JP4463310B2 - イオン源 - Google Patents
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Description
また、カソードの上記摩耗・浸食によって熱電子の放出効率は変化するため、イオン源から取り出されるイオンビーム電流が安定しない場合も多い。この場合、カソードとして機能する被加熱体の加熱量を調整してイオンビーム電流が制御される。
下記特許文献2には、プラズマ容器内に使用するフィラメント(被加熱体)と予備のフィラメント(被加熱体)とを設け、予備のフィラメントは、使用するフィラメントの寿命時に切り換えて使用することが記載されている。これによりフィラメントを交換するまでのイオン源の運用時間を長期間にできるとされている。
一方、上述した摩耗・浸食作用と堆積作用とにより、被加熱体の表面には、アノード、カソード及び容器内表面の材質が膜となって堆積する。被加熱体の温度変化により、一時的に温度が低下した場合、上記堆積作用が助長されて被加熱体の表面には多くの堆積物が付着する。このような被加熱体の堆積層は、熱電子放出のために被加熱体を加熱しても熱電子放出の障害となり、場合によっては被加熱体を溶損させるといった不具合が生じる。
このため、上記特許文献1,2に記載のイオン源は、安定した熱電子の放出ができず、被加熱体を交換するまでのイオン源の運用時間を長くするとはいえない。
また、一方の熱電子放出素子を用いておもに熱電子を放出させつつ、他方の熱電子放出素子を、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することにより、他方の熱電子放出素子に付着する堆積層の量を抑制し、かつ、付着する堆積層を密の構造とすることができる。これにより、より安定した熱電子の放出が可能となる。
イオン源1は、原料ガスを供給し放電することによりプラズマPを生成し、このプラズマPからイオンを取り出すことによりイオビームBを生成するバーナス源である。イオン源1は、図1に示す様に、プラズマ容器10、フィラメント12,14、カソード反射板16,18、絶縁部材20、原料ガス供給口22、イオンビーム取出口24、引き出し電極26,28、および磁石30,32を有する。プラズマ容器10は、図示されないイオン注入装置の減圧容器内に収納され、プラズマ容器10内で10−2〜10−3(Pa)に減圧された状態となっている。
プラズマ容器10の内部空間は、耐高温性を有する導電性材料で構成され、特にプラズマPに曝される部分の内壁面、例えばフィラメント12,14の先端の間に位置する内壁面は、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金からなる部材により構成されている。プラズマ容器10の容器全体が、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されてもよいが、プラズマ容器10の内部空間の、プラズマPに曝される部分の内壁面、例えばフィラメント12,14の先端の間に位置する内壁面が内張り部材(ライナー)で形成され、この内張り部材がタングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されたものであってもよい。
例えば、フィラメント12,14は、タングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金によって構成されている。ここで主成分とは、質量比率で90%以上を占める最大成分をいう。フィラメント12,14の材料は、プラズマ容器10の内部空間のプラズマPに曝される部分の内壁面の材料、すなわちタングステン、モリブデン、タンタルの中から選択される金属、またはこれらの金属の合金と同一の材料で構成されている。カソード反射板16,18の材料も、フィラメント12,14の材料と同様である。
また、フィラメント12,14の負極側の端と導電性を有するプラズマ容器10との間にアーク電圧を印加するようにアーク電源(図1には不図示)が設けられている。アーク電圧は、プラズマ容器10の電位がフィラメント12,14の電位に対して高くなるようにアーク電圧が数10〜100V印加される。
フィラメント12,14から放出された熱電子は、磁石30,32の磁力線に沿ってらせん状に運動して原料ガスGを分離させプラズマPを励起させる。フィラメント電源及びアーク電源については、後述する。
一方、プラズマ容器10の外側には、互いに対向するフィラメント12,14の配置方向に沿って磁場が形成されるようにN極、S極の磁石30、32が、プラズマ容器10の細長く延びた両端の外側に対向するように設けられている。対向した磁石30,32の外側を電磁軟鉄等の透磁率の高い材料で、図示されないつなぎヨークを構成する。また、プラズマ容器10の内部空間の内壁面には、原料ガス供給口22が設けられ、供給管を介してガス供給源36と接続され、原料ガス調整バルブ38を介して原料ガスGの供給が調整されるようになっている。
イオンビーム取出口24のプラズマ容器10の外側壁面は、所定の形状でイオンビームBが引き出されるようにプラズマ容器10の内部空間側に凸になるように湾曲形状を成している。引き出し電極26,28も同様に、所定の形状でイオンビームBが引き出されるようにプラズマ容器10の側の面がプラズマ容器10に向けて凸になるように湾曲形状を成している。イオンビームBの強度は、フィラメント12,14のいずれか一方の熱電子の放出量、つまりはフィラメント電流の調整で制御される。引き出し電極として引き出し電極26を用いるのは、引き出し電極28及びさらにイオンビームBの下流から低速の電子が逆流してプラズマ容器10のスリット24を設ける面に照射するのを防止するために、上記電子の逆流を阻止する電場勾配を作るためである。
従来技術の問題点として説明したように、プラズマ容器10に一対のフィラメント12,14が設けられた場合、アノード、カソード及び容器内表面の材料成分が堆積層としてフィラメントに多量に付着する。この多量の堆積層が付着したフィラメントを熱電子放出のために使用すると、堆積層が熱電子放出の障害となり、場合によっては堆積層が被加熱体を溶損させるといった不具合が生じる。しかし、本実施形態では、フィラメント12,14の材料と、プラズマ容器10内のプラズマPに曝される部分の内壁面の材料とは、同じ金属を主成分とする材料で構成されているので、フィラメント12,14に付着した堆積層は、フィラメント12,14と同じ金属を主成分とするものである。したがって、フィラメント12,14に堆積層が付着しても熱電子放出に障害を与えない。従来のように、フィラメントを耐久性に優れているタングステンで構成し、プラズマに曝される内壁面の材料にモリブデンを用いた場合、フィラメントには、モリブデンを主成分とする堆積層が付着する。この場合、フィラメントに十分な熱電子の放出が可能なように高温に加熱した場合、タングステンに比べて融点の低いモリブデンで構成された堆積層は溶融する。さらに、溶融したモリブデンがタングステンと合金化し、このときの合金もタングステンに比べて融点が低いので、溶融した液体のモリブデンがあたかも固体のタングステンを浸食するように溶融させ、最終的にフィラメントは溶損する。
このため、上述したように、プラズマ容器10内のプラズマに曝される部分の内壁面の材料と、一対のフィラメント12,14の材料を、同じ金属を主成分とする材料で構成する。
図3に示すイオン源1は、2つのフィラメント12,14の一方が交互に熱電子放出のために加熱され、他方のフィラメントが予備加熱のために加熱される形態である。予備加熱とは、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することをいう。
図3に示すイオン源1では、フィラメント12にフィラメント電流を流すフィラメント電源40と、フィラメント14にフィラメント電流を流すフィラメント電源42とが並列に設けられ、フィラメント12,14へ流すフィラメント電流を切り換えるスイッチ60,62が設けられている。フィラメント電源40は、熱電子放出のための百〜数百アンペアのフィラメント電流を流すための電源であり、フィラメント電源42は、熱電子の放出でプラズマの濃度の高低を調整できる程度の熱電子の放出はせず、予備加熱を行うために、百アンペア程度のフィラメント電流を流す電源である。
スイッチ60,62の、第1の状態及び第2の状態の切り換えは、同時に行われるように図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱するフィラメントは、常に予備加熱される。一方のフィラメントが摩耗して寿命になるまで、上記スイッチ60,62による切り替えは行われなくてもよい。しかし、フィラメントの寿命期間に対して十分に短い期間に、例えば、寿命期間の10分の1の期間に、スイッチ60,62による切り換えを行うことが、長期間安定的に運用できる点で好ましい。
なお、フィラメント電源40のフィラメント電流は、プラズマ容器10から取り出されたイオンビームBのイオン電流の高低に応じて制御され、アーク電圧は、アーク電流が所定の値となるように制御される。
図4(a)に示すイオン源1は、フィラメント12,14から同時に熱電子を放出させるように加熱する形態である。
フィラメント12,14は、熱電子放出のために百〜数百アンペアの電流を流すフィラメント電源40,42にそれぞれ接続されている。アーク電源50は、その負極がフィラメント電源40,42の負極と接続され、正極は、プラズマ容器10と接続され、アーク電圧を印加するように構成されている。さらに、アーク電源50を流れるアーク電流が一定となるように、フィラメント12とプラズマ容器10との間のアーク電流を計測する電流計64と、フィラメント14とプラズマ容器10との間のアーク電流を計測する電流計66が設けられている。この電流計64,66の計測値が等しくなるように、図示されない制御ユニットからフィラメント電源40,42に制御信号が供給される。
この他に、フィラメント電源40,42の出力電圧が等しくなるように図示されない制御ユニットからフィラメント電源40,42に制御信号が供給されるように構成することもできる。このようにフィラメント12,14の加熱温度の偏りを一定以下に制御することができる。
図4(b)に示すイオン源1は、図4(a)に示すイオン源1と同様に、フィラメント12,14から同時に熱電子を放出させるように加熱する形態である。
フィラメント12,14は、百〜数百アンペアのフィラメント電流を流すフィラメント電源40に並列に接続されている。アーク電源50は、その負極がフィラメント電源40の負極に接続され、正極がプラズマ容器10と接続される。フィラメント12,14を流れる電流は、イオン源1から引き出されるイオンビームBのイオン電流が一定になるように、フィラメント電源40は制御される。図4(b)の例では、フィラメント12,14が同じように摩耗する場合、フィラメント12,14の加熱温度も同程度になるので、イオン源1を効率よく運用することができる。
図5に示すイオン源1は、フィラメント12,14のうち、一方のフィラメントで熱電子の放出を行い、他方のフィラメントは、予備加熱しない形態である。フィラメント電源40は、スイッチ60によって、フィラメント12またはフィラメント14のいずれか一方を選択するように切り換えられる。フィラメント電源40は、百〜数百アンペアのフィラメント電流を流し、選択されたフィラメント12またはフィラメント14を2000℃以上に加熱する。アーク電源50は、その負極がフィラメント電源40の負極に接続し、正極はプラズマ容器10に接続されるように構成される。
図7に示すイオン源1は、図3に示すイオン源1に対して、フィラメント12,14の替わりに傍熱カソード80,82が設けられ、それに対応した電源が複数設けられた装置である。傍熱カソード80はヒータ84及び被加熱体88を有し、傍熱カソード82はヒータ86及び被加熱体90を有する。ヒータ電源92,94がヒータ84,86に対応して設けられ、ヒータ電源92,94の負極は、被加熱体88,90に電位を与える制御電源100の負極と接続されている。制御電源100の正極は、被加熱体88,90に接続されている。さらに、アーク電源102は、その負極が制御電源100の正極と接続され、アーク電源の正極はプラズマ容器10に接続されている。ヒータ電源92は、ヒータ84またはヒータ86から熱電子を放出する程度に電流を流す。一方、ヒータ電源94は、ヒータ84またはヒータ86から熱電子を放出しない程度に電流を流して加熱する。
スイッチ96,98は、図3に示すスイッチ60、62と同様の作用をする。第1の状態、すなわち、スイッチ96,98が図中左側端子に接続された状態のとき、ヒータ84には、ヒータ84から熱電子を放出する程度の電流がヒータ電源92から流れ、この熱電子の放出が加速されて被加熱体88を照射する。また、ヒータ84の加熱によって、被加熱体88が加熱される。これらの作用によって、被加熱体88から熱電子が放出する。このとき、ヒータ86は、ヒータ電源94から電流が流れ、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱される。すなわち、ヒータ84の被加熱体88からのみプラズマの濃度の高低を調整できる程度に熱電子が放出される。
スイッチ96,98の、第1の状態及び第2の状態の切り換えは、同時に行われるように図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、熱電子を十分に放出しない被加熱体は、常にヒータによる予備加熱により加熱されている。一方の被加熱体が摩耗して寿命になるまで、上記スイッチ96,98による切り替えは行われなくてもよいが、被加熱体の寿命になるまでの寿命期間に対して十分に短い期間中に、例えば、寿命期間の10分の1の期間中に、スイッチ96,98を切り換えることが、長期間安定的に運用できる点で好ましい。
図8に示すイオン源1では、傍熱カソード80,82のヒータ84,86に、ヒータ電源93,95が接続され、被加熱体88,90に、スイッチ97,99を介して制御電源103,104が接続されている。ヒータ電源93,95は、被加熱体88,90に適正な電位を与えたとき、被加熱体88,90から熱電子を放出する程度にヒータ84,86を加熱し、かつヒータ84,86から熱電子を放出させる。制御電源103は、被加熱体88,90がプラズマ容器10の内部空間に熱電子を放出するように、被加熱体88,90に電位を与える。一方、制御電源104は、被加熱体88,90が熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に、被加熱体88,90に電位を与える。スイッチ103,104では、図8に示すように左端子に接続した第1の状態と、右端子に接続した第2の状態との切り換えが同時に行われるように、図示されない制御ユニットにより制御されている。これにより、一方の被加熱体は熱電子を放出し、他方の被加熱体は常に熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱される。
すなわち、図8に示す例では、被加熱体88,90からの熱電子の放出は、制御電源103を被加熱体88,90のどちらに接続するかによって制御される。一方、先に説明した図7に示す例では、被加熱体88,90からの熱電子の放出は、ヒータ電源92をヒータ84,86のどちらに接続するかによって制御される。この点で図8の例は、図7の例と相違する。
さらに、プラズマの濃度の高低の調整に用いない一方の熱電子放出素子を、熱電子を放出することでプラズマの濃度の高低が影響されない弱い程度に加熱することにより、堆積層の付着量を抑えることができる他、この加熱により、堆積物は空隙を有することなく密に堆積した構成となるので、より安定した熱電子の放出が可能となる。
8,9 電源
10 プラズマ容器
12,14 フィラメント
16,18 カソード反射板
16a 脚部
16b 孔
20 絶縁部材
22 原料ガス供給口
24 イオンビーム取出口
26,28 引き出し電極
30,32 磁石
36 ガス供給源
38 原料ガス調整バルブ
40,42 フィラメント電源
50,102 アーク電源
60,62,96,98 スイッチ
64,66 電流計
68,80,82 傍熱カソード
70,84,86 ヒータ
72,88,90 被加熱体
92,94 ヒータ電源
100 制御電源
Claims (4)
- ガスを供給してアーク電圧を印加することによりプラズマを生成し、このプラズマからイオンビームを生成するイオン源であって、
ガスが供給されてプラズマを生成する、導体からなる内壁面を備えたプラズマ容器と、
前記プラズマ容器と電気絶縁され、前記プラズマ容器の内壁面から突出し、通電することにより前記プラズマ容器内に熱電子を放出する一対の熱電子放出素子と、
前記一対の熱電子放出素子のそれぞれに対応して設けられ、対応する前記一対の熱電子放出素子に流す電流を調整して前記一対の熱電子放出素子をそれぞれ加熱する一対の電源と、を有し、
前記プラズマ容器内のプラズマに曝される内壁面の材料と、前記一対の熱電子放出素子の、プラズマに曝され、熱電子を放出する部分の材料とが、同じ金属を主成分とする材料で構成され、
前記一対の電源のうち一方の電源は、前記一対の熱電子放出素子のうち対応する一方の熱電子放出素子から放出される熱電子でプラズマの濃度の高低を調整できるように、前記一方の熱電子放出素子に流す電流を調整することを特徴とするイオン源。 - 前記金属は、タンタル、タングステン、モリブデン、及びこれらの金属のうち2つ以上の金属で作られた合金の中から選択されたものである請求項1に記載のイオン源。
- 前記一対の電源のうち、他方の電源は、前記一対の熱電子放出素子のうち対応する他方の熱電子放出素子から熱電子を放出させない程度に前記他方の熱電子放出素子を加熱するように、前記他方の熱電子放出素子に流す電流を調整する請求項1または2に記載のイオン源。
- 前記一対の熱電子放出素子は、前記プラズマ容器内の対向する内壁面に、対向するように設けられている請求項1〜3のいずれか1項に記載のイオン源。
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