平行又は略平行な部分の間隔は、短ければ短いほど、その部分に発生する磁場の相互打ち消しあいのためにはよいが、実際にはあまり短すぎると、フィラメントの熱膨張などが原因で短絡してしまうことがある。
Here, the filament will be further described.
The shorter the distance between adjacent parallel or substantially parallel parts in the middle of a filament, or between adjacent parallel or substantially parallel parts in adjacent filaments, the shorter is the mutual cancellation of magnetic fields generated in those parts. In fact, if it is too short, it may cause a short circuit due to thermal expansion of the filament.

また逆に、該間隔が広すぎると、磁場の相殺が起きにくくなり、熱電子がトラップされてしまう。フィラメントの直径や長さ、流す電流の大きさ、そして使用環境条件等によっても変わってくるが、例えば直径0.8mm〜1.5mm程度のフィラメントであれば、平行部或いは概ね平行な部分の間隔は、必ずしもそれに限定されるわけではないが、概ね3mm〜50mm程度が好ましく、より好ましくは6mm〜30mm程度である。該間隔が3mmより小さくなってくると、ショートしやすくなり、50mmより大きくなってくると、磁場の相殺が困難になってくる。   On the other hand, if the interval is too wide, the magnetic field will not easily cancel, and thermal electrons will be trapped. For example, if the filament has a diameter of about 0.8 mm to 1.5 mm, the distance between parallel parts or approximately parallel parts will vary depending on the diameter and length of the filament, the magnitude of the current to flow, and the operating environment conditions. Although not necessarily limited thereto, approximately 3 mm to 50 mm is preferable, and approximately 6 mm to 30 mm is more preferable. When the distance is smaller than 3 mm, short-circuiting is likely to occur, and when the distance is larger than 50 mm, it becomes difficult to cancel the magnetic field.

ここで「平行部或いは概ね平行な部分の間隔が、例えば6mm〜30mm」とは、長さ50mm程度にわたって間隔が6mm〜30mm程度の範囲におさまることを言うが、要はそれらの部分に流す電流によって形成される磁場が実質上互いに打ち消されるように、平行又は略平行な状態であればよい。   Here, “the interval between the parallel portions or the substantially parallel portions is, for example, 6 mm to 30 mm” means that the interval is within the range of about 6 mm to 30 mm over a length of about 50 mm. As long as the magnetic fields formed by are substantially parallel to each other, they may be in a parallel or substantially parallel state.

さらに、平行部或いは概ね平行な部分は、1本のフィラメントに2ケ所以上あってもよいし、それらの配置も基本的には自由である。2本以上のフィラメントを近接させる場合も、それらの平行な部分或いは概ね平行な部分は2ケ所以上あってもよいし、それらの配置も基本的には自由である。フィラメントに流す電流は直流電流に限らず、交流電流でもよいしパルス電流などでもよい。交流電流やパルス電流などを流す場合は、直流電流の場合と同様に、接近した平行な部分或いは近接した概ね平行な部分に互いに逆向きに電流が流れるようにすればよい。   Further, two or more parallel portions or substantially parallel portions may be provided in one filament, and their arrangement is basically free. When two or more filaments are brought close to each other, there may be two or more parallel parts or almost parallel parts, and their arrangement is basically free. The current passed through the filament is not limited to a direct current, but may be an alternating current or a pulsed current. When an alternating current, a pulse current, or the like is passed, currents may flow in opposite directions in close parallel parts or close parallel parts as in the case of direct current.

例えば図1(A)のイオン照射装置A等では、フィラメント電源として定期的に極性が反転する直流電源を採用してもよく、そうすることで、さらにフィラメントの寿命が延びる。一般に、フィラメントの負極性側の方が正極性側に比べて実質的な放電電圧が高くなるのでプラズマからのスパッタリングを受けやすく、したがって消耗が激しいので、フィラメントが切れるのは必ずと言っていいほど負極性側の端子台に近い部分となる。よって定期的にフィラメント電源の極性を入れ替えれば、消耗を分散させることができ、フィラメント寿命は延びるのである。   For example, in the ion irradiation apparatus A shown in FIG. 1A or the like, a direct current power source whose polarity is periodically reversed may be adopted as the filament power source, which further extends the life of the filament. In general, the negative side of the filament has a higher substantial discharge voltage than the positive side, so that it is more susceptible to sputtering from the plasma, and therefore the exhaustion is so severe that the filament is always cut. It is a portion close to the terminal block on the negative polarity side. Therefore, if the polarity of the filament power supply is periodically changed, the consumption can be dispersed and the filament life is extended.

実際、図1(A)に示す装置Aで、既述のようにフィラメント寿命が100時間程度となった条件下の運転で、しかし、直流フィラメント電源の極性を20時間ごとに入れ替えると(反転させると)、フィラメント寿命は130時間程度に延びた。極性入れ替え周期は10時間ごとや30時間ごとのように、特に時間の制限はないが、元々の寿命である既述の100時間程度に近い時間、例えば90時間で入れ替えを行うと、寿命は110時間程度となるので、50時間以下が望ましいが、それには限定されない。   Actually, in the apparatus A shown in FIG. 1 (A), the operation is performed under the condition that the filament life is about 100 hours as described above. However, when the polarity of the DC filament power supply is changed every 20 hours (inverted). The filament life was extended to about 130 hours. The polarity replacement period is not particularly limited as in every 10 hours or every 30 hours, but if the replacement is performed in a time close to the above-mentioned 100 hours, which is the original life, for example 90 hours, the life is 110. The time is about 50 hours or less, but it is not limited to this.

放電電源については、一台とは限らず、必要に応じて複数台採用してもよい。またフィラメント電源については個々のフィラメントに対してそれぞれ一台であってもよいが、一台のフィラメント電源によって複数のフィラメントに電流を流してもよい。
また、図1から図10に示す各イオン照射装置においては、放電電源の負側はフィラメント電源の正側(或いは負側)に接続されているが、放電電源の負側はフィラメント電源の正側、負側のいずれに接続されてもよい。但し、放電電源の負側をフィラメント電源の正側に接続する場合は、フィラメント負側の放電電圧が高くなりすぎないように放電電源の電圧を調整するとよい。
フィラメントの材質はタングステンが一般的であるが、他のものでもよい。
The discharge power supply is not limited to one, and a plurality of discharge power supplies may be adopted as necessary. One filament power supply may be provided for each filament, but a single filament power supply may cause a current to flow through a plurality of filaments.
1 to 10, the negative side of the discharge power source is connected to the positive side (or the negative side) of the filament power source, but the negative side of the discharge power source is the positive side of the filament power source. And may be connected to either of the negative side. However, when the negative side of the discharge power source is connected to the positive side of the filament power source, the voltage of the discharge power source may be adjusted so that the discharge voltage on the negative side of the filament does not become too high.
The material of the filament is generally tungsten, but other materials may be used.

イオン照射装置A〜Hを含め本発明に係るイオン照射装置によるイオン照射は、既述のとおり、物品表面のクリーニング、物品表面を適度に荒らす、物品表面温度を上昇させる等に利用できるが次のようにも利用できる。   As described above, ion irradiation by the ion irradiation apparatus according to the present invention including the ion irradiation apparatuses A to H can be used for cleaning the article surface, appropriately roughening the article surface, increasing the article surface temperature, etc. Can be used as well.

すなわち、例えば成膜プロセスにおいては、成膜中に使用することもできる。成膜中に物品へイオン照射することによって、膜質のコントロールをすることが可能であるし、或いは、生成したプラズマによって膜の成分として寄与する原子、分子、クラスターなどを励起、イオン化するなどして、これらを活性化することによって、膜質をコントロールすることも可能である。   That is, for example, in a film formation process, it can be used during film formation. It is possible to control the film quality by irradiating the product with ions during film formation, or to excite and ionize atoms, molecules, clusters, etc. that contribute as components of the film by the generated plasma. It is also possible to control the film quality by activating them.

また、物品の温度を上げすぎないようにする等々のために、定常運転ではなく、パルス運転などの非定常運転をすることも可能である。例えば放電電源を入り切りすることによってプラズマを生成させたり消滅させたりし、それによって非定常運転を行うことができるし、フィラメントの電源を入り切りすることによっても、非定常運転が可能である。バイアス電源を入り切りすることによってもできる。
なお、バイアス電源の極性を負極性から正極性に変更することで、物品に電子を照射することもできる。高速両極性パルス運転と組み合わせれば、物品が絶縁物の場合において、イオン照射によるチャージアップを抑制して、効率的にイオン照射をすることができる。
Further, in order not to raise the temperature of the article too much, it is possible to perform non-steady operation such as pulse operation instead of steady operation. For example, plasma can be generated or extinguished by turning on and off the discharge power source, thereby enabling unsteady operation, and unsteady operation can also be performed by turning on and off the filament power source. This can also be done by turning the bias power supply on and off.
Note that the article can be irradiated with electrons by changing the polarity of the bias power source from negative to positive. When combined with high-speed bipolar pulse operation, when the article is an insulator, charge-up due to ion irradiation can be suppressed and ion irradiation can be performed efficiently.

本発明は、例えば機械部品、工具、自動車部品などの物品への膜形成、イオン注入、表面改質などの処理の一環として、物品にイオン照射することで物品の表面をクリーニングしたり、物品の表面を適度に荒らしたり、或いは物品の表面温度を上昇させる等に利用できる。   The present invention, for example, cleans the surface of an article by irradiating the article with ions as part of a process such as film formation, ion implantation, or surface modification on an article such as a machine part, tool, or automobile part. It can be used to moderately rough the surface or raise the surface temperature of the article.

図1(A)は本発明に係るイオン照射装置の1例を示す図であり、図1(B)は該装置における電子源のフィラメントとイオン照射対象物品との配置関係を上方から見た様子を示す図である。図1(C)は電子源における上段フィラメントを示す図であり、図1(D)は中段フィラメントを示す図である。FIG. 1A is a view showing an example of an ion irradiation apparatus according to the present invention, and FIG. 1B is a view of an arrangement relationship between an electron source filament and an ion irradiation target article in the apparatus viewed from above. FIG. FIG. 1C is a diagram showing the upper filament in the electron source, and FIG. 1D is a diagram showing the middle filament. 図1(A)のイオン照射装置、図10(A)の従来例イオン照射装置のそれぞれによる物品のエッチング実験におけるエッチング量位置依存性を示す図である。It is a figure which shows the etching amount position dependence in the etching experiment of the articles | goods by each of the ion irradiation apparatus of FIG. 1 (A), and the conventional example ion irradiation apparatus of FIG. 10 (A). 本発明に係るイオン照射装置の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the ion irradiation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of the ion irradiation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of the ion irradiation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of the ion irradiation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of the ion irradiation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of the ion irradiation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of the ion irradiation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るイオン照射装置のさらに他の例を示す図である。It is a figure which shows the further another example of the ion irradiation apparatus which concerns on this invention. 図11(A)はイオン照射装置の従来例を示す図であり、図11(B)は該装置におけるフィラメントとイオン照射対象物品との位置関係を図11(A)の右方から見て示す図である。FIG. 11A is a diagram showing a conventional example of an ion irradiation apparatus, and FIG. 11B shows a positional relationship between a filament and an ion irradiation target article in the apparatus as viewed from the right side of FIG. 11A. FIG. 図11(A)の装置の、考えられる改良例装置を示す図である。It is a figure which shows the apparatus of the improvement example which can be considered of the apparatus of FIG. 11 (A).

符号の説明Explanation of symbols

A、B、C、D、E、F、G、H、J イオン照射装置
1 真空チャンバ
11 排気ポート
12 ガス導入ポート
3 物品ホルダ
W イオン照射対象物品
20A、20B 電子源
2a、2a’、2a” フィラメント
21a、22a 端子台
a1とa1、a1’とa1’、a2’とa2’ 平行部分
PWa フィラメント電源
PW2 放電電源
PW3 バイアス電源
20C、20D 電子源
2c、2c’ フィラメント
21c、22c 端子台
c1とc1’ 平行部分
PWc フィラメント電源
20E 電子源
4 電子放出部材(又は2次電子放出部材)
PW4 衝撃電源
PW2’ 放電電源
20F 電子源
5 予備プラズマ室
51 ガス導入ポート
52 電子引出し開口
PW5 予備プラズマ室用電源
PW2” 放電電源
20G 電子源
6 マグネット
20H 電子源
PWa’ 出力可変フィラメント電源
7 イオン電流分布計測器
8 制御部
2、2’ フィラメント
21、21’、22、22’端子台
PW1、PW1’フィラメント電源 AM1、AM2、AM3 放電電流計測器
9 制御部
A, B, C, D, E, F, G, H, J Ion irradiation apparatus 1 Vacuum chamber 11 Exhaust port 12 Gas introduction port 3 Article holder W Ion irradiation target article 20A, 20B Electron sources 2a, 2a ', 2a " Filaments 21a and 22a Terminal blocks a1 and a1, a1 'and a1', a2 'and a2' Parallel part PWa Filament power supply PW2 Discharge power supply PW3 Bias power supply 20C, 20D Electron source 2c, 2c 'Filaments 21c, 22c Terminal blocks c1 and c1 'Parallel part PWc Filament power supply 20E Electron source 4 Electron emission member (or secondary electron emission member)
PW4 Impact power supply PW2 'Discharge power supply 20F Electron source 5 Preliminary plasma chamber 51 Gas introduction port 52 Electron extraction opening PW5 Preliminary plasma chamber power supply PW2 "Discharge power source 20G Electron source 6 Magnet 20H Electron source PWa' Output variable filament power source 7 Ion current distribution Measuring instrument 8 Controller 2, 2 'Filament 21, 21', 22, 22 'Terminal block PW1, PW1' Filament power supply AM1, AM2, AM3 Discharge current measuring instrument 9 Controller

Claims (11)

真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であり、該真空チャンバ内に、該イオン照射対象物品を支持して予め定めた回転中心線のまわりに回転可能の物品ホルダが設けられており、該電子源は、該物品ホルダに支持されるイオン照射対象物品のイオン照射対象部分に臨むことができるように該物品ホルダの回転中心線方向に延在して設けられており、該電子源における前記フィラメントは、該電子源の物品ホルダ回転中心線方向の全体にわたり該物品ホルダ回転中心線方向において複数段に不連続に分散並列配置され、該複数段のフィラメントのそれぞれは、互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分を少なくとも一組含むように屈曲配置されており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近しており、前記の互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントに通電するフィラメント電源は直流電源であり、前記の互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含むように屈曲配置されたフィラメントにおける該相互に平行又は略平行な対向部分は該フィラメントの負極性側端部寄りに位置していることを特徴とするイオン照射装置。 In the vacuum chamber, electrons emitted from an electron source using a filament that emits thermoelectrons by resistance heating by energization from a filament power source collide with the introduced gas in the vacuum chamber to generate plasma, and ions in the plasma An ion irradiation apparatus that irradiates an ion irradiation target article, and an article holder that supports the ion irradiation target article and is rotatable around a predetermined rotation center line in the vacuum chamber. The electron source is provided so as to extend in the rotation center line direction of the article holder so as to face the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article supported by the article holder. The filaments are distributed in a discontinuous manner in a plurality of stages in the direction of the article holder rotation center line of the electron source. Are arranged, each of the filaments of said plurality several stages, are bent arranged to include at least one pair of opposed portion opposed parallel or substantially parallel to one another as reverse current flow to one another, parallel to the each other or The substantially parallel facing portions are close to each other so that the magnetic fields generated by the currents flowing in the opposite directions to the opposing portions cancel each other. The filament power supply for energizing the filaments arranged to be bent is a DC power supply, and the filaments bent and arranged so as to include the mutually parallel or substantially parallel opposing portions approaching each other are parallel or substantially parallel to each other. An opposite irradiation part is located near the negative polarity side edge part of this filament, The ion irradiation apparatus characterized by the above-mentioned. 真空チャンバ内において、フィラメント電源からの通電による抵抗加熱により熱電子を放出するフィラメントを用いた電子源から放出させた電子を真空チャンバ内導入ガスに衝突させてプラズマを生成し、該プラズマ中のイオンをイオン照射対象物品に照射するイオン照射装置であり、該真空チャンバ内に、該イオン照射対象物品を支持して予め定めた回転中心線のまわりに回転可能の物品ホルダが設けられており、該電子源は、該物品ホルダに支持されるイオン照射対象物品のイオン照射対象部分に臨むことができるように該物品ホルダの回転中心線方向に延在して設けられており、該電子源における前記フィラメントは、該電子源の物品ホルダ回転中心線方向の全体にわたり該物品ホルダ回転中心線方向において複数段に不連続に分散並列配置され、該複数段のフィラメントのうち少なくとも一組の互いに隣り合うフィラメントには、互いに逆向きの電流が流される、相互に平行又は略平行な対向部分が少なくとも一つ含まれており、該相互に平行又は略平行な対向部分は、該対向部分に互いに逆向きに流される電流に誘起されて発生する磁場が打ち消しあうように接近しており、前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含む、前記組をなす互いに隣り合うフィラメントに通電するフィラメント電源は、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分に互いに逆向きの電流を流す直流電源であり、前記組をなす互いに隣り合うフィラメントにおける前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分はそれらフィラメントの負極性側端部寄りに位置していることを特徴とするイオン照射装置。   In the vacuum chamber, electrons emitted from an electron source using a filament that emits thermoelectrons by resistance heating by energization from a filament power source collide with the introduced gas in the vacuum chamber to generate plasma, and ions in the plasma An ion irradiation apparatus that irradiates an ion irradiation target article, and an article holder that supports the ion irradiation target article and is rotatable around a predetermined rotation center line in the vacuum chamber. The electron source is provided so as to extend in the rotation center line direction of the article holder so as to face the ion irradiation target portion of the ion irradiation target article supported by the article holder. The filaments are distributed in a discontinuous manner in a plurality of stages in the direction of the article holder rotation center line of the electron source. The at least one set of adjacent filaments of the plurality of stages of filaments includes at least one opposing portion that is parallel or substantially parallel to each other and in which currents flowing in opposite directions flow. The opposing portions parallel or substantially parallel to each other are close to each other so that the magnetic fields generated by the currents flowing in opposite directions to the opposing portions cancel each other. The filament power supplies that energize adjacent pairs of filaments that include portions are direct-current power supplies that pass currents in opposite directions to opposing portions that are close to or parallel to each other. The adjacent portions of adjacent filaments that are close to each other or parallel to each other are positioned near the negative side end of the filaments. Ion irradiation and wherein the. 前記各段のフィラメントにおける互いに逆向きの電流が流れるように相互に平行又は略平行に対向する対向部分は、前記物品ホルダの回転中心線方向に突出している請求項1記載のイオン照射装置。   2. The ion irradiation apparatus according to claim 1, wherein opposing portions of the filaments of each stage that face each other in parallel or substantially parallel to each other so that currents in opposite directions flow protrude in the direction of the rotation center line of the article holder. 前記互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を含む前記組をなす互いに隣り合うフィラメントは、該互いに接近する相互に平行又は略平行な対向部分を提供するように、少なくとも一方が屈曲配置されている請求項2記載のイオン照射装置。   At least one of the adjacent filaments in the set including the mutually parallel or substantially parallel facing portions that are close to each other is bent and disposed so as to provide the mutually parallel or substantially parallel facing portions that are close to each other. The ion irradiation apparatus according to claim 2. 前記電子源は、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子を用いる請求項1から4のいずれかに記載のイオン照射装置。   The electron source uses thermoelectrons emitted from the filament by resistance heating due to energization of the filament as electrons emitted from the electron source to collide with the introduced gas in the vacuum chamber and generate the plasma. The ion irradiation apparatus in any one of Claim 1 to 4. 前記電子源は、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子の衝突により熱電子を放出する熱電子放出部材及び前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子の衝突により2次電子を放出する2次電子放出部材のうち少なくとも一方を含んでおり、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、該熱電子放出部材及び(又は)2次電子放出部材から放出される電子を用いる請求項1から4のいずれかに記載のイオン照射装置。   The electron source is emitted from the filament by resistance heating by energizing the filament, and a thermoelectron emitting member that emits thermoelectrons by collision of thermoelectrons emitted from the filament by resistance heating by energizing the filament, and resistance heating by energizing the filament As an electron to be emitted from the electron source to generate the plasma by colliding with the introduced gas in the vacuum chamber, including at least one of secondary electron emitting members that emit secondary electrons by the collision of thermionic electrons 5. The ion irradiation apparatus according to claim 1, wherein electrons emitted from the thermal electron emission member and / or secondary electron emission member are used. 前記電子源は、予備プラズマ室を含んでおり、前記フィラメントへの通電による抵抗加熱により該フィラメントから放出される熱電子を該予備プラズマ室に導入されるガスに衝突させて予備プラズマを生成し、前記真空チャンバ内導入ガスに衝突させて前記プラズマを生成するために該電子源から放出させる電子として、該予備プラズマ室に生成するプラズマから放出される電子を用いる請求項1から4のいずれかに記載のイオン照射装置。   The electron source includes a preliminary plasma chamber, and generates a preliminary plasma by colliding a thermal electron emitted from the filament with a gas introduced into the preliminary plasma chamber by resistance heating by energizing the filament, 5. The electron emitted from the plasma generated in the preliminary plasma chamber is used as an electron emitted from the electron source in order to collide with the introduced gas in the vacuum chamber and generate the plasma. The ion irradiation apparatus of description. 前記複数段のフィラメントのうち少なくとも1段のフィラメントに対し、該フィラメントに流れる電流により誘起される磁場の少なくとも一部を打ち消す磁場形成手段が設けられている請求項1から7のいずれかに記載のイオン照射装置。   The magnetic field forming means for canceling at least a part of a magnetic field induced by a current flowing in the filament is provided for at least one of the plurality of stages of filaments. Ion irradiation device. 前記イオン照射対象物品に照射されるイオンに基づくイオン電流の空間分布を計測するイオン電流分布計測装置及び該イオン電流分布計測装置により計測されるイオン電流分布に基づいて、イオン電流分布を該物品のイオン照射対象部分全体に対し均一化するように前記フィラメント電源出力を制御する制御装置を備えている請求項1から8のいずれかに記載のイオン照射装置。   An ion current distribution measuring device for measuring a spatial distribution of ion current based on ions irradiated on the ion irradiation target article, and an ion current distribution of the article based on the ion current distribution measured by the ion current distribution measuring device. The ion irradiation apparatus according to claim 1, further comprising a control device that controls the filament power output so that the entire ion irradiation target portion is uniform. 前記電子源から放出させた電子の前記真空チャンバ内導入ガスへの衝突により形成されるプラズマの空間分布を計測するプラズマ分布計測装置及び該プラズマ分布計測装置により計測されるプラズマ分布に基づいて、プラズマ分布を該物品のイオン照射対象部分全体に対し均一化するように前記フィラメント電源出力を制御する制御装置を備えている請求項1から8のいずれかに記載のイオン照射装置。   A plasma distribution measuring device for measuring a spatial distribution of plasma formed by collision of electrons emitted from the electron source with the gas introduced into the vacuum chamber, and a plasma based on the plasma distribution measured by the plasma distribution measuring device. The ion irradiation apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising a control device that controls the filament power output so as to make the distribution uniform over the entire ion irradiation target portion of the article. 前記プラズマの空間分布を計測するプラズマ分布計測装置は、前記各フィラメントが分担する放電電流をモニターすることでプラズマ分布を計測するものであり、該各フィラメントが分担する放電電流をモニターする放電電流計測器を含んでおり、前記フィラメント電源出力を制御する制御装置は、該放電電流計測器でモニターされる放電電流に基づいて各フイラメント電源出力を制御する請求項10記載のイオン照射装置。   The plasma distribution measuring apparatus for measuring the spatial distribution of the plasma measures the plasma distribution by monitoring the discharge current shared by each filament, and discharge current measurement for monitoring the discharge current shared by each filament. The ion irradiation apparatus according to claim 10, further comprising: a controller, wherein the controller for controlling the filament power output controls each filament power output based on a discharge current monitored by the discharge current measuring instrument.
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