JP6124709B2 - Microwave ion source - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロ波イオン源に関する。   The present invention relates to a microwave ion source.

マイクロ波をプラズマ生成に用いるイオン源が知られている。真空のプラズマ室にマイクロ波が導入される。プラズマ室に供給された原料ガスがマイクロ波によって励起され、プラズマが生成される。プラズマからイオンが引き出される。こうしてイオン源から引き出されたイオンは例えばイオン注入処理のために使用される。   Ion sources that use microwaves for plasma generation are known. Microwave is introduced into the vacuum plasma chamber. The source gas supplied to the plasma chamber is excited by microwaves to generate plasma. Ions are extracted from the plasma. The ions thus extracted from the ion source are used, for example, for an ion implantation process.

特開平1−219161号公報JP-A-1-219161 特開昭60−140635号公報JP-A-60-140635

マイクロ波イオン源には一般に、プラズマ室の周囲を囲むコイルが設けられている。コイルはその中心軸上に、コイル中央部に関して対称な軸方向磁場分布を生成する。ところが実際の用途においては、高密度プラズマを生成するために、プラズマ室のマイクロ波入射側とイオン引出側とで異なる磁場強度を有する非対称な磁場分布が望まれることがある。そうした非対称分布を得る1つの方法は、軸方向に複数のコイルを並べて設け、各コイルに異なる磁場を発生させ、それら個々の磁場を重ね合わせたとき目的の非対称分布となるように各コイルを調整することである。しかし、このような構成は複雑であり、費用もかかる。   The microwave ion source is generally provided with a coil surrounding the periphery of the plasma chamber. The coil generates an axial magnetic field distribution on its central axis that is symmetric with respect to the center of the coil. However, in actual applications, in order to generate high-density plasma, an asymmetric magnetic field distribution having different magnetic field strengths on the microwave incident side and the ion extraction side of the plasma chamber may be desired. One method for obtaining such an asymmetric distribution is to arrange a plurality of coils side by side in the axial direction, generate different magnetic fields in each coil, and adjust each coil to achieve the desired asymmetric distribution when these individual magnetic fields are superimposed. It is to be. However, such a configuration is complicated and expensive.

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、簡単な構成で所望の磁場分布をプラズマ室に生成可能であるマイクロ波イオン源を提供することにある。   One exemplary object of an aspect of the present invention is to provide a microwave ion source that can generate a desired magnetic field distribution in a plasma chamber with a simple configuration.

本発明のある態様に係るマイクロ波イオン源は、マイクロ波を受け入れるための窓と、イオンを引き出すための開口と、を備え、プラズマ生成空間を画定するプラズマ室と、軸方向に向けられたコイル磁場を前記窓から前記開口にわたって前記プラズマ生成空間に生成するよう配設されているコイル装置と、前記プラズマ生成空間におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体と、を備える。前記磁性体は、前記コイル装置の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置されている。   A microwave ion source according to an aspect of the present invention includes a window for receiving a microwave, an opening for extracting ions, a plasma chamber defining a plasma generation space, and an axially oriented coil. A coil device disposed to generate a magnetic field in the plasma generation space from the window to the opening; and a magnetic body for adjusting a coil magnetic field intensity on a plasma chamber central axis in the plasma generation space. . The magnetic body is disposed on at least one of the window side and the opening side so as to be asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other among methods, apparatuses, systems, and the like are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、簡単な構成で所望の磁場分布をプラズマ室に生成することができる。   According to the present invention, a desired magnetic field distribution can be generated in the plasma chamber with a simple configuration.

本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源の構成を概略的に示す図である。It is a figure showing roughly composition of a microwave ion source concerning an embodiment with the present invention. 本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源の要部を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the principal part of the microwave ion source which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源の要部を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the principal part of the microwave ion source which concerns on other embodiment of this invention.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate.

図1は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源10の構成を概略的に示す図である。マイクロ波イオン源10は、電子サイクロトロン共鳴(ECR)条件を満たす磁場またはそれよりも高い磁場を印加したプラズマ室12内へ、磁力線方向にマイクロ波電力を入力して高密度プラズマを生成しイオンを引き出すイオン源である。マイクロ波イオン源10は、磁場とマイクロ波との相互作用によって原料ガスのプラズマを生成し、そのプラズマからプラズマ室12の外部へイオンを引き出すように構成されている。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a microwave ion source 10 according to an embodiment of the present invention. A microwave ion source 10 generates high-density plasma by inputting microwave power in the direction of magnetic field into a plasma chamber 12 to which a magnetic field satisfying electron cyclotron resonance (ECR) or a magnetic field higher than the magnetic field is applied to generate ions with high density. Ion source to be extracted. The microwave ion source 10 is configured to generate a plasma of a source gas by the interaction between a magnetic field and a microwave, and to extract ions from the plasma to the outside of the plasma chamber 12.

よく知られるように、ECR条件を満たす磁場の強さは使用されるマイクロ波の周波数に対し一意に定まり、マイクロ波周波数が2.45GHzの場合には87.5mT(875ガウス)の磁場が必要である。以下では説明の便宜上、ECR条件を満たす磁場を、共鳴磁場と呼ぶことがある。   As is well known, the strength of the magnetic field that satisfies the ECR condition is uniquely determined with respect to the microwave frequency used, and a magnetic field of 87.5 mT (875 gauss) is required when the microwave frequency is 2.45 GHz. It is. Hereinafter, for convenience of explanation, a magnetic field that satisfies the ECR condition may be referred to as a resonance magnetic field.

マイクロ波イオン源10は、例えばイオン注入装置又は粒子線治療装置のためのイオン源に使用される。マイクロ波イオン源10は例えば、一価イオン源として使用される。また、マイクロ波イオン源10は、プロトン加速器のためのイオン源、またはX線源としても使用され得る。   The microwave ion source 10 is used, for example, as an ion source for an ion implantation apparatus or a particle beam therapy apparatus. The microwave ion source 10 is used as a monovalent ion source, for example. The microwave ion source 10 can also be used as an ion source for a proton accelerator or an X-ray source.

マイクロ波イオン源10は、イオン源本体14を備える。イオン源本体14は、プラズマ室12、磁場発生器であるコイル装置16、及び真空容器18を備える。   The microwave ion source 10 includes an ion source body 14. The ion source body 14 includes a plasma chamber 12, a coil device 16 that is a magnetic field generator, and a vacuum vessel 18.

プラズマ室12は、両端をもつ筒状の形状を有する。プラズマ室12の一端から他端に向かう方向を以下では便宜上、軸方向と呼ぶことがある。また、軸方向に直交する方向を径方向と呼び、軸方向を包囲する方向を周方向と呼ぶことがある。しかしこれらは、プラズマ室12が回転対称性を有する形状であることを必ずしも意味するものではない。図示の例ではプラズマ室12は円筒形状を有するが、プラズマ室12は、プラズマを適切に収容し得る限り、いかなる形状であってもよい。また、プラズマ室12の軸方向長さは、プラズマ室12の端部の径方向長さより長くてもよいし短くてもよい。   The plasma chamber 12 has a cylindrical shape having both ends. Hereinafter, the direction from one end to the other end of the plasma chamber 12 may be referred to as an axial direction for convenience. In addition, a direction orthogonal to the axial direction may be referred to as a radial direction, and a direction surrounding the axial direction may be referred to as a circumferential direction. However, these do not necessarily mean that the plasma chamber 12 has a rotationally symmetric shape. In the illustrated example, the plasma chamber 12 has a cylindrical shape, but the plasma chamber 12 may have any shape as long as it can appropriately accommodate plasma. The axial length of the plasma chamber 12 may be longer or shorter than the radial length of the end portion of the plasma chamber 12.

コイル装置16は、プラズマ室12に磁場を印加するために設けられている。コイル装置16は、プラズマ室12の周囲に配設されている。コイル装置16は、プラズマ室12の中心軸に沿うコイル磁場を発生させるよう構成されている。その磁力線方向を図1に矢印Mで示す。コイル装置16は、プラズマ室12の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場またはそれよりも高強度の磁場を発生させるよう構成されている。コイル装置16は、プラズマ室12の軸線上の少なくとも一部分に共鳴磁場よりも低い磁場を発生させることも可能である。   The coil device 16 is provided for applying a magnetic field to the plasma chamber 12. The coil device 16 is disposed around the plasma chamber 12. The coil device 16 is configured to generate a coil magnetic field along the central axis of the plasma chamber 12. The direction of the line of magnetic force is indicated by an arrow M in FIG. The coil device 16 is configured to generate a resonance magnetic field or a magnetic field having a higher strength than that in at least a part of the axis of the plasma chamber 12. The coil device 16 can also generate a magnetic field lower than the resonance magnetic field in at least a part of the axis of the plasma chamber 12.

真空容器18は、プラズマ室12を真空環境に収容するための筐体である。プラズマ室12は、内部にマイクロ波を受け入れるための真空窓24を有する。真空容器18は、コイル装置16を保持するための構造体でもある。プラズマ室12、コイル装置16、及び真空容器18については、更に詳しく後述する。   The vacuum container 18 is a housing for accommodating the plasma chamber 12 in a vacuum environment. The plasma chamber 12 has a vacuum window 24 for receiving microwaves therein. The vacuum vessel 18 is also a structure for holding the coil device 16. The plasma chamber 12, the coil device 16, and the vacuum vessel 18 will be described in more detail later.

マイクロ波イオン源10は、マイクロ波供給系26を備える。マイクロ波供給系26は、真空窓24を通じてプラズマ室12にマイクロ波電力を入力するよう構成されている。マイクロ波供給系26は、マイクロ波源28、導波管30、及びマッチングセクション32を備える。マイクロ波源28は例えばマグネトロンである。マイクロ波源28は例えば2.45GHzの周波数のマイクロ波を出力する。導波管30は、マイクロ波源28の出力するマイクロ波をプラズマ室12に伝達するための立体回路である。導波管30の一端はマイクロ波源28に接続されており、他端はマッチングセクション32を介して真空窓24に接続されている。マッチングセクション32はマイクロ波の整合のために設けられている。   The microwave ion source 10 includes a microwave supply system 26. The microwave supply system 26 is configured to input microwave power to the plasma chamber 12 through the vacuum window 24. The microwave supply system 26 includes a microwave source 28, a waveguide 30, and a matching section 32. The microwave source 28 is, for example, a magnetron. The microwave source 28 outputs a microwave having a frequency of 2.45 GHz, for example. The waveguide 30 is a three-dimensional circuit for transmitting the microwave output from the microwave source 28 to the plasma chamber 12. One end of the waveguide 30 is connected to the microwave source 28, and the other end is connected to the vacuum window 24 via the matching section 32. A matching section 32 is provided for microwave matching.

このようにして、マイクロ波供給系26から真空窓24を通じてプラズマ室12にマイクロ波が導入される。導入されたマイクロ波は、真空窓24に対向するプラズマ室12の端部へ向けてプラズマ室12の内部を伝搬する。マイクロ波の伝搬方向を図1に矢印Pで示す。マイクロ波の伝搬方向Pは、コイル装置16による磁力線方向Mと同一方向である。よって、マイクロ波の伝搬方向Pはプラズマ室12の軸方向に一致する。   In this way, microwaves are introduced from the microwave supply system 26 into the plasma chamber 12 through the vacuum window 24. The introduced microwave propagates inside the plasma chamber 12 toward the end of the plasma chamber 12 facing the vacuum window 24. The propagation direction of the microwave is indicated by an arrow P in FIG. The propagation direction P of the microwave is the same direction as the magnetic force line direction M by the coil device 16. Therefore, the propagation direction P of the microwave coincides with the axial direction of the plasma chamber 12.

また、マイクロ波供給系26は、導波管30に設けられているマイクロ波検出器33を備える。マイクロ波検出器33は、例えば、プラズマ室12への入射電力及びプラズマ室12からの反射電力をモニタするための方向性結合器を備える。マイクロ波検出器33は、測定結果を制御装置Cに出力するよう構成されている。   The microwave supply system 26 includes a microwave detector 33 provided in the waveguide 30. The microwave detector 33 includes, for example, a directional coupler for monitoring the incident power to the plasma chamber 12 and the reflected power from the plasma chamber 12. The microwave detector 33 is configured to output the measurement result to the control device C.

マイクロ波イオン源10は、ガス供給系34を備える。ガス供給系34は、プラズマの原料ガスをプラズマ室12に供給するよう構成されている。ガス供給系34は、ガス源であるガスボンベ36とガス流量制御器38とを備える。ガス供給系34のガス配管40の先端が真空容器18を通じてプラズマ室12に接続されている。ガス配管40は例えば、プラズマ室12の側壁64に接続されている。ガス流量制御器38は、ガスボンベ36をプラズマ室12に接続し又は遮断するための開閉弁、またはガスボンベ36からプラズマ室12へのガス流量を調整するための流量制御弁を備える。こうして、原料ガスが、ガスボンベ36からプラズマ室12へと制御された流量で供給される。   The microwave ion source 10 includes a gas supply system 34. The gas supply system 34 is configured to supply a plasma source gas to the plasma chamber 12. The gas supply system 34 includes a gas cylinder 36 that is a gas source and a gas flow rate controller 38. The front end of the gas pipe 40 of the gas supply system 34 is connected to the plasma chamber 12 through the vacuum vessel 18. For example, the gas pipe 40 is connected to the side wall 64 of the plasma chamber 12. The gas flow rate controller 38 includes an on-off valve for connecting or blocking the gas cylinder 36 to or from the plasma chamber 12 or a flow rate control valve for adjusting the gas flow rate from the gas cylinder 36 to the plasma chamber 12. In this way, the source gas is supplied from the gas cylinder 36 to the plasma chamber 12 at a controlled flow rate.

イオン源本体14は、引出電極系42を備える。引出電極系42は、プラズマ室12のイオン引出開口66を通じてプラズマからイオンを引き出すよう構成されている。引出電極系42は、第1電極44と第2電極46を含む。第1電極44はプラズマ室12と第2電極46との間に設けられている。イオン引出開口66を有する終端部62と第1電極44とは隙間を隔てて配列され、第1電極44と第2電極46とは隙間を隔てて配列されている。第1電極44及び第2電極46は、それぞれ例えば環状に形成されており、プラズマ室12から引き出されたイオンを通すための開口部分を中心部に有する。   The ion source body 14 includes an extraction electrode system 42. The extraction electrode system 42 is configured to extract ions from the plasma through the ion extraction opening 66 of the plasma chamber 12. The extraction electrode system 42 includes a first electrode 44 and a second electrode 46. The first electrode 44 is provided between the plasma chamber 12 and the second electrode 46. The terminal portion 62 having the ion extraction opening 66 and the first electrode 44 are arranged with a gap therebetween, and the first electrode 44 and the second electrode 46 are arranged with a gap therebetween. Each of the first electrode 44 and the second electrode 46 is formed, for example, in an annular shape, and has an opening at the center for allowing ions extracted from the plasma chamber 12 to pass therethrough.

第1電極44は、プラズマから陽イオンを引き出すとともに、ビームライン52からプラズマ室12への電子の戻りを妨げるために設けられている。そのために、第1電極44には負の高電圧が印加されている。第1電極44に負の高電圧を印加するために、第1引出電源48が設けられている。第2電極46は接地されている。また、真空容器18には正の高電圧が印加されている。真空容器18に正の高電圧を印加するために、第2引出電源50が設けられている。このようにして、プラズマ室12から陽イオンのイオンビーム20が引き出される。プラズマ室12からのイオンビーム20の引出方向はマイクロ波の伝搬方向Pと同一方向である。   The first electrode 44 is provided for extracting positive ions from the plasma and preventing electrons from returning from the beam line 52 to the plasma chamber 12. Therefore, a negative high voltage is applied to the first electrode 44. In order to apply a negative high voltage to the first electrode 44, a first extraction power supply 48 is provided. The second electrode 46 is grounded. A positive high voltage is applied to the vacuum vessel 18. In order to apply a positive high voltage to the vacuum vessel 18, a second extraction power source 50 is provided. In this manner, a positive ion beam 20 is extracted from the plasma chamber 12. The extraction direction of the ion beam 20 from the plasma chamber 12 is the same as the propagation direction P of the microwave.

マイクロ波イオン源10には、引出電極系42によって引き出されたイオンビーム20を輸送するためのビームライン52が設けられている。ビームライン52は、マイクロ波供給系26とは反対側にイオン源本体14に連結されている。ビームライン52は、真空容器18に連通されている真空容器である。ビームライン52は、イオン源本体14の真空容器18に対し絶縁されて真空容器18に取り付けられている。そのために、ビームライン52と真空容器18の間にブッシング54が設けられている。   The microwave ion source 10 is provided with a beam line 52 for transporting the ion beam 20 extracted by the extraction electrode system 42. The beam line 52 is connected to the ion source main body 14 on the side opposite to the microwave supply system 26. The beam line 52 is a vacuum vessel communicating with the vacuum vessel 18. The beam line 52 is insulated from the vacuum vessel 18 of the ion source body 14 and attached to the vacuum vessel 18. For this purpose, a bushing 54 is provided between the beam line 52 and the vacuum vessel 18.

ブッシング54は、ビームライン52及び真空容器18内の真空を維持しつつ、真空容器18とグラウンド側との間の耐電圧を保持する。ブッシング54は絶縁材料で形成されている。ブッシング54は環状の形状を有し、引出電極系42を囲んでいる。ブッシング54は、ビームライン52及びイオン源本体14それぞれの真空容器の取付フランジ間に挟まれて取り付けられている。   The bushing 54 maintains the withstand voltage between the vacuum vessel 18 and the ground side while maintaining the vacuum in the beam line 52 and the vacuum vessel 18. The bushing 54 is made of an insulating material. The bushing 54 has an annular shape and surrounds the extraction electrode system 42. The bushing 54 is attached by being sandwiched between the attachment flanges of the vacuum vessels of the beam line 52 and the ion source main body 14.

真空容器18及びプラズマ室12に真空環境を提供するための真空排気系56が設けられている。図示の例においては真空排気系56はビームライン52に設けられている。ビームライン52は真空容器18及びプラズマ室12に連通されているので、真空排気系56は真空容器18及びプラズマ室12の真空排気をすることができる。真空排気系56は例えばクライオポンプまたはターボ分子ポンプ等の高真空ポンプを含む。   A vacuum exhaust system 56 for providing a vacuum environment to the vacuum vessel 18 and the plasma chamber 12 is provided. In the illustrated example, the evacuation system 56 is provided in the beam line 52. Since the beam line 52 communicates with the vacuum vessel 18 and the plasma chamber 12, the vacuum exhaust system 56 can evacuate the vacuum vessel 18 and the plasma chamber 12. The vacuum exhaust system 56 includes a high vacuum pump such as a cryopump or a turbo molecular pump.

マイクロ波イオン源10は、イオンビーム20の出力を制御するための制御装置Cを備えてもよい。制御装置Cは、マイクロ波イオン源10の各構成要素を制御し、プラズマ室12に生成されるプラズマを制御し、それによりイオンビーム20の出力を制御する。制御装置Cは、例えば、マイクロ波供給系26、ガス供給系34、コイル電源76の動作を制御するよう構成されている。制御装置Cは例えば、原料ガスの流量、マイクロ波パワー、及び磁場強度の少なくとも1つを調整することにより、イオンビーム20の出力を制御してもよい。   The microwave ion source 10 may include a control device C for controlling the output of the ion beam 20. The control device C controls each component of the microwave ion source 10 to control the plasma generated in the plasma chamber 12, thereby controlling the output of the ion beam 20. The control device C is configured to control the operation of the microwave supply system 26, the gas supply system 34, and the coil power supply 76, for example. For example, the control device C may control the output of the ion beam 20 by adjusting at least one of the flow rate of the source gas, the microwave power, and the magnetic field strength.

プラズマ室12は、その内部空間にプラズマを生成し維持するよう構成されている。プラズマ室12の内部空間を以下では、プラズマ生成空間58と呼ぶことがある。   The plasma chamber 12 is configured to generate and maintain plasma in its internal space. Hereinafter, the internal space of the plasma chamber 12 may be referred to as a plasma generation space 58.

プラズマ室12は、始端部60、終端部62、及び側壁64を含む。始端部60と終端部62とはプラズマ生成空間58を挟んで対向している。側壁64はプラズマ生成空間58を囲み、始端部60と終端部62とを接続している。このようにして、始端部60、終端部62、及び側壁64によってプラズマ生成空間58が真空容器18の内部に画定されている。プラズマ室12が円筒形状である場合、始端部60及び終端部62は円板形状であり、側壁64は円筒であり、始端部60及び終端部62の外周部に側壁64の末端が固定されている。   The plasma chamber 12 includes a start end portion 60, a termination end portion 62, and a side wall 64. The start end portion 60 and the end end portion 62 face each other with the plasma generation space 58 interposed therebetween. The side wall 64 surrounds the plasma generation space 58 and connects the start end 60 and the end end 62. In this way, the plasma generation space 58 is defined inside the vacuum vessel 18 by the start end portion 60, the end end portion 62, and the side wall 64. When the plasma chamber 12 has a cylindrical shape, the start end portion 60 and the end portion 62 have a disk shape, the side wall 64 has a cylindrical shape, and the ends of the side walls 64 are fixed to the outer peripheral portions of the start end portion 60 and the end portion 62. Yes.

始端部60は真空窓24を有する。真空窓24は始端部60の全体を占めていてもよいし、始端部60の一部(例えば中心部)に形成されていてもよい。真空窓24の一方の側がプラズマ生成空間58に面しており、真空窓24の他方の側がマイクロ波供給系26に向けられている。真空窓24はプラズマ室12の内部を真空に封じる。マイクロ波の伝搬方向Pは真空窓24に垂直である。真空窓24は誘電体損の低い誘電体(例えばアルミナまたは窒化ホウ素等)で形成されている。なおプラズマ室12の真空窓24以外の部分は例えばステンレス鋼またはアルミニウムのような非磁性金属材料で形成されている。   The start end 60 has a vacuum window 24. The vacuum window 24 may occupy the entire start end 60 or may be formed at a part (for example, the center) of the start end 60. One side of the vacuum window 24 faces the plasma generation space 58, and the other side of the vacuum window 24 is directed to the microwave supply system 26. The vacuum window 24 seals the inside of the plasma chamber 12 to a vacuum. The propagation direction P of the microwave is perpendicular to the vacuum window 24. The vacuum window 24 is formed of a dielectric having a low dielectric loss (for example, alumina or boron nitride). The portions other than the vacuum window 24 of the plasma chamber 12 are formed of a nonmagnetic metal material such as stainless steel or aluminum.

終端部62には少なくとも1つのイオン引出開口66が形成されている。イオン引出開口66は、プラズマ生成空間58を挟んで真空窓24に対向する位置に形成されている。すなわち、真空窓24、プラズマ生成空間58、及びイオン引出開口66は、プラズマ室12の軸方向に沿って配列されている。   At least one ion extraction opening 66 is formed in the end portion 62. The ion extraction opening 66 is formed at a position facing the vacuum window 24 with the plasma generation space 58 interposed therebetween. That is, the vacuum window 24, the plasma generation space 58, and the ion extraction opening 66 are arranged along the axial direction of the plasma chamber 12.

真空容器18は、プラズマ室12が一体に形成された二重の筒構造を有する。すなわち、プラズマ室12が真空容器18の内筒であり、その外側にプラズマ室12を収容する外筒68が設けられている。外筒68はプラズマ室12と同軸の円筒形状であってもよい。外筒68とプラズマ室12の側壁64との間には隙間があり、この隙間に上述のガス供給系34のガス配管40の先端部が進入し側壁64に取り付けられている。真空容器18は例えば非磁性金属材料で形成されている。   The vacuum vessel 18 has a double cylinder structure in which the plasma chamber 12 is integrally formed. That is, the plasma chamber 12 is an inner cylinder of the vacuum vessel 18, and an outer cylinder 68 that accommodates the plasma chamber 12 is provided outside the plasma chamber 12. The outer cylinder 68 may have a cylindrical shape that is coaxial with the plasma chamber 12. There is a gap between the outer cylinder 68 and the side wall 64 of the plasma chamber 12, and the tip of the gas pipe 40 of the gas supply system 34 enters the gap and is attached to the side wall 64. The vacuum vessel 18 is made of, for example, a nonmagnetic metal material.

真空容器18は、プラズマ室12と一体に形成されていなくてもよい。真空容器18とプラズマ室12とがそれぞれ別体であり分割可能であってもよい。また、真空容器18自体がプラズマ室12を成していてもよい。このように真空容器18がプラズマ室12を兼用する場合には、外筒68のビームライン52側にイオン引出開口66を有する端板を取り付ければよい。   The vacuum vessel 18 may not be formed integrally with the plasma chamber 12. The vacuum vessel 18 and the plasma chamber 12 may be separate and separable. Further, the vacuum vessel 18 itself may form the plasma chamber 12. Thus, when the vacuum vessel 18 also serves as the plasma chamber 12, an end plate having an ion extraction opening 66 on the beam line 52 side of the outer cylinder 68 may be attached.

真空容器18の一端は端板70により閉塞され、他端はビームライン52に向けて開放されている。端板70の中心部にプラズマ室12の始端部60が形成されている。端板70の外周部は径方向に外筒68の外側まで延びている。ビームライン52側の真空容器18の端部には、ブッシング54のための取付フランジ72が設けられている。取付フランジ72は外筒68から径方向に外側に延びている。真空容器18とプラズマ室12とは軸方向長さが等しく、取付フランジ72とプラズマ室12の終端部62とは軸方向位置が一致している。真空容器18とプラズマ室12とは軸方向長さが異なっていてもよい。   One end of the vacuum vessel 18 is closed by an end plate 70, and the other end is opened toward the beam line 52. A starting end 60 of the plasma chamber 12 is formed at the center of the end plate 70. The outer peripheral portion of the end plate 70 extends to the outside of the outer cylinder 68 in the radial direction. A mounting flange 72 for the bushing 54 is provided at the end of the vacuum vessel 18 on the beam line 52 side. The mounting flange 72 extends radially outward from the outer cylinder 68. The vacuum vessel 18 and the plasma chamber 12 have the same axial length, and the mounting flange 72 and the end portion 62 of the plasma chamber 12 have the same axial position. The vacuum vessel 18 and the plasma chamber 12 may have different axial lengths.

真空容器18には、コイル装置16を保持するためのコイル保持部74が形成されている。コイル保持部74は例えば、真空容器18の外筒68の外表面に形成されている。こうして、コイル装置16は真空容器18の外側に(即ち大気中に)設けられている。コイル装置16は真空容器18を取り囲むように配置されている。なお、ある実施形態においては、コイル保持部74は真空容器18またはプラズマ室12から離れている別の部材であってもよい。この場合、コイル装置16とプラズマ室12とに異なる電位が与えられてもよい。   A coil holding part 74 for holding the coil device 16 is formed in the vacuum container 18. For example, the coil holding portion 74 is formed on the outer surface of the outer cylinder 68 of the vacuum vessel 18. Thus, the coil device 16 is provided outside the vacuum vessel 18 (that is, in the atmosphere). The coil device 16 is disposed so as to surround the vacuum vessel 18. In some embodiments, the coil holding unit 74 may be another member that is separated from the vacuum vessel 18 or the plasma chamber 12. In this case, different potentials may be applied to the coil device 16 and the plasma chamber 12.

コイル装置16は、プラズマ室12の軸方向を向くコイル磁場を発生させるよう構成されたコイル75を備える。本例においてはプラズマ室12及び真空容器18は円筒形状であり、コイル75は環状に形成され、プラズマ室12の周方向に導線が巻かれている。コイル装置16は、コイル75に電流を流すためのコイル電源76を含む。なおコイル装置16は、図示されるように1つのコイル75を備える代わりに、プラズマ室12の軸方向に沿って配列された複数のコイルを備えてもよい。   The coil device 16 includes a coil 75 configured to generate a coil magnetic field that faces the axial direction of the plasma chamber 12. In this example, the plasma chamber 12 and the vacuum vessel 18 are cylindrical, the coil 75 is formed in an annular shape, and a conducting wire is wound in the circumferential direction of the plasma chamber 12. The coil device 16 includes a coil power supply 76 for causing a current to flow through the coil 75. The coil device 16 may include a plurality of coils arranged along the axial direction of the plasma chamber 12 instead of including one coil 75 as illustrated.

詳しくは図2及び図3を参照して後述するように、マイクロ波イオン源10には磁性体80が設けられている。磁性体80は例えば、プラズマ室12にの周りに設けられたシールド部材、及び/または、コイル75の周りに設けられたヨーク部材を備える。   As will be described later in detail with reference to FIGS. 2 and 3, the microwave ion source 10 is provided with a magnetic body 80. The magnetic body 80 includes, for example, a shield member provided around the plasma chamber 12 and / or a yoke member provided around the coil 75.

磁性体80は、軸方向において真空窓24とイオン引出開口66との間に配置されている。このようにすれば、磁性体80をプラズマ生成空間58に近接させることができるので、磁性体80によりプラズマ生成空間58のコイル磁場を効果的に調整することができる。また、こうした配置であれば磁性体80の設置スペースを確保しやすい。真空窓24より上流側にはマイクロ波供給系26が設けられ、イオン引出開口66より下流側には引出電極系42が設けられているので、空間的な余裕が小さい。   The magnetic body 80 is disposed between the vacuum window 24 and the ion extraction opening 66 in the axial direction. In this way, since the magnetic body 80 can be brought close to the plasma generation space 58, the coil magnetic field in the plasma generation space 58 can be effectively adjusted by the magnetic body 80. Further, with such an arrangement, it is easy to secure an installation space for the magnetic body 80. Since the microwave supply system 26 is provided upstream of the vacuum window 24 and the extraction electrode system 42 is provided downstream of the ion extraction opening 66, the spatial margin is small.

図2は、本発明のある実施形態に係るマイクロ波イオン源10の要部を概略的に示す断面図である。図2の上部には、図1に示すマイクロ波イオン源10の要部を示し、図2の下部には、コイル装置16が発生させるプラズマ室12の中心軸上の軸方向磁場を例示する。図2において縦軸はプラズマ室12の中心軸上での軸方向磁束密度Bを表し、横軸はプラズマ室12の中心軸上の軸方向位置Zを表す。ここで、軸方向に関してプラズマ室12の中央位置をZcと表記し、プラズマ室12の中心軸上での軸方向磁束密度Bのピーク位置をZpと表記する。また、真空窓24及びイオン引出開口66の軸方向位置をそれぞれZw、Zaと表す。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a main part of the microwave ion source 10 according to an embodiment of the present invention. The upper part of FIG. 2 shows the main part of the microwave ion source 10 shown in FIG. 1, and the lower part of FIG. 2 illustrates the axial magnetic field on the central axis of the plasma chamber 12 generated by the coil device 16. In FIG. 2, the vertical axis represents the axial magnetic flux density B on the central axis of the plasma chamber 12, and the horizontal axis represents the axial position Z on the central axis of the plasma chamber 12. Here, the central position of the plasma chamber 12 in the axial direction is denoted as Zc, and the peak position of the axial magnetic flux density B on the central axis of the plasma chamber 12 is denoted as Zp. Further, the axial positions of the vacuum window 24 and the ion extraction opening 66 are represented as Zw and Za, respectively.

マイクロ波イオン源10は上述のように、プラズマ生成空間58を画定するプラズマ室12を備える。プラズマ室12は、マイクロ波を受け入れるための真空窓24を備える始端部60と、プラズマ生成空間58からイオンを引き出すためのイオン引出開口66を備える終端部62と、始端部60と終端部62とを接続する側壁64と、を備える。   As described above, the microwave ion source 10 includes the plasma chamber 12 that defines the plasma generation space 58. The plasma chamber 12 includes a start end portion 60 having a vacuum window 24 for receiving microwaves, a termination portion 62 having an ion extraction opening 66 for extracting ions from the plasma generation space 58, a start end portion 60, and a termination portion 62. And a side wall 64 for connecting the two.

また、マイクロ波イオン源10は、軸方向に向けられたコイル磁場をプラズマ生成空間58に生成するよう配設されているコイル装置16を備える。コイル装置16は、真空窓24からイオン引出開口66にわたって軸方向にプラズマ生成空間58の全体に磁場を生成する。コイル装置16は、単一のコイル電源76と、コイル電源76からの給電によりプラズマ生成空間58に磁場を生成する単一のコイル75と、を備える。コイル75はその中心に強度ピークをもつ単峰型の軸方向磁場分布を生成する。この磁場分布は、少なくともピークにおいて共鳴磁場(すなわち、ECR条件を満たす磁場)より大きく、プラズマ室12の軸方向全体にわたって共鳴磁場より大きくてもよい。   The microwave ion source 10 also includes a coil device 16 that is arranged to generate a coil magnetic field directed in the axial direction in the plasma generation space 58. The coil device 16 generates a magnetic field in the entire plasma generation space 58 in the axial direction from the vacuum window 24 to the ion extraction opening 66. The coil device 16 includes a single coil power source 76 and a single coil 75 that generates a magnetic field in the plasma generation space 58 by feeding from the coil power source 76. The coil 75 generates a single-peak axial magnetic field distribution having an intensity peak at the center thereof. This magnetic field distribution may be larger than the resonance magnetic field (that is, the magnetic field satisfying the ECR condition) at least at the peak and larger than the resonance magnetic field over the entire axial direction of the plasma chamber 12.

コイル装置16は、プラズマ室12の中心軸上におけるコイル磁場のピークがプラズマ室12の中に位置するよう構成されている。コイル装置16は、軸方向において真空窓24とイオン引出開口66との間にコイル75の窓側の側面及び開口側の側面が位置するよう配置されている。コイル75は、プラズマ室12を囲むドーナツ型のコイルである。   The coil device 16 is configured such that the peak of the coil magnetic field on the central axis of the plasma chamber 12 is located in the plasma chamber 12. The coil device 16 is disposed such that the window side surface and the opening side surface of the coil 75 are positioned between the vacuum window 24 and the ion extraction opening 66 in the axial direction. The coil 75 is a donut-shaped coil surrounding the plasma chamber 12.

本実施形態においては、コイル装置16は、軸方向に関してプラズマ室12の中央にコイル装置16(具体的にはコイル75)の軸方向位置を合わせるように配設されている。よって、仮にシールド部材82が設けられていなければ、コイル装置16は、プラズマ室12の中央位置Zcにピークをもつ軸方向磁場分布を生成する。この磁場分布は、軸方向中央位置Zcに関して左右対称である。   In the present embodiment, the coil device 16 is disposed so that the axial position of the coil device 16 (specifically, the coil 75) is aligned with the center of the plasma chamber 12 in the axial direction. Therefore, if the shield member 82 is not provided, the coil device 16 generates an axial magnetic field distribution having a peak at the central position Zc of the plasma chamber 12. This magnetic field distribution is symmetrical with respect to the axial center position Zc.

マイクロ波イオン源10は、プラズマ生成空間58におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体80(図1参照)を備える。磁性体80はプラズマ室12の開口側に配置されており、従って、磁性体80はコイル装置16の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称である。   The microwave ion source 10 includes a magnetic body 80 (see FIG. 1) for adjusting the coil magnetic field strength on the plasma chamber central axis in the plasma generation space 58. The magnetic body 80 is disposed on the opening side of the plasma chamber 12. Therefore, the magnetic body 80 is asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device 16.

磁性体80は、具体的には図2に示されるように、シールド部材82を備える。シールド部材82は鉄材などの軟磁性材である。シールド部材82は、プラズマ室12の開口側において側壁64に沿って配置されている。シールド部材82はコイル75から離れて設けられている。シールド部材82はプラズマ室12の全周を囲む短筒であってもよいし、プラズマ室12の周方向に沿って配置された複数の磁性体片であってもよい。シールド部材82は軸対称に配置されている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the magnetic body 80 includes a shield member 82. The shield member 82 is a soft magnetic material such as iron. The shield member 82 is disposed along the side wall 64 on the opening side of the plasma chamber 12. The shield member 82 is provided away from the coil 75. The shield member 82 may be a short cylinder surrounding the entire circumference of the plasma chamber 12 or may be a plurality of magnetic pieces arranged along the circumferential direction of the plasma chamber 12. The shield member 82 is disposed symmetrically about the axis.

シールド部材82は、プラズマ室12の中心軸上のコイル磁場をプラズマ室12の外周側に逸らす効果をもつ。したがって、図2に示されるように、シールド部材82は、プラズマ室12の開口側(即ち、図2においてZa側)において磁場を低減させる。プラズマ室12の窓側にはシールド部材が設けられていないから、窓側(即ち、Zw側)においてはもとの磁場が維持される。こうして、シールド部材82により調整された磁場の中心軸上におけるピークZpは、依然としてプラズマ室12の中にあるが、未調整のコイル磁場のピークZcから窓側に外れた場所に位置する。   The shield member 82 has an effect of deflecting the coil magnetic field on the central axis of the plasma chamber 12 toward the outer peripheral side of the plasma chamber 12. Therefore, as shown in FIG. 2, the shield member 82 reduces the magnetic field on the opening side of the plasma chamber 12 (that is, the Za side in FIG. 2). Since the shield member is not provided on the window side of the plasma chamber 12, the original magnetic field is maintained on the window side (that is, the Zw side). In this way, the peak Zp on the central axis of the magnetic field adjusted by the shield member 82 is still in the plasma chamber 12, but is located at a position off the window side from the peak Zc of the unadjusted coil magnetic field.

このようにして、磁性体80は、軸方向には開口側で径方向にはコイル75とプラズマ生成空間58との間に配置されており、それにより、プラズマ室12の中心軸上においてプラズマ生成空間58の窓側領域の磁場がプラズマ生成空間58の開口側領域の磁場より強くなる。軸方向中央に対して非対称な磁場分布は、プラズマ生成空間58に高密度プラズマを生成し維持するのに役立つ。   In this manner, the magnetic body 80 is disposed on the opening side in the axial direction and between the coil 75 and the plasma generation space 58 in the radial direction, thereby generating plasma on the central axis of the plasma chamber 12. The magnetic field in the window side region of the space 58 is stronger than the magnetic field in the opening side region of the plasma generation space 58. The magnetic field distribution that is asymmetric with respect to the axial center serves to generate and maintain a high density plasma in the plasma generation space 58.

また、プラズマ室12は、シールド部材82を冷却する冷却部78を備える。冷却部78は、径方向においてシールド部材82とプラズマ生成空間58との間に配置されている。冷却部78は例えば、プラズマ室12を冷却するためにプラズマ室12の側壁64に内蔵された冷却配管を備える。こうして、動作中に高温となるプラズマ生成空間58によるシールド部材82の過度の温度上昇を防ぐことができる。   The plasma chamber 12 includes a cooling unit 78 that cools the shield member 82. The cooling unit 78 is disposed between the shield member 82 and the plasma generation space 58 in the radial direction. The cooling unit 78 includes, for example, a cooling pipe built in the side wall 64 of the plasma chamber 12 in order to cool the plasma chamber 12. Thus, it is possible to prevent an excessive temperature rise of the shield member 82 due to the plasma generation space 58 that becomes high temperature during operation.

なお、冷却部78はプラズマ室12の側壁64の外表面に設置されていてもよい。また、図示される冷却部78はシールド部材82を径方向内側から冷却するが、こうした冷却部78とともに又はこれに代えて、シールド部材82を径方向外側から冷却する冷却部が設けられていてもよい。例えば、冷却部が保護部材84に設けられていてもよい。   The cooling unit 78 may be installed on the outer surface of the side wall 64 of the plasma chamber 12. The cooling unit 78 shown in the figure cools the shield member 82 from the radially inner side. However, a cooling unit for cooling the shield member 82 from the radially outer side may be provided together with or instead of the cooling unit 78. Good. For example, the cooling unit may be provided on the protection member 84.

シールド部材82を保護する保護部材84が設けられていてもよい。保護部材84は、シールド部材82の表面を覆う保護層を形成する。保護部材84は例えば、アルミニウムのような非磁性材料で形成されていてもよい。このようにすれば、シールド部材82の材料が環境に放出されることを防ぎ、イオンビーム20の汚染を防止することができる。なお、こうした汚染問題が重要でない用途においては、保護部材84は設けられていなくてもよい。この場合、磁性体80(例えば、シールド部材82、及び/またはヨーク部材86)の表面が露出されていてもよい(図3参照)。   A protective member 84 that protects the shield member 82 may be provided. The protective member 84 forms a protective layer that covers the surface of the shield member 82. For example, the protection member 84 may be formed of a nonmagnetic material such as aluminum. In this way, the material of the shield member 82 can be prevented from being released to the environment, and contamination of the ion beam 20 can be prevented. Note that the protective member 84 may not be provided in applications where such contamination problems are not important. In this case, the surface of the magnetic body 80 (for example, the shield member 82 and / or the yoke member 86) may be exposed (see FIG. 3).

図3は、本発明の他の実施形態に係るマイクロ波イオン源10の要部を概略的に示す断面図である。この実施形態に係るマイクロ波イオン源10は、磁性体80の配置及び機能に関して上述の実施形態とは異なる。その余については、図3に示す実施形態は図1及び図2を参照して説明した実施形態と同様である。以下の説明では同様の箇所については冗長を避けるため説明を適宜省略する。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a main part of a microwave ion source 10 according to another embodiment of the present invention. The microwave ion source 10 according to this embodiment is different from the above-described embodiment with respect to the arrangement and function of the magnetic body 80. For the remainder, the embodiment shown in FIG. 3 is the same as the embodiment described with reference to FIGS. In the following description, the description of similar parts will be omitted as appropriate to avoid redundancy.

磁性体80はプラズマ室12の窓側に配置されており、従って、磁性体80はコイル装置16の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称である。磁性体80は、図2に示すシールド部材82に代えて、図3に示されるようにコイル75に装着されたヨーク部材86を備える。ヨーク部材86は鉄材などの軟磁性材である。ヨーク部材86は軸対称に配置され、プラズマ室12から離れて設けられている。   The magnetic body 80 is disposed on the window side of the plasma chamber 12. Therefore, the magnetic body 80 is asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device 16. The magnetic body 80 includes a yoke member 86 attached to the coil 75 as shown in FIG. 3 instead of the shield member 82 shown in FIG. The yoke member 86 is a soft magnetic material such as an iron material. The yoke member 86 is disposed symmetrically with respect to the axis, and is provided away from the plasma chamber 12.

ヨーク部材86は、コイル75の窓側の側面に沿って配置されている第1部分88と、コイル75の径方向外周面に沿って配置されている第2部分90と、を備える。第1部分88は、プラズマ室12を通す貫通孔を中心に有する平板である。第2部分90は、第1部分88の径方向外周端に隣接して軸方向に延びる短筒である。第2部分90は、コイル75の径方向外周面の窓側部分を覆っているが、コイル75の径方向外周面の全部を覆ってもよい。ヨーク部材86は、コイル75の開口側の側面には設けられていない。   The yoke member 86 includes a first portion 88 disposed along the window side surface of the coil 75 and a second portion 90 disposed along the radially outer peripheral surface of the coil 75. The first portion 88 is a flat plate having a through hole through which the plasma chamber 12 passes. The second portion 90 is a short cylinder extending in the axial direction adjacent to the radially outer peripheral end of the first portion 88. The second portion 90 covers the window side portion of the radially outer peripheral surface of the coil 75, but may cover the entire radially outer peripheral surface of the coil 75. The yoke member 86 is not provided on the opening side surface of the coil 75.

なお、ヨーク部材86は、少なくとも第1部分88を備えていてもよいし、第1部分88及び第2部分90のうち一方のみであってもよい。ヨーク部材86は、コイル75の全周を囲んでもよいし、コイル75の周方向に沿って配置された複数の磁性体片であってもよい。   The yoke member 86 may include at least the first portion 88, or only one of the first portion 88 and the second portion 90. The yoke member 86 may surround the entire circumference of the coil 75, or may be a plurality of magnetic body pieces arranged along the circumferential direction of the coil 75.

ヨーク部材86はその軸方向位置に磁場を集中させる効果をもつ。したがって、図3に示されるように、ヨーク部材86は、プラズマ室12の窓側において磁場を強くする。プラズマ室12の開口側にはヨーク部材が設けられていないから、開口側においてはもとの磁場が維持される。こうして、ヨーク部材86により調整された磁場の中心軸上におけるピークZpは、依然としてプラズマ室12の中にあるが、未調整のコイル磁場のピークZcから窓側に外れた場所に位置する。   The yoke member 86 has the effect of concentrating the magnetic field at the axial position. Therefore, as shown in FIG. 3, the yoke member 86 strengthens the magnetic field on the window side of the plasma chamber 12. Since the yoke member is not provided on the opening side of the plasma chamber 12, the original magnetic field is maintained on the opening side. In this way, the peak Zp on the central axis of the magnetic field adjusted by the yoke member 86 is still in the plasma chamber 12, but is located at a position off the window side from the peak Zc of the unadjusted coil magnetic field.

このようにして、磁性体80は、軸方向には窓側で径方向にはコイル75の側部及び外側に配置されており、それにより、プラズマ室12の中心軸上においてプラズマ生成空間58の窓側領域の磁場がプラズマ生成空間58の開口側領域の磁場より強くなる。このように軸方向中央に対して非対称な磁場分布は、プラズマ生成空間58に高密度プラズマを生成し維持するのに役立つ。   In this way, the magnetic body 80 is arranged on the window side in the axial direction and on the side and outside of the coil 75 in the radial direction, so that the window side of the plasma generation space 58 on the central axis of the plasma chamber 12 is arranged. The magnetic field in the region is stronger than the magnetic field in the opening side region of the plasma generation space 58. The magnetic field distribution that is asymmetric with respect to the axial center in this way is useful for generating and maintaining a high-density plasma in the plasma generation space 58.

説明したように、本実施形態に係るマイクロ波イオン源10は、プラズマ室12と、1つのコイル電源76と、この1つのコイル電源76によりプラズマ室12の軸方向に対称性磁場を発生するコイル75と、を備える。また、マイクロ波イオン源10は、プラズマ室12の外周側であってプラズマ室12の入り側又は出側に配置された磁性体80を備える。マイクロ波イオン源10は、コイル75と磁性体80とによりプラズマ室12内に非対称性磁場分布を形成する。   As described above, the microwave ion source 10 according to the present embodiment includes the plasma chamber 12, one coil power source 76, and a coil that generates a symmetric magnetic field in the axial direction of the plasma chamber 12 by the one coil power source 76. 75. In addition, the microwave ion source 10 includes a magnetic body 80 disposed on the outer peripheral side of the plasma chamber 12 and on the entry side or the exit side of the plasma chamber 12. The microwave ion source 10 forms an asymmetric magnetic field distribution in the plasma chamber 12 by the coil 75 and the magnetic body 80.

よって、本実施形態によると、1セットのコイル75とコイル電源76からなるコイル装置16に磁性体80を組み合わせるという簡単な構成で、高密度プラズマの生成に適する非対称磁場を実現することができる。軸方向に複数のコイルを設け各コイルに異なる電流を与えるといった複雑な構成を要しないという利点がある。   Therefore, according to the present embodiment, an asymmetric magnetic field suitable for generating high-density plasma can be realized with a simple configuration in which the magnetic body 80 is combined with the coil device 16 including one set of the coil 75 and the coil power source 76. There is an advantage that a complicated configuration is not required in which a plurality of coils are provided in the axial direction and different currents are applied to the coils.

また、コイル電源76が1つであることは、コスト低減に役立つ。とりわけ、プラズマ生成のための磁場は一般に例えば数百アンペアという大きなコイル電流により生成され、そうした電源は高価である。電源の数を少なくすることは、低コストにシステムを構成することに大きく寄与する。   In addition, the fact that there is only one coil power supply 76 is useful for cost reduction. In particular, the magnetic field for plasma generation is generally generated by a large coil current of, for example, several hundred amperes, and such a power source is expensive. Reducing the number of power supplies greatly contributes to configuring the system at a low cost.

加えて、コイル磁場のピーク部分がプラズマ生成空間58に与えられるので、コイル電源76がコイル75に与える電流を小さくすることができる。これは電源の小型化及び低コスト化に役立つ。これに対して、仮にコイル磁場のピーク部分がプラズマ室12の外に位置しコイル磁場の裾野部分がプラズマ生成空間58に与えられるとしたら、同等の強さの磁場をプラズマ生成空間58にもたらすには大きな電流が要求されることになる。   In addition, since the peak portion of the coil magnetic field is applied to the plasma generation space 58, the current supplied to the coil 75 by the coil power supply 76 can be reduced. This is useful for reducing the size and cost of the power supply. On the other hand, if the peak portion of the coil magnetic field is located outside the plasma chamber 12 and the tail portion of the coil magnetic field is given to the plasma generation space 58, a magnetic field having the same strength is brought to the plasma generation space 58. A large current is required.

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。   In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It will be understood by those skilled in the art that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design changes are possible, various modifications are possible, and such modifications are within the scope of the present invention. By the way.

上述の実施形態においては、磁性体80はプラズマ室12の窓側及び開口側の一方に配置されている。しかし、磁性体80は、コイル装置16の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の両方に配置されていてもよい。よって、ある実施形態に係るマイクロ波イオン源10は、シールド部材82とヨーク部材86の両方を備えてもよい。   In the above-described embodiment, the magnetic body 80 is disposed on one of the window side and the opening side of the plasma chamber 12. However, the magnetic body 80 may be disposed on both the window side and the opening side so as to be asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device 16. Therefore, the microwave ion source 10 according to an embodiment may include both the shield member 82 and the yoke member 86.

上述の実施形態においては、マイクロ波イオン源10は、コイル装置16の軸方向中央に対し窓側に偏った非対称磁場を生成するよう構成されている。しかし、逆に、開口側に偏った非対称磁場も可能である。ある実施形態においては、マイクロ波イオン源10は、磁性体80により調整された磁場の中心軸上におけるピークがもとのコイル磁場のピークから開口側に外れた場所に位置するよう構成されていてもよい。磁性体80は、中心軸上においてプラズマ生成空間58の開口側領域の磁場がプラズマ生成空間58の窓側領域の磁場より強くなるように、軸方向には窓側で径方向にはコイル75とプラズマ生成空間58との間に、及び/または、軸方向には開口側で径方向にはコイル75の側部又は外側に配置されていてもよい。例えば、磁性体80は、窓側において側壁64に沿って配置されているシールド部材を備えてもよい。あるいは、磁性体80は、コイル75の開口側の側面又はコイル75の径方向外周面に沿って配置されているヨーク部材を備えてもよい。   In the above-described embodiment, the microwave ion source 10 is configured to generate an asymmetric magnetic field that is biased toward the window with respect to the axial center of the coil device 16. However, on the contrary, an asymmetric magnetic field biased toward the opening side is also possible. In one embodiment, the microwave ion source 10 is configured such that the peak on the central axis of the magnetic field adjusted by the magnetic body 80 is located at a position off the opening side from the peak of the original coil magnetic field. Also good. The magnetic body 80 generates plasma with the coil 75 in the axial direction on the window side and in the radial direction so that the magnetic field in the opening side region of the plasma generation space 58 is stronger than the magnetic field in the window side region of the plasma generation space 58 on the central axis. It may be arranged between the space 58 and / or on the opening side in the axial direction and on the side or outside of the coil 75 in the radial direction. For example, the magnetic body 80 may include a shield member disposed along the side wall 64 on the window side. Alternatively, the magnetic body 80 may include a yoke member disposed along the opening side surface of the coil 75 or the radial outer peripheral surface of the coil 75.

また、上述の実施形態においては、シールド部材82は、プラズマ室12に密着している。しかし、シールド部材82は、プラズマ室12との間に隙間を有してもよい。同様に、上述の実施形態においてはヨーク部材86はコイル75に密着しているが、コイル75との間に隙間を有してもよい。   In the above-described embodiment, the shield member 82 is in close contact with the plasma chamber 12. However, the shield member 82 may have a gap with the plasma chamber 12. Similarly, in the above-described embodiment, the yoke member 86 is in close contact with the coil 75, but a gap may be provided between the yoke member 86 and the coil 75.

ある実施形態においては、シールド部材82に代えて、永久磁石が設けられていてもよい。この場合、永久磁石は、その磁場によってコイル磁場を少なくとも部分的に打ち消すように向きが定められて、コイル75とプラズマ生成空間58との間に配設される。   In an embodiment, a permanent magnet may be provided instead of the shield member 82. In this case, the permanent magnet is oriented between the coil 75 and the plasma generation space 58 so that the magnetic field is at least partially canceled by the magnetic field.

10 マイクロ波イオン源、 12 プラズマ室、 16 コイル装置、 58 プラズマ生成空間、 60 始端部、 62 終端部、 64 側壁、 66 イオン引出開口、 75 コイル、 76 コイル電源、 78 冷却部、 80 磁性体、 82 シールド部材、 84 保護部材、 86 ヨーク部材。   10 microwave ion source, 12 plasma chamber, 16 coil device, 58 plasma generation space, 60 start end, 62 end, 64 side wall, 66 ion extraction opening, 75 coil, 76 coil power supply, 78 cooling unit, 80 magnetic body, 82 shield member, 84 protective member, 86 yoke member.

Claims (10)

マイクロ波を受け入れるための窓と、イオンを引き出すための開口と、を備え、プラズマ生成空間を画定するプラズマ室と、
軸方向に向けられたコイル磁場を前記窓から前記開口にわたって前記プラズマ生成空間に生成するよう配設されているコイル装置と、
前記プラズマ生成空間におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体と、を備え、
前記磁性体は、前記コイル装置の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置され
前記コイル装置は、前記プラズマ室の周囲に配置されたコイルを備え、
前記磁性体は、前記中心軸上において前記プラズマ生成空間の窓側領域の磁場が前記プラズマ生成空間の開口側領域の磁場より強くなるように、軸方向には前記窓側で径方向には前記コイルの側部又は外側に配置され、
前記磁性体は、前記コイルの窓側の側面又は前記コイルの径方向外周面に沿って配置されているヨーク部材を備え、前記ヨーク部材は、前記コイルの開口側の側面には設けられていないことを特徴とするマイクロ波イオン源。
A plasma chamber comprising a window for receiving microwaves and an opening for extracting ions, and defining a plasma generation space;
A coil device arranged to generate an axially oriented coil magnetic field in the plasma generation space from the window across the opening;
A magnetic body for adjusting the coil magnetic field strength on the plasma chamber central axis in the plasma generation space,
The magnetic body is disposed on at least one of the window side and the opening side so as to be asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device ,
The coil device includes a coil disposed around the plasma chamber,
The magnetic body has an axial direction on the window side in the axial direction and a radial direction of the coil so that the magnetic field in the window side region of the plasma generation space is stronger than the magnetic field in the opening side region of the plasma generation space on the central axis. Placed on the side or outside,
The magnetic body includes a yoke member disposed along a window side surface of the coil or a radially outer peripheral surface of the coil, and the yoke member is not provided on a side surface of the coil on the opening side. A microwave ion source characterized by
前記ヨーク部材は、前記コイルの窓側の側面に沿って配置されている第1部分と、前記コイルの径方向外周面に沿って配置されている第2部分と、を備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波イオン源。The said yoke member is provided with the 1st part arrange | positioned along the side surface by the side of the window of the said coil, and the 2nd part arrange | positioned along the radial direction outer peripheral surface of the said coil. Item 2. The microwave ion source according to Item 1. 前記ヨーク部材の前記第2部分は、前記窓側に設けられ、前記開口側には設けられていないことを特徴とする請求項2に記載のマイクロ波イオン源。The microwave ion source according to claim 2, wherein the second portion of the yoke member is provided on the window side and is not provided on the opening side. マイクロ波を受け入れるための窓と、イオンを引き出すための開口と、を備え、プラズマ生成空間を画定するプラズマ室と、
軸方向に向けられたコイル磁場を前記窓から前記開口にわたって前記プラズマ生成空間に生成するよう配設されているコイル装置と、
前記プラズマ生成空間におけるプラズマ室中心軸上のコイル磁場強度を調整するための磁性体と、を備え、
前記磁性体は、前記コイル装置の軸方向中央に対し窓側と開口側とで非対称であるように窓側及び開口側の少なくとも一方に配置され、
前記プラズマ室は、前記窓を備える始端部と、前記開口を備える終端部と、該始端部と該終端部とを接続する側壁と、を備え、
前記磁性体は、前記開口側において前記側壁に沿って配置されているシールド部材を備え、前記シールド部材は、前記窓側には設けられていないことを特徴とするマイクロ波イオン源。
A plasma chamber comprising a window for receiving microwaves and an opening for extracting ions, and defining a plasma generation space;
A coil device arranged to generate an axially oriented coil magnetic field in the plasma generation space from the window across the opening;
A magnetic body for adjusting the coil magnetic field strength on the plasma chamber central axis in the plasma generation space,
The magnetic body is disposed on at least one of the window side and the opening side so as to be asymmetric between the window side and the opening side with respect to the axial center of the coil device,
The plasma chamber includes a start end provided with the window, a terminal end provided with the opening, and a side wall connecting the start end and the terminal end,
The microwave body according to claim 1, wherein the magnetic body includes a shield member disposed along the side wall on the opening side, and the shield member is not provided on the window side .
前記コイル装置は、前記プラズマ室の周囲に配置されたコイルを備え、
前記シールド部材は、前記中心軸上において前記プラズマ生成空間の窓側領域の磁場が前記プラズマ生成空間の開口側領域の磁場より強くなるように、軸方向には前記開口側で径方向には前記コイルと前記プラズマ生成空間との間に配置されていることを特徴とする請求項に記載のマイクロ波イオン源。
The coil device includes a coil disposed around the plasma chamber,
The shield member has an axial direction on the opening side and a radial direction on the coil such that the magnetic field in the window side region of the plasma generation space is stronger than the magnetic field in the opening side region of the plasma generation space on the central axis. Microwave ion source according to claim 4, characterized in that it is placed between the plasma generating space with.
前記プラズマ室は、前記シールド部材を冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項4または5に記載のマイクロ波イオン源。 The microwave ion source according to claim 4 , wherein the plasma chamber includes a cooling unit that cools the shield member. 前記コイル装置は、単一のコイル電源と、該電源からの給電により前記プラズマ生成空間に磁場を生成する単一のコイルと、を備えることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。 The said coil apparatus is provided with the single coil power supply and the single coil which produces | generates a magnetic field in the said plasma production space by the electric power feeding from this power supply , The any one of Claim 1 to 6 characterized by the above-mentioned. Microwave ion source. 前記コイル磁場の前記中心軸上におけるピークは、前記プラズマ室の中に位置し、
前記磁性体により調整された磁場の前記中心軸上におけるピークは、前記プラズマ室の中であって前記コイル磁場のピークから窓側に外れた場所に位置することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のマイクロ波イオン源。
The peak on the central axis of the coil magnetic field is located in the plasma chamber,
The peak on the center axis of the adjusted magnetic field by a magnetic body, from claim 1, characterized in that positioned outside the location in the window side from the peak of the coil magnetic field there is within the plasma chamber 7 The microwave ion source according to any one of the above.
前記磁性体は、軸方向において前記窓と前記開口との間に配置されていることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のマイクロ波イオン源。 The magnetic material, microwave ion source according to claim 1, characterized in that it is disposed between the opening and the window in the axial direction 8. 前記磁性体の表面を覆う保護部材をさらに備えることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のマイクロ波イオン源。 Microwave ion source according to any of claims 1 9, characterized by further comprising a protective member covering the surface of the magnetic body.
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