JP7314408B2 - 熱的に隔離したリペラおよび電極 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、イオン源で使用するための熱的に隔離されたリペラおよび電極に関し、より詳細には、傍熱型カソード（ＩＨＣ：ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ ｈｅａｔｅｄ ｃａｔｈｏｄｅ）のイオン源を用いた高温用途で使用するためのリペラおよび電極に関する。

様々なタイプのイオン源が、半導体処理装置に使われるイオンを発生させるために使用され得る。例えば、フリーマン型イオン源は、チャンバの一方の端部から対向する端部に通るフィラメントに電流を供給することによって動作する。バーナス型イオン源およびカルトロン型イオン源は、チャンバの一方の端部付近に配置されたフィラメントに電流を供給することによって動作する。これらの各供給源において、フィラメントは、チャンバに放出される熱電子を放出する。これらの電子は、供給ガスと衝突してプラズマを発生させる。

別のタイプのイオン源は、傍熱型カソード（ＩＨＣ）のイオン源である。ＩＨＣイオン源は、カソードの後ろに配置されたフィラメントに電流を供給することによって動作する。フィラメントは熱電子を放出し、熱電子がカソードに向かって加速してカソードを加熱し、次にカソードに、イオン源のチャンバへと電子を放出させる。フィラメントはカソードによって保護されているので、バーナス型イオン源に比べてその寿命を延ばし得る。カソードは、チャンバの一端に配置される。リペラは、通常、カソードに対向するチャンバの端部に配置される。カソードおよびリペラは、電子を反発させ、チャンバの中心に向かって電子を戻すようにバイアスされ得る。いくつかの実施形態では、チャンバ内に電子をさらに閉じ込めるために磁場が使用される。

これらのイオン源の特定の実施形態において、側面電極はまた、１つまたは複数のチャンバの壁に配置される。これらの側面電極は、イオンおよび電子の位置を制御するようにバイアスされ、その結果、チャンバの中心付近のイオン密度を増大させ得る。抽出開孔は、チャンバの中心に近接して、別の側面に沿って配置され、抽出開孔を通してイオンを抽出し得る。

イオンを生成させる場合、所望のイオン種が最適温度に影響を及ぼし得る。例えば、特定の種については、イオン源を比較的低温に維持することが好ましい場合がある。炭素ベース種のイオン化といった他の実施形態では、チャンバ内の堆積を最小限に抑えるために、高温であることが望ましい場合がある。

チャンバ内で高温を維持することは、問題となり得る。アークチャンバ内の構成要素の温度は多くの場合、フィラメントによって消費される電力量によって制御されるが、各構成要素の温度は放出される熱放射の量、およびかみ合う構成要素を通じてこれらの構成要素から熱を抜き出す伝導量によって制限される。例えば、リペラおよび電極は、それらを定位置に保持するために使用されるイオン源の外部に位置するクランプに物理的に取り付けられ得る。これらのクランプは金属から構成され得て、アークチャンバベースのような冷却された構成要素に固定され得る。この熱経路は、リペラおよび電極から離れた熱の抜き出しを生じさせ、それらを所望よりも低い温度で動作させる。

したがって、熱的に隔離されたリペラを有するイオン源が有利であり得る。さらに、イオン源が熱的に隔離された電極も含む場合、有利となる。これらの構成要素を熱的に隔離することによって、リペラの温度は、隔離しない場合に可能な温度よりも高温に維持され得る。

熱的に隔離したリペラを有するイオン源が開示される。リペラは、リペラディスクおよびリペラディスクの裏面から始まり、ポストで終端する複数のスポークを備える。特定の実施形態では、ポストはその長さの少なくとも一部までが中空であり得る。中央ステムではなくスポークを使用すると、リペラディスクからポストまでの熱伝導が低減し得る。中空ポストを組み込むことによって、熱伝導がさらに低減される。この構成は、リペラディスクの温度を１００℃超、上昇させ得る。特定の実施形態では、放射シールドが、リペラディスクの側面から放出される放射の量を低減するために、リペラディスクの裏面に設けられる。これはまた、リペラの温度を上昇させるのに役立ち得る。同様の設計をイオン源内の他の電極に利用し得る。

一実施形態によれば、イオン源に使用するためのリペラが開示される。リペラは、厚さ、前面、裏面、外側エッジ、および中心軸を有し、イオン源内に配置されるように適合されたリペラディスクと、クランプに取り付けるためのポストと、ポストからリペラディスクに外向きに延び、リペラディスクの中心軸とは異なる位置でリペラディスクの裏面に接触する複数のスポークと、を備える。特定の実施形態では、リペラは一体の構成要素を備える。特定の実施形態では、リペラディスクの裏面は１つまたは複数の放射シールドを備える。特定のさらなる実施形態では、放射シールドはリペラディスクの外側エッジに近接して配置される１つまたは複数の同心溝を備える。特定のさらなる実施形態では、放射シールドはリペラディスクの外側エッジに近接して配置される１つまたは複数のキャビティを備える。いくつかのさらなる実施形態では、キャビティは１つまたは複数の同心リング状に並べられる。いくつかの実施形態では、キャビティはリペラディスクの厚さの少なくとも５０％に延在する。いくつかの実施形態では、ポストの少なくとも一部は中空である。特定のさらなる実施形態では、中空部分の断面は環状リングを備える。他のさらなる実施形態では、中空部分がそれぞれのスポークに個々に対応する複数のスポーク延長部を備え、スポーク延長部はポストの中実部分とスポークとの間に配置され、かつポストの中心軸に平行に延びる。

別の実施形態によれば、イオン源が開示される。イオン源は、複数の壁ならびに第１の端部および第２の端部を備えるチャンバであって、第２の端部が孔を備えるチャンバと、チャンバの第１の端部に配置されたカソードと、チャンバの第２の端部に配置されたリペラと、を備え、リペラは、厚さ、前面、裏面、外側エッジ、および中心軸を有し、チャンバ内に配置されたリペラディスクと、ポストと、ポストからリペラディスクへ外側に延び、リペラディスクの中心軸とは異なる位置でリペラディスクの裏面に接触する複数のスポークと、を備える。特定の実施形態では、スポークはチャンバ内に配置される。特定の実施形態では、イオン源は、ポストに取り付けられ、リペラを支持するための、チャンバの外部にあるクランプをさらに備え、クランプとリペラディスクとの間のポストの一部は中空である。特定の実施形態では、スポーク延長部はクランプに近接して配置されるポストの中実部分からスポークまで延び、かつポストの中心軸に平行に延びる。いくつかの実施形態では、イオン源はチャンバの壁に配置された電極をさらに備え、電極が、厚さ、前面、裏面、外側エッジ、および中心軸を有し、チャンバ内に配置された電極プレートと、クランプに取り付けるための電極ポストと、電極ポストから電極プレートへ外側に延び、電極プレートの中心軸とは異なる位置で電極プレートの裏面に接触する複数のスポークと、を備える。

別の実施形態によれば、イオン源内で使用するための電極が開示される。電極は、厚さ、前面、裏面、外側エッジ、および中心軸を有し、イオン源内に配置されるように適合された電極プレートと、クランプに取り付けるためのポストと、ポストから電極プレートへ外側に延び、電極プレートの中心軸とは異なる位置で電極プレートの裏面に接触する複数のスポークと、を備える。特定の実施形態では、電極は一体の構成要素を備える。特定の実施形態では、電極プレートの裏面は１つまたは複数の放射シールドを備える。特定の実施形態では、放射シールドは電極プレートの外部エッジに近接して配置された１つまたは複数の溝またはキャビティを備える。特定の実施形態では、ポストの少なくとも一部分は中空であり、中空部分はそれぞれのスポークに個々に対応する複数のスポーク延長部を備え、スポーク延長部はポストの中実部分とスポークとの間に配置され、かつポストの中心軸に平行に延びる。

本開示をより良く理解できるように、参照として本明細書に組み込まれる下記の添付図面を参照する。

一実施形態による本明細書に記載のリペラおよび電極設計を利用し得るイオン源である。 図１のイオン源の断面図である。 一実施形態によるリペラの断面図である。 一実施形態によるリペラの等角図である。 図３Ａ～３Ｂのリペラの背面図である。 一実施形態による放射シールドを有するリペラディスクを示す。 別の実施形態による放射シールドを有するリペラディスクを示す。 電極プレートのための放射シールドのいくつかの実施態様を示す。 別の実施形態によるリペラの断面図である。

上述のように、イオン源、特に傍熱型カソード（ＩＨＣ）のイオン源を、特定の状況において高温で動かすことが有益であり得る。しかしながら、リペラおよび電極は、チャンバから大量の熱を伝導する。本開示は、この熱の損失を最小限に抑える新しいリペラおよび電極の設計を説明する。リペラディスクまたは電極プレートの表面上に熱的な不均一性を生じさせる新しいリペラおよび電極の設計も説明する。

図１は、熱損失を低減させるリペラ１２０および電極１３０ａ、１３０ｂを含むイオン源１０を示す。図２は、図１のイオン源の断面を示す。イオン源１０は、傍熱型カソード（ＩＨＣ）のイオン源であり得る。イオン源１０は、２つの対向する端部、およびこれらの端部に接続する壁１０１を備えるチャンバ１００を含む。これらの壁１０１は、側壁１０４と、抽出プレート１０２と、抽出プレート１０２に対向する底部壁１０３を含む。チャンバ１００の壁１０１は、電気伝導性材料で構成され得て、互いに電気的に連通し得る。カソード１１０は、チャンバ１００の第１の端部１０５においてチャンバ１００内に配置される。フィラメント１６０は、カソード１１０に隠れて配置される。フィラメント１６０は、フィラメント電源１６５と連通している。フィラメント電源１６５は、フィラメント１６０が熱電子を放出するように、フィラメント１６０に電流を流すように構成される。フィラメントバイアス電源１１５は、フィラメント１６０をカソード１１０に対して負にバイアスするので、これらの熱電子がカソード１１０の裏面に当たるときに、フィラメント１６０からカソード１１０に向かって加速され、カソード１１０を加熱する。フィラメントバイアス電源１１５は、例えば、カソード１１０の電圧よりも負の２００Ｖ～１５００Ｖの電圧を有するように、フィラメント１６０をバイアスし得る。次いで、カソード１１０は、その前面にある熱電子をチャンバ１００に放出する。

このように、フィラメント電源１６５は、フィラメント１６０に電流を供給する。フィラメントバイアス電源１１５は、カソード１１０よりも負であるようにフィラメント１６０にバイアスをかけ、その結果、電子がフィラメント１６０からカソード１１０に向かって引き寄せられる。特定の実施形態では、カソード１１０もまた、カソードバイアス供給装置１２５と連通している。他の実施形態では、カソード１１０は接地され得る。特定の実施形態では、チャンバ１００は電気的に接地して接続される。特定の実施形態では、壁１０１は他の電源に接地基準を提供する。

本実施形態では、リペラ１２０が、カソード１１０に対向するチャンバ１００の第２の端部１０６上のチャンバ１００内に配置される。名称が示唆するように、リペラ（反発電極）１２０は、カソード１１０から放出された電子をチャンバ１００の中心に向かって後方に反発させる役割を果たす。例えば、特定の実施形態では、リペラ１２０は、リペラ電源１３５を用いて電子を反発させるために、チャンバ１００に対して負の電位にバイアスされ得る。例えば、特定の実施形態では、リペラ電源１３５は、０～－１５０Ｖの範囲の電圧を供給するが、他の電圧が使用されてもよい。これらの実施形態では、リペラ１２０は、チャンバ１００に対して０～－１５０Ｖの間でバイアスされる。特定の実施形態では、リペラ１２０は、チャンバ１００に対して浮かせられ得る。すなわち、浮いているときには、リペラ１２０は、リペラ電源１３５またはチャンバ１００に電気的に接続されてはいない。本実施形態では、リペラ１２０の電圧はカソード１１０の電圧に近い電圧にドリフトする傾向がある。他の実施形態では、リペラ１２０は、カソードバイアス供給装置１２５または接地点に電気的に接続され得る。

特定の実施形態では、磁界１９０がチャンバ１００に生成される。この磁界は、電子を一方向に沿って閉じ込めることを目的としている。磁界１９０は、通常、第１の端部１０５から第２の端部１０６まで側壁１０４と平行に走る。例えば、電子は、カソード１１０からリペラ１２０の方向（すなわち、ｙ方向）と平行なカラムに閉じ込められ得る。このように、電子は、ｙ方向に動く電磁力を全く受けない。しかしながら、他の方向への電子の移動は、電磁力を受け得る。

図１に示す実施形態では、電極１３０ａ、１３０ｂがチャンバ１００内にあるように、第１の電極１３０ａおよび第２の電極１３０ｂをチャンバ１００の側壁１０４上に配置し得る。電極は、それぞれ、電極電源１７５のような電源と電気的に連通し得る。図２は、図１のイオン源１０の断面図を示している。この図では、カソード１１０は、イオン源１０の第１の端部１０５と反対方向に示されている。第１の電極１３０ａおよび第２の電極１３０ｂは、チャンバ１００の対向する側壁１０４上に示されている。磁界１９０は、Ｙ方向に紙面から外に向けられて示されている。特定の実施形態では、電極１３０ａ、１３０ｂは、絶縁体を用いることによりチャンバ１００の側壁１０４から分離され得る。電極電源１７５からの電気的接続は、チャンバ１００の外側からそれぞれの電極に導電性材料を通すことによって、第１の電極１３０ａおよび第２の電極１３０ｂに行い得る。

カソード１１０、リペラ１２０、第１の電極１３０ａおよび第２の電極１３０ｂの各々は、金属などの電気伝導性材料でできている。これらの構成要素の各々は、壁１０１から物理的に分離され得て、その結果、接地点とは異なった電圧が各構成要素に印加され得る。

抽出プレート１０２には、抽出開孔１４０が配置され得る。図１では、抽出開孔１４０は、Ｘ－Ｙ平面に平行（紙面に平行）な側面に配置されている。さらに、図示されていないが、イオン源１０は、イオン化されることになるガスがチャンバ１００に導入されるガス入口も備える。

コントローラ１８０は、これらの電源によって供給される電圧または電流を変更し得るように、１つまたは複数の電源と連通し得る。コントローラ１８０は、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ、専用コントローラ、または別の適切な処理装置といった処理装置を含み得る。コントローラ１８０はまた、半導体メモリ、磁気メモリ、または別の適切なメモリのような非一時的なストレージ要素も含み得る。この非一時的なストレージ要素は、コントローラ１８０が本明細書で説明される機能を実行することを可能にする命令および他のデータを収容し得る。

動作中は、カソード１１０によって電子が放出される。これらの電子は、供給ガスと衝突してプラズマ１５０を発生させるように、チャンバ１００内の磁界および電界によって拘束され得る。チャンバ１００の外側の電極は、抽出開孔１４０を通じてプラズマ１５０からイオンを抽出するために使用され得る。

上述のように、特定の実施形態では、イオン源を高温で動作させることが有利である。これらの高温は、チャンバ１００内の構成要素上への材料の堆積を防止するのに役立ち得る。例えば、炭素ベース種をイオン化する場合、炭素が、内部表面、リペラ１２０、および電極１３０ａ、１３０ｂに蓄積する傾向がある。この堆積を最小限に抑える１つの方法は、チャンバ１００内の温度、特にリペラ１２０および電極１３０ａ、１３０ｂの温度を上昇させることである。

上述のように、リペラ１２０および電極１３０ａ、１３０ｂは、チャンバベース１９８によって支持される外部クランプ１９５（図２参照）に取り付けられ得て、チャンバベース１９８は例えば４００℃未満の低温であり得る。しかしながら、リペラ１２０および電極１３０ａ、１３０ｂをチャンバ１００内の温度に近い温度に維持することが望ましい場合があり、チャンパ１００は６００℃以上であり得る。

この目標を達成するために、リペラ１２０および電極１３０ａ、１３０ｂの設計にいくつかの変更を加えることができる。これらの変更を有するリペラ１２０の断面図を図３Ａに示す。リペラ１２０の等角図を図３Ｂに示す。第一に、円形ディスクの裏に圧入される中央ステムを有する従来のリペラとは対照的に、本リペラ１２０はスポーク構造を利用する。具体的には、複数のスポーク２００がポスト２１０から外側に突出している。ポスト２１０は、円形または円筒形であり得るリペラディスク２２０と同心であり得る。ポスト２１０は直線状の円筒形の構成要素であるように示されているが、ポスト２１０は外部クランプ１９５に取り付けるように屈曲または湾曲し得ることも理解されたい。さらに、いくつかの実施形態では、ポスト２１０の断面は円形でないことがあり得る。

そのうえ、たとえ「ディスク」という用語が使用されているとしても、リペラディスクは、正方形、長方形、Ｄ字形、または他の形状のような、他の形状をとり得ることを理解されたい。

これらのスポーク２００は、ポスト２１０からリペラディスク２２０の外側エッジに向かって、ポスト２１０の中心軸２１１に対して角度φで外向きに突出し得る。スポークを角度φで突出させることにより、ポスト２１０からリペラディスク２２０までのスポークの長さが増す。例えば、各スポーク２００がポスト２１０の中心軸２１１に対してφ＝４５°の角度で延びる場合、スポーク２００はそうでない場合よりも４１％長い。スポーク２００の長さにおけるこの増加は、伝導度を減少させる。当然、他のφの値が使われることもあり得る。そのうえ、各スポーク２００が、中心軸２１１から異なる角度で突出することが可能である。すなわち、スポーク２００は、ポスト２１０からリペラディスクの裏面まで延び、リペラディスク２２０の中心軸とは異なる位置で裏面に接続する。

スポーク２００の構成は、チャンバ１００によって制限され得る。例えば、通常は、リペラのステムが通過することができる孔１０７をチャンバ１００の第２の端部１０６に配置し得る。この孔１０７の直径は、アーク放電を防止する一方で、孔１０７を通って漏れる気体の量を最小限に抑えるために、実用的な限り小さくなるように最適化され得る。したがって、特定の実施形態では、スポーク２００の外延部は、孔１０７の手前のチャンバ１００内に存在する。

他の実施形態では、スポーク２００の外延部がチャンバ１００の外側で始まるように、孔１０７の直径をより大きくし得る。

スポーク２００は、円形、長方形、六角形、ハニカム、楕円形、および三角形などの、しかしこれらに限定されない任意の適切な形状の断面を有し得る。

リペラ１２０は電気的にバイアスされているので、スポーク２００は金属のような電気伝導性材料で構成される。

特定の実施形態では、スポーク２００は互いに等距離にある。すなわち、隣接するスポーク２００間の角距離は、同じ角度θであり得る。例えば、図４に示すように、３つのスポーク２００がある場合、これらのスポーク２００は、θ＝１２０°で分けられ得る。４つのスポークが使用される場合、スポーク２００は、θ＝９０°で分けられ得る。すなわち、ｎ個のスポークに対して、角度の間隔は、θ＝３６０°／ｎであり得る。スポークを等距離にすることによって、リペラディスク２２０を最適に支持し得る。さらに、熱均一性を向上させ得る。

特定の実施形態では、外部クランプに対する熱伝導率がさらに低減される。図３Ａに示すように、リペラディスク２２０に最も近いポスト２１０の一部は中空であり得る。すなわち、ポスト２１０の遠位端は中実であり得る。中空部分２１２は、スポーク２００と中実部分との間に配置され得る。一実施形態では、ポスト２１０の中空部分２１２は環状リングである。このようにして、導電性材料の量を大幅に減らし得る。例えば、Ｒの外側の半径を有するポストを想定する。ポストの断面積は、単にπＲ^２である。ここで、ポストがｒの内側の半径で中空が作られている場合、そのとき中空ポストの断面積は、π（Ｒ^２－ｒ^２）である。内側の半径が外側の半径の７０％の場合（すなわち、ｒ＝０．７＊Ｒ）、断面積は半減する。これは、外部クランプ１９５に移動する熱量をさらに減少させる。

しかしながら、中空部分２１２は、環状リングでないことがあり得る。例えば、一実施形態では、スポーク延長部２０１は、ポスト２１０の中実部分から外向きに延びる手前の距離にわたって延びる。これらのスポーク延長部２０１は、中心軸と平行に延びる。例えば、図３Ａ～３Ｂおよび図４は、ポスト２１０の周囲の一部のみに沿ったスポーク延長部２０１を示す。スポーク延長部２０１は、それぞれのスポーク２００に対応し、ポスト２１０の中実の端部からスポーク２００までポストと平行に延びる。

この部分は中空と呼ばれるが、残りのポスト２１０とは異なる材料がこの領域に配置され得ることを理解されたい。例えば、ポスト２１０の中実部分は、中実な金属から構成され得て、一方で、中空部分２１２は、以下に詳細に説明するように、粉末または結合剤を収容し得る。このように、「中空部分」という用語は、この部分が中実の金属でできていないことを意味する。

スポーク２００および選択的にポスト２１０の中空部分２１２を使用することにより、リペラディスク２２０から外部クランプ１９５に移動する熱量を低減し得る。このように、これらの２つの変更によって、リペラディスク２２０から外部クランプ１９５への熱伝導の問題に対処する。

リペラディスク２２０の側面からの熱放射を低減するために、追加の変更を組み込み得る。具体的には、リペラ１２０が加熱されると、熱の一部がリペラディスク２２０の側面からイオン源１０の壁１０１に向かって放射される。この放射によって、リペラディスク２２０の温度が低下する。さらに、この放射は、リペラディスク２２０の温度の非均一性にも寄与する。リペラディスク２２０の側面から熱が放射され、ポスト２１０を通して熱が伝導されるので、リペラディスク２２０の前面の中心が、リペラディスク２２０の前面の外側エッジとは異なった温度になることが一般的である。

リペラディスク２２０の側面から放出される放射量を減少させるために、放射シールド２２１を使用し得る。これらの放射シールド２２１は、リペラディスク２２０の側面への伝導経路を減らす。例えば、図３Ａおよび３Ｂは、同心であり得る溝２２２の形態の放射シールド２２１を示す。これらの溝２２２は、異なる距離の深さを有し得る。図３Ａに示す一実施形態では、すべての溝２２２は同じ深さを有する。他の実施形態では、溝の一部が他の溝２２２よりも深くも浅くもなり得る。特定の実施形態では、溝２２２の幅とその深さとの比が、０．２５：１と３：１との間であり得るが、他の比率を使用し得る。特定の実施形態では、溝２２２の深さは、リペラディスク２２０の全厚さの少なくとも２５％であり得るが、５０％、７５％以上といった他の深さを使用し得る。溝２２２は、リペラディスク２２０の前面が放射シールド２２１に影響を受けないように、リペラディスク２２０の裏面から内側に延びている。

図３Ａは、放射シールド２２１の役割をする２つの同心溝２２２を示す。しかしながら、溝２２２の数は、本開示によって限定されるものではない。そのうえ、各溝２２２の深さおよび幅は、他の溝と同一または異なり得る。また、３つ以上の溝の場合、隣接した溝の間隔が同一であり得るか、または異なり得る。

図３Ａでわかるように、リペラディスク２２０の中心からエッジへの伝導経路は、溝２２２の使用を通して著しく減っている。これは、リペラディスク２２０の側面への経路の厚さが、放射シールド２２１によって著しく減少しているからである。

当然、放射シールド２２１は、他の形態もとり得る。例えば、図５は、溝ではなく、複数のキャビディ２２３がリペラディスク２２０の外側エッジに近接する背面上に作り出された実施形態を示す。これらのキャビディ２２３は、円形であり得るか、または任意の他の形状であり得る。これらのキャビディ２２３は、リペラディスク２２０の中心から外側エッジまでの熱経路を減らす。図５はキャビディ２２３の２つのリングを示しているが、より多くまたはより少ないリングを用い得ることを理解されたい。さらに、図５に示すように、１つのリング中のキャビディ２２３は、隣接したリング中のキャビディからオフセットされ得る。他の実施形態では、キャビティ２２３を隣接したリングに整列させ得る。加えて、キャビティ２２３のサイズは、同一であり得るか、または異なるリングで相異し得る。特定の実施形態では、キャビディ２２３の深さは、リペラディスク２２０の厚さの少なくとも５０％とし得るが、他の厚さも使用し得る。

図５は円形のキャビディを示すが、他の形状も可能である。例えば、図６は、リング形状の曲線をなすキャビディ２２４を示す。ここでも、多数のリングを使用して、外側エッジへの伝導経路をさらに減らし得る。

これらすべての実施形態では、放射シールド２２１は、裏面からリペラディスク２２０に延びる１つまたは複数のキャビティまたは溝を備える。これらのキャビティまたは溝は、リペラディスク２２０の外側エッジに近接して配置され得る。他の実施形態では、キャビディまたは溝は、リペラの中心のより近くに配置され得る。これらの特徴は、リペラディスク２２０のエッジに向かって熱伝導を低下させ、より多くの熱をリペラディスク２２０の中心に集中したままにすることを可能にする。

本明細書に記載されるリペラ１２０の形状は、鋳造または従来のサブトラクティブ製造技術を用いてその製造を困難にし得る。

アディティブ製造技術（積層造形技術）によって、構成要素が異なって製造されることを可能にする。従来から行われているように材料を取り除くのではなく、アディティブ製造技術は、交互積層法で構成要素を作り出す。そのようなアディティブ製造技術の１つは、直接金属レーザー焼結法（ＤＭＬＳ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）として知られており、パウダーベッドおよびレーザーを使用している。粉末の薄層が、ワークピース空間に適用される。レーザーを用いて粉末を焼結するが、これは構成要素が形成される領域に限られる。金属粉末の残材が残ってパウダーベッドを形成する。レーザープロセスが完了した後、既設のパウダーベッドの上に別の金属粉末の薄層が適用される。レーザーは、特定の位置を焼結するために再び使用される。このプロセスは、任意の回数を繰り返し得る。

ＤＭＬＳは１つの技術であるが、他にも多く存在する。例えば、金属バインダジェット方式は、粉末を焼結するためにレーザーを使用するのではなく、構成要素が形成されることになる領域に液体バインダを塗布することを除いて、ＤＭＬＳと同様である。アディティブ製造法の別の実施例は、電子ビームプリントである。本実施形態では、金属の細いフィラメントがノズルから押し出され、レーザーまたは電子ビームを使用して、フィラメントが押し出されるときに金属を溶融する。本実施形態では、金属が構成要素の一部となるべき領域にのみ適用される。当然、溶融フィラメント製法、指向性エネルギー堆積法、またはシート積層法のような他のタイプのアディティブ製造法も用いられ得る。

構成要素を構成するために用いられる交互積層法により、従来のサブトラクティブ製造技術では不可能である形状および他の態様が製作され得る。

図２に示されるリペラ１２０は、これらのアディティブ製造技術のうちの１つまたは複数を用いて製造され得る。例えば、交互積層プロセスは、リペラ１２０の前面から始まり、その表面からリペラを成長させ得る。

ＤＭＬＳ製造技術では、ポスト２１０の中空部分２１２内に粉末を配置または閉じ込め得ることができる。この粉末は、リペラ１２０の残りの部分を作り出すために使用される金属よりも低い熱伝導率を有することに留意されたい。したがって、中空部分２１２に配置された材料ではあるが、その材料はポスト２１０の残りの部分と異なり、熱伝導率が中実のポストと比較して低下する。

特定の実施形態では、リペラ１２０は単一で一体の構成要素として形成される。すなわち、リペラディスク２２０、ポスト２１０およびスポーク２００は、すべて単一の構成要素である。このリペラ１２０は、タングステンから構成され得るが、他の金属も使用し得る。

上記の開示はリペラ１２０を説明しているが、本明細書に説明されている１つまたは複数の変更を電極１３０ａ、１３０ｂに適用し得ることも理解されたい。特定の実施形態では、電極１３０ａ、１３０ｂは長方形または別の形状であり得る。さらに、特定の実施形態では、電極１３０ａ、１３０ｂの前面は、凹面または凸面であり得る。この場面では、中心軸は電極プレートの中心として定められる。例えば、中心軸は、プレートの各コーナーから等距離にあるプレートを通る線として定められ得る。この実施形態では、放射シールドは、外側エッジと同心であり、外側エッジと同じ形状を有し得る。この文脈において、「同心」とは、放射シールドおよび外側エッジが共通の中心軸および共通の形状を共有することを意味する。例えば、電極１３０ａ、１３０ｂは長方形であり得る。本実施形態では、放射シールドが同心の長方形の溝であるか、または１つもしくは複数の同心の長方形に並べられた複数のキャビディであり得る。図７Ａ～７Ｃは、長方形の電極と共に使用され得る放射シールドの様々な実施形態を示す。図７Ａでは、いくつかの溝２３１が、電極プレート２３５の裏面の放射シールド２３０として使用される。これらの溝２３１は、中心軸２３９の周りに同心状にある。図７Ｂでは、長方形の形状をした複数の直線的なキャビディ２３７が、放射シールド２３０として使用されている。ここでも、多数の長方形を使用して、電極プレート２３５の外部エッジへの伝導経路をさらに減らし得る。図７Ｃでは、複数の円形のキャビティ２３８が、放射シールド２３０として使用されている。ここでも、多数のキャビティを使用して、電極プレート２３５の外側エッジへの伝導経路をさらに減らし得る。

図７Ａ～７Ｃは長方形である電極プレート２３５を示すが、他の形状も同様に使用し得ることを理解されたい。例えば、電極プレート２３５は、卵形、楕円形、円形、および任意の適切な形状であり得る。これらの実施形態では、放射シールド２３０が、電極プレートと同じ形を有し得る。

上記の開示は、リペラ１２０に対して、その温度を上昇させてその熱均一性を改善するために、構造の変更を説明したが、本明細書に記載される変更は他の特徴を提供するために使用することができる。例えば、リペラディスク２２０の一部をリペラディスク２２０の残りの部分とは異なる温度にすることが望ましい場合がある。

例えば、リペラディスク２２０の第１の部分が、リペラディスク２２０の他の部分よりも高温であることが望ましいと仮定する。スポーク２００およびポスト２１０によって熱エネルギーが伝導されることを理解していると、スポーク２００およびスポーク延長部２０１は、以下のように再構成され得る。
・この第１の部分で終端するスポークがより少ない、
・第１の部分の近くで終端するスポークの断面積が、他のスポークの断面積よりも小さい、または
・第１の部分の近くで終端する任意のスポークに関連したスポーク延長部２０１の断面積が、他のスポーク延長部の断面積よりも小さい。

その代わりに、リペラディスク２２０の第２の部分が、リペラディスク２２０の他の部分よりも低温であることが望ましい場合には、逆のアクションをとり得る。すなわち、スポーク２００およびスポーク延長部２０１は、以下のように再構成され得る。
・この第２の部分で終端するより多くのスポークがある、
・第２の部分の近くで終端するスポークの断面積が、他のスポークの断面積よりも大きい、または
・第２の部分の近くで終端する任意のスポークに関連したスポーク延長部２０１の断面積が、他のスポーク延長部の断面積よりも大きい。

すなわち、スポーク２００は、図４に示すように、互いに等距離でないことがあり得る。高温部分を生じさせるために、高温部分におけるスポークの角度密度は、他の部分におけるスポークの角度密度よりも小さい。同様に、低温部分を生じさせるために、低温部分におけるスポークの角度密度は、他の部分におけるスポークの角度密度よりも大きい。

加えて、熱エネルギーがリペラディスク２２０のエッジから放射されることを理解すると、リペラディスク２２０の一部の温度に影響を与えるために、放射シールド２２１に変更を加えることができる。再び、リペラディスク２２０の第１の部分をリペラディスク２２０の他の部分よりも高温であることが望ましいと仮定する。熱エネルギーがリペラディスク２２０のエッジによって放射されることを理解すると、放射シールドは、以下のように再構成され得る。
・この第１の部分には、より多くの放射シールドがある、
・第１の部分における放射シールドの深さが、他の部分における深さよりも大きい、または
・第１の部分における放射シールドの幅が、他の部分における幅よりも大きい。

逆に、第２の部分が他の部分よりも低温であることが望ましい場合には、放射シールドは、以下のように再構成され得る。
・この第２の部分には、放射シールドがより少ないか、もしくは全くない、
・第２の部分における放射シールドの深さが、他の部分における深さよりも小さい、または
・第２の部分における放射シールドの幅が、他の部分における幅よりも小さい。

すなわち、これらの実施形態では、放射シールド２２１は対称でないことがあり得る。例えば、溝が放射シールドとして使用される場合、溝は同心の円でないことがあり得る。むしろ、１つまたは複数の溝はＣ字形であり得る。同様に、図５または図６に示すように、キャビティが使用される場合、キャビティの数は、リペラディスク２２０の異なる部分で相異し得る。

これらの技術はまた、必要に応じて、電極プレート２３５に適用させ得る。

一例として、抽出プレート１０２を可能な限り高温に維持することが有利であり得る。これは、抽出プレート１０２上の堆積を最小限に抑えるためであり得る。スポーク２００およびスポーク延長部２０１を変更することによって、リペラディスク２２０の上半分は、リペラディスク２２０で最も高温の部分になり得る。放射シールド２２１がリペラディスク２２０の上半分から減らされるか、または取り除かれる場合、この過剰な熱は、リペラディスク２２０から抽出プレート１０２に向かって放射され、さらに抽出プレートを加熱し得る。同様の技術を電極プレート２３５にも適用し得る。

さらに別の実施形態では、リペラの温度を可能な限り低下させることが有利であり得る。図８は、そのような一実施形態のリペラ２５０を示す。本実施形態では、ポストは中空部分を有していないことがあり得る。むしろ、中実のポスト２７０は、リペラディスク２２０から離れた熱エネルギーをより良好に伝導し得る。さらに、個々のスポーク２００ではなく、中実のポスト２７０が、中実のフレア端部２６０を用いてリペラディスク２２０に取り付け得る。一実施形態では、チャンバ１００内にある中実のポスト２７０の一部が角度φで外向きに広がっている。これは、リペラディスク２２０と中実のポスト２７０との間に、より大きな接触面積を作り、より多くの熱エネルギーをリペラディスク２２０から離れて伝導させることを可能にする。このリペラ２５０は、中実のポスト２７０、中実のフレア端部２６０、およびリペラディスク２２０がすべて１つの構成要素であるように、一体の構成要素であり得る。リペラディスク２２０の温度をさらに低下させるために、リペラディスク２２０は、いかなる放射シールドも持たない場合があり、リペラディスク２２０のエッジから熱を放射することができる。同様の技術を電極プレート２３５にも適用し得る。

本出願において上記の実施形態は、多くの利点を有し得る。上述したように、スポーク２００、スポーク延長部２０１、および放射シールド２２１は、リペラの温度を上昇するために使用され得る。ある試験では、リペラ１２０が図３Ａに示すように構成された。第２の試験では、圧入ステムを備えた中実の円形ディスクを有する従来のリペラを使用した。両方の試験において、１００Ｗ／ｍ^２がリペラディスクの前面に印加されたとみなした。ポストまたはステムの遠位端に取り付けられた外部クランプ１９５は、４００℃であるとみなされた。チャンバの内部温度が６００℃とみなされた。試験は、新しく設計されたリペラにおけるリペラディスクの前面の温度が、従来のリペラと比較して１００°Ｃ超上昇したことを示している。すなわち、新しいリペラの設計は、外部クランプ１９５への熱の伝導を著しく減少させた。この温度の上昇は、リペラ上の堆積、特にリペラ上の炭素の堆積を減少させ得る。加えて、温度をチャンバ内で維持するために、外部の加熱要素または加熱リフレクタは使用されていない。これは、イオン源の設計および動作を単純化する。

他の実施形態では、スポーク２００、スポーク延長部２０１および放射シールド２２１は、リペラディスク２２０の表面上に熱的なホットスポットまたはコールドスポットを発生させるように設計され得る。

本開示は、本明細書に記載される特定の実施形態による範囲に限定されるものではない。実際には、本明細書に記載されるものに加えて、本開示の他の様々な実施形態および本開示に対する変更が、前述の説明および添付の図面から当業者に明らかになるであろう。このため、そのような他の実施形態および変更は、本開示の範囲に含まれることを意味する。さらに、本開示は、本明細書において特定の目的のための特定の環境における特定の実装形態の文脈で説明されているが、当業者は、その有用性がそれに限定されないこと、および本開示が任意の数の目的のための任意の数の環境において有益に実装され得ることを認めるであろう。したがって、以下に示される特許請求の範囲は、本明細書に記載される本開示の全範囲および趣旨を考慮して解釈されるべきである。

Claims (15)

1. イオン源に使用するためのリペラであって、
   厚さ、前面、裏面、外側エッジ、および中心軸を有し、前記イオン源内に配置されるように適合されたリペラディスクと、
   クランプに取り付けるためのポストと、
   前記ポストから前記リペラディスクへ外側に延び、前記リペラディスクの前記中心軸とは異なる位置で前記リペラディスクの前記裏面に接触する複数のスポークと、
   を備えるリペラ。
2. 前記リペラは、一体の構成要素を備える、請求項１に記載のリペラ。
3. 前記リペラディスクの前記裏面は、１つまたは複数の放射シールドを備える、請求項１に記載のリペラ。
4. 前記放射シールドは、前記リペラディスクの外側エッジに近接して配置された１つまたは複数の同心溝を備える、請求項３に記載のリペラ。
5. 前記ポストの少なくとも一部が中空である、請求項１に記載のリペラ。
6. 前記中空部分は、それぞれのスポークに各々が対応する複数のスポーク延長部を備え、前記スポーク延長部は前記ポストの中実部分と前記スポークとの間に配置され、かつ前記ポストの中心軸に平行に延びる、請求項５に記載のリペラ。
7. イオン源であって、
   複数の壁ならびに第１の端部および第２の端部を備えるチャンバであって、前記第２の端部が孔を備える、チャンバと、
   前記チャンバの前記第１の端部に配置されたカソードと、
   前記チャンバの前記第２の端部に配置されたリペラと、を備え、前記リペラは、
   厚さ、前面、裏面、外側エッジ、および中心軸を有し、前記チャンバ内に配置されたリペラディスクと、
   ポストと、
   前記ポストから前記リペラディスクへ外側に延び、前記リペラディスクの中心軸とは異なる位置で前記リペラディスクの裏面に接触する複数のスポークと、
   を備える、イオン源。
8. 前記スポークは、前記チャンバ内に配置される、請求項７に記載のイオン源。
9. 前記ポストに取り付けられ、前記リペラを支持するための、前記チャンバの外部にあるクランプをさらに備え、前記クランプと前記リペラディスクとの間の前記ポストの一部が中空である、請求項７に記載のイオン源。
10. スポーク延長部が、前記クランプに近接して配置された前記ポストの中実部分から前記スポークに延び、前記ポストの中心軸に平行に延びる、請求項９に記載のイオン源。
11. 前記チャンバの壁に配置された電極をさらに備え、前記電極は、
    厚さ、前面、裏面、外側エッジ、および中心軸を有し、前記チャンバ内に配置された電極プレートと、
    クランプに取り付けるための電極ポストと、
    前記電極ポストから前記電極プレートへ外側に延び、前記電極プレートの前記中心軸とは異なる位置で前記電極プレートの前記裏面に接触する複数のスポークと、を備える、請求項７に記載のイオン源。
12. イオン源内で使用するための電極であって、
    厚さ、前面、裏面、外側エッジ、および中心軸を有し、前記イオン源内に配置されるように適合された電極プレートと、
    クランプに取り付けるためのポストと、
    前記ポストから前記電極プレートへ外側に延び、前記電極プレートの前記中心軸とは異なる位置で前記電極プレートの前記裏面に接触する複数のスポークと、
    を備える電極。
13. 前記電極プレートの前記裏面は、１つまたは複数の放射シールドを備える、請求項１２に記載の電極。
14. 前記放射シールドは、前記電極プレートの外側エッジに近接して配置された１つまたは複数の溝またはキャビティを備える、請求項１３に記載の電極。
15. 前記ポストの少なくとも一部が中空であり、前記中空部分が、それぞれのスポークに各々が対応する複数のスポーク延長部を備え、前記スポーク延長部が、前記ポストの中実部分と前記スポークとの間に配置され、かつ前記ポストの中心軸に平行に延びる、請求項１２に記載の電極。

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