JP5292558B2 - イオンガン - Google Patents

Description

本発明はイオンガンに関し、特に、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおけるイオンビームの引出し方法に関する。

イオンガンは一般に圧電素子の周波数調整装置等に使用され、その原理として、イオンガン内部にプラズマを生成し、そのプラズマにビーム出射方向の磁場を与えつつプラズマからイオンを引き出して加速し、それによってイオンビームが形成される。
特許文献１には、複数のイオンビーム引出し孔が配置され、対応する電流密度ピークを持つイオンビームを出射するイオンガンが開示されている。

図１において、イオンガンは一対のフィラメント電極間に架設されたフィラメント（カソード）１０、フィラメント１０に平行な長手方向を有する環状のアノード２０、複数のイオンビーム引出し孔３１を有するグリッド３０、並びにフィラメント１０及びアノード２０を内部に密閉するとともに複数のイオンビーム引出し孔３１を露出させる本体４０からなる。カソード１０とアノード２０がプラズマ生成手段を構成し、それぞれの電源（不図示）に接続されている。また、本体４０は放電ガスを導入するためのガス導入口４１を備える。

図１１Ａ及び１１Ｂは従来技術におけるアノード２０周辺の側面図及び上面図である。
図１１Ｂに示すように、グリッド３０は、アノード２０の周縁で画定される領域にｘ軸方向に配列される複数のイオンビーム引出し孔３１を有する。

イオンガンの動作について、まず、ガス導入口４１からアルゴン等の放電ガスが本体４０の内部に導入される。フィラメント１０に負電圧、アノード２０に正電圧がそれぞれ印加され、その電位差によって放電が行なわれてプラズマが生成される。グリッド３０に図示しない電源から電圧が印加されると、複数のイオンビーム引出し孔３１によってプラズマからイオンが引き出され加速され、イオンビームが形成される。

図１１Ａ及び１１Ｂに示すように、イオンビーム引出し孔３１の周囲には、Ｓ極をｚ軸正方向（イオンビーム出射方向）に、Ｎ極をｚ軸負方向に向けた複数の第１の磁石５０が配置されている。この第１の磁石５０によって、イオンビーム引出し孔３１におけるｚ軸正方向の磁場を形成し、プラズマ密度を高めている。

図１１Ｃは上述したイオンガンの磁場分布を示すものである。
図１１Ｄはこの構成における、グリッド面から２５ｍｍの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図示するように、各ピークはイオンビーム引出し孔３１に対応し、中心付近の電流密度ピークに対して端部側の電流密度ピークが大きく減少してしまう。このように、図１１Ａ及び１１Ｂの構成にはイオンビーム電流密度が不均一なものとなってしまうという問題があった。

この問題の詳細を以下に説明する。
処理基板側において均一なイオン電流密度分布を得るには、イオンビームの射出に寄与する引き出し孔付近におけるプラズマ密度が均一である必要がある。図１のような構成を持つイオンガンの場合、フィラメント端部の放熱により凸型の（即ち、中心部から外側に向かって温度が低い）温度分布が形成されプラズマ生成のおよび持続に必要な電子がアノードの端部に向かうにつれて不足する。
その結果、プラズマ密度は図１２の曲線ａで示すように、相対的にアノード中心のプラズマ密度が高く端部に近づくにつれて低くなる傾向にある。この傾向は、イオンビームの射出に寄与する引き出し孔の領域に限定した場合においても同様のことが言え、図１１Ｄのように中心付近の電流密度ピークに対して端部の電流密度が低くなってしまう。

上記のような問題に対して、特許文献２には、複数のフィラメントを長手方向に配置し、それぞれのフィラメントを各電源で個別制御する構成が開示されている。この構成は、複数のフィラメントのうちの端部側のフィラメントにより多くの電力を消費させ、対応する端部側のイオンビームの電流密度を増大させるものである。
特開２００６−１００２０５号公報 特開２００７−３１１１１８号公報

しかし、特許文献２のような構成によると、イオンビーム端部の電流密度を増加させて電流密度の均一化を図るには端部側のフィラメントに通電する電力を大幅に増加させる必要があり、消費電力が増大し好ましくない。また、複数の電源を複数のフィラメントに応じて設置しなければならず、イオンガンの構成が複雑化・大型化するとともに、高コストなものとなってしまうという問題があった。
そこで、複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、端部側のイオンビームの電流密度が小さくなってしまうという問題を、フィラメントへの電力供給態様を変えずに解決することが望ましい。

本発明の第１の側面は、カソード及びアノードからなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッドを備えたイオンガンにおいて、グリッドが長手方向に複数又は一連のイオンビーム引出し孔を有し、複数又は一連のイオンビーム引出し孔の中心部を原点として、長手方向をｘ軸方向、イオンビーム出射方向をｚ軸正方向として、複数又は一連のイオンビーム引出し孔の周辺に配置され、複数又は一連のイオンビーム引出し孔にｚ軸正方向の磁場を与える第１の磁石、及び複数又は一連のイオンビーム引出し孔の長手方向端部に配置され、端部付近にｘ軸原点方向の磁場を与えて端部付近におけるプラズマ密度を高める第２の磁石をさらに備えたイオンガンである。

カソードは、イオンビーム引出し孔の長手方向に沿って架設されたフィラメントであってもよい。カソードが、一対のフィラメント電極間に架設されたフィラメントであってもよい。アノードは、フィラメントに平行な長手方向を有する環状のアノードであり、第２の磁石により、アノード長手方向端部の磁力線をアノード中心側に向ける構成としてもよい。ｘ軸及びｚ軸に垂直な軸をｙ軸として、少なくとも４個の第２の磁石が、複数又は一連のイオンビーム引出し孔を囲むｘ軸対称位置及びｙ軸対称位置に配置され、第２の磁石各々が、Ｓ極をｘ軸原点方向に、Ｎ極をその逆方向に向けて配置される構成とした。

複数のイオンビーム引出し孔が整列されたイオンガンにおいて、端部側のイオンビーム電流密度が小さくなってしまうという問題を磁力線の分布の改良によって解決したので、消費電力を増加させずに簡素かつ安価な方法によって効果的にイオンビーム電流密度の均一化を図ることができた。

実施例１．
図２Ａ及び２Ｂに第１の実施例のイオンガンにおけるアノード２０周辺の図を示す。なお、本発明のイオンガンにおけるフィラメント（カソード）１０、グリッド３０、本体４０及び第１の磁石５０の構成は前述した図１、図１１Ａ及び１１Ｂに示したものと同様であるので説明を省略する。

図２Ａ及び２Ｂに示すように、本実施例のイオンガンはさらに４個の第２の磁石６０をｘ軸及びｙ軸に対称に備える。第２の磁石６０の各々は、Ｓ極をｘ軸原点方向に、Ｎ極をその逆方向にして配置され、イオンビーム引出し孔３１の端部（アノード２０の端部）付近にｘ軸原点方向の磁場を与える。また、説明の便宜上、４個の第２の磁石６０を設けたが、８個、１２個等とすることもできる。

図２Ｃは上述したイオンガンの磁場分布を示すものである。図示するように、第２の磁石６０の作用によって複数のイオンビーム引出し孔３１の端部付近（ｘ軸±３０〜４５ｍｍ）での磁力線がイオンビーム引出し孔３１中央部（ｘ軸原点方向）に向けられ、この内側に向いた磁場は端部付近におけるプラズマ密度を高めイオンビームの引出しに寄与することができる。

ところで、一様な磁場におかれたプラズマ中の電子は、図３（ａ）に示すように磁力線に沿って螺旋運動を行うことがよく知られている。イオン電流密度分布を均一にする場合、プラズマ密度の分布は図１２の線ｂに示すように引き出し孔の領域のみにおいて均一であればよい。本実施例では、第２の磁石６０を図２Ａ及び図２Ｂのように配置することによって、図３（ｂ）のようにアノード端部の磁力線が内側に向けられ、それに伴い端部の電子が引き出し孔の領域に向けられることで、引き出し孔の領域のプラズマ密度を調整している。

図２Ｄは上記構成における、グリッド面から２５ｍｍの位置、即ち、処理基板が配置される位置におけるイオンビームの電流密度を示すものである。図２Ｄにおいても、電流密度のピークが各イオンビーム引出し孔３１に対応している。図１１Ｄと比較して分かるように、イオンビーム端部側の電流密度ピークが中央部の電流密度ピークとほぼ同レベルとなり、イオンビーム電流密度がｘ軸方向にわたってほぼ均一なものとすることができた。

なお、上記実施例１では第２の磁石６０の最も好適な配置を示したが、第２の磁石６０はイオンビーム引出し孔３１の端部（アノード２０の端部）付近のプラズマにｘ軸原点方向の磁場を与えることができれば他の配置としてもよい。
例えば、図４Ａ及び４Ｂに示すように、第２の磁石６０をグリッド３０の外側に配置してもよい。この構成においても同様の作用・効果を奏することができる。

実施例２．
図５Ａ及び５Ｂに本発明の第２の実施例を示す。実施例１では第２の磁石６０に永久磁石を用いたが、本実施例では電磁石を用いる。図５Ａ及び５Ｂにおいて、第２の磁石６０は、磁性材料の芯にコイル（斜線部）が巻かれ、これに電源（不図示）から通電することによって磁力を発生させるものである。なお、本実施例でも第２の磁石６０は中心側がＳ極、他方がＮ極となっている。
この構成においても、上記実施例１と同様の効果が得られる。

ここで、アノード２０について補足する。図６（ａ）〜（ｄ）はアノードの形状（いずれも上面図）のバリエーションを示すものである。図６（ａ）は図２Ｂに示した環状タイプのものであるが、他にも（ｂ）のように長手方向に分割したもの、（ｃ）のようにコの字形のもの、（ｄ）のように幅方向に分割したもの等がある。また、方形に限らず楕円形でもよい。なお、アノード２０を設けずに、本体４０自体をアノードとしてもよい。

また、複数のイオンビーム引出し孔３１について補足する。図７（ａ）〜（ｅ）は複数のイオンビーム引出し孔３１のバリエーションを示すものである。このように、図２Ｂ（即ち、図７（ｄ））に示すものの他に、イオンビーム３１は様々な形態をとり得る。本明細書及び特許請求の範囲で言う「複数のイオンビーム引出し孔」とは上記に例示した全ての態様及びその類似の態様を含む。

参考例１．
図８Ａ及び８Ｂは第２の磁石６０について、Ｎ極をｘ軸原点方向に、Ｓ極をその逆方向にして配置したものである（図２Ａ及び２Ｂと極性が逆である）。これによりイオンビーム引出し孔３１の端部付近ではｘ軸外側方向の磁場が与えられる。
図８Ｃに示すように、第２の磁石６０によって複数のイオンビーム引出し孔３１の端部付近での磁場がイオンビーム引出し孔３１の外側に向けられる。
図８Ｄに示すように、イオンビーム電流密度はその不均一性が増すばかりか、電流密度が全体的に減殺されてしまう。

参考例２．
図９Ａ及び９Ｂは第２の磁石６０について、Ｓ極をｚ軸正方向に、Ｎ極をその逆方向にして配置したものである。これにより、図９Ｃに示すように、イオンビーム引出し孔３１の端部付近ではｚ軸正方向の磁場が与えられる。この構成の概念（即ち、磁場のベクトルの向きではなく大きさを変える概念）は特許文献２の端部側フィラメントの電力を増大させるものと類似する。
図９Ｄに示すように、そのイオンビーム電流密度は図１１Ｄのものと比べて全体的に高くなっているものの、その不均一性はほとんど解消されていない。

上記参考例１及び２より、第２の磁石の配置については、各実施例に示したものが好適であることが分かる。特に、本発明の磁場方向の改善による手法は、特許文献２のような磁場強化による手法よりも、イオンビーム電流分布の不均一解消の効果が高いことが分かる。

実施例３．
上記実施例１及び２では第２の磁石６０を固定のものとしたが、本実施例では参考例１及び２を踏まえた上で、その設置角度を可変とするものを示す。
第２の磁石６０各々のｚ軸方向に対する設置角度を可変とし、ｘ軸原点方向への磁場を調整することができる。具体的には、第２の磁石６０をｚ軸方向に対して９０°に設置した場合のｘ軸原点方向の磁場が強すぎる場合は、図１０Ａに示すように、第２の磁石６０のｚ軸方向に対する角度を９０°よりも小さくすればよい。

これにより、イオンビーム電流密度の特に端部側のピークを調整することができ、電流密度のより厳密な均一化を図ることができる。
なお、４個の第２の磁石６０の設置角度が連動するものであってもよいし、ｘ軸対称位置、ｙ軸対称位置又は対角位置にある対が連動するものであってもよいし、４個の設置角度が個々に調整可能なものであってもよい。

ここで、第２の磁石６０の設置角度がイオンビーム出射中に外部から調整できるものであればビーム照射中の調整が可能となり、より好適である。
図１０Ｂは、この場合のイオンビーム引出し方法のフローチャートである。
ステップＳ１００において、ガス導入口４１からアルゴン等の放電ガスが導入され、フィラメント（カソード）１０に負電圧、アノード２０に正電圧が印加され、この間の放電によりプラズマが生成される。
ステップＳ１１０において、第１の磁石５０によってｚ軸正方向に、第２の磁石６０によってｘ軸原点方向に磁場が与えられている状態で、グリッド３０に電圧が印加されてプラズマからイオンが引き出され、加速される。
この時点でイオンビーム電流密度の端部側ピークが中央部ピークよりも高い場合、ステップＳ１２０において、第２の磁石６０の設置角度が調整され、電流密度ピークの分布が調整される。また、第２の磁石６０を電磁石とした場合は、所望の電流密度ピーク分布となるようにコイルに通電する電流を調整してもよい。
なお、各図は必ずしも寸法通りではない。

本発明及び従来例のイオンガンを説明する図である。 本発明の第１の実施例を示す図である。 本発明の第１の実施例を示す図である。 本発明の第１の実施例を説明する図である。 本発明の第１の実施例を説明する図である。 本発明の原理を説明する図である。 本発明の第１の実施例を補足する図である。 本発明の第１の実施例を補足する図である。 本発明の第２の実施例を示す図である。 本発明の第２の実施例を示す図である。 本発明を補足する図である。 本発明を補足する図である。 参考例１を示す図である。 参考例１を示す図である。 参考例１を示す図である。 参考例１を説明する図である。 参考例２を示す図である。 参考例２を示す図である。 参考例２を示す図である。 参考例２を説明する図である。 本発明の第３の実施例を示す図である。 本発明の第３の実施例を説明するフローチャートである。 従来例を示す図である。 従来例を示す図である。 従来例を説明する図である。 従来例を説明する図である。 一般的なイオンガンを説明する図である。

符号の説明

１０．フィラメント（カソード）
２０．アノード
３０．グリッド
３１．イオンビーム引出し孔
４０．本体
４１．ガス導入口
５０．第１の磁石
６０．第２の磁石

Claims (5)

1. カソード及びアノードからなるプラズマ生成手段並びにプラズマからイオンビームを引き出すグリッドを備えたイオンガンにおいて、
   該グリッドが長手方向に複数又は一連のイオンビーム引出し孔を有し、
   該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の中心部を原点として、該長手方向をｘ軸方向、イオンビーム出射方向をｚ軸正方向として、
   該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の周辺に配置され、該複数又は一連のイオンビーム引出し孔にｚ軸正方向の磁場を与える第１の磁石、及び
   該複数又は一連のイオンビーム引出し孔の長手方向端部に配置され、該端部付近にｘ軸原点方向の磁場を与えて該端部付近におけるプラズマ密度を高める第２の磁石
   をさらに備えたイオンガン。
2. 請求項１記載のイオンガンにおいて、
   前記カソードが、前記イオンビーム引出し孔の長手方向に沿って架設されたフィラメントであるイオンガン。
3. 請求項２記載のイオンガンにおいて、
   前記アノードが、前記フィラメントに平行な長手方向を有する環状のアノードであり、前記第２の磁石により、前記アノード長手方向端部の磁力線を前記アノード中心側に向けたイオンガン。
4. 請求項２又は３記載のイオンガンにおいて、
   前記カソードが、一対のフィラメント電極間に架設されたフィラメントからなるイオンガン。
5. 請求項１乃至４のいずれか1項記載のイオンガンにおいて、
   ｘ軸及びｚ軸に垂直な軸をｙ軸として、少なくとも４個の前記第２の磁石が、前記複数又は一連のイオンビーム引出し孔を囲むｘ軸対称位置及びｙ軸対称位置に配置され、該第２の磁石各々が、Ｓ極をｘ軸原点方向に、Ｎ極をその逆方向に向けて配置されたイオンガン。

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