JPH0720838Y2 - Ion source - Google Patents
Ion sourceInfo
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- JPH0720838Y2 JPH0720838Y2 JP213290U JP213290U JPH0720838Y2 JP H0720838 Y2 JPH0720838 Y2 JP H0720838Y2 JP 213290 U JP213290 U JP 213290U JP 213290 U JP213290 U JP 213290U JP H0720838 Y2 JPH0720838 Y2 JP H0720838Y2
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- anode
- filament
- arc chamber
- arc
- chamber
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Description
この考案はカスプ磁場によってプラズマを閉じ込めるイ
オン源において、電子の閉じ込め効率を高くしたものに
関する。The present invention relates to an ion source for confining plasma by a cusp magnetic field, which has a high electron confinement efficiency.
カスプ磁場によりプラズマを閉じ込めるようにしたバケ
ット型イオン源は、基本的には次のような構造を持って
いる。 円筒部と蓋板とよりなるアノードチャンバ、 熱電子を発生するためのカソードフィラメント アノードチャンバの外周に設けられ、極性が交互に
反対になるようにしてカスプ磁場をアノードチャンバ内
部に生ずる永久磁石、 アノードチャンバを正、カソードフィラメントを負
として電圧を供給し、アーク放電を起こさせるアーク電
源、 カソードフィラメントのフィラメントを加熱するた
めの電源、 アノードチャンバの出口に設けられイオンビームを
外部へ引き出すためのプラズマ電極。 このような構成で、イオンビームを発生させるには次の
ようにする。イオン化すべき元素よりなるガス又はその
元素を含むガスを、真空に引かれたアークチャンバ内に
導入する。 カソードフィラメントを加熱し、カソードフィラメント
とアークチャンバの間に電圧を印加する。 カソードフィラメントが高温になると熱電子が発生す
る。熱電子がカソードフィラメントとアークチャンバの
間に印加された電圧によって加速され、ガス中の中性原
子、分子に衝突しこれを電離する。イオンと電子が生ず
るが、この電子が再び加熱され他の中性分子などを電離
する。こうしてアーク放電が発生する。アーク放電によ
りプラズマが生ずる。多くの永久磁石を並べてカスプ磁
場を作っているので、荷電粒子はカスプ磁場によって閉
じ込められるので、アークチャンバの壁面に殆ど接触し
ない。A bucket-type ion source configured to confine plasma by a cusp magnetic field basically has the following structure. Anode chamber consisting of cylindrical part and lid plate, cathode filament for generating thermoelectrons Permanent magnets provided on the outer periphery of the anode chamber to generate cusp magnetic fields inside the anode chamber with alternating polarities, anode An arc power supply that causes arc discharge by supplying a voltage with the chamber positive and the cathode filament negative, a power supply for heating the filament of the cathode filament, a plasma electrode provided at the outlet of the anode chamber for extracting the ion beam to the outside . To generate an ion beam with such a configuration, the following is performed. A gas composed of an element to be ionized or a gas containing the element is introduced into the vacuumed vacuum arc chamber. The cathode filament is heated and a voltage is applied between the cathode filament and the arc chamber. When the cathode filament becomes hot, thermoelectrons are generated. The thermoelectrons are accelerated by the voltage applied between the cathode filament and the arc chamber, collide with neutral atoms and molecules in the gas and ionize them. Ions and electrons are generated, which are heated again to ionize other neutral molecules. In this way, arc discharge is generated. Plasma is generated by the arc discharge. Since a large number of permanent magnets are arranged to form a cusp magnetic field, charged particles are confined by the cusp magnetic field and therefore hardly contact the wall surface of the arc chamber.
もともとガス状であるような元素をイオン化する場合は
このようなバケット型イオン源でも十分に効率良くイオ
ン化する事ができる。 ところが常温で固体である金属のイオンビームを得たい
という要望がある。例えば、半導体製作工程で不純物と
して金属イオンを打ち込むことがある。 例えばAl、Cr、Si、Tiなどの金属のイオンを得たいとす
る。これらの固体を別の蒸発源で加熱して金属蒸気と
し、このイオン源の中へ気体の状態で導入する。そして
アーク放電により金属原子をイオン化する。 これで良いはずであるが、必ずしも十分でない。 常温で固体であるものを蒸気にしているのであるから、
常温でガス状であるものを対象とする場合よりも、アー
クチャンバ内を高温に保たなければならない。 このためカソードフィラメントを増強してこのフィラメ
ントからの放射エネルギーを大きくするという事が考え
られる。 また熱の放散を減少させるため、アークチャンバの内部
にTa、Wなどの内張りを設ける、という事も考えられ
る。金属の内張りにより放射エネルギーを反射して内部
を高熱に保つ。 しかしこれでも未だ十分でない。アークチャンバの中に
他の発熱機構が存在する、という事が望まれる。 目的は異なるが、アークチャンバの中に、前記のカソー
ドフィラメント以外のものを設けたものがある。(特願
昭63-326433,S63.12.23)これは電子の閉じ込めを良く
するため、アノード電位のアノードワイヤをカスプ磁場
の切れ目であるカスプ部に設けたものである。When ionizing an element that is originally in a gaseous state, such a bucket type ion source can sufficiently ionize the element. However, there is a demand to obtain a metal ion beam that is solid at room temperature. For example, metal ions may be implanted as impurities in the semiconductor manufacturing process. For example, suppose you want to obtain ions of metals such as Al, Cr, Si, and Ti. These solids are heated by another evaporation source to form metal vapor and introduced into this ion source in a gaseous state. Then, the metal atoms are ionized by the arc discharge. This should be good, but not always enough. Because it vaporizes what is solid at room temperature,
The inside of the arc chamber must be kept at a higher temperature than in the case of targeting a gas at room temperature. Therefore, it is conceivable to enhance the cathode filament to increase the radiant energy from this filament. Further, in order to reduce heat dissipation, it may be possible to provide a lining such as Ta or W inside the arc chamber. Radiant energy is reflected by the metal lining to keep the inside high heat. But this is still not enough. It is desired that there be another heat generating mechanism in the arc chamber. Although there are different purposes, some arc chambers are provided with something other than the above-mentioned cathode filament. (Japanese Patent Application No. 63-326433, S63.12.23) In order to improve the confinement of electrons, an anode wire having an anode potential is provided at the cusp portion, which is a break in the cusp magnetic field.
アークチャンバ内部の温度をさらに高めるために、カソ
ードフィラメント以外の発熱体として、もうひと組のフ
ィラメントを設ける。これはアノードチャンバと同電位
にする。それでここではアノードフィラメントと呼ぶ。
アノードフィラメントに通電する事により発熱量を増大
させ、金属蒸気をさらに高温に保つようにする。 さらに、アノードフィラメントはカスプ磁場の存在する
領域に設定する。つまり、アノードチャンバの壁面の近
傍であって、隣接する磁石の中間の位置にアノードフィ
ラメントが存在するようにするのである。In order to further increase the temperature inside the arc chamber, another set of filaments is provided as a heating element other than the cathode filament. This is at the same potential as the anode chamber. Therefore, it is called an anode filament here.
The amount of heat generated is increased by energizing the anode filament to keep the metal vapor at a higher temperature. Further, the anode filament is set in the region where the cusp magnetic field exists. That is, the anode filament is located near the wall surface of the anode chamber and at an intermediate position between the adjacent magnets.
アノードフィラメントに通電してこれを加熱するので発
熱量が多くなり、金属の蒸気であっても、蒸気の状態を
維持することができる。 カソードフィラメントが加熱されると、熱電子が発生
し、ガス分子を電離し、プラズマに変換する。 電子と、正イオンは荷電粒子であるから、永久磁石が作
るカスプ磁場によって閉じ込められ、十分なプラズマ密
度になる。 電子はカスプ磁場の切れ目に当たるカスプ部に於いてア
ークチャンバ壁に衝突するのでここで消滅する。 正イオンは、アークチャンバの壁から静電力によって引
き離されているから、アークチャンバ壁に衝突する事に
よって消滅するのは、電子の存在できるカスプ部のみで
ある。 さて新しく設けたアノードフィラメントであるが、これ
は加熱だけの作用を持つ。もちろん熱電子が放出される
こともあるが、アノード電位であるから、これは再吸収
される。 問題はプラズマ中に存在している電子を、アノードフィ
ラメントが吸収してしまわないかという事である。もし
アノードフィラメントが電子を吸収してしまえば電子の
閉じ込め効率が低くなる。高密度のプラズマを維持する
ことができない。 ところがこの心配はない。アノードフィラメントは、磁
石が作るカスプ磁場の中にある。このためプラズマはア
ノードフィラメントに殆ど接近しない。電子もアノード
フィラメントに殆ど接近しない。このため、電子がアノ
ードフィラメントに衝突する確率は低い。 従って、本考案に於いては、アノードフィラメントの存
在にも拘らず電子の閉じ込め効率が損なわれず、高密度
プラズマを維持することができる。Since the anode filament is energized to heat the anode filament, the amount of heat generated is increased, and the vapor state can be maintained even with metal vapor. When the cathode filament is heated, thermoelectrons are generated, ionizing gas molecules and converting them into plasma. Since electrons and positive ions are charged particles, they are confined by the cusp magnetic field created by the permanent magnet, and the plasma density becomes sufficient. The electrons collide with the arc chamber wall at the cusp portion corresponding to the break of the cusp magnetic field, so that they disappear here. Since the positive ions are separated from the wall of the arc chamber by an electrostatic force, it is only the cusp portion where electrons can exist that disappear by colliding with the wall of the arc chamber. Now, with the newly installed anode filament, this has only the function of heating. Of course, thermoelectrons may be emitted, but since they are at the anode potential, they are reabsorbed. The question is whether the anode filament will absorb the electrons present in the plasma. If the anode filament absorbs the electrons, the electron confinement efficiency becomes low. High density plasma cannot be maintained. However, this is not a concern. The anode filament is in the cusp field created by the magnet. Therefore, the plasma does not come close to the anode filament. The electrons also come very close to the anode filament. Therefore, the probability of electrons colliding with the anode filament is low. Therefore, in the present invention, the high-density plasma can be maintained without impairing the electron confinement efficiency despite the presence of the anode filament.
実施例を示す図面によって説明する。第1図は本考案の
実施例に係るイオン源の中央縦断面図、第2図は第1図
中のII-II断面図である。 アークチャンバ1は、円筒部10と蓋板11とよりなる。円
筒部10はCu、Al或はステンレスなどで作られる。両側に
フランジ12、13を有する。一方のフランジ12には蓋板11
が固着される。直接に両者を接触させ蓋板11もアノード
電位とする事もある。この場合は、内張り4をアノード
電位と絶縁する必要がある。また両者の間に絶縁部材を
介在させて両者を絶縁する事もある。この場合は,蓋板
の電位はアノード電位とは無関係に設定できる。蓋板も
Cu、Al、ステンレスで作られる。 アークチャンバ1は加熱されるので周囲に冷却水を通し
てこれを冷却する構造(図示せず)になっている。 アークチャンバ1の円筒部10の外周には半径方向に磁化
方向を有する複数の永久磁石2が多数設けられる。これ
らの永久磁石は磁化方向が交互に反対方向に向くように
並べられている。このため、アークチャンバの内部にお
いて、壁面近くにのみ存在する磁場を作る。 磁化方向が隣接磁石間で食い違うから、遠くの方まで磁
場が及ばない。磁石の近傍のみに強い磁場ができる。磁
力線を描くと隣接磁石間をつなぐ曲線になる。この曲線
は磁石端面に尖った部分を作るのでカスプ(cusp:尖
点)磁場と呼ぶ。 カスプ磁場の存在する部分に荷電粒子が来ると磁場によ
るローレンツ力を受け半回転して元に戻る。このためカ
スプ磁場の内部へ実効的に入って行かない。 アークチャンバの中央部の星芒形をした領域は磁場の殆
ど存在しない部分である。ここがプラズマの存在する領
域となる。永久磁石の端面磁束密度は例えば5000Gauss
〜10000Gaussである。これは電磁石で置き換えても良
い。 蓋板11の比較的中央に近い部分には導入端子21によって
カソードフィラメント5が保持されている。導入端子21
は金属の鞘と絶縁物とよりなる。絶縁物によりカソード
フィラメント5は蓋板11に対して絶縁されている。金属
の鞘は内部ではMo、外側ではCuである。 カソードフィラメント5はカソードフィラメント電源7
によって加熱され熱電子を生ずる。 蓋板11の周縁に近い部分には導入端子22によってアノー
ドフィラメント6が保持される。導入端子22によりアノ
ードフィラメント6と蓋板とが絶縁される。 アノードフィラメント6はアノードフィラメント電源8
によって加熱される。 アークチャンバ1とアノードフィラメント6は接地され
る。アークチャンバ1をアノード、カソードフィラメン
ト5をカソードとするアーク電源9が設けられる。これ
により、カソードフィラメント5とアークチャンバ1の
間にアーク放電を生ずる。 アークチャンバ1の蓋板11の反対側の端面には、イオン
ビームを引き出すための単孔、多孔、単スリット、多ス
リット等よりなるプラズマ電極3が取り付けられてい
る。 アークチャンバ1の円筒部の内側,蓋板11の内側、プラ
ズマ電極の外縁部の内側には内張り4が設けられる。こ
れはTa、Moなど耐熱性の金属板で作られる。アークチャ
ンバ内部を高熱に保つためのものである。アークチャン
バ1にはイオン化すべき原子を含むガスを導入するガス
導入口23がある。 アノードフィラメント6は第2図に示すようにアノード
チャンバ壁に近いカスプ磁場の中にある。プラズマ(電
子、正イオン)存在領域の外である。アノードフィラメ
ント6は静電力によって電子を引き付けるが、周囲の磁
場が強いため電子が弾じき返される。このため電子の実
効的な衝突断面積が小さくなり、電子の寿命が長くな
る。このため高密度プラズマを維持することができる。 内張りで囲まれる空間がプラズマの存在する領域にな
る。この例ではこの空間の長さは約10cm、直径は15cmで
ある。1400℃以上の高熱に耐える事ができる。Embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a central longitudinal sectional view of an ion source according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. The arc chamber 1 includes a cylindrical portion 10 and a cover plate 11. The cylindrical portion 10 is made of Cu, Al, stainless steel or the like. It has flanges 12 and 13 on both sides. One flange 12 has a lid plate 11
Is fixed. There is also a case where the both are directly contacted with each other and the cover plate 11 is also set to the anode potential. In this case, it is necessary to insulate the lining 4 from the anode potential. Also, an insulating member may be interposed between the two to insulate them. In this case, the potential of the lid plate can be set independently of the anode potential. Also the lid plate
Made of Cu, Al and stainless steel. Since the arc chamber 1 is heated, it has a structure (not shown) for cooling it by passing cooling water around it. A plurality of permanent magnets 2 having a magnetization direction in the radial direction are provided on the outer periphery of the cylindrical portion 10 of the arc chamber 1. These permanent magnets are arranged so that the magnetization directions thereof are alternately opposite to each other. Therefore, a magnetic field existing only near the wall surface is created inside the arc chamber. Since the magnetization directions are different between the adjacent magnets, the magnetic field does not reach far away. A strong magnetic field is created only near the magnet. When the lines of magnetic force are drawn, it becomes a curve that connects adjacent magnets. This curve is called a cusp (cusp) magnetic field because it creates a sharp portion on the end face of the magnet. When the charged particles come to the part where the cusp magnetic field exists, they receive the Lorentz force by the magnetic field and make a half rotation back to the original. Therefore, it cannot effectively enter the cusp magnetic field. The star-shaped region in the center of the arc chamber is the part where there is almost no magnetic field. This is the region where plasma exists. The end face magnetic flux density of the permanent magnet is, for example, 5000 Gauss
It is ~ 10000 Gauss. This may be replaced by an electromagnet. The cathode filament 5 is held by the introduction terminal 21 at a portion relatively close to the center of the lid plate 11. Introduction terminal 21
Consists of a metal sheath and an insulator. The cathode filament 5 is insulated from the lid plate 11 by the insulator. The metal sheath is Mo inside and Cu outside. The cathode filament 5 is a cathode filament power supply 7
It is heated by and produces thermoelectrons. The anode filament 6 is held by the introduction terminal 22 in a portion near the peripheral edge of the lid plate 11. The introduction terminal 22 insulates the anode filament 6 from the lid plate. The anode filament 6 is an anode filament power supply 8
Heated by. The arc chamber 1 and the anode filament 6 are grounded. An arc power supply 9 having an arc chamber 1 as an anode and a cathode filament 5 as a cathode is provided. As a result, an arc discharge is generated between the cathode filament 5 and the arc chamber 1. On the end surface of the arc chamber 1 on the opposite side of the lid plate 11, a plasma electrode 3 having a single hole, a multi-hole, a single slit, a multi-slit or the like for extracting an ion beam is attached. An inner lining 4 is provided inside the cylindrical portion of the arc chamber 1, inside the lid plate 11, and inside the outer edge portion of the plasma electrode. This is made of heat resistant metal plate such as Ta and Mo. This is for keeping the inside of the arc chamber at a high temperature. The arc chamber 1 has a gas inlet 23 for introducing a gas containing atoms to be ionized. The anode filament 6 is in a cusp field near the wall of the anode chamber as shown in FIG. It is outside the plasma (electron, positive ion) existence area. The anode filament 6 attracts electrons by electrostatic force, but since the surrounding magnetic field is strong, the electrons are repelled. For this reason, the effective collision cross-sectional area of the electron becomes small, and the life of the electron becomes long. Therefore, high density plasma can be maintained. The space surrounded by the lining becomes the region where plasma exists. In this example, this space has a length of about 10 cm and a diameter of 15 cm. Can withstand high heat of 1400 ℃ or higher.
アーク放電によってプラズマを発生させ、電子を円筒半
径方向にはカスプ磁場によって閉じ込め、軸方向では静
電場により閉じ込めるイオン源であって、アノードフィ
ラメントを有するから、アークチャンバ内をより高温に
保持することができる。金属などのイオンビームを発生
させる場合に最適である。 アノードフィラメントはカスプ磁場によって囲まれてい
るので、アノードフィラメントを追加する事による電子
の損失は少ない。従って電子の閉じ込め効率が損なわれ
ない。It is an ion source that generates plasma by arc discharge and confine electrons in the radial direction of the cylinder by a cusp magnetic field and in the axial direction by an electrostatic field.It has an anode filament, so it is possible to keep the arc chamber at a higher temperature. it can. It is most suitable for generating an ion beam of metal or the like. Since the anode filament is surrounded by the cusp magnetic field, the loss of electrons due to the addition of the anode filament is small. Therefore, the electron confinement efficiency is not impaired.
第1図は本考案の実施例に係るイオン源の中央縦断面
図。 第2図は第1図中のII-II断面図。 1……アークチャンバ 2……永久磁石 3……プラズマ電極 4……内張り 5……カソードフィラメント 6……アノードフィラメント 7……カソードフィラメント電源 8……アノードフィラメント電源 9……アーク電源 10……円筒部 11……蓋板 12,13……フランジ 21,22……導入端子 23……ガス導入口FIG. 1 is a central longitudinal sectional view of an ion source according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG. 1 ... Arc chamber 2 ... Permanent magnet 3 ... Plasma electrode 4 ... Lining 5 ... Cathode filament 6 ... Anode filament 7 ... Cathode filament power supply 8 ... Anode filament power supply 9 ... Arc power supply 10 ... Cylinder Part 11 …… Lid plate 12,13 …… Flange 21,22 …… Introduction terminal 23 …… Gas inlet
Claims (1)
とができ、アノードとなるアークチャンバと、アークチ
ャンバの蓋板の反対側に設けられイオンを引き出すため
のプラズマ電極と、アークチャンバの外周に極性が交互
に異なるように設けられアークチャンバ内部にカスプ磁
場を生ずる複数の磁石と、蓋板からアークチャンバの内
部に挿入されたカソードフィラメントと、アークチャン
バと同じ電位であってアークチャンバ内を加熱するため
の蓋板からアークチャンバ内部のカスプ磁場の存在する
部分へ挿入されたアノードフィラメントより構成される
事を特徴とするイオン源。1. An arc chamber which can be evacuated by a container composed of a cylindrical portion and a cover plate and serves as an anode, a plasma electrode provided on the opposite side of the cover plate of the arc chamber for extracting ions, and an arc. A plurality of magnets that are provided on the outer periphery of the chamber with alternating polarities to generate a cusp magnetic field inside the arc chamber, a cathode filament inserted from the lid plate into the arc chamber, and an arc with the same potential as the arc chamber. An ion source comprising an anode filament inserted from a cover plate for heating the inside of the chamber into a portion where a cusp magnetic field exists inside the arc chamber.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP213290U JPH0720838Y2 (en) | 1990-01-11 | 1990-01-11 | Ion source |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP213290U JPH0720838Y2 (en) | 1990-01-11 | 1990-01-11 | Ion source |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0394753U JPH0394753U (en) | 1991-09-26 |
JPH0720838Y2 true JPH0720838Y2 (en) | 1995-05-15 |
Family
ID=31506012
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP213290U Expired - Lifetime JPH0720838Y2 (en) | 1990-01-11 | 1990-01-11 | Ion source |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0720838Y2 (en) |
-
1990
- 1990-01-11 JP JP213290U patent/JPH0720838Y2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0394753U (en) | 1991-09-26 |
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EXPY | Cancellation because of completion of term |